（一）低温防腐的基本原理
微生物（细菌、酵母和霉菌）的生长繁殖和食品内固有酶的活动常是食品腐败变质的主要原因，自溶就是酶活动下出现的组织或细胞解体的一种现象。食品冷藏就是利用低温以控制微生物生长繁殖和酶活动的一种方法。通过此种方法可以达到远途运输和短期或长期贮藏的目的。
1.低温对微生物的影响
任何微生物都有一定的正常生长和繁殖的温度范围。温度愈低，它们的活动能力也愈弱。当温度降低到最低生长点时，它们就停止生长并出现死亡。许多嗜冷菌和嗜温菌的最低生长温度低于0℃，有的可达-8℃（见表1-1）。例如蔬菜中有些细菌最低生长温度为-6.7℃，因此贮藏于0℃低温下也常有腐烂。
表1-1 部分常见真菌和细菌的最低生长温度
续 表
当温度降到最低生长温度，再进一步降温时，微生物就会死亡。冻结或冰冻介质最易促使微生物死亡。在-5℃过冷介质中荧光杆菌数量无显著变化，但在同温度的冷冻介质中会有大量死亡。在更低温度下冻藏的食品的细菌残留率可能高于在较高温度下冻藏的食品（见表1-2）。
表1-2 不同冻藏温度对冻鱼贮藏期中细菌残留率的影响
（1）低温对酶活性和代谢反应的影响
酶是生物催化剂，酶的活性与温度有关。大多数酶的适宜温度为30～40℃，动物体内的酶需稍高的温度，植物体内的酶需稍低的温度。当温度超过适宜温度时，酶的活性就受到抑制；当温度达到80～90℃时，几乎所有酶的活性都遭到了破坏。酶活性受到抑制或破坏，会导致微生物受到抑制或死亡。
酶的活性随温度而发生的变化，常用温度系数Q10衡量，Q10为温度增加10℃后的化学反应率除以原来温度的化学反应率。大多数酶活性化学反应的Q10值在2～3范围内。这就是说温度每下降10℃，酶活性就会削弱为原来的1／2～1／3。在正常情况下，微生物细胞内各种生化反应总是相互协调一致。但各种生化反应的温度系数Q10各不相同，因而降温时，这些反应将按照各自的温度系数（即倍数）减慢，破坏各种反应原来的协调一致性，影响微生物的生活机能。温度降低愈低，失调程度也愈大，以致微生物的生活机能受到抑制，甚至达到致死的程度。
低温对酶并不起安全的抑制作用，酶仍能保持部分活性，催化作用并未停止，只是非常缓慢而已。例如胰蛋白酶在-30℃下，仍然有微弱的反应，在-20℃下脂肪酶仍能引起脂肪水解。但是一般来说，如将温度维持在-18℃以下，酶的活性已经受到很大程度的抑制，食品保鲜时间也将随之延长。为了将冷冻（或速冻）、冻藏和解冻过程中食品内不良变化降低到最低的程度，食品常经短时预煮，预先将酶的活性完全破坏掉，再行冻制。预煮时常以过氧化酶活性被破坏的程度作为所需时间的依据。低温还能降低化学反应速度，这是抑制代谢或不良反应的次要因素。
（2）脱水作用和冰晶机械性破坏作用
冷却时介质中冰晶体的形成会促使细胞内原生质或胶体脱水。自由水减少（类似脱水干燥），大量转化为非溶剂的冰晶，这显著抑制了酶的反应，降低了化学反应速度，胶体内溶质浓度的增加也常会促使蛋白质变性。这些都会显著抑制微生物生长。同时，冰晶体的形成还会使微生物细胞遭受到机械性破坏，所以对微生物有一定的致死作用。
2.影响低温致死微生物的因素
（1）温度的高低
在冰点以上，微生物仍然具有一定的生长繁殖能力，虽只有部分能适应低温的微生物和嗜冷菌逐渐增长，但最后也会导致食品变质。对低温不适应的微生物则逐渐死亡。这就是冷藏食品仍会出现不耐久藏情况的原因。
稍低于生长温度的温度或冻结温度对微生物的威胁最大。例如-5～-2℃，会导致微生物的活动受到抑制或几乎全部死亡。当温度冷却到-25～-20℃时，微生物细胞内所有酶的反应几乎全部停止，并且还延缓了细胞内胶质体的变性，此时，微生物的死亡速度比在-10～-8℃时反而缓慢得多。
（2）降温速度
食品冻结前，降温愈速，微生物的死亡率也愈大。这是因为迅速降温过程中，微生物细胞内新陈代谢未能及时迅速重新调整。食品冻结时情况恰好相反，缓冻将导致大量微生物死亡，而速冻则相反。这是因为缓冻时，食品温度长时间处于-12～-8℃（特别在-5～-2℃），并形成量少粒大的冰晶体，对细胞产生机械性破坏作用，还促进蛋白变性，以致微生物死亡率相应提高。速冻时食品在对细胞威胁性最大的温度范围内停留的时间甚短，同时温度迅速下降到-18℃以下，能及时终止细胞内酶的反应和延缓胶质体的变性，故微生物的死亡率也相应降低。一般情况下，食品速冻过程中微生物的死亡数仅为原菌数的50%左右。
（3）结合水分和过冷状态
急速冷却时，如果水分能迅速转化成过冷状态，避免结晶并成为固态玻璃质体，这就有可能避免因介质内水分结冰所产生的破坏作用。这样的现象在微生物细胞内原生质冻结时就有出现的可能，当它含有大量结合水分时，介质极易进入过冷状态，不再形成冰晶体，这将有利于保持细胞内胶质体的稳定性。细菌的芽孢和霉菌孢子中的水分含量比较低，其结合水含量比较高，因而它们在低温下的稳定性也就相应的较高。
（4）介质
高水分和低pH值的介质会加速微生物的死亡，而糖、盐、蛋白质、胶体、脂肪对微生物则有保护作用。
（5）贮期
低温贮藏时微生物数量一般总是随着贮存期的增加而有所减少，但是贮藏温度愈低，减少的量愈少，有时甚至没减少。贮藏初期（最初数周内），微生物减少的量最大。一般来说，贮藏一年后微生物死亡数将为原菌数的60%～90%。在酸性水果和酸性食品中微生物数的减少量比在低酸性食品中更多。
（6）交替冻结和解冻
理论上认为交替冻结和解冻将加速微生物的死亡，实际上效果并不显著。
3.低温对食品品质的影响
对于有生命的食品，低温需要保持其生命，一般仅仅使用冰点以上的低温，此时，冷却和冷藏的主要作用是抑制酶的活性和代谢反应等，有明显的保鲜作用。对于部分无生命的食品，不但使用冰点以上低温，也使用更低温度。冻结和冻藏不但能抑制酶活力和代谢反应，还能把自由水转化为冰晶，冰晶具有机械性破坏作用等。这种破坏性对很多食品品质并无明显影响，但对少数无生命的食品有一定副作用，例如猪肉冷冻后，会出现细胞膜破损，蛋白质变性，汁液流失等现象。
（二）机械冷藏库
食品冷藏库（refrigerated warehouse）是用人工制冷的方法对易腐食品进行加工和贮藏，以保持食品食用价值的建筑物，它是冷藏链的一个重要环节。
1.冷藏库的类型
（1）按冷藏库容量分类，我国商业系统冷藏库可分为四类，见表1-3。
表1-3 冷藏库的容量分类法
（2）按冷藏库设计温度分类：①高温冷藏库，-2℃以上；②低温冷藏库，-15℃以下。对于室内装配式冷藏库，分类见表1-4。
表1-4 装配式冷库的分类
（3）按使用性质分类
①生产性冷藏库。主要建在食品产地附近、货源较集中的地区。冷冻加工能力大，并设有一定容量的周转用冷藏库。
②分配性冷藏库。一般建在大中城市，作中转运输和贮藏食品之用。冻结量小，冷藏量大，而且要考虑多种食品的贮藏。
③零售性冷藏库。一般建在城市的大型副食商店内，供临时贮藏零售食品之用。特点是库容量小，贮藏期短，库温随使用要求不同而异。在库体结构上，大多采用装配式组合冷藏方式。
2.冷藏库的组成与布置
（1）冷藏库的组成
冷藏库是一建筑群，主要由主体建筑和辅助建筑两大部分组成。按照构成建筑物的用途不同，主要分为冷加工间及冷藏间、生产辅助用房、生活辅助用房和生产附属用房四大部分。
①冷加工间及冷藏间。
冷却间：用于对进库冷藏或需先经预冷后冻结的常温食品进行冷却或预冷，加工周期为12～24h，产品预冷后温度一般为4℃左右。
冻结间：用来将需要冻结的食品状态由常温或冷却速降至-15℃或-18℃，加工周期一般为24h。冻结间也可移出主库而单独建造。
冷却物冷藏间：又称高温冷藏间，主要用于贮藏鲜蛋、果蔬等有生命食品。若贮藏冷却肉，时间不宜超过14～20天。
冻结物冷藏间：又称低温冷藏间或冻藏间，主要用于长期贮藏经冻结加工过的食品，如冻肉、冻果蔬、冻鱼等。
冰库：用以储存人造冰，解决需冰处于旺季和制冰能力不足的矛盾。
冷间的温度和相对湿度，应根据各类食品冷加工或冷藏工艺要求确定，一般按冷藏库设计规范推荐的值选取，如表1-5所示。
表1-5 冷间的使用温度和相对湿度
②生产辅助用房。
装卸站台：供装卸货物用。公路站台高出回车场地面0.9～1.1m，与进出最多的汽车高度相一致；它的长度按每1000t冷藏容量7～10m设置，其宽度由货物周转量的大小、搬运方法的不同而定。铁路站台高出钢轨面1.1m。
穿堂：运输作业和库房间联系的通道，一般分低温穿堂和常温穿堂两种，分属高、低温库房使用。目前，冷藏库中较多采用库外常温穿堂。
楼梯、电梯间：多层冷藏库均设有楼梯、电梯间，一般按每1000t冷藏量配0.9～1.2t电梯容量设置。楼梯是生产工作人员上下的通道，电梯是冷藏库内垂直运输货物的设施。
过磅间：专供货物进出库时工作人员司磅记数使用的房间。
③生活辅助用房。主要是生产管理人员的办公室或管理室，生产人员的工间休息室、更衣室，以及卫生间等。(www.xing528.com)
④生产附属用房。包括制冷机房、变配电间、水泵房、制冰间、整理间、氨库等。
（2）冷藏库的布置
①冷藏库的平面布置。
低温冷藏间和冻结间：通常将冻结间单独建造，中间用穿堂连接。
冻结物冷藏间和冷却物冷藏间：多层冷藏库把同一温度的库房布置在同一层上；冻结物冷藏间布置在一层或一层以上的库房内；冷却物冷藏间若布置在地下室，则地坪不须采取防冻措施，若布置在地上各层，则可减少冷量的损失。
②冷藏库的垂直布置。
单层冷藏库和多层冷藏库：小型冷藏库一般采用单层建筑，大、中型冷藏库单层和多层建筑都有。多层冷藏库一般把冻结间布置在底层，以便于生产车间的吊轨接入冻结间，把制冰间布置在顶层，有利于冰的入库和输出，制冰间的下层为储冰库，冰可通过螺旋滑道进入储冰库。地下室可用作冷却物冷藏库或杂货仓库。为了减少冷藏库的热渗透量，无论是多层冷藏库还是单层冷藏库，都应建成立方体式的，尽量减小围护结构的外表面积，其长宽比通常取1.5∶1左右。
冷藏库的层高：目前国内冷库堆货高度在3.5～4m，单层冷藏库的净高一般为4.8～5m，采用巷道或吊车码垛的自动化单层冷库不受此限。多层冷藏库的冷藏间层高应≥4.8m，当多层冷藏库设有地下室时，地下室的净高不小于2.8m。储冰间的建筑净高，当用人工堆码冰垛时，单层库的净高应为4.2～6m，多层库的净高应为4.8～5.4m，如用桥式吊车堆码冰垛时，则建筑净高应不小于12m。
3.冷藏库的隔热和防潮
（1）冷库隔热防潮的意义
为了减少外界热量侵入冷藏库，保证库内温度均衡，减少冷量损失，冷藏库外围的建筑结构必须敷设一定厚度的隔热材料。实践证明，防潮层的有无与质量好坏对于围护结构的隔热性能起着决定性作用。若防潮层设计和施工不良，外界空气中的水蒸气就会不断侵入隔热层以至冷库内，最终将导致围护结构的损坏，严重时甚至整个冷库建筑报废。
（2）隔热防潮的方法
当冷藏库建筑结构中热导率较大的构件（如柱、梁、板、管道等）穿过或嵌入冷库围护结构的隔热层时，会形成冷桥。冷桥在构造上破坏了隔热层和隔气层的完整性与严密性，容易使隔热材料受潮失效。若墙、柱所形成的冷桥跑冷严重，还会引起墙基等冻胀，危及冷库建筑的安全。
有两种方法可以消除冷桥的影响：①隔热防潮层设置在地坪、外墙及屋顶上，把能形成冷桥的结构包围在其里面，称为外置式隔热防潮系统，特点是隔热防潮性能最佳，造价较便宜；②与外置式相反，隔热防潮层设置在地板、内墙、天花板上，称为内置式隔热防潮系统，当墙壁和天花板需要经常清洗时常采用这种结构。
（3）常用的隔热材料与防潮材料
通常对低温隔热材料有以下要求：热导率小，热稳定性好，吸湿性强，含湿量少，密度小且含有均匀的微小气泡，不易腐烂变质，耐火性和耐冻性好，无臭无毒，价格低廉，资源丰富，例如聚氨酯泡沫塑料是常见的冷库隔热材料。
冷库隔热防潮材料
（三）食品冷却与冷藏
冷却与冷藏是食品保鲜的常用方法。冷却是冷藏的必要前处理，是一个短时的换热降温过程，冷却的最终温度在冰点以上。冷藏是冷却后的食品在低温下保持食品不变质的一种贮藏方法。对于果蔬食品的冷藏，应该使其生命的代谢过程尽量缓慢进行，延迟其成熟期的到来，保持其新鲜度。对于动物性食品的冷藏，应该弱化食品中微生物的繁殖能力，降低其自身的生化反应速率，这可作为暂时贮藏或冻结与冻藏的前处理。
1.食品冷却中的传热
基本传热方式与食品种类和形状、所用冷却介质等有关。导热主要发生在食品的内部、包装材料、用固体材料作为冷却介质的冷加工中；对流主要发生在以气体或液体作为冷却介质的加工和冷藏中；辐射主要发生在仅有自然对流或流速较小的冷加工和冷藏中。实际上常以一种或两种为主、其他为辅的传热方式。
（1）传热方式
①导热。
食品内部的导热问题：食品冷却时，其表面温度首先下降，并在表面与中心部位间形成温度梯度，在此梯度的作用下，食品中的热量逐渐从其内部以导热的方式传向表面。当食品的平均温度达到冷藏入库规定的温度时，冷却过程结束。
食品外部包装材料的导热问题：在带有包装的食品的冷却过程中，包装材料的导热问题应该考虑进去。
②对流。
采用气体或液体作为冷却介质时，食品表面的热量主要由对流换热方式带走，其传热速率方程为：Q=αAΔT
式中，α——对流表面传热系数，单位为W／（m2·K）；
A——与冷却介质接触的食品表面积，单位为m2；
ΔT——食品表面与冷却介质间的温度差，单位为K。
对流表面传热系数与冷却介质种类、流动状态、食品表面状况等许多因素有关，几种常见冷却方式下的对流表面传热系数见表1-6。
表1-6 几种常见冷却方式下的对流表面传热系数
③辐射。
在空气自然对流环境下，辐射换热是很小的。
（四）冷库的案例和管理
1.果蔬冷库案例
机械制冷利用机械动力（压缩机）将低温的物质（制冷剂）输入高温物质的环境中（果蔬库），将高温物体（果蔬）中的热量带走，如此循环往复从而降低高温物质的温度。机械冷藏是在有良好的隔热条件下，在永久性贮藏库内通过机械制冷装置，进行人工调节和控制，创造适宜的食品贮藏条件。果蔬冷库一般由制冷机房、贮藏库、缓冲间和包装场四部分组成，其中制冷机械主要包括制冷压缩冷凝机组和换热器（冷风机）两大部分。果蔬冷库一般采用冷风机降温方式，不采用盘管式降温方式。中小型冷库一般用氟利昂作为制冷剂，大型冷库则多用氨制冷。制冷剂常用氨或二氯二氟甲烷。氨是最早成功使用的制冷剂，主要用于大型压缩机，氨对金属有腐蚀作用。二氯二氟甲烷又可简称为F-12或氟利昂12，主要用于小型冷冻机及空气调节装置，一旦溅到人体即会引起皮肤溃烂。冷藏库内的冷冻压缩系统主要由电动压缩机、蒸发器、调节阀和冷凝器等部件所组成。制冷剂在常温高压下为液体，当减压后在蒸发管内吸收热量变气态，引起库体降温。循环到压缩机变高温高压液体，经冷凝器冷却变常温高压液体。这样不断循环，进行降温。通常库内还装有自动温度控制器。用氨作为制冷剂时，应特别注意蒸发器，如果蒸发器漏气，库内果蔬的保鲜就会受到很大影响。另外，蒸发器会不断地结霜，要经常自动或人工“冲霜”，否则也会影响冷却效果。
目前国内果蔬机械冷库大多为多层式，通常都是4至5层，每层高4.5～5.0m，净空高4m。用电梯作垂直式运输，再行堆码。这种建筑节约土地，但造价很高，自动堆码程度低。国外现在大多建筑单层式冷库可高达30m。单层冷库的优点是施工快、造价低、自动堆码效率高；缺点是耗冷量大、占地面积大。单层冷库内设有金属货架十多层，用自动码垛装卸机行驶于两架之间，进行水平和垂直运输，自动将货物起放到指定的货架上。为便于机械操作，一般有防撞柱和卷门（见图1-1）。
图1-1 冷库的防撞柱和卷门
2.微型冷藏库案例
现在产地有很多微型冷库，库容60～200m3。由贮藏间、机房、缓冲间（或者没有缓冲间）三部分组成，库体主要为土木结构，建筑方式类似于普通民房。有的为玻璃纤维外层或彩钢板外层的隔热板搭建，内含保温材料，一般为聚氨酯发泡料（保温材料也可能用膨胀珍珠岩、聚苯乙烯泡沫板），辅以相应的制冷设备，投资成本较低。在浙江的杨梅、茭白、香菇等食品的农村产地，城市的果品、水产、鲜肉批发市场等地大量应用。其贮藏期短的为1周，长的为2个月。
3.真空冷却
真空冷却是一种特殊的降温方式，主要有两种：（1）利用减压，使水分变成水蒸气，吸收热量，从而使食品温度快速下降，达到冷却的目的，这种形式主要用于表面积大的叶菜类新鲜食品的预冷；（2）把真空和制冷机组结合起来的设备，其使用更加广泛，可用于预冷也可以用于减压低温贮藏，甚至可用于冷冻干燥。后者的真空冷却设备主要由真空槽、捕水器、制冷机组、真空泵和测控系统等组成。如果用于果蔬冷藏，应该加增湿器。
4.机械冷藏库的使用和管理
（1）库房和包装物消毒及预冷
果蔬采收包装前，首先要对库房和包装物进行消毒。可在库房内将包装物如纸箱、木箱或果筐堆码整齐，每立方米空间用5～20g硫黄燃烧熏蒸，时间24～48h。熏硫后要打开进、排气口通风。另外，也可喷布40%石灰水或4%福尔马林溶液进行消毒杀菌。
（2）库内堆放
果蔬在库内堆放，要合理布局，做到既不浪费空间，又有利于管理和通风换气。所以，为了保持库内气流的通畅和循环，预留通道或夹道不要同气流方向垂直，果筐与库壁之间留出10～40cm的间隙，垛与地面应有5～10cm的通风间隙，果箱（筐）与果箱之间也应保持适当间隙，以利散热与排出二氧化碳等有害气体。冷库一般是天花板和侧壁降温，码垛时最上部的果蔬要加盖覆盖物以免冻害。在现代化的冷库中，常将包装好的产品堆在载货托板或配有可拆架框的托板上，用叉车搬运、码垛。为使库内空气流动通畅，货垛应距离墙壁约30cm，垛与垛间、垛内各容器间也应留适当空隙。垛顶与天棚或吊顶冷风筒间应留约80cm的空间层，因为与冷风筒太近容易使产品受低温伤害。
（3）温度管理
多数果蔬适合于贮藏在接近它们本身冰点的低温中。而原产于热带、亚热带地区的果蔬，一般不太耐低温，在不适当的低温下，时间一长就将发生冷害，故应该先确定贮藏温度。
冷库中应力求库温稳定，且各部位的温度应均匀一致。这就要求库体应有良好的隔热性和密闭性，制冷量能满足热负荷高峰期的需要，冷却管应有良好的导热性和足够的散热面积并在库内配置合理，产品装载适当。为保持库温稳定，最好在果蔬入库前先经预冷。未经预冷的产品应分批入库，每天入库量约为总容量的10%，否则一次性地带入过多的田间热，库温难以回降，温度波动太大。为了防止气流停滞出现死角，可以在局部位置用鼓风机增加风速。但是风速不宜太大，鼓风时间也不宜持续太长，否则产品将明显失水，这对贮藏很不利。
冷却管结霜是冷库管理的主要问题。一般冷库冷却管的温度比库温低10～15℃，总是在0℃以下，这就导致冷却管表面不断地结霜。结霜严重地阻碍了制冷效应的发挥和破坏了恒定库温的维持。要想阻止结霜，就得缩小库温和冷却管表面的温差，然而果蔬冷藏库由于湿度很高，库温与其露点仅相差1℃左右。要缩小到这样小的温差而又要保证足够的制冷量，就得把冷却管的散热面积增大许多倍。只有夹套式冷库具备这样的优点。对于一般冷库来说，很难做到这样，因此真正切实可行的办法是定期除掉管壁的霜。冲霜的基本方法是加热冷却管，使霜迅速融解。冲霜周期要短，速度要快。周期短，霜不至于结得太厚；速度快，霜不会变成冰壳更难消融，对库温波动的影响就小一些。贮藏期间还要每天对库内进行多点定时温度检测，掌握温度变化并加以调控。果蔬出库后应逐渐升温，骤然升温会降低果实品质，使果蔬易于发汗，表面结露造成腐烂，而且会缩短货架期。
（4）湿度管理
结霜是造成湿度低的主要原因。冲霜只能解决温度问题，不能解决湿度问题，这是因为融解的水被排出库外，不会变成蒸汽回到空气中去。目前加湿方法主要是在库内喷雾，雾粒越小越好，喷出后很快就汽化，不致成水滴而沾湿产品，还能吸收一些汽化热有助于制冷。主流的加湿方法是使用超声加湿器。另外水逆向加湿器也有此功能，用细塑料丝织物绕在防水架上做成纤丝室，用过冷水或冷溶液喷淋纤丝，空气吹风机向上吹，从而提供良好的热交换并使空气为水饱和。当库内湿度过高时，可通过通风换气，予以降低。
（5）通风换气
果蔬贮藏中，要注意通风换气，及时排除果蔬在贮藏中呼吸释放出的二氧化碳和其他刺激性气体如乙烯、乙醛、乙醇等，防止其积聚促进果实的成熟和衰老。在贮藏初期，要求每1～2天通风一次，通风宜选择温度较低的早上或晚上进行；贮藏中后期，一般每10～15天进行一次，也可结合降温一并进行。
（6）乙烯脱除
对乙烯高度敏感的果蔬需要脱除乙烯。除掉冷藏库内乙烯的最好方法是装乙烯脱除器（含有贵金属的催化器）。
（7）检查与记录
冷藏库的温度、湿度管理，要专人负责。面积较大的库体，各部位的温、湿度有可能不同，宜选用有代表性的位置放置温、湿度计，每日定时检查记录，作为调控温、湿度的依据。平时注意观察，果蔬应在品质劣变前出库销售，以免造成损失。在贮藏当中也可能有个别果实提前发霉腐烂，应及时拣出坏果，以免影响周围好果。
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