《冷冻技术原理》课件

冷冻技术原理冷冻技术是利用低温降低物质温度，以抑制微生物生长、减缓化学反应速度，延长食品保质期的技术。课程大纲11.冷冻技术概述介绍冷冻技术的定义、发展历史和应用领域。22.冷冻过程中的物理变化深入探讨冷冻过程中水的相变、冰点下降和渗透压等物理变化。33.冷冻对细胞的影响分析冷冻对细胞结构和功能的影响，包括细胞膜损伤和冰晶形成。44.冷冻伤害的预防措施介绍冷冻保护剂、玻璃化技术等预防冷冻伤害的方法。冷冻技术概述冷冻技术是通过降低温度来保存食品、生物材料等的技术。冷冻技术可以抑制微生物生长，减缓酶促反应，延长食品保存期限。冷冻技术应用广泛，涵盖食品加工、医药、生物技术等领域。冷冻过程中的物理变化水分子运动减缓温度降低，水分子热运动减弱，扩散速率下降。水分活度降低冷冻导致水分活度下降，影响微生物生长和酶活性。冰晶形成水分子结晶成冰晶，改变溶液浓度和渗透压。溶液浓度升高水结冰，溶液浓度升高，导致渗透压改变。食品性质改变冷冻过程导致食品结构、颜色、质地等发生改变。冰点下降纯水0℃溶液低于0℃溶液中溶质的存在会降低水的冰点，这是由于溶质分子会阻碍水分子形成冰晶体。冰点下降的幅度取决于溶质的浓度和性质。缓冲溶液的冰点下降缓冲溶液的冰点下降是指加入溶质后，溶液的冰点比纯溶剂的冰点低。这是因为溶质的存在降低了溶剂的蒸汽压，从而导致冰点下降。缓冲溶液的冰点下降与溶质的浓度和溶质的性质有关。浓度越高，冰点下降越大；溶质的性质也影响冰点下降的程度，例如，电解质的冰点下降大于非电解质。缓冲溶液的冰点下降在生物学和食品科学中有重要的应用。例如，在生物学研究中，使用缓冲溶液来维持细胞的正常功能，并防止细胞在冷冻过程中发生损伤。渗透压和冰点下降溶液的渗透压与溶液的冰点下降密切相关，它们都与溶液中溶质的浓度有关。溶液的渗透压是指溶液通过半透膜进入纯溶剂所需的压力。溶液的冰点下降是指溶液的冰点低于纯溶剂的冰点。1渗透压溶液中溶质浓度越高，渗透压越高。1冰点下降溶液中溶质浓度越高，冰点下降越多。1关系渗透压和冰点下降成正比关系。1应用在食品冷冻过程中，冰点下降是影响冷冻速度和冻结温度的重要因素。理想溶液的冰点下降公式公式ΔT=Kf*m冰点下降溶液的冰点下降量与溶液的质量摩尔浓度成正比。摩尔降点常数Kf是溶剂的摩尔降点常数，表示1摩尔溶质溶解在1000克溶剂中所引起的冰点下降量。溶液的结冰过程溶液的结冰过程是一个复杂的物理化学过程，涉及溶液的浓度、冰点、过冷现象等因素。1过冷溶液温度低于冰点但未结冰2冰核形成溶液中出现第一个冰晶3冰晶生长冰晶不断吸附水分子，体积增大4溶液浓缩水结冰，溶液浓度升高溶液的结冰过程对食品质量的影响很大，过冷现象会造成细胞脱水，冰晶生长会造成组织破坏。水的相变图固态水以冰的形式存在，具有固定的形状和体积。液态水以液态形式存在，可以流动，但体积固定。气态水以水蒸气的形式存在，没有固定形状和体积，可以自由扩散。单一组分体系相图单组分体系相图描述了物质在不同温度和压力下的物理状态，例如固态、液态和气态。相图可以帮助我们理解物质在不同条件下的相变过程，例如冰的融化、水的沸腾。多组分体系相图多组分体系相图多组分体系相图显示了不同成分的物质在不同温度和压力下的相平衡状态。水溶液相图例如，水溶液相图显示了水和溶质在不同温度和压力下的固相、液相和气相之间的平衡关系。冰点下降相图通过观察相图，可以了解溶液的冰点下降程度，以及不同成分在不同温度下的相变情况。溶液结冰过程的相图溶液结冰过程的相图可以直观地描述溶液的结冰过程。相图中的温度和浓度可以帮助我们了解溶液的结冰点、冰晶的形成、溶质的浓度变化等信息。通过分析相图，可以预测不同温度和浓度条件下溶液的相变过程。相图可以帮助我们更好地理解溶液的结冰过程，从而更好地控制冷冻工艺，提高产品质量。例如，在冷冻食品的过程中，我们可以根据相图选择合适的温度和时间，以保证食品的质量，减少冷冻损伤。固相和液相的密度差异冰的密度水的密度比冰的密度大，这是由于水分子在固态时形成的晶格结构，使分子间距离更大。体积膨胀水结冰时体积会膨胀约9%，这是由于冰晶格结构的空隙更大，导致冰的密度低于水。冷冻过程中的影响密度差异会导致冷冻过程中体积膨胀，可能会对容器造成压力，甚至导致容器破裂。冰晶体的生长1成核水分子开始聚集形成微小的冰晶体2生长冰晶体逐渐变大，形成固定的形状3聚集多个冰晶体相互连接，形成更大的冰晶体4最终冰晶体生长到一定尺寸，形成可见的冰块冰晶体的生长是一个复杂的过程，受到许多因素影响，包括温度、压力、溶质浓度等。冰晶结构对食品质量的影响冰晶形状冰晶的大小和形状会影响食品的口感和质地。例如，较大的冰晶会使食品变得粗糙和坚硬。冰晶位置冰晶在细胞内形成会破坏细胞结构，导致食品变质。细胞在冷冻过程中的变化1细胞脱水冷冻过程中，细胞外液结冰，水分从细胞内移出，导致细胞脱水。2细胞膜损伤冰晶体形成和生长，对细胞膜造成机械损伤，导致细胞内物质泄漏。3细胞内冰晶形成极低温条件下，细胞内液也会结冰，对细胞造成不可逆的损伤。细胞膜在冷冻过程中的损伤1冰晶体形成细胞外冰晶体形成，对细胞膜造成物理压力，导致细胞膜破裂。2细胞内冰晶体形成细胞内冰晶体形成，会破坏细胞器结构，导致细胞功能紊乱。3膜脂相变冷冻温度会导致细胞膜脂质相变，膜流动性降低，细胞膜通透性增加。4溶质浓度变化冷冻过程中，细胞外水分结冰，导致细胞内溶质浓度升高，影响细胞膜的稳定性。冷冻伤害的预防措施降低冷冻速率缓慢冷冻可减少细胞内冰晶形成，降低细胞损伤。通过控制冷冻温度和时间，可以减缓冰晶生长速度，降低细胞损伤程度。添加渗透保护剂渗透保护剂可以降低水的冰点，减少细胞内冰晶形成。常见的渗透保护剂包括甘油、二甲基亚砜等，它们能提高细胞的抗冻性。玻璃转变温度玻璃转变温度（Tg）是指非晶态物质从玻璃态转变为橡胶态的温度。当温度低于Tg时，物质处于玻璃态，表现为坚硬、脆性、流动性差等特性。当温度高于Tg时，物质处于橡胶态，表现为柔软、弹性、流动性好等特性。对于食品来说，Tg是一个重要的参数，因为它影响着食品的物理性质，如硬度、弹性、粘度等。例如，在冷冻食品的过程中，如果食品的Tg低于冷冻温度，则食品会发生玻璃化转变，导致食品变得坚硬、脆性，并可能发生碎裂。玻璃化与非玻璃化状态玻璃化状态水溶液在低温下快速冷却，来不及结晶，形成玻璃状结构，称为玻璃化状态。非玻璃化状态水溶液在低温下缓慢冷却，水分子有足够的时间结晶，形成冰晶，称为非玻璃化状态。玻璃化状态下，水分子处于无序的冻结状态，细胞内物质不易发生迁移和变化，不易产生冷冻损伤。非玻璃化状态下，冰晶形成会造成细胞膜破裂，导致细胞损伤，不利于冷冻保存。渗透保护剂的作用机理降低冰点渗透保护剂可以降低溶液的冰点，减少细胞内冰晶的形成。增加细胞脱水渗透保护剂可以增加细胞的脱水程度，降低细胞内水分含量，从而减少冰晶对细胞的损伤。提高细胞膜稳定性渗透保护剂可以提高细胞膜的稳定性，防止细胞膜在冷冻过程中破裂。冻干技术的原理1真空干燥在低温下，水分子从固态直接升华为气态2冷冻预处理将样品快速冷冻至冰点以下，形成冰晶3升华干燥通过真空系统降低环境压力，促进水分升华冻干技术是一种在低温下，将水从冰晶中升华去除的干燥方法。通过冻结和真空干燥，可以有效地去除样品中的水分，同时保持样品的结构和活性。冻干技术广泛应用于生物制品、食品、医药等领域。冻干机的结构和工作原理冻干机主要由冷冻室、真空室和冷凝器等组成。冷冻室用于将物料冻结，真空室用于抽真空，冷凝器用于收集水蒸气。冻干机的工作原理是将物料冻结后，在真空条件下，利用升华过程，将物料中的水分直接从固态变成气态，从而达到脱水的目的。冻干机采用低温真空干燥技术，可以有效地保存物料的营养成分、形状、颜色和活性，广泛应用于食品、医药、生物制品等领域。冻干工艺参数的控制温度控制冻干过程中，需要严格控制样品的温度，以保证样品处于冻结状态。温度过高会导致样品融化，影响冻干效果。真空度控制真空度过低会使样品升华速度过慢，延长冻干时间。真空度过高可能会导致样品发生机械损伤。时间控制冻干时间需要根据样品的性质和冻干设备的性能进行调整。冻干时间过短会导致样品水分残留过多，影响产品的质量。其他参数控制冻干过程中还需要控制其他参数，如气体流量、冷阱温度等。这些参数的控制对保证冻干产品的质量至关重要。冻干产品的质量评价水分含量冻干产品水分含量低，通常在1%-5%之间，可以有效抑制微生物生长，延长保质期。复水性冻干产品复水后能恢复到接近原样，保持其原有的风味、色泽、营养成分。外观冻干产品通常呈白色或淡黄色，具有良好的外观，可以满足消费者的审美要求。微生物指标冻干产品经过严格的灭菌处理，微生物指标符合国家标准，确保安全卫生。冷冻贮藏技术的发展趋势自动化和智能化冷冻贮藏技术正在向自动化