第四章-食品冷凍的基本原理

第四章食品冷凍的基本原理第一節(jié)凍結(jié)與食品中的水分活性第二節(jié)

果蔬冷凍的概述

第三節(jié)果蔬的凍結(jié)速度第四節(jié)果蔬貯藏時間、溫度和質(zhì)量的關(guān)系第一節(jié)凍結(jié)與食品中的水分活性一、食品中水分活性的含義

水分活性的定義，它可近似等于食品在密閉容器的水蒸氣分壓（P）與在相同溫度下的純水蒸氣壓之比：

二、食品的水分活性與微生物的關(guān)系當(dāng)水分活性值接近0.9時絕大多數(shù)細(xì)菌的生長力很微弱；當(dāng)?shù)陀?.9時，細(xì)菌幾乎不能生長。如黃色葡萄球菌的繁殖曲線見圖3—1所示。細(xì)菌發(fā)育繁殖的最適水分活性在0.91～0.98；酵母菌在0.88；霉菌在0.80；三、食品的水分活性對食品保藏的意義

新鮮的果蔬、動物性食品、魚肉等，都含有大量的水分，雖然原料種類不同，但它們的水分活性值，多數(shù)都在0.98～0.99。像這樣的值正適宜于多數(shù)微生物的生長。

冷凍法是將食品凍結(jié)，食品中的主要成分—水變成冰，冰的飽和蒸汽壓小于水的飽和蒸汽壓，所以，凍結(jié)后的食品，其水分活性值即可大大降低，達(dá)到長期保藏食品的目的。如表3—1冷凍法既不改變食品中的水分，也不往食品中加入電解質(zhì)，更不用高溫殺菌，所以，這種方法能最大限度地保持食品的色、香、味、組織結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)價值

第二節(jié)果蔬冷凍的概述一、果蔬冷凍的溫度范圍果蔬的冷凍工藝，基本上分為冷卻、凍結(jié)、冷藏和解凍四部分。(一）冷卻果蔬由收獲后的溫度，降到冰點(diǎn)以上某一溫度的過程，稱之為冷卻。冷卻終了的溫度范圍一般在0～15℃。(二）凍結(jié)果蔬由冰點(diǎn)以上的溫度，降到食品中心溫度為—15℃以下的過程，稱之為凍結(jié)。

(三）冷藏將果蔬的溫度維持在恒定的某一低溫度的過程，稱之為冷藏。冷卻冷藏的溫度—般在0～15℃；凍結(jié)冷藏的溫度一般為—18℃以下，簡稱凍藏。(四）解凍將凍結(jié)果蔬的溫度提高到冰點(diǎn)左右或冰點(diǎn)以上的溫度過程，稱之為解凍。二、果蔬的冰點(diǎn)

果蔬在凍結(jié)時，其中的水分開始形成冰結(jié)晶的溫度，稱之為果蔬的冰點(diǎn)。冰點(diǎn)也常稱之為凍結(jié)點(diǎn)

三、果蔬的冷凍曲線冷凍曲線可分為三個階段。第一階段：食品從初溫冷卻到食品的冰點(diǎn)以上，即圖中的AB為冷卻階段。在這一階段食品放出的熱量是顯熱，溫度迅速下降，所以，溫度曲線較陡。第二階段：圖中的BC為最大冰結(jié)晶形成階段。溫度區(qū)間為-1～-5℃。大約有80％的水分成冰，這種大量形成冰結(jié)晶的溫度范圍，稱為冰結(jié)晶最大生成帶。在這一階段食品放出的熱量主要是潛熱，所以，食品的溫度下降不多，溫度曲線就比較平坦。第三階段：繼續(xù)降溫至凍結(jié)貯藏溫度，即圖中的CD階段。在這一階段，食品中的水分已大部分形成冰結(jié)晶，放出的熱量主要是顯熱和少量潛熱，因此，降溫速度比冰結(jié)晶最大生成帶快，故曲線也較陡。但是，到凍結(jié)后期，由于食品的溫度和冷凍介質(zhì)的溫度差值越來越小，降溫也逐漸減慢。四、果蔬的冷凍過程

(一）凍結(jié)前水的過冷在固體(冰結(jié)晶）中，分子是按一定規(guī)律排列著，彼此之間有著相互的關(guān)聯(lián)。固體內(nèi)粒子之間距離近，吸引力強(qiáng)。這些粒子只能在其位置附近振動，而不能移動。它們的運(yùn)動是一種促進(jìn)分子順序排列的定向運(yùn)動。

液體(水）是介于氣體和固體之間，在液體中作用的力，既有使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生雜亂而分散的熱運(yùn)動；又有按順序排列的定向運(yùn)動。由氣態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)和液態(tài)轉(zhuǎn)變成為結(jié)晶態(tài)是與很多因素有關(guān)的，但主要是與溫度有關(guān)。對于液體溫度愈高，其結(jié)構(gòu)愈近似于氣體；溫度愈低，則其結(jié)構(gòu)與固體相似。當(dāng)液體溫度降到冰點(diǎn)時，液相與固相處于平衡狀態(tài)。要使液相變成固相，必須要破壞這種平衡狀態(tài)，也就是必須使液相溫度降至冰點(diǎn)以下，造成液相的過冷。

產(chǎn)生冰晶的另一條件是結(jié)晶中心。只有過冷的溫度，有時也不會結(jié)冰。當(dāng)液體處于過冷狀態(tài)時，由于某種刺激或振動而產(chǎn)生結(jié)冰中心（晶核），于是液體就會形成冰結(jié)晶。在室外零下10℃左右銷售的蘋果、柑橘和香蕉等，在短時間之內(nèi)也不凍結(jié)。叫“不怕凍，就怕動”。

水果在很低的溫度下不會結(jié)冰，這主要是由于果皮的保護(hù)作用，它防止外部塵?；蚓w刺激劑進(jìn)入果實(shí)內(nèi)部，阻止了水分的結(jié)晶析出

(二）溶液的凍結(jié)溶液的凍結(jié)與濃度有關(guān)系，濃度越大，冰點(diǎn)越低。例如食鹽水溶液的濃度與冰點(diǎn)之間的關(guān)系如圖3-4的曲線AB所示。

曲線AB為食鹽溶液的冰點(diǎn)曲線；BC曲線為溶解度曲線。

在AB曲線上任意一點(diǎn)的溶液對冰來講是飽和的，而在BC曲線上任意一點(diǎn)的溶液對食鹽水合物來講是飽和的，也就是說隨溫度下降，食鹽的溶解度下降，食鹽從溶液中析出量增多，所以它也可稱凝固點(diǎn)，AB曲線也稱凝固曲線。AB曲線表示凝固點(diǎn)隨濃度增加而降低，BC曲線表示食鹽溶解度隨溫度增加而增加。兩條曲線相交于B點(diǎn)，B點(diǎn)稱該溶液的共晶點(diǎn)，該點(diǎn)出現(xiàn)冰和食鹽水合物晶體同時存在的混合物。

從圖3-4可以看出，當(dāng)從B點(diǎn)向上移動，即升高溫度時，溶質(zhì)和溶劑的固態(tài)形式消失；從B點(diǎn)向下移動，即溫度降低時，溶液全部消失，都變?yōu)楣虘B(tài)；向右向左移動時，會分別引起溶質(zhì)或溶劑的結(jié)晶。共晶溫度的高低依賴于溶質(zhì)和溶劑的成分，如氯化鈣的水溶液共晶溫度為-55℃，食鹽水溶液共晶溫度為-21℃，草莓的共晶溫度為-15℃。(三）凍結(jié)過程中的結(jié)冰率將水分結(jié)晶析出的比數(shù)稱為結(jié)冰率，也稱凍結(jié)率

食品在凍結(jié)時的結(jié)冰率，與食品的冰點(diǎn)和食品凍結(jié)的溫度有關(guān)系。食品的溫度越低，結(jié)冰率也就越大；在同一凍結(jié)溫度下，食品的冰點(diǎn)越低，結(jié)冰率越小

第三節(jié)果蔬的凍結(jié)速度一凍結(jié)速度的表示方法1、根據(jù)通過冰結(jié)晶生成帶的時間來劃分2、根據(jù)冰層厚度來劃分它是以食品內(nèi)結(jié)冰表面每小時推進(jìn)的距離來表示凍結(jié)速度單位是：厘米/小時

V表示在h小時之內(nèi)食品的平均凍結(jié)速度。普朗克根據(jù)上式求出的V值，將凍結(jié)速度作了如下的劃分：V≥5～20厘米/小時快速凍結(jié) V=1～5厘米/小時中速凍結(jié)V=0.1~1厘米/小時緩慢凍結(jié)

3、國際制冷協(xié)會提出的凍結(jié)速度

國際制冷協(xié)會在1972年作出如下規(guī)定。測量的方法和普朗克提出的相同，即根據(jù)在單位時間內(nèi)結(jié)冰層推進(jìn)的厚度（距離）來表示。但是，結(jié)冰表面的溫度的取法有所不同。不是取-5℃作為冰表面的溫度，而是取比食品冰點(diǎn)低10℃的溫度。

二、凍結(jié)速度與冰結(jié)晶的狀態(tài)和分布果蔬在凍結(jié)時，凍結(jié)速度越快，冰結(jié)晶的顆粒越小；凍結(jié)速度越慢，冰結(jié)晶的顆粒就越大。凍結(jié)速度越快，冰結(jié)晶大部分在食品細(xì)胞內(nèi)形成；凍結(jié)速度越慢，冰結(jié)晶大部分在食品細(xì)胞間形成。凍結(jié)速度的快慢，直接影響冰結(jié)晶的大小和形狀?？焖賰鼋Y(jié)的冰結(jié)晶的直徑只有幾個μ，而慢速凍結(jié)的冰結(jié)晶的直徑可達(dá)到500～800μ三、凍結(jié)速度和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系在果蔬內(nèi)部產(chǎn)生冰結(jié)晶后，組織的細(xì)胞之間的結(jié)合面被拉開，由于凍結(jié)膨脹在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，破壞細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)，這就是機(jī)械損傷的理論。若快速凍結(jié)，在細(xì)胞內(nèi)外形成細(xì)小并分布均勻的冰結(jié)晶，這樣，就會減弱機(jī)械損傷的作用。相反，若緩慢凍結(jié)，冰結(jié)晶大部分在細(xì)胞外形成大的冰結(jié)晶，而對細(xì)胞的機(jī)械損傷作用就更強(qiáng)。

果蔬凍結(jié)后，冰對食品的損傷，還有脫水損傷的理論

牛肉、豬肉凍結(jié)速度的不同對產(chǎn)品質(zhì)量就沒有大的影響。這是由于牛、豬肉的細(xì)胞膜是由肌纖維構(gòu)成，它具有一定的彈性和韌性。果蔬的細(xì)胞膜和壁是由纖維素組成，纖維素沒有肌纖維堅(jiān)固。當(dāng)產(chǎn)品凍結(jié)以后，肌纖維耐受冰結(jié)晶的膨脹壓較強(qiáng)，而纖維素卻較弱。如豆類、甜玉米、土豆等含淀粉多的蔬菜用普通的送風(fēng)式凍結(jié)也不會帶來特別大的影響，而龍須菜、西紅柿、竹筍之類的蔬菜用液氮或干冰可獲得優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。四、怎樣提高凍結(jié)速度提高果蔬的凍結(jié)速度可采用如下措施：①在凍結(jié)之前，盡量降低食品的初溫T0，使其接近水果、蔬菜的冰點(diǎn)，但又不應(yīng)到冰點(diǎn)；②在可能的條件下，盡量降低冷卻介質(zhì)的溫度Tr；③根據(jù)生活習(xí)慣，盡可能減小果蔬的厚度和大??；④提高冷空氣的流速，增大對流放系數(shù)a，但也不宜過大；⑤采用單體凍結(jié)，增大凍結(jié)產(chǎn)品和冷卻介質(zhì)的接觸面積。故使用流化床式凍結(jié)裝置較為理想。

第四節(jié)果蔬貯藏時間、溫度和質(zhì)量的關(guān)系

一、P.P.P和T.T.T的概念

凍結(jié)食品在流通過程中某一時刻的質(zhì)量與下列因素有關(guān)：1、原料的品質(zhì)；2、產(chǎn)品凍結(jié)前后的處理和包裝；3、從生產(chǎn)到銷售所經(jīng)歷的時間和溫度。

早期質(zhì)量是指從原料到凍結(jié)結(jié)束的質(zhì)量；最終質(zhì)量是指到達(dá)消費(fèi)者手中的最后質(zhì)量。早期質(zhì)量是由P.P.P決定的。即原料（Product）、

凍結(jié)前后的處理（Processing）

包裝（Package）。

只有優(yōu)質(zhì)的原料，科學(xué)的加工方法，又采用防濕和氣密性高的包裝，才能獲得高的早期質(zhì)量。

最終質(zhì)量是由T.T.T決定的即所謂的Time-Temperature-Tolerance。也就是凍結(jié)食品的耐藏性（T）是由凍藏的溫度（T）和凍藏的時間（T）制約的。

凍結(jié)食品的耐藏性和溫度、時間之間存在的關(guān)系，稱之為凍結(jié)食品的T.T.T概念。

凍結(jié)食品早期質(zhì)量是優(yōu)良的，但經(jīng)過各個流通環(huán)節(jié)，到最后銷售時的最終質(zhì)量必然要發(fā)生變化。其的大小，主要取決于凍藏溫度的凍藏時間的長短，溫度越低，變化越小，凍藏期越長；在相同溫度下，凍藏時間越長，變化越大，質(zhì)量越差。

二、質(zhì)量保持特性食品在不同溫度下凍藏時，其質(zhì)量降低所需時間與溫度之間有一定關(guān)系；凍結(jié)食品在凍藏中因時間和溫度的影響而引起品質(zhì)降低的程度是逐漸積累的，而且是不可逆的，將這種關(guān)系稱之為質(zhì)量保持特性。

三、品質(zhì)降低量

某一凍結(jié)食品的初期質(zhì)量是一定的，假定此時的品質(zhì)量為1.0，在失去商品價值的時候，其品質(zhì)量為0，則品質(zhì)量由初期的1.0降到0所需的天數(shù)，可以看作是質(zhì)量保持期。因此，每天的品質(zhì)降低量d，就是以初期的品質(zhì)量1.0被質(zhì)量保持期（天數(shù)）t除所得的商，即四、T.T.T的計(jì)算若已知速凍菠菜從生產(chǎn)到流通中的時間為180天，其中在生產(chǎn)地冷庫貯藏、運(yùn)輸及商店凍藏的溫度和天數(shù)如表3-8所示。經(jīng)過180天以后菠菜的質(zhì)量降低總量等于各溫度下質(zhì)量降低的總和，只要求出各溫度下的質(zhì)量降低量，將它們相加就得到質(zhì)量降低總量。所以，經(jīng)過180天以后，菠菜的質(zhì)量降低總量為：0.75+0.25+0.20=1.20

因?yàn)閯偧庸さ睦鋬鍪称菲滟|(zhì)量為1.0，失去商品價值的時候其品質(zhì)為0，如果品質(zhì)低降量的總和大于1.0，則表示該凍結(jié)食品已失去商品價值，如果小于1.0，則說明尚未達(dá)到喪失商品價值。因此，在上面的計(jì)算中，降低總量為、1.20，則速凍菠菜已經(jīng)失去食用價值。

五、冷藏鏈

植物性食品和動物性食品，從生產(chǎn)到消費(fèi)的全部過程中，都保持在一定的低溫條件下，將這整個的低溫系統(tǒng)稱之為冷藏鏈（ColdChain，簡稱CC）。其示意圖如下

冷藏鏈的低溫，可分為如下三種情況：冷卻冷藏：0～15℃是果蔬的貯藏溫度。冰溫冷藏：—2～2℃是果汁、乳品、蛋類、動物肉、禽肉和魚肉等食品的冷藏。凍藏：—18℃以下的溫度，對凍結(jié)的果蔬、果汁、乳品、蛋類、動物肉、禽肉、魚肉等凍結(jié)食品的貯藏。（一）速凍果蔬的冷藏鏈

要以高質(zhì)量的速凍果蔬供給消費(fèi)者，重要的是在產(chǎn)銷之間保持低溫環(huán)境，同時在運(yùn)輸、商店銷售中也應(yīng)保持低溫條件，不能認(rèn)為在運(yùn)輸、銷售中不融化就行，要把運(yùn)輸、銷售看成凍藏的延續(xù)。其他凍結(jié)食品也是如此。國際制冷協(xié)會（I·I·R）推薦的凍結(jié)產(chǎn)品的運(yùn)輸條件如表3-9所示。

（二）生鮮果蔬的冷藏冷藏鏈不僅適用于凍結(jié)食品，而且也適用于一般的生鮮食品，但影響質(zhì)量降低的因素更為復(fù)雜。（1）在