1、目錄 摘要II 關鍵詞II Abstract II KeywordsII 前言1 食品冷凍理論簡介1 2.1冷凍傳遞理論12.2玻璃化轉變理論22.3冰結晶理論 2食品冷凍技術方法的分類2 3.1空氣鼓風冷凍23.2直接接觸冷卻食品2 3.3利用低溫介質對食品的噴淋冷凍3食品冷凍新技術3CAS冷凍技術3 4.2抗凍蛋白44.3冰核活性蛋白4 4.4高壓冷凍技術5 4.5磁共振冷凍技術54.6微波輻射冷凍技術5 4.7超聲波冷凍技術6 4.8滲透脫水冷凍技術6 4.9被膜包裹冷凍技術6 4.10其他冷凍新技術7總結展望 7 參考文獻 8食品冷凍理論及冷凍新技術摘 要：冷凍技術的發展異常迅速，在食

2、品工業中的應用也越來越廣泛，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，介紹了冷凍在 食品工業中的應用及解凍，最后介紹了近年來國內外食品冷凍技術的發展趨勢。關鍵詞：食品冷凍；理論研究；新技術；應用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

3、 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; application一 、八1刖言冷凍是最古老和最常用的食品保藏手段，是一種可生產具有高度安全性

4、、營養價值、感官品 質和方便性食品的保藏方法，被認為是延長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的起源。近年來，我國食品冷凍行業發展勢頭強勁。冷 凍食品具有衛生、食用方便、營養合理、能耗低及減輕家務勞動等優點，因而近年來風靡歐、 美、日本。然而，我國的冷凍食品行業與發達國家相比還有較大差距。首先，冷凍食品質量 缺乏保證，一些企業不具備安全生產所必需的設備和關鍵技術條件，導致市場上冷凍食品的 質量參差不齊。其次，與

5、發達國家相比，我國食品冷凍產業依舊相對薄弱。本文主要介紹了 食品冷凍理論及冷凍新技術和冷凍食品質量的控制。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晶化形成冰的過程，常應用于食品保鮮、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 大體分為預冷階段、凍結階段和降低至貯藏溫度階段。目刖，關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。2.1冷凍傳遞理論冷凍傳遞理論認為，食品冷凍是食品物料內部固相和液相之間熱量和質量傳遞的過程， 冷凍中食品物料所喪失的總焓取決于溫度的變化、比熱和樣品質量(Sigfusson ,2004)。Hu和 Sun模

6、擬了圓柱狀熟肉在氣流冷凍的熱量和質量傳遞冷凍模式，利用CFD的CFX軟件來計算 傳熱系數的平均值。在此基礎上他們還對傳熱模型作了進一步的改進，通過測定食品內部局 部傳熱系數的變化，建立起表面空間三維立體傳熱模型(Hu,et al.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過程，該模型除了能計算和預測載熱量、 溫度、失重和水分活性外，還可以計算局部傳熱系數的變化，與以前建立的模型相比，該模 型所預測的溫度變化與實際所測能較好的吻合(Francisco,et al.2006)。2.2玻璃化轉變理論冷凍過程中食品物料的玻璃化轉變理論主要基于熱力學理論和自由體

7、積理論。熱力學理 論認為：玻璃化轉變是一個非平衡的動力學過程，即玻璃化轉變不同于結晶相轉變，玻璃態 的形成主要取決于動力學因素。自由體積理論則認為固體或液體的體積包括兩部分，一部分是分子已經占據的占有體積，另一部分為未被占據的 自由體積,自由體積提供分子運動所需要的空間。2.3冰結晶理論從熱力學角度來看，食品冷凍過程其實質是，食品物料中的水分從液態變為固態的冰晶的相 變過程。由于在大氣壓下，冷凍過程中水結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%。食品在冷凍后品質下降的主要原因，普遍認為是由于冰晶 膨脹壓對食品組織結構的破壞造成的。因此，研究食品冷凍過程中的冰

8、結晶體的成核和生長 過程及其粒數衡算有助于獲得改善的冷凍食品品質。3 食品冷凍技術方法的分類食品冷凍的方法按照冷凍使用的介質可以分為三類。3.1空氣鼓風冷凍使用低溫空氣作為冷凍介質。常見的方式是鼓風凍結除道主要有以下兩種形式：被冷凍的食品裝在小車上推進除道，向除道內鼓進低溫空氣進行冷卻、凍結，之后再推 出隧道。主要用于產量小于200 kg/h的場合。目刖所用的低溫氣流，流速為23m/s，溫度為-35-45 C，其相應制冷系統蒸發溫度為4252 C。食品在除 道中需要停留的時間，對包裝食品是l-4h,對較厚食品是6-12h。（2）被冷卻的食品用傳送帶輸入隧道，食品在傳送帶上連續進出。食品可以是包

9、裝好的， 也可以是散裝的。傳送帶上設有許多小孔，冷空氣經由小孔吹向食品。3.2直接接觸冷卻食品采用低溫金屬板（冷板）為冷卻介質，內部可以是制冷工質直接蒸發，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，所以凍結速度快，主要用于凍結塊狀或規則 的食品。若僅是凍結食品的下部與金屬板直接接觸，靠導熱來傳導熱量，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法。3.3利用低溫介質對食品的噴淋冷凍這種方法主要是將液氮或液態CO2直接噴射到食品表面進行凍結。由于液態CO2和液 氮的沸點都很低

10、，分別是-78 C和-196 C，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。同一般的凍結裝置相比，這類凍結裝置的凍結溫度更低，所以也常稱 為低溫凍結裝置或深冷凍結裝置。其共同特點是沒有制冷循環系統，在低溫液體和食品接觸 的過程中實現凍結。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食品冷凍新技術近年來，雖然食品冷凍相關理論進展緩慢，但是隨著工程技術的發展，在食品冷凍研究 和應用領域出現了多項新技術。CAS 冷凍技術（Cell Alive System）CAS （2005年日本ABI公司開發的在磁場作用下對材料進行冷凍的裝置）凍結系統是由

11、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， 然后將物料從過冷狀態立即降溫到-23r以下而被凍結的過程。CAS是一種與以往的凍結系 統不同的新型凍結系統，食品物料在CAS中即時凍結后，細胞也不至于死亡，解凍后其新 鮮度可最大限度恢復到凍結前的狀態。由于最大限度抑制了凍晶膨脹，食品的細胞組織未被 破壞，解凍后能恢復到食品剛制作后的色、香、味和鮮度，而且沒有汁液流失現象，口感和 保水性都得到了較好的保持。Kaku M等利用CAS系統提供的0.01 mT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（-150 C），

12、解凍后發現，與不加磁場的凍結相比，在 0.01 mT磁場下凍結的樣本，其解凍后的細胞組織存活率更高（Kaku，et al.2010）。2012年， 周子鵬等研究了弱磁場對水的過冷和結晶現象的影響，發現磁場增大了過冷度，延長了過冷 時間，水在過冷態下時間越長，溫度均勻性越好，結晶速度越快（周子鵬等，2012）。抗凍蛋白（antifreeze proteins）抗凍蛋白是一類能抑制冰晶生長的特殊蛋白質，它能夠非依數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

13、降低溶液冰點，抑 制晶核生長及冰晶生長速率。極低濃度（10-8mol/L的AFPs就能抑制重結晶，并且對冰晶形 態有修飾作用。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，假如雜質分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），促使冰在雜質間生長。對AFPs在冷凍食品實際應用方面的研究較少。目前，AFPs在食品中最成功的應用是將AFPs 添加到冷凍乳制品中抑制重結晶化，比如冰淇淋。在冷凍儲藏過程中，由于溫度發生波動， 重結晶化不可避免，從而造成冰淇淋質地粗糙、質量下降。研究發現，把少量的AFPs加入到冰淇淋樣品中，在一80C下迅速冷

14、凍，然后在 一6一8C下儲藏1h后，用顯微鏡觀察重結晶的變化，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晶的形成和重結 晶，從而提高低溫冷鏈系列食品的質量。然而，目前由于AFPs的售價很高，故僅在研究和 專門應用方面使用。如何不斷地降低AFPs的成本，是實現其在食品工業中廣泛應用的關鍵。冰核活性蛋白(ice-nucleation active proteins)冰核活性蛋白是冰核活性細菌(INA細菌)在細胞外膜上誘導產生了一種特殊的蛋白質。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

15、水分子冷凍結晶的模版，在略低于0C的較高冷凍溫度下誘發和加 速水的冷凍過程。Zasypkin等利用了 Pantoeaananas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，縮短凍結時間和改善冰晶結構。Zhang等研究INA細菌的濃度對模擬液態食品體系(10%的蔗糖溶液和0.9%的氯化鈉溶液)冷凍過程的影響， 結果表明添加INA細菌不影響冰點的穩定，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1.38X105INA/mL (冰核濃度單位，表示成核活性單元數)，過 度冷卻程度和冷凍時間都大大減少(Zhang,et al.2009)。高壓冷凍技術(hig

16、h-pressure freezing)食品高壓冷凍技術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(此時水仍未結冰)，其后迅速將壓力釋放，就會在食品內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、提高食品的質量。高壓冷凍法 主要有3種：高壓輔助冷凍法(HPAH)，高壓切換冷凍法(HPSF)和高壓誘發冷凍法(HPIF) (吳喆等，2010)。研究比較大塊豬肉分別經高壓冷凍(200MPa、- 20C)、空氣噴射冷凍和液氮冷凍后的品質和 結構，發現無論是在食品表面還是中心，高壓冷凍技術所獲得的冰晶最小，而且樣品微觀 結構受熱梯度、冰晶不均

17、勻分布所形成的內應力損壞最小(Martino,et al.1998)。此外，有 研究表明，分別在200、340、400MPa和-18-20C下冷凍胡蘿卜，發現其品質幾乎不變。值得注意的是，高壓冷凍技術適宜的壓力范圍為200400MPa，低于或高于這個范圍所得冷 凍食品的品質都有不同程度的下降(Fuchigami,et al.1997)。目前，有兩個因素限制了高壓冷凍在工業上的廣泛應用：關于在高壓冷凍過程中所涉及的 傳熱、傳質方面的基礎性研究較少，從而造成實際應用缺乏理論指導；冷凍高壓設備的制 造，所需要的鋼材材質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(mangeti

18、c resonance freezing)磁共振冷凍技術該方法是一種抑制冰晶生成的新方法。研究發現，未凍結的食品或其它生物 物料在連續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， 整個食品將會發生瞬間凍結(Mohanty,2001)。利用這種方法，食品能夠迅速通過水結晶的 臨界區，生成細小冰晶體，并能減少水分遷移和不良的質量的傳遞發生。微波輻射冷凍技術(microwave irradiation freezing)微波輻射冷凍，是在冷凍過程中進行微波輻射，其能夠抑制冰晶成核。Jackson等研究 微波輻射和冷凍保護劑(乙二醇溶液)的聯合作用，試驗結果表明微波、乙二醇

19、溶液濃度以 及兩者之間的相互作用，都對冰晶數量產生了很大的影響。其機理可能是電磁輻射的電場分 量對水分子的兩極產生了作用，因此打亂了冰晶成核現象。超聲波冷凍技術(ultrasound assisted freezing)超聲波食品冷凍技術是將超聲技術和食品冷凍相互結合，超聲可以強化冷凍傳熱過程，促進 食品冷凍過程的冰結晶，因此能夠改善冷凍食品品質(朱立賢等，2009)。由超聲波的物理效 應(空穴效應)產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偵et al.2002)。余德洋等人等采用超聲波輔助馬鈴薯凍結實驗研究發現，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

20、凍液中的馬鈴薯樣品遭受超聲波輻射后，其組織在凍結過程 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。表明超聲波誘發的冷凍液的分子振動與空化均對沉浸凍結有影響(余德洋 等，2014)。滲透脫水冷凍技術(osmotic dehydrofreezing)滲透脫水冷凍指對食品先進行脫水以達到理想的水分含量后，再進行冷凍加工。與傳統冷凍 方法相比，其能夠較好的保藏水果和蔬菜，并降低冷凍負荷，節省能源，減少包裝、銷售和 儲藏的成本。在生產中，滲透脫水經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

21、膜的半滲透性使物料中的水分 轉移到溶液中，從而除去部分水分的一種技術，與果蔬干燥、冷凍、殺菌、罐藏等方法聯合 使用。Rincon等采用不同濃度的蔗糖溶液滲透處理芒果后，再繼續冷凍(-18 C)儲藏20周，以 研究對不同成熟度芒果品質的影響。結果表明：高濃度蔗糖溶液滲透處理冷凍后芒果品質較 好。初期不太成熟的芒果，經過滲透脫水后稍有變軟，但冷藏期內硬度和粘聚性能夠保持不 變(Rincon,et al.2010)。被膜包裹凍結法(capsule packed freezing)CPF法具有較多的優點：食品凍結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，不會產生大的冰晶；防止細

22、胞破壞，產品可以自然解凍食用；食品組織口 感好，沒有老化現象 4.10其他冷凍新技術除了以上一些新近出現的冷凍技術外，也出現了一些有潛力的冷凍過程創新，例如，冷 凍干燥、部分冷凍、真空和熱管的應用；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，新制冷技術還包括磁和聲斯特林制冷。5總結展望冷凍食品符合“綠色食品”、“方便食品”、“保健食品”的三大食品發展趨勢，冷凍食 品行業發展勢頭良好。食品冷凍是一個復雜的過程，晶體的大小、分布、位置以及形態均與 冷凍過程密切相關，從而影響到冷凍效率和食品最終質量。因此，研究食品中水結晶的過程 可對食品冷凍工業起到理論指導，對行業具有巨大

23、的推動意義。文章介紹的這幾種冷凍新技 術在水結晶的冰晶成核和冰晶生長階段都起到了積極的作用，可較好地控制結晶過程，因此 能夠改進冷凍過程以及提高冷凍食品的品質。然而，目前這些技術大多數還處于試驗和探索階段，在實際冷凍應用中仍不夠成熟。其原因 主要在于：理論基礎方面，需要深入研究其對冰晶影響的機理；設備投入方面，從試驗 設備轉化為大型工業設備還需進一步研發設計，并且這些高新技術設備價格昂貴，應用于工 業的成本較高。因此，該領域的研究方向主要會從以下兩個方向延伸：繼續深入研究不同冷凍新技術 對冰晶影響的機理，以及探討這些新技術聯合應用對冰晶的影響等；高新設備的研發，使 試驗成果轉化為實際的工業應用

24、成為可能，并降低了設備成本。冷凍新技術的進一步推廣和 應用，可提高勞動生產率、產品質量和經濟效益，并減少能耗和降低生產成本。相信隨著新 技術的不斷發展，未來冷凍食品行業會有更好的發展前景。參考文獻1成芳，楊小梅，由昭紅，洪寒梅.食品冷凍過程的數值模擬技術J.農業機械學報，2014, 45 (7)： 163-170.代煥琴，郭索娟，盧存福.抗凍蛋白及其在食品工業中的應用J.食品與發 酵工業，2001，27(12)： 44-49.段續，任廣躍，朱文學，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.婁耀郟.靜磁場對食品冷凍過程影響的實驗研究D.2014

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