在食品的凍結(jié)過(guò)程中，伴隨若水由液態(tài)到固態(tài)的相變，由此引起食品物性、物理形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)的變化，并進(jìn)一步引發(fā)食品一些生化特性的變化。分析這些變化產(chǎn)生的原因，對(duì)食品冷凍工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有若重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。
一、食品在凍結(jié)過(guò)程中的變化
體積變化
水在4℃時(shí)密度最大，0℃時(shí)水結(jié)成冰，體積增大約9%。
由于食品含有各種干物質(zhì)，所以凍結(jié)后體積變化與純水不同，約增加6%，且隨食品的含水量而變化。
食品凍結(jié)時(shí)表面水分首先結(jié)成冰，然后冰層向內(nèi)部延伸。當(dāng)內(nèi)部的水分因凍結(jié)而膨脹時(shí)會(huì)受到外部?jī)鼋Y(jié)層的阻礙，于是產(chǎn)生內(nèi)壓，稱做凍結(jié)膨張壓，理論計(jì)算數(shù)值可高達(dá)8.7MP。外表凍結(jié)層不能承受膨脹壓時(shí)就會(huì)破裂，如采用一196℃的液氨凍結(jié)金槍魚(yú)時(shí)，由于厚度較大，凍品會(huì)發(fā)生龜裂。對(duì)這樣的食品常采用分段冷卻、凍結(jié)的方法，使其溫度內(nèi)外均衡后，逐漸降低凍結(jié)溫度，以防止龜裂。
2.熱物性變化
（1）比熱容的變化：食品的比熱容隨含水量而異，含水量多的食品比熱容大，含脂量多的食品比熱容小。冰的比熱容是2.OkJ/（kg·K），約為水的1/2.所以對(duì)一定含水量的食品，凍結(jié)點(diǎn)以上的比熱容要比凍結(jié)點(diǎn)以下的大，具體請(qǐng)參考第四章相關(guān)內(nèi)容。
在食品凍結(jié)過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，凍結(jié)率在不斷變化，會(huì)對(duì)食品的比熱容帶來(lái)影響。因此需根據(jù)食品的品溫求出凍結(jié)率，對(duì)比熱容進(jìn)行修正。
（2）熱導(dǎo)率的變化：構(gòu)成食品主要物質(zhì)的熱導(dǎo)率如表4-14所示。水的熱導(dǎo)率為0.6W/（m·K），冰的熱導(dǎo)率為2.21W/（m·K），約為水的熱導(dǎo)率的4倍。其他成分的熱導(dǎo)率基本上是一定的。但因?yàn)樗谑称分械暮恳话闶呛芨叩模虼耍?dāng)食品凍結(jié)時(shí)冰層由外向內(nèi)推進(jìn)使熱導(dǎo)率提高，從而提高了凍結(jié)速度；解凍時(shí)冰層由外向內(nèi)逐漸融化成水，熱導(dǎo)率降低，從而降低解凍速度。
此外，熱導(dǎo)率還受含脂量的影響，含脂量高則熱導(dǎo)率小：熱導(dǎo)率還有方向性，熱流方向與肌肉纖維平行時(shí)熱導(dǎo)率大，垂直時(shí)小。
3.干耗
食品凍結(jié)過(guò)程中，因食品中水分從表面蒸發(fā)或升華，造成食品質(zhì)量減少，俗稱“干耗”。干耗不僅給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，還給凍品的品質(zhì)和外觀帶來(lái)影響。例如日宰2000頭豬的肉聯(lián)廠，干耗以2.8%或3%計(jì)算，要年損失約600t肉，相當(dāng)于15000頭豬。
干耗發(fā)生的原因是凍結(jié)室內(nèi)的空氣未達(dá)到水蒸汽飽和狀態(tài)，其蒸汽壓小于飽和水蒸氣壓，而食品含水量較高，其表層接近飽和水蒸氣壓，在蒸汽壓差的作用下，食品表面的水分向空氣中蒸發(fā)或升華，內(nèi)層水分在擴(kuò)散作用下向表面層移動(dòng)。由于凍結(jié)室內(nèi)的空氣連續(xù)不斷地經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，空氣中的水蒸氣凝結(jié)在蒸發(fā)器表面，減濕后常處于不飽和狀態(tài)，所以凍結(jié)過(guò)程中的干耗在不斷進(jìn)行著。
食品凍結(jié)過(guò)程中的干耗可用下式表示：
上述關(guān)系式表明，蒸汽壓差、表面積愈大，則凍結(jié)食品的干耗愈大。如果用不透氣的包裝材料將食品包裝后凍結(jié)，由于食品表面的空氣層處于飽和狀態(tài)，其蒸汽壓差減小，就可減少干耗。
此外，凍結(jié)室中的空氣溫度和風(fēng)速對(duì)食品的千耗也有影響。空氣溫度低，相對(duì)濕度高，蒸汽壓差小，食品的千耗亦小。一般的，風(fēng)速加大增加千耗量。
但如果凍結(jié)室內(nèi)是高濕、低溫，加大風(fēng)速可提高凍結(jié)速度，縮短凍結(jié)時(shí)間，食品也不會(huì)過(guò)分干耗。
4.機(jī)械損傷
食品凍結(jié)時(shí)，冰晶的形成、體積的變化及內(nèi)部的溫度梯度等將導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，最終產(chǎn)生機(jī)械損傷。植物細(xì)胞內(nèi)有大的液泡、含水量大，且細(xì)胞壁跪硬，更易受到機(jī)械損傷。機(jī)械應(yīng)力與食品的尺寸、凍結(jié)速率和凍結(jié)終溫有關(guān)，小尺寸的食品以及凍結(jié)速率慢時(shí)，機(jī)械應(yīng)力有足夠的時(shí)間得到釋放和擴(kuò)散，可以減少機(jī)械損傷。
5，蛋白質(zhì)凍結(jié)變性
魚(yú)、肉等動(dòng)物性食品中，構(gòu)成肌肉的主要蛋白質(zhì)是肌原纖維蛋白質(zhì)。在凍結(jié)過(guò)程中，肌原纖維蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生冷凍變性，表現(xiàn)為鹽溶性降低、ATP酶活性減小、鹽溶液的黏度降低、蛋白質(zhì)分子產(chǎn)生凝集使空間立體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等。蛋白質(zhì)變性后的肌肉組織，持水力降低、質(zhì)地變硬、口感變差，作為食品加工原料時(shí)，加工適宜性下降。
蛋白質(zhì)發(fā)生冷凍變性的原因目前尚不十分清楚，但可認(rèn)為主要是由下述的一個(gè)或幾個(gè)原因造成的：①凍結(jié)時(shí)食品中的水分形成冰晶，無(wú)機(jī)鹽濃縮，鹽析作用使蛋白質(zhì)變性：②慢速凍結(jié)生成的大冰晶擠壓肌細(xì)胞內(nèi)的肌原纖維，集結(jié)成束，發(fā)生凝集而變性：③脂類分解的氧化產(chǎn)物對(duì)蛋白質(zhì)的變性有促進(jìn)作用；
④機(jī)械應(yīng)力和冰品損傷細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)（cytoskeleton），引起組成這些超微結(jié)構(gòu)的蛋白變性。
6.變色
主要指冷凍水產(chǎn)品的變色，從外觀上看通常有褐變、黑變、退色等現(xiàn)象。原因主要有兩個(gè)：①自然色澤的分解，如紅色魚(yú)皮的退色、冷凍金槍魚(yú)的變色等；②產(chǎn)生新的變色物質(zhì)，如蝦的黑變、螞肉的褐變等。
變色不但使水產(chǎn)品的外觀變差，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生異味，影響凍品的質(zhì)量。
