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    低頻超聲波強(qiáng)化冷凍機(jī)理及其在食品加工中的應(yīng)用*

    2015-12-25 02:00:50程新峰張慜朱玉鋼蔣凱麗
    食品與發(fā)酵工業(yè) 2015年12期
    關(guān)鍵詞:冰晶空化氣泡

    程新峰,張慜,朱玉鋼,蔣凱麗

    1(安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,安徽蕪湖,241002)2(江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無(wú)錫,214122)

    冷凍是食品保藏的常用技術(shù)之一,它不僅能減緩微生物的生長(zhǎng)與繁殖,保證食品的安全,而且還能抑制食品內(nèi)生化反應(yīng)的發(fā)生,從而減少營(yíng)養(yǎng)成分損失。冷凍涉及相變過(guò)程,其中冰晶大小、分布與食品品質(zhì)密切相關(guān)。一般而言,冷凍速率快,食品能快速地通過(guò)最大冰晶生成帶,易在細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞間形成細(xì)小的、均勻分布的冰晶,它們對(duì)細(xì)胞的機(jī)械損傷較小,因此能較好地維持食品原有的品質(zhì)。相反,冷凍速率慢,則會(huì)在細(xì)胞間隙中形成冰晶,且尺寸較大分布不均勻,易造成細(xì)胞破裂,從而加劇食品汁液流失,導(dǎo)致品質(zhì)下降[1]。因此,開發(fā)新型冷凍技術(shù)改善冷凍食品結(jié)晶過(guò)程,對(duì)食品品質(zhì)地保持具有重要的作用。

    近年來(lái),超聲波處理作為一項(xiàng)新型食品加工技術(shù),已被廣泛用于食品研究與加工中。超聲波在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要包括2個(gè)方面:一是MHz級(jí)的高頻低能診斷型超聲波,它主要用于食品品質(zhì)監(jiān)控、過(guò)程控制及無(wú)損檢測(cè);二是低頻高能超聲波,該種超聲波能在許多方面發(fā)揮作用,如作為輔助措施可用于食品的干燥、冷凍、萃取、過(guò)濾等過(guò)程;作為傳統(tǒng)加工技術(shù)的替代者可用于食品的殺菌、乳化、脫氣以及肉嫩化過(guò)程[2-4]。低頻超聲波輔助冷凍技術(shù)就是將超聲波與傳統(tǒng)浸漬冷凍相結(jié)合,通過(guò)超聲波的物理、化學(xué)效應(yīng),以達(dá)到強(qiáng)化結(jié)晶過(guò)程,改善食品品質(zhì)的技術(shù)。本論文將從低頻超聲強(qiáng)化冷凍的機(jī)理、低頻超聲波在食品冷凍過(guò)程中的應(yīng)用,以及影響低頻超聲波輔助冷凍作用效果的因素等方面對(duì)低頻超聲波輔助冷凍技術(shù)的研究概況進(jìn)行分析。

    1 低頻超聲波強(qiáng)化食品冷凍的機(jī)理研究

    早在20世紀(jì)60年代,就有學(xué)者對(duì)超聲波強(qiáng)化冷凍過(guò)程的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了歸納總結(jié),它主要涉及超聲波的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、非均相成核等理論。雖然有關(guān)超聲波在食品加工的研究越來(lái)越多,但低頻超聲波強(qiáng)化冷凍的機(jī)理尚未形成統(tǒng)一的理論,還有待于進(jìn)一步的研究和探討。綜合考察國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究報(bào)道,其作用機(jī)制主要涉及以下3個(gè)方面:低頻超聲波對(duì)冰晶初次成核的影響,低頻超聲波對(duì)二次結(jié)晶的影響,及低頻超聲波對(duì)冰晶生長(zhǎng)速度的影響。

    1.1 低頻超聲波對(duì)冰晶初次成核的影響

    冷凍是一個(gè)相變的過(guò)程,包括晶核形成和冰晶生長(zhǎng)2個(gè)階段。研究表明,食品冷凍過(guò)程采用超聲波處理能有效降低冰晶成核所需的過(guò)冷度,從而加快冰晶的形成[5-6]。Chow等研究不同超聲波輸出功率和負(fù)載循環(huán)對(duì)蔗糖溶液結(jié)晶過(guò)程的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),蔗糖溶液初次成核所需的過(guò)冷度隨著超聲波輸出功率及負(fù)載循環(huán)的增大而降低。通過(guò)顯微鏡發(fā)現(xiàn),蔗糖溶液中氣泡的數(shù)量也隨著超聲輸出功率的增加而增加,據(jù)此作者認(rèn)為,蔗糖溶液中晶核的形成與超聲波空化效應(yīng)的強(qiáng)度有關(guān)[7]。Patrick等也得到了類似的結(jié)論,認(rèn)為要降低冰晶成核所需的過(guò)冷度,需調(diào)節(jié)超聲波強(qiáng)度,只有保證空化效應(yīng)發(fā)生才能對(duì)樣品的成核溫度造成影響[8]。此外,也有學(xué)者認(rèn)為,由空化氣泡引起的液體流動(dòng)也會(huì)影響冰晶成核的發(fā)生[9-11]。

    超聲波空化效應(yīng)及其帶來(lái)的次級(jí)效應(yīng)是促進(jìn)冰晶成核的重要原因,這已被大家普遍接受,但其作用機(jī)制尚不清楚。隨著研究的不斷深入,不同學(xué)者先后提出了不同的理論用來(lái)解釋超聲波引發(fā)成核的現(xiàn)象。其中Hickling提出的理論同行最為關(guān)注。他認(rèn)為,超聲波空化氣泡破裂所引起的空氣壓縮和升溫過(guò)程是一個(gè)近似可逆絕熱壓縮過(guò)程,并基于此計(jì)算得出在該過(guò)程中,氣體及附近區(qū)域的液體升溫速率遠(yuǎn)小于平衡結(jié)晶溫度的上升速率,進(jìn)而他提出空化氣泡破裂致使鄰近區(qū)域液體壓力上升(高達(dá)5 000 MPa),從而降低了該區(qū)域液體過(guò)冷度,促使成核發(fā)生[12]。然而該理論卻無(wú)法解釋超聲波作用后成核延遲的現(xiàn)象,因?yàn)榭栈瘹馀萜屏褧r(shí)在鄰近區(qū)域形成的高壓條件對(duì)氣體是一個(gè)不可逆壓縮升溫過(guò)程,而不是一個(gè)可逆絕熱壓縮過(guò)程。Zheng等認(rèn)為,超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)壓交替變化的壓力場(chǎng),使溶解在液體中氣泡越來(lái)越大,當(dāng)氣泡達(dá)到成核所需臨界尺寸時(shí),就能作為異相晶核促使成核發(fā)生,但是此理論至今未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)[13]。此外,有學(xué)者認(rèn)為,超聲空化氣泡周圍的壓力梯度也能誘導(dǎo)成核發(fā)生[14-15],因?yàn)檫@種壓力梯度會(huì)加速粒子擴(kuò)散,而粒子擴(kuò)散又并非是一個(gè)瞬間過(guò)程需要擴(kuò)散時(shí)間,因此該理論較好地解釋了研究中成核延遲現(xiàn)象。總之,超聲波空化效應(yīng)誘導(dǎo)冰晶成核發(fā)生的各種理論還存在種種缺陷,還有待于進(jìn)一步完善。

    1.2 低頻超聲波對(duì)二次結(jié)晶的影響

    低頻超聲波不僅能引發(fā)初次成核的發(fā)生,其空化效應(yīng)及產(chǎn)生的次級(jí)效應(yīng)還能造成大的枝狀冰晶斷裂,形成小的冰晶或晶核,從而提高了二次結(jié)晶的發(fā)生率。Chow等研究了低頻超聲波處理對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%蔗糖溶液二次結(jié)晶的影響(如圖1所示)。低頻超聲波處理造成了部分枝狀冰晶體分裂形成了小冰晶,促使了二次結(jié)晶的發(fā)生[7]。目前關(guān)于低頻超聲波影響二次結(jié)晶方面的研究還比較少,其作用機(jī)制包括以下3種猜測(cè):(1)依據(jù)Hickling理論[12],空化氣泡破裂是一個(gè)壓縮升溫過(guò)程,隨著高溫空化氣泡向晶體內(nèi)部移動(dòng),會(huì)使冰晶體發(fā)生局部熔化,從而引起已存在的冰晶體分裂,這與實(shí)驗(yàn)中在枝狀冰晶體斷裂處觀察到的空化氣泡運(yùn)動(dòng)情況是一致的。(2)空化氣泡引起的微射流也可能對(duì)已存在的冰晶體產(chǎn)生剪切力,從而導(dǎo)致其分裂,這一點(diǎn)可以從圖1-b中冰晶體分裂處附近液相中出現(xiàn)液體流動(dòng)的波紋得到證實(shí)。(3)低頻超聲波在液體中傳播時(shí),正負(fù)壓的周期性變化可能也對(duì)冰晶二次結(jié)晶產(chǎn)生影響。由上述可知,人們對(duì)低頻超聲波強(qiáng)化二次結(jié)晶的機(jī)理還未達(dá)成共識(shí),還有待于進(jìn)一步研究。

    圖1 低頻超聲波處理對(duì)15%蔗糖溶液二次結(jié)晶的影響Fig.1 The effect of low frequency ultrasound on the secondary nucleation of ice crystals in a 15%wt sucrose solution

    1.3 低頻超聲波對(duì)冰晶生長(zhǎng)速度的影響

    研究表明,選擇合適超聲波處理?xiàng)l件能顯著抑制冰晶的生長(zhǎng)。Ohsaka等研究了低頻超聲波處理(21 kHz)對(duì)水冷凍過(guò)程冰晶生長(zhǎng)的影響,作者將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的冰晶生長(zhǎng)速度與根據(jù)L-MK理論計(jì)算獲得的生長(zhǎng)速度進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值要小于理論計(jì)算值[16]。依據(jù)Hickling理論[12],超聲空化效應(yīng)引起空化氣泡附近液體形成晶核的同時(shí),也會(huì)對(duì)該空化氣泡產(chǎn)生一個(gè)壓縮作用,使其升溫,從而使氣泡附近晶核的實(shí)際過(guò)冷度小于容器內(nèi)液體的過(guò)冷度。Ohsaka等認(rèn)為,這一因素有利于降低冰晶生長(zhǎng)速度。當(dāng)超聲波作用于含有較多空氣的液態(tài)水或溶液結(jié)晶過(guò)程時(shí),超聲波空化效應(yīng)會(huì)強(qiáng)化晶核的形成,從而會(huì)降低冰晶的生長(zhǎng)速率,這對(duì)冷凍食品品質(zhì)保持具有重大的意義。

    2 低頻超聲波在食品凍結(jié)過(guò)程中的應(yīng)用概況

    與傳統(tǒng)冷凍技術(shù)相比,低頻超聲輔助冷凍不僅能夠誘導(dǎo)樣品中水分成核,提升冷凍速率,而且還能改變樣品內(nèi)冰晶的大小及分布情況,從而影響冷凍產(chǎn)品的品質(zhì)。

    2.1 誘導(dǎo)冰晶成核發(fā)生

    冷凍結(jié)晶是化工、制藥、食品行業(yè)中重要的操作單元,它包括2個(gè)階段:成核和冰晶生長(zhǎng),其中成核是結(jié)晶的關(guān)鍵步驟,因?yàn)樗鼪Q定了冰晶的大小和冷凍產(chǎn)品品質(zhì)好壞[17]。然而,成核是一種自發(fā)的、隨機(jī)的、無(wú)法預(yù)測(cè)的行為,因此,尋找一種能將這種隨機(jī)的行為轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可重復(fù)的、可預(yù)測(cè)的過(guò)程將具有重大的意義。低頻超聲波作為一種新型的冷凍輔助措施,將其應(yīng)用于傳統(tǒng)冷凍結(jié)晶過(guò)程可以提高樣品的成核溫度[11],因?yàn)槌暡栈瘹馀菽茏鳛榫Ш苏T導(dǎo)冰晶成核發(fā)生[18],另外,空化氣泡傳播過(guò)程中形成的微射流和壓力梯度也可作為成核的驅(qū)動(dòng)力[7,11]。Yu等研究低頻超聲波處理對(duì)純水和脫氣水冷凍過(guò)程冰晶成核的影響,發(fā)現(xiàn)超聲處理提高了水的成核溫度,只是純水成核所需的過(guò)冷度低于脫氣水所需的過(guò)冷度,作者認(rèn)為,純水中所含氣體能促進(jìn)超聲波空化作用的發(fā)生[19]。最近學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),除了液體食品外,對(duì)于固體或半固體食品,低頻超聲波也能誘導(dǎo)樣品內(nèi)水分發(fā)生成核[20-22],雖然具體的機(jī)制還有待于進(jìn)一步地研究和探討。此外,低頻超聲波還能調(diào)控樣品內(nèi)水分成核發(fā)生,將隨機(jī)的、無(wú)法預(yù)測(cè)的成核行為轉(zhuǎn)變成可重復(fù)的、可預(yù)測(cè)的行為[23]。Inada等發(fā)現(xiàn)低頻超聲波處理能改變水的相變過(guò)程,提高冰晶成核的可能性,但選擇恰當(dāng)?shù)某晱?qiáng)度至關(guān)重要,因?yàn)樗鼪Q定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性的質(zhì)量[6]。類似地,Zhang等也分析了超聲強(qiáng)度與冰晶成核可能性之間的關(guān)系,結(jié)果表明冰晶成核的發(fā)生與超聲波空化氣泡的數(shù)量密切相關(guān)[5],但作者進(jìn)一步研究指出,雖然超聲波能誘導(dǎo)冰晶成核發(fā)生,但它對(duì)冰晶的生長(zhǎng)方式及冰晶的形態(tài)影響不大[9]。Kiani等在蔗糖和瓊脂冷凍過(guò)程采用超聲波處理時(shí)發(fā)現(xiàn),超聲波可以引發(fā)樣品中水分在超聲輻射溫度附近發(fā)生成核,并且樣品的成核溫度與超聲輻射溫度存在較好的線性關(guān)系[20]。

    2.2 控制冰晶的大小與分布

    冷凍食品品質(zhì)與冷凍過(guò)程中冰晶大小與分布密切相關(guān),關(guān)于此方面已有了大量研究報(bào)道[17,24-25]。對(duì)于一般冷凍過(guò)程而言,冰晶小而分布均勻有利于冷凍食品品質(zhì)的保持[1]。相反,冷凍干燥和冷凍濃縮過(guò)程則希望獲得大的冰晶,因?yàn)樗兄谔岣吆罄m(xù)升華階段的干燥速率,從而達(dá)到降低能耗,減少成本的目的[26]。因此,依據(jù)不同生產(chǎn)目的,選用適宜的超聲波作用參數(shù),對(duì)冷凍過(guò)程中冰晶的大小與分布進(jìn)行控制,可以有效強(qiáng)化產(chǎn)品品質(zhì)和提升生產(chǎn)效率。

    Acton等發(fā)現(xiàn),在蔗糖溶液凍結(jié)點(diǎn)附近超聲處理5 s能促進(jìn)大的冰晶體形成,相反,在更高過(guò)冷度下則有利于小的冰晶體形成,此外,作者還證實(shí)低頻超聲波可以造成大的冰晶體斷裂,形成小的晶核[27]。Kiani等[24]研究了不同超聲波作用參數(shù)對(duì)瓊脂樣品中冰晶大小及分布情況的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)冰晶體大小及分布與超聲波起始作用溫度密切相關(guān),溫度越低冰晶體尺寸越小(如圖2所示),但作者發(fā)現(xiàn)超聲波其他作用參數(shù)(作用時(shí)間、作用模式及超聲強(qiáng)度)與樣品內(nèi)冰晶體大小及分布沒(méi)有明顯的相關(guān)性,具體的原因還有待進(jìn)一步研究。Saclier等[25]研究了超聲波功率和過(guò)冷度對(duì)甘露醇溶液中冰晶體大小和形態(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)提高過(guò)冷度和超聲功率有助于降低冰晶的平均尺寸和增大冰晶的周長(zhǎng)。Nakagawa等[17]研究不同超聲輻射溫度對(duì)10%甘露醇溶液冷凍過(guò)程中冰晶結(jié)構(gòu)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),在較高的溫度下進(jìn)行超聲波輻射,容易在樣品中形成樹突狀、大的冰晶體,相反選用低的輻射溫度則容易在樣品中形成小的、數(shù)量眾多的異質(zhì)冰晶體(如圖3所示)。作者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在相同的成核溫度下,無(wú)論是自然成核還是超聲波誘導(dǎo)成核形成的冰晶大小尺寸差異不大,因此作者認(rèn)為冰晶體的大小及形態(tài)主要取決于成核溫度的高低。

    圖2 不同超聲波輻射溫度對(duì)瓊脂冰晶大小及分布的影響Fig.2 Ice crystal size distribution in ultrasound-assisted freezing of agar gels nucleated at different temperatures Black color in the images represents ice crystals

    2.3 強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱,加快凍結(jié)速率

    圖3 不同超聲波輻射溫度對(duì)10%甘露醇溶液冰晶結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Ice crystal morphologies in ultrasound assisted freezing of 10%mannitol nucleated at different temperatures

    冷凍速率是影響冷凍食品品質(zhì)的關(guān)鍵因素,因?yàn)樗鼪Q定了樣品內(nèi)冰晶體的大小及分布情況。相比緩凍,速凍容易在食品內(nèi)形成小的、均勻分布的冰晶體,它們對(duì)樣品細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞小,因此有助于冷凍食品品質(zhì)的維持。超聲輔助冷凍過(guò)程中,超聲波空化效應(yīng)形成的微射流,具有較強(qiáng)的攪拌作用,可以增強(qiáng)冰和未凍結(jié)水之間的傳質(zhì)、傳熱,從而提高了食品凍結(jié)速率。但是超聲波也具有熱效應(yīng),會(huì)產(chǎn)生熱量,從而抵消一部分超聲波的正效應(yīng),甚至對(duì)冷凍過(guò)程帶來(lái)負(fù)面效果。通常而言,隨著超聲波強(qiáng)度增大、脈沖值升高或作用時(shí)間延長(zhǎng),超聲波微射流作用會(huì)增強(qiáng),傳熱傳質(zhì)系數(shù)會(huì)提高,但熱熱效應(yīng)也會(huì)更加明顯,甚至可能會(huì)阻礙冰晶的形成。因此,在低頻超聲波輔助冷凍過(guò)程中,選擇適宜的工藝參數(shù),對(duì)發(fā)揮超聲波的正面效應(yīng),抑制其負(fù)面效應(yīng)具有重要的作用。

    Li等[28]研究了不同超聲波參數(shù)(超聲波功率、作用時(shí)間和作用階段)對(duì)土豆冷凍過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn)在土豆相變階段采用15.85 W超聲波間歇處理2 min,可明顯提高冷凍速率;而在預(yù)冷階段或深冷階段進(jìn)行超聲處理,則對(duì)冷凍速率影響不大。類似地,在蘋果[1]、西蘭花[29]、草莓[22]、土豆塊[21]的冷凍過(guò)程中,選擇適宜的超聲波處理?xiàng)l件均能顯著縮短冷凍時(shí)間,提升冷凍效率。Hu等對(duì)面團(tuán)的超聲波輔助冷凍過(guò)程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)相比預(yù)冷階段,在相變階段或深冷階段采用超聲波處理明顯加快了傳質(zhì)傳熱,縮短了冷凍時(shí)間,其中25 kHz,288或360 W條件下,面團(tuán)的冷凍時(shí)間縮短了11%[30]。近期,Kiani等分析了超聲波輔助冷凍過(guò)程中土豆球內(nèi)部水分和溫度變化情況,并且采用OpenFOAM CFD軟件進(jìn)行了模擬,發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合,其中誤差僅為11.6% ~27.5%[31]。

    低頻超聲波能加快冷凍速率,其內(nèi)在機(jī)制在于超聲波的空化效應(yīng)及其次級(jí)效應(yīng)帶來(lái)的傳質(zhì)、傳熱效率的提升。Kiani等研究了超聲波輻射對(duì)浸漬在50%乙二醇溶液中的銅球(Ф=0.01m)傳熱效率的影響,通過(guò)詳細(xì)地記錄小銅球中心溫度和冷凍介質(zhì)溫度的變化情況,作者發(fā)現(xiàn)超聲波輻射顯著提高了銅球的傳熱效率,縮短了冷凍時(shí)間,且隨著超聲波強(qiáng)度的增加冷凍效率逐漸提升,如依據(jù)超聲波強(qiáng)度和銅球在超聲波輔助冷凍設(shè)備中所處位置的不同,其Nu值分別從23~27上升到25~108,但超聲波強(qiáng)度過(guò)大時(shí)會(huì)在銅球的表面產(chǎn)生熱量,反而降低了冷凍效率[32]。對(duì)于傳熱效率來(lái)說(shuō),銅球在超聲輔助冷凍設(shè)備中的位置至關(guān)重要,因?yàn)椴煌恢每栈瘹馀莸臄?shù)量和微射流的作用模式有差異,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)距離超聲波發(fā)生器越近,傳熱越快,冷凍時(shí)間越短,此外在氣液界面(離超聲波發(fā)生器較遠(yuǎn))銅球也具有較高的傳熱效率,這是因?yàn)樵跉庖航缑婢奂罅康目栈瘹馀荩?2]。Kiani等研究了超聲波輔助冷凍過(guò)程中不同Re和Pr值對(duì)冷凍介質(zhì)與銅球之間熱傳遞的影響,結(jié)果顯示超聲波輻射提高了銅球和冷凍介質(zhì)之間的熱傳遞效率,其中890 W/m2超聲波輻射使Nu值從6.8~19提升到11~31。作者發(fā)現(xiàn),低Re和Pr值下具有較高的強(qiáng)化因子,能提高傳熱效率。此外,低Pr值(86.4和108.9)下,提高Re值可降低強(qiáng)化因子;另一方面,高Pr值(144.1和188.9)下提高Re值可提升強(qiáng)化因子,這些結(jié)果顯示超聲波輻射能提高傳熱效率,尤其是在高黏度或低流速的條件下[33]。

    2.4 改善產(chǎn)品品質(zhì)

    冷凍作為食品保藏技術(shù)之一,不僅能為食品提供低溫的保存環(huán)境,減緩內(nèi)部代謝速率,而且通過(guò)將水分轉(zhuǎn)變成冰也可以大大降低食品內(nèi)水分活度,從而抑制生化反應(yīng)的發(fā)生。然而,冷凍過(guò)程冰晶的形成不可避免會(huì)對(duì)產(chǎn)品的細(xì)胞結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p壞,這很大程度上取決于冷凍食品內(nèi)冰晶的大小及分布情況。對(duì)于大多數(shù)食品來(lái)說(shuō),無(wú)論是植物源性食品,還是動(dòng)物源性食品,其水分主要存在于細(xì)胞間隙和細(xì)胞內(nèi),分別稱為胞外液和胞內(nèi)液。在冷凍結(jié)晶過(guò)程,由于胞內(nèi)液濃度較高,結(jié)晶首先發(fā)生在細(xì)胞外區(qū)域,導(dǎo)致胞外蒸汽壓降低,水分從胞內(nèi)流向胞外,從而致使細(xì)胞脫水、收縮,甚至造成細(xì)胞壁破裂。此外,冷凍過(guò)程中在胞外空間形成大的冰晶體,它們占據(jù)了胞外的大量空間,也會(huì)對(duì)細(xì)胞壁造成擠壓,致使細(xì)胞壁變形或破損,從而導(dǎo)致解凍后產(chǎn)品汁液流失增大,品質(zhì)下降。因此,為了獲得高品質(zhì)的冷凍產(chǎn)品,需要嚴(yán)格控制冷凍過(guò)程,盡量在產(chǎn)品內(nèi)形成小的、均勻分布的冰晶,以便產(chǎn)品解凍后能恢復(fù)到凍前的狀態(tài)。

    最近研究表明,將低頻超聲應(yīng)用于食品冷凍過(guò)程可以維持產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu),改善產(chǎn)品的品質(zhì)。Sun等發(fā)現(xiàn),將低頻超聲波應(yīng)用于土豆的冷凍過(guò)程,能較好地維持樣品的原有結(jié)構(gòu),減輕了品質(zhì)的下降。低溫掃描電鏡觀察顯示,相比普通冷凍樣品,低頻超聲波輔助冷凍土豆較好地維持原有的微觀結(jié)構(gòu),細(xì)胞破損程度低,細(xì)胞間隙?。?4]。作者將其歸因?yàn)?(1)低頻超聲波空化氣泡移動(dòng)產(chǎn)生的微射流和沖擊波,加快了冷凍過(guò)程的傳質(zhì)、傳熱,提高了冷凍速率;(2)空化作用不僅提高胞外空間水分的成核速率,而且增強(qiáng)了細(xì)胞內(nèi)水分成核發(fā)生的可能性;(3)低頻超聲波作用造成了冰晶體斷裂,降低了冰晶大小尺寸[34]。Islam等發(fā)現(xiàn),相比普通浸漬冷凍,超聲波輔助冷凍較好地維持了香菇的微觀結(jié)構(gòu),其中0.39 W/cm2的超聲波處理樣品展現(xiàn)了最好的結(jié)構(gòu)形態(tài)[35]。宋國(guó)勝等[36]用掃描電鏡間接觀察了冷凍濕面筋蛋白中冰晶的大小及分布,結(jié)果表明在適宜的超聲輔助冷凍條件下,濕面筋蛋白內(nèi)可以形成細(xì)小且分布均勻的冰晶體,它們對(duì)面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞較小,有助于冷凍面團(tuán)品質(zhì)的改善(見圖5所示)。

    此外,低頻超聲波處理對(duì)冷凍食品品質(zhì)的影響也有研究報(bào)道。Xin等發(fā)現(xiàn),采用0.25~0.412 W/cm2超聲波處理能較好地維持冷凍西蘭花細(xì)胞壁結(jié)合鈣含量和質(zhì)構(gòu)特性,并且對(duì)西蘭花的色澤、抗壞血酸及細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞較小[37]。Islam等發(fā)現(xiàn),與普通浸漬冷凍樣品相比,超聲波輔助冷凍蘑菇汁液流失率減少了10%。此外,在聲強(qiáng)在0.27~0.39W/cm2時(shí),隨超聲強(qiáng)度提升樣品的色度值逐漸增加,因?yàn)槌曒o助冷凍過(guò)程中在樣品中形成的冰晶小而均勻分布,它們對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞較小,阻礙了過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶與底物接觸,抑制了酶促褐變的發(fā)生[35]。Hu等也證實(shí)超聲處理能降低冷凍面團(tuán)內(nèi)冰晶尺寸的大小,且使面團(tuán)解凍后具有良好的質(zhì)地和風(fēng)味[30]。

    3 影響低頻超聲波輔助冷凍效果的因素

    3.1 冷凍食品特性

    圖5 冷凍濕面筋蛋白經(jīng)冷凍干燥后的掃描電鏡圖Fig.5 SEM photograph of freeze-dried wet gluten

    低頻超聲輔助冷凍過(guò)程中,食品的組織狀態(tài)、氣體含量及氣孔率等均會(huì)對(duì)超聲波強(qiáng)化冷凍效果產(chǎn)生不同程度的影響。首先,食品的組織狀態(tài)至關(guān)重要,因?yàn)樵谝簯B(tài)、半固態(tài)以及固態(tài)食品中超聲波作用模式及誘導(dǎo)成核的內(nèi)在機(jī)制存在差異,故對(duì)它們進(jìn)行超聲處理時(shí)參數(shù)選擇也會(huì)有所不同。通常而言,低頻超聲波用于液態(tài)食品冷凍結(jié)晶時(shí),超聲強(qiáng)度要大于2 W/L、頻率為20~40 kHz,而且作用時(shí)間應(yīng)盡可能短[38]。Kiani等在液態(tài)和模擬固態(tài)食品中研究了低頻超聲波處理對(duì)冰晶成核的影響,發(fā)現(xiàn)無(wú)論在液體中還是在模擬固體食品中,超聲波處理均能誘導(dǎo)成核發(fā)生,且在不同超聲輻射溫度下成核行為具有高度的重復(fù)性,超聲輻射溫度與成核溫度之間呈現(xiàn)一種線性關(guān)系。但是在液態(tài)食品中超聲誘導(dǎo)成核的可重復(fù)性比在固態(tài)食品中的高,其作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究[11]。其次,食品中氣體含量也決定了超聲輔助的冷凍效果。當(dāng)超聲作用于液態(tài)食品時(shí),由于壓力的周期性變化,在負(fù)壓下溶液中的氣泡會(huì)釋放出來(lái)形成空化氣泡。當(dāng)空化氣泡增長(zhǎng)到一定尺寸,會(huì)作為晶核誘導(dǎo)成核發(fā)生,此外氣泡的振動(dòng)也會(huì)加強(qiáng)傳質(zhì)傳熱,提高冷凍速率。Yu等研究了超聲波處理對(duì)純水和脫氣水冰晶成核的影響,結(jié)果表明無(wú)論是純水還是脫氣水,超聲波處理均能提高它們的成核溫度,作者認(rèn)為空化效應(yīng)及其他聲學(xué)效應(yīng)對(duì)成核的發(fā)生均起到了重要的作用,但相比純水,脫氣水成核所需的過(guò)冷度較大,這是因?yàn)榧兯泻锌諝?,有利于空化氣泡形成?9]。Hu等研究了提前注射氣泡對(duì)液體食品(水和蔗糖溶液)超聲輔助冷凍過(guò)程中冰成核的影響,發(fā)現(xiàn)對(duì)于提前注入氣泡的液體食品,超聲波處理后不到1s就發(fā)生了成核,顯著低于對(duì)照食品的滯留時(shí)間,這說(shuō)明液體食品提前注入的氣泡在超聲波作用下能形成空化氣泡,誘發(fā)成核發(fā)生[39]。此外,大多數(shù)食品都是異質(zhì)性物質(zhì),不同器官、組織間理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)形態(tài)均存在差異,也會(huì)影響冷凍過(guò)程低頻超聲波的作用效果。Delgado等研究了不同處理模式下40 kHz,0.23 W/cm2超聲波對(duì)橫向或縱向切割蘋果圓柱體冷凍過(guò)程的影響,結(jié)果表明不同切割方向樣品的冷凍速率沒(méi)有明顯的差異,雖然超聲波處理提升了樣品的冷凍速率高達(dá)8%[1]。

    3.2 低頻超聲波作用參數(shù)

    雖然超聲波空化效應(yīng)及其帶來(lái)的次級(jí)效應(yīng)具有強(qiáng)化傳熱傳質(zhì),提高冷凍效率,改善食品品質(zhì)的作用,但隨著超聲波強(qiáng)度或脈沖值增加,超聲作用時(shí)間延長(zhǎng),超聲波熱效應(yīng)也會(huì)隨之增強(qiáng)。當(dāng)熱量積累到一定程度時(shí),反而會(huì)阻礙冰晶形成,減緩凍結(jié)速率。因此,選擇適宜的超聲波作用參數(shù)以提高低頻超聲波強(qiáng)化冷凍效果已成為科研人員主要的研究?jī)?nèi)容。Li等研究了不同超聲波參數(shù)(超聲波功率、處理時(shí)間、處理階段等)對(duì)土豆冷凍速率的影響,發(fā)現(xiàn)在相變階段采用15.89 W超聲波處理2 min顯著提高了土豆的冷凍速率[28]。Xu等研究不同超聲強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和起始作用溫度對(duì)蘿卜中冰成核的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),超聲波可以誘導(dǎo)冰成核發(fā)生,且在0.26 W/cm2,7 s條件下,蘿卜中冰成核溫度與超聲起始作用溫度呈線性關(guān)系,作者還指出0.26 W/cm2超聲從-0.5℃開始作用7 s超聲誘導(dǎo)成核效果最好[40]。Kiani等研究了瓊脂凝膠樣品中低頻超聲波對(duì)水成核的影響,實(shí)驗(yàn)中作者綜合考察了超聲強(qiáng)度(0.07,0.14,0.25,0.35 和 0.42 W/cm2)、作用時(shí)間(0,1,3,5,10 和15 s)和起始作用溫度(-2,-3,-4和-5℃),得到最優(yōu)處理參數(shù)為0.25 W/cm2、3 s和-2℃;此外,選擇適宜的超聲強(qiáng)度和作用時(shí)間,超聲輻射能在不同過(guò)冷溫度下引發(fā)瓊脂凝膠中冰晶成核。研究還指出冰晶成核是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程受多種因素的影響,要想掌握它們的形成規(guī)律,還有待于進(jìn)一步深入研究[20]。

    4 展望

    盡管超聲輔助冷凍作為一種新型冷凍加工技術(shù),在加強(qiáng)傳熱傳質(zhì)、提升冷凍效率、誘導(dǎo)成核發(fā)生、控制冰晶大小及分布、改善冷凍食品品質(zhì)等方面已有不少研究報(bào)道,但該技術(shù)還存在一些不足,主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:①超聲波強(qiáng)化冷凍內(nèi)在機(jī)制還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),相關(guān)理論有待于進(jìn)一步研究;②影響超聲波強(qiáng)化冷凍效果的因素很多,還需要根據(jù)產(chǎn)品的屬性,進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù);③作為一種新型冷凍技術(shù),如何將超聲波設(shè)備耦合在傳統(tǒng)冷凍設(shè)備上,開發(fā)出高效的冷凍設(shè)備還需要大量的研究。

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