第2章 食品的冷却

食品冷却计算中的两个准则数（传热学 非稳态导热）
毕渥数 Bi (Biot number) 傅里叶数 Fo (Fourier number)
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1、食品冷却计算中的两个准则数
毕渥数Bi
Bi =
αL λ
或
Bi =
L/λ 1/ α
式中：α —— 对流换热系数，W/m2·K
λ —— 食品内部导热系数，W/m·K
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2.2.2 食品冷却速度与时间
人们研究食品冷却过程主要关注如下三个问题
食品冷却时间 重量损失 能量消耗
其中食品冷却时间是至关重要的，它直接影响到重量损失 和能量消耗。
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1、平板状食品
5 .3λ ⎞ T0 − Tr ⎛ t= δ ⎜δ + ⎟ lg a ⎠ T − Tr 4 .65 λ ⎝
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2.2.1 食品传热的基本方式
1、导热
食品内部热量的传递是以导热方式进行的。 食品被冷却时，其表面温度首先下降，并在表面与中心部 位间形成了温度梯度。 在此温度梯度的作用下，食品中的热量逐渐从其内部以导 热的方式传向表面。
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导热量计算
单位时间食品内部的导热量：（Heat conduction）
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动物性食品冷却的目的
抑制微生物生长：刚屠宰完的肉体表面温度及湿润程度最适 宜微生物的生长和繁殖，因此应尽快将肉体内的热量排出， 并在表面形成一层干燥膜，以抑制微生物的生长； 完成成熟过程：肉体由弱碱性变为弱酸性，由僵直变得柔 软，持水性增强，肉的风味得到改善，完成成熟过程； 为肉的进一步深加工做好准备。
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植物性食品
果蔬在田间采摘后，虽然停止了促使其生长的光合作用，但是 果蔬本身仍然是活的机体（这也是果蔬类食品与其它食品贮藏 的根本区别，正是依赖活体所特有的对不良环境与微生物的对 抗性才使其贮藏期得以延长），呼吸作用成为新陈代谢的主导 作用 果蔬的成熟和采摘期多在炎热高温的夏、秋季节进行，采摘后 的果蔬蓄存大量的田间热量，这些田间热促进呼吸作用的增强。 消耗大量有机物质，同时放出热量，加剧了微生物的繁殖和营 养成分的消耗破坏，导致果蔬的衰老与死亡，降低了经济价值 在果蔬采摘后，如何尽快消除田间热和控制呼吸强度是保鲜的 关键步骤
温度梯度
T1 T1 − T2 = tgφ L
φ
T2
L
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2、对流
当采用气体或液体作为冷却介质时，食品表面的热量主要 由对流换热方式带走。
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对流换热量计算
单位时间内从食品表面传递给冷却介质的热量 (Convection heat transfer)
Q = αF (Ts − Tr )
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当死后僵直充分进展并在冷藏条件下保持一定时间，肉逐 渐变软，保水性能力提高，肉的风味变佳，这个过程称为 肉的成熟 死后僵直和成熟是与牲畜的品种、个性、年龄、死前死后 处理、温度、分割与剔骨时间等因素有关，它们将影响到 僵直开始和持续的时间、纤维收缩程度、糖酵解的强度和 速度等等。在这些因素中温度是最重要的。屠宰后在冷却 条件下，牛肉大约5~24小时达到正常的充分僵直，猪肉 7~8小时，羊羔大约10小时，肉鸡3~4小时 屠宰后如不冷却，达到充分僵直的时间要短得多
L —— 食品的特征尺寸，m （大平板状食品：L为厚度的一半 长圆柱状和球状食品L为半径） L/λ —— 导热热阻 1/α —— 对流换热热阻
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毕渥数 Bi 反映固体内部单位导热面积上的导热热阻和单 位表面积上的对流换热热阻之比
Bi＜0.1时：食品内部的温度分布与空间坐标无关，内部导热 热阻可以忽略不计；（集总参数法）（牛顿冷却） Bi＞40时：可以用冷却介质温度代替食品表面温度，表面对 流换热热阻可以忽略； 0.1＜Bi＜40时：食品内部导热热阻与表面对流换热热阻均需 考虑。
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2.1 食品冷却的目的和温度范围
冷却是将食品的品温降低到接近食品的冰点但不冻结的一 种冷加工方法，它是延长食品贮藏期的一种被广泛采用的 方法 新鲜的食品原料含有丰富的营养，非常适合于微生物的生 长和繁殖，同时还可能存在食品中酶的分解作用，新鲜食 品原料中滋生的微生物作用及食品中酶的分解作用是造成 新鲜食品原料腐败变质的主要原因
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2.2 食品在冷却过程中的热量传递
食品的冷却过程是热量从食品中传递到冷却介质中，使食 品温度下降的过程 食品冷却中采用的基本传热方式与食品种类、形状和所用 冷却介质等有关
导热 主要发生在食品的内部、包装材料以及用固体材料作 为冷却介质的冷加工中 对流 主要发生在以气体或液体作为冷却介质的冷加工和冷 藏中 辐射 主要发生在仅有自然对流或流速较小的冷加工和冷藏 中。在实际生产中，往往是以一种方式或两种方式为主，而 其它为辅的传热方式
式中：t —— 食品从 T0 冷却到 T 所用时间，s
ρ—— 食品密度，kg/m3
c —— 食品的比热容，J/kg·K R —— 球状食品的半径，m
λ—— 食品内部导热系数，W/m·K
Tr —— 冷却介质温度，K
α —— 对流换热系数，W/m2·K
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2.3 毕渥数小于0.1的冷却问题
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辐射换热量计算
在热平衡条件下，辐射换热量：(Radiation heat transfer)
Q = ε s AF1− 2σ (T14 − T24 )
式中：Q —— 食品与冷却排管或冷却板间的辐射热流量，W
εS—— 系 统 发 射 率 ， 即 系 统 黑 度 ， 与 两 个 辐 射 表 面 黑 度
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光合作用和呼吸作用
光合作用： 6H2O+6CO2 呼吸作用：
C6H12O6+6O2 C6H12O6 6H2O+6CO2+2824kJ（有氧呼吸） 2C2H5OH+2CO2+117kJ （无氧呼吸）
太阳能 叶绿素
C6H12O6+6O2
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一般来讲，果蔬在采摘后如不及时预冷，前5h是其腐烂、 变质进而失去商品价值最快的时间段
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部分材料表面的发射率（黑度）
材料 冷表面上的霜 肉 水 玻璃 纸 抛光不锈钢 铝（光亮） 砖 木材
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温度（℃）
黑度 0.98 0.86～0.92
32 90 95 20 170 20 45
0.96 0.94 0.92 0.24 0.04 0.93 0.82～0.93
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病原菌（葡萄球菌、沙门氏菌等）在3.3℃时停止繁殖，不 分泌毒素，6.7℃为其最低生长温度，最低产毒温度为10℃ 为了保证肉的质量，将肉冷却到2℃，并保藏在这一温度 是最为理想的，不会有病原菌的危险；冷却到4℃并保持 这个温度可抑制病原菌生长，也是比较理想的；冷却和冷 藏在7℃的冷却肉还在允许范围之内，如超过7℃，病原菌 持成倍增长 冷却不能抑制腐败菌（假单孢菌、肉毒杆菌等），在0℃ 左右腐败菌仍继续繁殖，如果肉上污染有腐败菌，会造成 肉表面腐败，形成黏液，气味难闻
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动物性食品
冷却的目的是将肉类冷却到冰点以上，一般为0～4℃（现 行标准为7℃） 刚屠宰的热肉，由于温度高，表面确湿．适于微生物的生 长繁殖，因此必须将肉冷却或冻结处理 4℃或者7℃的确定主要是从有利于抑制微生物的生长繁殖 考虑。肉品上生长的微生物除一般杂菌外，主要是病原菌 和腐败菌两类。
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预冷概念是由Powell及其合作者在1904年提出的，即预冷 是使果蔬蓄存的田间热得以尽快去除的过程，在整个果蔬 保鲜冷链中起着极为重要的作用 采摘后在近可能短的时间内能够去除田间热是预冷技术的 特点 对于果蔬类食品，冷却的温度要依食品的不同，如产地、 种类、成熟程度而定
式中：t —— 食品从 T0 冷却到 T 所用时间，s
ρ—— 食品密度，kg/m3
c —— 食品的比热容，J/kg·K R —— 圆柱状食品的圆柱半径，m
λ —— 食品内部导热系数，W/m·K
Tr —— 冷却介质温度，K
α —— 对流换热系数，W/m2·K
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3、球状食品
ρc ⎛ λ ⎞ T0 − T r t = 0 . 2185 R ⎜ R + 5 . 12 ⎟ lg a ⎠ T − Tr λ ⎝
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食品冷却的目的就是快速排出食品内部的热量，使食品温 度降低到冰点以上附近（一般为0～8℃），从而抑制食品 中微生物的活动和繁殖，抑制食品中酶的分解作用，使食 品的良好品质及新鲜度得以很好地保持，延长食品的保藏 保质期。对于肉类原料，冷却过程并同时伴随着成熟过 程，肉类原料成熟过程的进行使其柔软，增加风味物质的 生成，提高肉类原料的香气、滋味，提高肌肉组织的持水 性、弹性，并使其更易于人体消化吸收。同时，在肉类食 品冷却时会在肉体表面形成一层干燥膜，抑制微生物生长 繁殖，减缓肉体内部水分蒸发
式中：t —— 食品从 T0 冷却到 T 所用时间，s
ρc
ρ —— 食品密度，kg/m3
c —— 食品的比热容，J/kg·K
δ —— 平板状食品厚度，m λ —— 食品内部导热系数，W/m·K
Tr —— 冷却介质温度，K
α —— 对流换热系数，W/m2·K
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