超高壓技術(shù)在冷凍食品加工中的應(yīng)用

李立，孫智慧，李曉燕，趙宜范，鞏雪

1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院（哈爾濱 150076）；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)包裝科學(xué)與工程技術(shù)實驗室（哈爾濱 150028）；3.哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院（哈爾濱 150028）；4.哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院（哈爾濱 150028）

在過去的幾十年里，全球?qū)】凳称返男枨蠹ぴ?，成為現(xiàn)代食品工業(yè)中一大特點。因此，工業(yè)部門為提高食品質(zhì)量、滿足消費者期望的新型食品加工技術(shù)提供了良好的迅速發(fā)展空間[1]。從古至今，冷凍都是長期儲存食品的重要方法，然而傳統(tǒng)的冷凍方法對食品的感官特性、風味和營養(yǎng)成分都有所損害。由于高壓處理能夠保持食品的基本功能和營養(yǎng)特性，因此它成為一項備受關(guān)注的技術(shù)。自20世紀70年代以來，人們對高壓加工（high pressure processing，HPP）在食品工業(yè)中的應(yīng)用進行了大量研究。而在過去的十年中，超高壓冷凍（high pressure freezing，HPF）已經(jīng)成為目前新型冷凍技術(shù)中研究認可度及工廠化潛質(zhì)最高的新型速凍技術(shù)。近年來，越來越多的機械制造商從事HPP設(shè)備的研究、開發(fā)和制造，使設(shè)備制造技術(shù)更加完善，生產(chǎn)性能不斷提高，生產(chǎn)運行長期穩(wěn)定[2]。截至2019年，全球運行的HPP設(shè)備超過400臺，主要集中在北美（54%）、歐洲（25%）和亞洲（12%），2015年產(chǎn)值超過100億美元，并將在2025年達到547億美元[3-4]。

以往國內(nèi)外文獻對超高壓冷凍加工技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究涉及許多方面[5]，但從凍結(jié)食品種類進行歸納分析的報道還比較少見。在此基礎(chǔ)上對超高壓冷凍技術(shù)的一些最新進展進行了歸納分析，主要從水產(chǎn)品、肉制品、蔬菜及微生物滅活四個應(yīng)用熱點的最新研究成果加以總結(jié)評析。其中又從壓力輔助凍結(jié)、壓力轉(zhuǎn)移凍結(jié)、壓力誘導(dǎo)凍結(jié)三個方面對高壓下水和冰的相變過程及傳熱特性的數(shù)值模擬深入探討，對HPF機理進行了系統(tǒng)的闡述。同時還分析了超高壓冷凍技術(shù)在食品工業(yè)中的優(yōu)勢及存在的不足，基于這些問題進行分析提出了一些超高壓冷凍技術(shù)在未來發(fā)展中的改進及研究方向，期望對超高壓行業(yè)的發(fā)展及研究提供一定的啟示。

1 超高壓冷凍機理的研究

食品中水、碳水化合物、蛋白質(zhì)和其他生物分子等各種成分之間具有復(fù)雜的相互作用。由于許多外在和內(nèi)在的因素，食品容易變質(zhì)、失去穩(wěn)定性。冷凍是在盡可能保持新鮮的條件下長時間保存食品的最可靠的方法之一[6-7]。但由于大冰晶的形成和細胞結(jié)構(gòu)的破壞，食品的冷凍儲存有時會產(chǎn)生有害的影響。因此，這些冰晶的大小和形狀對冷凍產(chǎn)品的最終質(zhì)量至關(guān)重要。Mahato等[8]提出在凍結(jié)過程中普遍存在的一種現(xiàn)象，即當液體由于大量冷卻或成分發(fā)生變化而進入過冷的玻璃態(tài)，它是由于分子的穩(wěn)定性而使系統(tǒng)達到熱力學(xué)非平衡狀態(tài)的一種二級轉(zhuǎn)變。在整個樣品中，冰晶的大小分布既取決于在凍結(jié)過程早期形成的核的數(shù)量，也取決于隨后晶體生長的速度，后者會影響晶體的最終形狀和大小。而形成的核數(shù)與成核前樣品的過冷程度呈正比。過冷是一種非平衡的亞穩(wěn)態(tài)，類似于成核過程所需的活化能[9]。眾所周知，緩慢冷凍會促使細胞外大的冰晶形成，從而對食品造成損害，特別是對肌肉或蔬菜組織。因此，快速凍結(jié)是必要的，因為它能促進強化成核和大量細胞內(nèi)小冰晶的形成。

根據(jù)水的相圖（圖1）可見，當壓力增加到210 MPa時水的凝固點下降到-21 ℃。食品在高壓下處于過冷狀態(tài)，進而實現(xiàn)快速冷凍，這即是HPF。HPF是一種新型冷凍技術(shù)，能夠控制冰晶的形成和分布，從而具有提高冷凍食品質(zhì)量的潛力。盡管HPF具有很高的應(yīng)用價值，但是對于HPF在食品加工中的應(yīng)用研究還比較少見。

圖1 水在高壓下固-液平衡相圖

HPF可分為壓力輔助凍結(jié)（pressure assisted freezing，PAF）、壓力轉(zhuǎn)移凍結(jié)（pressure shift freezing，PSF）和壓力誘導(dǎo)凍結(jié)（pressure induced freezing，PIF）。根據(jù)不同的結(jié)晶路徑和冰晶類型，包括冰晶的形成、分布以及對冷凍食品質(zhì)量的影響都成為大部分高壓凍結(jié)研究的焦點[10-11]。在PAF過程中，可通過建立數(shù)學(xué)模型來預(yù)測瞬間冰的形成分數(shù)，但是在模型求解時還需要對液態(tài)水、過冷液態(tài)水、Ⅰ型冰在不同壓力和溫度狀態(tài)下的熱力學(xué)特性（如比熱值、導(dǎo)熱系數(shù)等）有所掌握[12]。學(xué)者對大部分不同壓力和溫度下水的熱力學(xué)參數(shù)可以通過經(jīng)驗公式來確定，然而對于成分復(fù)雜的食品來說，其熱力學(xué)參數(shù)的確定存在一定困難，這也是制約著食品超高壓狀態(tài)下傳熱特性研究發(fā)展的一大難題。在PSF過程中高成核率促進了整個產(chǎn)品中相對較大比例的水的瞬時結(jié)晶，而不是像常規(guī)冷凍那樣只在表面結(jié)晶。由于膨脹后瞬間形成的冰量是PSF最大的特點，因此對于冰量的預(yù)測成為該領(lǐng)域的研究熱點。而目前的許多理論模型大多數(shù)較為復(fù)雜，所有模型都認為膨脹前壓力越高，溫度越低，形成的冰量越多，因此凍結(jié)平臺或相變時間越短。而實際上相變時間的縮短不僅僅是因為膨脹后水的瞬時凍結(jié)，還有壓力介質(zhì)在壓力釋放后溫度下降的原因[13]。Sanz等[14]基于無限大圓柱和無限大板對應(yīng)的瞬態(tài)傳熱方程的乘積解，開發(fā)了有限圓柱的PSF過程模型。完成相變所需的時間由一個修正的平板方程計算，并與試驗數(shù)據(jù)取得了相當好的一致性。Denys等[15]采用有限差分格式對食品類似物（tylose）的PSF過程進行了建模，結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。在他們的研究中，分別考慮了壓力積累和釋放過程中的熱產(chǎn)生或熱減少，以及表觀比熱和導(dǎo)熱系數(shù)對溫度的依賴關(guān)系?；谠趬毫ο聺摕崽幚淼睦щy和表觀比熱法的缺點，Pham[16]提出一個更簡單、更有效的焓法來模擬高壓凍結(jié)過程。

2 超高壓技術(shù)在冷凍食品加工中的應(yīng)用

2.1 水產(chǎn)品工業(yè)

深海魚類和海產(chǎn)品具有很高的營養(yǎng)價值，特別是高生物價值的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，在世界各地都有銷售和消費，但產(chǎn)品易腐爛，使消費者承受食品變質(zhì)的風險。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)，活的、新鮮的或冷凍的海產(chǎn)品占世界人類消費量的45%，而腌制（干燥、腌制、鹽水、發(fā)酵煙熏）的海產(chǎn)品占12%[17]。盡管已經(jīng)利用了復(fù)雜多樣的保存技術(shù)來保存海產(chǎn)品及控制食源性病原體的生長，但微生物腐敗和食品污染仍然是一個需要有效控制的問題[18-19]。

冷凍可抑制微生物生長、降低酶活性，并能更好地保存食品的風味和營養(yǎng)特性。然而，在魚的肌肉中形成的大冰晶、蛋白質(zhì)降解、脫水和脂質(zhì)氧化是冷凍魚產(chǎn)品中最常見的問題[20]。自20世紀90年代以來，HPF這項技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)擴展到多種食品，包括魚和海鮮。例如，在300 MPa或更高的壓力下持續(xù)幾分鐘會顯著降低許多冷藏條件下儲存魚產(chǎn)品的初始負荷或腐敗微生物的生長速率和酶活性[21]。Santiago等[22]研究了HPF對鯖魚和金槍魚肌肉的保鮮效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HPF改善了魚肌肉的質(zhì)地、感官特性和微生物含量，而不會引起外觀和脂質(zhì)氧化。Hong等[23]對鮑魚分別進行了低溫高壓冷凍（PAF）和變壓冷凍（PSF）處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對照組（新鮮鮑魚）相比PSF在150 MPa時能夠有效地防止汁液損失，并且經(jīng)過PSF處理的鮑魚剪切值與對照組相似。兩種方法隨著壓力的升高，都能夠降低鮑魚的需氧菌落數(shù)，減少鮑魚冷凍過程對品質(zhì)的損害。此外，通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在PSF條件下冰晶的尺寸比空氣凍結(jié)要小。相反地，在150 MPa和200 MPa壓力下，澳洲肺魚肌肉的汁液損失和pH與對照樣本相似。但在250～300 MPa處理3 min內(nèi)，觀察到一些缺陷，包括白度增加，以及由于蛋白質(zhì)變性導(dǎo)致硬度顯著降低、汁液損失增加[24]。

Cheng等[25]對比了壓力輔助凍結(jié)和壓力轉(zhuǎn)變凍結(jié)對南美白對蝦肌球蛋白的結(jié)構(gòu)和功能的影響，結(jié)果顯示PSF可以降低凍結(jié)狀態(tài)肌球蛋白的變性，且300 MPa是臨界值，冰晶的生成和生長對肌球蛋白的二級、三級結(jié)構(gòu)有著重要的影響。Baier等[26]觀察到在500 MPa、-15/-35 ℃時乳清蛋白的二級結(jié)構(gòu)有明顯的變化，而三級結(jié)構(gòu)保持不變。一些研究者[27-28]發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的低溫變性是由于冰晶形成的聚合效應(yīng)引起的，導(dǎo)致了蛋白質(zhì)的變性或其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞。通常包括蛋白質(zhì)分子間的交聯(lián)、Ca2+-ATP酶活性的降低和表面疏水性的降低。實際上，在HPF過程中，蛋白質(zhì)會受到壓力變性、凍結(jié)變性和協(xié)同變性的作用，導(dǎo)致現(xiàn)象更加復(fù)雜，機理也存在爭議[29-30]。然而，到目前為止，HPF過程下的蛋白質(zhì)變性比常壓條件下的沉浸式冷凍過程更為復(fù)雜，蛋白質(zhì)的變性并沒有清晰完整地被大家所熟知，需要更多的研究來闡明相關(guān)的變化機制。

2.2 肉制品工業(yè)

肉類在市場上的流通形式主要是以冷鮮肉和冷凍肉為主，傳統(tǒng)的冷凍肉經(jīng)過處理后，其色澤、香味都會有所下降，水分也會流失，加上肉品本身的干耗，使其銷售情況受到諸多影響。隨著人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高和重視，超高壓冷凍技術(shù)應(yīng)運而生。Cariez等[31]對切碎的牛肉進行試驗（200～350 MPa、10℃、10 min），結(jié)果發(fā)現(xiàn)亮度（L*值）顯著增加，肉的顏色變成了粉紅色，并且推測這種“美白”效果是由于球蛋白變性或血紅素發(fā)生位移而釋放造成的。同樣地，Goutefongea等[32]在600 MPa/20 ℃/30 min的壓力下，在切碎的（新鮮和腌制的）豬肉和牛肉中發(fā)現(xiàn)了類似的顏色變化。他們認為，亮度的增加可能是肌纖維和肌漿蛋白凝固的結(jié)果。而這種“美白”效果似乎更多地取決于臨界壓力閾值，而非保壓時間。Realini等[33]發(fā)現(xiàn)與未處理組對比，對豬肉、生牛肉片進行HPP處理（400/60 MPa，6 min）可有效延緩微生物腐敗并且能夠延長貨架期，HPF（-35 ℃）處理對微加工即食市場的豬肉和生牛肉片可以起到延長保質(zhì)期及提高品質(zhì)的作用。Fernandez等[34]發(fā)現(xiàn)HPP處理的鮮肉會發(fā)生不可逆的肌紅蛋白變性，而冷凍肉類在0 ℃以下解凍后，肌紅蛋白可能會恢復(fù)其原有構(gòu)象。也就是說，冷凍可以保護肉類免受壓力對顏色的不利影響，解凍后肉類可以恢復(fù)原來的顏色，表明此種技術(shù)在肉類冷凍銷售領(lǐng)域有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3 蔬菜工業(yè)

蔬菜是僅次于糧食的第二大農(nóng)產(chǎn)品。我國現(xiàn)在每年蔬菜產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的22.29%，絕大部分鮮銷鮮食，在采收、儲運和銷售過程中，蔬菜變質(zhì)造成的浪費嚴重，而蔬菜深加工產(chǎn)品還不到全國蔬菜總量的10%。因此，國內(nèi)外學(xué)者對超高壓冷凍技術(shù)在蔬菜工業(yè)中的應(yīng)用進行了較多的研究。

傳統(tǒng)的冷凍方法由于成核率低、細胞間冰晶生長密集，可能會破壞食品結(jié)構(gòu)，而PSF冷凍的食品則相反。Otero等[35]發(fā)現(xiàn)桃子和芒果加壓到200 MPa時，在-20 ℃沒有冰晶形成，然后將壓力迅速釋放到0.1 MPa，中心細胞和表面細胞結(jié)構(gòu)無差異，表明實現(xiàn)了均勻的冰成核。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到，細胞排列相鄰，沒有明顯的破損，表明這種冷凍方法保存植物的微觀結(jié)構(gòu)最好。Fuchigami等[36]報道了高壓冷凍胡蘿卜的結(jié)構(gòu)和組織學(xué)變化。在200，340和400 MPa的高壓冷凍條件（-18～-20 ℃）下，可以有效改善冷凍胡蘿卜的組織結(jié)構(gòu)。從高壓冷凍胡蘿卜的結(jié)果來看，減壓前冰晶形成的條件對最終食品的結(jié)構(gòu)有重要影響。雖然PSF冷凍食品的細胞結(jié)構(gòu)沒有明顯的破損，通過以上國內(nèi)外學(xué)者的研究這一點也得到了證實，但在冷凍過程中細胞的受力關(guān)系及組織結(jié)構(gòu)等之間的關(guān)系還需進一步深入的探討，以明晰在超高壓冷凍過程中細胞之間的受力關(guān)系究竟是如何影響食品內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的，進一步服務(wù)于超高壓冷凍技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)。

2.4 微生物滅活

眾所周知，傳統(tǒng)的冷凍方法對新鮮食品的微生物量沒有明顯的影響[37]。在冷凍和冷凍產(chǎn)品儲存過程中使用的低溫能減緩微生物的代謝功能，在某些情況下，甚至抑制細胞的生長。相反，在解凍期間，微生物在最佳生長條件下恢復(fù)了它們的活性，這反過來會對產(chǎn)品質(zhì)量和安全造成重大變化。雖然HPF在保持冷凍產(chǎn)品質(zhì)量方面的優(yōu)勢已得到證實，但很少有科學(xué)報道這一新的冷凍技術(shù)對微生物的影響。

高壓-低溫處理對微生物失活有很好的效果，Luscher等[38]發(fā)現(xiàn)當李斯特菌經(jīng)歷冰Ⅰ到冰Ⅲ的相變后，其失活效果更明顯。Zhu等[39]證明了高壓、低溫對冷凍胡蘿卜汁中大腸桿菌失活的聯(lián)合作用。同樣地，Urrutia-Benet等[40]對枯草芽孢桿菌的滅活性進行了研究（在15/-25/-45 ℃下高壓處理），結(jié)果發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)狀態(tài)下，微生物的滅活水平較高。Volkert等[41]對鼠李糖乳桿菌在磷酸緩沖鹽懸浮液和20 g/100 mL脫脂牛奶中的滅活性進行了試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)懸浮在磷酸緩沖鹽中的微生物細胞在用HPF或靜態(tài)冷凍后的相似的生存能力。當微生物懸浮在脫脂牛奶中時，HPF工藝檢測到較高的致死率。但是作者既沒有測定微生物細胞在冷凍后的失活水平，也沒有討論失活機制。雖然超高壓冷凍技術(shù)在微生物滅活方面的機理研究圍繞著微生物的細胞壁、細胞膜、遺傳物質(zhì)等都開展了廣泛的探索[42]，但對于微生物滅活機理還有待于應(yīng)用基因組學(xué)、細胞組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等方法和手段進一步深入探究，從基因表達、蛋白質(zhì)及細胞代謝等方面繼續(xù)完善超高壓冷凍殺菌機理。

3 存在的問題及展望

HPF的一個主要缺點是初始投資成本高，再加上批量生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量有限，導(dǎo)致其在冷凍食品工業(yè)中的應(yīng)用有限。在高壓低溫環(huán)境操作需要一種特殊的高壓設(shè)備，可以通過恒溫器和冷凍夾套系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度，以及特殊的傳壓介質(zhì)，以達到不同的相變條件[43]。雖然該裝置能滿足壓力、溫度控制的要求，但對裝置的嚴格要求使其難以進行大規(guī)模操作；此外，這種小容器限制了加工食品樣品的能力。壓力傳遞介質(zhì)如乙醇和硅油的使用也增加了試驗成本[44]。另外，食品的相圖是設(shè)計PSF工藝的基礎(chǔ)，但目前的許多研究都是基于純水的相圖來設(shè)計冷凍路徑。然而，實際的相變點的食物是低于純水的，例如魚肉醬的相變溫度是-26 ℃（低于純水在210 MPa下的-21 ℃）。因此，表征食品的相圖對PSF工藝設(shè)計具有十分重要的意義。然而，食品相圖的研究由于其成分的變化，對設(shè)備的要求更復(fù)雜，難度更大，對真實食品矩陣相圖研究的試驗數(shù)據(jù)仍然缺乏[45]。

近年來，高壓冷凍被廣泛應(yīng)用于電子顯微鏡，來揭示難以保存的病毒和細胞結(jié)構(gòu)[46]。HPF冷凍固定特別適合于電子層析成像，或許可以為HPF技術(shù)開辟除了冷凍食品應(yīng)用以外的新思路、新領(lǐng)域。

4 結(jié)語

研究團隊在新型食品包裝材料γ-聚谷氨酸的酯化改性及降解、超高壓保鮮包裝材料、超高壓殺菌、超高壓脫殼方面都有較為深入到研究，其中已經(jīng)從超高壓下菌類細胞壁的破裂機理著手對超高壓殺菌機制進行分析研究，并且從界面力學(xué)的角度對扇貝超高壓脫殼進行閉殼肌與貝殼之間力學(xué)模型的建立，模擬結(jié)果與參數(shù)優(yōu)化結(jié)果較為一致，為超高壓脫殼領(lǐng)域的發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)[47-49]。

為了更好地理解HPF過程中所涉及的生物和物理現(xiàn)象，還需要進行更多的研究。工業(yè)應(yīng)用應(yīng)由這些過程的合理建模研究、熱物理性質(zhì)測量和實際食品質(zhì)量改進的良好控制優(yōu)化來推動。趕超先進的國際市場，提高我國冷凍食品產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，滿足消費者對安全、健康、少添加劑的新型冷凍食品的需求。