冷凍工藝對凍豆腐孔隙率影響的研究

胡榮澤，王芊芊，董曉菲，周升田，韓 蕊，牟津慧，甄 仌

(哈爾濱商業(yè)大學 能源與建筑工程學院 哈爾濱 150028)

豆腐作為食藥兼?zhèn)涞氖澄?，通過冷凍其內(nèi)部結構發(fā)生改變，形狀呈蜂窩狀，顏色變灰，食用口感較好，為很多人所喜愛.凍豆腐烹飪風味受孔隙率影響較大，而孔隙率與冷凍工藝密切相關[1-3].國內(nèi)外學者對制備凍豆腐的冷凍工藝進行了相關研究.

神田幸忠[4](1992)采用變壓冷凍和鼓風兩種方法制備了凍豆腐，從內(nèi)部冰晶和質(zhì)地方面考察了冰晶的物理化學結構.Hisahiko[5](1995)在-20 ℃～-196 ℃，通過壓縮試驗測量了豆腐的斷裂應力，將冷凍豆腐視為由純水冰和濃縮非晶態(tài)溶液組成的雙組分體系，利用數(shù)學模型對冷凍豆腐的斷裂應力進行了分析.徐麗涵[6-7](2006)研究了凍豆腐的生產(chǎn)工藝，并對部分關鍵工藝進行了比較和選擇，通過實驗得出最佳生產(chǎn)條件.劉國良[8](2009)研究了豆腐在一般冷凍和快速冷凍情況下熟化期內(nèi)的質(zhì)構變化情況，并得出快速冷凍豆腐的彈性要比一般冷凍的好.

馬燕[9-10](2014)研究了冷凍工藝對豆腐品質(zhì)的影響，并對其進行優(yōu)化，得出最佳工藝條件.Nathdanai[11](2016)研究了冷凍對多孔凍干豆腐微觀結構和復水性能的影響，豆腐在各種冷凍條件下(-20 ℃、-50 ℃、-90 ℃和液體N2)下預凍，用X射線計算機斷層攝影術揭示了冰在三維基質(zhì)中形成的模式.郭增旺[12](2017)對傳統(tǒng)凍豆腐的生產(chǎn)工藝進行改進，采用單因素試驗和正交試驗確定了脫水凍豆腐的冷凍工藝條件.黃艷娜[13](2017)探究干制凍豆腐在冷凍溫度、冷凍和熟化時間及干燥工藝等方面參數(shù)，綜合色澤、復水性和質(zhì)構指標，得出優(yōu)化工藝參數(shù).萬兆祥[14](2019)通過研究冷凍過程對凍豆腐的質(zhì)構特性和感官指標的影響，并通過響應面法優(yōu)化，確定凍豆腐冷凍最佳技術參數(shù).Rika[15](2020)旨在探討豆腐在凍藏過程中產(chǎn)生硬質(zhì)構的機理，研究了凍藏過程中豆腐質(zhì)構、保水性、冰晶和冷凍濃縮相等特性隨時間的變化.此外，還研究了大豆蛋白特性的變化.

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，對食品的要求也越來越嚴格.但以上文獻中冷凍工藝對凍豆腐孔隙率的影響研究較少，而且給出的最佳冷凍工藝參數(shù)并沒有取得一致，本文針對冷凍工藝對凍豆腐孔隙率的影響及冷凍豆腐的傳熱傳質(zhì)過程進行研究，使傳統(tǒng)工藝進行現(xiàn)代化改進，改善凍豆腐的品質(zhì).

1 研究方案

凍結速率是指食品物料內(nèi)某點溫度的下降速率，可分為慢速凍結、中速凍結及快速凍結，不同凍結速率導致豆腐在凍結過程中產(chǎn)生不同大小的孔隙率.孔隙率是指凍豆腐中的小孔所占體積與凍豆腐總體積的比值，孔隙率的大小直接影響著凍豆腐口感的好壞.圍繞著凍結速率的大小，本實驗通過改變速凍柜內(nèi)的風速、濕度、溫度、豆腐形狀大小與豆腐含水量等進行研究.

1.1 實驗設備及實驗樣品

電熱干燥箱FX202-00，如圖 1所示.

圖1 電熱干燥箱

速凍柜EHS-2A如圖2所示.

圖2 速凍柜

尚未凍結的豆腐樣品如圖3所示.

圖3 豆腐塊(尚未凍結)

已凍結的豆腐樣品如圖4所示.

圖4 豆腐塊(已凍結)

1.2 風速的影響

通過速凍柜內(nèi)有無風機改變風速使凍結速率不同，有風機一側的豆腐因受到冷風的影響使表面換熱加強，加快豆腐的凍結速率.以邊長為2 cm大小的正方體鮮豆腐為實驗對象，分為兩組分別放入有風機一側和無風機一側進行凍結.記錄不同時間下豆腐的中心溫度以及冷凍后凍豆腐的質(zhì)量，進行數(shù)據(jù)的對比分析.

1.3 濕度的影響

為研究含濕量對凍結速率的影響，將實驗分為兩組，一組以邊長2 cm正方體大小豆腐放在有水一側含濕量較大的環(huán)境下，另一組相同大小的豆腐放在無水含濕量較小的環(huán)境下，兩組均放入速凍柜有風機一側，將柜溫設定在-19 ℃，記錄實驗數(shù)據(jù)并對比分析.

1.4 柜溫的影響

分別將速凍柜的最終柜溫設為-15 ℃、-19 ℃、-23 ℃，分為三組實驗，對比不同柜溫下的孔隙率大小，記錄實驗數(shù)據(jù)并對比分析.

1.5 豆腐形狀的影響

在冷凍過程中考慮到不同切塊大小可能會影響凍豆腐的孔隙率，為改善凍豆腐質(zhì)量，優(yōu)化加工工藝，本實驗特別分組研究豆腐塊狀大小對孔隙率的影響.將豆腐分為邊長為2、4、6 cm的正方體大小，將速凍柜最終溫度設為-23 ℃，各組均放在有風機一側進行快速降溫，記錄實驗數(shù)據(jù)并對比分析.

1.6 豆腐含水量的影響

豆腐成分中含有大量的水分.豆腐在凍結的過程中，其中的水分凝固在豆腐之中形成冰結晶，冰結晶的大小及數(shù)量直接決定凍豆腐孔隙率的大小，通過對不同含水量的豆腐進行凍結來研究凍豆腐孔隙率的規(guī)律.通過對比不同含水量下凍成的凍豆腐，研究含水量對孔隙率的影響，改善凍豆腐的品質(zhì).

將含水量控制在三個等級，第一組是新鮮豆腐，第二組是放置24 h的豆腐，第三組是在105 ℃下烘干30 min的豆腐.將速凍柜終溫設為-23 ℃，2 cm正方形大小的三組豆腐都放在有風機的一側，讓其快速凍結來研究豆腐含水量對孔隙率大小的影響，記錄實驗數(shù)據(jù)并對比分析.

2 實驗步驟

2.1 孔隙率的計算公式

(1)

(2)

其中：ε為孔隙率；ΔV為烘干冰的體積.單位：cm3；V為樣品體積(凍結后豆腐塊體積與原鮮豆腐塊體積近似相等).單位：cm3；m1為豆腐凍結后的質(zhì)量.單位：kg；m2為凍豆腐烘干后的質(zhì)量.單位：kg；ρ為冰的密度.單位：m3/kg.

2.2 風速的影響

本次實驗冷凍方式的改變?yōu)轱L速，在柜溫為-15～-17 ℃凍結2cm相同的鮮豆腐塊，用每塊豆腐的溫度改變來反映有無風機對凍豆腐孔隙率的影響.

實驗步驟如下：

1)將市售的鮮豆腐切成2 cm×2 cm×2 cm的規(guī)格，且邊界面盡量切得平整，記錄體積為V, 共研究16個樣本，進行標號便于區(qū)分，1-8號采用有風機冷凍、9-16號采用無風機冷凍(標號可采用質(zhì)量忽略不計的薄紙)；

2)將標好的豆腐塊分別置于兩個托盤內(nèi)并將熱電偶的探頭插入豆腐的幾何中心位置后放入速凍柜，設定速凍柜溫度為-15 ℃～-17 ℃，開始凍結；

3)利用熱電偶溫度探測儀顯示的溫度，每隔5 min記錄16塊豆腐的溫度，直至豆腐的溫度達到-10 ℃停止記錄，凍結結束；

4)取出凍豆腐并放置一段時間后拿出熱電偶探頭，稱豆腐凍結后的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)m1；

5)稱量完后，用干燥箱烘干，稱每塊豆腐烘干后的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)m2.

表1為兩組豆腐在有無風機條件下孔隙率的變化，從表中可以看出，有風機的一組孔隙率較無風機的一組更大些.

表1 有無風機孔隙率(%)

圖5為每隔5 min有無風機豆腐平均溫度變化的曲線，從圖中可看出在0 ℃以上兩條曲線變化趨勢相差不多，0 ℃以下時有風機的一組溫度下降趨勢較快.圖中0～10 min為冷卻過程，放入的為初溫相同的鮮豆腐，有風機的一組冷風均勻作用在豆腐表面，無風機的一組靠速凍柜內(nèi)溫度下降而使豆腐降溫，因此有風機的一組溫度下降較快；10～25 min為凍結過程，豆腐內(nèi)水結成冰會釋放大量潛熱，致使兩組溫度下降都很緩慢；25～45 min為凍結物繼續(xù)降溫過程，因冰的熱導率大于水的熱導率，溫度下降加快，進而有風機的一組溫度下降優(yōu)勢更加明顯.

圖5 有無風機豆腐溫度下降曲線

因此，相比于無風機，有風機的冷凍方式溫度下降快，冷凍時間短，孔隙率大，口感較好.

2.3 濕度的影響

本次實驗冷凍方式的改變?yōu)樗賰龉裰锌諝鉂穸?在有風機且柜溫為-19～-21 ℃下凍結2 cm相同的鮮豆腐塊，用每塊豆腐的溫度改變來反映空氣濕度對凍豆腐孔隙率的影響.

實驗步驟如下：

1)進行切塊、標號，1～8號在空氣濕度大(另附帶一盤水共同放入速凍柜)條件下進行冷凍，9～16號在空氣濕度小的條件下冷凍，其余條件相同；

2)利用熱電偶測溫，設定速凍柜溫度為-19 ℃～-21 ℃，然后開始凍結；

3)后續(xù)步驟同上.

表2為兩組豆腐在空氣濕度不同的條件下孔隙率變化的平均值，從表2中可看出空氣濕度大的一組孔隙率較空氣濕度小的一組更大些，即冷凍至相同溫度下空氣濕度小孔隙率小.

表2 不同空氣濕度孔隙率(%)

圖6為每隔5 min不同空氣濕度條件下豆腐溫度變化的曲線，從圖6中可看出在0 ℃以上兩條曲線變化趨勢相差不多，0 ℃以下時空氣濕度小的一組溫度下降趨勢較快.在圖6中0～5 min為冷卻過程；5～15 min為凍結過程，豆腐內(nèi)水結成冰會釋放大量潛熱，致使兩組溫度下降都很緩慢；15～25 min為凍結物繼續(xù)降溫過程，因冰的熱導率大于水的熱導率，溫度下降加快，空氣濕度小的一組溫度下降優(yōu)勢更加明顯.

圖6 不同空氣濕度豆腐溫度下降曲線

由此看出，在其余條件相同時，空氣濕度大，孔隙率大，口感較好.

2.4 柜溫的影響

本次實驗選擇在-15 ℃、-19 ℃、-23 ℃的柜溫下凍結2 cm相同的鮮豆腐塊，用每塊豆腐的溫度改變來反映柜溫對凍豆腐孔隙率的影響.

實驗步驟如下：

1)切塊、標號.1～8號為-15 ℃，9～16號為-19 ℃，17～21號為-23 ℃

2)利用熱電偶測溫，設定速凍柜溫度為-15～-17 ℃、-19～-21 ℃、-23～-25 ℃，在有風機條件下進行凍結；

3)后續(xù)步驟同2.2.

表3為豆腐在不同柜溫條件下的孔隙率變化平均值，從表中可看出在相同時間內(nèi)-23 ℃一組的孔隙率較其余兩組更大些.圖7為每隔5 min不同柜溫下豆腐溫度變化的曲線，從圖7中可以看出，三條曲線變化總體趨勢相同，先開始進行冷卻階段，然后進入凍結階段，最后進入繼續(xù)凍結階段，只是三者在每個階段所用時間有區(qū)別.-23 ℃所用時間最短，-15 ℃所用時間最長.在柜溫為-23 ℃，相同凍結時間內(nèi)，溫度下降最快，相比其余兩組孔隙率最大，凍豆腐口感最佳.

表3 不同柜溫影響孔隙率(%)

圖7 不同柜溫豆腐溫度下降曲線

2.5 豆腐形狀大小的影響

通過控制影響凍豆腐孔隙率的豆腐形狀研究其產(chǎn)生的變化，本次實驗選擇在-23 ℃的柜溫下凍結邊長2 cm，4 cm, 6 cm的鮮豆腐塊，用每塊豆腐的溫度改變來反映豆腐形狀對凍豆腐孔隙率的影響.

實驗步驟如下：

1)使用2 cm×2 cm×2 cm，4 cm×4 cm×4 cm，6 cm×6 cm×6 cm規(guī)格的鮮豆腐塊.切塊、標號，1～5號為2 cm的豆腐塊，6～10號為4 cm的豆腐塊，11～14號為6 cm的豆腐塊；

2)利用熱電偶測溫，設定速凍柜溫度為-23～-25 ℃，有風機下進行凍結；

3)后續(xù)步驟同2.2.

表4為在不同形狀下的豆腐孔隙率的變化，從表4中可看出在相同時間內(nèi)邊長為6 cm的孔隙率較其余兩組更大些.圖8為每隔5 min不同柜溫下豆腐溫度變化的曲線，從圖中可以看出，三條曲線變化總體趨勢相同，先開始進行冷卻階段，然后進入凍結階段，最后進入繼續(xù)凍結階段，只是三者在每個階段所用時間有區(qū)別.2 cm所用時間最短，6 cm所用時間最長.因此，在柜溫為-23 ℃，凍結相同時間6 cm溫度下降最慢，相比其余兩組孔隙率最大，凍豆腐口感最佳.

表4 不同豆腐形狀影響孔隙率(%)

圖8 不同形狀豆腐溫度下降曲線

2.6 不同豆腐含水量的影響

通過控制影響凍豆腐孔隙率的豆腐含水量進而研究其產(chǎn)生的變化.本次實驗選擇鮮豆腐、放置24 h的豆腐、105 ℃下烘干30 min的豆腐，凍結2 cm相同的鮮豆腐塊，用每塊豆腐的溫度改變來反映含水量對凍豆腐孔隙率的影響.

實驗步驟如下：

1)切塊，標號.1～5號為鮮豆腐，6～13號為放置24 h的豆腐，14～21號在105 ℃下烘干30 min.

2)利用熱電偶測溫，設定速凍柜溫度為-23 ℃～-25 ℃，有風機下開始凍結；

3)后續(xù)步驟同2.2.

表5、6為不同含水量條件下溫度、孔隙率的變化，從表中可以看出，放置24 h的豆腐溫度較鮮豆腐下降快，但鮮豆腐凍結后的孔隙率較其余兩組更大些.因此，在相同凍結條件下，鮮豆腐相比其余兩組孔隙率最大，凍豆腐口感最佳.

表5 不同含水量豆腐溫度和質(zhì)量

表6 不同含水量影響孔隙率(%)

3 結 語

經(jīng)過整理分析凍結速率和含水量的對比試驗數(shù)據(jù)，研究在不同條件下產(chǎn)生的孔隙率大小，并結合試驗過程中可能存在的誤差，得出冷凍工藝為風速大、溫度低(-23 ℃)、空氣濕度大時的大體積豆腐，孔隙率最大，食用口感較好，且在凍結時，使用鮮豆腐凍結的孔隙率最大，口感較好.為提高凍豆腐的質(zhì)量和口感，應使用鮮豆腐凍結，盡可能不使用放置一段時間的豆腐；為便于研究，在凍結鮮豆腐時，鮮豆腐間存在一定距離，與實際凍豆腐工藝可能存在較小差異，但不影響實驗結果分析.實驗中豆腐的形狀加工為手工刀切，無專業(yè)切割儀器，試樣存在人為誤差和儀器誤差；其中豆腐的烘干處理無法保證完全烘干，但較大的豆腐通過減小形狀、長時間、多次烘干的方法已盡可能減小誤差.