制冷与冷冻在食品中的应用

制冷与冷冻在食品中的应用

食品科学2014级夏梦飞

摘要：根据德国冷冻产品研究所的统计，食品业，食品贸易业和外围餐饮市场

中的冷冻食品（不包括冰淇淋）的营业额在过去的十年中增长了几乎60%，在2007年达到了313.6万吨。人均消费量从26.6公斤上升到38.1公斤，首次超过了38公斤这一刻度线。冷冻产品的主要优点是消费者可以将冷冻食品储存很长时间，而食品不会发生质量的改变或者营养的丧失。更重要的是，冷冻产品可以一直储存到需要使用时候为止。冷冻主要是帮助保存食品。在某些情况下冷冻也是一个重要的加工过程，例如冷冻晒干咖啡。决定冷冻产品质量的关键因素不仅涉及到原材料是否适合冷冻，选择合适的冷冻技术也很重要。冷冻食品依靠的不仅仅是合适的温度，时间安排也很重要。目前冷冻技术的主要区别在于热传导速率。冷冻食品时的重点是将食品降到至少零下18度这一核心温度的速度。如果冷冻过程太长，水分子形成的大冰晶将破坏细胞膜和组织，冷冻食品的结构和形状都将发生改变，不仅维生素和营养会遭到破坏，食品也会失去原有的味道。但是，如果冷冻过程特别快，水将冻结成非常小的晶体，这仅仅会稍稍破坏食品基质。为了做到这一点，冷冻速率，也就是冰界面在食品中的移动速度至少要达到每小时一厘米。一般来说，标准的家庭冷冻设备冷冻速率平均为每小时0.1厘米。

关键词：制冷设备玻璃技术干冰

（一）制冷设备在食品中的应用

冷却食品如同冻结食品一样，对制冷的应用在世界各国得到稳步增长，但是发展的速度极其缓慢。这种缓慢原因之一，往往被认为是与社会公用基本设施或缺乏社会公用基本设施有关。首先是分配系统非常简单，冷冻产品的销售是通过常温下现有的系统来实现的，那就必然使产品在运输过程中解冻，最主要的目的是使食品得到及时分配。尽管这阶段运输距离是有限度的，但是比在分配链开始时的产品不经过冷却或结冻，运距要长些。

这种不断发展的变化，明显地会从一个国家到另一个国家，甚至在一个国家内的一个省与另一个省发生。

今天，人们认识到需要一种适应技术的必要性，而且也乐于接受这种适应技术。但是应该记住冷库不仅从设计和布局经受检验，而且对社会、经济和文化环境也应作好。只有这样才有可能采用最适应的技术和设备创造出一个新的设计，为了符合冷库或冷链的作用要求，还必须研究冷藏间和在冷藏间以外两方面的情况，这是极其重要的。多年来在许多情况下从冷库的现场设计开始，以及冷藏降温达到要求的储藏温度结束为止所取得的经验表明，正确的途径是在调研时精心地规定所需要的项目，以此来决定冷库提供服务的形式、设计要求和需要设备，以达到预期目的。其他环节是冷库操作问题，这项工作原是由负责承包商移交下来的。显然，压缩机的操作和维修的培训，不仅仅是冷库操作管理的一部分。产品知识、操作规程、适当的加工设备与管理程序是造成冷库经营成功不可缺少的因素

（二）玻璃技术在食品冷冻中的应用

冻结食品的质量下降主要是由结晶、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、在某一特征温度下发生的特殊物质的结构松弛过

程。如果冻结食品处于橡胶态，则基质中结晶、再结晶和酶活性等变得十分活跃，这些反应过程减小了贮藏稳定性，降低了食品的质量；相反，如果冻结食品处于玻璃态，一切受扩散控制的松驰过程将极大地被抑制，使得食品在较长的贮藏时间内处于稳定状态，且质量很少或不发生变化。与一般的冻藏和冷藏法相比，食品的玻璃态贮藏能较大程度地提高其保存质量、延长贮藏寿命，实践已证明了这个理论的正确性。

包括水和食品溶液在内的几乎所有凝聚物质都能形成玻璃态固体，但由于玻璃化转变是一个非平衡的动力过程，所以对一定的物质，玻璃的形成主要取决于动力学因素，即冷却速率的大小，只要冷却速率足够快，且达到足够低的温度，几乎所有材料都能从液体过冷到玻璃态的固体，这里，“足够低”指的是必须冷却到低于材料的玻璃化转变温度；“足够快”的意思是，在冷却过程中，迅速通过的最大结晶区而不发生晶化。在不同的冷却条件、不同的初始浓度下，溶液样品可能达到两种不同的状态：一是完全的玻璃态；另一是部分结晶的玻璃态。

完全的玻璃态指整个样品都形成了玻璃态，这是食品材料和食品低温下保存的最理想状态，因为此时细胞内外完全避免了结晶以及由此引起的各种损伤。但是对于直径1um的纯水滴，冷却速率要高达107k/s时才能实现完全玻璃化。实际的食品材料体积较大，实现完全玻璃化几乎是不可能的。溶液浓度对玻璃化转变温度的影响较大，图1是溶液的补充相图示意图，可以看出，浓度为0时（即纯水）的玻璃化转变温度(Tg’)为-135°C；浓度增大时，Tg’也随着增大，在浓度较大的区域，影响更为明显。进行生物材料的低温保存时，通过添加适当的玻璃化溶液，在较慢的冷却速率下也可实现完全玻璃化，由于玻璃化溶液中含有有毒的化学物质，这一方法在食品保存中显然是不适用的，但可通过添加适当的食品添加剂来提高食品材料的玻璃化转变温度。

（三）干冰在食品冷藏中的应用

干冰作为保藏保鲜剂，温度低，环保干净无污染，运输使用方便，成本低，干冰冷藏可以保持食品长久不变质干冰冷藏食品效果非凡，被认为是天然的食品防腐保鲜剂。冷藏保鲜是一种很常见的食物保存法，普通的冷藏设备保持零度左右，而二氧化碳干冰零下78度，是一般的冷藏设备无法达到的温度；且干冰气化后挥发成干燥的二氧化碳气体co2有隔氧防腐作用，所以能保持食品长久不变质。干冰产生冷冻效果，冷藏使用方便，降温理想干冰除了可大幅减低食物腐坏和化学反应的速度之外，更因为干冰使食物内的水结成冰，也严重阻碍微生物滋生，从而得以大幅延长食品之最佳食用日期。干冰的相变（从固体变成气体）温度是－78.5℃,加入干冰后的保温箱内实际温度是－38℃～－55℃之间；很多药剂与食品的实际需要保存－18℃冷冻温度，所以都采用干冰来冷藏保存。其实生物医药公司经常用固体二氧化碳冷藏试剂发往外地，二氧化碳干冰使用方便，不会像水冰，化成水，且温度低降温效果理想。干冰用于细胞株与基因类试剂等活体细胞与生物制剂的保存与运输；龙虾、蟹、鱼翅等海产品的冷冻冷藏运输与保存。生物实验室活体细胞标本用固体二氧化碳冷藏运送，干冰较用液氮罐冷藏运送更容易操作，更安全、方便，已被国际上相当一部分大学（主要是生命科学院）及研究所采用。航空运输中标本血液的冷藏运输也少不了干冰帮忙降温，因此干冰成了冷藏运输的必须品。干冰在冷藏运输领域中的应用广泛，干冰用于低温冷冻医疗用途以及血浆、疫苗等特殊药品的低温运输。干冰用于电子低温材料，精密元器件的长短途运输；干冰用于高档食品的保鲜运输如高档牛羊肉等。干冰保鲜，美味佳肴不变质，干冰即固体二氧化碳，在零下78.9摄氏度时直接升华成