食品冷凍技術(shù)論文(2)
食品冷凍技術(shù)論文
食品冷凍技術(shù)論文篇二
日本冷凍食品物流與冷鏈技術(shù)
摘要：近年來，隨著社會(huì)結(jié)構(gòu)呈多元化發(fā)展趨勢，日本外餐飲業(yè)得到迅速發(fā)展，人們開始注重對冷凍食品的安全、安心、衛(wèi)生、營養(yǎng)和色香味等各方面的控制要求，由此也極大推動(dòng)了日本冷凍食品物流與冷鏈技術(shù)的發(fā)展。日本冷凍食品物流與冷鏈技術(shù)有何過人之處?本文分別從-40℃以下的超低溫冷凍(SF級)、-20℃以下的冷凍(F級)和-20%以上的冷藏(C級)三個(gè)層面做了具體的介紹，希望能夠給業(yè)界帶來一定的啟示。
關(guān)鍵詞：食品冷鏈、制冷技術(shù)、自然冷媒
一、前言
近代日本社會(huì)，女性積極參與社會(huì)活動(dòng)，社會(huì)結(jié)構(gòu)呈多元化發(fā)展趨勢，如少子雙職工家庭、單親家庭、獨(dú)身及社會(huì)老齡化的增加逐步成為社會(huì)的普遍現(xiàn)象。人們的社會(huì)活動(dòng)及生活節(jié)奏隨之也出現(xiàn)相應(yīng)的變化，從圖1可以看出，日本外餐飲(指外出就餐和從便利店或超市或餐廳購入成品半成品，即外部人為調(diào)理過的食品)業(yè)的迅速發(fā)展促進(jìn)了家庭的平均外餐比例(36.0%)，即使在家用餐也是盡量從簡，多從超市或便利店購買加工或半加工食品(比例達(dá)44.7%)，以減少花在調(diào)理家庭餐飲的時(shí)間。
從圖2可以看到，外購的加工或半加工食品中非油炸和油炸的調(diào)理食品居高不下，分別占第一和第二位。因此，食品的保鮮保存以及冷凍引起了人們的高度關(guān)心，比較開始注重對冷凍食品的安全、安心、衛(wèi)生、營養(yǎng)和色香味等各方面的控制要求。
食品中的肉類和魚蚧類平均含水70%～80%，果蔬類80%～90%以上。因此，如何處理好“水”基本上決定著食品的保鮮。以下，本文分別介紹日本三種不同溫度帶的食品冷鏈及其相應(yīng)的制冷技術(shù)，即：-40℃以下的超低溫冷凍(SF級)、-20℃以下的冷凍(F級)和-20℃以上的冷藏(c級)。
二、-40℃以下的超低溫冷凍(SF級)
以金槍魚的超低溫冷鏈為例。
眾所周知，日本是世界上最大金槍魚消費(fèi)國，據(jù)日本《水產(chǎn)物流通統(tǒng)計(jì)》資料，其中用于刺身和壽司的生魚片消費(fèi)量占去80%以上。
對于一般冷凍食品的最基本溫度要求是-18℃以下，這是因?yàn)榈蜏貭顟B(tài)可以最有效地抑制食品中細(xì)菌的活動(dòng)能力，防止食物的細(xì)菌繁殖和腐敗。然而，金槍魚魚體的無脂肪組織中含有豐富的血紅蛋白(呈鮮紅色)，只有處于-50℃以下才不會(huì)隨時(shí)間而氧化色變成茶褐色的高鐵血紅蛋白，所以對金槍魚魚體的保存溫度設(shè)定為-55℃以下。圖3是日本目前所應(yīng)用的金槍魚超低溫冷鏈，過程如下：
a.遠(yuǎn)洋超低溫金槍魚延繩釣船出海駛往指定漁場實(shí)施捕撈。
b.遠(yuǎn)洋冷凍運(yùn)輸船巡回漁區(qū)向各遠(yuǎn)洋超低溫金槍魚延繩釣船收購金槍魚，滿載后返航基地。
c.卸下的金槍魚立即被送入陸用超低溫冷庫冷藏。
d.金槍魚進(jìn)入中央批發(fā)市場的低溫分區(qū)競賣。
e.買主自己或委托加工，分類包裝后運(yùn)至目的地的市場上架出售。
f.消費(fèi)者購買回家上餐桌。
以下介紹主要環(huán)節(jié)中使用的制冷系統(tǒng)設(shè)備及其相應(yīng)技術(shù)。
1.遠(yuǎn)洋超低溫金槍魚延繩釣船用制冷系統(tǒng)及其主要設(shè)備
近年口本的金槍魚捕撈方法發(fā)生了一些變化，采用對保護(hù)資源比較有利的傳統(tǒng)的延繩釣法。在海上，把釣到的金槍魚的魚鰓和內(nèi)臟進(jìn)行及時(shí)處理，隨后將魚體送入-55℃的冷凍艙以最快速度強(qiáng)制冷凍至魚體芯溫-55℃，再轉(zhuǎn)入-50℃的冷藏艙冷藏。這種遠(yuǎn)洋超低溫金槍魚延繩釣船用的制冷系統(tǒng)采用海水冷卻的NH3-R23復(fù)疊制冷配NH3載冷劑循環(huán)系統(tǒng)，這是為了減少R23冷媒的充填量，因?yàn)镽23屬于溫室效應(yīng)系數(shù)值偏大的HFC氟利昂冷媒。圖4表示了遠(yuǎn)洋超低溫金槍魚延繩釣船用的NH3-R23復(fù)疊制冷配NH3載冷劑循環(huán)系統(tǒng)及其設(shè)備規(guī)格。目前，這一系統(tǒng)屬于過渡性系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)的R22單機(jī)雙級活塞式壓縮制冷系統(tǒng)，相信在不久的將來，這種制冷系統(tǒng)會(huì)被自然冷媒的制冷系統(tǒng)所替代。
2.陸用超低溫金槍魚冷藏庫的制冷系統(tǒng)及其主要設(shè)備
由大型遠(yuǎn)洋冷凍運(yùn)輸船在漁區(qū)收購洋上作業(yè)的超低溫金槍魚延繩釣船冷藏的金槍魚被運(yùn)回基地卸貨后，直接被送入-60℃的陸用超低溫金槍魚冷藏庫儲(chǔ)存。近年，有些陸用超低溫金槍魚冷藏庫開始采用最先進(jìn)的開放式空氣制冷系統(tǒng)，如圖5所示。
這種制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)是：
①采用空氣作為冷媒。
②直接把由壓縮機(jī)升壓后的過冷空氣經(jīng)膨脹機(jī)膨脹后送至庫內(nèi)，即制冷系統(tǒng)里不存在蒸發(fā)器。
?、壑评湎到y(tǒng)中不需要使用冷凍機(jī)油。
?、芘蛎洐C(jī)、壓縮機(jī)和電機(jī)合為一體，把膨脹過程作功的能啦回報(bào)于壓縮機(jī)，起到節(jié)能作用并提高了制冷循環(huán)的COP，如圖5的右圖所示，在-60℃以下的低溫區(qū)域，它的COP將高于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)。
?、輲靸?nèi)無蒸發(fā)器的開放式空氣制冷系統(tǒng)以空氣為冷媒，不仔在因冷媒泄漏污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。
?、拊谙驇靸?nèi)送風(fēng)的管道中設(shè)置了除霜設(shè)備，解決了庫內(nèi)積霜的問題。
這種SF級超低溫玲凍冷藏庫使用的開放式空氣制冷系統(tǒng)，不僅逐步在日本國內(nèi)被推廣采用，而且在臺(tái)灣和韓國等地區(qū)和國家也已經(jīng)開始被采用，如圖7所示的是采用這種開放式空氣制冷系統(tǒng)的韓國超低溫金槍魚冷凍冷藏庫。
3.中央批發(fā)市場低溫競賣分區(qū)的制冷系統(tǒng)及其主要設(shè)備
最近日本某市建設(shè)了一個(gè)被稱具有全國一流衛(wèi)生管理體制的中央批發(fā)市場，具體要求是在整個(gè)競賣過程中控制被競賣商品的溫度。以金槍魚為例，要求將超低溫冷凍或生鮮的金槍魚分別被安置于環(huán)境溫度維持在4℃和10℃的區(qū)域。這個(gè)中央批發(fā)市場低溫競賣分區(qū)所采用的是利用電價(jià)較低的夜間電力的“夜間冰蓄冷+白天追加運(yùn)行”的制冷系統(tǒng)，如圖8所示。
三、-20℃以下的冷凍(F級)
以肉類食品的低溫冷鏈為例。
1.冷鏈中的HACCP管理制度
在日本，自定義HACCP(Hazard Analysis and Critical ControlPoint，危害分析與關(guān)鍵控制點(diǎn))為“預(yù)先調(diào)查食品從原料開始經(jīng)過制造、加工、保存、流通最終到消費(fèi)者手上為止的每一個(gè)工序可能發(fā)生的病原微生物及腐敗微生物等的微生物危害、化學(xué)危害以及物理危害，為防止這些危害的發(fā)生而實(shí)施對每一個(gè)工序的連續(xù)性監(jiān)視”以來，開始對家蓄養(yǎng)殖場以及食品加工產(chǎn)業(yè)實(shí)施HACCP管理制度的認(rèn)證體制。 2.肉食品的全自動(dòng)加工
在食品加工過程中，除嚴(yán)格控制食品溫度是一種有效防范微生物繁殖的措施外，嚴(yán)格預(yù)防來自帶菌空氣的侵入造成對食品污染也是一種必須的衛(wèi)生隔離措施，比如冷凍冷藏庫的送風(fēng)系統(tǒng)將保持食品加工車間的正壓預(yù)防來自外部空氣中的細(xì)菌侵入，盡量實(shí)現(xiàn)食品加工的機(jī)械化以防來自工作人員的帶菌作業(yè)等，逐步實(shí)現(xiàn)HACCP的管理體制。
3.速凍技術(shù)與速凍機(jī)
上文曾提到“食品中肉類和魚蚧類均含水70%～80%，果蔬類80%～90%以上”。一般認(rèn)為，水到了0℃結(jié)冰，稱為冰點(diǎn)。當(dāng)水中融入其他成分，其“冰點(diǎn)”便有所下降，比如食品的組織水分中融入氨基酸和微量元素后，這個(gè)組織液的”冰點(diǎn)”就會(huì)降至-1℃～-5℃之間，被稱為“最大冰晶生成帶”。組織液形成的冰晶如果較長時(shí)間停留在這個(gè)溫度帶便會(huì)逐漸長大并相互擠壓，導(dǎo)致組織細(xì)胞的細(xì)胞膜破裂，如圖9。如能讓食品組織液的冰晶在迅速通過這個(gè)“最大冰晶生成帶”，便能有效避開組織液的冰晶在“最大冰晶生成帶”的成長，組織細(xì)胞內(nèi)外的液體冰晶的壓力從而得以平衡，保護(hù)了食品的組織細(xì)胞不受破壞。
經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，得出影響冷凍速度的主要因素是溫度和風(fēng)速的結(jié)果。根據(jù)這一結(jié)果，本公司研發(fā)并制造出噴嘴出口風(fēng)速達(dá)到15m/s的噴流式速凍機(jī)(產(chǎn)品名ThermoJack)，它的特點(diǎn)是凍結(jié)時(shí)間為傳統(tǒng)凍結(jié)方式的三分之一，凍結(jié)質(zhì)量穩(wěn)定，清洗方便，節(jié)能以及結(jié)構(gòu)緊湊，圖10展示了這種速凍機(jī)的噴嘴結(jié)構(gòu)和三種傳送網(wǎng)帶類型的噴流式速凍機(jī)。相比傳統(tǒng)的速凍機(jī)，這種類型的速凍機(jī)提高了一倍以上的凍結(jié)速度，肉類組織細(xì)胞受傷要小得多，充分顯示出它的優(yōu)越性。
4.現(xiàn)代化多溫度冷凍冷藏庫
日本倉庫行業(yè)的《倉庫業(yè)法》明確對各類冷凍冷藏庫的溫度范圍作出等級分類，并規(guī)定相應(yīng)溫度冷凍冷藏庫的使用用途，如表1所示。
在要求全球化的環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀下，盡快尋求新的替代冷媒是全球制冷界面對現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我們通過理論與實(shí)踐的探討，提出了五種適用表1中所示的不同溫度帶的自然冷媒來替代現(xiàn)在的HFC氟利昂冷媒，如圖11所示。
考慮到各類冷凍冷藏庫的使用特點(diǎn)，我們提出采用NH3和CO2兩種自然冷媒，并研討了它們相應(yīng)的理論制冷循環(huán)特性，提出如下建議(如圖12所示)。。
?、僬舭l(fā)溫度約-20℃以上，采用單機(jī)單級NH3壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)(蒸發(fā)溫度-10℃以下帶經(jīng)濟(jì)器)。
?、谡舭l(fā)溫度約-50～-20℃之間，采用單機(jī)雙級NH3制冷循環(huán)配CO2載冷劑循環(huán)系統(tǒng)。
?、壅舭l(fā)溫度約-50℃以下，采用NH3-CO2復(fù)疊壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)。
?、鼙?中的F級/c級冷凍冷藏庫適合采用單機(jī)雙級NH3制冷循環(huán)配CO2載冷劑循環(huán)系統(tǒng)，如圖13所示。
圖14所示的是本公司研發(fā)制造并投入運(yùn)行的單機(jī)雙級NH3制冷循環(huán)配CO2載冷劑循環(huán)系統(tǒng)(產(chǎn)品名為NewTon系列)的主要設(shè)備及其節(jié)能效果的統(tǒng)計(jì)，很明顯，100多個(gè)冷庫采用了這樣的系統(tǒng)以后要比以前傳統(tǒng)的tL22或NH3鹽水系統(tǒng)節(jié)能約25%～30%。引進(jìn)CO2作為載冷劑，利用它蒸發(fā)潛熱大的特性大幅度減少了NH3充填量，如1萬噸的冷凍冷藏庫只需充填75kg的NH3冷媒。
這種系統(tǒng)的傳熱效果很穩(wěn)定，因?yàn)镃O2載冷劑循環(huán)中無油，所以庫內(nèi)CO2蒸發(fā)器不會(huì)出現(xiàn)像傳統(tǒng)的冷媒蒸發(fā)器那樣隨運(yùn)行時(shí)間而傳熱性能下降的現(xiàn)象甚至故障。冷凝器和蒸發(fā)器均采用完全焊接式的殼板式換熱器，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常緊湊并安置于冷凍冷藏庫的頂層(如圖15左)。為更安全起見，在機(jī)房外配置了自帶應(yīng)急發(fā)電機(jī)的NH3泄漏中和處理的冷媒凈氣裝置(如圖15右)。
售后服務(wù)方面也已超越現(xiàn)行的事故后修繕處置的概念。本系統(tǒng)采用配有衛(wèi)星遠(yuǎn)程監(jiān)控的“機(jī)能性維修保養(yǎng)”系統(tǒng)(如圖16)。冷凍機(jī)制造者的售后服務(wù)部門值班人員通過衛(wèi)星或光纜的通訊手段，對全部運(yùn)行中的NewTon機(jī)組及其黍統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)立即自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)通知離用戶距離最近的冷凍機(jī)制造者地方服務(wù)網(wǎng)站，在未發(fā)生停機(jī)事故狀態(tài)下指示現(xiàn)原因并作出調(diào)整，如有必要立即派出24小時(shí)待命的維修人員趕赴現(xiàn)場實(shí)施維修保養(yǎng)，預(yù)防事故于未然。一旦NH3泄漏超過法定量泄漏處理的冷媒凈氣裝置會(huì)立即自動(dòng)啟動(dòng)回收并用濃硫酸中和處理已被封閉式箱體上方的噴淋水稀釋的堿性漏NH3，如果遇上因地震等自然災(zāi)害時(shí)主電源被切斷的情況，啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)繼續(xù)處理漏NH3。當(dāng)然，至本稿發(fā)稿時(shí)還沒有發(fā)生過上述情況。
另外，在近代的冷凍冷藏庫中，還應(yīng)該考慮為整個(gè)冷凍冷藏庫建筑物引進(jìn)保持內(nèi)部正壓和合適濕度的高效除濕裝置(如圖17)，既保證出庫商品的清潔衛(wèi)生度，也防止外界熱空氣的侵入和節(jié)能。在冷庫庫門前設(shè)置本公司開發(fā)的高效風(fēng)幕(如圖18)，防止庫門開啟時(shí)的內(nèi)外大溫差引起庫內(nèi)外的高低溫氣流的流出和侵入，影響庫溫控制的不穩(wěn)定和機(jī)組系統(tǒng)耗能增大。
四、-20℃以上的冷藏(C級)
以果蔬類食品冷鏈為例。
果蔬食品的最大特點(diǎn)之一是含水80%～90%以上，其二是這類食品的化學(xué)反應(yīng)以及細(xì)菌繁殖速度與溫度存有很密切的關(guān)系。低溫狀態(tài)可以降低食品的分了‘運(yùn)動(dòng)能量、化學(xué)反應(yīng)速度，抑制細(xì)菌的繁殖，延長食品保存的時(shí)問。但是，這類食品一旦在進(jìn)入低于0℃以下的低溫狀態(tài)尤其是結(jié)冰后，它的活體會(huì)突顯完全不同的生命活動(dòng)體征，既便是通過解凍來恢復(fù)原狀，遺憾的是無論在營養(yǎng)還是色香味等方面都不可能完全復(fù)原，見圖19。
1.微生物繁殖的3個(gè)基本要素是吸收10℃以上溶解于水分中的食品營養(yǎng)，它的繁殖最旺盛的溫度帶是10～40℃。細(xì)菌在65℃以上會(huì)死亡，反之被降溫至10℃以下會(huì)降低繁殖速度，低于-5℃急速抑制繁殖速度，直至低于-18℃以下將會(huì)被凍死或停止活動(dòng)。(如圖19左)
2.生鮮果蔬食品一旦被降溫至0℃以下并進(jìn)入“最大冰品生成帶”，隨著凍結(jié)時(shí)間的延長受凍害范圍越廣程度越深。(如圖19右) 3.加熱和冷凍處理都是食品的保存方法，其中冷凍方法適合于果蔬食品的長期保存，且只有急速通過0～-5℃的“最大冰結(jié)晶生成帶”，果蔬食品的組織細(xì)胞才能不受到破壞或少受破壞。由此可見，采用速凍方法對于果蔬食品的保存是比較適合的，圖20所示的是現(xiàn)在常用的一種可以較長期保存果蔬食品的流態(tài)速凍機(jī)。
4.因?yàn)椴煌贩N的速凍食品有著各自合適的解凍方法乃至調(diào)理烹飪方式，稍有不適都會(huì)偏離人們對食品色、香、味和所持有營養(yǎng)的要求，所以對冷凍食品的解凍方法乃至調(diào)理烹飪方式的研究及其產(chǎn)品的開發(fā)也都是很重要的。
5.生鮮果蔬食品的保存方法，根據(jù)不同微生物的繁殖速度，必須嚴(yán)格控制溫度在0-10℃之間，而且必須在最短的時(shí)間內(nèi)完成從產(chǎn)地到達(dá)消費(fèi)者的餐桌上的各道處理工序。(如圖21)。
6.自產(chǎn)地收割后的生鮮果蔬食品并沒有因此停止它們的生命活動(dòng)，而是開始消耗自身儲(chǔ)存的營養(yǎng)和能量得以維持，所以從產(chǎn)地到消費(fèi)者的餐桌上的時(shí)間越短保鮮程度越高。嚴(yán)格的溫度控制和最短的運(yùn)輸時(shí)間是保存生鮮果蔬食品的必要條件。2012年日本消費(fèi)經(jīng)濟(jì)研究室研究課題為《從北海道向本島運(yùn)輸生鮮果品的現(xiàn)狀》的調(diào)查報(bào)告結(jié)果表明，消費(fèi)者對果蔬食品的運(yùn)輸時(shí)間最為關(guān)心，其次是對果蔬食品的溫度控制。但是，生產(chǎn)者對在保持果蔬食品新鮮程度下的運(yùn)輸成本更為關(guān)心。
從以上的分析得出，首先要做好生鮮果蔬食品第一時(shí)間的產(chǎn)地預(yù)冷，使其盡快進(jìn)入休眠狀態(tài)，以免消耗能量和營養(yǎng);其二，盡量減縮中間處置環(huán)節(jié)和時(shí)間，可以利用冷凍冷藏車邊運(yùn)輸邊預(yù)冷或者利用產(chǎn)地低溫水進(jìn)行預(yù)冷及清洗，再經(jīng)過分類、挑選、裝箱直送達(dá)目的地，其中必須保持運(yùn)輸過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的溫度控制，且做好記錄并保存文檔。
7.超市和便利店的制冷系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢。在日本超市(SuperMarket，簡稱SM)和24小時(shí)便利店(convenience Store，簡稱CVS)已經(jīng)非常深入人們的社會(huì)活動(dòng)和生活，其中各種用途的小型冷柜冷藏庫也是必不可少。最近，這樣店鋪的中小型制冷系統(tǒng)正在發(fā)生變化，就是使用自然冷媒CO2的制冷系統(tǒng)正在迅速地替代具有高溫室效應(yīng)系數(shù)的HFC氟利昂冷媒的制冷系統(tǒng)，如圖22所示。
在日本，至今已有600多家店鋪的制冷系統(tǒng)開始采用CO2制冷系統(tǒng)。據(jù)制造者的統(tǒng)計(jì)，CO2制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果要比HFC制冷系統(tǒng)提高10%～26%。在日本，北方地區(qū)要比南方地區(qū)的節(jié)能效果更顯著，這是因?yàn)楸狈降貐^(qū)的環(huán)境溫度比南方地區(qū)低，同時(shí)也由CO2和HFC冷媒的熱物性所決定。除日本以外，近年海外有名的法國超市連鎖店家樂福和德國的麥得龍也相繼提出采用自然冷媒的制冷系統(tǒng)。
五、結(jié)語
本文對三種不同溫度帶的日本冷凍食品物流及冷鏈技術(shù)概況作了介紹，從中可以得到以下啟不：
1.食品主要成分是組織液和蛋白質(zhì)等。食品保鮮是利用溫度和速度追求對組織液的控制。
2.制冷設(shè)備相關(guān)企業(yè)通過實(shí)踐為食品保鮮研發(fā)出各類滿足社會(huì)不同需求的相關(guān)制冷設(shè)備。
3.食品冷鏈?zhǔn)怯梅N類豐富的制冷設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種最佳組合。是科學(xué)且復(fù)雜的系統(tǒng)工程。
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