冷柜放食品冻结过程的解析

 
水或水溶液的温度降低至冻结点时并不都会结冰,冷柜在较多的场合时温度要降至冻结点以下,造成过冷却状态时,水或水溶液才会结冰。当冰晶产生时因放出相变热,使水或水溶液的温度再度上升至冰结点温度,水或水溶液结冰时,被称为“冰结晶之芽”的晶核形成是必要条件。

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美国能源部橡树岭国家实验室科学家们通过一项旨在创造超冷水状态的实验,利用中子散射技术,发现了一条通往意想不到致密冰晶相形成的途径,这些冰晶相的存在超出了地球极限。对这些被称为冰IX、冰XV和冰VIII特殊结晶冰晶相的观察,挑战了关于超冷水和非晶冰的公认理论。研究人员在《自然》上发表的这一发现,还将有助于更好地了解在其他行星、卫星和太空其他地方发现的冰及其不同阶段。

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蚕豆冷冻方法有哪些呢?下面让我们一起来学习一下怎么冷冻吧。图片 3

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 当液体处于过冷却状态时,由于某种刺激作用会形成晶核,例如溶液内局部温度过低,水溶液中的气泡、微粒及容l器壁等都会刺激形成晶核。由温度起伏形成的晶核称为均一晶核,除此以外形成的晶核称为非均一晶核。食品是具有复杂组成的物质,其形成的晶核属于非均一晶核晶核形成后,冰结晶开始生长。

蚕豆

ORNL中子散射科学家、第一作者克里斯·图克(Chris
Tulk)说:氢和氧是宇宙中最丰富的元素之一,这两种元素中最简单的分子化合物H2O很常见。事实上,一个流行的理论表明,地球上的大部分水是通过与冰彗星的碰撞而来到地球。在地球上,当水分子达到0摄氏度时,它们进入一个较低的能量状态,并稳定在一个六角形的晶格上。这种冻结形式被称为冰Ⅲ,是家庭冰柜或溜冰场中最常见的水相。冰IX、冰XV和冰VIII是至少17个冰相中的3个。

 
 冷却的水分子向晶核移动,凝结在晶核或冰结晶的表面,形成固体的冰。晶核形成速度、冰晶生长速度与过冷却度的关系。A点是晶核形成的临界温度。在过冷度较小的区域(冻结点至A点之间),晶核形成数少,但以这些晶核为中心的冰晶生成速度快;过冷度超过A点,晶核形成的速度急剧增加,而冰晶生长的速度相对比较缓慢。

以低温速冻方式保藏蚕豆的加工方法。将经预处理的蚕豆在-30~-35℃或更低的温度下速冻后,用塑料袋、盒等容器进行包装,或包装后再进行速冻,然后存放于-18℃的温度下冻藏,以抑制微生物的生长繁殖和酶的活性,使蚕豆得以较长期保藏。

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蚕豆冷冻方法

当分子在不同的超低温和高压下重组成稳定的晶体结构时,就会形成冰相。当冰发生相变时,它就像水从气体变成液体变成固体一样,除了在低温和高压下,冰会在各种不同的固体形式之间转变。在压力-温度稳定范围内,每个已知的冰相都有其独特晶体结构,分子达到平衡,水分子呈现规则的三维格局,结构趋于稳定。起初,Tulk和加拿大国家研究委员会和加州大学洛杉矶分校的同事们正在探索非晶冰的结构本质,当它在更高的压力下再结晶时。为了制造无定形冰,科学家们将水冷冻到一个高压设备中

蚕豆中的水分由起始温度降低至低于0℃的冰点时,由液态变成固态,即结冰。随着温度的降低,冰结晶增大,蚕豆即变硬而成为冻结状态。蚕豆的冰点因其种类而异。大多数蚕豆在-1℃左右的温度下开始结冰,当温度继续降低至约-5℃时,其70~80%的水分结冰,蚕豆即随之变硬。即在-1~-5℃的温度下,冰结晶大量的形成,称为冰结晶最大形成阶段。若温度进一步降低至-30~-35℃,冻结过程即告完成。不同温度下,蚕豆中水分有相应的冻结率。因此,要使蚕豆中的水分完全冻结,必须使其温度降低至共晶点,即水分的冻结率达到100%时的温度。

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蚕豆冻结的快慢,与冰结晶形成的大小和产品的质量有着密切的关系。蚕豆快速冻结时,细胞内形成均匀分布的很多微细冰结晶,解冻时融化的水分即被吸收到组织中去而恢复其原来的状态,产品的质量较好;而缓慢冻结时,则细胞外面形成大型、数量较少的冰结晶,由于细胞受结冰膨胀的压迫而变形,其结胞膜损伤的比例较大,解冻时融化的水分不能被吸收到细胞组织中去而恢复其原来的状态,致使组织粗糙、变软而流汁,从而影响产品的质量。因此,必须使冷冻的蚕豆尽量急速地通过冰结晶最大形成阶段,这种方法称速冻法(通常,冻结速度为每小时5~20cm的冻结厚度)。

该设备被冷却到-
173摄氏度,并被加压到大约10000个大气压,即每平方英寸14.7万磅(汽车轮胎膨胀到每平方英寸32磅)。这种非晶态冰被认为与液态水有关,了解这种联系是这项研究的初衷。在ORNL的散裂中子源,研究小组冻结了一个3毫米的球体,约半滴水,氘化水,其中有一个额外的中子在氢核中,需要中子散射分析。然后将散裂中子和压力衍射仪的程序设置为零下173摄氏度。该仪器每隔几小时就会逐步增加压力,最高可达每平方英寸41.1万磅(合2.8万个大气压)

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同时在每次压力升高之间收集中子散射数据。一旦获得了非晶态冰,计划提高温度和压力,观察非晶态冰‘融化’成过冷液体,然后再重新结晶时的局部分子顺序。”在分析了数据之后,惊奇地发现,并没有创造出无定形的冰,而是由密度不断增加的四种冰相(从冰Ih到IX冰,从XV冰到XIII冰)所经历的一系列晶体转变,根本没有无定形冰的迹象。来自加拿大国家研究委员会(National
Research Council of Canada)的丹尼斯·克鲁格(Dennis Klug)说:

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我一直通过在低温下压缩冰来制作这些样品,以前从未见过这种压力-温度路径导致了一系列这样的结晶形态。如果实验数据是正确的,这将意味着非晶冰与液态水无关,而是两个晶态之间的不连续转变,这与广泛接受的理论大相径庭。起初,研究小组认为观察结果是受污染的样本。在SNAP上,又进行了三次实验,使用新鲜、经过仔细处理的样品,得到了相同的结果,在没有形成无定形冰的情况下,再次确认了结构转变的顺序。

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关键是缓慢的压力增加速度和在较低压力下收集的数据,使冰结构放松,成为稳定的冰IX形式。之前的实验快速通过了冰IX结构而没有弛豫,这导致了非晶态相。35年来科学家们一直在研究超冷水的特性,寻找第二个临界点,也就是埋藏在固态冰中的临界点。但这些结果质疑了它的存在。压力引起的非晶冰和水之间的关系现在还不确定,第二个临界点甚至可能不存在。研究结果将为将来在SNS进行的实验中分析非晶冰相的研究奠定基础。

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博科园|研究/来自:橡树岭国家实验室

参考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1204-5

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