冷冻专家：为您的生产线选择合适的食品冷冻技术

　　　1.引言

　　冷冻和冷却是食品生产与配送过程中相当重要的环节。毋庸置疑，随着食品行业今后对冷冻和冷却需求的持续增长，越来越多的食品加工者会提升或扩充其冷冻与冷却生产线。然而，这样的提升与扩充并非像以前那样简单。目前食品冷冻技术的发展日新月异，传统机械式食品冷冻设备虽仍然被广泛使用，但它们正在被诸多更有优势的新型食品冷冻设备及技术所取代。那么怎样的食品冷冻系统才适合今天的食品加工者？这些冷冻系统各有哪些利弊？食品加工者们该如何做出正确的选择，以确保方案最佳，最适合业务发展？

　　2.食品冷冻工艺比较

　　当今的食品冷冻工艺可归为三大类别：

　　•机械式食品冷冻设备使用一个制冷剂的密闭循环系统，通过空气与食品的热交换间接降低食品温度。
　　•超低温食品冷冻设备则通过液氮(-196°C)或者二氧化碳直接接触食品而降低食品温度。
　　•冲击式食品冷冻设备通过高速喷射气流直接冲击食品。

　　上述三种食品冷冻工艺类别，包括隧道、螺旋、单体速冻以及流化床在内的各种系统设计形式都适用。其中最优的设备系统视食品类型和尺寸、目标产能、工厂空间布局等一系列要素而定。这三类食品冷冻工艺及其系统装置各具优缺点。食品加工者只有在认真分析其独特的环境和要求时，才可以因地制宜找到最佳解决方案。

　　3. 食品冷冻工艺选型时的影响因素

　　当决定哪种食品冷冻工艺应用于食品加工者的生产线时，一些因素需要关注。这些因素大体分为四大类：产品质量和产能要求、工厂管理要求、财务考量以及环境因素。

　　3.1 产品质量

　　水分流失/水分含量

　　所有的食品冷冻工艺都会引起食品不同程度的水分流失，无论是在食品冷冻(蒸发性的产品净重损失)，还是食品解冻(汁液流失)过程中。

　　•尤其是肉制品、禽类和水产品，蒸发性的净重损失降低了产品净含量及其附加值。同时食品表面的干耗影响到产品的口感、质地、色泽以及烹饪加工的时间。蒸发性的净重损失降低了食品表层的热传导速率，并由此延长了食品烹饪加工的时间。而这在那些对时间要求非常高的应用中显得尤其突出，例如快餐店的汉堡包。在多数实例中减少食品蒸发性净重损失的最好途径就是尽可能快地降低食品温度。迅速降低食品温度可相应减低食品表层中自由水的汽化压，并由此减少食品脱水干耗。

　　•缓慢的食品冷冻过程将导致食品中大冰晶粒的产生，等食品解冻时，食品中细胞组织会发生破裂引起食品汁液流失。食品汁液的流失会影响到解冻食品的色泽、口感以及营养学特性。营养素及天然色素会随流失的食品汁液而流失。特别是果蔬类食品，结构的损害会导致食品质地口感的降级，结构变得松散。Agnelli先生和Macscheroni先生于2002年对冷冻草莓产品进行的冷冻工艺口感质地破坏性测试的相关研究表明，当使用超低温快速冷冻工艺时，草莓保持了较高的紧密质地。

　　食品色泽

　　

　　食品冷冻工艺从两方面影响解冻食品的色泽。首先如上所述，食品在解冻时天然色素随汁液一并流失；其次由于食品冷冻过程中冰晶体持续生成，残留的未冻结的食品细胞溶质浓度增加，天然色素的氧化和酶褐变加快。食品冷冻过程越慢或用更长的时间通过食品冻结点，对于食品色泽的影响将会越显著。

　　Agnelli和Mascheroni有关冷冻后解冻的汉堡色泽测试研究表明食品冷冻速率的重要性以及快速冷冻的优势：
　　•食品汁液及天然色素的流失都有所减少。
　　•肉质褐变降低到最低程度：采用超低温-机械式冷冻工艺的冷冻汉堡比纯机械式的色泽更接近于原来的肉质色泽。

　　易损易碎的食品

　　由于设备设计及产品加工特性的原因，超低温食品冷冻设备被认为最适合加工包括很多浆果在内的易损易碎食品。

　　产品质量：结论

　　研究成果和相关经验显示快速食品冷冻工艺降低了水分和产率损失，最大限度地减少了产品口感、质地、色泽和风味的变化。那么哪种食品冷冻工艺可获得最快的温度下降?

　　食品冷冻设备温度下降的速率被描述成热交换率(在单位面积内)即h x△¬T。热交换值越高食品温度下降越快。

　　让我们假设食品冷冻过程产品表面温度为-10°C。一台常规的机械式冷冻机的工作气流温度为-30°C，传热系数为25 W/Km2，则热交换速率等于 25 x 20 = 500 W/Km2。一台常规的超低温隧道冷冻机的工作温度为-80°C，传热系数为60 W/Km2，则热交换速率等于 60 x 70 = 4,200 W/Km2。由于更高的食品冷冻速率，机械冲击式或超低温食品冷冻设备能更好地优化食品品质。然而机械冲击式食品冷冻设备的应用局限在像汉堡这样的扁平食品上。其热交换与其气流方向高度相关，而对于大块状或凹凸不平的产品，其热交换速率就相对较低。

　　3.2 工厂管理

　　在选择食品冷冻工艺时必须关注到每个食品加工厂的特殊情况。考虑因素包括可用空间大小、生产能力的范围要求、卫生要求、清洁及维护操作。

　　占用/可用空间

　　在几乎所有实例中，同样产能水平下，超低温食品冷冻比传统机械式的占用空间小。现在一些模块化的机械冲击式食品冷冻装置占用的场地空间也较小。相关的比较数据显示如下：

　　
　　产能配置

　　客户需求的突然波动常导致工厂生产产能意想不到的增减。工厂生产经理所要关注的往往超出其可控范围，包括客户对其产品的认可度以及产品生命周期。

　　因此，尽可能准确地规划在食品冷冻设备投资回报期间的最大产能配置就变得非常重要。对于机械式食品冷冻设备，其投资回报期可能要持续好几年。过于乐观的预测将导致效能下降，相反，悲观的计划又会造成食品冷冻能力的不足。

　　尽管机械式食品冷冻设备对于任何特定的产品都有一个确定不变的最大产能，但典型的超低温和冲击式食品冷冻设备却都能通过增加隧道长度等方式迅速调节适应产能变化的要求。重要的是超低温食品冷冻设备通常都是租赁的，所以这样的产能需求变化不会使食品加工者显著增加额外资金的投入。

　　机械冲击式食品冷冻工艺因为仅仅适用于厚度不超过20mm的扁平类食品，所以相比传统机械式的产能柔性更低。超低温和传统机械式食品冷冻设备对于较厚或不规则的产品适应性更强。

　　生产线布局

　　为适应今天飞速发展的食品工业，生产商时常需要相应地调整其生产线布局，尤其在正常合约生产期内。若要移动巨大的机械式螺旋速冻机，就必须再建一个混凝土基座。重新安装定位一台超低温或机械冲击式隧道冷冻机也不总是一件简单的事，但好在很少需要改变建筑物的结构。

　　产品品种改变

　　特别对于较小规模的食品加工者，食品冷冻设备能够适应不同类型食品的能力将是关键。食品冷冻工作时间以及设备停机故障时间会影响食品加工者的实时在线变换产品品种的生产能力。在改变食品品种时，新品种加料前，应该将前面产品完全从设备中清除掉。一个特定的食品品种对应特定不同的食品冷冻时间，停留时间，传送带速度，在两种食品品种间将需要较长的设备停留转换时间。

　　在食品品种转换中时常遇到生原料与熟加工品的切换，这样就需要有必要的设备清洁时间。食品加工者也需要关注卫生与清洁程序。详述如下：

　　

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　　食品加工者日常若仅以高速持续加工单一品种，机械式食品冷冻就能处于稳定工艺状态。当然这就需要依赖充足的场地空间，资金投入以及合格的人力等资源。

　　维修、卫生与清洁

　　这些过程应该尽可能地简单和迅速，以便最大可能地增加设备运行时间以优化生产线效能。而比如机械式食品冷冻设备中蒸发器上不断增加的水汽或霜，可能会拖延加工时间，降低产能。虽然规范标准的卫生清洁程序对于整个食品工业都是必须的，但对于产能的影响必须是最小的。体积小、设计简洁的食品冷冻设备清洁更快，成本更低。设备内部的复杂构件越少，高度越低，越易于进入，便使清洁时间越短，效率越高。

　　机械冲击式食品冷冻设备像超低温食品冷冻设备一样，通常设计成较小并易于进入清洗。但其内部结构依然复杂，排水困难，不彻底，所以清洁操作不方便，存在潜在的卫生隐患。

　　工厂管理：结论

　　考虑到工厂经理的诸多关注，可以确认的是超低温食品冷冻设备更能适合大多数的食品加工者，因为其：

　　•占地空间更小
　　•适应产能变化
　　•适用于不同类型的食品
　　•简洁，易于使用的设计
　　•初期固定资产的投入较低

　　3.3 财务考量

　　安装或添加食品冷冻系统需要考虑到多种费用，包括前期投资成本，后期操作和维护时的运营和人工成本。

　　资金投入及运营成本

　　超低温食品冷冻与机械式两者间有明显区别，前者运营费用较高，而后者的初期资金投入大。它们的差异程度由多种因素决定。对于一个给定的生产线，总存在一个临界点，超低温食品冷冻工艺所累计的运营成本将开始超过机械式食品冷冻工艺。值得注意的是现在的经济状况下，财政投入会更加困难。食品加工者不能或不愿有重大的资金投入。因此可能优势会偏向超低温食品冷冻。

　　人工成本

　　由于其体积庞大结构复杂，机械式食品冷冻倾向于需要更多的人力进行清洁。维护要求也较高，需要高技能的维护人员。这些因素的重要性将取决于食品冷冻装置的类型及其相应的当地人工成本水平。

　　产品质量

　　如此前所提及的，最小的水分损失就是最好食品质量及价值的关键所在。特别是对于高附加值产品更是这样。因此食品冷冻工艺的选择将影响食品加工者的财务回报。

　　财务考量：结论

　　客户在超低温食品冷冻和机械式之间做取舍时必须考虑所有的财务因素。相关的设备供应商能够协助食品加工者在特定长的时间段内去考查和确定每种食品冷冻工艺的总成本。为了获得高速工作气流，机械冲击式食品冷冻工艺总会比传统机械式食品冷冻工艺费用更高。最终的决定将更取决于能支配的财政预算投资。

　　3.4 环境因素

　　随着能耗和损耗意识以及碳排放影响的增强，相关法规发展的强化，食品生产商需要关注食品冷冻工艺对环境的影响。美国联邦食品与饮料机构和国际碳联盟组织评估在整个食品产业链中仅仅10%的能源消耗来自于食品加工企业，而这其中的大部分约60%来自大型冷冻食品加工者的食品冷冻系统。尽管机械式比超低温食品冷冻系统要求更低的能耗，但两种技术能耗只占食品产业链中总能耗很小的比例。

　　　4．总结

　　以上分析可以告诉我们些什么？显然选择食品冷冻工艺不是一件简单的事。没有一个单一的食品冷冻工艺对于所有的食品加工者都是最好的选择。

　　在选择一个具体食品冷冻设备装置前，不得不顾及可用的财务预算、现有的食品品种、工厂空间布局管理、生产能力的柔性化要求。

　　超低温食品冷冻系统的优势在于能够适应多种类型食品的一系列冷冻速率要求，以提高其产品品质。当然低的资金投入、柔性生产、易清洁的优势也对今天很多食品加工者有吸引力。机械式食品冷冻系统需要大量的资金投入，但可能会有长期财务性回报。冲击式食品冷冻工艺实际上是在某种程度上拉近机械式与超低温食品冷冻工艺的间隙，但对于特定的食品类型其能表现出的优势有限。建议食品加工者与主要的食品冷冻系统供应商一起确定适合其需求的最佳食品冷冻工艺；以及配合其生产线的最佳设备装置。

　　

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　　　5．告诉我更多

　　关于作者:

　　Chris Kennedy博士是一位受尊敬的独立(第三方)食品工业咨询顾问。

　　2009年他分析了客户选择食品冷冻新工艺的关键因素，证实了不同食品冷冻工艺的优势，并提供相关数据进行参考。本白皮书归纳了相关研究中的关键点。

　　Kennedy博士是制冷协会、食品科学与技术协会、物理学研究院成员。他在食品工业咨询服务方面有15年的经验。

　　关于空气产品公司

　　空气产品公司在食品加工领域是全球领先的气体、设备、服务及解决方案的供应商，已在食品行业累积了超过40年的服务经验。我们旗舰级的Freshline®解决方案提供独特的高纯度气体和设备，具有国际供应能力，并且尤为重要的是：在世界各地提供无可匹敌的行业经验和专业技术，帮助您获得更高质量和更加安全的食品。我们的专家与市场领先的食品加工制造商在烘焙食品、乳制品、饮料、快餐、水果和蔬菜、海鲜、禽类、肉类、速冻食品以及即食食品方面都有紧密的合作。在亚洲，我们已在食品领域服务了几十年，并在东南亚的食品加工行业始终处于领先地位，同时在中国等新兴市场保持强劲的增长。

　　为了进一步加强我们对增长区域的承诺，我们于 2008 年在泰国设立了亚洲食品技术中心，以满足亚洲食品加工制造商不断增长的需求。

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　　空气产品公司的亚洲食品技术中心(AFTC)战略性地设立于世界上领先的食品加工市场—泰国—位于曼谷附近的泰国国家科技园内。中心占地面积 650 平方米，旨在利用先进的技术和设备来帮助亚洲客户改进和提高食品加工品质。它向客户展示了Freshline在食品行业中的低温和非低温的各种解决方案。

　　亚洲食品技术中心提供：

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　　•研究和开发能力：帮助客户改进现有的生产模式，同时开发新型的食品冷冻技术并且实现设备的本地化，以适应亚洲食品加工商的需求
　　•一流的培训设施：满足客户、学术机构以及员工的学习需求
　　•实验室厨房：在这里，您可以烹饪和品尝用液氮超低温冷冻的食品或气调包装的食品，以确保达到您预期的品质需求我们还充分利用了泰国国家科技园的泰国国家遗传工程和生物科技中心 (BIOTEC) 以及附近大学的一流微生物和食品的科学研发能力。

　　亚洲食品技术中心融合于空气产品公司的全球先进技术网络，是对公司现有北美和欧洲技术机构的完善。

　　创新和技术合作让您脱颖而出

　　自我们帮助快餐汉堡包市场启动第一个液氮隧道冷冻机开始，空气产品公司的技术就代表了一流的超低温食品冷冻解决方案。多年来，我们在研发方面大量投资，以帮助我们的客户持续地处于领先地位。

　　我们与全球的大学、实验室、协会以及其它公司进行技术合作和联盟。我们的创新历史包括众多的先进成果和突破性的食品行业技术。