第一章 食品的冷凍加工原理

第一章食品的冷凍加工原理食品的凍結(jié)與凍藏食品的回?zé)崤c解凍第三節(jié)食品的凍結(jié)凍結(jié)點(diǎn)與凍結(jié)率凍結(jié)曲線凍結(jié)時(shí)放出的熱量凍結(jié)速度凍結(jié)時(shí)間凍結(jié)方法簡介凍結(jié)與凍藏時(shí)的變化及技術(shù)管理一、凍結(jié)點(diǎn)與凍結(jié)率凍結(jié)點(diǎn)：冰晶開始出現(xiàn)的溫度食品凍結(jié)的實(shí)質(zhì)是其中水分的凍結(jié)食品中的水分并非純水Raoult稀溶液定律：ΔTf=KfbB，Kf為與溶劑有關(guān)的常數(shù)，水為1.86。即質(zhì)量摩爾濃度每增加1mol/kg，凍結(jié)點(diǎn)就會下降1.86℃。因此食品物料要降到0℃以下才產(chǎn)生冰晶。溫度-60℃左右，食品內(nèi)水分全部凍結(jié)。在-18~-30℃時(shí)，食品中絕大部分水分已凍結(jié)，能夠達(dá)到凍藏的要求。低溫冷庫的貯藏溫度一般為-18℃~-25℃。凍結(jié)率：凍結(jié)終了時(shí)食品內(nèi)水分的凍結(jié)量（%），又稱結(jié)冰率K=100（1－TD/TF）TD和TF分別為食品的凍結(jié)點(diǎn)及其凍結(jié)終了溫度二、凍結(jié)曲線凍結(jié)曲線表示了凍結(jié)過程中溫度隨時(shí)間的變化。過冷現(xiàn)象，過冷臨界溫度。冷凍曲線的三個階段：初始階段，從初溫到冰點(diǎn)，中間階段，此階段大部分水分陸續(xù)結(jié)成冰，終了階段，從大部分水結(jié)成冰到預(yù)設(shè)的凍結(jié)終溫。上圖顯示凍結(jié)期間不同深度食品層溫度隨時(shí)間的變化：圖中多條曲線表示食品不同深度處溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化。在任一時(shí)刻食品表面的溫度始終最低，越接近中心層溫度越高。顯示出在不同的深度，溫度下降的速度是不同的。冷凍曲線平坦段的長短與冷卻介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。在冷凍操作中，采用導(dǎo)熱快的冷卻介質(zhì)，可以縮短中間階段的曲線平坦段。圖中顯示在鹽水中凍結(jié)曲線的平坦段要明顯短于在空氣中。三、凍結(jié)時(shí)放出的熱量凍結(jié)終溫?zé)崃康娜齻€組成部分：冷卻時(shí)的熱量qc；形成冰時(shí)放出的熱量qi；自冰點(diǎn)至凍結(jié)終溫時(shí)放出的熱量qe。單位質(zhì)量食品的總熱量：q=qc+qi+qe，

Gkg食品凍結(jié)時(shí)的總熱量：Q=Gq，或用焓差法表示：Q=G（i2-i1），i1及i2分別為食品初始和終了狀態(tài)時(shí)的焓值。在凍結(jié)過程中，若食品某一部位的溫度高于冰點(diǎn)，而其他部位低于冰點(diǎn)，則上述三部分放出熱量同時(shí)存在；若食品任何部位的溫度均處于冰點(diǎn)，則凍結(jié)時(shí)只有后二部分熱量放出；若食品初始溫度在冰點(diǎn)以下，則所放出的熱量僅是第三部分。凍結(jié)時(shí)三部分熱量不相等，以水變?yōu)楸鶗r(shí)放出的熱量為最大，第二部分的降熱過程是制冷機(jī)負(fù)荷最高的過程。凍結(jié)時(shí)總熱量的大小與食品中含水量密切有關(guān)，含水量大的食品其總熱量亦大。四、凍結(jié)速度速凍的定性表達(dá)：外界的溫度降與細(xì)胞組織內(nèi)的溫度降不等，即內(nèi)外有較大的溫差；而慢凍是指外界的溫度降與細(xì)胞組織內(nèi)的溫度降基本上保持等速。速凍的定量表達(dá)：以時(shí)間劃分和以推進(jìn)距離劃分兩種方法。按時(shí)間：食品中心溫度從-1℃降到-5℃所需的時(shí)間，在3~30min內(nèi)，快速凍結(jié)，在30~120min內(nèi)，中速凍結(jié)，超過120min，慢速凍結(jié)。按推進(jìn)距離：以-5℃的凍結(jié)層在單位時(shí)間內(nèi)從食品表面向內(nèi)部推進(jìn)的距離為標(biāo)準(zhǔn)：緩慢凍結(jié)V=0.1~1cm/h，中速凍結(jié)V=1~5cm/h，快速凍結(jié)V=5~15cm/h，超速凍結(jié)V>15cm/h。國際制冷學(xué)會的凍結(jié)速度定義：食品表面與中心點(diǎn)間的最短距離，與食品表面達(dá)到0℃后至食品中心溫度降到比食品凍結(jié)點(diǎn)低10℃所需時(shí)間之比。例如：食品中心與表面的最短距離為10cm，食品凍結(jié)點(diǎn)為-2℃，其中心降到比凍結(jié)點(diǎn)低10℃即-12℃時(shí)所需時(shí)間為15h，其凍結(jié)速度為V=10/15=0.67cm/h。根據(jù)這一定義，食品中心溫度的計(jì)算值隨食品凍結(jié)點(diǎn)不同而改變。如凍結(jié)點(diǎn)-1℃時(shí)中心溫度計(jì)算值需達(dá)到-11℃，凍結(jié)點(diǎn)-3℃時(shí)其值為-13℃。各種凍結(jié)器的凍結(jié)速度：通風(fēng)的冷庫，0.2cm/h送風(fēng)凍結(jié)器，0.5~3cm/h流態(tài)化凍結(jié)器，5~10cm/h液氮凍結(jié)器，10~100cm/h凍結(jié)速度與冰晶凍結(jié)速度快，食品組織內(nèi)冰層推進(jìn)速度大于水移動速度，冰晶的分布接近天然食品中液態(tài)水的分布情況，冰晶數(shù)量極多，呈針狀結(jié)晶體。凍結(jié)速度慢，細(xì)胞外溶液濃度較低，冰晶首先在細(xì)胞外產(chǎn)生，而此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的水分是液相。在蒸汽壓差作用下，細(xì)胞內(nèi)的水向細(xì)胞外移動，形成較大的冰晶，且分布不均勻。除蒸汽壓差外，因蛋白質(zhì)變性，其持水能力降低，細(xì)胞膜的透水性增強(qiáng)而使水分轉(zhuǎn)移作用加強(qiáng)，從而產(chǎn)生更多更大的冰晶大顆粒。最大冰晶生成帶：指-1~-5℃的溫度范圍，大部分食品在此溫度范圍內(nèi)約80%的水分形成冰晶。研究表明，應(yīng)以最快的速度通過最大冰晶生成帶。速凍形成的冰結(jié)晶多且細(xì)小均勻，水分從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外的轉(zhuǎn)移少，不至于對細(xì)胞造成機(jī)械損傷。冷凍中未被破壞的細(xì)胞組織，在適當(dāng)解凍后水分能保持在原來的位置，并發(fā)揮原有的作用，有利于保持食品原有的營養(yǎng)價(jià)值和品質(zhì)。緩凍形成的較大冰結(jié)晶會刺傷細(xì)胞，破壞組織結(jié)構(gòu)，解凍后汁液流失嚴(yán)重，影響食品的價(jià)值，甚至不能食用。五、凍結(jié)方法按生產(chǎn)過程的特性分，凍結(jié)系統(tǒng)可分為批量式、半連續(xù)式和連續(xù)式三類。批量式凍結(jié)器：先裝載一批產(chǎn)品，然后凍結(jié)一個周期，凍結(jié)完畢后，設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)并卸貨。半連續(xù)式凍結(jié)器：將批量式凍結(jié)器的一個較大的批量分成幾個較小的批量，在同一個凍結(jié)器內(nèi)進(jìn)行相對連續(xù)的處理。連續(xù)式凍結(jié)器：產(chǎn)品連續(xù)地或有規(guī)律間斷地通過凍結(jié)器，采用機(jī)械化而且經(jīng)常是全自動化的系統(tǒng)。有規(guī)律間斷與半連續(xù)式的區(qū)別在于：一次裝運(yùn)產(chǎn)品的數(shù)量（有規(guī)律間斷時(shí)是一袋、一紙盒或一盤，半連續(xù)式則是含許多袋、盤、紙盒的一輛車或一個貨架），裝貨與等待的時(shí)間（有規(guī)律間斷往往只有幾秒鐘，不影響流水線的運(yùn)行，而半連續(xù)式則需要較長的時(shí)間，形成明顯的中斷）。按從產(chǎn)品中取出熱量的方式，凍結(jié)方式可分為吹風(fēng)凍結(jié)、表面接觸凍結(jié)和低溫凍結(jié)這三種基本類型，以及它們的組合方式（如先經(jīng)過低溫處理，然后經(jīng)機(jī)械制冷裝置完成凍結(jié)過程）。1、吹風(fēng)凍結(jié)吹風(fēng)式凍結(jié)裝置用空氣作為傳熱介質(zhì)。早期的吹風(fēng)式凍結(jié)裝置是一個帶有冷風(fēng)機(jī)及制冷系統(tǒng)的冷庫。通過對氣流控制技術(shù)和產(chǎn)品傳送技術(shù)的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在有了各種水平的凍結(jié)設(shè)備?？煞譃榕渴剑ɡ鋷?，固定的吹風(fēng)隧道，帶推車的吹風(fēng)隧道）和連續(xù)式（直線式、螺旋式和流化床式凍結(jié)器）1）冷庫2）固定的吹風(fēng)隧道3）帶推車的吹風(fēng)隧道5）螺旋式凍結(jié)器4）直線式凍結(jié)器1、轉(zhuǎn)筒；2、螺旋輸送帶；3、風(fēng)機(jī)；4、制冷盤管。6）流化床凍結(jié)器2、金屬表面接觸凍結(jié)產(chǎn)品與金屬表面接觸進(jìn)行熱交換，金屬表面則由制冷劑的蒸發(fā)或載冷劑的吸熱來進(jìn)行冷卻。凍結(jié)方式與吹風(fēng)凍結(jié)相比有兩個優(yōu)點(diǎn)：傳熱效果好；不需配置風(fēng)機(jī)。但這種方式不適用于不規(guī)則形狀產(chǎn)品的凍結(jié)。按照結(jié)構(gòu)形式，金屬表面接觸凍結(jié)裝置可分為三種主要類型：帶式，板式和筒式。1）鋼帶凍結(jié)器：適用于未包裝的魚片、咖

啡提取物、熟土豆泥、漢堡牛排、各種

調(diào)味汁和蔬菜泥。因?yàn)楫a(chǎn)品只是一面接

觸金屬表面，食品層應(yīng)當(dāng)薄一些，常控制在20~25mm。噴淋鹽水（氯化鈣或丙二醇）的溫度通常為-35~-40℃，凍結(jié)時(shí)間約為30min。

鋼帶凍結(jié)器的主要優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)運(yùn)行；便于清洗和保持衛(wèi)生；能分段控制溫度（如對于咖啡提取物）；干耗較少。2）平板凍結(jié)器：廣泛用于形狀為扁平狀且厚度也有限制的小包裝水產(chǎn)品和肉類制品。3）圓筒凍結(jié)器：通常用于凍結(jié)液體食品，產(chǎn)品在圓筒的內(nèi)表面或外表面凍結(jié)，并被連續(xù)地刮除，因而具有強(qiáng)烈的熱交換和很高的凍結(jié)速度。3、低溫凍結(jié)低溫凍結(jié)采用液氮或液態(tài)二氧化碳作為制冷劑，常用于：1）小批量生產(chǎn)，2）新產(chǎn)品開發(fā)，3）季節(jié)性生產(chǎn)，和4）臨時(shí)的超負(fù)荷狀況。相對較低的溫度可以使產(chǎn)品快速凍結(jié)，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低干耗都是十分有利的；但設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用較高。低溫凍結(jié)設(shè)備則可以是箱式，直線式，螺旋式或浸液式。液氮凍結(jié)器：通常為直線型，-195℃的液氮在產(chǎn)品出口端直接接觸產(chǎn)品，產(chǎn)生的低溫蒸汽向物料進(jìn)口端流動，變暖的氣體（約-45℃）排放到大氣中。液體二氧化碳凍結(jié)器：與液氮凍結(jié)器基本相仿，但二氧化碳的沸點(diǎn)為-79℃，如果直接排放，運(yùn)行成本比液氮凍結(jié)器更大，因此也有可回收二氧化碳的裝置。七、凍結(jié)與凍藏中的變化及技術(shù)管理凍結(jié)時(shí)，因?yàn)楸w的形成，食品的物理性質(zhì)發(fā)生了變化，并進(jìn)而影響到食品的其它性質(zhì)。因?yàn)閮霾氐臅r(shí)間長，其間發(fā)生的一系列變化會顯著影響到食品的品質(zhì)。1、凍結(jié)與凍藏中的變化體積膨脹，內(nèi)壓增加比熱下降導(dǎo)熱系數(shù)增大溶質(zhì)重新分布溶液濃縮冰晶體成長滴落液干耗脂肪氧化變色（1）體積膨脹與內(nèi)壓增加4.4℃時(shí)，水的密度γ=1g/ml；0℃時(shí)，水的密度γ=0.9999g/ml，冰的密度γ=0.9168g/ml。即0℃時(shí)冰比水的體積增加約9%。冰的溫度每下降1℃，其體積約收縮0.01~0.005%。膨脹比收縮大得多，故水分含量越多，食品凍結(jié)時(shí)體積膨脹越明顯。當(dāng)食品外層承受不了凍結(jié)膨脹壓時(shí)，便通過破裂的方式來釋放，造成食品的龜裂現(xiàn)象。一般認(rèn)為食品厚度大、含水率高和表面溫度下降極快時(shí)易產(chǎn)生龜裂。結(jié)晶后體積的膨脹使液相中溶解的氣體從液體中分離出來，加劇了體積膨脹現(xiàn)象，亦加大了食品內(nèi)部壓力。凍結(jié)時(shí)表面水分首先成冰，然后冰層逐漸向內(nèi)部延伸。當(dāng)內(nèi)部水分因凍結(jié)而膨脹時(shí)受到外部凍結(jié)層的阻礙，就產(chǎn)生內(nèi)壓，又稱為凍結(jié)膨脹壓。根據(jù)理論計(jì)算，凍結(jié)膨脹壓可達(dá)到8.5MPa。（2）比熱下降水和冰的比熱分別為4.2kJ/kg.℃和2.1kJ/kg.℃，即冰的比熱僅是水的1/2。食品的比熱隨含水量而異，含水量多的食品比熱大，含脂量多則比熱小。食品比熱的近似計(jì)算式：

在冰點(diǎn)以上時(shí)，c=w+0.2b；冰點(diǎn)以下時(shí)，c’=0.5w+0.2b。式中，w為食品含水率（%）；

b為食品固形物含量（%）。（3）導(dǎo)熱系數(shù)增大水為2.1kJ/m.h.℃，冰為8.4kJ/m.h.℃，冰的導(dǎo)熱系數(shù)是水的4倍。在冷凍時(shí)冰層向內(nèi)部逐漸推進(jìn)，使導(dǎo)熱系數(shù)提高，從而加快了冷凍過程。導(dǎo)熱系數(shù)還受到其它成分，尤其是含脂量的影響，因脂肪是熱的不良導(dǎo)體，含脂量大時(shí)食品的導(dǎo)熱系數(shù)就小。導(dǎo)熱系數(shù)還受食品構(gòu)型的影響，當(dāng)熱流方向與肌纖維平行時(shí)大，垂直時(shí)則小。（4）溶質(zhì)重新分布食品凍結(jié)時(shí)，理論上只是純?nèi)軇﹥鼋Y(jié)成冰晶體，凍結(jié)層附近溶質(zhì)的濃度相應(yīng)提高，從而在尚未凍結(jié)的溶液內(nèi)產(chǎn)生了濃度差和滲透壓差，并使溶質(zhì)向溶液中部位移。凍結(jié)界面位移速度越快，溶質(zhì)分布越均勻，然而在凍結(jié)推動擴(kuò)散的情況下，即使凍結(jié)層分界面高速位移，也難于促使凍結(jié)溶液內(nèi)溶質(zhì)達(dá)到完全均勻分布的境地。而緩慢的位移也很難使最初形成的冰晶體內(nèi)達(dá)到完全脫鹽的程度——這就是果汁冷凍濃縮過程中果汁損耗量比較大的原因。（5）液體濃縮溶質(zhì)結(jié)晶析出，如冰淇淋中乳糖因濃度增加而結(jié)晶，產(chǎn)品具有沙礫感蛋白質(zhì)在高濃度的溶液中因鹽析而變性酸性溶液的pH值因濃縮而下降到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)以下，導(dǎo)致蛋白質(zhì)凝固改變膠體懸浮液中陰、陽離子的平衡，從而破壞膠體體系氣體因濃縮而過飽和，并從溶液中逸出引起組織脫水，解凍后水分難以全部恢復(fù)，組織也難以恢復(fù)原有的飽滿度（6）冰晶體成長經(jīng)凍結(jié)后，食品內(nèi)部的冰晶體大小并不均勻一致。在凍藏過程中，細(xì)微的冰晶體