《冷凍技術(shù)原理》課件

冷凍技術(shù)原理冷凍技術(shù)是利用低溫降低物質(zhì)溫度，以抑制微生物生長、減緩化學(xué)反應(yīng)速度，延長食品保質(zhì)期的技術(shù)。課程大綱11.冷凍技術(shù)概述介紹冷凍技術(shù)的定義、發(fā)展歷史和應(yīng)用領(lǐng)域。22.冷凍過程中的物理變化深入探討冷凍過程中水的相變、冰點下降和滲透壓等物理變化。33.冷凍對細(xì)胞的影響分析冷凍對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的影響，包括細(xì)胞膜損傷和冰晶形成。44.冷凍傷害的預(yù)防措施介紹冷凍保護(hù)劑、玻璃化技術(shù)等預(yù)防冷凍傷害的方法。冷凍技術(shù)概述冷凍技術(shù)是通過降低溫度來保存食品、生物材料等的技術(shù)。冷凍技術(shù)可以抑制微生物生長，減緩酶促反應(yīng)，延長食品保存期限。冷凍技術(shù)應(yīng)用廣泛，涵蓋食品加工、醫(yī)藥、生物技術(shù)等領(lǐng)域。冷凍過程中的物理變化水分子運動減緩溫度降低，水分子熱運動減弱，擴(kuò)散速率下降。水分活度降低冷凍導(dǎo)致水分活度下降，影響微生物生長和酶活性。冰晶形成水分子結(jié)晶成冰晶，改變?nèi)芤簼舛群蜐B透壓。溶液濃度升高水結(jié)冰，溶液濃度升高，導(dǎo)致滲透壓改變。食品性質(zhì)改變冷凍過程導(dǎo)致食品結(jié)構(gòu)、顏色、質(zhì)地等發(fā)生改變。冰點下降純水0℃溶液低于0℃溶液中溶質(zhì)的存在會降低水的冰點，這是由于溶質(zhì)分子會阻礙水分子形成冰晶體。冰點下降的幅度取決于溶質(zhì)的濃度和性質(zhì)。緩沖溶液的冰點下降緩沖溶液的冰點下降是指加入溶質(zhì)后，溶液的冰點比純?nèi)軇┑谋c低。這是因為溶質(zhì)的存在降低了溶劑的蒸汽壓，從而導(dǎo)致冰點下降。緩沖溶液的冰點下降與溶質(zhì)的濃度和溶質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。濃度越高，冰點下降越大；溶質(zhì)的性質(zhì)也影響冰點下降的程度，例如，電解質(zhì)的冰點下降大于非電解質(zhì)。緩沖溶液的冰點下降在生物學(xué)和食品科學(xué)中有重要的應(yīng)用。例如，在生物學(xué)研究中，使用緩沖溶液來維持細(xì)胞的正常功能，并防止細(xì)胞在冷凍過程中發(fā)生損傷。滲透壓和冰點下降溶液的滲透壓與溶液的冰點下降密切相關(guān)，它們都與溶液中溶質(zhì)的濃度有關(guān)。溶液的滲透壓是指溶液通過半透膜進(jìn)入純?nèi)軇┧璧膲毫?。溶液的冰點下降是指溶液的冰點低于純?nèi)軇┑谋c。1滲透壓溶液中溶質(zhì)濃度越高，滲透壓越高。1冰點下降溶液中溶質(zhì)濃度越高，冰點下降越多。1關(guān)系滲透壓和冰點下降成正比關(guān)系。1應(yīng)用在食品冷凍過程中，冰點下降是影響冷凍速度和凍結(jié)溫度的重要因素。理想溶液的冰點下降公式公式ΔT=Kf*m冰點下降溶液的冰點下降量與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比。摩爾降點常數(shù)Kf是溶劑的摩爾降點常數(shù)，表示1摩爾溶質(zhì)溶解在1000克溶劑中所引起的冰點下降量。溶液的結(jié)冰過程溶液的結(jié)冰過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及溶液的濃度、冰點、過冷現(xiàn)象等因素。1過冷溶液溫度低于冰點但未結(jié)冰2冰核形成溶液中出現(xiàn)第一個冰晶3冰晶生長冰晶不斷吸附水分子，體積增大4溶液濃縮水結(jié)冰，溶液濃度升高溶液的結(jié)冰過程對食品質(zhì)量的影響很大，過冷現(xiàn)象會造成細(xì)胞脫水，冰晶生長會造成組織破壞。水的相變圖固態(tài)水以冰的形式存在，具有固定的形狀和體積。液態(tài)水以液態(tài)形式存在，可以流動，但體積固定。氣態(tài)水以水蒸氣的形式存在，沒有固定形狀和體積，可以自由擴(kuò)散。單一組分體系相圖單組分體系相圖描述了物質(zhì)在不同溫度和壓力下的物理狀態(tài)，例如固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。相圖可以幫助我們理解物質(zhì)在不同條件下的相變過程，例如冰的融化、水的沸騰。多組分體系相圖多組分體系相圖多組分體系相圖顯示了不同成分的物質(zhì)在不同溫度和壓力下的相平衡狀態(tài)。水溶液相圖例如，水溶液相圖顯示了水和溶質(zhì)在不同溫度和壓力下的固相、液相和氣相之間的平衡關(guān)系。冰點下降相圖通過觀察相圖，可以了解溶液的冰點下降程度，以及不同成分在不同溫度下的相變情況。溶液結(jié)冰過程的相圖溶液結(jié)冰過程的相圖可以直觀地描述溶液的結(jié)冰過程。相圖中的溫度和濃度可以幫助我們了解溶液的結(jié)冰點、冰晶的形成、溶質(zhì)的濃度變化等信息。通過分析相圖，可以預(yù)測不同溫度和濃度條件下溶液的相變過程。相圖可以幫助我們更好地理解溶液的結(jié)冰過程，從而更好地控制冷凍工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在冷凍食品的過程中，我們可以根據(jù)相圖選擇合適的溫度和時間，以保證食品的質(zhì)量，減少冷凍損傷。固相和液相的密度差異冰的密度水的密度比冰的密度大，這是由于水分子在固態(tài)時形成的晶格結(jié)構(gòu)，使分子間距離更大。體積膨脹水結(jié)冰時體積會膨脹約9%，這是由于冰晶格結(jié)構(gòu)的空隙更大，導(dǎo)致冰的密度低于水。冷凍過程中的影響密度差異會導(dǎo)致冷凍過程中體積膨脹，可能會對容器造成壓力，甚至導(dǎo)致容器破裂。冰晶體的生長1成核水分子開始聚集形成微小的冰晶體2生長冰晶體逐漸變大，形成固定的形狀3聚集多個冰晶體相互連接，形成更大的冰晶體4最終冰晶體生長到一定尺寸，形成可見的冰塊冰晶體的生長是一個復(fù)雜的過程，受到許多因素影響，包括溫度、壓力、溶質(zhì)濃度等。冰晶結(jié)構(gòu)對食品質(zhì)量的影響冰晶形狀冰晶的大小和形狀會影響食品的口感和質(zhì)地。例如，較大的冰晶會使食品變得粗糙和堅硬。冰晶位置冰晶在細(xì)胞內(nèi)形成會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致食品變質(zhì)。細(xì)胞在冷凍過程中的變化1細(xì)胞脫水冷凍過程中，細(xì)胞外液結(jié)冰，水分從細(xì)胞內(nèi)移出，導(dǎo)致細(xì)胞脫水。2細(xì)胞膜損傷冰晶體形成和生長，對細(xì)胞膜造成機(jī)械損傷，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏。3細(xì)胞內(nèi)冰晶形成極低溫條件下，細(xì)胞內(nèi)液也會結(jié)冰，對細(xì)胞造成不可逆的損傷。細(xì)胞膜在冷凍過程中的損傷1冰晶體形成細(xì)胞外冰晶體形成，對細(xì)胞膜造成物理壓力，導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂。2細(xì)胞內(nèi)冰晶體形成細(xì)胞內(nèi)冰晶體形成，會破壞細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂。3膜脂相變冷凍溫度會導(dǎo)致細(xì)胞膜脂質(zhì)相變，膜流動性降低，細(xì)胞膜通透性增加。4溶質(zhì)濃度變化冷凍過程中，細(xì)胞外水分結(jié)冰，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度升高，影響細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。冷凍傷害的預(yù)防措施降低冷凍速率緩慢冷凍可減少細(xì)胞內(nèi)冰晶形成，降低細(xì)胞損傷。通過控制冷凍溫度和時間，可以減緩冰晶生長速度，降低細(xì)胞損傷程度。添加滲透保護(hù)劑滲透保護(hù)劑可以降低水的冰點，減少細(xì)胞內(nèi)冰晶形成。常見的滲透保護(hù)劑包括甘油、二甲基亞砜等，它們能提高細(xì)胞的抗凍性。玻璃轉(zhuǎn)變溫度玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是指非晶態(tài)物質(zhì)從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度。當(dāng)溫度低于Tg時，物質(zhì)處于玻璃態(tài)，表現(xiàn)為堅硬、脆性、流動性差等特性。當(dāng)溫度高于Tg時，物質(zhì)處于橡膠態(tài)，表現(xiàn)為柔軟、彈性、流動性好等特性。對于食品來說，Tg是一個重要的參數(shù)，因為它影響著食品的物理性質(zhì)，如硬度、彈性、粘度等。例如，在冷凍食品的過程中，如果食品的Tg低于冷凍溫度，則食品會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致食品變得堅硬、脆性，并可能發(fā)生碎裂。玻璃化與非玻璃化狀態(tài)玻璃化狀態(tài)水溶液在低溫下快速冷卻，來不及結(jié)晶，形成玻璃狀結(jié)構(gòu)，稱為玻璃化狀態(tài)。非玻璃化狀態(tài)水溶液在低溫下緩慢冷卻，水分子有足夠的時間結(jié)晶，形成冰晶，稱為非玻璃化狀態(tài)。玻璃化狀態(tài)下，水分子處于無序的凍結(jié)狀態(tài)，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)不易發(fā)生遷移和變化，不易產(chǎn)生冷凍損傷。非玻璃化狀態(tài)下，冰晶形成會造成細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致細(xì)胞損傷，不利于冷凍保存。滲透保護(hù)劑的作用機(jī)理降低冰點滲透保護(hù)劑可以降低溶液的冰點，減少細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成。增加細(xì)胞脫水滲透保護(hù)劑可以增加細(xì)胞的脫水程度，降低細(xì)胞內(nèi)水分含量，從而減少冰晶對細(xì)胞的損傷。提高細(xì)胞膜穩(wěn)定性滲透保護(hù)劑可以提高細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，防止細(xì)胞膜在冷凍過程中破裂。凍干技術(shù)的原理1真空干燥在低溫下，水分子從固態(tài)直接升華為氣態(tài)2冷凍預(yù)處理將樣品快速冷凍至冰點以下，形成冰晶3升華干燥通過真空系統(tǒng)降低環(huán)境壓力，促進(jìn)水分升華凍干技術(shù)是一種在低溫下，將水從冰晶中升華去除的干燥方法。通過凍結(jié)和真空干燥，可以有效地去除樣品中的水分，同時保持樣品的結(jié)構(gòu)和活性。凍干技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物制品、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。凍干機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理凍干機(jī)主要由冷凍室、真空室和冷凝器等組成。冷凍室用于將物料凍結(jié)，真空室用于抽真空，冷凝器用于收集水蒸氣。凍干機(jī)的工作原理是將物料凍結(jié)后，在真空條件下，利用升華過程，將物料中的水分直接從固態(tài)變成氣態(tài)，從而達(dá)到脫水的目的。凍干機(jī)采用低溫真空干燥技術(shù)，可以有效地保存物料的營養(yǎng)成分、形狀、顏色和活性，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物制品等領(lǐng)域。凍干工藝參數(shù)的控制溫度控制凍干過程中，需要嚴(yán)格控制樣品的溫度，以保證樣品處于凍結(jié)狀態(tài)。溫度過高會導(dǎo)致樣品融化，影響凍干效果。真空度控制真空度過低會使樣品升華速度過慢，延長凍干時間。真空度過高可能會導(dǎo)致樣品發(fā)生機(jī)械損傷。時間控制凍干時間需要根據(jù)樣品的性質(zhì)和凍干設(shè)備的性能進(jìn)行調(diào)整。凍干時間過短會導(dǎo)致樣品水分殘留過多，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。其他參數(shù)控制凍干過程中還需要控制其他參數(shù)，如氣體流量、冷阱溫度等。這些參數(shù)的控制對保證凍干產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。凍干產(chǎn)品的質(zhì)量評價水分含量凍干產(chǎn)品水分含量低，通常在1%-5%之間，可以有效抑制微生物生長，延長保質(zhì)期。復(fù)水性凍干產(chǎn)品復(fù)水后能恢復(fù)到接近原樣，保持其原有的風(fēng)味、色澤、營養(yǎng)成分。外觀凍干產(chǎn)品通常呈白色或淡黃色，具有良好的外觀，可以滿足消費者的審美要求。微生物指標(biāo)凍干產(chǎn)品經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌處理，微生物指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，確保安全衛(wèi)生。冷凍貯藏技術(shù)的發(fā)展趨勢自動化和智能化冷凍貯藏技術(shù)正在向自動化