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日志

冷冻冰品表面冰晶析出的相关理论分析 恒宇基础实验室

已有 905 次阅读 2016-10-24 15:22 | 实验室

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一、基本概念

1、饱和蒸汽压:任何物体(固体和液体)表面微粒(分子、原子和离子)都有向外“逃逸”脱离本体表面的趋势,即蒸发。在一定温度下的真空密闭容器中,由物体表面“逃逸”微粒形成的平衡气压称为“饱和蒸汽压”。“饱和蒸汽压”是一个平衡概念,即在一定温度下,物体表面向外“逃逸”的微粒个数与环境中回到物体表面的微粒个数相等。饱和蒸汽压与温度有关,温度越高,饱和蒸汽压越高。对溶液而言(包括液相溶液和固相溶液),溶质的摩尔含量越高,溶剂的饱和蒸汽压越低。由于绝对真空在现实中是不存在的,因此在物体外部环境有其他气体的情况下,“饱和蒸汽”与其他气体在气压方面还存在一个分配比例,在密闭容器中,当外部环境气体量不变的情况下,其分配比例可看作与“饱和蒸汽压”的变化规律相一致,即温度越高,物体的蒸汽压分配比例也越大。因此,下面文中仍沿用“饱和蒸汽压”的概念。

对于冰品而言,由于其内部含有增稠剂、乳化剂等物质,在凝固过程中,会出现无定形态和结晶态(冰)等两种状态,根据相关理论推断,无定形态水的饱和蒸汽压应大于结晶态水的饱和蒸汽压。

 

2、结晶与过饱和状态:冰晶的形成和生长(长大)需两个条件,即晶核和过饱和度。前者可以是冰晶微粒(水相中自发生成,称为同相成核);或是与冰晶晶体结构相近的其他固体小颗粒(异相成核)。过饱和状态是指本该结晶而由于缺乏晶核没有形成结晶的状态,如将水降到其凝固点(0)以下,若无晶核,零下好几度的水也不会结晶(结冰),这种状态就是过饱和状态。

 

3、冷藏过程:现代冰品的冷藏温度(包括冰箱和冰柜等)都是通过电子控温系统来控温的,该系统的优点是可以设置任意温度,缺点是实际温度始终围绕设置温度作上下浮动,其浮动幅度与冰箱(冰柜)的制冷功率、控温触点的灵敏度等有关。

 

二、冰品表面冰晶的形成

根据上述相关概念可以得知:冰品表面冰晶析出是无法避免的。原因如下:(1)即使外部温度恒定不变,在同一个封装袋中,当冰品表面无定形态水产生的水蒸汽达到饱和状态时,相对于同在表面的结晶态水,则已处于过饱和状态,因此,只要储存时间足够长,冰品表面结晶态水慢慢生长到足够大程度,即相当于无定形态水始终慢慢在向结晶态水转变。由于该过程十分缓慢,在实际中的作用并不明显。(2)温度波动:随储存温度升高,饱和蒸汽压增大,再当温度降低时,尽管对无定形水和结晶态水都处于过饱和状态,但由于无定形态水中并不存在晶核,故气相中的水都将结晶到冰品表面的结晶态水中。温度波动越大,结晶速度越快。相对于冰柜(冰箱)自身温度的波动(非常小),开关冰柜(冰箱)引起的温度波动将带来更大的影响。

 

三、延缓冰晶析出的方法

综上所述,冰品表面冰晶析出是无法避免的,但延缓还是有可能的。(1)冷藏过程中,尽量减少由人为引起的温度波动。(2)增加冰品中溶质的摩尔浓度以降低饱和蒸汽压,饱和蒸汽压越小,相对的由温度波动引起的饱和蒸汽压的变化幅度也小,如相同质量的蔗糖和葡萄糖,前者的摩尔数(分子个数)就小于后者,适当增加葡萄糖用量,相当与增加了冰品的摩尔浓度。同理,冷藏温度越低,也有利于延缓冰晶的析出。(3)不同增稠剂和乳化剂的使用可改变冰品的表面结构,适当选择也可有利于延缓冰晶析出或改变(分散)结晶态水的位置,但其具体影响尚不清楚。


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