冷冻浓缩操作涉及液-固系统的相平衡，图 3-69为液-固系统相平衡图，其纵坐标为物系的 温度，横坐标为溶质的浓度(质量分数，%)，图上任 一点都表示物系的某一状态。图中DE线称冰点 曲线或冻结曲线，FE线叫溶解度曲线，E点称低共 熔点或低共晶点。DEF线上方区域为溶液区域， 即液相区;DE线以下为冰与溶液两相共存区，而 EF线以下为固体溶质与溶液两相共存区域。今讨 论浓度为cA、温度为T的溶液1。当其温度下降 时，例如达到TA温度，A点状态由(cA，TA)表达， 这时即有冰晶出现，TA为其冰点。温度再继续下降至TB时，温差(TA-TB)称为 溶液的过冷度，过冷溶液分成两部分，一部分是冰晶Z(0，TA)，另一部分是溶液B(cB， TB)，此时cB>cA。并且冰晶Z与溶液B达到 相平衡状态，此两平衡相量之比，即冰晶量与浓 缩液量之比符合杠杆定理，从而可计算冷冻浓 缩操作中冰晶量与浓缩液量。当温度降至TE 时，与冰晶成平衡的溶液为E点表示的溶液，称 低共熔溶液，或低共晶溶液，其相应浓度称低共 熔浓度或低共晶浓度。从这个过程可见，当溶 液浓度低于低共熔浓度时，冷却的结果是溶液 中的水分以冰晶形式析出，而随着水以冰晶形 式的析出，余下溶液的浓度提高了，即溶液得到 了浓缩，此即为冷冻浓缩的原理。
图3-69 液-固系统相平衡图
图3-70 若干液体食品冻结曲线
1-咖啡 2-蔗糖 3-苹果汁 4-葡萄糖 5-果糖
理论上，冷冻浓缩过程可进行至低共熔点， 浓缩液最高浓度可达低共熔浓度。但实际上， 多数液体食品没有明显的低共熔点，而且在远 未到达此点之前，浓缩液的黏度已经很高，此时 晶核形成、晶体成长及冰晶浓缩液的分离已很困难，甚至已不可能，所以冷冻浓缩在实践 上其浓缩程度是有很大限度的。图3-70示出若干液体食品的冻结曲线，液体食品的冻 结曲线是冷冻浓缩操作过程中确定操作条件和进行物料衡算的依据。例如，从图可见，初 始浓度为12.3%的苹果汁冷却至平衡温度-12.3℃时，与冰晶平衡的浓缩液浓度为50% (质量分数)，此时冰晶量与浓缩液量之比为86：14，并且初始浓度愈低，冰晶量对浓缩液 量的比值愈大。