綜述：食品冷凍理論及冷凍新技術(shù)

1、錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽摘要關(guān)鍵詞AbstractKeywords1 .前言2 .食品冷凍理論簡介12.1 冷凍傳遞理論12.2 玻璃化轉(zhuǎn)變理論22.3 冰結(jié)晶理論23 .食品冷凍技術(shù)方法的分類23.1 空氣鼓風冷凍23.2 直接接觸冷卻食品23.3 利用低溫介質(zhì)對食品的噴淋冷凍34 .食品冷凍新技術(shù)34.1 CAS冷凍技術(shù)34.2 抗凍蛋白44.3 冰核活性蛋白44.4 高壓冷凍技術(shù)54.5 磁共振冷凍技術(shù)54.6 微波輻射冷凍技術(shù)54.7 超聲波冷凍技術(shù)64.8 滲透脫水冷凍技術(shù)64.9 被膜包裹冷凍技術(shù)64.10 其他冷凍新技術(shù)75

2、 .總結(jié)展望7參考文獻8食品冷凍理論及冷凍新技術(shù)摘要：冷凍技術(shù)的發(fā)展異常迅速，在食品工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，冷凍貯藏對食品保藏和運輸具有重要意義。主要綜述了冷凍過程中的理論研究及其冷凍新技術(shù)，介紹了冷凍在食品工業(yè)中的應(yīng)用及解凍，最后介紹了近年來國內(nèi)外食品冷凍技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：食品冷凍；理論研究；新技術(shù)；應(yīng)用Abstract:Thedevelopmentoffreezingtechniqueisveryrapidly.Theusingoffreezetechniqueismoreandmoreextensively.Thisarticlemainlysummarizethetheoret

3、icalresearchinthecourseoffreezingandthenewtechonogyoffreezing.Andintroducestheapplicationoffreezinginfoodindustry.LastthepresentsituationanddevelopmenttrendareindicatedinthispaperKeywords：foodfreeze;theoryresearch;newtechonogy;application1前言冷凍是最古老和最常用的食品保藏手段，是一種可生產(chǎn)具有高度安全性、營養(yǎng)價值、感官品質(zhì)和方便性食品的保藏方法，被認為是延長

4、食品貯存期極為有效的手段。人類利用低溫條件來保藏食品的方法具有悠久的歷史。公元前一千多年，我國就有利用天然冰雪貯藏食品的記載。直到19世紀上半葉，在歐洲，冷凍機的發(fā)明使得人工冷源逐漸代替了天然冷源，這標志著食品冷凍技術(shù)的起源。近年來，我國食品冷凍行業(yè)發(fā)展勢頭強勁。冷凍食品具有衛(wèi)生、食用方便、營養(yǎng)合理、能耗低及減輕家務(wù)勞動等優(yōu)點，因而近年來風靡歐、美、日本。然而，我國的冷凍食品行業(yè)與發(fā)達國家相比還有較大差距。首先，冷凍食品質(zhì)量缺乏保證，一些企業(yè)不具備安全生產(chǎn)所必需的設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)條件，導(dǎo)致市場上冷凍食品的質(zhì)量參差不齊。其次，與發(fā)達國家相比，我國食品冷凍產(chǎn)業(yè)依舊相對薄弱。本文主要介紹了食品冷凍理論

5、及冷凍新技術(shù)和冷凍食品質(zhì)量的控制。2食品冷凍理論簡介食品冷凍是一個降低食品溫度使部分水結(jié)晶化形成冰的過程，常應(yīng)用于食品保鮮、果汁冷凍濃縮、冷凍干燥以及為切片或碎化而使肉硬化的加工中。在食品冷凍過程中，溫度變化大體分為預(yù)冷階段、凍結(jié)階段和降低至貯藏溫度階段。目前，關(guān)于食品冷凍方面理論的研究主要有以下三種代表性的觀點。冷凍傳遞理論冷凍傳遞理論認為，食品冷凍是食品物料內(nèi)部固相和液相之間熱量和質(zhì)量傳遞的過程，冷凍中食品物料所喪失的總始取決于溫度的變化、比熱和樣品質(zhì)量(Sigfusson,2004)。Hu和Sun模擬了圓柱狀熟肉在氣流冷凍的熱量和質(zhì)量傳遞冷凍模式，利用CFD的CFX軟件來計算傳熱系數(shù)的平

6、均值。在此基礎(chǔ)上他們還對傳熱模型作了進一步的改進，通過測定食品內(nèi)部局部傳熱系數(shù)的變化，建立起表面空間三維立體傳熱模型(Hu,etal.2000)。還有Francisc等用三維的幾何模型描述了牛肉冷凍過程中的傳熱和傳質(zhì)過程，該模型除了能計算和預(yù)測載熱量、溫度、失重和水分活性外，還可以計算局部傳熱系數(shù)的變化，與以前建立的模型相比，該模型所預(yù)測的溫度變化與實際所測能較好的吻合(Francisco,etal.2006。玻璃化轉(zhuǎn)變理論冷凍過程中食品物料的玻璃化轉(zhuǎn)變理論主要基于熱力學(xué)理論和自由體積理論。熱力學(xué)理論認為：玻璃化轉(zhuǎn)變是一個非平衡的動力學(xué)過程，即玻璃化轉(zhuǎn)變不同于結(jié)晶相轉(zhuǎn)變，玻璃態(tài)的形成主要取決于

7、動力學(xué)因素。自由體積理論則認為，固體或液體的體積包括兩部分，一部分是分子已經(jīng)占據(jù)的占有體積，另一部分為未被占據(jù)的自由體積，自由體積提供分子運動所需要的空間。冰結(jié)晶理論從熱力學(xué)角度來看，食品冷凍過程其實質(zhì)是，食品物料中的水分從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的冰晶的相變過程。由于在大氣壓下，冷凍過程中水結(jié)晶成冰的過程體積膨脹，0c時體積增大9%左右，-20C時體積增大約為13%。食品在冷凍后品質(zhì)下降的主要原因，普遍認為是由于冰品膨脹壓對食品組織結(jié)構(gòu)的破壞造成的。因此，研究食品冷凍過程中的冰結(jié)晶體的成核和生長過程及其粒數(shù)衡算有助于獲得改善的冷凍食品品質(zhì)。3食品冷凍技術(shù)方法的分類食品冷凍的方法按照冷凍使用的介質(zhì)可以分為

8、三類?？諝夤娘L冷凍使用低溫空氣作為冷凍介質(zhì)。常見的方式是鼓風凍結(jié)陂道，主要有以下兩種形式：(1)被冷凍的食品裝在小車上推進陂道，向陂道內(nèi)鼓進低溫空氣進行冷卻、凍結(jié)，之后再推出隧道。主要用于產(chǎn)量小于200kg/h的場合。目前所用的低溫氣流，流速為23m/s,溫度為-35-45C,其相應(yīng)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為-4252(。食品在陂道中需要停留的時間，對包裝食品是l-4h,對較厚食品是6-12h0(2)被冷卻的食品用傳送帶輸入隧道，食品在傳送帶上連續(xù)進出。食品可以是包裝好的，也可以是散裝的。傳送帶上設(shè)有許多小孔，冷空氣經(jīng)由小孔吹向食品。直接接觸冷卻食品采用低溫金屬板(冷板)為冷卻介質(zhì)，內(nèi)部可以是制冷工質(zhì)

9、直接蒸發(fā)，也可以是載冷劑。食品與冷板直接接觸進行冷凍。其主要特點是：被凍食品夾在兩塊金屬板之間，用液壓裝置使金屬板和食品緊貼，由于食品和金屬板直接接觸，熱阻小,所以凍結(jié)速度快，主要用于凍結(jié)塊狀或規(guī)則的食品。若僅是凍結(jié)食品的下部與金屬板直接接觸，靠導(dǎo)熱來傳導(dǎo)熱量，上部與空氣進行強制對流換熱，這種方式稱為半接觸式凍結(jié)法。利用低溫介質(zhì)對食品的噴淋冷凍這種方法主要是將液氮或液態(tài)CO2直接噴射到食品表面進行凍結(jié)。由于液態(tài)CO2和液氮的沸點都很低，分別是-78C和-196C,所以，當這樣的液體噴淋到食品的表面時，能迅速吸收大量的熱量。同一般的凍結(jié)裝置相比，這類凍結(jié)裝置的凍結(jié)溫度更低，所以也常稱為低溫凍結(jié)裝

10、置或深冷凍結(jié)裝置。其共同特點是沒有制冷循環(huán)系統(tǒng)，在低溫液體和食品接觸的過程中實現(xiàn)凍結(jié)。這種方法的傳熱速率很高，初投資很低，可以達到快速冷凍的目的，但是運行費用較高。4食品冷凍新技術(shù)近年來，雖然食品冷凍相關(guān)理論進展緩慢，但是隨著工程技術(shù)的發(fā)展，在食品冷凍研究和應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了多項新技術(shù)。CAS冷凍技術(shù)(CellAliveSystem)CAS(2005年日本ABI公司開發(fā)的在磁場作用下對材料進行冷凍的裝置)凍結(jié)系統(tǒng)是由動磁場和靜磁場組合后，從壁面釋放出微小的能量，使食物中的水分子呈細小且均一化的狀態(tài)，然后將物料從過冷狀態(tài)立即降溫到-23C以下而被凍結(jié)的過程。CAS是一種與以往的凍結(jié)系統(tǒng)不同的新型凍結(jié)

11、系統(tǒng)，食品物料在CAS中即時凍結(jié)后，細胞也不至于死亡，解凍后其新鮮度可最大限度恢復(fù)到凍結(jié)前的狀態(tài)。由于最大限度抑制了凍晶膨脹，食品的細胞組織未被破壞，解凍后能恢復(fù)到食品剛制作后的色、香、味和鮮度，而且沒有汁液流失現(xiàn)象，口感和保水性都得到了較好的保持。KakuM等利用CAS系統(tǒng)提供的0.01mT弱磁場在濃度為10%的硫酸二甲酯(Me2SO4)溶液中對牙周初帶細胞進行7d的低溫冷凍(-150C),解凍后發(fā)現(xiàn)，與不加磁場的凍結(jié)相比，在0.01mT磁場下凍結(jié)的樣本，其解凍后的細胞組織存活率更高(Kaku,etal.2010)。2012年，周子鵬等研究了弱磁場對水的過冷和結(jié)晶現(xiàn)象的影響，發(fā)現(xiàn)磁場增大了過

12、冷度，延長了過冷時間，水在過冷態(tài)下時間越長，溫度均勻性越好，結(jié)晶速度越快(周子鵬等，2012)。抗凍蛋白（antifreezeproteins）抗凍蛋白是一類能抑制冰晶生長的特殊蛋白質(zhì)，它能夠非依數(shù)性地降低水溶液的冰點，且對熔點的影響甚微（閆清華等，2010）。AFPs在很多有機物中都存在，包括細菌、真菌、昆蟲、植物材料及魚類等，當前研究最多的是魚類的抗凍活性蛋白。AFPs可以降低溶液冰點，抑制品核生長及冰晶生長速率。極低濃度（10-8mol/L的AFPs就能抑制重結(jié)晶，并且對冰晶形態(tài)有修飾作用。在AFPs的作用機理研究方面，比較合理的解釋是吸附抑制理論：一般晶體生長垂直于晶體表面，假如雜質(zhì)分

13、子吸附于冰生長通途的表面，那么需要外加一個推動力（冰點下降），促使冰在雜質(zhì)間生長。對AFPs在冷凍食品實際應(yīng)用方面的研究較少。目前，AFPs在食品中最成功的應(yīng)用是將AFPs添加到冷凍乳制品中抑制重結(jié)晶化，比如冰淇淋。在冷凍儲藏過程中，由于溫度發(fā)生波動，重結(jié)晶化不可避免，從而造成冰淇淋質(zhì)地粗糙、質(zhì)量下降。研究發(fā)現(xiàn)，把少量的AFPs加入到冰淇淋樣品中，在80c下迅速冷凍，然后在68C下儲藏1h后，用顯微鏡觀察重結(jié)晶的變化，同對照組相比冰晶明顯變小。作為一類新型的食品添加劑，AFPs可以有效減少冷凍貯藏的食品中冰品的形成和重結(jié)晶，從而提高低溫冷鏈系列食品的質(zhì)量。然而，目前由于AFPs的售價很高，故僅

14、在研究和專門應(yīng)用方面使用。如何不斷地降低AFPs的成本，是實現(xiàn)其在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。冰核活性蛋白（ice-nucleationactiveproteins）冰核活性蛋白是冰核活性細菌（INA細菌）在細胞外膜上誘導(dǎo)產(chǎn)生了一種特殊的蛋白質(zhì)。這種生物冷凍蛋白單體加速冰核形成的能力低，當其形成多聚體后，則具有很強的冰核活性，這種蛋白多聚體可以作為水分子冷凍結(jié)晶的模版，在略低于0c的較高冷凍溫度下誘發(fā)和加速水的冷凍過程。Zasypkin等利用了Pantoeaanana的胞外冰核冷凍蔗糖液和乳濁液中，也證實了胞外冰核能夠提高核溫，縮短凍結(jié)時間和改善冰晶結(jié)構(gòu)。Zhang等研究INA細菌的濃度對模擬液

15、態(tài)食品體系（10%的蔗糖溶液和0.9%的氯化鈉溶液）冷凍過程的影響，結(jié)果表明添加INA細菌不影響冰點的穩(wěn)定，但能提高冰晶成核溫度，縮短冷凍時間。并且隨著INA細菌濃度從0增大到1.38X05INA/mL（冰核濃度單位，表示成核活性單元數(shù)），過度冷卻程度和冷凍時間都大大減少（Zhang,etal.2009）。高壓冷凍技術(shù)（high-pressurefreezing）食品高壓冷凍技術(shù)是通過改變壓力來控制食品中水的相變過程。在高壓條件下，將食品冷卻到一定溫度（此時水仍未結(jié)冰），其后迅速將壓力釋放，就會在食品內(nèi)部形成細小而均勻的冰晶體。并且，冰晶體積不會膨脹，因此可減少食品的損傷、提高食品的質(zhì)量。高壓

16、冷凍法主要有3種：高壓輔助冷凍法（HPAH）,高壓切換冷凍法（HPSF）和高壓誘發(fā)冷凍法（HPIF）（吳吉吉等，2010）。研究比較大塊豬肉分別經(jīng)高壓冷凍（200MPa、-20C）、空氣噴射冷凍和液氮冷凍后的品質(zhì)和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)無論是在食品表面還是中心，高壓冷凍技術(shù)所獲得的冰晶最小，而且樣品微觀結(jié)構(gòu)受熱梯度、冰晶不均勻分布所形成的內(nèi)應(yīng)力損壞最?。∕artino,etal.1998）。止匕外，有研究表明，分別在200、340、400MPa和-18-20c下冷凍胡蘿卜，發(fā)現(xiàn)其品質(zhì)幾乎不變。值得注意的是，高壓冷凍技術(shù)適宜的壓力范圍為200400MPa,低于或高于這個范圍所得冷凍食品的品質(zhì)都有不同程度的下

17、降（Fuchigami,etal.1997）。目前，有兩個因素限制了高壓冷凍在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用：關(guān)于在高壓冷凍過程中所涉及的傳熱、傳質(zhì)方面的基礎(chǔ)性研究較少，從而造成實際應(yīng)用缺乏理論指導(dǎo)；冷凍高壓設(shè)備的制造，所需要的鋼材材質(zhì)和壓力傳遞液體比較特殊，因此價格昂貴，制造成本較高。磁共振冷凍技術(shù)（mangeticresonancefreezing磁共振冷凍技術(shù)該方法是一種抑制冰晶生成的新方法。研究發(fā)現(xiàn)，未凍結(jié)的食品或其它生物物料在連續(xù)電磁波振動的情況下，其溫度也能降到初始冰點溫度以下。此時磁場若突然消失，整個食品將會發(fā)生瞬間凍結(jié)（Mohanty,2001）。利用這種方法，食品能夠迅速通過水結(jié)晶的臨界區(qū)

18、，生成細小冰晶體，并能減少水分遷移和不良的質(zhì)量的傳遞發(fā)生。微波輻射冷凍技術(shù)（microwaveirradiationfreezing）微波輻射冷凍，是在冷凍過程中進行微波輻射，具能夠抑制冰晶成核。Jackson等研究微波輻射和冷凍保護劑（乙二醇溶液）的聯(lián)合作用，試驗結(jié)果表明微波、乙二醇溶液濃度以及兩者之間的相互作用，都對冰晶數(shù)量產(chǎn)生了很大的影響。其機理可能是電磁輻射的電場分量對水分子的兩極產(chǎn)生了作用，因此打亂了冰晶成核現(xiàn)象。超聲波冷凍技術(shù)（ultrasoundassistedfreezing超聲波食品冷凍技術(shù)是將超聲技術(shù)和食品冷凍相互結(jié)合，超聲可以強化冷凍傳熱過程，促進食品冷凍過程的冰結(jié)晶，因

19、此能夠改善冷凍食品品質(zhì)（朱立賢等,2009）。由超聲波的物理效應(yīng)（空穴效應(yīng)）產(chǎn)生的大量氣泡不僅可以促進冰核的生成，還可以破碎較大的冰晶體（Li,etal.2002）。余德洋等人等采用超聲波輔助馬鈴薯凍結(jié)實驗研究發(fā)現(xiàn)，將馬鈴薯樣品分別浸入脫氣冷凍液與未脫氣冷凍液中冷卻，不同冷凍液中的馬鈴薯樣品遭受超聲波輻射后，其組織在凍結(jié)過程中受到的損傷均小于無超聲波作用的樣品，而且超聲波對浸于未脫氣冷凍液中樣品組織的改善作用更為顯著。表明超聲波誘發(fā)的冷凍液的分子振動與空化均對沉浸凍結(jié)有影響（余德洋等，2014）o滲透脫水冷凍技術(shù)（osmoticdehydrofreezing）滲透脫水冷凍指對食品先進行脫水以達

20、到理想的水分含量后，再進行冷凍加工。與傳統(tǒng)冷凍方法相比，其能夠較好的保藏水果和蔬菜，并降低冷凍負荷，節(jié)省能源，減少包裝、銷售和儲藏的成本。在生產(chǎn)中，滲透脫水經(jīng)常作為一種果蔬加工的前處理方式。果蔬滲透脫水是指在一定溫度下，將水果或蔬菜浸入高滲透壓的溶液，利用細胞膜的半滲透性使物料中的水分轉(zhuǎn)移到溶液中，從而除去部分水分的一種技術(shù)，與果蔬干燥、冷凍、殺菌、罐藏等方法聯(lián)合使用。Rincon等采用不同濃度的蔗糖溶液滲透處理芒果后，再繼續(xù)冷凍（-18C）儲藏20周，以研究對不同成熟度芒果品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：高濃度蔗糖溶液滲透處理冷凍后芒果品質(zhì)較好。初期不太成熟的芒果，經(jīng)過滲透脫水后稍有變軟，但冷藏期內(nèi)硬

21、度和粘聚性能夠保持不變（Rincon,etal.2010）。被膜包裹凍結(jié)法（capsulepackedfreezing!CPF法具有較多的優(yōu)點：食品凍結(jié)時形成的被膜可以抑制食品膨脹變形；限制冷卻速度，形成的冰晶細微，不會產(chǎn)生大的冰晶；防止細胞破壞，產(chǎn)品可以自然解凍食用；食品組織口感好，沒有老化現(xiàn)象其他冷凍新技術(shù)除了以上一些新近出現(xiàn)的冷凍技術(shù)外，也出現(xiàn)了一些有潛力的冷凍過程創(chuàng)新，例如，冷凍干燥、部分冷凍、真空和熱管的應(yīng)用；太陽能冷凍、熱離子冷凍、磁熱冷凍、電熱冷凍和熱聲冷凍。從長遠角度看，新制冷技術(shù)還包括磁和聲斯特林制冷。5總結(jié)展望冷凍食品符合“綠色食品”、“方便食品”、“保健食品”的三大食品發(fā)

22、展趨勢，冷凍食品行業(yè)發(fā)展勢頭良好。食品冷凍是一個復(fù)雜的過程，晶體的大小、分布、位置以及形態(tài)均與冷凍過程密切相關(guān)，從而影響到冷凍效率和食品最終質(zhì)量。因此，研究食品中水結(jié)晶的過程可對食品冷凍工業(yè)起到理論指導(dǎo)，對行業(yè)具有巨大的推動意義。文章介紹的這幾種冷凍新技術(shù)在水結(jié)晶的冰晶成核和冰晶生長階段都起到了積極的作用，可較好地控制結(jié)晶過程，因此能夠改進冷凍過程以及提高冷凍食品的品質(zhì)。然而，目前這些技術(shù)大多數(shù)還處于試驗和探索階段，在實際冷凍應(yīng)用中仍不夠成熟。其原因主要在于：理論基礎(chǔ)方面，需要深入研究其對冰晶影響的機理；設(shè)備投入方面，從試驗設(shè)備轉(zhuǎn)化為大型工業(yè)設(shè)備還需進一步研發(fā)設(shè)計，并且這些高新技術(shù)設(shè)備價格昂貴

23、，應(yīng)用于工業(yè)的成本較高。因此，該領(lǐng)域的研究方向主要會從以下兩個方向延伸：繼續(xù)深入研究不同冷凍新技術(shù)對冰晶影響的機理，以及探討這些新技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用對冰晶的影響等；高新設(shè)備的研發(fā)，使試驗成果轉(zhuǎn)化為實際的工業(yè)應(yīng)用成為可能，并降低了設(shè)備成本。冷凍新技術(shù)的進一步推廣和應(yīng)用，可提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，并減少能耗和降低生產(chǎn)成本。相信隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，未來冷凍食品行業(yè)會有更好的發(fā)展前景。參考文獻1成芳，楊小梅，由昭紅，洪寒梅.食品冷凍過程的數(shù)值模擬技術(shù)J.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014,45(7):163-170.2代煥琴，郭索娟，盧存福.抗凍蛋白及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用J.食品與發(fā)酵工業(yè)，2001,27

24、(12):44-49.3段續(xù)，任廣躍，朱文學(xué)，劉云宏.超聲波處理對香菇冷凍干燥過程的影響J.食品與機械，2012,28(1):41-43.4婁耀鄭.靜磁場對食品冷凍過程影響的實驗研究D.2014,山東大學(xué)，碩士學(xué)位論文.5吳吉吉，劉澤勤.食品冷凍中新技術(shù)的研究進展J.冷藏技術(shù)，2010,12(4):18-21.6余德洋，劉寶林，呂?？?超聲波輔助馬鈴薯凍結(jié)的實驗研究J.聲學(xué)技術(shù)，2014,33(1):22-24.7楊貴強.基于食品凍結(jié)過程的冷庫節(jié)能優(yōu)化研究D.2014,哈爾濱工業(yè)大學(xué)，博士學(xué)位論文.8閆清華，楊理，邵強.抗凍蛋白及其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用J.山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010(11):89-9

25、2.9楊小梅.對蝦冷凍過程的溫度分析及其數(shù)值模擬D.2014,浙江大學(xué)，碩士學(xué)位論文.10朱立賢，羅欣.新技術(shù)在食品冷凍過程中的應(yīng)用J.食品與發(fā)酵工業(yè)，2009,35(6):145-150.11周子鵬，趙紅霞，韓吉田.直流磁場作用下水的過冷和結(jié)晶現(xiàn)象J.化工學(xué)報，2012,63(5):1405-1408.FranciscoJT,PhamQT.AcomputationalfluiddynamicmodeloftheheatandmoisturetransferduringbeefchillingJ.InternationalJournalofRefrigeration,2006,29:99810

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