《冷凍技術原理》課件

冷凍技術原理冷凍技術是利用低溫降低物質溫度，以抑制微生物生長、減緩化學反應速度，延長食品保質期的技術。課程大綱11.冷凍技術概述介紹冷凍技術的定義、發(fā)展歷史和應用領域。22.冷凍過程中的物理變化深入探討冷凍過程中水的相變、冰點下降和滲透壓等物理變化。33.冷凍對細胞的影響分析冷凍對細胞結構和功能的影響，包括細胞膜損傷和冰晶形成。44.冷凍傷害的預防措施介紹冷凍保護劑、玻璃化技術等預防冷凍傷害的方法。冷凍技術概述冷凍技術是通過降低溫度來保存食品、生物材料等的技術。冷凍技術可以抑制微生物生長，減緩酶促反應，延長食品保存期限。冷凍技術應用廣泛，涵蓋食品加工、醫(yī)藥、生物技術等領域。冷凍過程中的物理變化水分子運動減緩溫度降低，水分子熱運動減弱，擴散速率下降。水分活度降低冷凍導致水分活度下降，影響微生物生長和酶活性。冰晶形成水分子結晶成冰晶，改變溶液濃度和滲透壓。溶液濃度升高水結冰，溶液濃度升高，導致滲透壓改變。食品性質改變冷凍過程導致食品結構、顏色、質地等發(fā)生改變。冰點下降純水0℃溶液低于0℃溶液中溶質的存在會降低水的冰點，這是由于溶質分子會阻礙水分子形成冰晶體。冰點下降的幅度取決于溶質的濃度和性質。緩沖溶液的冰點下降緩沖溶液的冰點下降是指加入溶質后，溶液的冰點比純溶劑的冰點低。這是因為溶質的存在降低了溶劑的蒸汽壓，從而導致冰點下降。緩沖溶液的冰點下降與溶質的濃度和溶質的性質有關。濃度越高，冰點下降越大；溶質的性質也影響冰點下降的程度，例如，電解質的冰點下降大于非電解質。緩沖溶液的冰點下降在生物學和食品科學中有重要的應用。例如，在生物學研究中，使用緩沖溶液來維持細胞的正常功能，并防止細胞在冷凍過程中發(fā)生損傷。滲透壓和冰點下降溶液的滲透壓與溶液的冰點下降密切相關，它們都與溶液中溶質的濃度有關。溶液的滲透壓是指溶液通過半透膜進入純溶劑所需的壓力。溶液的冰點下降是指溶液的冰點低于純溶劑的冰點。1滲透壓溶液中溶質濃度越高，滲透壓越高。1冰點下降溶液中溶質濃度越高，冰點下降越多。1關系滲透壓和冰點下降成正比關系。1應用在食品冷凍過程中，冰點下降是影響冷凍速度和凍結溫度的重要因素。理想溶液的冰點下降公式公式ΔT=Kf*m冰點下降溶液的冰點下降量與溶液的質量摩爾濃度成正比。摩爾降點常數(shù)Kf是溶劑的摩爾降點常數(shù)，表示1摩爾溶質溶解在1000克溶劑中所引起的冰點下降量。溶液的結冰過程溶液的結冰過程是一個復雜的物理化學過程，涉及溶液的濃度、冰點、過冷現(xiàn)象等因素。1過冷溶液溫度低于冰點但未結冰2冰核形成溶液中出現(xiàn)第一個冰晶3冰晶生長冰晶不斷吸附水分子，體積增大4溶液濃縮水結冰，溶液濃度升高溶液的結冰過程對食品質量的影響很大，過冷現(xiàn)象會造成細胞脫水，冰晶生長會造成組織破壞。水的相變圖固態(tài)水以冰的形式存在，具有固定的形狀和體積。液態(tài)水以液態(tài)形式存在，可以流動，但體積固定。氣態(tài)水以水蒸氣的形式存在，沒有固定形狀和體積，可以自由擴散。單一組分體系相圖單組分體系相圖描述了物質在不同溫度和壓力下的物理狀態(tài)，例如固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。相圖可以幫助我們理解物質在不同條件下的相變過程，例如冰的融化、水的沸騰。多組分體系相圖多組分體系相圖多組分體系相圖顯示了不同成分的物質在不同溫度和壓力下的相平衡狀態(tài)。水溶液相圖例如，水溶液相圖顯示了水和溶質在不同溫度和壓力下的固相、液相和氣相之間的平衡關系。冰點下降相圖通過觀察相圖，可以了解溶液的冰點下降程度，以及不同成分在不同溫度下的相變情況。溶液結冰過程的相圖溶液結冰過程的相圖可以直觀地描述溶液的結冰過程。相圖中的溫度和濃度可以幫助我們了解溶液的結冰點、冰晶的形成、溶質的濃度變化等信息。通過分析相圖，可以預測不同溫度和濃度條件下溶液的相變過程。相圖可以幫助我們更好地理解溶液的結冰過程，從而更好地控制冷凍工藝，提高產品質量。例如，在冷凍食品的過程中，我們可以根據(jù)相圖選擇合適的溫度和時間，以保證食品的質量，減少冷凍損傷。固相和液相的密度差異冰的密度水的密度比冰的密度大，這是由于水分子在固態(tài)時形成的晶格結構，使分子間距離更大。體積膨脹水結冰時體積會膨脹約9%，這是由于冰晶格結構的空隙更大，導致冰的密度低于水。冷凍過程中的影響密度差異會導致冷凍過程中體積膨脹，可能會對容器造成壓力，甚至導致容器破裂。冰晶體的生長1成核水分子開始聚集形成微小的冰晶體2生長冰晶體逐漸變大，形成固定的形狀3聚集多個冰晶體相互連接，形成更大的冰晶體4最終冰晶體生長到一定尺寸，形成可見的冰塊冰晶體的生長是一個復雜的過程，受到許多因素影響，包括溫度、壓力、溶質濃度等。冰晶結構對食品質量的影響冰晶形狀冰晶的大小和形狀會影響食品的口感和質地。例如，較大的冰晶會使食品變得粗糙和堅硬。冰晶位置冰晶在細胞內形成會破壞細胞結構，導致食品變質。細胞在冷凍過程中的變化1細胞脫水冷凍過程中，細胞外液結冰，水分從細胞內移出，導致細胞脫水。2細胞膜損傷冰晶體形成和生長，對細胞膜造成機械損傷，導致細胞內物質泄漏。3細胞內冰晶形成極低溫條件下，細胞內液也會結冰，對細胞造成不可逆的損傷。細胞膜在冷凍過程中的損傷1冰晶體形成細胞外冰晶體形成，對細胞膜造成物理壓力，導致細胞膜破裂。2細胞內冰晶體形成細胞內冰晶體形成，會破壞細胞器結構，導致細胞功能紊亂。3膜脂相變冷凍溫度會導致細胞膜脂質相變，膜流動性降低，細胞膜通透性增加。4溶質濃度變化冷凍過程中，細胞外水分結冰，導致細胞內溶質濃度升高，影響細胞膜的穩(wěn)定性。冷凍傷害的預防措施降低冷凍速率緩慢冷凍可減少細胞內冰晶形成，降低細胞損傷。通過控制冷凍溫度和時間，可以減緩冰晶生長速度，降低細胞損傷程度。添加滲透保護劑滲透保護劑可以降低水的冰點，減少細胞內冰晶形成。常見的滲透保護劑包括甘油、二甲基亞砜等，它們能提高細胞的抗凍性。玻璃轉變溫度玻璃轉變溫度（Tg）是指非晶態(tài)物質從玻璃態(tài)轉變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度。當溫度低于Tg時，物質處于玻璃態(tài)，表現(xiàn)為堅硬、脆性、流動性差等特性。當溫度高于Tg時，物質處于橡膠態(tài)，表現(xiàn)為柔軟、彈性、流動性好等特性。對于食品來說，Tg是一個重要的參數(shù)，因為它影響著食品的物理性質，如硬度、彈性、粘度等。例如，在冷凍食品的過程中，如果食品的Tg低于冷凍溫度，則食品會發(fā)生玻璃化轉變，導致食品變得堅硬、脆性，并可能發(fā)生碎裂。玻璃化與非玻璃化狀態(tài)玻璃化狀態(tài)水溶液在低溫下快速冷卻，來不及結晶，形成玻璃狀結構，稱為玻璃化狀態(tài)。非玻璃化狀態(tài)水溶液在低溫下緩慢冷卻，水分子有足夠的時間結晶，形成冰晶，稱為非玻璃化狀態(tài)。玻璃化狀態(tài)下，水分子處于無序的凍結狀態(tài)，細胞內物質不易發(fā)生遷移和變化，不易產生冷凍損傷。非玻璃化狀態(tài)下，冰晶形成會造成細胞膜破裂，導致細胞損傷，不利于冷凍保存。滲透保護劑的作用機理降低冰點滲透保護劑可以降低溶液的冰點，減少細胞內冰晶的形成。增加細胞脫水滲透保護劑可以增加細胞的脫水程度，降低細胞內水分含量，從而減少冰晶對細胞的損傷。提高細胞膜穩(wěn)定性滲透保護劑可以提高細胞膜的穩(wěn)定性，防止細胞膜在冷凍過程中破裂。凍干技術的原理1真空干燥在低溫下，水分子從固態(tài)直接升華為氣態(tài)2冷凍預處理將樣品快速冷凍至冰點以下，形成冰晶3升華干燥通過真空系統(tǒng)降低環(huán)境壓力，促進水分升華凍干技術是一種在低溫下，將水從冰晶中升華去除的干燥方法。通過凍結和真空干燥，可以有效地去除樣品中的水分，同時保持樣品的結構和活性。凍干技術廣泛應用于生物制品、食品、醫(yī)藥等領域。凍干機的結構和工作原理凍干機主要由冷凍室、真空室和冷凝器等組成。冷凍室用于將物料凍結，真空室用于抽真空，冷凝器用于收集水蒸氣。凍干機的工作原理是將物料凍結后，在真空條件下，利用升華過程，將物料中的水分直接從固態(tài)變成氣態(tài)，從而達到脫水的目的。凍干機采用低溫真空干燥技術，可以有效地保存物料的營養(yǎng)成分、形狀、顏色和活性，廣泛應用于食品、醫(yī)藥、生物制品等領域。凍干工藝參數(shù)的控制溫度控制凍干過程中，需要嚴格控制樣品的溫度，以保證樣品處于凍結狀態(tài)。溫度過高會導致樣品融化，影響凍干效果。真空度控制真空度過低會使樣品升華速度過慢，延長凍干時間。真空度過高可能會導致樣品發(fā)生機械損傷。時間控制凍干時間需要根據(jù)樣品的性質和凍干設備的性能進行調整。凍干時間過短會導致樣品水分殘留過多，影響產品的質量。其他參數(shù)控制凍干過程中還需要控制其他參數(shù)，如氣體流量、冷阱溫度等。這些參數(shù)的控制對保證凍干產品的質量至關重要。凍干產品的質量評價水分含量凍干產品水分含量低，通常在1%-5%之間，可以有效抑制微生物生長，延長保質期。復水性凍干產品復水后能恢復到接近原樣，保持其原有的風味、色澤、營養(yǎng)成分。外觀凍干產品通常呈白色或淡黃色，具有良好的外觀，可以滿足消費者的審美要求。微生物指標凍干產品經過嚴格的滅菌處理，微生物指標符合國家標準，確保安全衛(wèi)生。冷凍貯藏技術的發(fā)展趨勢自動化和智能化冷凍貯藏技術正在向自動化