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导热系数在食品生产行业中的重要性

简要介绍了导热系数在整个食品生产和加工过程中的热处理工艺设计和应用中的作用。

前言

人类对含糖食品的渴望与生俱来,并且人随着年龄的增长,对甜食的渴望会越来越强烈。当人们谈论起巧克力时,他们会想象出自己最喜欢的巧克力的颜色和其丝滑的味道,并且一想到自己马上就可以吃甜食,就会变得神采奕奕。总的来说,人们对巧克力和甜食的热爱,推动了美国糖果业的成功。在2020年,美国糖果企业价值超过345亿美元。糖果类目囊括了各种各样的美食,包括饼干、巧克力、小熊软糖,以及口香糖。其中,巧克力类目销售额占糖果行业整体销售额60%左右,达到了211亿美元。可以肯定的是,整个社会都高度重视糖果制造企业的生产质量,而有效热调节是影响巧克力和糖果生产成功的一个主要因素。

热处理

热处理无疑是食品生产行业最重要的工艺之一。热处理核心概念是在特定温度下,将食物加热既定的时间,来去除潜在的有害微生物,达到提高食品的食用质量和安全性,延长食品保质期的目的。对食品热处理包含多种加热技术,比如热烫、烹饪、干燥、巴氏杀菌、冷冻。所有这些过程,都需要掌握食物热物理特性的丰富知识,包括特定食品的比热、热导率、热扩散率、凝固点和凝固范围。

冷藏食物以保障食品安全
图一:冷藏食物以保障食品安全

什么是导热系数?

在食品生产线的热调节设计和应用过程中,导热率是众多热物理特性必须要考虑的因素之一,而且就分类和预先物质在暴露于大量热量时的反应方式而言,它是最重要的食品特性。银或铜这类的金属物质,由于其独特的分子间排列,有利于快速传热,因此金属物质导热率值较高。(关于十大常用的高导热系数的导热材料)而泡沫和木材是低导热性物质的代表,他们可以有效的阻止热传递,这类材料通常被称为热绝缘体,在隔热应用中广受欢迎。食品的热导率主要取决于其化学成分、分子结构和加工温度,然而,在确定物质的热导率时,机械生产和测量方法也很重要。

食品生产过程中的传热机制

传导

食品热处理的成功取决于食品本身对温度变化的反应。食品热传导通过专门设计的设备中进行特定的热处理。这些机器中的热传递通过三种主要机制发生,即传导、辐射和对流。传导可以描述为分子间或分子表面到表面的动能传递。由于热量的流入,一个分子将变得充满活力,并将该能量的一部分传递给处于较低能级的相邻分子。通过传导传热的一个生活例子就是水煮鸡蛋。来自热炉的热量将热能传递到煮鸡蛋的锅中,使其分子受到激发,这些高能分子负责传递煮鸡蛋所需的热能。在食品加工行业中,传导通常用来烹调呈半固态且不易移动的食品,例如罐头、馅饼、番茄酱等食物。

罐头食品通常会通过传导机制进行热处理
图二:罐头食品通常会通过传导机制进行热处理

对流

对流是指通过流体介质(如空气或水)传递热量。 当流体被加热时,由于密度的变化,它会远离热源,并在移动时携带热能。 位于热源上方的流体将膨胀,密度降低,并开始上升。上升的流体将取代其上方更冷、密度更高的介质,迫使其向热源下沉。较冷的介质将与加热的热源接触,整个流动过程将会再次发生。这个恒定的反馈回路,代表了对流是如何形成的。 当加热在液体介质(例如罐装食品或果汁)中形成气流时,罐头食品中就会发生对流。

传热机制描绘
图三:传热机制描绘

辐射

热辐射是通过电磁波的发射产生的,电磁波将能量带离热量发射体或热体。我们的皮肤以红外线辐射的形式散发热量和能量。在某种程度上,所有材料都根据其内部静止温度辐射热能。物体自然温度越高,辐射的热量就越多。

在食品加工、生产和包装中,通常会发生一种或多种上述传热过程。食品包装的壁厚是防止热传递或传导损失的重要因素。在设计食品包装时使用铝等反光表面可能会影响产品的辐射敏感性。任何通过传导、辐射或对流的形式,对热传递提供高阻力的材料,都被认为具有绝缘体的特性,并且通常具有极低的导热系数。这种耐热性可能有利于限制酶和微生物的生长,对食品生产商来说,在设计适当的热处理应用也是一个挑战。

 

食物变质

大量食物变质是微生物或酶的化学反应结果。化学反应的速度与温度直接相关,因此降低环境温度可以减缓化学变质的速度。冷藏是最常见的延保方式,因为它为食品的储存提供了一个持续冷却和温度调节的环境。大多数食品都有其首选的适宜湿度和温度,以便安全储存;现在大多数制冷标准是4 摄氏度。与冷藏标准相比,冷冻可以更长地延长食品保质期。

易变质的食品应放在冰箱冷藏
图四:易变质的食品应放在冰箱冷藏

乳制品变质

乳制品非常容易滋生细菌导致变质,乳制品是迄今为止对温度最敏感的食品之一。乳制品通常用巴氏杀菌进行热处理,以延长保质期。巴氏杀菌是指将牛奶或奶制品加热到特定温度并持续特定时间,并且要求在热处理过程中,不能对牛奶或奶制品进行再污染,以为确保消灭所有病原微生物。巴氏杀菌过程的时间和温度组合是受到严格控制的。巴氏杀菌这种热应用,旨在通过去除有害细菌和病原体,使乳制品更安全地被食用。与未经处理的乳制品相比,巴氏杀菌的乳制品可延长两周保质期。

食品PH值对热处理的影响

使用热处理的一个技术要点在于产品加热时间和加热温度之间取得平衡。许多不同类型的热力设备可以帮助制造商确定这些速率,比如用于确定杀死有害微生物所需时间和温度的热深度曲线。食品本身的物理性能也会对热处理过程产生影响。潜在的微生物、颗粒大小和食物密度都是加热食品之前应该考虑的重要因素。食品的PH值是在热处理中需要考虑的另一个安全因素。低PH值(高酸度)食物的如果被有害微生物污染,人吃了后会损害消化系统;高PH值食物(低酸度)如果被有害微生物污染,被人摄入后可能会有致命风险。这些酸度的食物必须经过处理,使食物达到更高的温度,以确保完全去除有害微生物。

小结

导热性是食品的统一特性之一,它会影响热处理的成功率。热导率在很大程度上取决于被处理材料的水分含量、温度和物理分子排列。

生产和运输对温度敏感的食物时,保持良好的温度调节,是确保食品在到达消费者手中之前不会变质的首要因素。食物生产制造商一直在探索如何能够确保能消灭食品中有害微生物的同时,又能保持食品原有品质的热调节方法。如果没有对热物理特性(例如热导率)的丰富知识储备,食品中的许多热处理都不会成功,并且会对食品工业造成不可逆转的影响。

作者:Kallista Wilson

文献参考:

Center, F. R. (n.d.). Chocolate Industry Analysis 2020—Cost & Trends. Franchisee Resource Center. Retrieved February 3, 2021, from https://www.franchisehelp.com/industry-reports/chocolate-industry-analysis-2020-cost-trends/

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