冷冻新技术对冰晶的控制

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本文作者：赵金红、胡锐、刘冰、倪元颖 单位：中国农业大学食品科学与营养工程学院国家果蔬加工工程技术研究中心

通过对高压下水相变化进行研究，可以利用高压来控制冷冻过程，并提高食品的质量。这方面应用的食品包括有：猪肉、蝉虾、胡萝卜、大白菜、豆腐、梨和芒果[3,8]。研究[9]表明，压力释放后所形成的冰晶数量是决定高压冷冻效果的关键因素，近几年已经有人通过多种方法来研究该问题。其中，一些研究者[10,11]采用热平衡方法来预测冰晶形成的数量。该模拟方法[9]假设：晶核生成所释放的潜热等于样品从冻结/熔解曲线的亚稳态到达平衡状态所吸收的显热。通过此模型还得到：在膨胀之前，升高压力或者降低温度能够形成更多的冰晶，进而缩短相变时间。Sanz等[12]根据水在高压下的热力学性质，利用数学模拟方法来研究高压冷冻瞬间冰晶形成的数量。该模型研究了在液态水、冰Ⅰ区域以及这两个区域的边界处，压力、温度和比容三者之间的关系，此模型预测了水在冻结瞬间可形成36%的冰晶。Otero等[10]采用相似的方法，利用HPSF冷冻含水量99%的琼脂凝胶样品，估计冰晶生成的比例为29.1%。另一种利用高压冷冻研究生成冰晶比例的方法，是通过试验测量膨胀后所释放的潜热，例如量热技术。Zhu等[13,14]采用HPSF冷冻纯水、甲基纤维素、土豆、三文鱼以及猪肉等样品，结果都显示了一个普遍规律：在压力210MPa和-22℃条件下释放压力，生成冰晶数量的最高比例均为33.6%。在Otero等[9]利用HPSF冷冻样品的过程中，通过使用一个简单的装置，在不同的压力和温度条件下进行测量，试验结果与热平衡模型的理论预测值完全一致。该试验表明，样品的初始含水量是决定冰晶生成数量的关键因素。但是，对于不同样品，冰晶数量其占样品体积的比例均相同。目前，有两个因素限制了高压冷冻在工业上的广泛应用：①关于在高压冷冻过程中所涉及的传热、传质方面的基础性研究较少，从而造成实际应用缺乏理论指导；②冷冻高压设备的制造，所需要的钢材材质和压力传递液体比较特殊，因此价格昂贵，制造成本较高。

超声波食品冷冻技术是将功率超声技术和食品冷冻相互结合，超声可以强化冷冻传热过程，促进食品冷冻过程的冰结晶，因此能够改善冷冻食品品质[3]。由超声波的物理效应（空穴效应）产生的大量气泡不仅可以促进冰核的生成，还可以破碎较大的冰晶体[15]。超声波冷冻技术在食品冻结过程中对冰晶影响的研究有：Sun等[16]采用超声波强化马铃薯片的冷冻过程，间歇使用功率为15.85W的超声波与浸渍冷冻相结合，试验结果证明可以显著提高冻结速率，生成的冰晶体数目多、粒径小、粒度分布均匀。宋国胜等[17]在研究超声辅助冷冻对湿面筋蛋白以及对冰冻糖果制造的影响时，均发现类似的试验结果。Hozumi等的试验[18]结果表明，45KHz，0.28W/cm2的超声波能降低纯水结晶的过冷度，促进冰晶形成。冰核生成是冷冻过程的重要阶段，但是针对冰晶成核的研究比较困难。因为冰核的生成是自发的、随机的，冰晶成核温度不能通过准确的预测或计算得到。所以，如果能找到一种控制冰核生成的技术，并使得这种随机的现象转变为一种可重复、可预测的过程，将是一件非常有意义的事情。超声波作为一种控制技术，可以用来简便地控制冰晶的成核，提高过程的可重复性[19]。研究[20-22]证明，超声波技术能够促进过冷溶液中冰核的形成。Inada等[22]研究结果显示，超声波能够极大地提高相变及冰晶成核的可能性，而空化强度的选择对于得到较好的可重复性结果起到了至关重要的作用。所做的类似研究还有，Zhang等[23]分析了空化强度和成核可能性之间的关系。研究表明，使用超声波在-6℃下对过冷水进行1s的处理，会生成大量的冰晶，其生长为枝状冰晶体，这与未处理样品的冰晶体的生长方式和结构相似，从而说明超声波可诱发晶核的产生，并且不影响后续冰晶体的生长方式和结构。然而，近几年又有研究发现超声波可以使枝状冰晶破碎，产生二次结晶，能改变冰晶体的整个生长方式[20，21]。Chow等[20]的试验结果证明：与未处理组相比，超声波能够提高蔗糖溶液中第一次冰晶成核的温度，同时使冰晶成核温度的测量具有更好的可重复性。此外，试验[23]还发现空化作用产生的气泡，对枝状冰晶的破碎起到了非常重要的作用，并可能会诱发二次冰晶成核。而冰晶成核温度会随着超声波功率的增大而提高。将超声波冷冻技术应用于冷冻食品中，发挥了重要作用。其中的空化作用可以使冰晶体数目变多、粒径变小、粒度分布更均匀，从而改善了食品的品质。但对于超声波冷冻是如何改变冰晶的大小与分布，相关的机理研究较少，因此有必要在超声波影响冰晶体的机理方面做深入研究。

果蔬渗透脱水是指在一定温度下，将水果或蔬菜浸入高渗透压的溶液，利用细胞膜的半渗透性使物料中的水分转移到溶液中，从而除去部分水分的一种技术。在生产中，渗透脱水经常作为一种果蔬加工的前处理方式，与果蔬干燥、冷冻、杀菌、罐藏等方法联合使用[24]。渗透脱水冷冻指对食品先进行脱水以达到理想的水分含量后，再进行冷冻加工。与传统冷冻方法相比，其能够较好的保藏水果和蔬菜，并降低冷冻负荷，节省能源，减少包装、销售和储藏的成本[25]。最近几年，关于渗透冷冻对冷冻食品品质影响的研究主要有以下成果：Marani等[26]采用渗透冷冻技术处理梨、猕猴桃、草莓和苹果，渗透液为蔗糖、葡糖糖和玉米糖浆混合物。试验证明渗透冷冻能够减少汁液流失；对于其中一些水果还能减缓颜色变化，并改善质构。Rincon等[27]采用不同浓度的蔗糖溶液渗透处理芒果后，再继续冷冻（-18℃）储藏20周，以研究对不同成熟度芒果品质的影响。结果表明：高浓度蔗糖溶液渗透处理冷冻后芒果品质较好。初期不太成熟的芒果，经过渗透脱水后稍有变软，但冷藏期内硬度和粘聚性能够保持不变。Dermesonlouoglou等[28]研究了渗透脱水前处理对冷冻黄瓜货架期的影响。与未处理组相比，处理组冷冻黄瓜的品质有了较大提高。其颜色变化减少到36.7%，硬度得到提高，感官评价较好。此外，还有关于渗透冷冻对胡萝卜质构的保护机理研究。Ando等[29]通过试验发现，渗透冷冻对细胞壁有保护作用，其断裂应力非常接近于新鲜样品值，但渗透冷冻—解冻对细胞膜（初始模量和透水性）的损害没有起到保护作用。渗透冷冻对冻结参数影响的研究有：Spiazzi等[8]将新鲜猕猴桃样品浸泡在68%（m/m）的蔗糖溶液中渗透3h，然后在-3℃下冷冻。试验结果表明：与未处理组比较，脱水样品的冰点降低，样品降到-18℃的时间减少到19～20min，冷冻速率快了20%～30%。脱水样品的水分含量越低，样品的冰点温度越低，冷冻时间越短。这可能是由于“水分含量越少，所释放的热量越少”。Spiazzi等[8]还渗透冷冻处理柠檬，他发现样品渗透时间越长，解冻后汁液流失率越少，这与“水分含量越低，冷冻对样品的损害程度越低”的结论相一致。然而，关于渗透冷冻针对食品中冰晶的影响，相关研究较少。在渗透冷冻中，脱水干燥预处理是冷冻过程的重要一步，原因在于它能影响整个过程和冷冻食品的最终品质。关于渗透脱水的研究已经进行了很长时间，其主要集中于通过数学模拟和试验方法来研究质量传递过程。因为渗透脱去水分的同时，溶质也会渗进到果蔬中，从而会影响果蔬口感等感官特性，所以实际应用中要根据不同的食品来选择适合的渗透液。

抗冻蛋白（antifreezeproteins，AFPs）是一类能抑制冰晶生长的特殊蛋白质，它能够非依数性地降低水溶液的冰点，但对熔点的影响甚微[30]。AFPs在很多有机物中都存在，包括细菌、真菌、昆虫、植物材料及鱼类等[5]，当前研究最多的是鱼类的抗冻活性蛋白。AFPs可以降低溶液冰点，抑制晶核生长及冰晶生长速率。极低浓度（10-8mol/L）的AFPs就能抑制重结晶，并且对冰晶形态有修饰作用。在AFPs的作用机理研究方面，比较合理的解释是吸附抑制理论：一般晶体生长垂直于晶体表面，假如杂质分子吸附于冰生长通途的表面，那么需要外加一个推动力（冰点下降），促使冰在杂质间生长。由于曲率增大，使边缘的表面积也增加。受表面张力的影响，增加表面积将使体系的平衡状态发生改变，从而冰点下降[31,32]。当任何曲面半径小于冰核的临界半径时，冰晶停止生长[19]。AFPs在冷冻食品实际应用方面的研究较少。目前，AFPs在食品中最成功的应用是将AFPs添加到冷冻乳制品中抑制重结晶化，比如冰淇淋。在冷冻储藏过程中，由于温度发生波动，重结晶化不可避免，从而造成冰淇淋质地粗糙、质量下降。研究[31]发现，把少量的AFPs加入到冰淇淋样品中，在-80℃下迅速冷冻，然后在-6～-8℃下储藏1h后，用显微镜观察重结晶的变化，同对照组相比冰晶明显变小。在冷却/冷冻肉的应用中，加入AFPs可以减少肉制品的渗水，并抑制冰晶的形成，从而减少营养流失。Payne等[33]的研究中，将从南极鳕鱼中分离的抗冻糖蛋白，在屠宰前静脉注入羔羊体内，羊肉真空包装冷藏在-20℃条件下2～16周。试验发现无论是在屠宰之前1h还是24h注射抗冻糖蛋白，都能降低汁液流失率和冰晶大小。尤其在屠宰前24h注射，浓度为0.01μg/kg时，冰晶体达到最小值[8]。此外，还有试验[34]应用冬小麦麸皮AFPs，添加2.5%的AFPs对速冻汤圆品质的改善有明显作用。作为一类新型的食品添加剂，AFPs可以有效减少冷冻贮藏的食品中冰晶的形成和重结晶，从而提高低温冷链系列食品的质量。然而，目前由于AFPs的售价很高，故仅在研究和专门应用方面使用。随着对AFPs结构和功能关系的研究深入，以及化学合成或基因工程技术的不断成熟，将来可能会解决其价格昂贵等问题。如何不断地降低AFPs的成本，是实现其在食品工业中广泛应用的关键。

冰核活性细菌（ice-nucleationactivebacteria，INA细菌）是一种能在-2～-5℃的条件下催化诱发植物体内的水分产生冰核，从而引起植物霜冻的细菌。INA细菌具有形成规则、细腻、微小异质冰晶的能力，原因是INA细菌在细胞外膜上诱导产生了一种特殊的蛋白质——冰核活性蛋白（ice-nucleationactiveproteins，INPs）。INA细菌正是以这种蛋白中的重复序列作为模板，将水分子排列成细腻的冰核[35,36]。研究[37]证明，除了细菌具有成冰核活性，昆虫也有能力将自己体内的水生成冰核。冰核活性剂能使虫体在较高的温度条件下诱导细胞外结冰，阻止细胞内致死性冰晶的形成，从而保存生命。对于INA细菌来说，冰核活性剂的浓度不影响冰晶成核能力。但昆虫的成核能力却与冰核活性剂的浓度有关。冰核活性剂的成核温度是由它的大小、数量以及质量等一些参数决定的；此外，还与生成冰核的溶液特性有关。已有研究[19]发现，冰核活性剂不仅可以极大地提高冰晶成核温度，还能影响冰晶生长方式。添加INPs对冷冻食品有很多优势。比如，可以形成有序的纤维状薄片结构，以升高冰晶成核温度，缩短冷冻时间，提高冻结速率及改变冷冻食品质地等。这方面的工作有，陈庆森等[38]将具冰核活性的菌体蛋白碎片应用在基围虾的低温微冻保鲜保藏技术中。微冻保鲜20d后，经检测虾体的保鲜效果好，保存期长，并且能耗低、易于管理和操作。Zhang等[39]研究INA细菌的浓度对模拟液态食品体系（10%的蔗糖溶液和0.9%的氯化钠溶液）冷冻过程的影响，试验结果表明添加INA细菌不影响冰点的稳定，但能提高冰晶成核温度，缩短冷冻时间。并且随着INA细菌浓度从0增大到1.38×105INA/mL（冰核浓度单位，表示成核活性单元数），过度冷却程度和冷冻时间都大大减少。Zhang等[40]还研究了INA细菌对固态食品模拟体系（77%甲基纤维素）的影响，同样发现INA细菌可提高冰晶成核温度，并能够显著地减小冰晶尺寸；但对玻璃化转变温度、熔融热以及冷冻时间没有显著影响（如图2所示,冷冻温度-45℃,放大率500×50μm）。INPs在食品冷冻中的应用中表现出很多优势，最重要的是INA细菌可使由于过冷却现象生成的大冰晶体变小，从而减少冰晶对冷冻食品风味和营养成分的损伤。由此可见，INA细菌的应用前景相当广阔[38]。但是在使用INA细菌时，比如，有些具有冰核活性的菌株（丁香假单胞菌和黄单胞菌等）是植物致病菌，因此还要考虑菌株对食品的安全性。

微波辐射冷冻（microwaveirradiationfreezing）：微波辐射冷冻，是在冷冻过程中进行微波辐射，其能够抑制冰晶成核。Jackson等[41]研究微波辐射和冷冻保护剂（乙二醇溶液）的联合作用，试验结果表明微波、乙二醇溶液浓度以及两者之间的相互作用，都对冰晶数量产生了很大的影响。其机理可能是电磁辐射的电场分量对水分子的两极产生了作用，因此打乱了冰晶成核现象。磁共振冷冻（magneticresonancefreezing）：该方法是一种抑制冰晶生成的新方法。研究[42]发现，未冻结的食品或其他生物物料在连续电磁波振动的情况下，其温度也能降到初始冰点温度以下。此时磁场若突然消失，整个食品将会发生瞬间冻结。利用这种方法，食品能够迅速通过水结晶的临界区，生成细小冰晶体，并能减少水分迁移和不良的质量传递发生。

食品冷冻是一个复杂的过程，晶体的大小、分布、位置以及形态均与冷冻过程密切相关，从而影响到冷冻效率和食品最终质量。因此，研究食品中水结晶的过程可对食品冷冻工业起到理论指导，对行业具有巨大的推动意义。文章介绍的这几种冷冻新技术在水结晶的冰晶成核和冰晶生长阶段都起到了积极的作用，可较好地控制结晶过程，因此能够改进冷冻过程以及提高冷冻食品的品质。然而，目前这些技术大多数还处于试验和探索阶段，在实际冷冻应用中仍不够成熟。其原因主要在于：理论基础方面，需要深入研究其对冰晶影响的机理；设备投入方面，从试验设备转化为大型工业设备还需进一步研发设计，并且这些高新技术设备价格昂贵，应用于工业的成本较高。因此，该领域的研究方向主要会从以下两个方向延伸：继续深入研究不同冷冻新技术对冰晶影响的机理，以及探讨这些新技术联合应用对冰晶的影响等；高新设备的研发，使试验成果转化为实际的工业应用，并尽量降低设备成本。冷冻新技术的进一步推广和应用，可提高劳动生产率、产品质量和经济效益，并减少能耗和降低生产成本。