速凍食品的冰晶形態(tài)及輔助凍結(jié)方法研究進(jìn)展

陳 聰 楊大章,3 謝 晶,3,4

(1. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；3. 食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心〔上海海洋大學(xué)〕，上海 201306；4. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

冷凍是應(yīng)用最廣泛的食品保存方法之一[1]，能長(zhǎng)時(shí)間保存食品。速凍能最大程度保留食品的品質(zhì)、口感和營(yíng)養(yǎng)，其中對(duì)食品質(zhì)量影響最大的是冰晶形成階段，速凍形成的冰晶細(xì)、小對(duì)細(xì)胞組織損傷小，解凍后汁液外流少、新鮮度高[2-6]。從食品的凍結(jié)方法來(lái)看，速凍技術(shù)主要有鼓風(fēng)式凍結(jié)、接觸式凍結(jié)、液化氣體噴淋式凍結(jié)和沉浸式凍結(jié)等[7]。根據(jù)凍品類型，需要采用不同的速凍技術(shù)才能到達(dá)最佳的凍結(jié)效果。

近年來(lái)，中國(guó)速凍食品的需求增長(zhǎng)迅速，速凍食品已經(jīng)成為食品行業(yè)不可或缺的領(lǐng)域。人們對(duì)速凍食品需求不斷提升的同時(shí)，也推動(dòng)著速凍技術(shù)的不斷發(fā)展[8-9]。為提升速凍食品的質(zhì)量，降低速凍設(shè)備的能耗和增加生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者一直致力于研究新型的速凍技術(shù)，其中輔助凍結(jié)技術(shù)因?yàn)槟軆?yōu)化食品凍結(jié)過(guò)程，減小凍結(jié)形成的冰晶尺寸而得到廣泛的關(guān)注。文章擬簡(jiǎn)述不同凍結(jié)速度下冰晶形態(tài)及對(duì)冰晶的觀測(cè)方法，綜述壓力輔助凍結(jié)、電場(chǎng)輔助凍結(jié)、磁場(chǎng)輔助凍結(jié)等輔助凍結(jié)方法的研究進(jìn)展，以期為建立完善的速凍食品體系提供參考。

1 食品凍結(jié)中的冰晶形態(tài)

速凍食品是指在-30 ℃或者更低的冷卻介質(zhì)溫度下，食品在30 min內(nèi)通過(guò)最大冰晶生成帶，凍結(jié)結(jié)束時(shí)中心溫度在-18 ℃以下，形成的冰晶規(guī)格不超過(guò)100 μm[10]。按食品凍結(jié)速度可分為3類[11]：快速凍結(jié)(5～20 cm/h)，中速凍結(jié)(1～5 cm/h)，慢速凍結(jié)(0.1～1.0 cm/h)。凍結(jié)速度與冰晶形狀的關(guān)系見(jiàn)表1[12]。

表1 凍結(jié)速度與冰晶形狀的關(guān)系?Table 1 The relationship between freezing rate and ice crystal shape

? 凍結(jié)速度指通過(guò)-1～-5 ℃的時(shí)間。

快速凍結(jié)的食品質(zhì)量要優(yōu)于中速凍結(jié)和慢速凍結(jié)，這是因?yàn)榭焖賰鼋Y(jié)時(shí)，凍品組織細(xì)胞內(nèi)外水分幾乎同時(shí)達(dá)到結(jié)晶條件，組織內(nèi)冰層推進(jìn)的速度大于水分遷移的速度，凍品中的冰晶分布與凍前食品液態(tài)水分布相似，冰晶呈針狀，細(xì)小且分布均勻，組織結(jié)構(gòu)受到的損傷小。圖1為冰晶直徑，細(xì)胞損傷程度與凍結(jié)速度的關(guān)系[13]。

圖1 冰晶直徑，細(xì)胞損傷程度與凍結(jié)速度的關(guān)系Figure 1 Relationships between ice crystal diameter, injury degree of cell and freezing rate

2 觀測(cè)冰晶方法

冰晶特征是影響冷凍食品品質(zhì)最重要的因素[14]，具體包括冰晶的大小、分布、數(shù)量以及形狀等。不同輔助凍結(jié)方式下形成的冰晶特征會(huì)有差異，對(duì)食品組織細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)造成影響，因此觀測(cè)冰晶的特征顯得尤為重要。觀察冰晶特征的方法有直接法和間接法[15]。直接法是直接觀察冰晶，而間接法則是通過(guò)觀察凍結(jié)后冰晶在食品內(nèi)部留下的間隙來(lái)分析冰晶特征，具體分類見(jiàn)圖2。

圖2 冰晶觀測(cè)方法分類Figure 2 Methods for observation ice crystal characteristics

2.1 直接法

Ninagawa等[16]使用配置高速攝像機(jī)的低溫顯微鏡，觀察天竺葵細(xì)胞內(nèi)的冰晶形成過(guò)程，冰晶分布位置，不同冷凍速率下冰晶的尺寸以及細(xì)胞的變形程度。發(fā)現(xiàn)凍結(jié)速率越快，過(guò)冷度越高，冰晶尺寸越小，細(xì)胞變形程度越小。Fujikawa等[17]使用低溫掃描電子顯微鏡觀察了凍結(jié)落葉松休眠芽組織細(xì)胞時(shí)形成的冰晶。Kobayashi等[18]采用X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)研究了金槍魚肉過(guò)冷凍結(jié)后的冰晶結(jié)構(gòu)。直接觀測(cè)法能夠觀察冰晶形態(tài)及形成過(guò)程，但需要在低溫環(huán)境下進(jìn)行，因而對(duì)設(shè)備的要求嚴(yán)苛。

2.2 間接法

Kaale等[19]采取冷凍替代法研究三文魚凍結(jié)后的冰晶特征，用提前預(yù)冷的刀對(duì)凍品進(jìn)行切片，然后將切片在Clarke溶液(無(wú)水乙醇∶冰醋酸=3∶1)中浸漬固定24 h，接著將固定完的樣品升溫至室溫，隨后使用無(wú)水乙醇脫水，包埋在石蠟中，最后切片染色觀察[20]。Luan等[21]采用冷凍切片法間接觀察凍結(jié)帶魚的冰晶，該方法是用提前預(yù)冷的刀對(duì)凍品進(jìn)行切片，然后將切片包埋在包埋劑中，并浸沒(méi)在干冰和己烷的混合物中直至完全冷凍，然后切除多余包埋劑用黏合劑膜覆蓋固定，最后切片染色觀察[22]。該方法較冷凍替代法所需的處理時(shí)間短，提高了效率。冷凍干燥法是觀察凍品經(jīng)過(guò)脫水干燥后的間隙，該方法認(rèn)為間隙為冰晶升華后留下。同直接法相比，間接法對(duì)設(shè)備的要求低，但操作步驟多、耗時(shí)長(zhǎng)，在試驗(yàn)設(shè)備達(dá)不到要求時(shí)采用間接法也能得到很好的試驗(yàn)結(jié)果。

3 輔助凍結(jié)方法

食品凍結(jié)過(guò)程中，大冰晶的形成會(huì)使細(xì)胞破裂，對(duì)食品的微觀組織結(jié)構(gòu)造成破壞，解凍后汁液流失嚴(yán)重，食品外觀變形而且營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味物質(zhì)流失。而細(xì)小且分布均勻的冰晶則對(duì)食品組織結(jié)構(gòu)的破壞顯著降低，較好地保持了食品原有的品質(zhì)。為此，新型的輔助凍結(jié)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，通過(guò)控制凍結(jié)過(guò)程中形成的冰晶尺寸及分布，來(lái)提高速凍食品品質(zhì)。

3.1 壓力輔助凍結(jié)

高壓技術(shù)在食品行業(yè)中已開(kāi)始應(yīng)用，如高壓凍結(jié)、高壓解凍、高壓滅菌、高壓鈍酶等[23]。Taylor[24]在研究活細(xì)胞凍結(jié)過(guò)程中的變化時(shí)，采用了高壓輔助技術(shù)，而后該技術(shù)被引入速凍食品領(lǐng)域。壓力輔助凍結(jié)的方式主要有高壓輔助凍結(jié)和壓力轉(zhuǎn)換輔助凍結(jié)。高壓輔助凍結(jié)是指食品在恒定高壓條件下冷卻至相變溫度進(jìn)行凍結(jié)，完成凍結(jié)過(guò)程后再釋放壓力到常壓，該過(guò)程與常壓下凍結(jié)相類似，只是在高壓條件下進(jìn)行[25]。由于水在高壓條件下凝結(jié)形成的冰的密度大于液態(tài)水[26]，水凝固時(shí)的體積不會(huì)膨脹而使凍品組織細(xì)胞破裂，因此能較好保持食品形態(tài)和品質(zhì)。不同于恒定壓力下進(jìn)行的高壓輔助凍結(jié)，壓力轉(zhuǎn)換輔助凍結(jié)是食品在高壓條件下冷卻到過(guò)冷狀態(tài)，然后迅速釋放壓力，由于此時(shí)食品過(guò)冷度較高其中的水分在瞬間發(fā)生凍結(jié)，從而促使小冰晶的形成，同時(shí)冰晶在凍品中分布均勻[27]2-3。

Fernández等[28]在相同的壓力條件下(0.1，50.0，100.0 MPa)，對(duì)凝膠樣品采取高壓輔助凍結(jié)和壓力轉(zhuǎn)換輔助凍結(jié)，并對(duì)兩種壓力輔助凍結(jié)方式形成的冰晶以及凍品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，壓力轉(zhuǎn)換輔助凍結(jié)要明顯優(yōu)于高壓輔助凍結(jié)，樣品在該方式下凍結(jié)相變時(shí)間少，過(guò)冷度高結(jié)晶速度快，形成的冰晶小數(shù)量多且分布均勻。陳淑花[29]在食品高壓低溫凍結(jié)試驗(yàn)中，戎云鎖[27]17-24在壓力輔助凍結(jié)雞心時(shí)也得到了相同的結(jié)論。因此，在近幾年關(guān)于壓力轉(zhuǎn)換輔助凍結(jié)的研究較多，一些研究結(jié)果如表2所示。

表2 關(guān)于壓力轉(zhuǎn)換輔助凍結(jié)的研究Table 2 Research progress on pressure shift freezing

Smith等[34]建立了適合于高壓條件下凍結(jié)食品內(nèi)部冰晶生長(zhǎng)的數(shù)值模型，該模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)食品內(nèi)部冰晶的尺寸隨時(shí)間演化及分布規(guī)律，合理預(yù)估食品凍結(jié)時(shí)間。但該模型是用NaCl溶液作為食品模型樣品，沒(méi)有考慮食品實(shí)際由多組分構(gòu)成，以及該數(shù)值模型不能得到樣品溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，還需要進(jìn)一步研究。

3.2 電場(chǎng)輔助凍結(jié)

近幾年，電場(chǎng)在食品冷凍領(lǐng)域得到廣泛的研究。不同于高壓提高過(guò)冷度，電場(chǎng)主要是影響冰晶的成核率來(lái)輔助凍結(jié)。在靜電場(chǎng)條件下，極性水分子會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，呈現(xiàn)與靜電場(chǎng)方向?qū)R的趨勢(shì)，并且電偶極矩沿著靜電場(chǎng)方向分布的水分子最穩(wěn)定[35]。Orlowska等[36]在高壓直流靜電場(chǎng)控制冰晶成核的研究中，指出隨著電壓的增加冰晶成核溫度提高，電場(chǎng)輔助凍結(jié)的機(jī)理是由于水分子的重新定向和形成更有序的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致自由能的降低，但這個(gè)機(jī)理還需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。Saideh等[37]同樣指出靜電場(chǎng)能提高冰晶成核溫度，但當(dāng)靜電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)會(huì)造成冰晶成核溫度降低。對(duì)于不同食品而言，電場(chǎng)輔助凍結(jié)的最佳電場(chǎng)強(qiáng)度不同，要得到各種食品的最佳條件，還需要分別研究。Mok等[38]將脈沖電場(chǎng)與磁場(chǎng)結(jié)合用于食品冷凍，在脈沖電場(chǎng)與磁場(chǎng)的聯(lián)合作用下，促進(jìn)更小尺寸的冰晶形成，明顯縮短了相變時(shí)間。靜電場(chǎng)不僅能控制冰晶成核的溫度，還能改善凍品的品質(zhì)，是一種非常具有前景的輔助凍結(jié)方式，表3為近幾年關(guān)于電場(chǎng)輔助凍結(jié)的研究。

3.3 磁場(chǎng)輔助凍結(jié)

磁場(chǎng)輔助凍結(jié)是新興的輔助凍結(jié)技術(shù)之一。由于水是一種抗磁性物質(zhì)，在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生磁偶極矩，水的物理化學(xué)性質(zhì)受到影響。Cai等[45]在研究中發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)的作用下，水的表面張力下降，分子能量下降，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，形成了更多的氫鍵，更大的水分子簇。當(dāng)磁場(chǎng)輔助凍結(jié)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)引起水分子振蕩，抑制冰晶生長(zhǎng)，提高過(guò)冷度。單亮亮等[46]解釋在磁場(chǎng)作用下，運(yùn)動(dòng)的水分子及團(tuán)簇結(jié)構(gòu)受到洛倫茲力的作用，呈轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)氫鍵的穩(wěn)定性造成影響，進(jìn)一步可能導(dǎo)致氫鍵斷裂。王鵬飛等[47]在磁場(chǎng)輔助凍結(jié)果蔬的研究中發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)的作用下相變時(shí)間變短，果蔬組織細(xì)胞中冰晶尺寸變小。展曦鳴[48]研究了低頻電磁場(chǎng)對(duì)純水冷凍過(guò)程的影響，結(jié)果表明極低頻電磁場(chǎng)略微增加了純水的過(guò)冷度，對(duì)冷凍時(shí)間及冰晶形態(tài)幾乎無(wú)影響。James等[49]目前在研究中得出振蕩磁場(chǎng)對(duì)大蒜的過(guò)冷度沒(méi)有顯著影響。目前對(duì)于磁場(chǎng)輔助凍結(jié)的機(jī)理還需要進(jìn)一步探究，表4是目前關(guān)于磁場(chǎng)輔助凍結(jié)的相關(guān)研究。

表3 關(guān)于電場(chǎng)輔助凍結(jié)的研究Table 3 Research progress on electrostatic-assisted freezing

表4 關(guān)于磁場(chǎng)輔助凍結(jié)的研究Table 4 Research progress on magnetic field assisted freezing

4 結(jié)論與展望

輔助凍結(jié)是為了更好地保持食品品質(zhì)，而凍結(jié)形成的冰晶特征是保證速凍食品品質(zhì)最重要的因素之一。輔助凍結(jié)方法就是通過(guò)影響形成的冰晶特征來(lái)達(dá)到更好凍結(jié)食品的效果，其中壓力輔助主要是增加過(guò)冷度使形成的冰晶細(xì)小且分布均勻，電場(chǎng)和磁場(chǎng)輔助凍結(jié)則是通過(guò)提高成核率來(lái)控制冰晶晶核的生長(zhǎng)，使最終形成更小的冰晶。對(duì)于不同種類的食品所需的輔助凍結(jié)方式不同，需進(jìn)一步研究不同食品的最佳輔助凍結(jié)方式，輔助凍結(jié)的機(jī)理也需要進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，已經(jīng)有一系列方法能觀測(cè)凍結(jié)形成的冰晶，直接法能直接觀察冰晶但設(shè)備成本高，間接法設(shè)備要求低但所需處理步驟繁瑣且不直觀。運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，可以建立預(yù)測(cè)冰晶生長(zhǎng)的合理模型，從而建立完善的速凍食品評(píng)價(jià)體系。