(工艺技术)食品工艺学第四章食品的冷冻保藏

第四章食品的冷冻保藏

概论

一、冷却食品和冻结食品

冷却食品不需要冻结，是将食品的温度降到接近冻结点，并在此温度下保藏的食品。

冻结食品，是冻结后在低于冻结点的温度保藏的食品。

冷却食品和冻结食品合称冷冻食品，可按原料及消费形式分为果蔬类、水产类、肉禽蛋类、调理方便食品类这四大类。

二、冷冻食品的特点

易保藏，广泛用于肉、禽、水产、乳、蛋、蔬菜和水果等易腐食品的生产、运输和贮藏；

营养、方便、卫生、经济；

市场需求量大，在发达国家占有重要的地位，在发展中国家发展迅速。

三、低温保藏食品的历史

公元前一千多年，我国就有利用天然冰雪来贮藏食品的记载。

冻结食品的产生起源于19世纪上半叶冷冻机的发明。

1877年，Charles Tellier（法）将氨-水吸收式冷冻机用于冷冻阿根廷的牛肉和新西兰的羊肉并运输到法国，这是食品冷冻的首次商业应用，也是冷冻食品的首度问世。

20世纪初，美国建立了冻结食品厂。20世纪30年代，出现带包装的冷冻食品。二战的军需，极大地促进了美国冻结食品业的发展。战后，冷冻技术和配套设备不断改进，冷冻食品业成为方便食品和快餐业的支柱行业。

20世纪60年代，发达国家构成完整的冷藏链。冷冻食品进入超市。冷冻食品的品种迅猛增加。

我国在20世纪70年代，因外贸需要冷冻蔬菜，冷冻食品开始起步。80年代，家用冰箱和微波炉的普及，销售用冰柜和冷藏柜的使用，推动了冷冻冷藏食品的发展；90年代，冷链初步形成；品种增加，产量大幅度增加。

第一节食品低温保藏的基本原理

食品原料有动物性和植物性之分。

食品的化学成分复杂且易变。

食品因腐烂变质造成的损失惊人。

引起食品腐烂变质的三个主要因素。

一、低温对微生物的影响

微生物对食品的破坏作用。

微生物在食品中生长的主要条件：液态水分；pH值；营养物；温度；降温速度。

低温对微生物的作用：低温可起到抑制微生物生长和促使部分微生物死亡的作用。但在低温下，其死亡速度比在高温下要缓慢得多。一般认为，低温只是阻止微生物繁殖，不能彻底杀死微生物，一旦温度升高，微生物的繁殖也逐渐恢复。

降温速度对微生物的影响：冻结前，降温越迅速，微生物的死亡率越高；冻结点以下，缓冻将导致剩余微生物的大量死亡，而速冻对微生物的致死效果较差。

二、低温对酶活性的影响

酶作用的效果因原料而异。

酶活性随温度的下降而降低。

一般的冷藏和冻藏不能完全抑制酶的活性。

三、低温对非酶因素的影响

各种非酶促化学反应的速度，都会因温度下降而降低。

第二节食品的冷却

一、冷却的目的

植物性食品的冷藏保鲜；肉类冻结前的预冷；分割肉的冷藏销售；水产品的冷藏保鲜。

二、冷却的方法

1、冷风冷却

用于果蔬类的高温库房

肉类的冷风冷却装置

隧道式冷却装置

2、冷水冷却

浸入式

喷雾式

淋水式

优缺点

3、碎冰冷却

特点

冰的种类

操作要点

适用

4、真空冷却

原理

构造示意

操作

特点

5、液体食品物料的冷却

特点：间接冷却

冷却介质

冷却器：间歇式、连续式

6、其它冷却方法

接触冷却

辐射冷却

低温学接触冷却

三、冷却过程的冷耗量

食品冷却过程中总的冷耗量，即由制冷装置所带走的总热负荷Q T：

Q T=Q F+Q V

Q F：冷却食品的冷耗量；Q V：其它各种冷耗量，如外界传入的热量，外界空气进入造成的水蒸气结霜潜热，风机、泵、传送带电机及照明灯产生的热量等。

食品的冷耗量：

Q F=Q S+Q L+Q C+Q P+Q W

Q S：显热；Q L：脂肪的凝固潜热；Q C：生化反应热；Q P：包装物冷耗量；Q W：水蒸气结霜潜热；

食品的显热：

Q S=GC O（T I－T F）

G：食品重量；C O：食品的平均比热；T I：冷却食品的初温；T F：冷却食品的终温。

四、冷却速度与冷却时间

自学。

理论基础：传热。

方式：按照食品的形状和冷却装置的形式，分别研究平板状食品、圆柱状食品和球状食品的传热过程，从而计算食品的冷却速度和冷却时间。

五、气调贮藏

定义：食品原料在不同于周围大气（21% O2、0.03% CO2）的环境中贮藏。通常与冷藏结合使用。

用途：延长季节性易腐烂食品原料的贮藏期。

机理：采用低温和改变气体成分的技术，延迟生鲜食品原料的自然成熟过程。

1、气调贮藏的生理基础：

降低呼吸强度，推迟呼吸高峰；

抑制乙烯的生成，延长贮藏期；

控制真菌的生长繁殖；

若氧气过少，会产生厌氧呼吸；二氧化碳过多，会使原料中毒。

2、气调贮藏方法：

(1)自然降氧法（Modified Atmosphere Storage）

果蔬原料贮藏于密封的冷藏库中，果蔬本身的呼吸作用使库内的氧量减少，二氧化碳量增加。

用吸入空气来维持一定的氧浓度。

用气体洗涤器来除去过多的二氧化碳：碱式，让气体通过4~5%的NaOH；水式，让气体通过低温的流动水；干式，让气体通过消石灰填充柱。

（2）快速降氧法（Controlled Atmosphere Storage）

在气体发生器中用燃烧丙烷的方法来制取低氧高二氧化碳的气体；将气体通入冷藏库中；库中常保持负压。

待藏原料入库时，即处于最适贮藏气体氛围，特别适用于不耐藏但经济价值高的原料，如草莓。

（3）混合降氧法

先用快速降氧法将冷藏库内的氧气降低到一定程度；原料入库，利用自然降氧法使氧的含量进一步降低。

既可控制易腐原料的初期快速腐烂，又降低生产成本。

（4）包装贮藏法

a）生理包装：将原料放进聚乙烯套袋，并密封。利用原料的呼吸作用和气体透过袋壁的活动，维持适宜的气体氛围。

B）硅气窗包装：用带有硅橡胶的厚质袋包装原料，并密封。因气体的交换只通过硅窗进行，所以改变硅窗的面积，就可以维持不同的气体氛围。

六、冷藏中的变化及技术管理

1、冷藏时的变化

（1）水分蒸发

（2）冷害

（3）串味

（4）生化作用

（5）脂类的变化

（6）淀粉老化

（7）微生物增殖

2、冷藏技术管理

（1）冷藏温度

（2）冷藏间相对湿度

（3）冷藏间空气流速

第三节食品的冻结

一、冻结点与冻结率

冻结点：冰晶开始出现的温度

食品冻结的实质是其中水分的冻结。食品中的水分并非纯水。根据Raoult稀溶液定律，质量摩尔浓度每增加1 mol/kg，冻结点就会下降1.86℃。因此食品物料要降到0℃以下才产生冰晶。温度-60℃左右，食品内水分全部冻结。

在-18~ -30℃时，食品中绝大部分水分已冻结，能够达到冻藏的要求。低温冷库的贮藏温度一般为-18℃~ -25℃。

冻结率：冻结终了时食品内水分的冻结量（%）

K=100（1－T D/T F）

T D和T F分别为食品的冻结点及其冻结终了温度

二、冻结曲线

冻结曲线表示了冻结过程中温度随时间的变化。

过冷现象，过冷临界温度。

冷冻曲线的三个阶段：初始阶段，从初温到冰点；中间阶段，此阶段大部分水分陆续结成冰；终了阶段，从大部分水结成冰到预设的冻结终温。

三、冻结时放出的热量

冻结终温。

热量的三个组成部分：冷却时的热量q c ；形成冰时放出的热量q i ；自冰点至冻结终温时放出的热量q e 。

单位质量食品的总热量：q =q c +q i +q e ，G kg 食品冻结时的总热量：Q=Gq ，或用焓差法表示：Q=G （i 2-i 1），i 1及 i 2分别为食品初始和终了状态时的焓值。

冻结时总热量的大小与食品中含水量密切有关，含水量大的食品其总热量亦大。

四、冻结速度

1、速冻的定性表达。

2、速冻的定量表达：以时间划分和以推进距离划分两种方法。

国际制冷学会的冻结速度定义：食品表面与中心点间的最短距离，与食品表面达到0℃后至食品中心温度降到比食品冻结点低10℃所需时间之比。

3、各种冻结器的冻结速度：通风的冷库，0.2 cm/h ；送风冻结器，0.5~3 cm/h ；流态化冻结器，5~10 cm/h ；液氮冻结器，10~100 cm/h 。

4、冻结速度与冰晶

冻结速度快，食品组织内冰层推进速度大于水移动速度，冰晶的分布接近天然食品中液态水的分布情况，冰晶数量极多，呈针状结晶体。

冻结速度慢，细胞外溶液浓度较低，冰晶首先在细胞外产生，而此时细胞内的水分是液相。在蒸汽压差作用下，细胞内的水向细胞外移动，形成较大的冰晶，且分布不均匀。除蒸汽压差外，因蛋白质变性，其持水能力降低，细胞膜的透水性增强而使水分转移作用加强，从而产生更多更大的冰晶大颗粒。

速冻形成的冰结晶多且细小均匀，水分从细胞内向细胞外的转移少，不至于对细胞造成机械损伤。冷冻中未被破坏的细胞组织，在适当解冻后水分能保持在原来的位置，并发挥原有的作用，有利于保持食品原有的营养价值和品质。

缓冻形成的较大冰结晶会刺伤细胞，破坏组织结构，解冻后汁液流失严重，影响食品的价值，甚至不能食用。

最大冰晶生成带：指-1~ -5℃的温度范围，大部分食品在此温度范围内约80%的水分形成冰晶。研究表明，应以最快的速度通过最大冰晶生成带。

五、冻结时间

平板状食品的冻结时间计算式：

t=（q i γ/2ΔT ）(L/α+L 2/4λ)

式中，L 、x---厚度（m ），

t---冻结时间（h ），

α---食品表面放热系数（kJ/m 2h ℃），

λ---已冻结食品的导热系数（kJ/mh ℃）

圆柱状及球状食品的冻结时间计算式分别为：

t=（q i γ/4ΔT ）(d/α+d 2/4λ)

t=（q i γ/6ΔT ）(d/α+d 2/4λ)

式中d 分别为圆柱及球的直径。

将上述公式引入适当的系数就能得到适用于三种几何形状的通用计算式（式3-1）：

t=（q i γ/ΔT ）(Px/α+Rx 2/λ)

式中，P 和R 为被冻物的几何形状参数。

国际制冷学会推荐的冷冻时间计算公式（式3-2）：

???? ??+-??=???? ??+???=λαγλαγ22Rx Px T T i Rx Px T

i t P

焓差值?i 可查有关手册。

六、冻结方法

按生产过程的特性分，冻结系统可分为批量式、半连续式和连续式三类。

按从产品中取出热量的方式，冻结方式可分为吹风冻结、表面接触冻结和低温冻结这三种基本类型，以及它们的组合方式。

1、吹风冻结

吹风式冻结装置用空气作为传热介质。可分为批量式（冷库，固定的吹风隧道，带推车的吹风隧道）和连续式（直线式、螺旋式和流化床式冻结器）。

2、金属表面接触冻结

产品与金属表面接触进行热交换，金属表面则由制冷剂的蒸发或载冷剂的吸热来进行冷却。冻结方式与吹风冻结相比有两个优点：传热效果好；不需配置风机。但这种方式不适用于不规则形状产品的冻结。按照结构形式，金属表面接触冻结装置可分为三种主要类型：带式，板式和筒式。

3、低温冻结

低温冻结采用液氮或液态二氧化碳作为制冷剂，常用于：1）小批量生产，2）新产品开发，3）季节性生产，和4）临时的超负荷状况。相对较低的温度可以使产品快速冻结，对保证产品质量和降低干耗都是十分有利的；但设备投资和运行费用较高。低温冻结设备则可以是箱式，直线式，螺旋式或浸液式。

七、冻结与冻藏中的变化及技术管理

冻结时，因为冰晶体的形成，食品的物理性质发生了变化，并进而影响到食品的其它性质。

因为冻藏的时间长，其间发生的一系列变化会显著影响到食品的品质。

1、冻结与冻藏中的变化

（1）体积膨胀与内压增加

（2）比热下降

（3）导热系数增大

（4）溶质重新分布

（5）液体浓缩

（6）冰晶体成长

（7）滴落液（drip）

（8）干耗

（9）脂肪氧化

（10）变色

2、冻藏技术管理

冻藏温度（正确选择、恒定）

冻藏间相对湿度（95%）

冻藏间空气流速（自然循环）

堆垛密度（越紧密越好）

包装或保护层（涂冰）

减少人员出入和电灯开启

用臭氧消除库内异味（2~6 mg/m3）

第四节食品的回热与解冻

回热：冷藏食品的温度回升至常温的过程，是冷却的逆过程。

解冻：冻结食品的温度回升至冻结点以上的过程，是冻结的逆过程。

一、回热

回热的目的：防止食品在出库后因为表面水分凝结而遭受污染及变质。

回热处理时的控制原则：与食品表面接触的空气的露点应始终低于食品表面温度。回热空气应连续或分阶段进行除湿和加热。

回热处理的空气相对湿度不能低，以尽可能减少回热时食品的干耗。

小批量且立即要处理的物料可不用回热。

二、解冻

冻制食品的解冻就是使食品内冰晶体状态的水分转化为液态，同时恢复食品原有状态和特性的工艺过程。

解冻时必须尽最大努力保存加工时必要的品质，使品质的变化或数量上的损耗都减少到最小的程度。

解冻温度曲线。

与冻结过程相类似，-5~-1℃是冰晶最大融解带，也应尽快通过，以免食品品质的过度下降。

解冻介质的温度不宜太高，一般不超过10~15 ℃。

1、空气解冻

2、水解冻：

3、接触式解冻

4、内部加热式解冻

5、组合式解冻