Lebensmittel gefrieren nicht mit gleichmäßiger Abkühlung. Die Temperatur-Zeit-Kurve verläuft zwischen -1℃ und -5℃ über ein nahezu horizontales Plateau, in dem der größte Teil des freien Wassers im Lebensmittel gefriert. Der Unterschied zwischen Schnellgefrieren und normalem Gefrieren liegt nicht darin, wie tief die Endtemperatur erreicht wird, sondern darin, ob dieses Plateau in einigen zehn Minuten oder in mehreren Stunden durchlaufen wird – ob die Eiskristalle in dieser Zeit wachsen können oder keine Zeit zum Wachsen haben, bestimmt direkt die Textur und die Safteinbindung nach dem Auftauen.
Die Gefrierkurve hat drei Abschnitte, der mittlere ist die Wasserscheide
Von der Anfangstemperatur bis zur Gefrierlagertemperatur durchläuft die Temperatur-Zeit-Kurve drei Abschnitte:
| Phase | Temperaturbereich | Prozessmerkmale |
|---|---|---|
| Vorkühlphase | Anfangstemperatur → Gefrierpunkt | Abgabe fühlbarer Wärme, relativ schnelle Abkühlung. Der Gefrierpunkt von Lebensmitteln liegt unter 0℃ und variiert je nach Zucker-, Säure-, Mineralstoff- und Kolloidgehalt |
| Gefrierphase (Zone maximaler Eiskristallbildung) | etwa -1℃ ～ -5℃ | Wasser gefriert und setzt große Mengen latenter Wärme frei, die Temperatur sinkt deutlich langsamer, die Kurve verläuft nahezu horizontal |
| Tiefkühlphase | -5℃ → Endgefriertemperatur | Restliches Wasser gefriert weiter, die Temperatur sinkt wieder |
Von den drei Abschnitten ist der mittlere derjenige mit konzentrierter Wärmeabgabe und flacher werdender Kurve. Um zu beurteilen, wie schnell ein Gefrierprozess ist, wird in der Branche üblicherweise die „Zeit zum Durchlaufen der Zone maximaler Eiskristallbildung" gemessen.
Zone maximaler Eiskristallbildung: -1℃ bis -5℃
Die Lebensmittelwissenschaft definiert -1℃ bis -5℃ als Zone maximaler Eiskristallbildung; in diesem Bereich können nahezu 80 % des Wassers zu Eis gefrieren (Kepu China · Wissenschaftsenzyklopädie). Eiskristalle entstehen und wachsen in diesem Abschnitt; wie groß sie werden, hängt von der Verweildauer ab.
Die Bedeutung des Schnellgefrierens liegt genau in diesem Abschnitt: Wird er in kurzer Zeit durchlaufen, haben die Eiskristalle keine Zeit zu wachsen, und im Gewebe entstehen viele feine Kristalle, die die Zellstruktur wenig schädigen. Bei langer Verweildauer konzentriert sich das zuerst gefrierende extrazelluläre Wasser zunehmend, intrazelluläres Wasser tritt aus, und schließlich entstehen große extrazelluläre Eiskristalle, die die Zellwände zusammendrücken und durchstechen. Beim Auftauen kann dieser Saft nicht zurückgehalten werden.
Wie die Gefriergeschwindigkeit eingeteilt wird
Nach der Wanderungsgeschwindigkeit der Eisfront wird das Gefrieren in drei Stufen eingeteilt (Kunning Cryo Technische Dokumentation zur Flüssigstickstoff-Schnellgefriertechnik):
| Kategorie | Wanderungsgeschwindigkeit der Eisfront |
|---|---|
| Schnelles Gefrieren | ≥ 5～20 cm/Stunde |
| Mittleres Gefrieren | ≥ 1～5 cm/Stunde |
| Langsames Gefrieren | ≥ 0,1～1 cm/Stunde |
Die von der Lebensmittelindustrie definierte „Schnellgefrierung" verlangt, dass die Zone maximaler Eiskristallbildung innerhalb von 30 Minuten durchlaufen wird, die Kerntemperatur von 0℃ auf unter -5℃ sinkt, die gebildeten Eiskristalle einen Durchmesser von weniger als 100 μm haben und die Kerntemperatur des Endprodukts unter -18℃ liegt.
Geräteseite: Die Abkühlgeschwindigkeit entscheidet, ob dieser Zeitraum genutzt werden kann
Der Siedepunkt von Flüssigstickstoff bei Normaldruck liegt bei -196℃ und damit deutlich niedriger als bei üblichen Kältemitteln der mechanischen Kühlung. Flüssigstickstoff steht zudem in direktem Wärmeaustausch mit dem Lebensmittel; die anfängliche Abkühlgeschwindigkeit ist die hardware-seitige Voraussetzung dafür, ob ein Gerät die Eiskristallzone schnell durchlaufen kann.
| Modell | Wärmeübertragungsart | Wesentliche Abkühlparameter |
|---|---|---|
| DKN-LFC-300 Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschrank | Flüssigstickstoff-Verdampfung ＋ Zwangsluftumwälzung | Abkühlung im Leerlauf nicht unter 20℃/Minute; Umluftgeschwindigkeit bis zu 10 Meter/Sekunde |
| DKN-LFC-600 Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschrank | wie oben, drei Langwellenventilatoren | Abkühlung im Leerlauf nicht unter 20℃/Minute |
| DKN-LFC-1200 Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschrank (vier Zonen) | Flüssigstickstoff-Verdampfung ＋ zonale Umwälzung | Abkühlung im Leerlauf ≤ 50℃/Minute; vier Zonen können nach Produktkategorie getrennt beschickt werden |
| DKN-LFT-1206 Flüssigstickstoff-Schnellgefriertunnel | Netzbandförderung, beidseitige Aufwärts- und Abwärtsinjektion ＋ Luftfeld | Im Leerlauf etwa 10℃/Minute; Transportzyklus 6～30 Minuten einstellbar; dünnere Produkte können innerhalb von 1 Minute gefroren werden |
| DKN-RHV-2000L Immersions-Schnellkühler | Direkter Kontakt mit lebensmittelechter Gefrierflüssigkeit | Arbeitstemperatur ≤ -35℃; Gefrierflüssigkeitstemperatur bis -50℃; Tunnelzyklus 20～100 Minuten einstellbar |
Die obige Tabelle enthält die veröffentlichten Parameter der einzelnen Modelle. Die Leistungsgrenzen der Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschränke finden Sie unter Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschrank, für kontinuierliche Produktionslinien unter Flüssigstickstoff-Schnellgefriertunnel, für den Weg des direkten Flüssigkeits-Wärmeaustauschs unter Immersions-Schnellkühler.
Ein Hinweis: Die angegebene Abkühlgeschwindigkeit im Leerlauf ist nicht gleich der Abkühlgeschwindigkeit der Produktkerntemperatur. Je dicker das Produkt und je höher der Wassergehalt, desto länger die Zeit zum Durchlaufen der Eiskristallzone. Was das Gerät leisten kann, ist die Bereitstellung ausreichender Wärmeaustauschbedingungen – eine ausreichend niedrige Umgebungstemperatur, ein Luftfeld, das in die Spalten der Ladungsträger eindringt, und eine flach ausgebreitete Beladungsdicke.
Gefriergeschwindigkeit und Gewichtsverlust
Während des Gefriervorgangs sublimiert oder verdampft Oberflächenwasser des Lebensmittels oder wird vom Luftstrom mitgeführt; dieser Gewichtsverlust wird als Gefrierverlust bezeichnet. Bei traditionellen Schnellkühllagern und Gefriereinrichtungen mit langsamem Gefrieren liegt die Verlustrate bei 3 %～6 %; bei der Flüssigstickstoff-Schnellgefrierung liegt die Verlustrate bei 0,25 %～0,5 % (Kunning Cryo Technische Dokumentation zur Flüssigstickstoff-Schnellgefriertechnik). Der Unterschied ergibt sich aus der Expositionszeit – je kürzer die Oberfläche im kalten Luftstrom verweilt, desto weniger Wasser wird mitgeführt. Bei Produkten mit höherem Stückpreis wirkt sich dieser Punkt direkt auf die Ausbeute aus.
Wie die abgeschlossene Gefrierung beurteilt wird
Ob die Gefrierung abgeschlossen ist, richtet sich nicht danach, wie lange das Gerät gelaufen ist, sondern nach der thermischen Kerntemperatur des Lebensmittels. Der thermische Kern ist die Position, die beim Gefrieren zuletzt gefriert; bei regelmäßig geformten Lebensmitteln liegt er in der Regel im geometrischen Zentrum. Nach Branchenpraxis gilt das Erreichen der Zieltemperatur am thermischen Kern als Endpunkt des Gefrierens; bei Fleisch wird üblicherweise eine Kerntemperatur von -15℃ verlangt; die Gefrierlagertemperatur wird in der Regel auf -18℃ bis -25℃ eingestellt.
Auf der Geräteseite entspricht dem die Temperaturmessung und -aufzeichnung. Bei der DKN-LFC-Serie beispielsweise kommen Platin-Widerstandsthermometer mit einem Bereich von 200℃～-200℃ zum Einsatz, eine Hauptsteuerung und eine Überwachung; die Tunnellinie verfügt am Einlauf, am Auslauf und am Schaltschrank über Not-Aus sowie über eine Sauerstoffkonzentrationsüberwachung, und nach Programmende erfolgen automatischer Alarm und Abschaltung. Ob die Daten rückverfolgbar sind, entscheidet darüber, ob beim Produktwechsel die Parameter der vorherigen Charge nachvollzogen werden können.
Häufige Fragen
Was bedeutet das „Plateau" auf der Gefrierkurve?
Das Plateau bezeichnet den Abschnitt, in dem die Temperatur während des Abkühlvorgangs nahezu unverändert bleibt. Die Bildung von Eis aus Wasser setzt latente Wärme frei; wird diese Wärme nicht abgeführt, kann die Temperatur nicht sinken, und die Kurve verläuft zwischen -1℃ und -5℃ flach. Je länger der Aufenthalt auf dem Plateau, desto langsamer wurde die Eiskristallzone durchlaufen.
Ist eine möglichst niedrige Gerätetemperatur besser?
Nein. Die Eiskristallgröße wird durch die Geschwindigkeit des Durchlaufens der Zone maximaler Eiskristallbildung bestimmt, nicht durch die Endtemperatur. Wird die Gerätetemperatur zu niedrig eingestellt, führt dies bei dünnen Produkten zu übermäßigem Gefrieren und erhöhtem Flüssigstickstoffverbrauch; bei dicken Produkten ist die Zeit zum Durchlaufen der Zone in der Mitte durch die Dicke begrenzt, und eine noch niedrigere Umgebungstemperatur bringt kaum Beschleunigung. Die Parameter sind nach Produktart und Dicke zu kalibrieren.
Warum sind die Unterschiede nach dem Auftauen groß, obwohl beide auf -18℃ gefroren wurden?
-18℃ ist die Gefrierlagertemperatur, nicht die Gefriergeschwindigkeit. Ob langsam über mehrere Stunden oder schnell in einigen zehn Minuten abgekühlt wird – am Ende werden beide -18℃ erreichen, aber die Eiskristallgröße ist unterschiedlich: Langsames Gefrieren bildet große Eiskristalle, die Zellen durchstechen, und beim Auftauen geht Saft verloren; schnelles Gefrieren bildet feine und gleichmäßige Eiskristalle, und das Gewebe bleibt weitgehend erhalten.
Woran erkennt man, dass die Gefrierung abgeschlossen ist?
An der thermischen Kerntemperatur des Lebensmittels, nicht an der Laufzeit des Geräts. Der thermische Kern ist die Position, die beim Gefrieren zuletzt gefriert; bei regelmäßig geformten Lebensmitteln liegt er in der Regel im geometrischen Zentrum. Bei Fleisch wird üblicherweise eine Kerntemperatur von -15℃ verlangt, die Gefrierlagertemperatur wird dann auf unter -18℃ eingestellt.
Können dünne und dicke Produkte mit demselben Parametersatz gefahren werden?
Nein. Dünne Scheiben und kleine Partikel können innerhalb von 1 Minute gefroren werden; bei dicken Produkten steigt die Zeit zum Durchlaufen der Zone in der Mitte mit der Dicke, und Netzbandgeschwindigkeit sowie Beladungsdicke müssen neu kalibriert werden. Vor dem Produktwechsel wird empfohlen, zunächst eine Kalibrierung mit kleiner Charge durchzuführen und die Parameter in die Arbeitsanweisung aufzunehmen.
Um den Gefrierprozess nach Produkttyp und Dicke festzulegen, können Sie Materialart, Einzelstückdicke, Einlauftemperatur und Zielkerntemperatur senden; wir erstellen einen Parametersatz nach den tatsächlichen Bedingungen: Kunning Cryo kontaktieren
Die Einteilung der Gefriergeschwindigkeit und die Verlustraten in diesem Text stammen aus der Kunning Cryo Technischen Dokumentation zur Flüssigstickstoff-Schnellgefriertechnik; der Temperaturbereich der Zone maximaler Eiskristallbildung und der Anteil des gefrierenden Wassers stammen aus Kepu China · Wissenschaftsenzyklopädie, die mechanistischen Erläuterungen sind allgemeines Fachwissen der Gefriertechnik.