食品冷及冻保鲜原理与设备课件.pptVIP

* 第二章 食品的冻结机理 §2-1 水的相图和水的冻结特性 一、水和冰的相图 二、降温曲线 在一般倩况下，纯水只有被冷 却到低于0℃的某一温度时才 开始冻结。这种现象被称为 过冷(subcooling)。开始出现 冰晶的温度与相平衡冻结温度 之差，称为过冷度。 在过程abc中，水以释放显热 的方式降温；当过冷到点c时， 由于冰晶开始形成，释放的相 变潜热使样品的温度迅速地回 升到0℃，即过程cd： 在过程de中，水在平衡的条 件下，继续析出冰晶，不断释 放大量固化潜热。在此阶段中， 样品温度保持恒定的平衡冻结 温度0℃ ；当全部水被冻结后， 固化的样品以较快速率降温。ef段的降温速率可能远大于槽温的下降速率。 三、过冷和成核 冰晶的成核(nucleation)过程主要由热力学条件决定、而冰晶的生长过程主要由动力学条件决定。 当水处于过冷态(亚稳态)时，可能以两种形式形成冰晶核心(晶核．nuclei)， 即均匀成核(homogenous nucleation)和非均匀成核(heterogenous nucleation)。均匀成核是指在一个体系内各处的成核几率均相等：由于热起伏(或热涨落)可能使原子或分子一时聚集成为新相的集团(又称为新相的胚芽，embryos)，若胚芽大于临界尺寸时就成为晶核。对于均匀成核，要求有较大的过冷度。例如，对很纯的微小水滴，已发现到－40 ℃或更低的温度还未结冰。 非均匀成核，又称异相成核，是指水在尘埃、容器表面及其他异相表面等处形成晶核。对于非均匀成核，所要求的过冷度比均匀成核要小得多。对于体积较大的水，一般均具有异相成核的条件，因此只要温度比0℃稍低几度就能形成冰晶核。 1．成核自由能 根据热力学原理，在等温等压的条件下，自发过程是按吉布斯自由能减少的方向进行的。设在液态水中有一个半径为r的固相冰核，由液相转换为固相吉布斯自由能的变化可表述为 式中， －冰晶与未冻液相之间界面单位面积的自由能 －固、液相之间单位体积的自由能之差。 －表示表面自由能； －表示体积自由能。 图2—9表示出它们之间的关系。因为在过冷条件下 ，因此只有当r＞ 时，成核自由能 才能随半径 r 的增大而下降，才是自发的不可逆过程。这里， ，称为临界半径，其对应的 为最大自由能。对于 的纯水．Franks估算 ＝1.85nm， 。成核的临界半径 是随过冷度的增加而减少的。 2．均相成核(homogeneous nucleation) 均相成核点，即溶液相中的晶核点，是由液相的密度随机涨落(random density fluctuation)所形成的。在系统内部各点，均相成核的几率都是一样的。由图2—l0可看到，当过冷度增大时， 下降。由于涨落形成 的聚集体(cluster)的几率大大增加。根据Franks的 估算，对于 的水， ＝1.85nm的聚集体内要聚集的水分子约为200个。 单位体积水中，临界晶核的数目 可按玻耳兹曼分布计算，即 其中， 为单位体积中水的分子数目。若按此式计算，可以求出不同温度下的每克水中所含的临界晶核数．如表25所示。 如果取每克液体有一个 晶核作为均相成核温度 ，那么水的 约在 左右。 成核过程的另一重要参数是单位时间、单位体积中的成核数，即成核率(nucleation rate)。成核率[单位为 ]可以近似表示为 A和B代表简化后的系数。 四、冰晶的生长过程与结冰率 在冻结过程中，如果冻结速度快，冻结点温度低，则有两个因素会妨碍它结晶； （1）低温下水分子可移动性变小； （2）由于冻结速度快，水分子可移动的时间太短，致使水分子来不及在晶体结构中占据相应的位置。 要使水或水溶液在冻结点开始结冰，在水中或溶液中必须存在冷晶核.在-25.5℃下,晶核的临界尺寸为50? (1?=10-10m),而在-50℃时，则为5?。为使结晶过程开始，晶核的尺寸应大于临界尺寸。 冰晶核的数目由下式表示：