[科普中國]-凍結(jié)速率

凍結(jié)速率是指食品物料內(nèi)某點的溫度下降速率或冰峰的前進速率。以食品凍結(jié)速率的快慢來劃分，食品的凍結(jié)過程可分為緩慢凍結(jié)、快速凍結(jié)和超快速凍結(jié)等。

表示方法時間---溫度法一般以降溫過程中食品物料內(nèi)部溫度最高點，即熱中心的溫度表示食品物料的溫度。選擇的溫度范圍一般是最大冰結(jié)晶生成帶，常用熱中心溫度從-1℃降低到-5℃這一溫度范圍的時間來表示。若通過此溫度區(qū)間的時間少于30min，稱為快速凍結(jié)；大于30min，稱為緩慢凍結(jié)。

這種表示方法使用起來較為方便，多應(yīng)用于肉類凍結(jié)。但這種方法也有不足：

一是對于某些食品物料而言，其最大冰結(jié)晶生成帶的溫度區(qū)間較寬（甚至可以延伸至-15~-10℃）；

二是此法不能反映食品物料的形態(tài)、幾何尺寸和包裝情況等，為此在用此方法時一般還應(yīng)標樣品的大小等。

冰峰前進速率冰峰前進速率是指單位時間內(nèi)-5℃的凍結(jié)層從食品表面伸向內(nèi)部的距離，單位為cm/h，常稱線性平均凍結(jié)速率。這種方法最早由德國學者普朗克提出，他以-5℃作為凍結(jié)層的冰峰面，將凍結(jié)速率分為3級：

快速凍結(jié)5～20 cm/h；

中速凍結(jié)1～5 cm/h；

慢速凍結(jié)0.1～1 cm/h。

該方法的不足之處是在實際應(yīng)用中難于測量，而且不能應(yīng)用于凍結(jié)速率很慢以至于產(chǎn)生連續(xù)凍結(jié)界面的情況。

國際冷凍協(xié)會定義凍結(jié)速率（v）是指食品表面與中心溫度點間的最短距離（δ0）與食品表面達到0℃后食品中心溫度降至比食品凍結(jié)溫度低10℃所需時間（t0）之比，單位cm/h。如食品中心與表面的最短距離（δ0）為5 cm，食品冰點-5℃，中心降至比冰點低10℃，即-15℃，所需時間為10 h，其凍結(jié)速率為：

該劃分規(guī)則考慮到因食品外觀差異、成分不同而使其冰點不同，故其中心溫度計算值隨不同食品的冰點而變，比上法-5℃為下限溫度低得多，對速凍條件要求更為嚴格。

其他方法凍結(jié)食品物料的外觀形態(tài)，包括凍結(jié)界面（連續(xù)或不連續(xù)）、冰結(jié)晶的大小尺寸和冰結(jié)晶的位置等也可以反映凍結(jié)速率。

快速凍結(jié)的凍結(jié)界面不連續(xù)、凍結(jié)過程中食品物料內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移少，形成的冰結(jié)晶細小而且分布均勻；

緩慢凍結(jié)可能產(chǎn)生連續(xù)的凍結(jié)界面，凍結(jié)過程中食品物料內(nèi)部有明顯的水分轉(zhuǎn)移，形成的冰結(jié)晶粗大且分布不均勻。這種方法直觀，但不能反映凍結(jié)速率上的細小變化，而且易受凍結(jié)速率之外其他因素的影響。

通過熱力學的方法也可以相當準確地測定單位時間、單位食品物料內(nèi)冰結(jié)晶的生成量，以此表示凍結(jié)速率。1

影響因素除了凍結(jié)食品的絕對冷凍要求以外，還有一些影響凍結(jié)速率的因素，從而有助于決定質(zhì)量。

食品冷卻和凍結(jié)的速率一般用兩個變數(shù)的函數(shù)表示，即用驅(qū)動力除以傳動阻力總數(shù)。驅(qū)動力僅僅是產(chǎn)品與冷卻介質(zhì)之間的溫差。阻力取決于諸如空氣速度，產(chǎn)品厚度、系統(tǒng)的幾何學和食品成分等因素。

無論所循環(huán)的制冷劑是否與食品的運動方向呈逆流或同向，連續(xù)冷卻和凍結(jié)系統(tǒng)中的幾何學可包括如制冷劑與待冷卻食品的接觸程度和攪拌程度，在另一方面，產(chǎn)品的成分不僅包括化學成分和各種組分的導(dǎo)熱系數(shù)，而且包括組分的物理排列，例如脂肪在肉塊內(nèi)的分布情況以及與冷凍表面有關(guān)的肌肉纖維的定向。

食品成分食品組分與金屬和其他物料一樣，具有隨溫度起變化的不同導(dǎo)熱性質(zhì)。在其他條件都相同的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)越大，冷卻和凍結(jié)速率越大。在冷卻和凍結(jié)溫度范圍內(nèi)，水的導(dǎo)熱系數(shù)直至水相向冰相變化時才起變化。于是冰的導(dǎo)熱系數(shù)遠比水的大，當食品從未凍結(jié)狀態(tài)通向凍結(jié)狀態(tài)時，食品的導(dǎo)熱系數(shù)迅速地提高。

脂肪的導(dǎo)熱系數(shù)比水低得多，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)又遠比水或脂肪低得多。所以我們就可以在受控制凍結(jié)條件下對食品的成分作出如下結(jié)論：

①冷卻和凍結(jié)速率可受成分所影響，脂肪含量高或空氣夾帶量高會趨于具有不利影響。

②由于水變成冰而使熱傳導(dǎo)系數(shù)起變化，所以在加工過程中冷卻和凍結(jié)速率并不是不變的。

③我們可以期望食品的物理結(jié)構(gòu)不同會影響凍結(jié)速率。如果有兩種均含有50%脂肪和50%水分的食品系統(tǒng)，但是一種是水包油乳化液，而另一種是油包水乳化液，可以預(yù)料這兩種食品的導(dǎo)熱性質(zhì)各不相同。在這里，水包油乳化液由于水是連續(xù)相的，所以在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)比相應(yīng)的同樣化學成分的油包水乳化液大。在其他條件都相同的情況下，水包油乳化液的凍結(jié)速率應(yīng)比油包水乳化液快。

④同樣地，像肉塊的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)在不同速率下導(dǎo)熱，取決于肉是否以與脂肪層和肌肉纖維的定位方向呈平行或垂直的方向與致冷面接觸。我們可以對傳熱如何受這些變化的影響作出有分寸的猜測，但是遺憾的極少發(fā)表沿著這些路線對食品系統(tǒng)所進行的研究。

非成分影響就影響凍結(jié)速率的其他變數(shù)而言，例如空氣速度、產(chǎn)品厚度、攪拌作用和食品與冷卻介質(zhì)之間的接觸程度等，這些作用是眾所周知的，遵循傳熱的簡單規(guī)定，基本上可決定凍結(jié)系統(tǒng)的設(shè)計。要引證這些變數(shù)對凍結(jié)速率的直接作用是容易的，這些作用實際上可以應(yīng)用于任何系統(tǒng)設(shè)計。然而，要定量測定這些變數(shù)的作用一般必須通過實驗而建立種不同食品和系統(tǒng)的幾何學，使具有確實性。

下列各點可應(yīng)用于任何系統(tǒng)設(shè)計：

①食品與制冷劑之間的溫差越大，凍結(jié)速率越大；

②食品或食品包裝物越薄，凍結(jié)速率越大；

③冷凍空氣或循環(huán)制冷劑的速度越大，凍結(jié)速率越大；

④食品與冷卻介質(zhì)之間的接觸越近，凍結(jié)速率越大；

⑤制冷劑的制冷作用或熱容量越大，凍結(jié)速率越大。

在最后一點上，如果制冷劑是一種能膨脹至氣體的液體，那么制冷作用主要取決于其特殊的氣化潛熱。如果制冷劑并不經(jīng)受相的變化，諸如鹽---鹽水，那么其制冷作用取決于其熱容量或比熱。

在這些有關(guān)凍結(jié)速率的主要變數(shù)中，有些變數(shù)的大小序列是重要的。于是，把隧道式凍結(jié)機內(nèi)的空氣溫度從-18℃（0°F）降低到-29℃（20°F），一般可使小糕點的凍結(jié)時間從40min縮短至約20min。用-196℃（-320°F）液氮噴射可使凍結(jié)時間縮短到2min以下。然而，把凍結(jié)機溫度降低到非常低的水平并不能引起直線凍結(jié)速率反應(yīng)，由較低溫度導(dǎo)致的加快速率趨于減緩，在凍結(jié)溫度低于-46℃（-50°F）以下時更是這樣。

在-18℃的靜止空氣下，諸如個別的水果或小魚片小型食品可在約3個小時內(nèi)凍結(jié)。在此溫度下把空氣速度加快到1.25m/s（250in/min）可使這些食品的凍結(jié)時間降低到約1h，而5m/s的空氣速度可使凍結(jié)時間進一步降低到約40min。無論是在冷空氣中或是在任何其他流動的制冷劑中，提高速度可以通過從食品表面帶走熱量和快速地用冷的制冷劑替代熱的制冷劑以在食品與制冷劑之間保持最大的溫差而使凍結(jié)加速。但是，這里也可以發(fā)現(xiàn)凍結(jié)速率并不隨空氣速度而線性地加快。

食品或包裝的厚度對凍結(jié)速率的作用是，當普通的食品包裝的厚度從約5cm（2in）提高到10cm（4in）時，凍結(jié)時間約增加2.5倍。但厚度曲線坡度是這樣的，當我們繼續(xù)加厚產(chǎn)品的厚度，凍結(jié)時間增加率要比改變厚度的速率上升得還快。

13.6kg罐裝液蛋或水果需要48~72h才完全凍結(jié)，0.21m3桶裝的果汁，除非在果汁裝桶之前先通過熱交換器加以半融凍結(jié)，否則凍結(jié)時間要一個星期以上。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

郭亮 - 副教授 - 中國海洋大學