1、1第二章 食品低温保藏(2)（4 学时）2.4 食品冻藏2.4.1 食品冻结过程的基本规律1) 冻结点和低共熔点(1) 冻结点冻结点的定义：一定压力下物质由液态转向固态的温度, Freezing point。 （反方向：熔点）图 3-5 水的相图（p.50) （订正 OC线）坐标：压力，温度；三条线：AO 线（液汽线、or 蒸汽压线、蒸发线） ，BO 线（固汽线、or升华线） ，CO 线（固液线、or 冻结线、冰的溶化线） ；三个相区：固相（冰） ，液相（水） ，气相（水蒸汽） ；特征点：三相点 O，临界点 A；（对应压力和温度？）例：纯水在压力 1.013105Pa（一个标准大气压）条件下从
2、 Q 点 J 点的变化过程中发生的相变？冻结点（熔点）？沸点？(2) 低共熔点讨论溶液的问题，例：图 3-6 蔗糖水溶液的液固相图（p.51）坐标：温度、蔗糖质量分数（浓度） ；二条线：AB 线（冻结线） ，BC 线（液晶线、or 溶解度线） ；四个区域：溶液、溶液+冰、冰、结晶+溶液；特征点：低共熔点 B（Eutectic point）2例：溶液从 P1（x 1，T 1）溶液开始冻结=初始冻结点 P2（x 1，T 2）冻结点下降 水分完全冻结=低共熔点 B（ xG，T 4） 。注意：（1）低共熔点的定义：p.51。Eutectic point（低共熔点）也有共晶点的意思；低共熔点也称为冰盐冻
3、结点(Cryohydric freezing point） 。（2）初始冻结点的温度称为初始冻结温度。溶液中的水分不能在一个温度上全部冻结，其原因？表 3-11 常见食品物料的初始冻结点；表 3-12 一些溶液和食品物料的低共熔点（p.51）2) 冻结过程和冻结曲线食品物料的冻结过程：食品物料降温到完全冻结的整个过程；食品物料的冻结曲线（Freezing curve）：描述冻结过程中食品物料的温度随时间变化的曲线。例 1：图 3-7 纯水的冻结曲线（p.52）-外界冷却温度一定的条件下。特征点：过冷点 S，冻结点 T2，结晶平衡带，造成温度差（T 2-S）和结晶平衡带的原因？ 例 2：图 3-
4、8 蔗糖溶液的冻结曲线（p.53）-外界冷却温度一定的条件下。特征点：过冷点 S，冻结点 T2，饱和点 SS，低共溶点 T4(TE)，最大冰结晶生成带（zone of maximum crystallisation） （T 2T 4） （一般食品材料的最大冰结晶生成带：15，但最大至15） 。与纯水的结晶平衡带进行比较， 区别？原因？3例 3：图 39 食品物料在不同冻结速率下的冻结曲线（p.53）冻结速度加快，冻结曲线变成直线，其原因？例 4：图 3-10 具有“第二冻结点”的冷冻曲线（p.53）-图中实线。同一材料在第二次冻结时不会出现 “第二冻结点”现象-图中虚线。造成实线和虚线的区别的
5、原因：一是材料中水分性质，二是？例 5：表 3-13 冰淇淋中冻结水分比率和温度的关系（p.53）冻结水、未冻结水的概念，冻结水比率（未冻结水比率）的测定方法DSC（differential scanning calorimeter）3) 冻结速率冻结速率(freezing velocity)：食品物料内某点的温度下降速率。它用来描述冷冻的快慢程度。冻结速率的主要表示方法有以下两种：(1) 时间温度法 一般以降温过程中食品物料内部温度最高点（即温度中心，Thermocenter）的温度 通过最大冰结晶生成带的时间来表示。这种表示方法使用起来较为方便，多应用于肉类冻结。但这种方法也有不足，一是最
6、大冰结晶生成带的温度区间较宽，二是此法不能反映食品物料的形态、几何尺寸和包装情况等。为此，在用此方法时一般还应标注样品的大小等。(2) 国际冷冻协会的表示方法 冻结速率（）的定义式：40/v式中， 0：食品表面与温度中心之间的最短距离，cm； 0：食品表面达到0后，温度中心的温度降至比冻结温度低 10所需时间，h；：冻结速率，cmh1 。例如，某食品材料的温度中心与表面的最短距离（ 0）为 5cm，该食品材料的冻结温度为5，温度中心降至15所需时间为 10h，则其冻结速率为：0.5cmh110/5/0v该冻结速率表示方法考虑到了食品尺寸和冻结温度，而且计算温度比冻结温度低10，因此对速冻条件要
7、求更为严格。此外，冻结速率的表示方法还有：冰峰、冻结界面、冰晶大小（例：图311，p.54） 、热力学方法等。2.4.2 冻结的前处理1）为什么需要前处理？由于冻藏食品物料中的水分冻结产生冰结晶，冰的体积较水大，冻结中水的体积膨胀对食品物料(尤其是细胞组织比较脆弱的果蔬) 的组织结构产生损伤，使解冻时食品物料产生汁液流失；冻藏过程中的水分冻结和水分损失使食品物料中的溶液增浓，各种反应加剧。因此，为了减少冻结、冻藏和解冻过程中对食品物料品质的影响，需要在冻结前对食品物料进行前处理（预处理） 。52）前处理的内容 (1) 一般处理：挑选、清洗、分割等(2) 特殊处理：热烫、加糖、加盐、加氨基酸、加
8、抗氧化剂、冰衣、浓缩、包装、等。 （略，p.55）机理？存在问题新抗冻剂的开发研究2.4.3 冻结方法和设备表 3-14 冻结方法分类 (p.56)一般按冷冻所用的介质及其和食品物料的接触方式分为空气冻结法、间接接触冻结法和直接接触冻结法三类。每一种方法又包括了多种冻结装置。1) 空气冻结法（Air freezing）空气冻结法所用的冷冻介质是低温空气，冻结过程中空气可以是静止，也可以是流动的。流化床式冻结(Fluidized bed freezing)：颗粒食品物料的流动化，快速冻结（冻结时间一般只需要几分钟） 。2) 间接接触冻结法板式冻结法(Plate freezing)是最常见的间接接
9、触冻结法。它采用制冷剂或低温介质冷却金属板，然后再使低温金属板与食品物料接触，从而使食品物料冻结。这是一种制冷介质和食品物料间无直接接触的冻结方式，其传热的方式为热传导。食品污染污染少，但是冷冻速度受传热面积影响，适用于流动性物料、或无包装的片状和块状物料。3) 直接接触冻结法6直接接触冻结法又称为液体冻结法(Liquid freezing)，它是用载冷剂或制冷剂直接喷淋或浸泡需冻结的食品物料，可以用于包装和未包装的食品物料。由于直接接触冻结法中载冷剂或制冷剂等不冻液直接与食品物料接触，这些不冻液应该无毒、纯净、无异味和异样气体、无外来色泽和漂白作用、不易燃、不易爆等，和食品物料接触后也不能改
10、变食品物料原有的成分和性质。常用的载冷剂：盐水（NaCl） 、糖液（蔗糖） 、多元醇溶液（丙三醇）等。常用的制冷剂：液态氮、液态二氧化碳和液态氟里昂等。液氮和液态CO2的沸点分别为196和 78，故此时又被称为低温冻结（Cryogenic freezing） 。冻结速率极快、冻结食品物料的质量高、干耗小，而且初期投资也很低，但运转费用较高。液态氟里昂（二 氯 二 氟 甲 烷 ， CCl2F2, 本 身 无 毒 ，但 分 解 释 放 出 的 氯 原 子 会 破 坏 大 气 的 臭 氧 层 -臭 氧 空 洞 -紫 外 线 照 射 加 强-影 响 人 体 健 康 。 空 调 机 内 禁 止 使 用
11、） 。2.4.4 冻藏工艺和控制1) 冻结速率的选择根据冻结速率的大小，冻结可以分为缓慢冻结(slow Freezing) 、快速冻结(quick freezing，sharp freezing，rapid freezing)和超快速冻结(ultrarapid freezing)。一般认为，速冻食品的质量高于缓冻食品。这是由于： 速冻形成的冰结晶细小而且均匀（机理？）减少对材料组织的破坏；7 冻结时间短减少物料内部的溶质扩散和水分分离；减少微生物的活动给食品物料带来的不良影响；减少浓缩的溶质和食品组织、胶体以及各种成分相互接触的时间（抑制化学反应） 。图 3-11 用不同冻结速率冻结的鳕鱼肉中
12、的冰晶 (p.54)至于多大的冻结速率才是速冻，目前尚没有统一的概念。般认为，食品物料从常温冻至中心温度低于18，果蔬类不超过 30min，肉食类不超过 6h 为速冻。也有人认为，材料热中心通过最大冰结晶生成带（一般15）的时间少于 3min，称为快速冻结；大于 30min，称为缓慢冻结。冻结的速率与冻结的方法、食品物料的种类、大小、包装情况等许多因素有关。2) 冻藏温度和时间(1) 大多数的食品冻藏温度都为18，有的特殊产品也会低于18。10以下，才能有效地抑制微生物的生长繁殖；18以下，才能有效控制酶反应，降低化学反应；但冻藏温度愈低，冻藏所需的费用愈高。(2) 尽量减少冻藏过程中冷库的温
13、度波动。冻藏过程中过大的温度波动会加剧重结晶现象，使冰结晶增大，影响冻藏食品的质量。(3) 冻藏食品物料的贮藏期与食品物料的种类、冻藏的温度有关。有几个冻藏环节时，贮藏期要综合考虑各个环节。8(4) TTT：时间温度品质耐性(TimeTemperature Tolerance)，表示三者之间的关系。TTT 的计算依以下步骤进行： 了解冻藏食品物料在某温度 Ti 下的品质保持时间（贮藏期） ；iD 计算食品物料在温度 Ti 下每天（或每小时）的品质下降量 ；iid/1 如食品物料在温度 Ti 环节的贮藏时间为 ti，则此环节中的品质变化量为 ；iidt 计算食品物料在整个冷藏链的品质变化量 ；)
14、(iidt判断： 1 是允许的贮藏期限， 1 表示仍在允许的)(iit ii贮藏期限之内， 1 表示已超出允许的贮藏期限。iidt例： 图 3-12 某食品物料的 TTT 曲线图，表 3-15 根据 TTT 线图的计算值在此条件下冻让是否满足质量要求？怎样改善？3) 一些食品物料冻结与冻藏工艺及控制 （1）果蔬 要冻结、冻藏的果蔬应在适合食用的成熟度采收。原因：冻结与冻藏将使其失去生命的正常代谢活动，也不再具有后熟作用，果蔬由有生命体变为无生命体（这是果蔬的冻结、冻藏工艺与冷却、冷藏工艺的主要区别） 。冻结：一般采用速冻工艺方法，如流化床冻结、金属平板接触式冻结，或低温液体的喷淋和浸渍冻结。冻
15、藏温度和贮藏期：1830， 表 316（p.60） 。(2) 畜、禽肉类9冻结：采用空气冻结法，一次或两次冻结工艺。两次冻结工艺是指先将屠宰后的鲜肉冷却至 1015，然后再在冻结间冷却、冻结至冻藏温度（1830） 。两次冻结工艺比一次冻结工艺冻结的肉的质量好，尤其是对于易产生寒冷收缩的牛、羊肉更明显，但两次冻结工艺的生产效率较低、干耗大，而一次冻结工艺的效率高、时间短、干耗小。冻藏温度和贮藏期：1830，表 3-17（p.60）（3）鱼类冻结：空气冻结法、金属平板冻结法、低温液体冻结法；冻藏温度和贮藏期：1830，24 个月2.4.5 食品在冻藏过程中的变化（略）1）食品在冻结过程中的物理和化
16、学变化（1）体积的变化 0的纯水冻结后体积约增加 8.7，食品物料在冻结后也会发生体积膨胀。（2）水分的重新分布 细胞外间的水分住注先冻结，冻结后造成细胞外(间 )的溶液浓度升高，细胞内外由于浓度差而产生渗透压差，使细胞内的水分向细胞外转移。这种现象在缓慢冻结时较为明显。（3）机械损伤 机械损伤(mechanical damage)也称冻结损伤。其原因为，冻结时冰结晶的形成、体积的变化和物料内部存在的温度梯度等。机械损伤对脆弱的食品组织，如果蔬等植物组织的损伤较大。机械损伤可能会使物料出现严重的裂缝。（4）非水相组分被浓缩 由于冻结时物料内水分是以纯水的形式10形成冰结晶，原来水中溶解的组分会
17、转到未冻结的水分中而使剩余溶液的浓度增加。 （冻结浓缩观象可以用于液态食品物料的浓缩） 。冻结浓缩对食品物料产生一定的损害，如生化和化学反应加剧、大分子胶体溶液的稳定性受到破坏、pH 变化等。2）食品在冻藏过程中的物理和化学变化（1）重结晶 重结晶是指冻藏过程中食品物料中冰结晶的大小、形状、位置等都发生了变化，冰结晶的数量减少、体积增大的现象。机理：大小不同的结晶体在冻藏温度波动时会发生融化-扩散- 重新冻结，晶体变大，这种现象称为迁移性重结晶(Migratory recrystallization)。因此，冻藏食品贮藏在恒定温度和压力下可以减少迁移性重结晶现象。此外，冰结晶相互接触也会发生重
18、结晶。这称为连生性重结晶(Accetive recrystallization)。（2）冻干害 又称为冻烧(Freezer burn)、干缩。这是由于食品物料表面脱水( 升华) 形成多孔干化层，物料表面的水分可以下降到 1015以下，使食品物料表面出现氧化、变色、变味等品质明显降低的现象。冻干害多见于动物性的组织。减少干缩的措施包括减少冻藏间的外来热源及温度波动，降低空气流速、改变食品物料的大小、形状、堆放形式和数量，采取适当的包装等。（3）脂类的氧化和降解 冻藏过程中食品物料中的脂类会发生自动动氧化作用，结果导致食品物料出现油哈味。冰淇淋中脂肪含量在 39.5以上时，-18冻藏 3 个月不会
19、发生变味，而脂肪含量低时，容易发生变味。抑制脂肪氧化的方法有：冷冻前的加热和均质、添加抗氧化剂、降低冻藏温度等。11（4）蛋白质可溶性下降 冻结的浓缩效应住往导致蛋白质分子的凝聚，其溶解性下降，甚至会出现絮凝、变性等。快速冻结、减低冻藏温度可以减轻这一现象。（5）其他变化 冻藏过程中食品物料还会发生其他一些变化，如 pH值、色泽、风味、维生素 C 和营养成分等。（图 3-13 一些食品物料在冻结前和冻藏过程中的 pH 值变化情况，p.64）pH 变化较小时不会引起明显的食品品质变化，但 pH 变化较大时会影响酶的活性和细胞的通透性。(表 3-18 绿色蔬菜在不同冻藏温度下叶绿素减少 10所需的
20、时间，p.64)2.4.6 冻结食品的解冻 （补充）1）解冻曲线解冻过程是冻藏食品物料回温、冰结晶融化的过程。从温度、时间的角度看，解冻过程似乎可以简单地被看做是冻结过程的逆过程。图 3- 食品物料冻结与解冻时的状态与传热示意12图 3- 圆柱形样品的冻结和解冻曲线2) 解冻方法解冻方法多种多样，但没有一种适宜于所有冻结食品。图 3-17 列举了目前使用的解冻方法，并按热量传入冻品的方式进行了分类。实际应用中，应根据冻品的不同特性选择合适的解冻方法。图 3- 各种解冻方法及其种类13合适的解冻温度内部温度均匀，解冻时间短（速度快） 微生物污染少，汁液流失少，维生素损失较少，保持食品的色、香、味
21、。2.5 低温贮藏库的设计与管理2.5.1 低温贮藏库的分类 低温贮藏库可以按照其容量、冷藏温度及用途进行分类。1) 按冷藏容量分类表 3-19 低温贮藏库的容量分类 （p.65）2) 按低温贮藏库温度分类按我国专业标准 ZBX9900386 的分类见表 3-20 (p.65)。3) 按低温贮藏库用途分类低温贮藏库按用途可以分为，生产性低温贮藏库、分配性低温贮藏库、零售性低温贮藏库等三种类型。2.5.2 低温贮藏库的组成 低温贮藏库的组成按照各部分的用途，可分为冷加工及冷藏用房、生产辅助用房、生产附属用房和生活辅助用房四大部分。2.5.3 低温贮藏库的制冷工艺计算（略）低温贮藏库的制冷工艺计算
22、就是耗冷量计算，其目的是为了合理确定制冷机容量。低温贮藏库的耗冷量在一年四季中并不是恒定不变的，其受到室外气温，14冷加工货物量以及操作管理方式等因素的影响。因此需要根据不同情况，选择不同的修正系数。低温贮藏库的耗冷量计算包括(1)围护结构耗冷量 Q1（W） 、(2)货物耗冷量 Q2（W） 、(3)通风换气耗冷量 Q3（W） 、(4)操作管理耗冷量 Q4（W） 、等四部分。1) 围护结构耗冷量其 Q1（W）的计算由于库内外空气的温差和太阳能辐射热的作用，因此不可避免地在库内外之间要发生热量传递。围护结构的耗冷量包括两个部分：通过墙壁、楼板、屋顶及地坪的热量；太阳辐射引起的热量 yQ。qQ(3-
23、4)yq1(1)墙壁、楼板、屋顶的传热量(3-5)nTAkQwq)(式中 围护结构的计算面积，m 2 ；围护结构的传热系数，W/（m 2K） ；k， 围护结构外、内侧的计算温度，K；wTn围护结构内外温度差的修正系数，见表 3-21 (p.67） 。(2)太阳辐射引起的耗冷量(3-6)yqTkFQ式中： 围护结构的传热系数，W/（m 2 K） ；-由材料种类、表面形状、气流方向和流速等因素决定受太阳辐射的围护结构面积，m 2；F15受太阳辐射影响的昼夜平均当量温差，见表 3-22、表 3-23 yT(P.69)。2) 货物耗冷量 Q2（W）的计算食品在冷加工过程中要放出热量。这部分热量包括：食
24、品加工过程中的显热和潜热、包装材料的散热量和食品储藏过程中放出的热量。(3-7)nqMnzcTmnzhMQ2)()()( 121212 式中 食品冷加工量或储藏量，食品在冷藏间内储存量：生产性冷藏库冻结物冷藏间，按每昼夜冻结能力比例摊入各冷藏间内；分配性冷藏库冻结物冷藏间，按该冷藏间库容量的 10计算，冷却物冷藏间则按库容量的5计算，kg冷加工的周转次数；n食品包装材料的质量，kg；m食品包装材料的比热容，见表 3-24 （p.70） ；c食品加工时间，s；z， 食品冷加工或冷藏前后的热焓值，J/kg；1h2, 食品入库、出库时包装材料的温度，/；T， 鲜蛋、水果、蔬菜入库时和出库时相应的呼吸
25、热量，可1q2查阅有关资料；3) 通风换气耗冷量 Q3（W）的计算一些储藏水果、蔬菜等活性食品的冷间，为适应其生命活动，排除 CO2和防止腐烂等，必须进行一定的通风换气；生产性的冷间也需要换气，以改善工人的劳动条件。在换气过程中，外界空气在冷间放出的热量可按下式计16算：(3-9)(/)(3 nwarnwa hnVmhVQ式中 冷间的内净容积，m 3；冷间每昼夜所需的换气次数，一般取 23 次；a冷间空气的密度，kg/m 3；， 室外、内空气的焓差， J/kg。其值参见表 3-25 whn(p.70)每昼夜通风机运转时间，h；m每个操作人员每小时需要的新鲜空气量，一般取 30 rVm3/(h人
26、)；冷间的工作人员数。n注意：由室外引入的空气，不但温度要降低，其含湿量也会减少。4) 操作管理耗冷量 Q4（W）的计算冷藏库由于操作管理上的需要，不可避免的要带入热量，它包括：照明耗冷量 、电动设备耗冷量 、库门开启耗冷量 和操作人员耗冷量a4 b4 cQ4， 这些热量的总称为操作管理的耗冷量。即：dQ4(3-10)dcbaQ44444 照明耗冷量该耗冷量是由于照明的电能转化为热能而引起的耗冷量。AqQaa4式中 每平方米库房面积由照明而引起的热量，W/m 2，冷藏间可取q1.82.3 W/m 2，操作人员长时间停留的加工间、包装间等可取5.8 W/m2；17库房面积，m 2。A电动设备耗冷
27、量电动设备是指库房内由电动机带动的风机、运输链带及搬运设备（如堆垛机、电瓶车）等。(3-11)NQb4式中， 为电动设备的实耗轴功率，单位为 W。若电动机设置在库房外面的高、低温穿堂时：(3-12)PQb4式中， 电动机功率，W；电动机有效系数，一般为 0.75；库门开启耗冷量该耗冷量是库内外空气温湿度差引起空气通过门洞对流而导致交换的结果。(3-13)AqQmc4式中， -库房单位面积因库门开启的热量，W/m 2。其值可查表 3-mq26（p.71） 。库房面积，m 2。A操作人员耗冷量该耗冷量是由于工人在库房中进行操作时人体所散发的热量而引起的耗冷量。它与库房的空气温度、操作的繁重程度、衣
28、着厚薄、人体体重等因素有关，一般按人体每小时平均散热量计算。(3-14)nqQrd4式中 每个操作工人产生的热量，W。 见表 3-27（p.72）rq18该库房内同期操作的人数。n思考与练习 1低温贮藏可分为哪几类？简述低温贮藏的特点和一般工艺过程。2低温贮藏的温度对食品成分、微生物、酶有何影响？3果蔬的整个生命过程可以分为哪几个生理阶段？果蔬的呼吸在采前和采后有何不同？蒸腾作用对果蔬的影响表现在哪些方面？为什么低温能够抑制蒸腾作用？4. 食品在冷藏中可能发生哪些变化？5. 什么是液体食品的初始冻结点、冻结点下降现象、低共熔点？6. 简要说明纯水和蔗糖溶液冻结曲线的特征。7. 溶液浓度在冻结过程中逐渐增加的原因是什么？8. 随着冻结速度的加快，冻结曲线变成直线，其原因是什么？9. 目前主要有哪几种表示冻结速率的方法？10. 什么是冷链和 TTT？如何用 TTT 判断贮藏期限？11简要说明速冻食品质量高于缓冻食品质量的原因、以及判断速冻的标准。12. 解冻法有哪几种方法，各有哪些特点和主要适用对象用途 ？
