超聲波解凍與傳統(tǒng)解凍方式的比較與競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)估

孫聿堯，謝晶,3,4*，王金鋒,3

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，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(上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海，201306) 4(上海海洋大學(xué) 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，201306)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)高品質(zhì)冷凍食品的需求越來(lái)越大，因此人們著力于研究冷凍食品的凍藏和解凍。凍藏是將食品保藏在冰點(diǎn)以下的溫度，降低各種酶與微生物的影響。解凍則是將處于冰點(diǎn)以下的冷凍食品的凍結(jié)狀態(tài)解除，使它們盡量恢復(fù)至凍結(jié)前的食品品質(zhì)。與凍藏過(guò)程相比，解凍過(guò)程更易使食品的鮮度、口感和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)破壞，因此在冷凍食品解凍時(shí)更需進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

解凍方式有空氣解凍、水解凍、電解凍等。由于食品解凍過(guò)程中，酶和微生物的活性會(huì)逐漸恢復(fù)，因此使解凍后食品的品質(zhì)接近于凍結(jié)前的食品品質(zhì)是十分重要的，且不同的解凍方式所產(chǎn)生的效果是不同的[1]。

解凍速率和冷凍食品在解凍過(guò)程中的品質(zhì)變化是對(duì)解凍方式評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。找到一種解凍速率高且對(duì)冷凍食品品質(zhì)破壞小的解凍方式將對(duì)食品解凍產(chǎn)生十分積極的影響。

1 傳統(tǒng)解凍方式的解凍機(jī)制及研究進(jìn)展

1.1 三種傳統(tǒng)解凍方式的解凍機(jī)制

1.1.1 空氣解凍

空氣解凍屬于傳統(tǒng)解凍方式，該方式主要是將冷凍食品放置于解凍室中，通過(guò)對(duì)空氣的流速、溫度、濕度和風(fēng)向進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)食品在合適的狀態(tài)下解凍[2]。解凍室中可利用加熱器進(jìn)行輔助，對(duì)冷凍食品進(jìn)行加熱，促進(jìn)食品與室內(nèi)熱環(huán)境的熱交換，融化食品內(nèi)部的冰晶[1]。

空氣解凍時(shí)間長(zhǎng)，食品品質(zhì)下降較多，且難以將解凍室內(nèi)狀態(tài)長(zhǎng)期控制在適合解凍的范圍內(nèi)[3]?？梢蕴岣呖諝獾牧魉?縮短空氣解凍時(shí)間，但在該過(guò)程中，食品干耗加劇，會(huì)對(duì)食品鮮度、風(fēng)味和口感造成破壞[4]。

1.1.2 水解凍

水解凍主要是在常壓狀態(tài)下利用水對(duì)冷凍食品進(jìn)行解凍，解凍速率較快、食品的質(zhì)量損失較小[5]。在水流經(jīng)冷凍食品的表面時(shí)，會(huì)將食品內(nèi)所含的可溶性物質(zhì)帶走，降低食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[6]。在常溫?zé)o保護(hù)的情況下，與空氣解凍相比，對(duì)凍魚(yú)水解凍所產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)成分損失較大[7]。由于水中會(huì)夾雜微生物，對(duì)冷凍食品進(jìn)行水解凍可能會(huì)產(chǎn)生微生物污染[8]。在進(jìn)行水解凍前需先用保鮮膜對(duì)冷凍食品進(jìn)行包裹，這樣可以極大地減少食品營(yíng)養(yǎng)成分的流失，降低微生物的污染[9]。

對(duì)食品水解凍時(shí)，提高水溫可提升解凍速率，但會(huì)增加食品內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失，因此一般進(jìn)行水解凍時(shí)會(huì)將水溫控制在0～2 ℃，并在食品外部用保鮮膜進(jìn)行保護(hù)[10]。

1.1.3 電解凍

電解凍主要是將冷凍食品連接在電路中，充當(dāng)電阻，利用電流產(chǎn)生熱能進(jìn)行加熱[11]，實(shí)現(xiàn)解凍。冷凍食品的厚度不會(huì)影響加熱穿透的深度，也不會(huì)形成較大的溫度梯度，因此解凍比較均勻[12]。利用交變電場(chǎng)產(chǎn)生摩擦生熱也可解凍，其中以微波解凍的解凍能力最強(qiáng)[13]。

與空氣解凍和水解凍相比，電解凍的控制要求較高，但對(duì)于食品內(nèi)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的保護(hù)效果較好。

1.2 傳統(tǒng)解凍方式的研究進(jìn)展

傳統(tǒng)解凍方式在食品領(lǐng)域運(yùn)用廣泛，目前不同解凍方式的優(yōu)化組合以及新技術(shù)在解凍中的應(yīng)用有效提升了解凍效果。蔡娜[14]運(yùn)用高溫高壓氣體與熱水的結(jié)合，發(fā)明一種食品解凍系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要運(yùn)用水解凍，用空氣解凍進(jìn)行輔助，以此保障解凍的效率與品質(zhì)。岳雨霞[15]綜合運(yùn)用過(guò)濾系統(tǒng)發(fā)明了一種防污染的食品解凍裝置，該裝置運(yùn)用空氣解凍，擁有解凍速率快和防污染性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。謝健華[16]運(yùn)用水解凍發(fā)明了一種新型的食品解凍機(jī)，解凍效果優(yōu)良，且不易造成被解凍食品營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失。秦潤(rùn)彤等[17]將水解凍與電氣設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，發(fā)明了一種可進(jìn)行實(shí)時(shí)食品檢測(cè)用解凍裝置，該裝置設(shè)置了轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)和解凍筒，解凍效果更好，解凍效率更高。

如表1所示，水解凍的應(yīng)用較多，而空氣解凍和電解凍相對(duì)較少，而且不同解凍方式之間的優(yōu)化組合以及新技術(shù)的應(yīng)用提升了解凍效率，保障了解凍效果。

表1 運(yùn)用傳統(tǒng)解凍方式的裝置Table 1 Thawing device by traditional thawing methods

2 超聲波解凍

為了進(jìn)一步提升解凍效果，超聲波解凍方式被探索、研究和應(yīng)用。超聲波可單獨(dú)使用實(shí)現(xiàn)解凍，也可與傳統(tǒng)解凍方式相結(jié)合(多與水解凍進(jìn)行結(jié)合)，從而強(qiáng)化解凍效果[18]。KISSAM等[19]將超聲波運(yùn)用于輔助水浸法，發(fā)現(xiàn)在1 500 Hz、60 W的條件下進(jìn)行鱈魚(yú)的解凍，與單純的水浸法相比，可將解凍時(shí)間縮短71%。

超聲波是機(jī)械波的一種，根據(jù)超聲波的頻率與所含能量的不同，可以分為高頻低能超聲波和低頻高能超聲波[20]。低頻高能超聲波在食品的解凍、干燥和過(guò)濾等多方面均有運(yùn)用，它的頻率低于100 kHz，所含的能量高于1 W/cm2，屬于功率超聲波[21]。張昕等[22]利用不同強(qiáng)度的低頻高能超聲波對(duì)雞胸肉進(jìn)行解凍，發(fā)現(xiàn)改變超聲波的強(qiáng)度可以提高解凍速率，保持雞胸肉的新鮮度，并具有殺菌的功效。

2.1 超聲波解凍的解凍機(jī)制

2.1.1 超聲波解凍相關(guān)的主要效應(yīng)

當(dāng)超聲波作用于冷凍食品，會(huì)產(chǎn)生一系列的物理與化學(xué)反應(yīng)，其中主要有四大效應(yīng)，分別為空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和自由基效應(yīng)[23]。空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)為物理效應(yīng)，在解凍方面起到主要作用，其中熱效應(yīng)的作用最大，而自由基效應(yīng)則屬于化學(xué)效應(yīng)。

空化效應(yīng)的原理是超聲波通過(guò)正負(fù)壓交替的方式進(jìn)行傳播[24]，在經(jīng)過(guò)冷凍食品表面時(shí)產(chǎn)生巨大的負(fù)壓，使冷凍食品的表面產(chǎn)生微泡，并通過(guò)壓強(qiáng)的突然降低在冷凍食品上產(chǎn)生高溫使微泡內(nèi)的溶液過(guò)飽和，從而使微泡破裂，釋放能量[25-26]。在進(jìn)行解凍的過(guò)程中，該效應(yīng)主要用于輔助熱效應(yīng)，使熱量能夠更順利地通過(guò)冷凍食品，從而提升解凍的效率。

超聲波屬于機(jī)械波，在振動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，該效應(yīng)是通過(guò)超聲波帶動(dòng)冷凍食品的顆粒振動(dòng)，傳播能量，產(chǎn)生攪動(dòng)，可有效地破壞冷凍食品上的冰晶，加快冷凍食品的解凍速率[27-29]。

熱效應(yīng)是超聲波解凍最重要的效應(yīng)，它伴隨著機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生，在超聲波帶動(dòng)冷凍食品振動(dòng)時(shí)提升冷凍食品的局部溫度，進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)解凍。冷凍食品振動(dòng)越劇烈的部分溫度越高，因此熱效應(yīng)的強(qiáng)弱與超聲波本身的強(qiáng)弱成正比[18]。

對(duì)于空化效應(yīng)，若超聲波強(qiáng)度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多微泡，可強(qiáng)化解凍，但會(huì)對(duì)冷凍食品的表面產(chǎn)生較大的損傷[30]；對(duì)于機(jī)械效應(yīng)，若超聲波的振動(dòng)頻率過(guò)大會(huì)破壞冷凍食品內(nèi)部的纖維及營(yíng)養(yǎng)構(gòu)成[31]；對(duì)于熱效應(yīng)，超聲波控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱，破壞食品的口感與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[32]。

2.1.2 超聲波解凍的主要機(jī)制

超聲波解凍運(yùn)用的主要是熱效應(yīng)，熱效應(yīng)的強(qiáng)弱與超聲波強(qiáng)度和作用時(shí)間成正比[33-34]。超聲波解凍時(shí)，能量作用于冰凍組織與解凍組織，冰凍組織中的能量衰減速率較快。超聲波產(chǎn)生的熱量主要作用于冷凍食品內(nèi)部的凍結(jié)層與解凍層的分界處，調(diào)節(jié)超聲波的頻率和強(qiáng)度，可在該處產(chǎn)生較穩(wěn)定的熱效應(yīng)，使冷凍食品的凍結(jié)面穩(wěn)定地向解凍面推進(jìn)與轉(zhuǎn)換[35]。

超聲波解凍的穩(wěn)定性較好，通過(guò)對(duì)超聲波的頻率與強(qiáng)度調(diào)節(jié)[36]，可實(shí)現(xiàn)較好的解凍效果。為避免產(chǎn)生局部過(guò)熱，需嚴(yán)格控制超聲波發(fā)射源的強(qiáng)度和頻率，使冷凍食品均勻受熱，實(shí)現(xiàn)高效、快速地解凍[37]。如表2所示，與傳統(tǒng)解凍方式相比，超聲波解凍的穩(wěn)定性更好，對(duì)食品的損傷較低，也可以更好地保障食品的品質(zhì)[38]。董慶利等[39]通過(guò)對(duì)豬肉的解凍研究發(fā)現(xiàn)，與空氣解凍和水解凍相比，運(yùn)用超聲波解凍可以更好地控制局部過(guò)熱和汁液流失。超聲波解凍若與傳統(tǒng)解凍方式結(jié)合，不僅可提高解凍的效率，還可彌補(bǔ)傳統(tǒng)解凍方式存在的缺陷[40-41]。

表2 超聲波解凍與傳統(tǒng)解凍方式在機(jī)制上的對(duì)比Table 2 Mechanism comparison between ultrasonic thawing and traditional thawing

2.2 超聲波解凍的研究進(jìn)展

2.2.1 超聲波解凍技術(shù)的研究進(jìn)展

超聲波解凍具有較強(qiáng)的解凍能力，目前人們對(duì)超聲波解凍進(jìn)行了廣泛的研究。

GAMBUTEANU等[42]采用不同的低強(qiáng)度超聲波(25 kHz，0.2～0.4 W/cm2)對(duì)無(wú)包裝的凍豬肉進(jìn)行解凍研究，發(fā)現(xiàn)超聲波不會(huì)對(duì)豬肉的質(zhì)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)成分造成破壞，與空氣解凍及水解凍相比，解凍時(shí)間會(huì)縮短。葉盛英等[43]運(yùn)用不同強(qiáng)度的超聲波進(jìn)行解凍實(shí)驗(yàn)，測(cè)定肉汁含量，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用34.98 W的超聲波解凍可使肉質(zhì)損失率最低，且冰晶融化用時(shí)最短，比19 ℃的空氣解凍和18 ℃的水解凍更快。谷小慧[44]利用超聲波進(jìn)行豬肉的解凍實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，豬肉的pH值、汁液流失率和細(xì)菌總數(shù)等指標(biāo)均優(yōu)于運(yùn)用傳統(tǒng)解凍方式解凍的豬肉。余力等[45]在伊拉兔肉解凍的研究中，對(duì)比超聲波解凍、空氣解凍和水解凍等多種解凍方式發(fā)現(xiàn)，超聲波解凍的時(shí)間較短，且兔肉的汁液流失率較小。譚明堂等[46]運(yùn)用空氣解凍、靜水解凍、流水解凍、微波解凍及超聲波解凍對(duì)魷魚(yú)進(jìn)行解凍處理，發(fā)現(xiàn)超聲波解凍在質(zhì)構(gòu)方面是5種解凍方式中最佳的。劉雪梅等[47]進(jìn)行草莓解凍實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在解凍時(shí)間方面，超聲波解凍優(yōu)于空氣解凍和水浴解凍；同時(shí)超聲波解凍對(duì)花色苷的破壞最小，解凍效果優(yōu)于空氣解凍和水浴解凍。綜上，超聲波解凍在解凍時(shí)間和解凍效果上優(yōu)勢(shì)突出。

HONG等[48]在4 ℃的水與鹽水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，2%)中分別利用超聲波(40 kHz、150 W)對(duì)豬肉解凍，發(fā)現(xiàn)超聲波解凍在鹽水中使用，食品的質(zhì)量損失較少，且具有最低的剪切力。超聲波解凍與水解凍結(jié)合，可提升解凍的效率[49]。張紹志等[34]以牛肉為研究對(duì)象，研究超聲波解凍與其他解凍方式的結(jié)合，通過(guò)對(duì)與解凍相關(guān)的傳熱方程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)合使用可以產(chǎn)生更好的解凍效果，可以縮短解凍時(shí)間。綜上，超聲波解凍若與其他解凍方式結(jié)合，可提升解凍效率，并獲得更好的解凍效果[50]。

MILES等[51]對(duì)牛肉、豬肉和鱈魚(yú)的超聲波解凍進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)食品表面容易產(chǎn)生局部過(guò)熱，其中選用頻率為500 Hz、強(qiáng)度為0.5 W/m2的超聲波進(jìn)行解凍，表面局部過(guò)熱的地方最少，解凍效果最佳。SHORE等[52]研究了超聲波的衰減特性，發(fā)現(xiàn)已凍結(jié)區(qū)對(duì)超聲波的吸收為未凍結(jié)區(qū)的幾十倍，初始凍結(jié)點(diǎn)的吸收能力最強(qiáng)，解凍效果最好，且這一衰減程度隨著溫度的升高而增加，可推導(dǎo)出公式α=Afn(α為衰弱率,f為頻率，A、n為與溫度成正比的系數(shù))，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制解凍時(shí)的溫度，以控制超聲波的衰減程度。易見(jiàn)，超聲波解凍需嚴(yán)格控制超聲波的頻率與強(qiáng)度，這2個(gè)數(shù)值是影響超聲波解凍效果最主要的參數(shù)；如需進(jìn)一步加強(qiáng)解凍效果，需對(duì)解凍溫度進(jìn)行控制，從而控制超聲波的衰減。

如表3所示，總結(jié)超聲波解凍的研究進(jìn)展，超聲波解凍在解凍速率、汁液流失率等方面優(yōu)于傳統(tǒng)解凍方式；將超聲波解凍與傳統(tǒng)解凍方式相結(jié)合，可以提升解凍效率；頻率與強(qiáng)度為超聲波解凍最主要的參數(shù)，但超聲波的衰減程度也會(huì)對(duì)解凍效果產(chǎn)生影響，需嚴(yán)格控制與衰減程度密切相關(guān)的溫度。

表3 超聲波解凍的研究分析Table 3 Research and analysis of ultrasonic thawing

2.2.2 超聲波解凍裝置的研究進(jìn)展

隨著超聲波解凍研究的推進(jìn)，各種新型的超聲波解凍設(shè)備不斷涌現(xiàn)。

杜華東等[53]將超聲波解凍與冰箱結(jié)合，發(fā)明了用于冰箱內(nèi)的超聲波解凍設(shè)備，能提升解凍的效果、保證食物的安全、減少營(yíng)養(yǎng)的流失。張紹志等[54]發(fā)明了一種超聲波列陣裝置，利用超聲波實(shí)現(xiàn)冷凍食品的快速解凍，可以進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，能夠降低食品加工環(huán)節(jié)的成本。尤信鈴等[55]發(fā)明了一種水產(chǎn)品用超聲波解凍設(shè)備，在超聲波振動(dòng)板上方的解凍區(qū)域內(nèi)設(shè)置承接網(wǎng)，用于放置水產(chǎn)品，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)件的帶動(dòng)，使水產(chǎn)品能夠在解凍區(qū)域內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，有效地促進(jìn)了超聲波的振動(dòng)傳遞，使水產(chǎn)品的解凍更加均勻，若在解凍區(qū)域通入熱空氣，可進(jìn)一步輔助提升超聲波水解凍的效率。杜帥等[56]針對(duì)海水魷魚(yú)，發(fā)明了一種超聲波海水魷魚(yú)解凍池，該解凍池?fù)碛薪鈨鏊俾士?、廢水回收率高和成本較低等特點(diǎn)。符誠(chéng)斌[57]發(fā)明了一種用于生蝦加工的超聲波解凍裝置，通過(guò)內(nèi)部設(shè)置的超聲波裝置對(duì)解凍液進(jìn)行劇烈振動(dòng)，加速生蝦的解凍。

如表4所示，超聲波解凍設(shè)備可快速對(duì)冷凍食品解凍；部分設(shè)備也將超聲波解凍與傳統(tǒng)解凍方式結(jié)合，提升解凍效率；在保證解凍效果的前提下，超聲波解凍設(shè)備可降低成本。

表4 關(guān)于超聲波解凍的發(fā)明Table 4 Inventions about ultrasonic thawing

3 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)解凍方式有空氣解凍、水解凍和電解凍。空氣解凍時(shí)間較長(zhǎng)；水解凍需先進(jìn)行保護(hù)，防止流水帶走冷凍食品的可溶性物質(zhì)；電解凍的控制難度較大且成本較高。

超聲波解凍通過(guò)空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)及熱效應(yīng)對(duì)冷凍食品進(jìn)行解凍,其主要特點(diǎn)為解凍效率較高及對(duì)食品的損傷較低。

頻率與強(qiáng)度是影響超聲波解凍效果的主要指標(biāo)，但也需控制解凍溫度，減小超聲波衰減程度對(duì)解凍效果的影響。

超聲波解凍可單獨(dú)使用，與傳統(tǒng)解凍方式相比，解凍速率較快、解凍效果較好。若與傳統(tǒng)解凍方式結(jié)合，可以進(jìn)一步提升解凍效率，其中，將超聲波解凍與水解凍結(jié)合的情況居多，該結(jié)合方式的解凍效果較好，值得進(jìn)一步研究。