食品加工原理：热能传递效果

对食品进行热处理时，热量通过温差而发生转移的传递方式有传导、对流和辐射三种。传导，是热量通过质点之间的接触来传递，热传递按直线或近似直线方向进行。这种传热方式是由组成物质的分子之间的热运动引起的，是固体中或紧密相接触的物体间相互传热的主要形式。对流，是液体物质所特有的传热方式，当液体或气体中存在着某种程度的温差时，温度不同的两个部分就会通过其密度差而发生混合，在这些流体物质中，这种混合要比通过传导更容易使温度均匀一致。辐射，是指任何物体都相应地从表面散发着热能，辐射出的热能到达另一物体时，一部分被其表面反射，一部分被该物体吸收转化为热量使物体的温度提高，另一部分则透过物体而散失。在这些传热形式中，有时热量是单独以某一种形式进行传递，但多数情况下是以两种或两种以上的形式同时进行。食品的内容物因有包装材料的阻隔，可以认为不存在辐射传热形式，传导和对流是主要的传热形式。

对于食品的热杀菌而言，具体的热处理过程可以通过两种方法完成。一种是通过热交换将食品杀菌并达到商业无菌的要求，然后装入经过杀菌的容器中密封；另一种是先将食品装入容器，然后再进行密封和杀菌。前一种方法多用于流态食品，由于热处理是在热交换器中进行，传热过程可以通过一定的方法进行强化，传热也呈稳态传热；后一种方法是传统的罐头食品加工方法，传热过程中热能必须通过容器后才能传给食品，容器内各点的温度随热处理的时间而变，属非稳态传热，而且传热的方式与食品的状态有关，传热的过程较为复杂。下面主要是以后一种情况为主，研究热能在食品中的传递。

（一）传热方式

在进行热处理时，食品不断从加热介质（如蒸汽、沸水等）吸收热量，食品内各部位的温度因热量的积聚而上升，食品中部常成为接受热量最缓慢的部位。为能准确地评价食品在热处理中的受热程度，必须找出能代表食品内温度变化的温度点，通常人们选食品内温度变化最慢的点（cold point）温度，即加热时该点的温度最低（此时又称最低加热温度点，slowest heating point），冷却时该点的温度最高，因此该点被称为冷点。每种食品冷点的位置可通过热敏电偶实际测定来确定。食品热处理时，若其冷点位置达到了热处理的要求，则其他各处肯定也达到或超过了要求的热处理程度。食品中冷点温度的变化与热处理时的传热方式密切相关。

1.传导

传导传热时，包装材料内的食品处于静止状态，且没有任何形式的循环将冷、热食品混合。由于传热的过程是从包装材料外壁传向食品的中心处，所以食品的冷点位置在食品的几何中心，如图4-3所示。固态的、黏稠度高的食品，在加热或冷却过程中不能流动的食品主要以传导的方式进行热量传递，其热穿透的速率较慢，例如午餐肉、烧鹅、火腿等肉制品的传热形式主要为传导。

图4-3 传导和对流时罐头的冷点位置

2.对流

液态食品在加热介质影响下，部分物料受热迅速膨胀，密度降低，将热能在运动过程中传递给相邻分子，形成了液体循环流动，因而在加热和冷却过程中食品内各点温度比较接近，温差很小。对流传热型食品的冷点处在中心轴偏下的部分，如图4-3所示。对流传热型热处理需要的加热和冷却时间比较短。在生产实践中还可以进一步划分为对流迅速加热和缓慢加热两类，不同食品的热量传递方式见表4-15。

在自然对流中，食品中受热部分因相对密度减轻而相对上浮，从而形成罐内循环，并使得罐装食品整体温度上升的速度加快。用机械的方式强迫形成的循环则称为强制对流，例如可以通过旋转或搅拌罐头来加强，如旋转式杀菌设备。

表4-15 不同食品的热量传递方式

3.对流传导结合式

食品传热时对流和传导同时存在，或先后相继出现，分为先对流后传导型和先传导后对流型。先对流后传导型，在受热后吸水膨胀的物料（如甜玉米）等含有丰富的淀粉质食品中较常见，冷却时只有传导传热。先传导后对流型，在受热熔化的物料（如果酱）等食品中较多，冷却时以对流方式冷却。例如苹果沙司罐头就属于先传导后对流型，加热初期，沉积在罐底上的固体食品占容积的2/3，因而最初以传导方式加热；当液体对流的力量足以使它悬浮于液体中并随液体循环流动时，它就以对流方式传热。

传导型食品的冷点在其几何中心点上，对流型食品的冷点位置下移，通常在容器几何中心之下的某一位置。而传导和对流混合传热的罐头，其冷点在上述两者之间。(www.xing528.com)

（二）影响传热的因素

食品内部达到的温度是真正杀灭微生物的温度，食品在热处理时各部位的温度是不同的，因此我们应该了解影响食品温度变化快慢（即传热速率）的各项因素。

1.食品的物理性质

由于食品的状态、块形大小、黏稠度和相对密度等的差异，传热速度也将随之不同，且这几项物理性质之间往往有相互的关系。如前所述，加热杀菌时固态或高黏度食品在包装容器内一般处于不流动状态，以传导方式传热，速度较缓慢。再如带汤汁的食品，其固形物的粒度、形状和装罐方式都会对传热速率有影响，小块食品要快于大块食品，颗粒状或薄片状要快于粗条状或大块状，竖条装罐要快于层片装罐。有些黏度较厚的食品如番茄酱、茄子酱、果酱、水果沙司等加热时，它们的黏度虽有降低的趋势，但流动性仍然较低，均属于热传导占优势而对流很缓慢的食品。

2.食品初温

食品初温指的是装入杀菌锅后开始杀菌前的温度。显然，初温越高，杀菌操作温度与食品物料间温度的差值越小，罐内温度达到或逼近杀菌操作温度的时间越短。传导型加热的食品初温对加热时间的影响极为显著，从到达杀菌温度的时间来看，初温高的明显比初温低的短。如有两罐玉米罐头同时在 121.1℃温度中加热杀菌，它们加热到115.6℃时，初温为21.1℃的罐头需要的加热时间为80min，而初温为71.1℃的则仅需要40min，为前者之半。对流型食品，食品初温对加热时间影响很小。以葡萄汁为例，初温为16℃和70℃的罐头加热到杀菌温度需要的时间都在29min以内。

3.容器

对于食品热处理时的传热，这里主要考虑容器的材料、容积和几何尺寸的影响。容器的热阻对传热速度有一定的影响，它取决于容器材料的厚度（δ）与热导率（λ），可用δ/λ值表示。因此容器材料愈厚，热导率愈小，则热阻愈大。铁与玻璃容器的厚度、热导率及热阻见表4-16，由表中可以看出：玻璃罐的热导率比铁罐小得多而厚度大得多，故玻璃罐的热阻也大得多。从热导率和厚度对比关系来看，铁罐罐壁厚度的变化对热阻的影响远不及玻璃罐罐壁厚度的大。但是加热杀菌时食品传递热量的方式会改变容器热阻对食品传热速度或加热时间的影响。传导加热型食品热处理时，加热时间决定于食品的导热性而不决定于罐壁热阻，而对流传热型食品热处理时却决定于容器的热阻。

表4-16 铁罐和玻璃罐的热阻

容器的容积和几何尺寸对传热也有影响。容积越大，所需的加热时间越长，即容积小的罐头传热快。容器的几何尺寸，对于常见的圆罐，指罐高与罐径之比（H/D）。当容积相同时，H/D为0.25时，加热时间最短。所以，对于内部传热困难的干装类食品，尽量选用扁平罐型。

4.杀菌设备的形式

静置式杀菌锅（尤其是卧式杀菌锅）的锅内温度可能不均匀。食品在锅内的位置不同，传热效果也不同，一般来说离蒸汽入口越远，其受热状况越差。因此，杀菌锅内的温度分布是否均匀，是衡量卧式杀菌锅质量的一个重要指标。此外，对于卧式静置式杀菌锅，若杀菌操作时没有充分的排气，残存空气会在锅内的某些气流不顺畅的位置滞留，形成所谓的“空气袋”，则处于空气袋处的罐头受热效果极差。

若采用回转式杀菌锅，因整个锅体在杀菌过程中处于运动状态，因此锅内温度分布均匀，不同位置的食品受热情况相同。对于黏稠类的食品（如八宝粥罐头）和带汤汁的食品（如糖水水果和清水蔬菜罐头），锅体不断地运动对食品内容物有搅动作用，可以强化传热效果。对于全固体食品（如午餐肉罐头）则不存在这种搅动强化传热的效应。