[科普中国]-冻结速率

冻结速率是指食品物料内某点的温度下降速率或冰峰的前进速率。以食品冻结速率的快慢来划分，食品的冻结过程可分为缓慢冻结、快速冻结和超快速冻结等。

表示方法时间---温度法一般以降温过程中食品物料内部温度最高点，即热中心的温度表示食品物料的温度。选择的温度范围一般是最大冰结晶生成带，常用热中心温度从-1℃降低到-5℃这一温度范围的时间来表示。若通过此温度区间的时间少于30min，称为快速冻结；大于30min，称为缓慢冻结。

这种表示方法使用起来较为方便，多应用于肉类冻结。但这种方法也有不足：

一是对于某些食品物料而言，其最大冰结晶生成带的温度区间较宽（甚至可以延伸至-15~-10℃）；

二是此法不能反映食品物料的形态、几何尺寸和包装情况等，为此在用此方法时一般还应标样品的大小等。

冰峰前进速率冰峰前进速率是指单位时间内-5℃的冻结层从食品表面伸向内部的距离，单位为cm/h，常称线性平均冻结速率。这种方法最早由德国学者普朗克提出，他以-5℃作为冻结层的冰峰面，将冻结速率分为3级：

快速冻结5～20 cm/h；

中速冻结1～5 cm/h；

慢速冻结0.1～1 cm/h。

该方法的不足之处是在实际应用中难于测量，而且不能应用于冻结速率很慢以至于产生连续冻结界面的情况。

国际冷冻协会定义冻结速率（v）是指食品表面与中心温度点间的最短距离（δ0）与食品表面达到0℃后食品中心温度降至比食品冻结温度低10℃所需时间（t0）之比，单位cm/h。如食品中心与表面的最短距离（δ0）为5 cm，食品冰点-5℃，中心降至比冰点低10℃，即-15℃，所需时间为10 h，其冻结速率为：

该划分规则考虑到因食品外观差异、成分不同而使其冰点不同，故其中心温度计算值随不同食品的冰点而变，比上法-5℃为下限温度低得多，对速冻条件要求更为严格。

其他方法冻结食品物料的外观形态，包括冻结界面（连续或不连续）、冰结晶的大小尺寸和冰结晶的位置等也可以反映冻结速率。

快速冻结的冻结界面不连续、冻结过程中食品物料内部的水分转移少，形成的冰结晶细小而且分布均匀；

缓慢冻结可能产生连续的冻结界面，冻结过程中食品物料内部有明显的水分转移，形成的冰结晶粗大且分布不均匀。这种方法直观，但不能反映冻结速率上的细小变化，而且易受冻结速率之外其他因素的影响。

通过热力学的方法也可以相当准确地测定单位时间、单位食品物料内冰结晶的生成量，以此表示冻结速率。1

影响因素除了冻结食品的绝对冷冻要求以外，还有一些影响冻结速率的因素，从而有助于决定质量。

食品冷却和冻结的速率一般用两个变数的函数表示，即用驱动力除以传动阻力总数。驱动力仅仅是产品与冷却介质之间的温差。阻力取决于诸如空气速度，产品厚度、系统的几何学和食品成分等因素。

无论所循环的制冷剂是否与食品的运动方向呈逆流或同向，连续冷却和冻结系统中的几何学可包括如制冷剂与待冷却食品的接触程度和搅拌程度，在另一方面，产品的成分不仅包括化学成分和各种组分的导热系数，而且包括组分的物理排列，例如脂肪在肉块内的分布情况以及与冷冻表面有关的肌肉纤维的定向。

食品成分食品组分与金属和其他物料一样，具有随温度起变化的不同导热性质。在其他条件都相同的情况下，导热系数越大，冷却和冻结速率越大。在冷却和冻结温度范围内，水的导热系数直至水相向冰相变化时才起变化。于是冰的导热系数远比水的大，当食品从未冻结状态通向冻结状态时，食品的导热系数迅速地提高。

脂肪的导热系数比水低得多，而空气的导热系数又远比水或脂肪低得多。所以我们就可以在受控制冻结条件下对食品的成分作出如下结论：

①冷却和冻结速率可受成分所影响，脂肪含量高或空气夹带量高会趋于具有不利影响。

②由于水变成冰而使热传导系数起变化，所以在加工过程中冷却和冻结速率并不是不变的。

③我们可以期望食品的物理结构不同会影响冻结速率。如果有两种均含有50%脂肪和50%水分的食品系统，但是一种是水包油乳化液，而另一种是油包水乳化液，可以预料这两种食品的导热性质各不相同。在这里，水包油乳化液由于水是连续相的，所以在不同温度下的导热系数应比相应的同样化学成分的油包水乳化液大。在其他条件都相同的情况下，水包油乳化液的冻结速率应比油包水乳化液快。

④同样地，像肉块的结构系统应在不同速率下导热，取决于肉是否以与脂肪层和肌肉纤维的定位方向呈平行或垂直的方向与致冷面接触。我们可以对传热如何受这些变化的影响作出有分寸的猜测，但是遗憾的极少发表沿着这些路线对食品系统所进行的研究。

非成分影响就影响冻结速率的其他变数而言，例如空气速度、产品厚度、搅拌作用和食品与冷却介质之间的接触程度等，这些作用是众所周知的，遵循传热的简单规定，基本上可决定冻结系统的设计。要引证这些变数对冻结速率的直接作用是容易的，这些作用实际上可以应用于任何系统设计。然而，要定量测定这些变数的作用一般必须通过实验而建立种不同食品和系统的几何学，使具有确实性。

下列各点可应用于任何系统设计：

①食品与制冷剂之间的温差越大，冻结速率越大；

②食品或食品包装物越薄，冻结速率越大；

③冷冻空气或循环制冷剂的速度越大，冻结速率越大；

④食品与冷却介质之间的接触越近，冻结速率越大；

⑤制冷剂的制冷作用或热容量越大，冻结速率越大。

在最后一点上，如果制冷剂是一种能膨胀至气体的液体，那么制冷作用主要取决于其特殊的气化潜热。如果制冷剂并不经受相的变化，诸如盐---盐水，那么其制冷作用取决于其热容量或比热。

在这些有关冻结速率的主要变数中，有些变数的大小序列是重要的。于是，把隧道式冻结机内的空气温度从-18℃（0°F）降低到-29℃（20°F），一般可使小糕点的冻结时间从40min缩短至约20min。用-196℃（-320°F）液氮喷射可使冻结时间缩短到2min以下。然而，把冻结机温度降低到非常低的水平并不能引起直线冻结速率反应，由较低温度导致的加快速率趋于减缓，在冻结温度低于-46℃（-50°F）以下时更是这样。

在-18℃的静止空气下，诸如个别的水果或小鱼片小型食品可在约3个小时内冻结。在此温度下把空气速度加快到1.25m/s（250in/min）可使这些食品的冻结时间降低到约1h，而5m/s的空气速度可使冻结时间进一步降低到约40min。无论是在冷空气中或是在任何其他流动的制冷剂中，提高速度可以通过从食品表面带走热量和快速地用冷的制冷剂替代热的制冷剂以在食品与制冷剂之间保持最大的温差而使冻结加速。但是，这里也可以发现冻结速率并不随空气速度而线性地加快。

食品或包装的厚度对冻结速率的作用是，当普通的食品包装的厚度从约5cm（2in）提高到10cm（4in）时，冻结时间约增加2.5倍。但厚度曲线坡度是这样的，当我们继续加厚产品的厚度，冻结时间增加率要比改变厚度的速率上升得还快。

13.6kg罐装液蛋或水果需要48~72h才完全冻结，0.21m3桶装的果汁，除非在果汁装桶之前先通过热交换器加以半融冻结，否则冻结时间要一个星期以上。2

本词条内容贡献者为:

郭亮 - 副教授 - 中国海洋大学