水果速凍和解凍新技術(shù)研究進(jìn)展

魏思宇，陳 芳，朱雨辰

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心 北京 100089）

我國水果資源豐富，是全球最大的水果生產(chǎn)國[1]。據(jù)統(tǒng)計，2020 年我國水果產(chǎn)量達(dá)28 692.4 萬t，出口額高達(dá)21.7 億美元，且呈現(xiàn)持續(xù)上漲的趨勢[2]。水果出口成為農(nóng)民增加收入的重要途徑。水果含有豐富的水分，占鮮果質(zhì)量的60%～95%[3-4]。其在運輸和貯存的過程中，極易發(fā)生萎蔫、腐爛、變質(zhì)，失去食用價值。冷凍是常用的水果保存方式，能延長水果的保藏期，保留水果的汁液和可溶性營養(yǎng)物，可全年不間斷地為果汁、果醬、水果罐頭等水果加工產(chǎn)品提供原料[5-7]。

雖然冷凍可以延長保藏期，但是由于新鮮水果中自由水含量高，直接冷凍容易形成大冰晶，損傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)，造成冷凍水果的品質(zhì)下降。滲透脫水預(yù)處理技術(shù)是常用的冷凍前保護(hù)措施，通過滲透壓差，除去水果中部分自由水。一方面可以減小冷凍時形成冰晶的數(shù)量和體積，起到保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的作用[8]。另一方面，還有助于增加水果硬度，改善水果的外觀和口感，減少水果解凍時的汁液損失[9]。目前，已應(yīng)用于芒果[10]、荔枝[11]、草莓[12]、獼猴桃[12]、蘋果[13]、櫻桃[8]等多種水果的冷凍保護(hù)。

水果中的自由水在細(xì)胞內(nèi)的冷凍經(jīng)過兩個過程：晶核形成和冰晶生長。在緩慢冷凍過程中，冰晶先在細(xì)胞外形成，同時細(xì)胞內(nèi)的自由水往細(xì)胞外擴(kuò)散，冰晶在細(xì)胞外生長變大[14]。大冰晶會對細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的機械損傷[14-15]，破壞細(xì)胞壁、細(xì)胞膜的微觀結(jié)構(gòu)，增加酶促褐變的發(fā)生，使水果的色澤發(fā)生不可逆的黑化或者變黃，同時還會導(dǎo)致解凍后水果硬度下降、質(zhì)地變軟，大量營養(yǎng)物隨汁液流失[16]。速凍技術(shù)通過加快熱量傳遞，提高冷凍速率，減少水分遷移，使自由水在原有位置形成細(xì)小而均勻的冰晶，對細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞小。在解凍后水果易于恢復(fù)原樣，維生素C、總酚和總花青素等營養(yǎng)物質(zhì)損失小[17]。

解凍是冷凍的逆過程。溫度回升過程中，酶促褐變相關(guān)酶逐漸從低溫狀態(tài)恢復(fù)活性，且微生物活動也逐漸增強。目前，企業(yè)大多使用慢速解凍方法，如空氣自然解凍、靜水解凍、流水解凍等。這類解凍方法速率慢、耗時長，容易使水果在解凍過程中發(fā)生氧化褐變，增加被微生物污染的風(fēng)險[18]。研究表明，溫度每升高5 ℉，大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的速率加快20%～35%，某些惡化反應(yīng)的速率甚至可能增加1～4 倍[19]。提高解凍效率，有助于減少劣變反應(yīng)的發(fā)生?，F(xiàn)階段，已有高壓輔助解凍技術(shù)、超聲波輔助解凍技術(shù)、微波輔助解凍技術(shù)、脈沖電場解凍技術(shù)等多種新技術(shù)應(yīng)用于水果解凍，旨在提升解凍效率，提高水果品質(zhì)，使其盡可能恢復(fù)到凍結(jié)前的狀態(tài)。

本文從原理、應(yīng)用和優(yōu)、缺點3 個角度，綜述滲透脫水預(yù)處理、高壓輔助技術(shù)、超聲輔助技術(shù)、脈沖電場技術(shù)、微波輔助技術(shù)、磁場輔助技術(shù)在水果速凍和解凍中的應(yīng)用，以期為水果速凍和解凍過程的優(yōu)化提供新的思路。

1 滲透脫水預(yù)處理

水果冷凍及解凍過程中，冰晶對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損傷以及褐變酶的作用，容易使水果發(fā)生褐變，引起顏色改變。漂燙[20]和護(hù)色劑[21]等預(yù)處理是果蔬中常用的預(yù)保護(hù)措施。漂燙雖能有效抑制多酚氧化酶和過氧化物酶活性，減少褐變發(fā)生，但容易使水果質(zhì)地軟化[22]。二氧化硫是常用的護(hù)色劑，其護(hù)色效果雖好，但容易殘留危害消費者的健康[21]。滲透脫水技術(shù)是近年來使用較多的一種預(yù)保護(hù)措施，借助高滲溶液和水果之間的滲透壓差，使水果失去水分，增加可溶性固形物含量。利用滲透壓差，自由水從水果中流出，滲透液中的溶質(zhì)進(jìn)入水果。一方面，新鮮水果內(nèi)部的水分含量降低，冷凍時冰晶的數(shù)量和體積隨之減小，減緩冰晶對水果結(jié)構(gòu)的損傷[9]。另一方面，滲透劑的進(jìn)入使水果的糖濃度增高，味道更甜，同時還能增加水果硬度、保護(hù)色澤、減少抗壞血酸和總酚等生物活性物質(zhì)的損失[22-23]。

滲透脫水效果受到脫水時間、滲透液濃度、水果和滲透劑種類等多種因素影響。研究表明，滲透失水過程主要發(fā)生在前2 h[24]，滲透液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時，水果硬度保持良好[13]。Marani 等[24]發(fā)現(xiàn)在同一滲透液中，草莓、獼猴桃、梨和蘋果的脫水速率依次增加；在相同濃度下，大分子糖的脫水效果更好，而小分子糖的增固效果更好[24]。滲透劑的選擇不僅影響脫水速率，還直接關(guān)系到水果的感官品質(zhì)。在水果滲透脫水過程中，最常用的脫水劑是糖，如蔗糖、麥芽糖、果糖、蜂蜜等（表1）。Konopacka 等[8]研究不同滲透劑對水果感官評價的影響，結(jié)果顯示：蔗糖、轉(zhuǎn)化糖（等量葡萄糖和果糖的混合物）和去酸果汁處理后的水果富有甜味，消費者接受程度更高；濃縮蘋果汁處理后水果的酸度增加；低聚果糖使水果的脆度增加；半乳糖山梨醇和山梨醇等多元醇雖然能增加水果的硬度，但消費者接受程度低，不適合用于水果的滲透脫水。

表1 常用滲透劑種類及特征Table 1 Types and characteristics of commonly used osmotic solutes

相比于漂燙和護(hù)色劑處理，滲透脫水具有顯著的優(yōu)勢。首先，滲透脫水過程不發(fā)生相變，對水果結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響較??；其次，水分含量減少使得冷凍時間縮短，效率提高；再者，由于重量減輕，與冷凍、包裝、配送和存儲相關(guān)的成本降低。值得注意的是，長時間的滲透處理，容易造成水果中的營養(yǎng)成分滲出，細(xì)胞持水能力下降，組織孔隙率變化等不利影響。因此，最近的研究轉(zhuǎn)向了將滲透脫水和超聲、脈沖電場、高壓等新技術(shù)聯(lián)合使用[25-27]，以增加滲透脫水的速率，縮短時間，保障水果品質(zhì)。未來的研究應(yīng)更深入探究提高滲透脫水速率的方法，如尋找更有效的滲透劑、更高效的輔助滲透措施。此外，除了顏色、硬度、脫水和傳質(zhì)速率等基礎(chǔ)指標(biāo)之外，應(yīng)更全面地考察脫水過程對細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)、組織表面孔隙率、冷凍結(jié)晶過程和營養(yǎng)物溶出率等方面的影響。

2 速凍新技術(shù)

現(xiàn)階段，應(yīng)用于水果冷凍過程的新技術(shù)主要有高壓輔助冷凍技術(shù)、超聲輔助冷凍技術(shù)、脈沖電場冷凍技術(shù)和磁場輔助冷凍技術(shù)，表2 簡單概述了每種技術(shù)的原理，優(yōu)、缺點和應(yīng)用。與傳統(tǒng)的冷凍技術(shù)相比，這些新技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1）減小冰晶體積，提高冷凍速率；2）保留冷凍水果在硬度、風(fēng)味、滋味、營養(yǎng)物含量等方面的理化特性；3）抑制褐變酶活性，減少氧化褐變。

表2 水果速凍新技術(shù)Table 2 New techniques of fruit freezing

2.1 高壓輔助冷凍技術(shù)

高壓輔助冷凍技術(shù)是一種通過壓力改變冰晶的形成路徑和特性，減小形成冰晶體積的速凍技術(shù)。不同壓力和溫度下形成的冰相類型如圖1 所示[34]。常壓下，水結(jié)冰生成冰相I（密度0.92 g/cm3），體積膨脹易導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂。高壓環(huán)境下，冰相I 會向冰相III～VI 轉(zhuǎn)變（冰相VI 密度1.31 g/cm3），此時形成冰晶的體積較小，冰晶對細(xì)胞的傷害也較小[35]，解凍時發(fā)生滴水損失和氧化褐變的概率降低。現(xiàn)有研究表明，和鼓風(fēng)冷凍、浸泡冷凍等傳統(tǒng)冷凍技術(shù)相比，高壓輔助冷凍可以更好地保護(hù)細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)[36-38]。施加200 MPa 的高壓后，不僅能加速冰晶形成，提高冷凍效率，還能較好地維持水果的原有結(jié)構(gòu)，最大程度保留其中的營養(yǎng)物質(zhì)[38]。

圖1 高壓下形成的冰相類型[34]Fig. 1 Ice phase types under high pressure[34]

高壓不僅會改變冷凍時形成冰晶的大小，還會改變酶活性。多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）是常見的與水果品質(zhì)密切相關(guān)的內(nèi)源性酶，PPO 會導(dǎo)致水果中的多酚發(fā)生氧化褐變，影響水果的感官品質(zhì)[39]。高壓對酶活的改變，存在增強和抑制2 種狀態(tài)。300 MPa 是活化PPO 的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，0.1～200 MPa 的低壓條件，不會顯著改變PPO的活性；當(dāng)壓力達(dá)到300 MPa 時，高壓會誘導(dǎo)PPO活性增強，-20 ℃的低溫條件可以減緩高壓誘導(dǎo)的PPO 活性增強[40]。不 過，在Sulaiman 等[39]的報道中，600 MPa 的高壓處理5 min 可以使草莓中PPO失活率達(dá)35%，持續(xù)處理15 min 后失活率高達(dá)82%。高壓輔助冷凍時，除壓力和低溫條件會影響PPO 的活性外，水果的狀態(tài)也是重要的影響因素。在相同條件下冷凍30 d，果泥中PPO 活性增加為冷凍前的2 倍，而整果中PPO 活性下降為冷凍前的73%[39]。

目前，高壓輔助冷凍技術(shù)通常是先用高壓處理再速凍，借助壓力抑制樣品中微生物的活動和褐變酶的活性，延長水果的保質(zhì)期?，F(xiàn)階段還較難實現(xiàn)高壓和冷凍的同步。首先，在0 ℃以下運行高壓設(shè)備，需要使用特殊鋼材和合適的壓力傳輸流體[41]。其次，還需要精確的監(jiān)控，提高設(shè)備運行的質(zhì)量和穩(wěn)定性。此外，超高壓要求完全密封的環(huán)境，目前只能實現(xiàn)壓力實時監(jiān)測，難以監(jiān)測樣品中心的溫度數(shù)據(jù)，高壓過程中的傳熱、傳質(zhì)研究成為一大難題。因此，后續(xù)研究的重點應(yīng)放在超高壓設(shè)備的研制，降低設(shè)備成本和能耗，以及其輔助冷凍的動力學(xué)研究上。

2.2 超聲輔助冷凍技術(shù)

超聲波一般指頻率高于20 kHz 的聲波。超聲輔助冷凍是一種利用低頻超聲波，產(chǎn)生空化效應(yīng)，促進(jìn)冰核形成的速凍技術(shù)。超聲波傳播的過程中會形成空化氣泡，氣泡破裂時會產(chǎn)生極端高壓，達(dá)100 MPa[42]。這種壓力不僅可以誘導(dǎo)沒有形成晶核的溶液初步成核，還能將已成核的冰晶打碎為更細(xì)小的部分[43]（如圖2）。沒有破裂的空化氣泡，則會形成一股連續(xù)的微流，加速水果和外界環(huán)境之間的熱量交換，提高冷凍速率[44]。研究發(fā)現(xiàn)，0.078 W/cm2的超聲處理后，蘋果、梨和哈密瓜的冷凍相變時間分別縮短至21.67，21.33 s 和16.67 s，冷凍總時間分別縮短了21.72%，29.15%和44.39%[45]。在草莓中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，相比于直接冷凍的方法，超聲輔助冷凍所需時間更短[46]。在超聲處理的過程中注入二氧化碳，可以顯著降低冷凍時間和冰晶尺寸。二氧化碳和超聲聯(lián)合處理的樣品失水量顯著低于僅超聲處理的樣品，且聯(lián)合處理后樣品的質(zhì)地性能也更高[47]。除了促進(jìn)冰核形成，提高冷凍速率外，相比于傳統(tǒng)的冷凍方法，超聲處理能更好地保留速凍水果的理化特性[48-49]。Fan 等[50]采用滲透脫水和240 W 的超聲聯(lián)合處理獼猴桃，發(fā)現(xiàn)不僅能節(jié)約60%以上的冷凍時間，還能使獼猴桃的滴水損失減少近50%，硬度增加近1.5 倍，抗壞血酸含量和風(fēng)味的保留效果好。不僅如此，獼猴桃的口感也得到顯著改善，酸味減弱，甜味增加。另外有研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助冷凍還具有抑制多酚氧化酶和過氧化物酶活性的潛力[51]，不過在水果中的研究還較為少見。超聲的參數(shù)條件對冷凍效率有顯著影響。一般來說，超聲強度越高，冷凍效率越高。然而，隨著超聲強度的增加，引起的熱效應(yīng)也增加，不利于冷凍。此外，超聲波的特性使得該技術(shù)更適用于結(jié)構(gòu)致密的水果，因為樣品組織中的空洞會減弱超聲波在傳播過程中的有效性[52]。因此，未來的工作應(yīng)該考慮對不同類型的水果進(jìn)行工藝優(yōu)化，以達(dá)到超聲強度和產(chǎn)生的熱效應(yīng)之間的平衡。

圖2 超聲輔助冷凍的原理[43]Fig. 2 Principle of ultrasound assisted freezing[43]

2.3 脈沖電場冷凍技術(shù)

脈沖電場是一種使細(xì)胞膜發(fā)生電穿孔，增加其通透性，從而加速冷凍過程的技術(shù)。Wiktor 等[53]發(fā)現(xiàn)脈沖電場處理可以使蘋果冷凍的相變過程縮短33%，總凍結(jié)時間減少3.5%～17.2%。脈沖電場增加細(xì)胞膜通透性，縮短冷凍時間的同時，也會伴隨水果硬度下降、顏色改變等問題。對此，有學(xué)者提出加入冷凍保護(hù)劑，可以緩解細(xì)胞膜在冷凍過程中的損傷，提高冷凍效率的同時，保護(hù)水果的質(zhì)地和顏色。Parniakov 等[54]發(fā)現(xiàn)，蘋果經(jīng)800 V/cm的脈沖電場處理后，再浸入冷凍保護(hù)液（甘油溶液，20%），可以顯著改善蘋果的凍融過程，提升蘋果硬度。在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過850 V/cm 的脈沖電場處理后，浸入冷凍保護(hù)劑（12%海藻糖和0.2%含抗凍蛋白的冬小麥提取物），草莓表皮層細(xì)胞的存活率升高，且顏色（紅色）保留率提高了30%[55]。這可能是因為脈沖電場處理增加了細(xì)胞膜的通透性，促進(jìn)了冷凍保護(hù)劑的滲透，提高了冷凍保護(hù)效果。不過，脈沖電場技術(shù)對細(xì)胞膜的損傷是不可忽視的問題。不可逆性電穿孔會導(dǎo)致細(xì)胞膜永久性損傷，造成細(xì)胞死亡。有研究報道，在200 V/cm 的脈沖電場作用下，草莓會發(fā)生不可逆電穿孔，導(dǎo)致細(xì)胞活力完全喪失[12]。隨著脈沖電場處理強度的增加，細(xì)胞解體指數(shù)從0.2 提高到0.6，多酚和花青素的釋放量分別增加至8.0%和8.3%[56]。因此，要選擇合適的電場強度和持續(xù)時間，盡量減小脈沖電場對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞。此外，在選擇冷凍保護(hù)劑時，除了考慮水果的安全性，還應(yīng)充分考察其對水果風(fēng)味和滋味產(chǎn)生的影響。

2.4 磁場輔助冷凍技術(shù)

磁場輔助冷凍技術(shù)是一種通過磁場作用于水分子，使其核外電子和原子核的自旋沿外部磁場方向排列，實現(xiàn)水果快速冷凍的技術(shù)。施加磁場后，水的導(dǎo)熱系數(shù)增加，冷空氣迅速從表面?zhèn)髦潦称穬?nèi)部。同時，氫核的振動消除了水結(jié)冰過程中的潛熱釋放，增加了水果的過冷程度（最低不結(jié)晶溫度），縮短了水結(jié)冰的相變區(qū)間[57]（如圖3），讓水果在短時間內(nèi)實現(xiàn)快速且均勻的冷卻。此外，水分子的化學(xué)鍵會受到磁場影響，發(fā)生斷裂，變成體積更小的冰晶[57-59]。食品加工中普遍使用電磁線圈制造磁場，并根據(jù)冷凍要求調(diào)節(jié)電流大小改變磁場強度。磁場對冰晶的作用具有兩面性：抑制成核和加速結(jié)晶。研究發(fā)現(xiàn)，在-11 ℃的過冷水中，50 mT 的低強度振蕩磁場抑制冰成核，超過100 mT 的磁場強度則會導(dǎo)致結(jié)冰[60]。低強度磁場可以提高水果的過冷程度，抑制冰的成核，從根本上避免冰晶對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞。韓馨儀等[61]發(fā)現(xiàn)，磁場處理可以有效降低葡萄的相變潛熱和結(jié)晶溫度，經(jīng)磁感應(yīng)強度4 mT，頻率80 Hz 的磁場處理后，葡萄的過冷度提高4.8 ℃，減緩凍害的發(fā)生。經(jīng)過磁場處理的鮮切菠蘿，在-7 ℃左右的過冷狀態(tài)下，保質(zhì)期可延長至14 d，且在微觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量損失和顏色變化等方面與新鮮菠蘿差異不大[62]。當(dāng)環(huán)境溫度降低時，由于自由水長期處于過冷狀態(tài)，溫度均勻性高，冰晶的形成速率加快[63]。磁場類型和磁場強度是影響冰晶形成的兩大重要因素。對于磁場類型而言，研究發(fā)現(xiàn)施加交變磁場后，冷凍相變時間增加，總凍結(jié)時間延長；而永磁磁場相變時間的變化和磁場強度有關(guān)，在10 mT 的磁場下，相變時間最短[64]。對于磁場強度而言，當(dāng)交變磁場強度為1.26 mT時，冰晶的平均尺寸可減小78%，磁場強度增加時，冰晶存在變大的趨勢[64]。除影響冰晶形成外，磁場還會影響水果的成熟度。在一項研究中發(fā)現(xiàn)，磁場的應(yīng)用會降低番茄在成熟過程中的呼吸速率，減少番茄中的酸含量，增加還原糖和胡蘿卜素含量[65]。

圖3 磁場輔助冷凍原理[56]Fig. 3 Principle of magnetic field assisted freezing[56]

現(xiàn)階段，磁場輔助冷凍技術(shù)在葡萄[61]、菠蘿[62]、櫻桃[64]、藍(lán)莓[66]、芒果[67]、哈密瓜[68]等多種水果中有廣泛應(yīng)用。該技術(shù)具有對細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞小、對水果原有特性保護(hù)好、成本較低等優(yōu)點。然而，電磁線圈與交變磁場產(chǎn)生的熱效應(yīng)，會不利于水果的凍結(jié)[66]。因此，需要謹(jǐn)慎選擇磁場強度，并保證外加磁場清潔無污染。另外，離開外磁場后，水果中的磁場效應(yīng)是否保留，是否需要在冷凍儲存過程中繼續(xù)施加磁場，還需要更多的研究驗證，以保證該技術(shù)在水果冷凍保鮮中的應(yīng)用效果。

3 解凍新技術(shù)

目前，應(yīng)用于水果解凍過程的新技術(shù)主要有高壓輔助解凍技術(shù)、超聲輔助解凍技術(shù)、脈沖電場解凍技術(shù)和微波輔助解凍技術(shù)，表3 簡單概述了每種技術(shù)提高解凍速率的原理，優(yōu)、缺點和應(yīng)用的水果類型。和傳統(tǒng)的解凍技術(shù)相比，這些新技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1）提高解凍速率，減少解凍時間；2）改善水果解凍過程中硬度下降，滴水損失嚴(yán)重，風(fēng)味惡化，營養(yǎng)物含量減少等品質(zhì)問題；3）抑制褐變酶活性，減少顏色劣變；4）抑制微生物活動，杜絕微生物污染。

表3 水果解凍新技術(shù)Table 3 New techniques of fruit thawing

3.1 高壓輔助解凍技術(shù)

高壓輔助解凍是一種通過降低自由水的相變溫度，加快熱量傳遞的快速解凍技術(shù)。在210 MPa的高壓下，水的相變溫度降至-21 ℃，樣品和熱源之間的溫度差增大，熱量傳遞速率加快，解凍過程加速完成[69]（圖4）。早在1996 年高壓輔助解凍技術(shù)就被應(yīng)用于草莓的解凍[70]。和傳統(tǒng)的解凍方法相比，該技術(shù)在節(jié)約解凍時間上具有顯著優(yōu)勢。Ben Haj Said 等[71]發(fā)現(xiàn)對蘋果施加0.2 MPa 的壓力后，解凍時間從588 min 減少到42 min，汁液損失率從12%減少至1.6%。Peng 等[72]對比室溫空氣解凍和高壓輔助解凍時，發(fā)現(xiàn)施加100 MPa 的壓力后，芒果的解凍時間由28 min 減少至不到1 min。除提高解凍效率外，高壓處理還能有效阻止微生物污染。在300 MPa/15 min、400 MPa/5 min、500 MPa/2.5 min 和600 MPa/1 min 的高壓處理條件下，可以完全殺滅芒果漿中的酵母、霉菌和需氧細(xì)菌[73]。在400 MPa 的壓力下持續(xù)處理5 min，柿子的酵母和霉菌數(shù)量減少，貨架期延長[74]。然而，高壓處理對酶的抑制作用還需要進(jìn)一步探究。有研究指出，在600 MPa 的壓力下保持5 min，當(dāng)草莓中心溫度從34 ℃升高到71 ℃時，PPO 殘余活性降低到9%[40]；在常壓下直接70 ℃處理5 min，草莓中PPO 殘余活性幾乎為0。在高壓處理伴隨溫度升高的過程中，究竟是壓力因素還是熱處理因素，對PPO 酶活性影響更大，還需要更多的試驗驗證。若熱處理因素占主導(dǎo)，那么采用溫和熱處理代替高壓，抑制水果中褐變酶的活性，是一種更高效且經(jīng)濟(jì)的手段。

圖4 高壓輔助解凍的原理[69]Fig. 4 Principle of high pressure assisted thawing[69]

圖5 超聲輔助解凍的原理[77]Fig. 5 Principle of ultrasound assisted thawing[77]

研究發(fā)現(xiàn)，高壓輔助解凍技術(shù)不適用于孔隙度高、結(jié)構(gòu)易被破壞的水果，如草莓[9]、藍(lán)莓[75]等。在高壓解凍草莓[9]、芒果[72]和哈密瓜[76]等水果的報道中均發(fā)現(xiàn)，直接輔以高壓容易破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，引起嚴(yán)重的滴水損失，且伴隨維生素C 等營養(yǎng)物含量下降和水果顏色劣變。對此，有研究指出在冷凍之前增加滲透脫水前處理，可以有效改善水果硬度下降的問題。Konyole 等[77]在冷凍前用果膠甲酯酶和氯化鈣溶液浸泡草莓，再采用200 MPa 的高壓輔助解凍后，草莓的硬度比常規(guī)解凍組高1/3。另外，該技術(shù)的設(shè)備成本和能源成本較高，使其在應(yīng)用時受限于高附加值的水果，難以在多種水果中推廣。

3.2 超聲輔助解凍技術(shù)

超聲輔助解凍是一種通過縮短冰點的相變時間，實現(xiàn)快速解凍的技術(shù)。通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率與強度，可以將超聲波衰減產(chǎn)生的熱效應(yīng)穩(wěn)定在冰點附近，避免解凍組織內(nèi)部產(chǎn)生局部高溫，實現(xiàn)快速而穩(wěn)定的解凍[78]。對于含有蠟涂層的水果，如藍(lán)莓[79]，超聲處理可以增加細(xì)胞膜表面的孔隙率，促進(jìn)熱量傳遞，且不會破壞細(xì)胞膜的完整性。研究顯示，超聲輔助解凍技術(shù)的相變時間僅為浸水解凍的一半，總解凍時間約是浸水解凍的55%[80]。在營養(yǎng)成分保留上，超聲輔助解凍也具有顯著優(yōu)勢。比較微波解凍、水浴解凍、空氣解凍和超聲波解凍4 種方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波解凍對草莓中的花色苷破壞作用最小[81]。不僅如此，超聲處理還能增強芒果汁的抗氧化活性，在感官評價中更受青睞[82]。超聲解凍時將水果浸漬在糖溶液中，能更好地保留水果中的營養(yǎng)成分。以花青素和總固體含量為評價指標(biāo)，對比超聲輔助水浸解凍和超聲輔助糖浸解凍藍(lán)莓中的營養(yǎng)成分，發(fā)現(xiàn)糖浸組的藍(lán)莓花青素含量和總固體含量更高，且在感官評價中消費者接受度呈現(xiàn)增加趨勢。超聲強度是超聲輔助解凍技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。Liu 等[83]研究了不同超聲強度下解凍芒果的感官和營養(yǎng)特性，發(fā)現(xiàn)隨著超聲強度從0.074 W/mL 增加到0.123 W/mL，解凍時間比靜水解凍減少了16%～64%，且超聲處理使沒食子酸、羥基苯甲酸和咖啡酸等酚酸含量增加。然而，過高的超聲強度（0.123 W/mL）容易使芒果的黏度增加，茴香醇、壬醛、葎烯、二甲基硫和甲苯等不利于芒果風(fēng)味的揮發(fā)性成分含量增加，導(dǎo)致芒果發(fā)生質(zhì)地劣變和香氣惡化。這可能是因為超聲過程容易產(chǎn)生溶解氧和自由基，再加上產(chǎn)生的熱效應(yīng)，容易使水果中的營養(yǎng)物氧化劣變。因此，在應(yīng)用超聲輔助解凍水果時，應(yīng)針對不同種類的水果優(yōu)化超聲波的強度和頻率。一方面可以避免水果品質(zhì)發(fā)生劣變，另一方面也能防止超聲波強度較高，頻率較低（<100 kHz），難以通過水果傳輸[84]。

3.3 脈沖電場解凍技術(shù)

脈沖電場解凍技術(shù)是一種利用電場增加細(xì)胞膜通透性，從而加快熱量傳遞的快速解凍技術(shù)。脈沖電場處理可以使蘋果的總解凍時間縮短71.5%，且經(jīng)過10 次3 000 V/cm 脈沖處理后蘋果的汁液損失率僅1.6%，顯著低于空氣自然解凍的樣品[53]。不僅如此，脈沖電場技術(shù)還能有效殺滅水果中的微生物，滅菌所需時間僅0.75 ms[85]。高強度脈沖電場（35 kV/cm，1.7 ms）與抗菌劑聯(lián)合作用，能使西瓜中大腸埃希菌O157：H7、腸炎沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌均減少5 個以上的對數(shù)循環(huán)[86]。此外，脈沖電場處理還有改變酶活性的潛力。在電場強度30 kV/cm、脈沖頻率600 Hz 的條件下處理5 ms，葡萄汁中PPO 失活率可達(dá)100%[87]。PPO 活性受電場強度、脈沖頻率、脈沖寬度和處理時間等因素影響，其中，處理時間影響最大，脈沖寬度影響最小[87]。脈沖電場技術(shù)對細(xì)胞膜的破壞，決定了該技術(shù)不適合用于整果解凍，更適合用于果汁、果醬等液體樣品的解凍。雖然脈沖電場技術(shù)在提高解凍效率、減少微生物數(shù)量和抑制酶活性方面具有優(yōu)勢，但要確保施加的電場強度和持續(xù)時間不會過度，對細(xì)胞造成不可逆損傷。

3.4 微波輔助解凍技術(shù)

微波輔助解凍技術(shù)是一種利用微波的穿透性，使水果中的水分子劇烈運動產(chǎn)生大量熱能的快速解凍技術(shù)[88]。在藍(lán)莓[89]、芒果[90]、荔枝[91]、哈密瓜[92]、樹莓[93]、桑葚[94]、草莓[95]、蘋果[96]等多種水果中有廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)階段應(yīng)用最多的水果解凍新技術(shù)（表4）。500 W 是微波輔助解凍最常用的功率[89，92，97]。Liu 等[98]的研究表明，和傳統(tǒng)的解凍方法相比，微波解凍的速率更快、所需時間更短。比較室溫解凍、流水解凍、微波解凍和高壓解凍4 種解凍方式，發(fā)現(xiàn)微波和高壓解凍時間比傳統(tǒng)解凍方法短，而高壓解凍水果容易造成嚴(yán)重的滴水損失，微波解凍對水果質(zhì)地、顏色和營養(yǎng)成分的影響與功率有關(guān)。Wen 等[92]研究了微波解凍功率對哈密瓜的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)微波解凍功率為500 W時，抗壞血酸的保留效果最好；增加到700 W 時，雖可以減少水果在解凍時發(fā)生的滴水損失、組織損傷和氧化褐變，但抗壞血酸損失嚴(yán)重。微波解凍藍(lán)莓的pH 值、可溶性固形物和可滴定酸含量與新鮮藍(lán)莓差異不顯著，且對花色苷的保留效果好，單體花色苷檢出數(shù)量多、總花色苷含量高[89]。簡言之，該技術(shù)所需的設(shè)備成本相對較低，操作簡單方便，解凍速率快，對水果的質(zhì)地、顏色、營養(yǎng)成分保留好，可推廣性強。不過，水比冰更易吸收微波能，在解凍時容易出現(xiàn)局部過熱[88]，導(dǎo)致水果糊化。因此，要控制微波的頻率、功率、流量和加熱時間等，避免局部過熱現(xiàn)象發(fā)生。此外，水果自身特性也會影響微波輔助解凍的效果，體積較大且耐熱性差的水果不適用于微波解凍。

表4 微波輔助解凍技術(shù)在水果中的應(yīng)用Table 4 Application of microwave assisted thawing techniques in fruits

4 討論與展望

速凍和解凍新技術(shù)的應(yīng)用，有助于減小冷凍對水果細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損傷，減少解凍過程的滴水損失、酶促褐變和微生物污染，從而起到保持水果硬度、色澤、風(fēng)味和營養(yǎng)成分的作用。雖然新技術(shù)的應(yīng)用已取得較大進(jìn)展，但仍然存在幾點不足。

其一，基礎(chǔ)理論研究還有待完善。在冷凍過程中，冷凍傳熱和冰晶成核生長的模型還未建立。冰晶除了會影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)外，還會對微生物種類和數(shù)量、酶空間構(gòu)象和生物活性、水果的質(zhì)構(gòu)和組織纖維化等產(chǎn)生影響。其次，新技術(shù)作用的持續(xù)性還有待考量，在撤除外力作用（高壓、磁場、脈沖電場等）后，對冰晶產(chǎn)生的作用效果是否依然存在，還需進(jìn)一步研究。另外，在復(fù)雜的食品體系中，水是以不同形式存在的，如生物大分子中的結(jié)合水，細(xì)胞膜上的吸附水，離子周圍的集聚水等。這些束縛水的性質(zhì)與自由水區(qū)別很大，在冷凍和解凍過程中的變化規(guī)律也與自由水存在差異。就目前工作而言，束縛水的熱物理性質(zhì)還不能直接測出，也很難通過模型計算獲得，因而也制約了水傳熱過程的研究。再者，新技術(shù)帶來的熱效應(yīng)也是不容忽視的問題。然而，如何評估這個熱效應(yīng)，并且綜合考量其對冷凍和解凍過程的影響，目前還尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的報道。

其二，不同技術(shù)協(xié)同組合的研究還有待開展。每種新技術(shù)雖都具備不可替代的優(yōu)勢，但同時也有難以避免的缺陷。對于水分含量過高，且硬度較低的水果，如漿果類，單獨使用高壓輔助技術(shù)，會導(dǎo)致水果硬度明顯下降。在結(jié)合滲透脫水技術(shù)后，二者協(xié)同作用，不僅能除去水果中部分自由水，提高速凍和解凍效率，還能有效增加水果的硬度和耐壓性，保持水果結(jié)構(gòu)的完整性。單獨使用脈沖電場技術(shù)容易使細(xì)胞發(fā)生電穿孔，引起不可逆損傷。在加入冷凍保護(hù)劑后，脈沖電場能促進(jìn)保護(hù)劑的均勻分布和細(xì)胞吸收，增強保護(hù)劑對水果的保護(hù)作用。此外，現(xiàn)階段的研究存在一定的割裂性，單獨研究滲透脫水、速凍和解凍新技術(shù)，而實際上冷凍前處理-冷凍-解凍是一個連續(xù)的過程，不同處理會協(xié)同影響水果的品質(zhì)。要獲得適合工業(yè)化生產(chǎn)的最優(yōu)水果品質(zhì)，需要開展全過程研究。

其三，冷凍產(chǎn)業(yè)鏈還處于斷鏈階段，尚未發(fā)展形成完整閉環(huán)。冷凍食品的質(zhì)量優(yōu)化并不局限于冷凍技術(shù)這一環(huán)節(jié)，冷凍保護(hù)劑的選擇與使用、設(shè)備的研制與改進(jìn)、與設(shè)備或冷凍條件配套的包裝材料、冷鏈運輸與儲存、解凍過程的品質(zhì)控制等，均是影響冷凍食品品質(zhì)的關(guān)鍵因素。此外，新技術(shù)的設(shè)備成本普遍較高，限制了其在實際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。冷凍工業(yè)是食品行業(yè)的重要支柱，在水果、蔬菜、肉類、水產(chǎn)品等食品中均有涉及。優(yōu)化冷鏈的每一環(huán)節(jié)，保證冷凍食品的安全性和營養(yǎng)價值，降低冷凍投入的成本，是實際應(yīng)用的重要前提。