03冷冻技术基础.docx

《03冷冻技术基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《03冷冻技术基础.docx（29页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、冷冻技术基础第一节制品的速冻速冻能最大限度地保持食品原有的色泽、风味和营养成分、减缓微生物的繁殖以及酶的活性和氧化反应，是食晶长期贮藏最重要的方法，被国际上公认为最佳的食品贮藏保鲜技术。速冻是将食品中细胞间隙的游离水和细胞内的结合水、游离水同时冻结成无数的冰品，解冻时冰品融化成水分，被细胞迅速吸收，尽可能地维持食品原有的新鲜程度和营养。但若速冻环节把控不好，常出现冻结不均匀、食品解冻后色泽口味变差、营养成分流失等问题，这和冻结过程中水形成的冰品有关。一、纯水的冻结特性1 .水和冰的相图纯水是单组分体系，其相图如图2-1所示，相图上有三个区域，即水、水蒸气和冰。线OC是水蒸气和水的平面线，即水在

2、不同温度下的蒸汽压曲线；OB是冰和水的平衡线，OA是冰和水蒸气的平衡线，就是冰的升华曲线。0点是水的三相点，OD是CO的延长线，是水和水蒸气的介稳平衡线，代表过冷水的蒸气压和温度的关系。由图可见，在同一温度下的过冷水的蒸汽压要比稳态冰的蒸汽压大，因此过冷水处于不稳定的状态。2 .纯水的降温曲线如果将一个内盛纯水的容器置于降温槽内，当槽内温度从点A开始等速下降时，水温的变化情况如图22所示，图中的建线表示槽温：实线表示水温。一般情况下，纯水只有被冷却到低于某一温度（点C）时才开始冻结，这种现象称为过冷，开始出现冰品的温度与相平衡冻结温度之差，称为过冷度。在过程ABC中，水以释放显热的方式降温；当

3、过冷到点C时，由于冰品开始形成，释放的相变潜热使样品的温度迅速回升到273.16K,即过程CD;在过程DE中，水在平衡的条件下，继续析出冰品，不断释放大量固化潜热，在此阶段中，样品温度保持在恒定的平衡冻结温度273.16K:当全部水被冻结后，固化的样品以较快速率降温。二、稀溶液的冻结特性以NaC1稀溶液为例，说明冻结过程中溶液的温度和浓度变化关系。图23为NaC1稀溶液的冻结曲线（即NaC1+H20溶液相图的低浓度部分），A点代表在标准大气压下纯水的冰点，即273.16K;E是低共熔点，是液相和两种固相的三相共存点。曲线AE反映了溶液冰点降低的性质。现在来看溶液的冻结曲线。设溶液的冷冻烘赔技术

4、与应用初始浓度为w1.由室温Tm开始被冷却。在液相区，其温度降低，但浓度不变，即沿垂直线AIB1下行；当温度降到TB,时（TB,VTA,其差值决定于溶液的初始浓度），溶液中开始析出固相的冰，从此体系的物系点就进人ABE的固液两相共存区。固相冰的状态用AB线（浓度为O）上的点来表示，如BI点的冰点温度就是TB:液相的状态用AE线上的点表示。对两相共存的体系进行降温，由于固相冰的不断析出，使剩余液相溶液的浓度不断提高，冰点不断降低，直至低共熔点E后，剩余液相全部成固态，成为共熔体。若在室温Tm下，溶液的初始浓度由w:提高到w2,则溶液中液相部分的状态变化就沿着A2B2E的曲线进行。这里也说明了随着

5、浓度的增加，水溶液冰点降低的性质。除此之外，也会产生蒸气压降低、沸点升高和渗透压增加的现象。三、食品材料的冻结特性食品是由多元组分组成的，以面包为例，面包主要成分是面粉和水，并含有少量的空气、食盐、糖、酵母、油脂等。面粉的主要成分是淀粉、蛋白质、脂肪和多糖等，因此，食品的冻结过程与纯水及稀溶液不同。对于食品材料的冻结特性研究，主要关心三个问题，一是初始冻结温度，二是冻结到某一温度时，食品的结冰率（未冻结水的质量分数），三是冻结速率。1初始冻结温度食品内的水分不是纯水而是含有有机物及无机物的溶液。这些物质包括盐类、糖类、酸类以及更复杂的有机分子如蛋白质，还有微量气体。冰品开始出现的温度即初始冻结

6、温度。食品初始冻结点与其中所含溶液的冰点有关，而液体的冰点是液相与固相平衡的温度。溶液的蒸气压较纯溶剂（水）低，因此，溶液的冰点比纯溶剂的冰点低，食品的冰点也比纯水的冰点低。各种食品的成分各有差异。因此各自的冻结点也不一样，一般食品的初始冻结点为30.6。含水量越高，初始冻结温度越接近纯水冻结温度。表2-1列出了一些食品的初始冻结温度。表2-1一些食品的初始冻结温度食品材料含水量/%初始冻结温度/C苹果汁87.2-1.44浓缩苹果汁49.8-11.33胡萝卜87.5-1.11橘汁89.0-1.17菠菜90.2-0.56草莓89.3-0.89草莓汁91.7-0.89甜樱桃77-2.61苹果酱92

7、.9-0.72食品温度降到冻结点即出现冰晶，随着温度继续降低，水分的冻结量逐渐增多，但是要使食品内水分全部冻结，温度要降到-60。这样低的温度工艺上一般不用，只要绝大部分水冻结就能达到冷冻贮臧的要求。一般是-30-18C之间，-18C时94%的水分已冻结，-30C时97%的水分已冻结。2 .食品的结冰率一般冷冻库的贮藏温度为-2518C,食品的冻结温度亦大体降到此范围。食品在冻结过程中会发生各种变化，如物理变化（体积、导热性、比热容、干耗变化等）、化学变化（如蛋白质变化、变色等）、细胞组织变化。在冻结过程中，当温度低于食品的冻结点时，食品开始结冰，随着热量的传递，首先是食品的表层结冰，温度继续

8、下降，食品内部开始结冰。食品最终冻结程度可用结冰率表示，食品结冰率可由式（21）近似计算。可以看出、食品的结冰率与冻结终止温度有关，与冻结速度无关。但是食品的冻结质量与冻结速率紧密相关。食品如果长期贮藏，18C的温度已能满足，但目前冻结品贮藏温度还在降低，有时降到-30甚至-50-40。这主要是为了保持冻结品的色泽。冻结温度应与贮藏温度相对应。若冻结温度低，贮藏温度高，则冻结中形成的小冰晶会在贮藏中逐渐增大，失去冻结速度快的优点，最后结果与缓慢冻结相同。大部分食品，在5-1温度范围内几乎80%水分结成冰，此温度范围称为最大冰晶生成区，对保证冻品的品质来说是最重要的温度区间。3 .冻结速率冻结速

9、率通常以降温时间和距离两种标准来划分。(1)按降温时间来划分。在冷冻过程中，食油各部位的温度是不同的，一般以食品中心温度达到冻结点来计算。由于80%以上的水分在最大冰晶生成带冻结，所以，食品中心温度从JC降到-5C所需的时间，少于30min的称为快速冻结，多于30min的则称为慢速冻结。由于食品的种类、几何尺寸、冻结点、前处理等条件不尽相同，用这种方法区别快速冻结和缓慢冻结，存在一定局限性，不能充分保证食品的质量。(2)按距离来划分。德国学者普朗克以一5C作为结冰锋面，测量冰锋从食品表面向内部移动的速率，并据此把食品的冻结速率分成三类：快速冻结，v=520cmh;中速冻结，v=1-5cmh;慢

10、速冻结，v=o.1-1cho比如，对厚度或直径为IOem的食品，中心温度只有在Ih内降到-5C才属快速冻结。20世纪70年代国际制冷学会提出，食品的冻结速率是食品表面和中心温度点间的最短距离与食品表面达到。后食品中心温度降到比食品冻结点(开始冻结温度)低I(TC所需时间之比，单位为Cm/h。所以，如果食品中心与表面的最短距离为IOCm.食品冻结点为-2C.中心降到比冻结点低10即-12C时所需时间为15h,其冻结速率V=IOCm15h=o.67cmh,此为慢速冻结。四、结晶理论结晶由两个过程组成，一是晶核形成过程，主要由热力学条件决定：二是品体生长过程，主要由动力学条件决定。这两个过程均是被吉

11、布斯自由能驱动，与过冷度有密切关系。1过冷现象速冻或冻结过程既有热力学过程，也有动力学过程。热力学决定了温度可达到的平衡点，而动力学决定了达到平衡点的速率（冷冻速率）。过冷现象是食品中冰结晶生成的初始条件，指将食品降温至冻结点以下温度，但并未发生冻结的现象。食品成分复杂，其水分的冻结点一般在-5-1C范围内。一般情况下，在初期降温会下降得比较快，当达到水的冻结点，由于过冷度的存在需要继续降温至晶核形成，水分子位移并有秩序地结合到晶核上，变大后形成冰晶，之后发生相变，固体中的自由水开始冻结，释放潜热，其温度可能跃升回接近冻结点温度（表面）或维持基本稳定（中心）.这一过程称为冷冻稳定期，稳定期结束

12、之后，温度会继续下降直至达到与介质温度平衡。图24是牛肉薄切片冻结时的过冷现象，随着冻结进行，出现液体过冷，曲线往下，待产生结晶时放出相变热，温度略有回升，曲线往上，之后逐渐降低。曲线的凹处为过冷温度，往上升的高处为冰点。食品冻结中一般不会有稳定的过冷现象产生，因为冻结时食品表面层温度很快降低，破坏了表面层的过冷状态，如图25.如果遇到不透结晶的壁来阻碍冰品的扩展，则随着热量从食品内部导出在其内部亦产生冰晶。但在奶油中可以有很显著的过冷，因为物料中水分分布得极细时易呈现出时间长而稳定的过冷现象。但对一般食晶很难保持过冷状态。4 .成核理论产生稳定的固态核的过程称为成核过程。在液相中形成冰晶，首

13、先需要形成晶核。晶核是指从过饱和溶液中最初析出并达到某个临界大小，从而得以继续成长的结晶相微粒。当水处于过冷态（亚稳态）时，可能形成晶核。根据形成晶核因素的不同，分为均相成核作用和非均相成核作用。如果晶核是在已达到过饱和或过冷的液相中自发地产生的，这一过程称为均相成核作用。均相成核在均匀的介质中进行，在一个体系内各处的成核概率均相等；由于热起伏（或热涨落）可能使原子或分子一时聚集成为新相的胚芽（又称为新相的集团），若胚芽大于临界尺寸时就成为晶核。对于均相成核，要求有较大的过冷度。如果晶核是借助于非结晶相外来杂质的诱导而产生的，则称为非均相成核作用，又称异相成核。非均相成核时，水在尘埃、异相杂质

14、、容器表面及其它异相表面等处形成晶核，其所要求的过冷度比均相成核要小得多。此外，品体还可以由体系中已经存在或外加的晶体诱导而产生，这种成核作用称为二次成核作用。在成核的过程中，液相分子有序重排，液相转变成固相，伴随着潜热释放。成核取决于成核促进剂和抑制剂的种类、浓度，也取决于传热、传质速率。5 .冰晶生长晶体（冰晶）生长就是旧相（亚稳态）不断转变成新相（稳定态）的动力学过程，或者说就是晶核不断形成、形成的晶核不断长大的过程。伴随这一过程而发生的则是系统的古布斯自由能降低。在晶体生长过程中，一些分子或离子等可结合到品体表面，也可从品体表面脱离，这两个过程的综合结果决定了晶体的生长速率。品体生长速

15、率差别很大，品体的形状取决于不同品面的相对生长速率。一般说来，如降温速率很快，成核率很大，而生长率很低，则形成数量多的细小冰晶：如降温速率很慢，成核率很小，生长率高，则形成数量少的粗大冰晶。在冻结过程中，食品组织材料微观结构将发生重大变化，这一变化的程度主要取决于冰晶生长的位置，而位置又主要取决于冻结速率和食品组织的水渗透率。一方面，在过冷度较小的慢速冻结下，冰品在细胞外形成，即细胞处于富含冰的基质中，由于细胞外冰晶增多，胞外溶液的浓度升高，细胞内外的渗透压差增大，细胞内的水分不断穿过细胞膜向外渗透，以至细胞收缩，过分脱水。如果水的渗透率很高，细胞壁可能被撕裂和折损，在解冻过程又会发生滴漏。另

16、一方面，在快速冻结、过冷度较大的情况下，热量传递过程比水分渗透过程快，细胞内的水来不及渗透出来而被过冷形成胞内冰品。这样，细胞内外均形成数量多而体积小的冰晶。细胞内冰品的形成以及在融化过程中冰品的再结晶也是造成细胞破裂、食品品质下降的原因。6 .冰品生长影响因素（1）冻结速率，冻结速率影响着冷冻烘焙产品的品质。食品在冻结过程中，会经过一个最大冰晶生成带，一般在一5至一之间，约80%的水会变成冰，通过这个冰晶生成带的时间决定着食品中冰晶的大小，时间越短，晶核的生长时间越短，形成的冰晶也较小，不会对细胞造成损害。在不同冻结速率的条件下，冻结点温度和最大冰晶生成带范围也会有差异，这是由于大量的溶液被快速冻结。剩余溶液浓度增加导