速凍食品的冰晶形態及輔助凍結方法研究進展

陳 聰 楊大章,3 謝 晶,3,4

(1. 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306；3. 食品科學與工程國家級實驗教學示范中心〔上海海洋大學〕，上海 201306；4. 上海海洋大學食品學院，上海 201306)

冷凍是應用最廣泛的食品保存方法之一[1]，能長時間保存食品。速凍能最大程度保留食品的品質、口感和營養，其中對食品質量影響最大的是冰晶形成階段，速凍形成的冰晶細、小對細胞組織損傷小，解凍后汁液外流少、新鮮度高[2-6]。從食品的凍結方法來看，速凍技術主要有鼓風式凍結、接觸式凍結、液化氣體噴淋式凍結和沉浸式凍結等[7]。根據凍品類型，需要采用不同的速凍技術才能到達最佳的凍結效果。

近年來，中國速凍食品的需求增長迅速，速凍食品已經成為食品行業不可或缺的領域。人們對速凍食品需求不斷提升的同時，也推動著速凍技術的不斷發展[8-9]。為提升速凍食品的質量，降低速凍設備的能耗和增加生產的經濟效益，國內外眾多學者一直致力于研究新型的速凍技術，其中輔助凍結技術因為能優化食品凍結過程，減小凍結形成的冰晶尺寸而得到廣泛的關注。文章擬簡述不同凍結速度下冰晶形態及對冰晶的觀測方法，綜述壓力輔助凍結、電場輔助凍結、磁場輔助凍結等輔助凍結方法的研究進展，以期為建立完善的速凍食品體系提供參考。

1 食品凍結中的冰晶形態

速凍食品是指在-30 ℃或者更低的冷卻介質溫度下，食品在30 min內通過最大冰晶生成帶，凍結結束時中心溫度在-18 ℃以下，形成的冰晶規格不超過100 μm[10]。按食品凍結速度可分為3類[11]：快速凍結(5～20 cm/h)，中速凍結(1～5 cm/h)，慢速凍結(0.1～1.0 cm/h)。凍結速度與冰晶形狀的關系見表1[12]。

表1 凍結速度與冰晶形狀的關系?Table 1 The relationship between freezing rate and ice crystal shape

? 凍結速度指通過-1～-5 ℃的時間。

快速凍結的食品質量要優于中速凍結和慢速凍結，這是因為快速凍結時，凍品組織細胞內外水分幾乎同時達到結晶條件，組織內冰層推進的速度大于水分遷移的速度，凍品中的冰晶分布與凍前食品液態水分布相似，冰晶呈針狀，細小且分布均勻，組織結構受到的損傷小。圖1為冰晶直徑，細胞損傷程度與凍結速度的關系[13]。

圖1 冰晶直徑，細胞損傷程度與凍結速度的關系Figure 1 Relationships between ice crystal diameter, injury degree of cell and freezing rate

2 觀測冰晶方法

冰晶特征是影響冷凍食品品質最重要的因素[14]，具體包括冰晶的大小、分布、數量以及形狀等。不同輔助凍結方式下形成的冰晶特征會有差異，對食品組織細胞的微觀結構造成影響，因此觀測冰晶的特征顯得尤為重要。觀察冰晶特征的方法有直接法和間接法[15]。直接法是直接觀察冰晶，而間接法則是通過觀察凍結后冰晶在食品內部留下的間隙來分析冰晶特征，具體分類見圖2。

圖2 冰晶觀測方法分類Figure 2 Methods for observation ice crystal characteristics

2.1 直接法

Ninagawa等[16]使用配置高速攝像機的低溫顯微鏡，觀察天竺葵細胞內的冰晶形成過程，冰晶分布位置，不同冷凍速率下冰晶的尺寸以及細胞的變形程度。發現凍結速率越快，過冷度越高，冰晶尺寸越小，細胞變形程度越小。Fujikawa等[17]使用低溫掃描電子顯微鏡觀察了凍結落葉松休眠芽組織細胞時形成的冰晶。Kobayashi等[18]采用X射線計算機斷層成像技術研究了金槍魚肉過冷凍結后的冰晶結構。直接觀測法能夠觀察冰晶形態及形成過程，但需要在低溫環境下進行，因而對設備的要求嚴苛。

2.2 間接法

Kaale等[19]采取冷凍替代法研究三文魚凍結后的冰晶特征，用提前預冷的刀對凍品進行切片，然后將切片在Clarke溶液(無水乙醇∶冰醋酸=3∶1)中浸漬固定24 h，接著將固定完的樣品升溫至室溫，隨后使用無水乙醇脫水，包埋在石蠟中，最后切片染色觀察[20]。Luan等[21]采用冷凍切片法間接觀察凍結帶魚的冰晶，該方法是用提前預冷的刀對凍品進行切片，然后將切片包埋在包埋劑中，并浸沒在干冰和己烷的混合物中直至完全冷凍，然后切除多余包埋劑用黏合劑膜覆蓋固定，最后切片染色觀察[22]。該方法較冷凍替代法所需的處理時間短，提高了效率。冷凍干燥法是觀察凍品經過脫水干燥后的間隙，該方法認為間隙為冰晶升華后留下。同直接法相比，間接法對設備的要求低，但操作步驟多、耗時長，在試驗設備達不到要求時采用間接法也能得到很好的試驗結果。

3 輔助凍結方法

食品凍結過程中，大冰晶的形成會使細胞破裂，對食品的微觀組織結構造成破壞，解凍后汁液流失嚴重，食品外觀變形而且營養和風味物質流失。而細小且分布均勻的冰晶則對食品組織結構的破壞顯著降低，較好地保持了食品原有的品質。為此，新型的輔助凍結技術不斷涌現，通過控制凍結過程中形成的冰晶尺寸及分布，來提高速凍食品品質。

3.1 壓力輔助凍結

高壓技術在食品行業中已開始應用，如高壓凍結、高壓解凍、高壓滅菌、高壓鈍酶等[23]。Taylor[24]在研究活細胞凍結過程中的變化時，采用了高壓輔助技術，而后該技術被引入速凍食品領域。壓力輔助凍結的方式主要有高壓輔助凍結和壓力轉換輔助凍結。高壓輔助凍結是指食品在恒定高壓條件下冷卻至相變溫度進行凍結，完成凍結過程后再釋放壓力到常壓，該過程與常壓下凍結相類似，只是在高壓條件下進行[25]。由于水在高壓條件下凝結形成的冰的密度大于液態水[26]，水凝固時的體積不會膨脹而使凍品組織細胞破裂，因此能較好保持食品形態和品質。不同于恒定壓力下進行的高壓輔助凍結，壓力轉換輔助凍結是食品在高壓條件下冷卻到過冷狀態，然后迅速釋放壓力，由于此時食品過冷度較高其中的水分在瞬間發生凍結，從而促使小冰晶的形成，同時冰晶在凍品中分布均勻[27]2-3。

Fernández等[28]在相同的壓力條件下(0.1，50.0，100.0 MPa)，對凝膠樣品采取高壓輔助凍結和壓力轉換輔助凍結，并對兩種壓力輔助凍結方式形成的冰晶以及凍品的微觀結構進行對比。結果表明，壓力轉換輔助凍結要明顯優于高壓輔助凍結，樣品在該方式下凍結相變時間少，過冷度高結晶速度快，形成的冰晶小數量多且分布均勻。陳淑花[29]在食品高壓低溫凍結試驗中，戎云鎖[27]17-24在壓力輔助凍結雞心時也得到了相同的結論。因此，在近幾年關于壓力轉換輔助凍結的研究較多，一些研究結果如表2所示。

表2 關于壓力轉換輔助凍結的研究Table 2 Research progress on pressure shift freezing

Smith等[34]建立了適合于高壓條件下凍結食品內部冰晶生長的數值模型，該模型能準確預測食品內部冰晶的尺寸隨時間演化及分布規律，合理預估食品凍結時間。但該模型是用NaCl溶液作為食品模型樣品，沒有考慮食品實際由多組分構成，以及該數值模型不能得到樣品溫度隨時間的變化規律，還需要進一步研究。

3.2 電場輔助凍結

近幾年，電場在食品冷凍領域得到廣泛的研究。不同于高壓提高過冷度，電場主要是影響冰晶的成核率來輔助凍結。在靜電場條件下，極性水分子會出現轉動，呈現與靜電場方向對齊的趨勢，并且電偶極矩沿著靜電場方向分布的水分子最穩定[35]。Orlowska等[36]在高壓直流靜電場控制冰晶成核的研究中，指出隨著電壓的增加冰晶成核溫度提高，電場輔助凍結的機理是由于水分子的重新定向和形成更有序的團簇結構而導致自由能的降低，但這個機理還需要通過試驗進一步驗證。Saideh等[37]同樣指出靜電場能提高冰晶成核溫度，但當靜電場強度進一步增強時會造成冰晶成核溫度降低。對于不同食品而言，電場輔助凍結的最佳電場強度不同，要得到各種食品的最佳條件，還需要分別研究。Mok等[38]將脈沖電場與磁場結合用于食品冷凍，在脈沖電場與磁場的聯合作用下，促進更小尺寸的冰晶形成，明顯縮短了相變時間。靜電場不僅能控制冰晶成核的溫度，還能改善凍品的品質，是一種非常具有前景的輔助凍結方式，表3為近幾年關于電場輔助凍結的研究。

3.3 磁場輔助凍結

磁場輔助凍結是新興的輔助凍結技術之一。由于水是一種抗磁性物質，在磁場的作用下產生磁偶極矩，水的物理化學性質受到影響。Cai等[45]在研究中發現，在磁場的作用下，水的表面張力下降，分子能量下降，內部結構更加穩定，形成了更多的氫鍵，更大的水分子簇。當磁場輔助凍結時，磁場會引起水分子振蕩，抑制冰晶生長，提高過冷度。單亮亮等[46]解釋在磁場作用下，運動的水分子及團簇結構受到洛倫茲力的作用，呈轉動趨勢，對氫鍵的穩定性造成影響，進一步可能導致氫鍵斷裂。王鵬飛等[47]在磁場輔助凍結果蔬的研究中發現，在磁場的作用下相變時間變短，果蔬組織細胞中冰晶尺寸變小。展曦鳴[48]研究了低頻電磁場對純水冷凍過程的影響，結果表明極低頻電磁場略微增加了純水的過冷度，對冷凍時間及冰晶形態幾乎無影響。James等[49]目前在研究中得出振蕩磁場對大蒜的過冷度沒有顯著影響。目前對于磁場輔助凍結的機理還需要進一步探究，表4是目前關于磁場輔助凍結的相關研究。

表3 關于電場輔助凍結的研究Table 3 Research progress on electrostatic-assisted freezing

表4 關于磁場輔助凍結的研究Table 4 Research progress on magnetic field assisted freezing

4 結論與展望

輔助凍結是為了更好地保持食品品質，而凍結形成的冰晶特征是保證速凍食品品質最重要的因素之一。輔助凍結方法就是通過影響形成的冰晶特征來達到更好凍結食品的效果，其中壓力輔助主要是增加過冷度使形成的冰晶細小且分布均勻，電場和磁場輔助凍結則是通過提高成核率來控制冰晶晶核的生長，使最終形成更小的冰晶。對于不同種類的食品所需的輔助凍結方式不同，需進一步研究不同食品的最佳輔助凍結方式，輔助凍結的機理也需要進一步通過試驗驗證。此外，已經有一系列方法能觀測凍結形成的冰晶，直接法能直接觀察冰晶但設備成本高，間接法設備要求低但所需處理步驟繁瑣且不直觀。運用數值模擬技術，可以建立預測冰晶生長的合理模型，從而建立完善的速凍食品評價體系。