食品冷凍過程的.課件

1、第二章 食品冷凍過程的 物理化學變化 2-1 食品的物理化學特點 2-2 水的相圖及其凍結特性 2-3 水溶液的凍結和特性 2-4 食品材料中水的特性 2-5 食品材料的凍結特性和凍結率 2-6 水和溶液的結晶理論 2-7 食品材料的玻璃化2-1食品的物理化學特點食品是多組分、多相、非均質的物質系統(tǒng)，其物理化學性質不穩(wěn)定。多組分：面筋蛋白質、蛋白質、淀粉、脂肪、多糖多相： 1 氣相：空氣、水蒸汽、多種揮發(fā)物。 2 液相： 3 固相：晶態(tài)、非晶態(tài)非均質：圖2-1相：指體系的內在性質在物理上和化學上都是均勻的部分，不同的相之間由界面隔開。相圖：也叫相平衡圖、狀態(tài)圖。是處于平衡狀態(tài)下物質的組分、物相

2、和外界條件相互關系的幾何描述，是一個物質體系相平衡圖示的總稱。水和冰的相圖降溫曲線2-2 水的相圖及水的凍結特性成核： 1 均勻成核：各處成核幾率均等，要求過冷度大。 2 非均勻成核：水在塵埃、容器表面及其他異相表面等處形成晶核。圖2-2 水的相圖圖2-3 冰的相圖圖2-4 純水的降溫曲線過冷: 一般情況下,純水只有被冷卻到低于0C的某一溫度時才開始結冰.2-3 水溶液的凍結和特性一、溶液濃度的表示方法：1 摩爾分數(shù)xs2 質量摩爾濃度ms3 體積摩爾濃度cs4 質量分數(shù)wsxs = ns / (n水+ns) = ns / n總 ms = ns / m水cs=ns / v Ws=nsMs/(n

3、水M水+nsMs)Xs與ms 、cs、ws的關系：xsM水ms/1+M水ms xs = csM水 / ms=cs/二、稀溶液的依數(shù)性質：數(shù)目有關，質量無關 溶劑確定后，性質只取決于所含溶質分子的數(shù)目（以水與某不揮發(fā)性非電解質組成的二元溶液為例）蒸汽壓降低沸點升高冰點下降滲透壓（放后面講）三、水溶液的凍結特性圖2-5 NaCl水溶液的凍結曲線ABEE:低共熔點(eutectic point)，是液相和二種固相的三相共存點 四、融化過程的特點 1 融化與凍結的區(qū)別熱量傳遞環(huán)境溫度 凍結 解凍2 水與冰某些熱物性的差別密度/kgm-3比熱容kJ(kgK)-1熱導率/W（mK)-1熱擴散率/m2s-1

4、冰9172.1202.2411.5x10-7水999.874.21770.5611.33x10-7結論：解凍比凍結困難 五、凍結和融化過程中的滲透現(xiàn)象滲透現(xiàn)象植物吸收水分和養(yǎng)料通過滲透作用凍結中，滲透壓毒性 將溶液和水置于U型管中，在U型管中間安置一個半透膜，以隔開水和溶液，可以見到水通過半透膜往溶液一端跑，若于溶液端施加壓力，而此壓力可剛好阻止水的滲透，則稱此壓力為滲透壓，滲透壓的大小和溶液的重量摩爾濃度、溶液溫度和溶質解離度相關，因此有時若得之滲透壓的大小和其他條件，可以反推出溶質分子的分子量。滲透壓 (Osmotic preesure)：當半透膜一側為溶液，一側為純水時，為了保持滲透平衡

5、，加在溶液側的額外壓力（防止水向溶液滲透）糖水水半透膜 滲透壓依數(shù)性：Vant Haff方程總結大量實驗后得到，難揮發(fā)非電解質稀溶液的滲透壓與溶質的質量摩爾濃度成正比。 Kosms ，Kos滲透壓常數(shù)水流率J水：在單位時間內，由細胞膜的單位面積上滲透出來的水 J水=P水(e i)P水：細胞膜的水滲透率水滲透所引起的單位時間內細胞內水量減少和細胞體積的降低可表達為 J水=(1/A)(dV水/dt) =(1/A)(dV胞/dt)聯(lián)立以上兩式，解得： dV胞/dt=P水A(ie)此式反應在凍結過程中，由于胞外冰的形成和增多，胞內外滲透壓不同，而引起細胞體積變化的情況。細胞凍結過程中：1 拉烏爾定律(

6、Raoults law)（蒸汽壓）在一定溫度下，將純液體置于真空容器中，當蒸發(fā)速率與凝聚速率相等時，液體上方的蒸汽所具有的壓力稱為該溫度下液體的飽和蒸汽壓（簡稱蒸汽壓）當純溶劑中溶解一定量難揮發(fā)溶質時，在同一溫度下，溶液的蒸汽壓總是低于純溶劑的蒸汽壓。稱為溶液的蒸汽壓。實際是溶液中溶劑的蒸汽壓。溶液蒸汽壓下降的原因是溶質分子占據(jù)著一部分溶劑分子的表面，在單位時間內逸出液面的溶劑分子數(shù)目相對減少。因此，達到平衡時，溶液的蒸汽壓必定低于純溶劑的蒸汽壓，且濃度越大，蒸汽壓下降越多。1 拉烏爾定律(Raoults law)稀溶液中水的蒸汽壓p水等于純水的蒸汽壓p 0水乘以溶液中水的摩爾分數(shù)x水；或者可

7、以說，溶液中水的蒸汽壓的降低值等于純水的蒸汽壓乘以溶質的摩爾分數(shù)xsP0水P水=P0水xs 2溶液的沸點升高沸點：當液體的蒸汽壓等于外界大氣壓時，液體沸騰，此時的溫度稱為沸點。沸點升高：如果在純水中加入了少量難揮發(fā)的非電解質，由于溶液的蒸汽壓低于純水，故在373.15K（100）時，溶液不能沸騰。欲使溶液沸騰，必須升高溫度，直到溶液的蒸汽壓正好等于外界壓力（101.3kpa)時，溶液才能沸騰，因此溶液的沸點總是高于純溶劑的沸點。在相同的外壓下，稀溶液的沸點 Tb 要高于純水的沸點T0b，其沸點升高值正比于溶液的質量摩爾濃度ms蒸汽壓/kpaTa Ta Tb Tb T/KAB-純水蒸汽壓AB-稀

8、溶液蒸汽壓Tb=TbT0b=Kbms Kb=RM水(T0b)2/r Kb稱為沸點升高常數(shù)(ebullioscopic constant)，r摩爾蒸發(fā)熱3 冰點的降低值 ( freezing point depression)在一定的外壓下( 一般值常壓），物質的固相蒸汽壓和液相蒸汽壓相等，兩相平衡共存時的溫度該物質的凝固點。純水的蒸汽壓與冰的相同（0.6015kpa）時，溫度為273.15K（0），水和冰共存。當加入少量難揮發(fā)性物質時，由于溶液的蒸汽壓下降，在0時溶液的蒸汽壓小于冰的蒸汽壓，不能共存，必須降低溫度。冰的蒸汽壓下降得比溶液的蒸汽壓下降得快，很快到達二者的蒸汽壓相等的點，即凝固點。

9、蒸汽壓/kpaTa Ta Tb Tb T/KAB-純水蒸汽壓AB-稀溶液蒸汽壓在相同的外壓下，當溫度降低時，若水和溶質不生成固溶體，而且生成的固態(tài)是純冰，則稀溶液中水的冰點Tf要低于純水的冰點T0f：其冰點的降低值正比于溶液的質量摩爾數(shù)。Tf = T0fTf = Kf ms Kf = R M水 (T0f)2 / Lf 式中 Kf 稱為凝固點降低常數(shù) ( Cryoscopic constant)； Lf 為冰在 T0f 溫度下的摩爾融化熱。實際水溶液的冰點降低性質若溶質是電解質，它可能部分或全部離解成正、負離子。離解后正離子、負離子、以及未離解的分子，均能以相當于理想非電解質溶質分子那樣的方式，

10、對溶液的冰點降低起作用，則ms應為m+、m-、mu三者之和滲摩爾濃度xs = csM水 / cs=ns/VM=V=n水M水nS MSxS=nS/（ n水nS ）cs/xS（ n水nS ）/V （ n水nS ）/ （n水M水nS MS）很稀的溶液： nS0 cs/xS n水/（ n水M水） / M水2-4 食品材料中水的特性一、食品水系統(tǒng)的熱力學1.水在生命系統(tǒng)中的作用水在生命系統(tǒng)中具有極其重要的作用，是其他物質所無法取代的最好的溶劑，很大的比熱容、潛熱、介電常數(shù)和表面張力等食品中含有大量的水，自由水，束縛水（強氫鍵） 研究順序：氣體與溶液的關系 氣相中的水溶液中的水2.相平衡熱力學吉布斯自由能

11、(Gibbs free energy) G=H-TS 狀態(tài)函數(shù)，能量的量綱，定義零點 體系經(jīng)歷某一過程后，自由能的改變量：GG2（終態(tài)）G1（始態(tài)）物理意義：體系的自由能是體系在定溫定壓條件下對外作有用功的能力。在定溫定壓不作有用功的條件下，體系發(fā)生變化，可以用自由能的改變量來判斷過程的自發(fā)性。 G0 非自發(fā)過程 食品中的水多組分系統(tǒng)：G=G(p, T, ni) ni各組分的物質的量在壓力、溫度和其他條件不變的情況下，某一組分i變化時所引起的自由能的變化，稱為第i組分的化學勢。討論水分在食品內部與食品上部相平衡時：等溫、等壓，dG0， w(vapor)=w(food)即水分在食品內部（液相）和

12、在食品上部（氣相）的化學勢相等體系平衡狀態(tài)的強度判據(jù) 在等溫等壓達到熱力學平衡時，封閉體系中任一組分在各相中的化學勢相等 i i i i二、氣相中水分化學勢的計算水若為理想氣體，按道爾頓分壓定律： 定義一個參考點，如選擇101325Pa作為標堆壓力，水蒸氣作為理想氣體的化學勢為， 那么在任一壓力p，水蒸氣的化學勢為若引人新的 以代替上式的 ，則可以得到表達理想氣體中水蒸氣壓力與其化學勢之間的關系。如果考慮到水蒸氣在空氣中的性質不能看作理想氣體，而應看作實際氣體，則上式應修正為fw是考慮了實際氣體的性質時仍能按上式計算化學勢而對壓力值進行修正后的值。fw“有效壓力”或“逸度”(fugacity)

13、。壓力校正因子（逸度系數(shù)）： rw=有效壓力fw實際壓力pw水的逸度與逸度系數(shù)：表2-2三、溶液中水的活度理想溶液實際溶液 a被稱為實際溶液中水的活度（activity），可看作實際溶液對理想溶液的校正濃度，有時也被稱為“有效濃度”。 水的活度因子或稱為活度系數(shù)純水在一定壓力，溫度下的化學勢 溶液中水的摩爾分數(shù)四、食品中水的活度故食品材料中水分的活度對于低壓的情況， 因此aw對食品保存有重要影響，一般， aw 0.6時，無微生物繁殖。例：全脂奶粉、干蔬菜 aw=0.2 餅干、脆點心： aw=0.3 全蛋粉: aw=0.4 糊、醬、調味品: aw=0.5 新鮮水果: aw=0.95五、食品材料的

14、最大許可的aw圖2-6 處于一個絕熱容器中的食品材料的平衡五、凍結食物的水分活度：計算凍結食物的水分活度: aw=P（過冷水）/P0（純水）不是冰的蒸汽壓，盡管樣品中水的蒸汽壓就是冰的蒸汽壓食品在凍結點上下水分活度的比較：冰點以上，食物的水分活度是食物組成和食品溫度的函數(shù)，并且主要與食品的組成有關；在冰點以下，水分活度僅與食物的溫度有關，與食物的組成沒有關系。 冰點上下食物的水分活度的大小與食物的理化特性的關系不同。如在-15時，水分活度為0.80，微生物不會生長，化學反應緩慢，在20時，水分活度為0.80 時，化學反應快速進行，且微生物能較快的生長。食物冰點上下的水分活度不能互相預測。2-5

15、 食品材料的凍結特性和凍結率由于食品是由復雜的多元組分組成的，其凍結過程與純水不同有時沒有明顯的過冷升溫沒有明顯的凍結平臺一、初始凍結溫度 表2-4二、未凍水的質量分數(shù)的計算方法 對于理想的二元溶液 Mw水的摩爾質量，1810kg/mol；Lf是純水在T (273.15K) 時的摩爾融化熱R是通用氣體常數(shù) 對于理想的二元溶液，可用上式表示冰點降低與摩爾分數(shù)的關系初始凍結點凍結中，未凍水與溫度關系凍結溫度Tf可由下式求得：簡化計算未凍水（常用）：Lf是純水在T (273.15K) 時的摩爾融化熱R是通用氣體常數(shù)當考慮不可凍水的含量時 用此式計算得到的值和實驗結果符合得很好，如圖2-8示。當考慮潛熱隨溫度變化時 圖2-8 木莓中未凍結水百分含量的計算值和實驗值的比較圖2-4 純水的降溫曲線過冷: 一般情況下,純水只有被冷卻到低于0C的某一溫度時才開始結冰.動脈四種不同速率的降溫曲線2-6 水和溶液的結晶理論結晶：成核過程：在液體中產生穩(wěn)定的固態(tài)核的過程。晶體生長過程一、成核理論：均相成核（Th）：異相成核（Thet）：ThThetTm 1 成核自由能： 在液態(tài)水中產生r大小的固