新型冷凍和解凍技術在肉類食品中的應用研究進展

袁琳娜，李洪軍,2，王兆明，賀稚非,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

肉類食品在常溫狀態(tài)下極易腐敗，通常需采取冷凍措施低溫保存，在后續(xù)深加工前再進行解凍。目前，我國食品工業(yè)在冷凍和解凍方面以傳統(tǒng)方法為主，各方法的原理及優(yōu)缺點見表1。

表1 不同傳統(tǒng)冷凍和解凍方法的原理及優(yōu)缺點Table 1 The principle, advantages and disadvantages of different traditional freezing and thawing methods

由于大多食品本身的導熱性較差，傳統(tǒng)冷凍法速度很慢，常會產(chǎn)生體積較大且分布不規(guī)整的冰晶，易破壞食品的超微結構，導致肌肉組織嚴重變形[1]；水分作為冷凍過程的關鍵因素，隨著水不斷凍結形成冰晶，體系中的干物質濃度增大，一定程度上破壞了產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)[2]。解凍作為加工過程的關鍵步驟，傳統(tǒng)解凍方法在工業(yè)應用時常表現(xiàn)出較差的熱傳導性能，解凍時間長，常引起汁液流失、脂質氧化、肌原纖維蛋白變性、微生物污染等系列品質問題，嚴重縮短了貯藏貨架期[3]。因此引進新型快速的冷凍和解凍技術對當前我國肉類食品顯得尤為重要。此前國內外學術界針對這些新技術在冷凍和解凍肉類中的應用展開了大量實驗研究，包括高壓、超聲波、高壓靜電場、脈沖電場、歐姆電阻、微波和射頻等技術，這些技術最大的優(yōu)點是能夠促進肉類冷凍在很短的時間內形成均勻的細小冰晶，在解凍時最大限度地保持肉品的質量。但鑒于各技術研究不夠成熟，熱均勻性、高成本以及對肉類產(chǎn)生不良的品質影響是阻礙工業(yè)應用的熱點問題，近年來備受食品領域專家學者的青睞。本綜述擬通過現(xiàn)有基礎總結近年來新型冷凍和解凍技術在肉類食品中的研究狀況，提出這些技術待被解決的問題，旨在對未來肉類工業(yè)冷凍和解凍技術的發(fā)展提供參考。

1 新型冷凍技術在肉類食品中的應用

1.1 高壓冷凍

高壓冷凍是通過控制溫度或壓力來實現(xiàn)食品內部水-冰相變的過程，液態(tài)水的冰點在外界施壓時降低到0 ℃以下，一旦壓力釋放即可獲得較高的過冷度，從而增加冰核形成速率，促進小冰晶形成[4]。高靜水壓作為高壓處理(high pressure processing，HPP)輔助冷凍的常見方式，主要通過非熱流體靜壓實現(xiàn)冰的相變。根據(jù)水發(fā)生相變形成冰的途徑不同，高壓冷凍常被分為壓力輔助冷凍(pressure-assisted freezing，PAF)、壓力轉移冷凍(pressure shift freezing，PSF)和壓力誘導冷凍(pressure-induced freezing，PIF)三種，其在相圖上的情況如圖1所示(ABCD—PAF；ABEFG—PSF；ABEFHI—PIF)，迄今關于PSF的文獻報道相對較多。

圖1 水的溫度—壓力相圖[5]Fig.1 Temperature-pressure phase diagram of water

GUANGMING等[6]研究了PSF(分別在100、150、200 MPa)對蝦和豬肝的影響，結果表明冷凍時間相比傳統(tǒng)空氣冷凍明顯縮短，并且冷凍蝦和豬肝的冰晶顆粒小且排列規(guī)整；同時還發(fā)現(xiàn)高壓(350 MPa，3 min)對冷凍雞肉表面的大腸桿菌有顯著抑制作用，可將大腸桿菌數(shù)量減少6個數(shù)量級，且超過330 MPa的高壓還可誘導冰相從冰Ⅰ轉變?yōu)楸骩7]。此外，MéNDEZ等[8]在對沙丁魚冷凍期間的實驗中發(fā)現(xiàn)，高壓處理(125～200 MPa)對脂質氧化有良好的抑制作用，不改變肌漿蛋白和肌原纖維蛋白組分，并且不誘導酸性磷酸酶和組織蛋白酶活性的實質性修飾。

然而，高壓技術運用之前需要開發(fā)工業(yè)級的連續(xù)設備，其高昂的資金成本是制約高壓輔助食品冷凍的重要因素。高壓處理肉類食品易誘導肌原纖維蛋白發(fā)生不同程度的變性，引起持水能力(water holding capacity，WHC)下降，這種影響程度受組織溫度，壓力水平和離子強度等因素的影響；此外，高壓輔助冷凍還可引起肌紅蛋白的氧化修飾從而導致肉色改變，對視覺新鮮度造成不利影響[9]。該法對肉類食品的安全問題是研究需繼續(xù)深入的重點。

1.2 超聲輔助冷凍

在利用超聲波輔助食品冷凍時，空化效應和微流動是增強冷凍效果的重要原因，圖2反映了空化效應產(chǎn)生機理。其中空化氣泡產(chǎn)生的壓力梯度被認為是冰核形成的驅動力，氣泡的破裂在很短時間內產(chǎn)生極高的局部壓力充當成核劑，獲得極高的過冷度，促進冰核的快速形成，空化產(chǎn)生的微流束能在氣泡周圍形成超強渦流，有利于增強冷凍過程的傳熱和傳質，從而促進微小均勻冰晶的形成，而這些細小規(guī)整冰晶的形成還可歸因于晶體的斷裂[10]。

圖2 超聲波引起的空化效應機理圖[11]Fig.2 Cavitation effect mechanism diagram induced by ultrasonic

ZHANG等[12]探究超聲波對豬背最長肌冷凍率和質量的影響，結果表明180 W的超聲功率水平相變時間最短，形成冰晶顆粒最細小均勻，在解凍損失和T1、T2弛豫時間方面顯示出較低水平。孫大文等[13]研究超聲波對冷凍魚片的影響，發(fā)現(xiàn)在20 kHz條件下，先后進行600～800 W(5～10 min)和200～600 W(5～15 min)處理，有效減少了冰晶對纖維結構的損傷和營養(yǎng)流失。RODRIGUEZTURIENZO等[14]還發(fā)現(xiàn)乳清蛋白涂層結合頻率為35 kHz的超聲處理60 min，對延緩冷凍大西洋鮭魚的脂質氧化有顯著作用。

雖已有文獻表明低頻率的超聲波有利于冷凍過程結晶的形成，但超聲波介質傳播涉及復雜的物理變化，在空氣中衰減快，并且超聲波強度、冷卻介質溫度和流量的控制以及樣品位置的確定問題直接影響冷凍過程的作用效果，由于相關方面缺乏系統(tǒng)性的研究數(shù)據(jù)且涉及較高的投資成本，該技術在工業(yè)應用上受到了限制。另外，關于超聲輔助冷凍對肌肉組織的理化性質及微生物污染的具體影響有待被研究。

1.3 電和磁輔助冷凍

電場、磁場及電磁場在輔助食品冷凍中顯示出良好的應用前景，不同電磁輔助技術在冷凍應用中的基本原理如表2所示，在肉類冷凍應用中目前仍處于一個發(fā)展初期階段。

表2 電和磁輔助冷凍技術分類Table 2 The classification of electricity and magnetism assisted freezing technology

HAFEZPARAST-MOADAB等[15]研究不同射頻模式和不同電極間隙(2、3、4 cm)對虹鱒魚的影響，結果報道當電極間距為2 cm時，相對常規(guī)空氣冷凍法，射頻輔助冷凍可將虹鱒魚糜的冰晶尺寸減少75%，分析主要原因是射頻通過調動水分子旋轉增加了更多的成核點。JIN等[16]研究聯(lián)合使用脈沖電場(占空比為0.2)和振蕩磁場(頻率為1 Hz)將冷凍雞胸肉的冰點從(-7± 0.5) ℃升至-6.5 ℃，過冷狀態(tài)延長了12 h，并且在保持原有肉質方面有良好效果。XANTHAKIS等[17]的研究指出相對常規(guī)冷凍，微波輻射(占空比為0.6)可使豬里脊肉的過冷度降低92%，平均冰晶尺寸減少62%，此研究首次將微波輻射應用于真實食品系統(tǒng)冷凍，提供了創(chuàng)新型冷凍裝置。

作為非熱處理冷凍技術，外部電場和磁場可能具有形成均勻冰晶的巨大潛力，但由于研究數(shù)量有限，利用這些技術輔助冷凍后對肉類質量的具體影響尚未清楚，且商業(yè)應用程序的難度問題也是目前發(fā)展尚未解決的。有研究表示交流式電場在冷凍食品時延遲了冰核的形成，并指出磁場實際上是振動分子，它破壞了水分子之間的氫鍵，從而阻止了凍結[18]。脈沖處理雖增強了膜通透性，另一方面卻可能加速脂質氧化和酶促反應的發(fā)生。另外，利用射頻輔助冷凍時常用液氮作為冷凍介質，其成本相當高昂，不利于實現(xiàn)工業(yè)化。

2 新型解凍技術在肉類食品中的應用

2.1 超高壓解凍

超高壓解凍作為凍結過程的相反過程，其基本原理可解釋為通過對冷凍樣品施加一定外界高壓，樣品的冰點顯著降低，促使組織中的固態(tài)冰轉化成液態(tài)水，最后迅速釋壓完成解凍過程，這種現(xiàn)象可以使冷凍樣品在零度以下實現(xiàn)解凍[19]。超高壓解凍涉及復雜的傳熱和傳質過程，包括壓力輔助解凍和壓力誘導解凍兩種，高壓室內的加壓介質和食品本身之間的溫差作為解凍進行的動力，其溫差大小直接決定解凍速率的大小。

LI等[20]利用核磁共振技術分析了高壓解凍對雞胸肉WHC的影響，結果報道與水解凍相比，高壓解凍可顯著減少解凍損失，并解釋由氫鍵的穩(wěn)定化而引起輕微蛋白質變性聚集、疏水性相互作用增強，從而對肉的WHC產(chǎn)生積極影響。ROUILLE等[21]研究報道相對空氣解凍，150 MPa高壓解凍處理45 min可使白斑角鯊解凍滴水損失減少70%，達到最佳水平，可解釋為高壓改變了膜電位，導致水吸附和離子泄露。此外，劉夢等[22]利用不同氣體(O2、CO2)在高壓條件(300 MPa)下解凍金槍魚，結果表明O2加壓可有效保持解凍后金槍魚良好的色澤，而CO2加壓在對抑制脂質氧化并保持營養(yǎng)品質方面顯示積極的效果。

然而，文獻報道超高壓技術存在很多不足，除了較高的設備成本，對肉質產(chǎn)生的負面影響限制了其在生產(chǎn)中的應用。如在處理畜禽肉時壓力控制不合理可導致蛋白質構象改變，造成肉的WHC下降，汁液損失率更高[23]；在外觀方面，高壓解凍還可能引起肌紅蛋白變性從而導致肉質發(fā)白。壓力輔助解凍通常在解凍前需要數(shù)分鐘的過渡時間，存在潛在的微生物污染。

2.2 高壓靜電場解凍

高壓靜電場(high voltage electrostatic field，HVEF)的基本原理是在平板電極之間使用不均勻的電場從而產(chǎn)生電暈風，不帶電荷的空氣粒子在靜電場中與電離空氣粒子產(chǎn)生碰撞運動，產(chǎn)生湍流和旋渦并增強傳熱，從而提高冷凍樣品的解凍率。解凍率的大小與施加的電壓，電極間距和尖點針的間距等參數(shù)密切相關[24]。

文獻報道HVEF在縮短解凍時間及改善品質方面有著積極影響。JIA等[25]采用負電暈直流放電，發(fā)現(xiàn)較空氣解凍，-20 kV的HVEF處理冷凍兔肉可將解凍時間縮短60%，不但減小了肌原纖維蛋白變性程度，而且微生物數(shù)量減少了0.5～1.7 lg CFU/g。LI等[26]發(fā)現(xiàn)-12 kV的HVEF在4 ℃下處理鯉魚，其解凍時間可縮短50 min，不僅顯著降低了水分流失和微生物污染，而且還增強了AMP-脫氨酶活性，并解釋可能是HVEF改變了膜通透性，Na+、Zn2+進入細胞，從而延緩次黃嘌呤核苷酸的降解。還有研究表明HVEF是一種低耗節(jié)能的解凍選擇，隨著電暈風速的增加，總能量消耗呈現(xiàn)下降趨勢[27]。

HVEF在解凍肉類食品時存在不足之處，如對電極配置和電壓水平的嚴格控制要求。報道顯示HVEF的電極配置差異和較高的電壓引起的電暈放電均可能會導致臭氧的持續(xù)產(chǎn)生，從而引起冷凍樣品在解凍過程中發(fā)生蛋白質變性和脂質氧化，并導致質地和色澤發(fā)生不良變化[28]；HVEF的電壓水平過高時，將嚴重縮短電極板的壽命。因此，未來研究可通過開發(fā)適當?shù)碾妷汉碗姌O間隙產(chǎn)生HVEF，并深入探討HVEF解凍法在改善肉質和控制微生物生長方面的機制。

2.3 歐姆電阻解凍

歐姆電阻解凍相比其他電加熱技術有更好的均勻性，被認為是熱效率很高的解凍方法，幾乎能將所有能量轉換為熱量形式進入食品。其原理可解釋為，將冷凍樣品置于裝入歐姆電池的腔室中充當電阻，當電流通過時電能被耗散發(fā)生焦耳效應而產(chǎn)熱，釋放的熱量導致樣品的內部溫度升高，實現(xiàn)樣品均勻快速解凍；其中，耗散的熱量與樣品施加電壓和電導率(electric conductivity，EC)直接相關[29]。電極和冷凍樣品之間的適當接觸是歐姆解凍的一個關鍵，直接決定解凍均勻度的大小。

最近，LIU等[30]在研究歐姆解凍金槍魚肌肉中發(fā)現(xiàn)，高頻時可減少解凍時間，且EC受溫度、含水量、脂肪含量的影響，在-7 ℃以上迅速變化；并聯(lián)電流也能導致更高的EC值。MIN等[31]一項研究表明結合歐姆解凍和壓力輔助解凍(pressure-assisted thawing，PAT)比單獨使用時效果更佳，通過研究壓力歐姆解凍(pressure ohmic thawing，POT)對冷凍牛肉的影響，發(fā)現(xiàn)相對歐姆解凍(5.5 min)和PAT(11.5 min)，POT(200 MPa；40 V/cm)解凍時間僅需0.8 min，能保證更好的質地和結構完整性。

然而，目前歐姆解凍技術在應用時存在一個最大的問題，即對加熱過程的控制。有研究表示歐姆解凍過程有時會發(fā)生輕微的電穿孔，對細胞造成高度損傷，導致細胞內組分的流失，并可能導致食品的風味和色澤發(fā)生不良變化，處理過程由于電極和食物彼此直接接觸，不僅可能發(fā)生電極腐蝕，還存在潛在的食品毒理學風險[32]。因此，研究食品成分與電導率變化之間的關系、設計EC隨溫度變化的工業(yè)規(guī)模歐姆解凍系統(tǒng)成為下一步研究的重點方向。

2.4 微波和射頻解凍

微波解凍和射頻解凍均是利用在不同頻率波段的快速振蕩電場中，內部分子通過旋轉和碰撞產(chǎn)生熱量實現(xiàn)對食品的解凍，這種現(xiàn)象的特征是利用體積發(fā)熱。微波場是一種交變電磁場，其解凍食品時，食品中的極性分子水將交變電磁場能量轉換成熱能，這種轉換能力根據(jù)水分子數(shù)量及其與環(huán)境的關系決定，微波解凍通常使用較高的頻率，其范圍為915～2 450 MHz[33]。而射頻解凍則通過偶極旋轉和離子移動引起電阻升高，實現(xiàn)對腔內食物內部區(qū)域的加熱，常使用低頻波，典型的頻率為13.56、27.12、40.68 MHz，由于射頻波長較長，因此在解凍食品時比微波具有更深的穿透深度，而電磁波的穿透深度與平行板電極的間距和位置、食品的介電特性和形狀大小密切相關[34]。

微波解凍在融化效率和解凍后品質方面都具有一定潛力。歐陽杰等[35]在研究不用解凍方法對大黃魚品質及效率影響的實驗中發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)解凍方法，微波解凍速度最快，并且解凍后肉的均勻性最好。YANG等[36]利用微波(300～3 000 MHz)輔助解凍南極磷蝦和白蝦，發(fā)現(xiàn)添加3%(質量分數(shù))鹽-蔗糖混合物不僅有利于加快解凍，而且還優(yōu)化了溫度的均勻分布。盡管微波在家庭生活中得到了廣泛使用，但基于液態(tài)水比冰吸收更多熱量這一事實，局部熱失控現(xiàn)象頻頻發(fā)生，導致解凍后食物的顏色和風味不佳，表面潮濕，質地堅硬。由于微波加熱控制裝備的缺乏，目前在規(guī)?；a(chǎn)應用中受到限制。微波功率作為解凍效果的一個關鍵因素，該值過高時會增大肉樣品中心與邊緣的溫度梯度，對理化性質造成影響[37]。還有研究表示微波解凍在處理兔肉時可導致較高的解凍損失和較差的質構特性[38]。因此，為更好地適應食品冷凍行業(yè)的需求，微波解凍技術未來存在很大的發(fā)展空間。

射頻解凍因其高解凍速率在冷凍制品中也受到了廣泛關注。LLAVE等[39]實驗表明利用射頻系統(tǒng)(13.56 MHz)解凍金槍魚，解凍時間相比常規(guī)解凍可減少3倍，且高含水量樣品、尺寸和樣品相當?shù)碾姌O板表現(xiàn)更好的熱均勻性。郭潔玉等[40]在研究豬肉塊時發(fā)現(xiàn)肉塊越小，板間距越大，射頻(27 MHz)解凍后肉塊的溫度分布更均勻。然而總體來說，食品加熱不均勻仍是射頻解凍最大的缺點，同時也是實現(xiàn)工業(yè)化的關鍵技術難題。目前國內外研究者主要通過計算機模擬和數(shù)學建模對射頻均勻性展開廣泛研究。電容式射頻解凍在快速均勻加熱中顯示巨大潛力，最近國內發(fā)明了一種平行板電容式射頻解凍裝置，利用封裝殼體和絕緣腔體能顯著減小腔內的電阻變化[41]；國外研究者還指出彎曲電極除可降低室溫外，在提高圓柱形冷凍肉的融化均勻性方面表現(xiàn)出良好效果[42]。這些設備的運用需要大量的投資成本，并且對設備技術要求很高，目前在食品冷凍工業(yè)難以實施。

2.5 超聲輔助解凍

超聲波在食品內部進行傳播時，絕大部分聲能通過轉換為熱量導致表面溫度升高而實現(xiàn)解凍。其基本過程可解釋為在超聲波作用下，靠近固體表面的液體介質產(chǎn)生聲腔，并出現(xiàn)從生長到破裂的動力學變化，最后空化崩潰形成不對稱，產(chǎn)生高速射流，直接作用于食品表面從而增強了熱傳遞，實現(xiàn)對食品的解凍[43]。通常超聲頻率越高越容易導致表面過熱，而這取決于所用功率；在500 kHz時能達到最佳穿透深度，使解凍過程過熱最小化[44]。超聲輔助解凍對肉類食品質地特征的影響報道有限，近年在該類食品中的應用如表3所示。

表3 近年來超聲輔助解凍技術在肉類食品中的應用Table 3 The recent application of ultrasound assisted thawing technology in meat products

超聲波輔助解凍相對微波和射頻解凍具有更長的波長、更深的穿透力度，且局部過熱問題稍有緩解，但總體來說受熱不均、功率要求高及滲透性差仍是影響其被生產(chǎn)規(guī)?；瘧玫闹匾騕4]。超聲處理時，空化效應可使表面溫度升高，對細胞膜造成物理破壞，導致食品發(fā)生熱損傷[50]；該效應產(chǎn)生的羥自由基還可引發(fā)蛋白質變性。因此，超聲波在解凍肉類食品中的負面影響證據(jù)還有待于進一步探索，未來方向可通過控制超聲頻率參數(shù)及數(shù)字模擬減小對肉類食品的負面效應。

3 結論與展望

傳統(tǒng)冷凍和解凍技術在商業(yè)化生產(chǎn)中暴露的耗時長、影響品質等缺點，成為阻礙現(xiàn)代冷凍食品業(yè)發(fā)展的關鍵因素。而大量文獻報道了新型冷凍和解凍技術在肉類食品的應用中存在很多優(yōu)勢，對傳統(tǒng)商業(yè)方法提供了技術層面的改進。高壓冷凍、超聲冷凍、電和磁輔助冷凍旨在通過控制冷凍過程食物內部冰核的形成來提高產(chǎn)品質量。超高壓、高壓靜電場、歐姆電阻、超聲波、微波與射頻解凍技術在提高食品解凍速率且改善解凍后質量方面顯示出很大潛力。

當前我國這些新技術處于開發(fā)的初步階段，高成本是實現(xiàn)商業(yè)化的最大障礙。冷凍和解凍本身是很復雜的過程，這些新技術對肉類食品的具體作用機理以及潛在的負面影響還有待深入探索。電介質解凍作為肉類食品工業(yè)的前沿技術，其局部過熱現(xiàn)象仍然是一個嚴重的問題，由于均勻熱處理對預防食源性疾病有重要意義，因此研究者有必要繼續(xù)借助科技技術發(fā)明先進智能的仿真裝置以系統(tǒng)性地解決此類問題。未來的方向可探索組合優(yōu)勢技術應用于肉類食品的潛力，以提高食品品質和安全性為原則、追求低能耗低成本為目標，為肉類工業(yè)的冷凍和解凍提供先進可靠的新途徑，有望未來逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。