8第八章 影响食品冷冻质量的因素_conv

第八章影响食品冷冻质量的因素

第一节冻结贮藏过程的物理变化

传热、传质、相变、机械损害等。

主要物理变化有冰晶的形成、晶体的增长、重结晶、冻裂、水分迁移和汁液流失等。

一、冰核的形成和晶体的增长

1.冰晶体的形成机理和过程

水蒸汽，分子运动杂乱无章；

冰晶体，分子按一定规律排列；

水，介于两者之间。

水分冻结成冰包括晶核的形成和晶体的增长两个过程。

当水的温度降到冰点以下，水分子的热运动减慢，并开始形成称为生长点(germs)的分子集团，生长点很小，长大后就形成新相的先驱，称之为晶核(nucleation)，水分子开始形成的晶核并不稳定，可为其它水分子的热运动所分散。

只有当温度降到一定程度，水分子的热运动进一步减弱，才能形成稳定的晶核，这时稳定的晶核已不会被水分子的热运动所破坏。

晶核的形成是一些水分子以一定规律结合成颗粒型的微粒，晶核提供晶体增长的基础。

而冰晶的增长是水分子位移并有秩序地结合到晶核上面，使晶体不断增大形成冰晶体。

2.冰--液界面特性

平衡温度随着溶质浓度的增加而减小，因此在邻近界面处将产生一个过冷度（△T=T-Tf）增加的区域。

过冷度的增加导致冰封的不平滑，邻近界面处产生很多“冰瘤”。

二、冻裂

1.冻裂机理

根据食品冻裂开始出现的位置可分成两类：表面冻裂和内部冻裂。

前一种只发生在食品的表面；

后一种从食品内部开始，然后逐渐向食品外层扩展。

表面冻裂原因是食品和冷媒的温差过大引起的。这种冻裂常常在食品表面分布不均匀并伴有很多细小的裂纹。

对本身表面不平的食品或食品冻结前表面有其它涂层存在时，这种冻裂的危害就会减轻一些。

对于首先从内部开始的冻裂来说，一般裂纹少但是裂纹较大。

有此冻裂甚至会严重到产品会断裂或碎成几块。

Kim在1993年对低温断裂机理提供了新的见解：在冷冻过程中，当食品内未冻结部分发生相态转变时，在食品表面先形成的外壳阻止了食品体积的进一步膨胀，这将引起冷冻过程后期食品内部应力的增加，一旦该应力超过食品材料的强度，就会产生低温断裂。

应力的分布也将影响断裂的产生及其方式，取决于食品材料对应力的响应。

2.冻裂的影响因素

影响低温断裂的因素很多。

冻结速率是低温断裂的最重要的因素之一。

当冻结速度超过一定极限时，冻结速度和因热应力引起的食品的低温断裂是成正相关的，冰结速度越快，低温断裂越严重。

食品原料的物理特性也影响食品低温断裂的敏感性。

如原料的空隙率越大，食品内部应力被消散或吸收的概率越高，这也减少了断裂的发生。弹性模量、密度和泊松比也是因素之一。

弹性模量是指应力与应变之比，代表了食品的刚度(rigidity) 。

食品密度与水分含量成正比而与空隙率成反比，水分含量越高，冷冻过程中体积膨胀率越高，断裂发生的概率亦愈高。

泊松比是横向应变和轴向应变的比值，显示了原料在垂直于压缩方向的膨胀度。总之，低弹性模量和低泊松比的材料有较低的刚度和硬度，这有利于减小内部应力，从而减轻开裂现象。

3.冻裂的检测及预测

低温断裂的检测方法分为主观和客观两种。

主观方法就是通过目测或依赖人的听觉等来判断断裂的发生和裂纹的数量以确定低温断裂程度。

客观方法包括力学检测和声学检测。

三、水分迁移

在食品冷冻过程中，食品表面水蒸气压力大于冷却空气中的水蒸气压力。

在此分压力差的推动下，食品表面蒸发出来的水蒸气向冷却空气中扩散，并由冷却空气带至冷风机中，在冷却表面结霜（或结露）析出，从而导致了冷冻加工过程中食品的干耗。

食品表面水蒸气压力取决于食品种类和食品表面温度。当食品种类确定之后，食品表面水蒸气压力只与食品表面温度有关。

瘦牛肉从35℃冷却到3℃，干耗率为1. 4％，在-23℃的冷风中冻结时，干耗率为0.9％，此为两次冻结（冷却与冻结分开进行），两个阶段干耗率合计为2.3％。

冻藏食品的干耗可用镀冰衣和包装的方法加以防止，特别是多脂鱼类，在冰衣中加入抗氧化剂还能有效防止脂肪氧化。

但是包装食品周围空气温度的波动能够使包装袋内部形成温差，促使水分发生迁移。

例如冰晶体可以在家禽的腹腔内形成或在包装袋的空隙处形成。

四、汁液流失

冷冻实际上是一个脱水过程，即可冻结水形成冰晶后离开了食品中的最初位置，同时食品中的水分在冻结时体积会增加，因而破坏了肉的肌肉结构和胶体性质，使蛋白质变性，肉的品质下降。

冷冻食品在解冻过程中，内部的冰晶融化成水，但此时的水不能完全被组织吸收，因而流出于组织之外称为汁液流失。

一般所说的汁液流失是指解冻时和解冻后自然流出的汁液，称为自由流失(free drop).

再加以98-1682kPa的压力所流出的汁液称为榨出流失(expressibledrop).

这两者总称为汁液流失。

汁液流失的总量以及自由流失和可榨出流失之间的比例，与冻结前的处理、原料的种类和形态、冻结的湿度、冻结速度、冻结冷藏的时间及期间的温度、管理、解冻方法等有关。

原料新鲜（除去随着解冻而发生僵直的情况），冻结速度快，冻结冷藏温度低且稳定，冻结冷藏时间短者，一般流失汁液少。

冻结以后马上解冻，则几乎不发生汁液流失。汁液流失随着在冻结状态的时间增长而增加，但到一定的最大值后则不再增加。

发生汁液流失的原因基本上是由于蛋白质胶体发生的不可逆变化，使原来处于凝胶结构中的水分不能继续保持而流出组织之外。

五、重结晶

重结晶是指冷冻食品在冷链流通中由于温度波动，导致在温度升高阶段，部分冰晶融化，然后在降温阶段这部分水重新冻结的现象。

冷冻食品重结晶的基本原理是等质重结晶、迁移重结晶和晶体增大。

各种重结晶的驱动力都是表面能最低。晶体的自由能与其曲率成反比，凹表面（曲率为负）能量比平面低，而平面的能量又比凸面低。

等质重结晶发生是由于结晶按球面进行，为了得到最低表面能，对于一定质量的晶体就要取得最小的面积。

增大重结晶的驱动力也是表面能最小，由于临近表面融合时，表面积会降低。

冰晶增大从不同层面交合处开始。交合处的曲率为负，表示那里的表面能最低；水分子优先在交合处集合，然后逐渐增大直到两个晶体生长到一起不能再区分。

迁移重结晶形成原因是小的晶体的曲率半径比较小，与大的晶体相比起单位曲率半径的能量值大，导致在平均晶体尺寸时逐渐增长。

第二节冻结贮藏过程中的化学变化

冷冻和冻藏过程中最普通的化学变化包括蛋白质变性、脂质氧化、酶活性的变化以及风味、色素和维生素的变化等，这些变化受冻结速度和冻藏条件的影响，保藏时间越长，品质变化越大。

一、蛋白质变性与功能性损失

1.蛋白质冷冻变性机理

2.冷冻蛋白质的主要变化