第五章 流化速冻
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3、玻璃化转变温度与溶液浓度的关系
直径lum的纯水滴完全玻璃化条件： 冷却速率：107K/S，Tg：-135℃。
❖ 溶液的浓度↑，玻璃化的临界冷却速率↓。 ❖ 食品的玻璃化保存只能借助部分结晶的玻璃化方法。
最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度：Tg’ 相应的溶液浓度：W’cg。
4、玻璃化形成的条件
冷却速率足够快：迅速通过Tg﹤T﹤Tm的结晶区。 温度足够低：T﹤Tg’
被抑制→食品在较长的贮藏时间内处于稳定状态， 且质量很少变化或不发生变化。
例如：
草莓的玻璃化转变温度为-ຫໍສະໝຸດ Baidu3.5℃，冰淇淋的玻璃化 转变温度为-30℃~-43℃。
当草莓处于玻璃态保存时。贮藏期间几乎没有再结晶 的发生，细胞受损伤的程度大大减小。
当冰淇淋在玻璃态保存时，其中的结晶、再结晶过程 将变得极其缓慢，可以有效延长它的保存期。
与D点相应的气流速度称为临界流化速度。
临界流化速度（Vk ）：当气流速度增加到一定数
值时，固定床层不再保持静止状态，部分颗粒悬浮 向上，造成床层膨胀，空隙率增大，即开始进入流 化状态，此时的速度即称之。
冷空气达到临界流化速度是形成流态化的必要条件。
随着流速增加超过临界速度，就出现很大的不稳定性。
5、冻结食品的玻璃化保存
冻结食品的质量下降的原因： 主要是由结晶、再结晶和酶的活性引起的，而结晶、 再结晶和酶的活性是受扩散控制的、在一定温度范围 下发生的特殊物质的结构松弛过程。
橡胶态的冻结食品：基质中结晶、再结晶和酶活性等变得 十分活跃→减小了贮藏稳定性，降低了食品的质量；
玻璃态的冻结食品：一切受扩散控制的松弛过程将极大地
五、食品的其他冻结方式
食品的玻璃化
(glass transition theory)
上个世纪80年代，美国学者Levine和Slade在深入的实验研 究基础上，提出了“食品聚合物科学”的理论。
基本思想：食品材料的分子与人工合成聚合物的分子间
有着最基本、最普遍的相似性。若聚合物分子结构变化了， 则其宏观性质也将发生较大的变化，在聚合物科学中，这种 结构-性质的关系已有了较成熟的理论。借助聚合物科学理 论，可以把食品的结构特性与其宏观性质联系起来，根据食 品材料所处的状态（如含水量、温度等），就能预测其在加 工、贮存过程中的质量安全性和稳定性。
三、不良流化现象
在食品流态化冻结过程中常出现沟流现象、粘 结现象、夹带现象等影响食品的IQF冻结不正常 的流态化现象。这与气流速度、压力降、气流 分布的均匀性、食品层层厚、筛网孔隙率、食 品颗粒的形状和质量及其潮湿程度等因素有关。
沟流现象：由于气流组织或食品层层厚不均匀，床层
出现沟道，气流不能均匀地通过床层，而从沟道中流 过，床层压力不断下降，作用于食品层各点的压力降 发生变化造成整个床 "沸腾"的急剧恶化，破坏了正常 流态化操作，这种现象称为沟流现象。
6、冻结食品的玻璃化温度测定方法
电子自旋共振（ESR）等方法
Cordon和Taylor提出计算混合物Tg的预测方程：
思考题
1、何谓流态化速冻，适合于何种食品的冻结？ 2、简述气固两相流体的流动的三种运动状态及其特点 3、何谓流化床压降，简述造成流化床压降的原因 4、什么是临界流化速度，有何意义？ 5、简述半流态化操作、全流态化操作方式 6、简述流态化速冻中的不良流化现象，流态化速冻中
如何克服其不良流化现象？ 7、简述食品的玻璃化转变的基本原理，为何要进行玻璃化
转变？ 8、何谓玻璃态、橡胶态？其转变有何意义？ 9、食品的玻璃化转变温度如何表示？
（二） 食品流化速冻装置
1、带式流化速冻装置
2、振动流化速冻装置
特点：结构紧凑、冻结能力大、耗能低，易于操作， 并设有气流脉动旁通机构和空气除霜系统。
3、斜槽式流化速冻装置
主要特点：物料传输系统无运动机构，是全流态化(或纯流 态化)速冻。因而结构紧凑、简单、维修量小、易于操作。
缺点：装机功率大、单位耗电指标高。由于只适宜冻结表 面不太潮湿的球状或圆柱状等食品，因此适应范围较小。
这时流化床没有一个稳定的界面，压力也随之波动，但固
定在图中的DE1和DE2之间的范围内，DE代表了这一范围 的平均值。
3·气力输送阶段
在流化床流动的基础上，再进一步提高气流速度，则床层 不能保持流化状态，固体颗粒悬浮在气流中，随着气流运 动，此阶段称为气力输送阶段（ 图E段）。
与E点相对应的流速称为最大流化速度 (或称固体颗粒的带 出速度或悬浮速度）。
但对草莓来说，冷冻速率影响很大。当将草莓直接投入 液氮(降温速率达到150k/min左右)，草莓会发生低温断裂。
当前研究的热点是加入一定的添加剂来提高冰淇淋的 玻璃化转变温度。
添加低DE值或高分子量的物质可以有效提高冰淇淋的玻 璃化转变温度。常用：CMC、卡拉胶、黄原胶、麦芽糊精、预糊
化淀粉、瓜尔豆胶等，另外一些特定的乳化剂等。
玻璃态的固体像液体一样，是非常均质化的。
• 玻璃态的一个判断标志：η﹥l014Pa·s，
对应η=l014Pa·s的温度称为玻璃化温度Tg (glass transition temperature)。
玻璃态：基质在小于玻璃化转变温度时所处的状态，T﹤Tg ； 橡胶态：基质在大于玻璃化转变温度时所处的状态，T>Tg 。
二、固体颗粒的流态化原理
气体经固体颗粒床层流动的三种状态 ：
食品流态化冻结过程中，颗粒状、片状、块状等食品与冷 气流间的流动过程属气固两相流体的流动过程。 根据流体的流动特点，气固两相流体的流动有以下三种运 动状态：固定床阶段、流化床阶段和气流输送阶段 。
1、固定床阶段
指当气流以较低的相对速度通过物料层时，固体颗 粒的相对位置没有发生变化的阶段（图的AD段 ）。
△PL= P1－P2
式中
△PL ——流化床压降，N/m2 P1 —— 风机出口风压，N/m2 P2 —— 流化床食品层上部风压，N/m2
流化床压降主要包括食品层阻力损失△PC和筛网阻力损 失△PS，即：
△PL= △PC + △PS
食品层阻力造成的压力降为： △PC = HK（1－εK）（ρo －ρf）
（一）流态化操作
1、 半流态化操作：
指置于传送带上的食品层被速度低于临界值的 冷气吹成离网不高的悬浮状态（AB 段）。 适用于加工软嫩和易碎的食品，如草莓、黄瓜片、 油炸茄块、芦笋等。食品层厚度一般可控制在 30~100mm之间。
2、全流态化操作
2.l· 气力流态化 气力流态化：食品颗粒完全靠上吹的冷风克服自
对于低水分食品(LMF，水的质量分数小于20%)，其 玻璃化转变温度一般大于0℃，称为Tg；
对于高水分或中等水分食品(HMF、IMF，水的质量 分数大于20%)，一般不能实现完全玻璃化，此时， 玻璃化转变温度指的是最大冻结浓缩溶液发生玻璃化 转变时的温度，定义为Tg’。
Tg’为食品聚合物科学中研究应用较多的一个物理量。
HK 一 临界流化状态时食品床层高度，m εK一 临界流化状态时食品床层空隙率， ρo 一一食品颗粒密度，kg/ m3 ， ρf 一一空气密度，kg/ m3
筛网阻力△PS损失与空气流速和筛网的孔隙率有关， 流速越大或孔隙率越小，阻力越大，反之亦然。
❖ 筛网阻力损失的范围相当于流化床食品层阻力 损失的10%~20%。
特点：气体通过床层所发生的压力降△P，与空 塔气体流速v 在对数坐标纸上成直线关系（图的 AB段 ）
2、流化床阶段
概念：当气固间相对速度达到一定数值时床层不再维持 固定状态，固体颗粒的相对位置发生明显变化，固体颗 粒在床层中时上时下作不规则沸腾状运动，并且具有与 流体同样的流动性，此阶段称为流化床阶段 。
食品的玻璃化
(glass transition theory)
1、聚合物科学：
低分子物质的凝集状态有四种：液体、液晶和晶体、玻璃。 玻璃是一种非晶态的固体，或者是一种过冷的液体， 它的粘度很高(η﹥1014Pa.s) 。
❖ 从热力学观点，晶态是稳定的，而玻璃态是亚稳态
(metastable)。
❖ 从动力学角度来看，玻璃态却是很稳定的。(η﹥1014Pa.s，分子
粘结现象：表面潮湿的食品颗粒在低温状态下相互冻
粘或冻粘在筛网上的现象。这种粘结现象使食品层变 成了固定床层，从而不能形成流态化。
夹带现象：在流化床中，如果气
流速度V大于降落速度Vg则食品颗粒 以V-Vg的净速度向上运动，被气流带 走，飞出流化床，这种现象称之夹带 现象。
四、流化速冻中的流态化操作及装置
身的重力而成沸腾状态，并向前流动的操作方式。
2.2· 振动流态化 振动流态化：利用机械振动原理使食品在带孔的
槽体上按一定振幅和频率呈跳跃式抛物线型向前运 动，并辅以自下而上的冷风，造成食品层沸腾而成 流态化，从而实现单体快速冻结的方法。 振动流态化有两种方式：往复式振动和直线振动。
ZLG系列振动流化床
❖ 食品和食品材料是典型的聚合物系统。
运动几乎为0 )
2、 聚合物的冷却经过三个区域
液态区、橡胶态区和玻璃态区。
• 在非晶态系统中，玻璃化转变则被看作是从橡胶态
（rubbery state）到玻璃态（glass state）的转变， 它与温度、时间及物质的成分等有关。
• 玻璃化过程如同把液态的无序结构 “定位”一样，所以，
特点：
在颗粒特性、床层几何尺寸和气流速度一定时，流态化 系统具有确定的性质，如密度、热传导系数、粘度等；
这种流态化状态可以在一定的气体流速范围内维持；
床层的高度和空隙率会随着气流速度而提高，而床层 上下两侧的压力降基本维持不变（DE段）。
流化床压降：气流通过流化床层时，由于筛网、
食品颗粒的阻力作用，使床两侧风压发生变化 所产生的压力差，即
一、概 述
流态化速冻：是在一定流速的冷空气作用下，使食品在流
态化操作条件下得到快速冻结的一种冻结方法。 流态化冻结是一种实现食品单体快速冻结（Individually Quick Freezing ，IQF）的理想方法。
食品流态化速冻的前提：一是作为冷却介质的冷空气在
流经被冻结食品时必须具有足够的流速，并且必须是自下而 上通过食品；二是单个食品的体积不能太大。
直径lum的纯水滴完全玻璃化条件： 冷却速率：107K/S，Tg：-135℃。
❖ 溶液的浓度↑，玻璃化的临界冷却速率↓。 ❖ 食品的玻璃化保存只能借助部分结晶的玻璃化方法。
最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度：Tg’ 相应的溶液浓度：W’cg。
4、玻璃化形成的条件
冷却速率足够快：迅速通过Tg﹤T﹤Tm的结晶区。 温度足够低：T﹤Tg’
被抑制→食品在较长的贮藏时间内处于稳定状态， 且质量很少变化或不发生变化。
例如：
草莓的玻璃化转变温度为-ຫໍສະໝຸດ Baidu3.5℃，冰淇淋的玻璃化 转变温度为-30℃~-43℃。
当草莓处于玻璃态保存时。贮藏期间几乎没有再结晶 的发生，细胞受损伤的程度大大减小。
当冰淇淋在玻璃态保存时，其中的结晶、再结晶过程 将变得极其缓慢，可以有效延长它的保存期。
与D点相应的气流速度称为临界流化速度。
临界流化速度（Vk ）：当气流速度增加到一定数
值时，固定床层不再保持静止状态，部分颗粒悬浮 向上，造成床层膨胀，空隙率增大，即开始进入流 化状态，此时的速度即称之。
冷空气达到临界流化速度是形成流态化的必要条件。
随着流速增加超过临界速度，就出现很大的不稳定性。
5、冻结食品的玻璃化保存
冻结食品的质量下降的原因： 主要是由结晶、再结晶和酶的活性引起的，而结晶、 再结晶和酶的活性是受扩散控制的、在一定温度范围 下发生的特殊物质的结构松弛过程。
橡胶态的冻结食品：基质中结晶、再结晶和酶活性等变得 十分活跃→减小了贮藏稳定性，降低了食品的质量；
玻璃态的冻结食品：一切受扩散控制的松弛过程将极大地
五、食品的其他冻结方式
食品的玻璃化
(glass transition theory)
上个世纪80年代，美国学者Levine和Slade在深入的实验研 究基础上，提出了“食品聚合物科学”的理论。
基本思想：食品材料的分子与人工合成聚合物的分子间
有着最基本、最普遍的相似性。若聚合物分子结构变化了， 则其宏观性质也将发生较大的变化，在聚合物科学中，这种 结构-性质的关系已有了较成熟的理论。借助聚合物科学理 论，可以把食品的结构特性与其宏观性质联系起来，根据食 品材料所处的状态（如含水量、温度等），就能预测其在加 工、贮存过程中的质量安全性和稳定性。
三、不良流化现象
在食品流态化冻结过程中常出现沟流现象、粘 结现象、夹带现象等影响食品的IQF冻结不正常 的流态化现象。这与气流速度、压力降、气流 分布的均匀性、食品层层厚、筛网孔隙率、食 品颗粒的形状和质量及其潮湿程度等因素有关。
沟流现象：由于气流组织或食品层层厚不均匀，床层
出现沟道，气流不能均匀地通过床层，而从沟道中流 过，床层压力不断下降，作用于食品层各点的压力降 发生变化造成整个床 "沸腾"的急剧恶化，破坏了正常 流态化操作，这种现象称为沟流现象。
6、冻结食品的玻璃化温度测定方法
电子自旋共振（ESR）等方法
Cordon和Taylor提出计算混合物Tg的预测方程：
思考题
1、何谓流态化速冻，适合于何种食品的冻结？ 2、简述气固两相流体的流动的三种运动状态及其特点 3、何谓流化床压降，简述造成流化床压降的原因 4、什么是临界流化速度，有何意义？ 5、简述半流态化操作、全流态化操作方式 6、简述流态化速冻中的不良流化现象，流态化速冻中
如何克服其不良流化现象？ 7、简述食品的玻璃化转变的基本原理，为何要进行玻璃化
转变？ 8、何谓玻璃态、橡胶态？其转变有何意义？ 9、食品的玻璃化转变温度如何表示？
（二） 食品流化速冻装置
1、带式流化速冻装置
2、振动流化速冻装置
特点：结构紧凑、冻结能力大、耗能低，易于操作， 并设有气流脉动旁通机构和空气除霜系统。
3、斜槽式流化速冻装置
主要特点：物料传输系统无运动机构，是全流态化(或纯流 态化)速冻。因而结构紧凑、简单、维修量小、易于操作。
缺点：装机功率大、单位耗电指标高。由于只适宜冻结表 面不太潮湿的球状或圆柱状等食品，因此适应范围较小。
这时流化床没有一个稳定的界面，压力也随之波动，但固
定在图中的DE1和DE2之间的范围内，DE代表了这一范围 的平均值。
3·气力输送阶段
在流化床流动的基础上，再进一步提高气流速度，则床层 不能保持流化状态，固体颗粒悬浮在气流中，随着气流运 动，此阶段称为气力输送阶段（ 图E段）。
与E点相对应的流速称为最大流化速度 (或称固体颗粒的带 出速度或悬浮速度）。
但对草莓来说，冷冻速率影响很大。当将草莓直接投入 液氮(降温速率达到150k/min左右)，草莓会发生低温断裂。
当前研究的热点是加入一定的添加剂来提高冰淇淋的 玻璃化转变温度。
添加低DE值或高分子量的物质可以有效提高冰淇淋的玻 璃化转变温度。常用：CMC、卡拉胶、黄原胶、麦芽糊精、预糊
化淀粉、瓜尔豆胶等，另外一些特定的乳化剂等。
玻璃态的固体像液体一样，是非常均质化的。
• 玻璃态的一个判断标志：η﹥l014Pa·s，
对应η=l014Pa·s的温度称为玻璃化温度Tg (glass transition temperature)。
玻璃态：基质在小于玻璃化转变温度时所处的状态，T﹤Tg ； 橡胶态：基质在大于玻璃化转变温度时所处的状态，T>Tg 。
二、固体颗粒的流态化原理
气体经固体颗粒床层流动的三种状态 ：
食品流态化冻结过程中，颗粒状、片状、块状等食品与冷 气流间的流动过程属气固两相流体的流动过程。 根据流体的流动特点，气固两相流体的流动有以下三种运 动状态：固定床阶段、流化床阶段和气流输送阶段 。
1、固定床阶段
指当气流以较低的相对速度通过物料层时，固体颗 粒的相对位置没有发生变化的阶段（图的AD段 ）。
△PL= P1－P2
式中
△PL ——流化床压降，N/m2 P1 —— 风机出口风压，N/m2 P2 —— 流化床食品层上部风压，N/m2
流化床压降主要包括食品层阻力损失△PC和筛网阻力损 失△PS，即：
△PL= △PC + △PS
食品层阻力造成的压力降为： △PC = HK（1－εK）（ρo －ρf）
（一）流态化操作
1、 半流态化操作：
指置于传送带上的食品层被速度低于临界值的 冷气吹成离网不高的悬浮状态（AB 段）。 适用于加工软嫩和易碎的食品，如草莓、黄瓜片、 油炸茄块、芦笋等。食品层厚度一般可控制在 30~100mm之间。
2、全流态化操作
2.l· 气力流态化 气力流态化：食品颗粒完全靠上吹的冷风克服自
对于低水分食品(LMF，水的质量分数小于20%)，其 玻璃化转变温度一般大于0℃，称为Tg；
对于高水分或中等水分食品(HMF、IMF，水的质量 分数大于20%)，一般不能实现完全玻璃化，此时， 玻璃化转变温度指的是最大冻结浓缩溶液发生玻璃化 转变时的温度，定义为Tg’。
Tg’为食品聚合物科学中研究应用较多的一个物理量。
HK 一 临界流化状态时食品床层高度，m εK一 临界流化状态时食品床层空隙率， ρo 一一食品颗粒密度，kg/ m3 ， ρf 一一空气密度，kg/ m3
筛网阻力△PS损失与空气流速和筛网的孔隙率有关， 流速越大或孔隙率越小，阻力越大，反之亦然。
❖ 筛网阻力损失的范围相当于流化床食品层阻力 损失的10%~20%。
特点：气体通过床层所发生的压力降△P，与空 塔气体流速v 在对数坐标纸上成直线关系（图的 AB段 ）
2、流化床阶段
概念：当气固间相对速度达到一定数值时床层不再维持 固定状态，固体颗粒的相对位置发生明显变化，固体颗 粒在床层中时上时下作不规则沸腾状运动，并且具有与 流体同样的流动性，此阶段称为流化床阶段 。
食品的玻璃化
(glass transition theory)
1、聚合物科学：
低分子物质的凝集状态有四种：液体、液晶和晶体、玻璃。 玻璃是一种非晶态的固体，或者是一种过冷的液体， 它的粘度很高(η﹥1014Pa.s) 。
❖ 从热力学观点，晶态是稳定的，而玻璃态是亚稳态
(metastable)。
❖ 从动力学角度来看，玻璃态却是很稳定的。(η﹥1014Pa.s，分子
粘结现象：表面潮湿的食品颗粒在低温状态下相互冻
粘或冻粘在筛网上的现象。这种粘结现象使食品层变 成了固定床层，从而不能形成流态化。
夹带现象：在流化床中，如果气
流速度V大于降落速度Vg则食品颗粒 以V-Vg的净速度向上运动，被气流带 走，飞出流化床，这种现象称之夹带 现象。
四、流化速冻中的流态化操作及装置
身的重力而成沸腾状态，并向前流动的操作方式。
2.2· 振动流态化 振动流态化：利用机械振动原理使食品在带孔的
槽体上按一定振幅和频率呈跳跃式抛物线型向前运 动，并辅以自下而上的冷风，造成食品层沸腾而成 流态化，从而实现单体快速冻结的方法。 振动流态化有两种方式：往复式振动和直线振动。
ZLG系列振动流化床
❖ 食品和食品材料是典型的聚合物系统。
运动几乎为0 )
2、 聚合物的冷却经过三个区域
液态区、橡胶态区和玻璃态区。
• 在非晶态系统中，玻璃化转变则被看作是从橡胶态
（rubbery state）到玻璃态（glass state）的转变， 它与温度、时间及物质的成分等有关。
• 玻璃化过程如同把液态的无序结构 “定位”一样，所以，
特点：
在颗粒特性、床层几何尺寸和气流速度一定时，流态化 系统具有确定的性质，如密度、热传导系数、粘度等；
这种流态化状态可以在一定的气体流速范围内维持；
床层的高度和空隙率会随着气流速度而提高，而床层 上下两侧的压力降基本维持不变（DE段）。
流化床压降：气流通过流化床层时，由于筛网、
食品颗粒的阻力作用，使床两侧风压发生变化 所产生的压力差，即
一、概 述
流态化速冻：是在一定流速的冷空气作用下，使食品在流
态化操作条件下得到快速冻结的一种冻结方法。 流态化冻结是一种实现食品单体快速冻结（Individually Quick Freezing ，IQF）的理想方法。
食品流态化速冻的前提：一是作为冷却介质的冷空气在
流经被冻结食品时必须具有足够的流速，并且必须是自下而 上通过食品；二是单个食品的体积不能太大。