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食品在冻结与冻藏中的变化在食品进行冷却的过程中并没有发生食品结构实质的变化，但在冻结过程中，由于食品中的水将大部分冻结成冰，将对食品的结构以到质量产生很大的影响。
1、食品冻结过程中的冻结晶食品的冻结是将食品中所含的水分大部分转变成冰的过程。
因此，结晶表现了冻结过程的最基本实质。
当食品中的液态水分结成固态冰晶时，即有大量热量从食品中传出，同时食品的温度随之降低。
（1）食品中溶液的冻结，溶液的冻结与纯水不同，它的冻结点较水的冰点低些，溶液的冻结点，溶液的浓度、溶液的离解程度和溶剂的性质有关。
食品冻结时，溶液浓度的变化过程较普通溶液复杂得多，因为食品所含的水中溶有多种矿物质和有机物质。
因此，在冻结过程中，随着汁液中的水分析出而形成冰结晶，使尚未冻结的汁液的浓度增大，冻结点降低。
食品中剩余的汁液越少，其浓度越大，汁液冻结点也就越低。
这样，食品的继续冻结就需要在温度大大降低的条件下进行。
大多数食品的冻结点在-1到-2度，含有大量溶质（糖、盐、酸）的食品，其冻结点较低为-3。
5到-5度，一般食品在-20度时，有90%左右的水分冻结成冰。
食品的冻结最终温度越低，被冻结的水分就越多，因而也就有利于食品的长期保存。
一般要求食品的冻结最终温度（中心温度）为-12到-5度（2）食品冻结的温度曲线和最大冰结晶生成带。
食品冻结时的温度曲线是根据冻结速度而变化的，但不论是快速冻结还是慢速冻结，在冻结过程中，温度的下降可分为三个阶段。
在第一阶段，食品的温度迅速下降，直到降低至结晶温度为止。
第二阶段即冰晶形成阶段，以近于水平线表示，这一阶段在0到-5度，这时食品内部80%水分都已冻结，这种大量形成冰结晶的温度范围，称为冰结晶的最大生成带。
在冰结晶形成时放出的潜热相当大，因此，通过最大冰结晶生成带时热负荷最大，相对需要较长时间。
当慢速冻结时，食品内冰晶的形成以较慢速度由表面向中心推移，而食品中心温度在很长时间表内处于停滞阶段，水平线段较长。
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过冰冻仿真分析，研究冰冻对材料性能的影响，为材料在低温环境下的应用提供理论依据。
通过实验，了解冰冻对材料物理、力学性能的影响，以及材料在不同冰冻条件下的变化规律。
二、实验原理冰冻仿真分析是一种模拟材料在低温环境下性能变化的实验方法。
通过将材料置于低温环境中，模拟实际冰冻过程，观察材料在冰冻过程中的物理、力学性能变化。
实验原理主要包括以下几个方面：1. 低温处理：将材料置于低温环境中，使其达到冰冻状态。
2. 性能测试：在冰冻过程中，对材料的物理、力学性能进行测试，包括抗压强度、抗拉强度、硬度、弹性模量等。
3. 数据分析：对实验数据进行整理、分析，得出材料在冰冻过程中的性能变化规律。
三、实验材料与方法1. 实验材料：选取一种常见金属材料作为研究对象。
2. 实验方法：（1）制备试样：将金属材料加工成标准试样，尺寸为50mm×10mm×10mm。
（2）低温处理：将试样置于低温箱中，控制温度分别为-20℃、-40℃、-60℃、-80℃，分别进行冰冻处理。
（3）性能测试：在冰冻过程中，对试样进行抗压强度、抗拉强度、硬度、弹性模量等性能测试。
（4）数据整理与分析：将实验数据整理成表格，并绘制曲线图，分析材料在冰冻过程中的性能变化规律。
四、实验结果与分析1. 抗压强度：随着冰冻温度的降低，材料的抗压强度逐渐降低。
在-20℃时，抗压强度下降明显；在-40℃、-60℃、-80℃时，抗压强度下降趋势逐渐减缓。
2. 抗拉强度：随着冰冻温度的降低，材料的抗拉强度逐渐降低。
在-20℃时，抗拉强度下降明显；在-40℃、-60℃、-80℃时，抗拉强度下降趋势逐渐减缓。
3. 硬度：随着冰冻温度的降低，材料的硬度逐渐降低。
在-20℃时，硬度下降明显；在-40℃、-60℃、-80℃时，硬度下降趋势逐渐减缓。
4. 弹性模量：随着冰冻温度的降低，材料的弹性模量逐渐降低。
在-20℃时，弹性模量下降明显；在-40℃、-60℃、-80℃时，弹性模量下降趋势逐渐减缓。
液氮冷冻原理
液氮冷冻是一种常见的冷冻技术，其原理是利用液态氮的低温特性将物体快速冷却。
液态氮是一种非常冷的物质，其沸点为-196摄氏度。
当液态氮与物体接触时，由于物体的温度较高，液态氮会迅速蒸发为气态氮。
这个蒸发过程需要吸收大量的热量，导致物体的温度迅速下降。
液氮冷冻的原理主要包括两个部分：传热和质量传递。
在传热方面，液态氮与物体之间会发生热传导，即液态氮从高温物体表面吸收热量，同时物体的温度也会降低。
由于液氮的低温特性，热量可以迅速从物体中传递到液氮中，使物体的温度迅速降低。
在质量传递方面，液态氮的蒸发会导致气体在物体表面的对流传递。
蒸发的气态氮会带走物体表面的热量，进一步降低物体的温度。
同时，液态氮与物体接触后会产生一层气体保护层，防止进一步的热量传递。
液氮冷冻在实际应用中有广泛的用途。
例如，液氮冷冻可以用于生物医学领域的冷冻保存和组织保存，可以用于食品工业中的冷冻处理和贮藏，还可以用于半导体工业的制冷和超导体研究等领域。
总的来说，液氮冷冻的原理是利用液态氮的低温特性将物体快
速冷却，通过传热和质量传递的方式，吸收物体的热量并降低物体的温度。
这个技术广泛应用于各个领域，发挥着重要的作用。
冰块煮牛肉的原理是什么冰块煮牛肉的原理是利用冰水的物理性质，通过采用低温煮肉的方式，使牛肉在加热过程中温度升得相对较慢，从而达到牛肉中饱满、柔嫩、多汁的口感。
首先，煮肉是一种传统的烹饪方式，通过将肉放入水中并加热来烹饪食材。
一般情况下，水的沸点是100摄氏度，当温度达到100摄氏度时，水开始沸腾，产生大量的水蒸汽。
在普通煮肉的过程中，高温的水蒸汽会将肉表面的水分迅速带走，导致肉质干燥。
而冰块煮牛肉则采用低温烹饪的方法，将水中加入适量的冰块，使水温降低到0度甚至更低。
在这种低温环境下，牛肉在加热过程中温度上升相对较慢，可以更好地保留牛肉中的水分和营养成分。
具体原理如下：1. 低温烹饪保持水分：由于冰块煮牛肉的水温较低，牛肉在加热过程中水分蒸发的速度较慢。
牛肉表面的水分流失减少，从而使其更加湿润多汁。
2. 温度升降平缓：冰块的存在减缓了水的加热速度，牛肉在低温下缓慢升温，防止牛肉在高温环境下因过度加热而出现过熟、口感粗糙。
3. 保持肉质嫩滑：低温烹饪有助于保持牛肉中胶原蛋白的韧性。
在高温下，胶原蛋白会被破坏，导致肉质变得坚硬。
而低温烹饪能够使胶原蛋白缓慢地凝固，使牛肉更加嫩滑。
4. 温度均匀加热：冰块的存在使水中温度相对稳定，减少了温度的波动，使牛肉能够均匀受热。
温度分布均匀可以避免部分肉质过熟而使其他部分肉质不熟。
5. 保留营养成分：低温烹饪过程中，牛肉的维生素、矿物质等营养成分更不容易被破坏。
相对于传统煮肉的高温烹饪方式，冰块煮牛肉更能保留牛肉的营养成分。
总之，冰块煮牛肉的原理是通过低温烹饪的方式，使牛肉在加热过程中温度较低且上升较慢，保留了牛肉的水分和营养成分，使其更加鲜嫩多汁。
这种烹饪方法对于保持食物的原汁原味和营养价值具有重要意义，特别适用于那些容易因高温加热而破坏或流失水分的食材，如牛肉等。
冷冻肉放水中解冻的原理
冷冻肉放在水中解冻的原理是通过水的导热性和对温度的敏感性。
当肉被放入水中时，水的导热性会使肉体温升速度增加，达到较快的解冻效果。
此外，水本身对温度的敏感性也会使解冻速度更快。
因为水的温度通常比冷冻肉的温度高，所以冷冻肉会通过与水接触而迅速升温。
但是在解冻过程中，要注意水温不要太高，以避免在解冻的同时导致肉质受热而变得粗糙。
因此，最好选择适当温度的水来解冻肉，以保持肉质的口感和风味。
第三章食品的冻结鱼、肉、加工食品等要长期贮藏，如一个月以上就必须经过冻结处理。
一般食品温度越低质量变化越缓慢，质量变化是由酶、微生物及氧化作用等引起，它们都随温度降低而作用受弱。
此外因蒸发而引起的干耗速度亦随温度降低而变弱。
防止微生物繁殖的临界温度是－12℃，但在此温度下酶及非酶作用以及物理变化都还不能有效地抑制。
所以必须采用更低的温度，实际使用时的推荐温度是—18℃。
在也这样低的温度下食品内含有的水分必定要结冰，冰晶危害。
水果、蔬菜类若不经前处理直接冻结则解冻后的品质要恶化。
所以蔬菜须经漂烫，水果进行加糖等前处理后再去冻结。
第一节食品在冻结时的变化一、物理变化由于水结冰1 体积增加冻啤酒瓶暴烈，最大冰晶生成带－1℃~－5℃。
2 比热下降，导热系数上升。
要求同学能估计食品的比热和导热系数。
总结规律：记住水和冰的比热/导热系数（1、0.5 kcal/kg.℃，0.5、2 kcal/m.h.℃），乘以含水量见P33。
下表中果蔬75~90%？？估计食品含水量：水果85-90%/含糖甜；蔬菜90-95%。
瘦肉70%左右，豆薯类因含淀粉70%左右。
由于冻结点以下水并未完全结冰，故比热/导热系数减少或增加实际没有那么大，要打10%的折扣。
比如：估计番茄、甜橙、瘦肉的比热和导热系数？？3汁液流失的原因，冰机械损伤，蛋白质变性。
危害，质与量均损失，重要指标。
减少办法，提高冻结冻藏质量。
P344干耗，损失P34，3%，原因水蒸汽压差，要求温度风速低。
结合同学们晾衣服加深理解。
二、组织学变化 植物性组织含水量大，结冰损伤大，故？三、化学变化 盐析浓缩使蛋白质变性，脱水，变色四、生物和微生物 有一定的杀灭或致死作用。
寄生虫如旋毛虫；猪链球菌、禽流感第二节 冻结率——食品中水分冻结的百分率。
冻结点：食品开始冻结的温度——－1~－2℃，为什么？同学会估计。
水分冻结百分率——冻结率=1－（冻结点÷食品温度）1－-1/-18=94.5%，1－-1/-5=80%，大部分食品，在－l~－5℃温度范围内几乎80％水分结成冰，此温度范围称为最大冰晶生成带。
典型的食品物料冻结曲线
食品物料冻结曲线是指食品物料在冷冻过程中温度随时间的变化曲线。
典型的食品物料冻结曲线通常包括以下几个阶段：
1.初始降温阶段：这一阶段食品物料的温度迅速下降，但尚未达到冰点。
2.冻结阶段：在这一阶段，食品物料的温度达到冰点以下，开始冻结成固
态。
3.冻结后期阶段：这一阶段食品物料的温度继续下降，但降温速度较慢，
因为大部分水分已经冻结成冰。
4.最大冰晶生成带（最大冰晶生成区）：在这一阶段，食品物料中的大部
分水分已经冻结成冰，但尚未形成稳定的冰晶体。
5.冻结末期阶段：在这一阶段，食品物料中的所有水分都已经冻结成稳定
的冰晶体，温度继续下降但降温速度较慢。
需要注意的是，食品物料冻结曲线的具体形状和变化趋势会受到多种因素的影响，如食品物料的种类、初始温度、冻结速率、冻藏时间等。
因此，在实际应用中需要根据具体情况进行调整和优化。
牛肉冻结过程中模拟及热值传递理论分析 唐婉;王金锋;李文俊;谢晶 【摘 要】Freezing is recognized as one of the important technology in food preservation.Considering the change of physical characteristics in beef under the process of the freezing,the equivalent heat capacity method was utilized to process latent heat in phase change,and then the computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation technology was applied to simulate the freezing process and establish the differential equations of three dimensional food freezing process.Through the numerical simulation of freezing time,the error between each experimental measuring point (T1,T2,T3,T4 and T5) value and simulation calculation of freezing time were detected to be5.45％,3.9％,5.8％,4.24％,5.8％,respectively,and each point temperature real-time simulation of the average error was 1.79 ℃.The results showed that the numerical simulation could predict the beef to freeze time well.%以冰箱冻结牛肉为研究对象,考虑牛肉冻结过程中变物性特点,采用等效热容法处理相变潜热,再用计算流体力学(CFD)数值模拟技术对该冻结过程进行模拟,并建立描述三维食品冻结过程的微分方程,通过数值模拟得出冻结时间的模拟值,各测点(T1、T2、T3、T4、T5)模拟计算的冻结时间与试验冻结时间的误差分别为5.45％,3.90％,5.80％,4.24％,9.60％,各点实时温度的模拟平均误差是1.79℃.结果表明,数值模拟能较好地预测牛肉的冻结时间.
【期刊名称】《食品与机械》 【年(卷),期】2017(033)007 【总页数】5页(P117-121) 【关键词】数值模拟;冻结时间;食品冻结;温度场 【作 者】唐婉;王金锋;李文俊;谢晶 【作者单位】上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海201306;上海海洋大学食品学院,上海201306;上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海201306;上海海洋大学食品学院,上海201306;上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海201306;上海海洋大学食品学院,上海201306;上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海201306;上海海洋大学食品学院,上海201306
【正文语种】中 文 预测食品冻结时间，是对食品冻结过程研究的重要课题之一，冻结时间是衡量冻结设备优劣的重要标准，也是评价冻结食品品质的影响因素之一[1-2]。前人关于食品冻结时间的计算做了大量研究，周小清等[3]对比了现有的计算冻结时间的几种模型，研究发现对于液氮冻结圆柱状食品，国际制冷协会计算模型最为准确。Pham Q T 等[4]研究表明传统的计算食品冻结时间的经验公式在特定的环境下需要修正，才能保证计算的准确性。Becker B R 等[5]研究表明不同形状(无限大平板状、无限长圆柱状一级球形)的食品适用的计算食品冻结时间的模型不同。综上可知：传统的计算冻结时间的模型，具有局限性，而且只能获得热中心的冻结时间，随着计算条件的改变，计算公式需要修正，不具有普适性。CFD模拟技术被证明是计算食品冻结时间的有效方法之一[6-7]，不仅可以计算食品的冻结时间，而且改变参数、计算条件等可以获取大量信息、数据，能直观地看到食品内部温度场分布，并实时监测提取食品内部任意一点的温度。 食品冻结是一个复杂的相变过程，其内部的相变发生在一定的温度区间，而非某一个温度值，因而潜热很难直接测量，所以前人在模拟食品冻结过程时，对物性的处理方法有大量的研究。屠建祥等[8]对比模拟了冻结过程中是否考虑物性变化对预测黄瓜冻结过程的影响，研究表明考虑物性变化的计算更符合实际。谢晶等[9]根据已有的食品物性经验公式，利用C语言编程计算，进而获得食品热物性随温度变化的多项式数学模型。Pham Q T等[10]对比分析了处理相变潜热的3种方法等效比热容法、焓法以及温度修正法，研究表明不同的相变处理方法影响了食品在模拟过程中计算的精度以及计算速度。李晓宇等[11]采用试验测量马铃薯的热物性参数，然后进行方程拟合。在以前的模拟研究中，也有假定冻结前后热物性参数为定值的[12]。殷刚[13]验证了利用等效比热容法处理相变潜热，用Basic语言编程对牛肉冻结时间进行数值计算，研究表明等效比热容法处理相变潜热对牛肉冻结时间不会产生影响，且比普朗克公式计算冻结时间精确，但是其存在不足之处，不能直观地看到牛肉内部温度分布情况，实时获得牛肉内部任意一点温度值。 鉴于以上研究，本试验利用Fluent 15.0模拟研究冰箱冻结牛肉内部温度场分布，调用文献[13～14]中利用等效热容处理相变潜热的方法(将食品的相变潜热换算到相变区间内的比容中)，获得比热容和热导率的分段线性函数，引用到模拟环境，研究牛肉在冻结过程中内部温度的变化规律，实时监测牛肉内部各点温度，为更好地预测食品冻结时间以及优化、改进制冷设备做铺垫。 1.1 物理模型简化 如图1、2所示，本试验采用的是西门子冰箱，KK25F55TI型，牛肉置于冷冻室的中间层(尺寸400 mm×400 mm×130 mm)，牛肉的尺寸100 mm×100 mm×70 mm的长方体。不考虑冷冻室内的管道设计对流场的影响。 1.2 控制方程及离散 本试验是研究牛肉在冰箱冷冻室蒸发盘管上的冻结过程，牛肉底部与蒸发盘管直接接触，牛肉上表面和侧面通过与空气自然对流传热，为简化模型作出以下假设：① 牛肉的初始温度均匀一致，且冻结环境温度一定；② 牛肉内部各向同性，相变温度一定；③ 牛肉的内部主要靠导热进行热传递，对流换热次之，且表面对流换热系数保持不变；④ 整个冻结过程，牛肉的密度保持不变(为1 050 kg/m3)；⑤ 整个冻结过程中，边界条件保持不变；⑥ 牛肉内部非凝固区不考虑传质与流动。 基于上述假设，食品冷冻过程的导热微分方程为： ρC=▽(k▽T)+q。 边界条件： (1) 食品顶部和侧面第三类边界条件： q=h(Tw-Tf)， 式中： Tw——牛肉表面的温度， K； Tf——冰箱冷冻室内空气的温度(由试验测量获得)，K。 表面对流换热系数按文献[15～16]方法赋值。 (2) 食品底面与蒸发盘管直接接触，近似认为牛肉下表面温度与蒸发盘管相同，由试验测量赋值，Tfood bottom(x,y,z)=Tban(x,y,z)=243 K。 (3) 在移动相界面上满足质量守恒和能量守恒： Ts[S(t),t]=Tl[S(t),t]=Tp, λs=λl+hρ。 式中： Ts——相界面上固相的温度，K； Tl——相界面上液相的温度，K； Tp——相界面上相变的温度，K； λs——相界面上固相的导热率，W/(m·K)； λl——相界面上液相的导热率，W/(m·K)； h——比焓，kJ/kg； ρ——密度，kg/m3。 初始条件：Tfood(x,y,z)=T0=278.15 K，食品温度按试验测量赋值。 1.3 牛肉冻结过程的数值模拟 本次模拟形状为长方体的牛肉：100 mm×100 mm×70 mm，而冰箱内冻结牛肉主要靠底部蒸发盘管的导热和表面的对流换热相互作用。为研究牛肉在冰箱冷冻室内冻结过程温度分布情况，首先用CAD建立了冰箱冷冻室以及牛肉的几何模型，并在Gambit中完成网格的划分，最后将网格文件导入到Fluent 15.0，在Fluent 15.0中进行参数设置与模拟计算。首先按上述设定好边界条件，选择k-ε计算模型，由于牛肉在冻结过程中存在温度的变化，因而需要激活能量项，其中，能量项的松弛因子按默认值设置，能量方程的收敛精度取10-6，激活重力选项，在Z轴方向，设重力加速度为-9.81 m/s2。其次牛肉在冰箱的冻结属于三维隐式非稳态模型，将牛肉的物性参数(密度、比热容、导热系数)调用到Fluent 15.0，并采用有限体积法离散控制方程。最后设置初始条件，分别给予牛肉初温以及冰箱冷冻室内环境温度，初始化流场后进行计算，时间步长取5 s，为了获取牛肉冻结时间，对牛肉体最大温度进行监测，实时导出牛肉体最大温度，结果表明18 060 s时牛肉内部最高温度低于-18 ℃，模拟结束，牛肉体最高温度分布曲线见图3。 为了清晰地看出牛肉内部冻结的温度分布情况，截取垂直于XOY的5个截面(图4)，截面X分别为0.00，0.02，0.04，-0.01，-0.03 m。 由图4、5可知：牛肉底部换热最快，温度降低得最快，而牛肉顶部和侧面降温略慢，这是因为在冻结过程中，食品底部直接与蒸发盘管接触，存在接触导热作用，导热的热阻远小于对流换热的热阻，而且蒸发盘管的温度要低于冷冻室内部环境的温度，所以食品底部的温度下降较快。
