综述食品冷冻理论及冷冻新技术

目录 摘要 II 关键词 II Abstract II Keywords II 1. 前言 1 2. 食品冷冻理论简介 1 2.1 冷冻传递理论 1 2.2 玻璃化转变理论 2 2.3 冰结晶理论 2 3. 食品冷冻技术方法的分类 2 3.1 空气鼓风冷冻 2 3.2 直接接触冷却食品 2 3.3 利用低温介质对食品的喷淋冷冻 3 4. 食品冷冻新技术 3 4.1 CAS冷冻技术 3 4.2 抗冻蛋白 4 4.3 冰核活性蛋白 4 4.4 高压冷冻技术 5 4.5 磁共振冷冻技术 5 4.6 微波辐射冷冻技术 5 4.7 超声波冷冻技术 6 4.8 渗透脱水冷冻技术 6 4.9 被膜包裹冷冻技术 6 4.10 其他冷冻新技术 7 5. 总结展望 7 参考文献 8 食品冷冻理论及冷冻新技术 摘要： 冷冻技术的发展异常迅速，

在食品工业中的应用也越来越广泛， 冷冻贮藏对食品保藏 和运输具有重要意义。 主要综述了冷冻过程中的理论研究及其冷冻新技术， 介绍了冷冻在食 品工业中的应用及解冻，最后介绍了近年来国内外食品冷冻技术的发展趋势。 关键词：食品冷冻；理论研究；新技术；应用 Abstract: The development of freezing technique is very rapidly. The using of freeze technique is more and more extensively.This article mainly summarize the theoretical research in the course of freezing and the new techonogy of freezing.And introduces the application of freezing in food industry. Last the present situation and development trend are indicated in this paper ． Keywords ：food freeze; theory research; new techonogy; application1 前言 冷冻是最古老和最常用的食品保藏手段， 是一种可生产具有高度安全性、 营养价值、

感官品 质和方便性食品的保藏方法，被认为是延长食品贮存期极为有效的手段。 人类利用低温条件来保藏食品的方法具有悠久的历史。 公元前一千多年， 我国就有利用天然 冰雪贮藏食品的记载。直到 19 世纪上半叶，在欧洲，冷冻机的发明使得人工冷源逐渐代替 了天然冷源，这标志着食品冷冻技术的起源。 近年来，我国食品冷冻行业发展势头强劲。冷 冻食品具有卫生、 食用方便、营养合理、 能耗低及减轻家务劳动等优点， 因而近年来风靡欧、 美、日本。然而，我国的冷冻食品行业与发达国家相比还有较大差距。首先，冷冻食品质量 缺乏保证， 一些企业不具备安全生产所必需的设备和关键技术条件， 导致市场上冷冻食品的 质量参差不齐。 其次，与发达国家相比， 我国食品冷冻产业依旧相对薄弱。 本文主要介绍了 食品冷冻理论及冷冻新技术和冷冻食品质量的控制。 2 食品冷冻理论简介 食品冷冻是一个降低食品温度使部分水结晶化形成冰的过程， 常应用于食

品保鲜、 果汁冷冻 浓缩、 冷冻干燥以及为切片或碎化而使肉硬化的加工中。 在食品冷冻过程中， 温度变化大体 分为预冷阶段、 冻结阶段和降低至贮藏温度阶段。 目前， 关于食品冷冻方面理论的研究主要 有以下三种代表性的观点。 2.1 冷冻传递理论 冷冻传递理论认为， 食品冷冻是食品物料内部固相和液相之间热量和质量传

递的过程， 冷冻 中食品物料所丧失的总焓取决于温度的变化、比热和样品质量 ( Sigfusson ,2004)。 Hu 和 Sun

模拟了圆柱状熟肉在气流冷冻的热量和质量传递冷冻模式，利用 CFD 的 CFX软件来计算传 热系数的平均值。 在此基础上他们还对传热模型作了进一步的改进， 通过测定食品内部局部 传热系数的变化， 建立起表面空间三维立体传热模型 (Hu,et al.2000)。还有 Francisc等用三维 的几何模型描述了牛肉冷冻过程中的传热和传质过程， 该模型除了能计算和预测载热量、 温 度、失重和水分活性外， 还可以计算局部传热系数的变化，与以前建立的模型相比，该模型 所预测的温度变化与实际所测能较好的吻合( Francisco,et al.2006 )。 2.2 玻璃化转变理论 冷冻过程中食品物料的玻璃化转变理论主要基于热力学理论和自由体积理

论。 热力学理论认 为：玻璃化转变是一个非平衡的动力学过程， 即玻璃化转变不同于结晶相转变， 玻璃态的形 成主要取决于动力学因素。自由体积理论则认为 , 固体或液体的体积包括两部分 , 一部分是分子已经占据的占有体积 , 另一部分为未被占据的 自由体积 ,自由体积提供分子运动所需要的空间。 2.3 冰结晶理论 从热力学角度来看， 食品冷冻过程其实质是， 食品物料中的水分从液态变为固

态的冰晶的相 变过程。由于在大气压下，冷冻过程中水结晶成冰的过程体积膨胀， 0℃时体积增大 9% 左 右， -20℃时体积增大约为 13%。食品在冷冻后品质下降的主要原因，普遍认为是由于冰晶 膨胀压对食品组织结构的破坏造成的。 因此， 研究食品冷冻过程中的冰结晶体的成核和生长 过程及其粒数衡算有助于获得改善的冷冻食品品质。 3 食品冷冻技术方法的分类 食品冷冻的方法按照冷冻使用的介质可以分为三类。

3.1 空气鼓风冷冻 使用低温空气作为冷冻介质。常见的方式是鼓风冻结險道 ,主要有以下两种

形式： (1) 被冷冻的食品装在小车上推进險道，向險道内鼓进低温空气进行冷却、冻结，之后再推 出

隧道。主要用于产量小于 200 kg/h 的场合。目前所用的低温气 流，流速为 2~3m/s ，温度为 -35~-45°C，其相应制冷系统蒸发温度为 -42—52°C。食品在險

道中需要停留的时间，对包装食品是 l-4h，对较厚食品是 6-12h 。 （2）被冷却的食品用传送带输入隧道，食品在传送带上连续进出。食品可以是包装好的，

也可以是散装的。传送带上设有许多小孔，冷空气经由小孔吹向食品。 3.2 直接接触冷却食品 采用低温金属板 （冷板 ）为冷却介质 ,内部可以是制冷工质直接蒸发 ,也可以是载冷剂。食品与 冷板直接接触进行冷冻。其主要特点是 :被冻食品夹在两块金属板之间 ,用液压装置使金属板 和食品紧贴 ,由于食品和金属板直接接触 ,热阻小 ,所以冻结速度快 ,主要用于冻结块状或规则 的食品。若仅是冻结食品的下部与金属板直接接触 ,靠导热来传导热量 ,上部与空气进行强制 对流换热 ,这种方式称为半接触式冻结法。 3.3 利用低温介质对食品的喷淋冷冻 这种方法主要是将液氮或液态 CO2直接喷射到食品表面进

行冻结。由于液态 CO2 和液氮的 沸点都很低，分别是 -78°C 和-196°C，所以，当这样的液体喷淋到食品的表面时，能迅速 吸收大量的热量。 同一般的冻结装置相比， 这类冻结装置的冻结温度更低， 所以也常称为低 温冻结装置或深冷冻结装置。 其共同特点是没有制冷循环系统， 在低温液体和食品接触的过 程中实现冻结。这种方法的传热速率很高 ,初投资很低，可以达到快速冷冻的目的 ,但是运行 费用较高。 4 食品冷冻新技术

近年来 , 虽然食品冷冻相关理论进展缓慢 , 但是随着工程技术的发展 , 在食品冷冻研究和应 用领域出现了多项新技术。 4.1 CAS冷冻技术（ Cell Alive System）

CAS（ 2005 年日本 ABI 公司幵发的在磁场作用下对材料进行冷冻的装置）冻结系统是由动磁

场和静磁场组合后，从壁面释放出微小的能量，使食物中的水分子呈细小且均一化的状态， 然后将物料从过冷状态立即降温到 -23℃以下而被冻结的过程。 CAS 是一种与以往的冻结系 统不同的新型冻结系统，食品物料在 CAS 中即时冻结后，细胞也不至于死亡，解冻后其新 鲜度可最大限度恢复到冻结前的状态。 由于最大限度抑制了冻晶膨胀， 食品的细胞组织未被 破坏，解冻后能恢复到食品刚制作后的色、香、味和鲜度，而且没有汁液流失现象，口感和 保水性都得到了较好的保持。 Kaku M 等利用 CAS系统提供的 0.01 mT 弱磁场在浓度为 10%的硫酸二甲酯 （Me2SO4）溶

液中 对牙周初带细胞进行 7d 的低温冷冻 （-150 ° C），解冻后发现，与不加磁场的冻结相比，在 0.01 mT磁场下冻结的样本， 其解冻后的细胞组织存活率更高 （Kaku，et al.2010）。2012 年， 周子鹏等研究了弱磁场对水的过冷和结晶现象的影响， 发现磁场增大

了过冷度， 延长了过冷 时间，水在过冷态下时间越长 ,温度均勻性越好，结晶速度越快（周子鹏等， 2012 ）。 4.2 抗冻蛋白（ antifreeze proteins） 抗冻蛋白是一类能抑制冰晶生长的特殊蛋白质， 它

能够非依数性地降低水溶液的冰点， 且对 熔点的影响甚微 （闫清华等， 2010）。AFPs在很多有机物中都存在， 包括细菌、 真菌、 昆虫、 植物材料及鱼类等，当前研究最多的是鱼类的抗冻活性蛋白。 AFPs 可以降低溶液冰点，抑 制晶核生长及冰晶生长速率。极低浓度（ 10-8mol/L 的 AFPs就能抑制重结晶，并且对冰晶形 态有修饰作用。在 AFPs的作用机理研究方

面，比较合理的解释是吸附抑制理论：一般晶体 生长垂直于晶体表面， 假如杂质分子吸附于冰生长通途的表面， 那么需要外加一个推动力 （冰 点下降），促使冰在杂质间生长。 对 AFPs 在冷冻食品实际应用方面的研究较少。目前， AFPs在食品中最成功的应用是将 AFPs 添加到冷冻乳制品中抑制重结晶化，比如冰淇淋。在冷冻储藏过程中，由于温度发生波动， 重结晶化不可避免，从而造成冰淇淋质地粗糙、 质量下降。研究发现，把少量的 AFPs加入到冰淇淋样品中，在－ 80℃下迅速冷冻，然后在