食品冷冻技术研究现状及进展

CHINA FOOD SAFETY

177食品科技

冷冻是一种利用接近或低于冰点的温度处理食品，以达到改善其加工或保藏特性的食品加工方法。食品冷冻历史悠久，最早可追溯至史前时期，人们在那时就已经开始利用山洞、泉水以及天然冰对食物进行冷冻处理。而现代食品冷冻技术则最早出现在19世纪后半叶的美国，机械制冷系统的迅速发展，使冷冻食品的产业化、现代化成为可能[1-2]。根据处理采用的温度不同，食品冷冻技术可以分为食品冷却技术和食品冻结技术两类，其中食品冷却技术所采用的温度在食品的冰点以上，而食品冻结技术的温度则在食品的冰点以下。这两种方法的处理温度虽然不同，但是其处理过程均为降低温度至适宜水平后再长期保持。由于处理过程中，待处理的食品处在低温条件下，其中催化生化反应的酶的活性下降，水的流动性、溶解性减弱，致使食品中发生的各类生化反应速率减慢，并使大部分微生物的生长受到抑制。此外，冻结过程中产生的冰晶还会改变食品原有的组织结构，同时进一步抑制微生物的生长。因此，对食品进行冷冻处理可以达到延长食品保藏期、改变其加工特性的目的。在食品工业中，常见的食品冷冻方法有：间接接触冷冻法、鼓风冷冻法以及浸渍冷冻法等[3]。这些方法均是通过食品直接与低温介质接触而发生热交换，导致食品的温度降低至所设定的温度，从而实现对食品的冷冻处理，具有设备结构简单、操作简便等优点。然而，这些冷冻方法大多具有耗费时间长，冻结时产生的冰晶大小不易控制以及得到的冷冻食品中的冰晶的体积过大等不足，因而无法适用于某些组织结构较为脆弱的食品的冷冻。近几年，为解决食品冷冻过程中冰晶体积过大、能耗较高等问题，人们进行了深入研究，提出了超声波辅助浸渍冷冻法、食品减压冷冻技术以及冰核细菌冷冻技术等一系列新兴的冷冻技术，并在实践中取得了较为良好的成果。1 食品冷冻新技术原理及应用1.1 超声辅助浸渍冷冻技术直接浸渍冷冻技术是一种在低温条件下将食品或食品原料浸没于以丙二醇、乙醇、食盐以及水为主要成分的载冷剂中，通过食品与载冷剂的热量传递以及食品内部的游离水分与载冷剂中所含溶质间的相互迁移，达到降低食品表面及内部温度的目的的冷冻技术[4]。而超声辅助冷冻技术则是在直接浸渍冷冻技术的基础之上，于冷冻处理过程中对食品物料施加一定强度的超声波以提高冷冻效率的冷冻技术。由于超声波在作用过程中会产生大量空化气泡，这些气泡破裂后，将产生较高的压力并改变水的冻结点，使冷冻食品的过冷度提高，有利于晶核的形成。同时，超声波的作用下产生的微流会对食品中的液态组分产生强烈的搅拌作用，导致食品在冷冻时边界层变薄，改善体系传热、传质能力，提高其冻结速率，防止生成的冰晶体积过大而对食品组织造成损伤。此外，作用于食品以及食品原料的超声波本身具有较高的能量，可以将体积较大的冰晶破坏，并使产生的冰晶碎片分散而形成晶核[5-7]。由于超声波辅助浸渍冷冻技术可以在一定程度上缩短食品物料冷冻所需的时间，并有助于维持冷冻食品的组织结构，因而此技术在食品工业中有着较为广阔的应用前景。ZHANG󰀁M󰀁C等人研究了此方法在不同超声功率下对猪最长肌的冷冻速率及其质量的影响[7]，发现用一定功率的超声波对冷冻的猪肉进行处理，可以显著提高猪最长肌样品的冷冻速率，并改善冷冻后猪肉的品质。而XU󰀁B󰀁G等人研究了利用此项技术对红萝卜微观结构和水分布的影响后认为[8]，此技术也可以应用于红萝卜等植物性食品的冷冻加工中，在缩短加工时间的同时产品的质量也有显著提升。1.2 食品减压冷冻技术减压冷冻技术又称真空冷冻技术，该技术主要由真空冷冻、低温保存以及气调保藏等步骤组成，其主要原理是：将食品在较高的真空度下进行冷冻处理，其中的水分以直接汽化或形成冰晶后升华的方式成为水蒸气，并食品冷冻技术研究现状及进展□ 孙国皓 西北农林科技大学食品科学与工程学院摘 要：冷冻是一种食品加工与贮藏方式，早在公元前便已经被人们所利用。随着现代科学技术的发展，越来越多的新技术被应用于食品冷冻领域。本文对近些年来新出现的食品冷冻技术以及其原理和应用进行介绍，并简要阐述了当今国内外食品冷冻技术的发展趋势，并对我国食品冷冻技术未来的发展做出了展望。关键词：冷冻技术；冰晶；食品加工；食品贮藏178 食品安全导刊 2021年4月Tlogy科技食品科技在真空泵的作用下与周围的空气一同被抽走，导致食品的水分活度降低，氧气、二氧化碳的分压也因空气压力的降低而降低至较低的水平，从而抑制食品物料中大多数需氧微生物的生长与繁殖，同时降低食品物料所发生的各类生化反应的速率，并在很大程度上消除了空气中的氧气以及二氧化碳等气体含量过高而给以畜肉与水产品为代表的食品物料带来的损害[9-10]。减压冷冻过程中食品所处外界环境气压降低，造成食品的含水量易因水分的汽化挥发而下降，因而此技术也常应用于含较多热敏性生物活性物质的食品的脱水干制。冯颖等研究发现[11]，利用真空冷冻技术对切片油桃进行干燥，获得的油桃片产品形状美观、结构完整，且复水性、色泽及维生素C的保留率都优于传统热风干燥产品，同时产品复水后品质也与未经干制处理的新鲜桃片基本相同。此外，闫秋菊等通过对经过减压冷冻处理得到的水蜜桃干的研究发现[12]，利用此技术对水蜜桃进行处理，得到的产品中，某些醛类、醇类或酯类化合物的含量较新鲜水蜜桃更高一些，而在新鲜水蜜桃中存在的26种挥发性风味化合物，水蜜桃干产品中只有18种，这说明利用减压冷冻方法加工某些水果时，产品中的风味成分可能会有部分改变。1.3 冰核细菌冷冻技术冰核细菌冷冻技术是一种通过向食品中添加含冰核细菌的制剂，以达到在较高的温度下形成冰核的技术，此项技术发挥作用的关键便是适宜的冰核细菌的选择。冰核细菌是一类主要生于植物表面、在温度为-5～-2󰀁℃条件下形成异质冰核而促进液态水发生相变而生成冰晶的细菌，由于这些细菌会在食品的冰点以上温度形成由冰核蛋白质、糖类、脂类以及胺类化合物等有机物组成的冰核，导致食品所处的过冷状态被打破，迅速进入冰晶增长阶段，从而使食品在较短时间、较高温度下发生冻结，避免了由于冻结时温度过低而使溶质大量析出造成的溶质损失[13]。冷冻浓缩与干燥保藏是冰核细菌冷冻技术在食品领域中的主要应用。在液态食品冷冻浓缩方面，通过对添加有冰核细菌制剂的蛋清、牛血、多种水果果汁以及酱油与食醋等多种液态发酵食品的实验研究发现，冰核细菌可以改善食品冷冻时形成的冰晶的结构、提高食品冻结点温度并加快冻结进程，因而能够在很大程度上提高浓缩产品的品质[14-16]。而在食品保藏方面，冰核细菌也有着巨大的潜力。陈庆森等通过利用冰核细菌的蛋白碎片对基围虾进行低温半冷冻贮藏[17]，发现基围虾虾体的保存期可以延长至少20󰀁d，而虾体内的各种物质的变化比较缓慢，说明经过冰核细菌处理的基围虾的保鲜效果有较大的提升。1.4 抗冻蛋白应用技术抗冻蛋白是一种对冰晶结构起着制约作用的蛋白质，这种蛋白没有种属特异性，在细菌、真菌以及鱼类等很多生物体中都有分布，不过目前研究最多的是来自鱼类的抗冻蛋白[14,18]。人们经过长期研究发现，抗冻蛋白的加入只会改变体系的结冰过程，而对体系的熔点几乎没有影响[19]。因此，人们会向需要进行冷冻处理的食品体系中额外添加抗冻蛋白，使食品的冻结特性发生变化，以达到便于食品加工或贮藏的目的。在食品冷冻过程中，抗冻蛋白的加入可以改善冷冻食品的品质，例如向牛奶或肉类中按照一定比例加入抗冻蛋白后，产品的冷冻特性会有显著提升[14]。而对于冰淇淋等冷冻甜乳品而言，抗冻蛋白的加入会引起冰晶的形成和再结晶过程特性的变化，改善乳品在静态贮存条件下的稳定性，对冰淇淋的品质有着极为重要的影响[20]。1.5 高压食品冷冻技术高压食品冷冻技术是一种利用外界压力的变化对食品中水的存在形式进行控制的冷冻技术。应用该技术进行处理时，先将食品在较高压力条件下冷却至一定温度，随后在短时间内将所施加的压力迅速解除。由于食品各部位获得了相同的过冷度，使得水分子来不及聚集成大尺寸的冰晶，仅能产生粒度细小的冰晶体并均匀分布于食品中[21]。这些分布分散的晶核将诱导食品中剩余水分形成细小而分散的冰晶体，减少了由于冰晶体体积过大而对食品组织造成的损伤，因而能提高制得的冷冻产品的质量[22]。此外，由于一定的高压能够导致存在于食品中表面及内部的微生物的形态结构、酶活性、生化反应类型、遗传物质稳定性以及细胞质膜完整性等多个方面发生变化，从而影响食品中的微生物的活力，因而利用高压冷冻技术生产出来的食品的保藏性也会有很大程度地提高[23,24]。研究表明，当食品加工过程中施加的压力达到100󰀁MPa时，便可以抑制绝大多数微生物的生长繁殖，达到了食品冷冻的主要目的[22]。因此，利用高压处理食品时，可适当放宽其贮藏流通温度的条件，这极大地降低了由于维持低温环境而带来的成本，具有很多技术经济优势。同时， CHINA FOOD SAFETY

179食品科技该技术的应用也使得在未冻结温度下处理的食品质量与安全性优于常规的冷藏保鲜处理[22-24]。2 结语食品冷冻行业的发展对食品品质、营养和安全等方面有着极为重大的意义。我国拥有着众多的人口，近些年对果蔬、畜禽以及海产等各个种类的食品及其冷冻产品的需求量呈现出持续增长的态势。同时，我国的装备制造以及冷链物流产业也持续发展，不断提高自身的竞争力。在二者的共同促使下，食品冷冻行业也在持续而稳定的发展。虽然这些新技术往往存在着适用范围较窄、成本较高以及理论与生产实际结合不够紧密等问题，但随着有关领域研究的不断突破，新技术、新成果的不断应用，越来越多的问题正在得到解决。因此，可以预见，随着科学技术的不断进步，各种适用范围更广、效果更好且成本更低的食品冷冻技术将不断被提出，我国的食品冷冻行业在未来必然会有更加蓬勃的发展。参考文献[1]夏文水.食品工艺学[M].北京:中国轻工业出版社,2019:1-6.[2]Donald J Cleland. The History of Food Freezing[Z].2020.[3]李晓燕,陈杰,樊博玮,等.浸渍式冷冻技术的研究进展[J].食品与发酵工业,2020,46(15):307-312.[4]林婉玲,曾庆孝,朱志伟.直接浸渍冷冻在食品加工中的应用现状与前景[J].食品工业科技,2008(7):256-260.[5]Zheng L Y, Sun D W. Innovative applications of power ultrasound during food freezing process[J]. Trends in Food Science & Technology, 2006(1),17: 16-23．[6]Sergey K, Masahiro H. Enhancement of gas phase heat transfer by acoustic field application[J]. Ultrasonics, 2003,41:289-293.[7]ZHANG M C, NIU H L, Chen Q, et al. Influence of ultrasound- assisted immersion freezing on the freezing rate and quality of porcine longissimus muscles[J]. Meat Science,2018,136:1-8.[8]XU B G, ZHANG M, BHANDAＲI B, et al. Effect of ultrasound immersion freezing on the quality attributes and water distributions of wrapped red radish[J]. Food and Bioprocess Technology,2015,8(6):1366-1376.[9]俞卫刚,戴苏明.食品减压冷冻保藏的理论与实验研究[J].苏州大学学报(工科版),2004(4):51-54.[10]盛芳.冷冻减压贮存鱼的试验[J].国外食品技术,1980(7):39-42.[11]冯颖,刘佳新,王海鸥,等.真空冷冻干燥不同品种水蜜桃片品质评价[J].食品工业科技,2019,40(1):17-22.[12]闫秋菊,王海鸥,朱华,等.冻干水蜜桃挥发性风味成分的变化及迁移[J].食品与机械,2019,35(7):20-25.[13]姜莉,缪卫国,努尔孜亚,等.冰核细菌的研究、应用现状和前景[J].新疆农业科学,2002(5):271-274.[14]吴喆,刘泽勤.食品冷冻中新技术的研究进展[J].冷藏技术,2010(4):18-21.[15]何松,胡卓炎,孙福在,等.果汁冷冻浓缩中生物冰核的成冰作用及初步应用[J].食品工业科技,2001(2): 15-17.[16]赵廷昌,孙福在,郑传临,等.冰核细菌对液体食品过冷却点的影响[J].中国农业科学,2002(2):230-232.[17]陈庆森,刘剑虹,阎亚丽,等.冰核活性菌体蛋白微冻保鲜虾体的应用研究[J].食品科学,2002(11):139-143.[18]刘晨临,黄晓航,李光友.抗冻蛋白的研究及其在生物技术中的应用[J].海洋科学进展,2002(3):102-109.[19]鲍丽丽,华泽钊,任禾盛.抗冻蛋白及其对冰晶生长的影响[J].华东工业大学学报,1995(2):51-59.[20]于晶,扈莹莹,温荣欣,等.植物源抗冻蛋白作用机制及其在食品中的应用[J].食品科学,2019,40(23): 305-312.[21]李志义,夏远景,刘学武,等.高压冷冻食品的机理及应用[J].食品研究与开发,2006(5):145-148.[22]李云飞.食品高压冷冻技术研究进展[J].吉林农业大学学报,2008(4): 590-595.[23]许世闯,徐宝才,奚秀秀,等.超高压技术及其在食品中的应用进展[J].河南工业大学学报(自然科学版),2016,37(5):111-117.[24]刘延奇,吴史博.超高压对食品品质的影响[J].食品研究与开发,2008(3):137-141.作者简介：孙国皓（2000—），男，四川宜宾人，本科在读。研究方向：食品分析检测。