超聲輔助冷凍技術的作用機制及其對食品品質影響的研究進展

吳宇桐，崔夢晗，王宇琦，孔保華，陳 倩*

冷凍是最常用的食品保藏技術之一，冷凍會降低食品的水分活度、酶活性，延緩食品腐敗，延長食品的儲存期，保留食品原有的風味并減少營養(yǎng)物質的損失[1]。在食品冷凍過程中，結晶對食品冷凍品質起著至關重要的作用。傳統(tǒng)的食品冷凍技術，如空氣吹風、板式接觸、流化床冷凍、浸泡冷凍等，在結晶過程中通常會形成大小、分布不均勻的冰晶，對食品結構造成損害，降低食品品質[2]；因此，提高食品冷凍品質的關鍵在于控制并優(yōu)化結晶過程。

超聲波是一種方向性好、穿透力強、能量較為集中的聲波，已在精密的機械零件和實驗器具的清洗與醫(yī)療檢測等方面廣泛應用[3]。近年來，超聲波技術飛速發(fā)展，超聲波加工技術也愈加成熟，其在食品加工領域的應用日益增加。超聲波技術在食品中的應用可依據(jù)超聲波的性質分為兩類：一種是低強度超聲波，頻率較高（5～10 MHz），所含能量低，主要用于食品加工過程中的品質監(jiān)控與無損檢測等方面[4]；另一種是高強度超聲波，頻率較低（20～100 kHz），所含能量高，主要用于食品加工過程中的干燥、冷凍、萃取、殺菌、乳化、脫氣、肉嫩化、老化等加工工藝中[5-12]。

超聲輔助冷凍（ultrasonic-assisted freezing，UAF）技術作為一項新型的加工冷凍技術，對食品冷凍過程中晶體的形成與生長具有極為顯著的改善作用，它可以促進晶核的形成，控制冰晶的大小，提高凍結速率，從而改善食品冷凍品質[2]。本文闡述了超聲波輔助食品冷凍的作用機理，綜述了其對食品冷凍品質的影響，列舉了一些食品的UAF工藝參數(shù)，以期使UAF技術改善食品的冷凍效果、提升食品冷凍品質的能力引起更多的關注，讓更多人有所了解。

1 食品冷凍概述

圖1 冷凍過程典型的溫度變化曲線[2]Fig. 1 Typical temperature record during freezing[2]

冷凍并不是瞬時完成的，而是溶液熱量的轉移與形態(tài)改變的一個過程，此過程可以分為3 個階段：液態(tài)降溫階段、相變階段和固態(tài)降溫階段[13]。其中每個階段都伴隨著熱量的傳遞與溫度的改變，并引起冷凍介質相的轉變。如圖1所示，當溫度逐漸下降到初始凝固點（Tf）以下時，液體被認為是過冷液，而Tf和Ts之間的差值被稱為過冷度。在A～B階段，隨著潛熱釋放，液體溫度回升，初始晶體形成，并形成熱靜止平臺（B～C）。在B～C階段，液體相變?yōu)楣腆w，潛熱隨著冷凍進行而喪失。在相變過程（C）結束時，潛熱被除去，相變基本完成，溫度再次下降[2]。冷凍過程中的晶體形成主要發(fā)生在相變階段（即B～C階段），包含初次成核、二次成核和晶核生長3 個過程。其中，初次成核是溶液相變的開始階段，指溶液中生成晶種進而生成晶核的過程；二次成核是指初次成核生成的晶體破碎后生成的碎片作為新的晶核并繼續(xù)生長的過程；晶核生長是指晶核形成后由于水分的黏附使晶體繼續(xù)生長的過程。在晶體形成過程中，生成的晶核越多，晶核與水分接觸的總面積越大，結晶的速率越快，結晶過程消耗的時間越短，有助于生成體積較小的晶體[14]。

冷凍對食品品質的影響主要取決于冰晶的形成過程，但結晶是自發(fā)且隨機的一種過程，難以完全預測和控制結晶的時間以及產品的最終質量。冰晶的大小、生成速率以及分布的均勻程度都是影響冷凍食品品質的重要參數(shù)。使用常規(guī)的冷凍方式時，細胞內外溶液濃度不同，結晶所需的過冷度不同，使胞內結晶難以生成，胞外結晶不斷生長直至破壞細胞結構，對食品品質造成不利影響[15]。此外，常規(guī)的冷凍方式凍結速率慢，易造成大體積冰晶體的形成，損害食品微觀結構，并使食品品質下降[16]。高強度超聲波可以使食物內局部壓力改變，形成局部高過冷度，促進細胞內外同時結晶，并縮短冷凍過程消耗的時間、提高結晶率，有利于生成均勻、細小的冰晶，起到改善食品冷凍品質的作用[17]。

2 超聲波輔助食品冷凍的作用機理

2.1 UAF技術

UAF技術通過超聲波在介質中傳播時產生的機械效應、空化效應、熱效應來影響晶核的形成以及生長，從而改善冷凍食品品質[18]。該技術從物理層面改善了食品的組織結構與細胞結構，既可以保證食品的安全性，又可以滿足消費者對食品加工安全的需求，符合現(xiàn)代食品工業(yè)向綠色食品生產方式逐漸轉變的趨勢。在食品冷凍中，高強度超聲波可以加快成核速率并控制晶體的形成和生長。與傳統(tǒng)的冷凍方式相似，UAF工藝也會經歷液態(tài)降溫、相變和固態(tài)降溫等階段。通常來說，使用UAF時無需作用于整個冷凍過程，只需在相變階段進行射頻式發(fā)射，便可影響其晶核生成與改善的過程，達到改善食品品質的目的。因此，超聲波對食品冷凍過程中冰晶形成階段的影響決定了其作用效果與價值。

2.2 超聲波對初次成核的影響

在食品內部溫度降至冰點時，溶液并不會立即結晶，只有在達到一定的過冷度時，才可能形成晶核。成核是指溶液生成晶核的過程，若溶液中沒有已經存在的晶體，則初次成核是溶液結晶的起始步驟，也是極其重要的步驟[19]。如果成核發(fā)生在具有較大過冷度或過飽和度的單質系統(tǒng)中，則認為是均相成核。然而，大部分食品樣本并不是純凈的單質結構，在有雜質存在的情況下，晶體會在非單質系統(tǒng)下生長，被稱為非均相成核[20]。非均相成核由于自身所處環(huán)境的不均勻，生成的晶核大小、分布不均，不利于提升食品的冷凍品質。UAF可以通過對超聲介質連續(xù)且循環(huán)的壓縮和擴張進行傳播，產生空化氣泡，氣泡經歷形成、生長、振蕩和破碎等過程，改變了食品的內部環(huán)境，這也就是所謂的“空化效應”，它可以促進晶核形成，并使其分布均勻[21-22]。

在超聲波對介質產生作用時，超聲波的周期性波動給予介質拉應力，使其局部介質的壓力升高或降低，當局部壓力降低時，液體破裂形成空化氣泡，當局部壓力升高時，對氣泡起壓縮作用。超聲波進行周期性傳播，原本溶于水中的空氣開始擴散到空化氣泡中，上述過程不斷重復使空化氣泡逐漸增大。但當空化氣泡的體積增加到一定程度時，其不再穩(wěn)定，在超聲作用下破裂。空化氣泡的破碎是一種短暫而劇烈的現(xiàn)象，會在瞬間釋放巨大的能量，使局部壓力在很短的時間內（通常為納秒級）達到5 GPa，并產生極高的溫度，影響溶液結晶[23-24]。王全海[25]觀察到該過程（圖2），證實了空化效應的確與晶核的形成有關，空化效應產生的高壓增加了過冷或過飽和的程度，從而誘導了溶液成核。依據(jù)此理論，溶液會在超聲作用瞬間生成晶核。但Zhang Xu等[26]發(fā)現(xiàn)晶核并不是在超聲作用瞬間產生，而是在作用短暫時間后才觀察到晶核的形成；他們認為空化氣泡破碎后產生以破碎部位為中心的壓力梯度也可能是成核的驅動力，有助于晶核的形成與擴散；因為擴散需要時間，所以該實驗中觀察到的氣泡破碎與核形成之間的時間間隔可以用壓力梯度來解釋。Grossier等[27]認為在冷凍結晶過程中，溶液處于亞穩(wěn)態(tài)，而液體壓力的變化會促使液體中的微粒移動，從而使溶液的亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生了變化，水分子聚集形成分子簇，在達到臨界體積后成核并進一步形成冰晶。因此，超聲傳播引起的溶液壓力變化也可能會影響晶核的形成。研究者們推測在初次成核過程中不止一種機制在發(fā)揮作用。

圖2 UAF結晶過程微觀圖[25]Fig. 2 Micrograph of crystallization process during ultrasonic-assisted freezing[25]

2.3 超聲波對二次成核的影響

二次成核是指已存在的晶體碎裂后形成的晶體碎片轉移到其他位置作為新的晶種形成新的晶核。普遍認為在二次成核過程中存在以下幾種機制的影響：一是超聲過程中，空化氣泡在冰晶處破裂引起高溫高壓并使冰晶碎裂；二是空化氣泡破碎引起微射流沖擊冰晶，使其碎裂[28-29]。其中，微射流是影響溶液二次成核的主要因素，它的形成與超聲波的空化效應有關[25]。超聲波的空化效應產生空化氣泡，氣泡在液體中發(fā)生振蕩和混合效應，使空氣不斷地擴散到氣泡中，當氣泡擴散到一定程度后，氣泡破碎，高壓使氣體快速射出便形成微射流，并對溶液的二次成核產生影響[19,30]。

圖3 低溫顯微鏡下觀察冰晶生長過程[31]Fig. 3 Growth of ice crystals observed by low temperature microscope[31]

Chow等[19]觀察超聲處理對溶液二次成核的影響，發(fā)現(xiàn)位于晶體末端的樹枝狀晶體在空化氣泡破裂的瞬間被微射流沖擊并形成晶體碎片，這些晶體碎片可以作為晶核誘導更多的冰晶形成。如圖3所示，正在生長的冰晶體在微射流的作用下冰簇破碎，破碎后的細小冰晶體隨著微射流散入其余部位，作為新的晶核促進溶液結晶，加快冷凍速率。此外，Zhang Xu等[26]發(fā)現(xiàn)蔗糖溶液在高強度UAF過程中由于微射流產生的晶體碎片的生長模式與初次成核形成的晶核的生長模式相似，說明初次成核與二次成核形成的晶體并無顯著差異。

2.4 超聲波對晶體生長的影響

除了成核之外，晶體生長也是結晶過程中的關鍵步驟。晶體生長的實質是固態(tài)晶體表面發(fā)生的分子黏附過程[30]。圖3為在低溫顯微鏡下觀察到的圓形晶核生長為枝狀晶體的過程，即晶體生長過程[31]。在晶體生長階段，過冷度仍然是影響冰晶大小、粒徑分布的重要因素；因此，超聲波可以作用于冰晶形成的全過程來影響晶體的形成。Delgado等[32]認為超聲功率會影響水分子從液體轉移到晶體的過程以及晶體在晶格中生長的過程。同時，超聲波的空化和機械效應造成介質流動，有助于介質的傳熱和傳質，使晶體生長速率增加。但是，Ohsaka等[28]發(fā)現(xiàn)，在空化氣泡旁邊測量的晶體生長速率比理論計算的速率要慢；這可能是由于空化效應引起空化氣泡壓縮，導致壓力變化與溫度升高，使得晶核周圍的實際過冷度小于液體的平均過冷度，傳質與傳熱效率減慢，降低了晶體的生長速率。此外，早期生成的晶核會不斷生長形成大體積不規(guī)則型冰晶，破壞了細胞結構，而微射流使得大型結晶破碎，阻止了冰晶繼續(xù)生長，有助于在溶液中形成均勻且細小的晶體[24]。

然而，超聲波的空化效應和微射流現(xiàn)象不能解釋一些特殊的冰晶生長現(xiàn)象。例如，Arends等[33]指出，當使用超聲強度1.5 W/cm2（沒有空化效應）誘導過飽和結晶時，油的結晶應與不使用超聲作用時相似，但觀察到與未使用超聲作用相比，油的晶體尺寸、形狀和分布狀況改善，凍結率翻倍，差異明顯；這與之前得出的空化作用是超聲波影響液體結晶的主要機理的結論并不符合。對于過飽和液體中的結晶，Li Hong等[34]觀察到使用高強度超聲處理后晶體的尺寸反而有所增加，這與超聲空化理論相矛盾。這些物質的結晶在UAF過程中可能并不是空化效應起主要作用。由此推斷，針對不同類型的物質，超聲對其結晶過程的主要影響機制或許并不相同，造成這種結果的具體機理仍不清楚，有待進一步研究。

3 UAF對食品品質的影響

食品的冷凍品質會受到晶體體積與分布的影響，通過UAF技術可使晶體最小化、分布均勻，提高冷凍食品的保水性、流變學特性和顏色等品質特性[15]。目前，UAF技術主要應用于果蔬、肉制品及面團等食品領域中。

3.1 UAF對果蔬品質的影響

近年來快速冷凍作為一種新的果蔬保藏或加工方式，因其能更好地保留營養(yǎng)物質，提升果蔬冷凍品質而逐漸興起[35]。Cheng Xinfeng等[36]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理能顯著縮短草莓的凍結時間，能夠在較低的過冷度下誘導成核。Islam等[37]使用超聲輔助浸液冷凍蘑菇，縮短了蘑菇浸泡冷凍過程中的冰晶成核時間和總凍結時間，并增加了蘑菇硬度，減少了水分損失。在UAF過程中，超聲波會對食品的結晶過程產生影響，促進食品冷凍過程中形成的冰晶更為細小且均勻，對食品結構有更好的保護作用。Xin Ying等[38]發(fā)現(xiàn)超聲處理能較好地維持冷凍西蘭花細胞結構和質構特性，對西蘭花的色澤以及組織結構的破壞較小。Xu Baoguo等[39]研究表明，UAF可以縮短紅蘿卜的凍結時間和減少滴水損失，更好地保持紅蘿卜的硬度和色澤。

3.2 UAF對肉及肉制品品質的影響

冷凍保藏是肉及肉制品最為常用的一種保鮮方式。肉具有細胞結構，并且肌細胞內胞外溶液存在濃度差，超聲空化會影響肉制品冷凍效果。Zhang Mingcheng等[40]在溫度達到0 ℃時以180 W的超聲波處理豬背最長肌8 min，超聲工作、停歇間期分別為30、30 s；實驗結果表明，UAF明顯減小了肌肉中冰晶的尺寸，并且使得冰晶的分布更加均勻，降低了肉的解凍損失，改善了肉的冷凍品質。此外，谷小慧[41]使用功率為36 W的超聲波處理臀部豬肉，工作、停歇間期分別為10、30 s，結果同樣證明超聲波作用縮短了豬肉冷凍時間，改善了豬肉冷凍品質。

3.3 UAF對面團品質的影響

在面包、蛋糕等烘焙類食物的生產過程中，大規(guī)模的面團生產與運輸經常出現(xiàn)，通常使用冷凍技術處理面胚來保持其食用品質，使其適用于大規(guī)模生產很有必要。研究者們將UAF技術應用于面團冷凍中，以求改善面團冷凍品質。Hu Songqing等[42]使用超聲處理冷凍面團，在功率為288 W或360 W超聲處理下，面團冷凍消耗的總時間縮短了11%以上，特別是相變階段消耗的時間明顯縮短。此外，超聲波還增加了晶核生成率，使冷凍面團內部形成大量微小的冰晶，改善了冷凍面團質量。宋國勝等[43]用掃描電子顯微鏡觀察了冷凍濕面筋蛋白解凍后的微觀結構、孔洞口徑的大小及分布，結果表明用360 W的超聲波輔助冷凍濕面筋，濕面筋蛋白內可以形成細小且分布均勻的冰晶體。相對于普通浸液冷凍，UAF對面筋組織網(wǎng)絡結構的破壞顯著降低，UAF降低了冰晶對蛋白質二級結構的損傷，改善了冷凍面團的品質[44]。

4 超聲輔助食品冷凍工藝

盡管UAF技術可以促進溶液成核，增加凍結速率，并對食品凍結品質有顯著的改善作用，但在冷凍過程中，隨著作用時間的延長、功率的增加，超聲波的熱效應對食物造成的影響也增強。當超聲波熱效應對冰晶形成的負面影響大于其誘導作用時，會對食品結晶起阻礙作用，使凍結速率減慢，并增加晶體體積，降低食品冷凍品質[45]。因此，合理地利用UAF技術以求達到最好的冷凍效果，就須要降低超聲效應造成的負面影響，即通過優(yōu)化超聲工藝，選擇最佳的工藝參數(shù)。對于不同的食品而言，由于其組成成分及含量的差異較大，加工條件也有所不同，其最適宜的冷凍工藝參數(shù)也不盡相同，表1列舉了幾種實驗室測量的食品UAF的最適工藝參數(shù)。

表1 幾種食品的UAF工藝Table 1 Ultrasound-assisted freezing parameters of several different kinds of foods

此外，改變UAF過程中食物的氣體含量，亦會影響食品冷凍效果。一些研究者的研究證明，溶液中初始O2含量越高，形成的冰晶體積就越小[53]。向固體食物中灌注CO2并結合UAF技術可以顯著縮短冷凍時間與減小冰晶尺寸[54]。所以，在UAF過程中，可以根據(jù)冷凍對象的不同，調節(jié)UAF的工藝參數(shù)或加入外源無毒無害氣體，以達到最好的冷凍效果。陳竹兵等[55]采用真空脫氣方式對蘿卜組織中氣體含量進行調節(jié)，蘿卜組織中的氣體含量分別為0.00%、4.01%、6.46%和9.91%，采用28 kHz、0.33 W/cm2的超聲進行超聲輔助浸液冷凍處理；結果表明，隨著蘿卜組織中氣體含量降低，超聲輔助浸液冷凍的凍結速率顯著提高，并且蘿卜解凍后的硬度、微觀結構以及鈣離子含量均有顯著改善。由此可見，氣體含量確實對UAF的效果造成影響；但研究者們在此領域的研究并不多，氣體含量對不同種類食品的UAF品質的影響以及作用機制還需要進一步的研究。

5 實際應用中存在的問題

現(xiàn)在市場中還沒有可以用于實際生產的UAF設備，大批量冷凍加工過程需要大功率的大型設備，但由于材料與技術上的瓶頸，目前市場上只存在小型的實驗室用UAF設備。由于超聲波在傳播過程中會發(fā)生衰減現(xiàn)象，使能量損失，而在大批量冷凍過程中傳播距離增長，能量損失會加劇。如何保證UAF過程中超聲功率穩(wěn)定、統(tǒng)一還需要結合機械工程方面的技術具體研究。

此外，由于UAF技術的作用機理并未完全明確，且冷凍結晶過程本身具有隨機性。在使用UAF技術時，不同的物質結晶往往需要不同的頻率，在實際生產中并不適用。若能發(fā)現(xiàn)UAF頻率與冷凍物質性質之間的關系，則可以降低成本到可接受的范圍內。在實際生產中，一項成熟的技術最重要的是其商業(yè)利益，UAF技術如何在實際生產中低成本還需要進一步研究。

6 結 語

UAF技術通過利用超聲波的空化作用達到改善食品結晶品質的目的。相比較傳統(tǒng)的冷凍技術，該技術能夠提高傳質傳熱速率并加快食品結晶速率，使得形成的冰晶細小且分布均勻，從而改善食品的冷凍品質。UAF技術是一種在物理層面加工的技術，相較于其他的工藝，滿足了現(xiàn)代食品工業(yè)向綠色食品生產方式逐漸轉變的發(fā)展趨勢，雖然技術還未成熟，但前景良好。該技術在后續(xù)發(fā)展過程中，可以與其他新型冷凍技術，如超高壓冷凍技術、生物冷凍蛋白技術等配合，拓寬超聲作用參數(shù)范圍，降低UAF在技術與材料方面的要求，為UAF技術在食品生產過程中的大規(guī)模應用提供幫助。