冷凍冷藏食品

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1.歷史沿革  2.定義與專有名詞
3.低溫食品保藏的原理 4.冷藏食品所需具備之要件
5.冷媒(refrigerant)   6.冷凍基本原理與設施
7.解凍原理及方法  8.食品低溫保藏
9.結論 10.參考資料

                                               最近更新日期:2000/06/02


                     

                                                      

1.歷史沿革

1.1 自古人類即懂得利用低溫貯藏食品,用水冷卻,用冰雪降低溫度,或利用洞穴冷藏貯存食品。

1820年 人造冰試驗成功。

1843年 美國工程師柏金斯(Jacob Perkins)發明了製冰機,在英國獲得專利許可。

1910年 第一架冷凍機問世。

1918年 吸收式冷凍機生產。

1926年 密封式冷凍機用於家庭冰箱,使家庭冰箱成為生活必需品。

七十年來冷凍技術突飛猛進,使人類文明與科技獲得更深廣的發展。

1.2. 低溫之形成

(1) 利用天然的冰雪:不能如預期取得,難以應用於產業。

(2) 利用冰雪混入食鹽:可得更低溫的不凍液,此等鹽類特稱為起寒劑,如氯化鈣、氯化鎂等,市面上搖搖冰即利用此方法。

(3) 利用固體的昇華:如乾冰昇華溫度為-78℃,但費用高,不合經濟需求,常拿作舞台秀製造煙幕效果。

(4) 利用液體蒸發成氣體所吸收之氣化潛熱:例如利用低沸點液體蒸發或壓縮後之液體,再使之氣化者,此類系統稱作壓縮式冷凍機。又液態氮在大氣壓下氣化,可得- 196℃低溫。

(5) 熱電偶式冷凍:利用電子半導體PN二極體,通以直流電,兩端連接處產生溫差,熱端露出箱外藉以散熱,另一冷端置於箱內,其冷度只能低於外界溫度10℃之內,效果不甚理想,現已有攜帶式電子冰箱的產品問世。

(6) 氣旋法(Rotax):將高壓氣體通過托平(Turbine)裝置,使氣體分子因高速旋轉,連續碰撞金屬壁而生熱,此熱藉由外壁移除,去熱後所得之低溫氣體,由出口排出,目前利用於車床鑽頭之冷卻(圖一)

(7) 磁力式冷凍:在磁場中放置順磁性鹽,藉以生產液態氮或液態氫(圖二)。

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2.定義與專有名詞

食品低溫貯藏依食物中含水狀態,可區分為冷藏(Cool storage)與凍藏(Frozen storage)。

2.1. 冷藏:意指在常溫以下,冰點以上之貯藏溫度,約在16℃~ - 2℃之間。一般家庭冰箱之溫度大多維持在4℃~7℃之間。冷藏只可維持新鮮食品數天或數星期。

2.2. 冷凍:意指貯藏食品於凍結之狀態。理想之凍藏溫度應該要維持在 - 18℃以下,冷凍可維持食品新鮮達數月或數年之久。

2.3. 凍結點:係指液體中之水份開始結冰之溫度。食品中之液體並非純水,而是溶有溶質的溶液,清水在0℃時開始凍結,而溶液之凍結點較0℃略低。凍結點降低之程度,隨著溶劑之種類和溶質之濃度而異,以水為溶劑時,不論溶質為何物,一克分子(Mol)溶液之凍結點為 - 1.85℃,溶質濃度愈高則凍結點愈下降。所以食品之凍結點係取決於其液體中所含之鹽類或糖份濃度而定。

2.4. 共晶點:係食品中所含水份完全凍結時之溫度。禽畜肉、魚肉、蔬菜之凍結點為 - 1℃,共晶點約 - 55 ~ - 65℃,平均約為 - 60℃,水果之凍結點約 - 2℃,而共晶點也是 - 55 ~ - 65℃。

2.5. 凍結率:食品中液體凍結份量在凍結點時為0%,在共晶點時為100%,某一溫度中水份凍結比例之數值,稱為凍結率。

2.6. 最大冰結晶生成帶:普通食品之凍結點約在 - 1℃~ - 2℃附近,當溫度達 - 5℃時,所含之液體60 ~ 80%已凍結,此時已有大量潛熱釋出,所以食品溫度大抵不再降低,因此食品之冷凍點降至 - 5℃時,稱為最大冰結晶生成帶。

2.7. 緩慢凍結與急速凍結:食品凍結時,其進行速度急速者較緩慢者效能為佳,生產力亦較高,食品冰結晶顆粒小,物理性損傷也少,因此食品液體之分離損失程度小,食品品質當然也較優。

緩慢與急速凍結在學理上之區分:

(1) 凍結魚肉:在35分鐘以內,食品通過最大冰結晶生成帶者,

稱為急速凍結。

(2) 凍結水果:凍結層自果皮表面向中心部進展之速度,超過3mm/min以上者,稱為急速凍結。

(3) 一般食品:以其中所產生之冰結晶顆粒大小在70μ以下者,稱為急速凍結。

2.8. 冷凍能力單位:係指單位時間內,冷凍機械能除去若干熱量之能力。工商業實用之單位,以冷凍頓表示之。

公制:1冷凍頓之能力,即是將1公頓(1000kg)0℃之純水於24小

時結成0℃的冰所需要之能力,故1冷凍頓為79680 kcal/24h。

美制:32 o F水1磅凍結成同溫度之冰所需之潛熱為144 B.T.U.,美制以2000磅為一頓,則一冷凍頓為288000 B.T.U./24h。

英制:英制一頓以2240磅計算,故一冷凍頓為342860 B.T.U./24h。

冷凍頓列表如下

單 位

Kcal/h

Kcal/24h

B.T.U./h

B.T.U./24h

公 制

3320

79680

13174

316194

美 制

3024

72576

12000

288000

英 制

3600

86400

14285

342860

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3.低溫食品保藏的原理

農產品採收後呼吸作用仍在進行,自家消化酵素也繼續作用,漁獲或禽畜屠體產品中亦有自家消化酵素進行,還有外來微生物之作用,使食品發生分解及腐敗,低溫的環境可減緩呼吸及酵素作用,抑制微生物的生長與繁殖,所以低溫環境可以延長食品貯存時間。

3.1. 酵素分解作用屬於化學反應的一種,依循溫度係數之法則,溫度愈低其分解作用愈微弱,至 - 20℃左右分解作用幾已停頓,但脂肪分解酵素於 - 20℃時,仍能徐徐發生分解作用,蔗糖分解酵素(Invertase)、糖質分解酵素(Zymase)、接觸酵素(Catalase)、還原酵素(Reductase)及脂肪分解酵素在 - 191℃之極低溫中仍未完全停止酵素活動。

脂肪經脂肪分解酵素加水分解後,成為甘油及脂肪酸,此種脂肪酸二價鍵經氧化後,變為氧化物或過氧化物,脂肪氧化後即呈黃褐色,俗稱”油燒”,再繼續氧化即產生酮及醛,而出現令人不快之臭味,此稱為脂肪的酸敗,此種徵候為脂肪之酸價或過氧化物的增加。

3.2. 在冷凍狀態之蔬菜仍有微生物之活動,Cladosporium可在 - 2℃下生長,Oidium SpeciesTorula可在 - 4℃下生長,Psychrophilic嗜冷菌可在 - 10~ - 20℃下生長,若干黴菌可在 - 6.6℃下緩慢生長,若干細菌可在 - 4℃下緩慢生長,Clostridium botulinum、傷寒菌、虎烈拉菌及其他傳染病菌可大部分死滅,但不能完全消滅。黴菌、酵母菌與細菌在冷凍食品中,可生存達數年,Cl. botulinum之孢子與毒素在冷藏食物中至少可存活一年以上,傷寒菌在冰淇淋中可生存達二年之久,冷凍食品解凍後應立即使用並調煮,不可生食。

3.3. 調氣貯藏(CA貯藏法):降低溫度,降低氧氣濃度及提高二氧化碳濃度以降低呼吸速率,可延長熟成所需之時間,以保持食品較佳之品質,常用於蘋果等水果之冷藏。

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4.冷藏食品所需具備之要件

4.1. 低溫的產生,必藉助於設計良好之冷凍機械,及合適之隔熱裝置,維持溫度變化在 ± 1℃的範圍內,克服影響溫度穩定的因素:如照明燈光、馬達、開啟冷藏門頻率,及維持貯藏食品適當的數量。

4.2. 維持冷藏環境之空氣循環暢通,及空氣中適當之相對濕度,太濕的空氣使食品表面長黴菌和細菌,太乾的空氣則會造成食品脫水,空氣理想之相對濕度為80~90%

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5.冷媒(refrigerant)

冷媒係冷凍系統中反覆循環使用,作為熱能輸送之媒介物質。其在液體狀態時,極容易吸熱,蒸發成氣體,又在氣體狀態時,極易放熱,冷凝為液體狀態。冷凍系統中利用冷媒此一容易蒸發又冷凝的特性,不斷地產生相的變化,在冷凍環境空間中吸熱蒸發,然後再放熱發生冷凝,如此周而復始地循環,扮演了熱傳遞的角色,而達到冷凍的目的。

5.1. 理想的冷媒應具備下列基本特性:

(1) 基於熱力學需要,蒸發潛熱要大。

(2) 蒸發壓力與凝縮所需之壓力差,愈小愈好。

(3) 容易被常溫的水或空氣冷卻而液化者。

(4) 無腐蝕性,並不容易與金屬發生作用者。

(5) 化學安定性佳,不容易分解者。

(6) 無可燃性及爆炸性,並具高度絕緣電阻。

(7) 一旦洩露,容易偵測檢漏特性。

(8) 黏度低,流動阻力小。

(9) 具潤滑性,但又容易與冷凍油分離。

(10) 價廉且容易購得。

完全合乎上述條件之冷媒者甚少。

5.2. 氨(R-717):氨(NH3),又稱為阿摩尼亞,是最早被用作冷媒的物質。其優點為:

(1) 蒸發潛熱值大,冷凍效率極高。

(2) 運轉壓力低,冷凍系統運轉材料成本低。

(3) 洩露時極易由氣味和測漏試紙偵察出。

(4) 不溶於油,卻極易溶於水,故為吸收式冷凍系統之主要冷媒。

(5) 對鋼鐵無腐蝕性。

(6) 壓縮冷凍系統中若稍含水份,不阻礙其運轉,無損害襯墊材料。

(7) 常溫及低溫下化性穩定。

其缺點為:

(1) 有毒性,並具有強烈刺激性氣味。對眼、鼻、喉、肺及皮膚會造成強烈刺激。

(2) 若與空氣混合,濃度佔空氣容積之16 ~ 27% 時,容易產生爆炸。

(3) 對銅、錫、鋅及銅合金屬類腐蝕性大,會侵蝕電化絕緣,故不適合密封式冷凍壓縮系統。

氨目前仍為各種工業冷凍系統及吸收式系統中,最主要被使用之冷媒,因此提高安全偵測及防護措施,為專業之重要課題。

5.3. Freon-12 分子式(CCl2F2) 編號R-12 :此本為應用最廣且最適合於家用冷凍系統之冷媒,其優點為:

(1) 冷媒中最安全無毒之一種。

(2) 化學穩定性極強,無腐蝕性、爆炸性及可燃性。

(3) 冷凝溫度高,適合一般空氣冷卻。

(4) 沸點低,故適用於冷凍冷藏系統。

其缺點是,若散發至空氣中易與大氣臭氧層作用,造成對地球環境的傷害,現已在國際環保組織的建議下停產及停用。

5.4. Freon-22 分子式(CHClF2) 編號R-22:為目前應用最廣泛的冷媒之一,其優點為:

(1) 化學性質極穩定,對金屬無腐蝕性或可燃性。

(2) 安全性高、無毒、無刺激性。

(3) 適合大型往復式壓縮機之空調系統。

5.5. 二次冷媒:一次冷媒在冷凍系統之蒸發器中蒸發產生低溫,此低溫產生另一種不凍液,此不凍液稱為二次冷媒。一般普遍採用的二次冷媒為氯化鈉及氯化鈣水溶液,俗稱鹽丹水,其他尚有氯化鎂、酒精、乙二醇、丙二醇等水溶液。

二次冷媒藉液體傳導及對流現象吸熱,為一種不改變型態,始終保持液態的冷熱傳遞媒介物。

在應用上其無毒性、無爆炸性、無可燃性的特性,可縮短冷媒所需之管路,減少一次冷媒使用量等優點。

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6.冷凍基本原理與設施

冷凍基本原理,在於利用冷凍循環機械系統,強制冷媒在特定條件下發生相的變化,伴隨著吸熱或放熱,以及自然界熱能,由高溫傳向低溫的傳導或對流的物理現象,以壓縮機為機械原動力,將冷媒壓縮,使之在整個循環系統中形成高壓端與低壓端。高壓高溫之冷媒經空氣或水準冷卻後液化,氣相變為液相所釋放之熱能,由空氣或冷卻水吸收。液化後之高壓冷媒,再經膨脹閥的控制進入蒸發器中釋壓氣化,利用液相變為氣相時,吸收熱能的本性,達到低溫的目的,已氣化之冷媒,再進入壓縮機開始另一循環。冷凍循環系統運轉即促使冷媒不斷地產生相的變化,完成熱能傳遞的功能。

6.1. 冷凍循環系統為一封閉的管路系統,包括有四個基本機組:壓縮機、凝結器、膨脹閥、蒸發器等,選擇適當的型式組合成系統。

6.1.1. 壓縮機基本型式的種類有:

(1) 往復式壓縮機。(圖三)

(2) 轉子式壓縮機。(圖四)

(3) 螺旋式壓縮機。(圖五)

(4) 離心式壓縮機。(圖六)

與電動機的組合型式可分:

(1) 開放式壓縮機。(圖七)

(2) 密封式壓縮機。(圖八)

(3) 半密封式壓縮機。(圖九)

組合應用多部壓縮機,串聯或並聯,可取得超低溫,又分:

(1)分段式。(圖十)

(2)串級式。(圖十一)

依電源供給方式分為:

(1) 單相電動機,又可分蔽極式(圖十二)、分相式、電容式(圖十三)、推斥式(圖十四)等。

(2) 三相電動機(圖十五)

6.1.2. 凝結器的三種基本型式:

(1) 水冷式(圖十六),又分為噴灑式(圖十七)、淋濺板式(圖十八)、雙曲線式(圖十九)、抽入通風式、壓力通風式(圖二十)

(2) 氣冷式(圖二十一)

(3) 蒸發式(圖二十二)

6.1.3. 膨脹閥是高壓低壓的分界點,其形型式又分為下列五種:

(1) 人工調整膨脹閥(圖二十三)

(2) 液位浮球控制膨脹閥(圖二十四),又分高壓側(圖二十五)或低壓側膨脹閥(圖二十六)

(3) 定壓膨脹閥(圖二十七)

(4) 感溫膨脹閥(TEV)(圖二十八)

(5) 毛細管膨脹閥(圖二十九)

6.1.4. 蒸發器有下列基本型式:

(1) 板管式(圖三十),家庭冰箱多用之。

(2) 裸管式(圖三十一)

(3) 鰭片排管式(圖三十二),用風扇驅動空氣冷卻。

(4) 殼管式(圖三十三),多用於水冷卻式。

6.1.5. 其他協助維護系統良好運轉之零件還有:

(1) 冷凍油分離器。

(2) 高低壓錶及高低壓自動斷電器。

(3) 貯液器。

(4) 乾燥器。

6.1.6. 機組組合

所有冷凍循環系統,依客觀條件之需求,選擇適當的機組組合,以發揮預期功能,如汽車之冷氣系統,由開放式壓縮機、氣冷式凝結器、膨脹閥、吹風式蒸發器所組合。

製冰棒之冷凍系統,由半密封式壓縮機、水冷式凝結器、感溫式膨脹閥、沉浸式蒸發器及二次冷媒所組合。

家庭用冰箱由密封式壓縮機,氣冷式凝結器、毛細管膨脹閥、及接觸式或吹風式蒸發器所組合。

6.1.7. 產業界常用之冷凍機種:

(1) 連續輸送帶式冷凍系統,也用於液態氮冷凍系統。

(2) 沉浸式急速冷凍系統,用於二次冷媒,以冷凍鹹魚等。

(3) 強力送風式急速冷凍系統,一般用於冷凍庫。

(4) 浮流式急速冷凍系統,專為散裝冷凍食品而設計之個別快速冷凍(individual quick freezing)設備,簡稱I.Q.F. 。

(5) 冷凍食品運輸車。

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7.解凍原理及方法

使冷凍食品內冰結晶融化的過程稱為解凍,目的在於提供熱量,促使固體冰融化,食品恢復凍結前狀態,解凍過程受許多相關條件影響,若控制不當,則難以得到良好品質之解凍食品。

自然解凍法因容易產生解凍滴液而失重,且會助長微生物繁殖與顏色改變等,影響產品品質。

7.1. 常用的解凍方法有:

(1) 空氣解凍法,耗時較久,且產品易變色。

(2) 液體解凍法,以10℃流水解凍,適合魚體的解凍。

(3) 煮熟解凍法,調理解凍,以熱水或蒸汽解凍成煮熟食品。

(4) 冷藏解凍法,適合家庭冰箱操作,維持4℃解凍,品質良好。

(5) 微波解凍法,由於微波穿透力強,品溫上升快,時間短,能防止解凍滴液外流,可保存營養完整,品質優良。

7.2. 解凍時之變化

(1) 短時間體積膨脹並內部壓力增加。

(2) 組織軟化。

(3) 水份容易蒸發。

(4) 解凍滴液外流。

(5) 微生物容易繁殖。

(6) 容易氧化變色。

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8.食品低溫保藏

8.1 蔬菜類冷藏冷凍:冷藏為葉菜類為短時間保鮮,最常用之方法,保存期限約為一星期,其步驟如下:

原料® 選別與清洗® 分級並去皮® 殺菁(93~96℃的熱水或100℃的蒸汽) 一至數分鐘® 預冷至10℃左右® 以鋁容器、塗腊容器或塑膠容器適當包裝後® 送入-30℃凍結室® 維持 -18℃以下凍藏® 以冷凍車輛運輸® 送到販賣冷凍櫃。

8.2. 肉類冷藏冷凍

從屠殺之前處理開始,包括電擊、放血、脫毛、切除頭部、剖切、去內臟、沖洗及屠体衛生檢察完畢® 預冷於 0 ~ 5℃,目的使冷凍時,製品能最快速通過最大冰結晶生成帶,除去僵直熱,防止污染及容易分切操作等® 分裝於PE袋® 在放於瓦楞紙箱中® 移入 - 35℃~ - 40℃之凍結室,使中心溫度達 - 18℃以下。

8.3. 魚類冷藏冷凍

依照魚之種類,大小及使用目的,運用不同設備機具,過程包括:去頭、去內臟、清洗、裝盤等® 以送風凍結、接觸凍結或浸漬凍結行之® 後處理包括脫盤、包冰衣及包裝® 塑膠袋包裝® 密封® 維持 - 18℃以下凍藏。

8.4. 乳類冷藏冷凍

牛乳榨乳前,榨乳器具之清洗,滅菌,榨乳後立即冷卻,維持4℃以下,送到工廠® 檢乳® 均質化以防止脂肪分離® 殺菌61.7~62.8℃30分鐘,或71.1~ 73.9℃15秒鐘,或135℃兩秒鐘® 冷卻® 裝罐® -30℃急速凍結® -25℃冷凍貯藏,解凍後蛋白質會沉澱。

8.5. 蛋類冷藏冷凍

8.5.1. 全雞蛋冷藏過程

雞蛋洗淨® 乾燥® 檢蛋,除去血蛋、異物及龜裂等不良蛋® 自動選別® 分級包裝,在 - 0.5 ~ 1℃,相對濕度80~85%之冷藏,可貯藏三個月。

8.5.2. 液態蛋

液態蛋之種類包括:卵黃、加糖卵黃、加鹽卵黃、卵白、全蛋及加糖全蛋等,加糖或加鹽可防止凍結過程所造成卵黃失去流動性之不可逆反應,過程如下:原料® 水洗® 乾燥® 檢蛋® 割蛋® 檢查® 蛋白與蛋黃分離® 混合® 過濾® 加糖鹽等® 充填容器® 凍結至 - 6℃以下® 貯藏。

8.6. 調理食品冷凍

經加熱或煮熟,甚至只需解凍即可食之冷凍食品,稱為冷凍調理食品,例如冷凍水餃、冷凍餛飩、冷凍春捲、冷凍包子等,凍結前之前處理可分為:原料洗滌® 分切® 修整® 選別® 殺菁® 依種類不同攪拌® 添加調味料與食品添加物® 成型® 蒸、煮、炒、炸等熱處理® 冷卻到10℃以下® 包裝® 凍結到-18℃以下® 冷凍運輸® 冷凍窗櫥陳列。

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9.結論

研究低溫保藏範圍可分為三個領域:

(1) 有關理論與機具設計方面,請參閱連錦杰先生所著冷凍原理一書,書中討論有關熱力學之變化理論。

(2) 有關冷藏冷凍機具之維護,請參閱連錦杰先生所著冷凍空調維護技術,以及陳富雄先生所著冷凍空調操作實習一書,書中討論有關各式機具之圖表及工具儀器之操作。

(3) 有關冷凍食品保藏之原理,請參閱章惠訓先生所著冷凍食品之原理與加工,以及鍾忠勇先生所著冷凍食品之原理與加工(上、下冊),書中討論有關食品保藏之品質變化等。

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10.參考資料 (依姓氏筆劃排序)

(1) 章惠訓 冷凍食品之原理與加工 (1967)

(2) 陳富雄 冷凍空調操作實習 (1994)

(3) 連錦杰 冷凍原理 (1979)

(4) 連錦杰 冷凍空調修復技術 (1981)

(5) 霍蓮池 水產製造學 (1967)

(6) 賴滋漢 食品加工(2) (1991)

(7) 鍾忠勇 冷凍食品之原裡與加工(2)

(8) 續光清 食品工業 (1977)

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