超聲波輔助冷凍技術及其在食品中的應用

邱爽，李學鵬，*，王金廂，儀淑敏，勵建榮，李婷婷，牟偉麗，黃建聯，丁浩宸

（1.渤海大學食品科學與工程學院，遼寧錦州121013；2.大連民族大學，生命科學學院，遼寧大連116600；3.蓬萊京魯漁業有限公司，山東煙臺265600；4.遼寧安井食品有限公司，遼寧鞍山361003）

凍藏在低溫抑制食品中微生物的生長和酶活性的同時可以降低食品中的水分活度，是保證食品質量并延長其貨架期的主要方法之一，廣泛用于畜禽肉類、水產品、米面制品、果蔬類等易腐食品的生產、運輸和貯藏，在食品工業中占有重要的地位。冷凍過程包括3 個階段，即將產品冷卻至其凝固點的預冷階段、去除結晶潛熱的相變階段以及將產品冷凍至儲存溫度的終了階段[1]。其中，晶核形成（成核）與冰晶的形態、尺寸與分布密切相關，被認為是優化冷凍工藝過程的重要因素。另外，結晶發生在冷凍過程的相變階段，同樣是決定冷凍過程的效率和冷凍食品質量的關鍵步驟。一般而言，結晶過程分為兩個階段，即成核階段和晶體生長階段，這兩個階段共同決定了晶體的形態、尺寸與分布[2]。冰核在一定的溫度范圍內自發且隨機地生成，并受雜質、表面粗糙度等難以被監測和控制的因素影響。因其發生的概率性與過程的不可重復性，精確地預測和控制成核溫度與結晶過程是非常困難的。眾所周知，在冷凍食品時，不均勻的胞外冰晶的形成會對食品的微觀結構造成嚴重的損傷，導致解凍后的食品色澤、風味和質地發生改變，如組織褐變、組織軟化和持水力下降等[3]。相反，形成在細胞內的均勻的冰晶使食品組織受到的損傷較小，因此可以使食品更好地進行保存。

目前，食品的商業冷凍主要采用傳統的冷凍方法，如空氣冷凍法、接觸冰冷凍法、浸沒冷凍法等[4]。然而，這些方法存在冷凍效率低、冷凍食品質量差等問題。近年來，食品冷凍技術發展迅速，為了提高冷凍食品的質量，滿足人們對高質量的冷凍食品的需求，涌現出了幾種新型冷凍技術，包括高壓冷凍技術、微波輔助冷凍技術、射頻輔助冷凍技術和超聲波輔助冷凍技術等。它們通過控制食品冷凍過程中冰晶的生長和分布，使食品的微觀結構避免受到損傷，同時可以提高傳熱和傳質速率，從而縮短食品的凍結時間，提高冷凍食品的質量[5-6]。作為一種新興的技術，超聲波輔助冷凍在食品加工領域備受關注。超聲波是一種以超出人類聽覺閾值（20 Hz～20 000 Hz）的頻率振蕩的聲波，根據應用的強度和頻率，可以將超聲波分為高頻低強度超聲波（＞100 kHz）和低頻高強度超聲波（20 kHz～100 kHz）[7]。前者主要應用于食品的無損分析[8]，后者又稱為功率超聲，可應用于食品加工過程中的乳化、提取、干燥和冷凍[9-10]等。盡管超聲波輔助冷凍是一種相對較新的食品冷凍技術，很多研究已經證明其對食品冷凍過程的控制和冷凍食品的保藏有顯著影響。超聲波可以使結晶過程的概率性與隨機性轉化為可操作與可重復性，從而提高冷凍食品的質量。本文綜述了超聲波輔助冷凍機制、影響成核的因素及其在食品中研究和應用的最新進展，旨在為超聲波輔助冷凍技術的深入研究和推廣應用提供參考和借鑒。

1 超聲波輔助冷凍機制與影響因素

1.1 超聲波輔助冷凍機制

超聲波作為一種輔助冷凍的手段，能有效地控制凍結過程中樣品組織內晶核的形成與晶體的生長。目前已經報道的超聲波輔助冷凍機制主要有誘導成核、強化二次成核、抑制冰晶生長以及增強傳熱傳質機制。

1.1.1 誘導成核

當液體中通入超聲波時，由于聲波的傳輸，會使液體內局部出現拉應力而形成負壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體中逸出，形成大量的小氣泡，即空化泡。超聲波的空化效應是指存在于液體中的空化泡在聲波的作用下振動，當聲壓達到一定值時發生的生長和崩潰的動力學過程。這些氣泡在超聲波縱向傳輸形成的負壓區生長，而在正壓區迅速閉合，從而在交替的正負壓強下受到壓縮和拉伸[11]。超聲波在液體中傳播時引起的空化效應見圖1。

圖1 超聲波空化效應Fig.1 Ultrasound cavitation

空化泡被壓縮直至崩潰的一瞬間會產生局部瞬時高壓（＞5 GPa），從而導致高過冷度。其中，形成的高過冷度可以作為瞬時成核的驅動力[12]。另外，這些空化泡只要達到臨界的核心尺寸，就可以作為冰核的核心[13]。根據空化泡是否破裂，空化效應可以分為穩定空化效應和瞬時空化效應。穩定空化效應產生的空化泡不會立即崩潰，其運動引起的微流也可以作為凍結過程中成核的驅動力[14]。一些研究證明，微流同樣可以提高傳熱速率[2，12，15]。此外，由空化泡產生的壓力梯度導致的分子分離也是誘導冷凍過程中成核的機制之一。空化泡在崩潰的瞬間產生的壓力梯度可以有效地分離液體中的物質，從而提高成核速率。目前，超聲波輔助冷凍誘導成核的確切機制尚未形成統一的理論，可能是各種機制共同作用的結果，有待于進一步研究。

1.1.2 強化二次成核

在冷凍過程中施加超聲波時，空化效應產生的空化泡不僅可以作為冰核的核心，提高成核速率，并且其爆破瞬間引起的爆破力還可以強化二次成核。超聲波對二次成核的強化作用見圖2。

圖2 超聲波對二次成核的強化作用Fig.2 Strengthening effect of ultrasonic on secondary nucleation

二次成核是指已經存在的晶體被外力作用后碎裂成晶體碎片，其可以作為二次成核的晶核，從而誘導更多的冰晶生成，進一步保證了冰晶細小而均勻地分布在組織內[4]。研究表明，超聲波輔助冷凍過程中具有強化二次成核作用。圖2 顯示了15%蔗糖溶液中施加超聲波作用17.38 s 后，已經存在的冰晶碎裂成了許多細小的碎冰晶，這些碎冰晶可以重新分散在溶液中并作為二次成核的晶核，從而加快了冷凍速率[15]。

1.1.3 抑制冰晶生長

冰晶的生長是繼晶核形成后另一個影響結晶過程的重要因素，同樣與過冷度有密切關系。超聲波對冰晶生長的影響具有兩面性：一方面，超聲波的空化與微流作用產生的機械效應會為傳熱傳質過程提供驅動力，從而加快冰晶的生長速率；另一方面，由超聲波產生的熱效應會抑制冰晶的生長[16-17]。此外，微流機制會使不規則的冰晶破裂，阻礙冰晶繼續生長。

1.1.4 增強傳熱傳質

超聲波不僅可以作為輔助冷凍過程成核、抑制冰晶生長的工具，其產生的機械效應還可以增強傳熱傳質過程，提高冷凍速率。研究證明，當超聲波穿過樣品時，會引起組織基質快速交替的壓縮和拉伸，這種現象可以保持孔隙暢通無阻，從而促進傳質過程[18-19]。

1.2 超聲波輔助冷凍效果的影響因素

超聲波可以通過不同的機制來改善冷凍過程。然而，作為冷凍過程的重要階段，成核的過程受到超聲波的顯著影響[1]。影響超聲波誘導成核和冷凍效果的因素有很多，如超聲波的作用參數、載冷劑的特性以及樣品的屬性等。

1.2.1 超聲波的作用參數

過冷是指將樣品的溫度降低到凍結點以下而不凍結的現象。過冷度的大小與冷凍速度密切相關，過冷度越大，形核率的增加比晶核生長的速度越快，從而可以獲得更細小的冰晶。有研究表明超聲波的應用功率與溫度對成核過程有顯著影響。Zhang 等[12]對超聲功率與形核率之間關系的研究結果表明，在超冷水中施加超聲波會生成大量的樹枝狀冰晶。另外，不同溫度下的超聲波會產生不同的過冷度，并受溫度的影響而下降[20]。

1.2.2 載冷劑的特性

一般來說，在超聲波輔助冷凍過程中，樣品都浸沒在載冷劑中，因此，超聲波輔助冷凍技術可以被看作是一種特殊的浸沒式冷凍技術。載冷劑對于耗散冷凍過程中產生的熱量有重要的意義，因此，載冷劑需要具備導熱系數大、比熱大、化學穩定性好、有一定的蓄冷能力等特點。目前，超聲波輔助冷凍過程中常使用的載冷劑有乙二醇、酒精、CaCl2鹽溶液等[4]。不同的載冷劑具有不同的散熱效果及不同的使用限制條件。如Kiani 等[21]報道，載冷劑的特性會顯著影響傳熱與結晶過程。

1.2.3 樣品的屬性

應用超聲波輔助冷凍的樣品一般可分為流體樣品與固體樣品。如前所述，超聲波引起的空化泡的運動會產生微流，從而加快冷凍速率，但是微流僅能在流體樣品中產生。因此，流體樣品相對來說比固體樣品具有更高的凍結速率。Kiani 等[2]比較了超聲波輔助冷凍對液體樣品和固體樣品冷凍過程的區別，結果表明，由于微流的存在，超聲波能夠更有效地觸發液體樣品中的成核，從而加快了液體樣品冷凍過程中的傳熱速率。

2 超聲波輔助冷凍技術在食品中的研究進展

冰晶的尺寸與分布是評估冷凍食品質量的重要參數，冰晶細小而均勻地分布有利于提高冷凍食品的質量。超聲波作為一種操控冷凍過程中成核的工具，已被廣泛地應用于食品的冷凍研究中。本文采用詞頻分析法對Web of Science 數據庫和中國知網期刊數據庫中2008-2018 年間的食品科學與工程領域超聲波輔助冷凍研究相關論文進行了檢索和高頻關鍵詞分析（高頻關鍵詞在一定程度上可以反映出某一領域的研究熱點及發展趨勢），結果見圖3。超聲波輔助冷凍技術方面的研究熱點主要集中在成核、冰晶、品質、過冷度、微觀結構等方面，研究對象主要集中在果蔬類、肉類、面點類食品，水產品方面的研究明顯偏弱。

圖3 2008-2018 年食品科學與工程領域超聲波輔助冷凍論文高頻關鍵詞分析Fig.3 High-frequency keyword analysis of ultrasonic-assisted freezing papers in food science and engineering in 2008-2018

2.1 果蔬類食品

冷凍處理會降低果蔬的呼吸作用與氧化速度，從而延長果蔬的保質期。然而，如果在冷凍的過程中產生較大的冰晶，會對果蔬的細胞壁、細胞膜等組織造成機械損傷，導致汁液損失嚴重，影響果蔬的品質。超聲波技術在改善果蔬冷凍過程中的應用已得到了廣泛的研究。Xu 等[8]發現超聲波能夠有效地誘導蘿卜樣品的成核，并且超聲持續時間和強度均顯著影響成核溫度。在超聲時間7 s，超聲功率0.26 W/cm 時得到成核溫度與超聲溫度之間擬合良好的線性方程。Sun 等[22]觀察了超聲波輔助冷凍（25 kHz，15.85 W）對馬鈴薯組織微觀結構的影響。結果表明，與浸漬冷凍相比，超聲波輔助冷凍在馬鈴薯組織中產生了細小均勻的冰晶，保持了微觀結構完整性，縮短了冷凍時間。同時，由于更高空化強度的產生，提高超聲功率可以提高傳熱速率，然而當過高的超聲功率在介質中傳播時，會將聲能轉換成熱能，導致傳熱和冷凍速率降低。Xin 等[23]的研究證明了超聲波輔助冷凍能較好地保持西蘭花的顯微結構和硬度，與傳統的冷凍方法相比，滴水損失顯著減少。這是由于適當的超聲功率增加了冷凍速度，使冰晶細小而均勻地分布在組織內。Islam 等[24]研究了超聲波輔助冷凍對蘑菇冷凍質量的影響，結果表明，超聲波的應用（0.39 W/cm，20 kHz）顯著降低了解凍過程中的滴水損失。然而，組織內水分含量的減少導致冷凍后蘑菇彈性降低，并且由于超聲引起空化和微流，蘑菇中多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和過氧化物酶（peroxidase，POD）的活性顯著降低。Cheng等[25]在對草莓樣品凍結和成核的研究結果中顯示，超聲波的應用可以使樣品在較低的過冷度下引發成核，并且超聲溫度與草莓過冷度之間呈線性關系。因此，適當的超聲波溫度和超聲功率的應用可以有效地控制易腐爛的水果的成核和冷凍過程。然而，果蔬含有不同含量的空氣、碳水化合物和其他一些可以充當冰核的成分，復雜的系統導致了不同的成核溫度[8]。Miano等[26]研究了超聲波在甜瓜塊和低水分活度食品中增強傳質的過程，發現在水分活度不同的樣品中，增強傳質過程的效應有所差異，空化作用作為直接效應在甜瓜塊內產生了微通道以促進傳質，而微流作為間接效應增強了低水分活度食品中的傳質過程。

2.2 肉類食品

研究表明，功率超聲處理會誘導食物蛋白質的修飾，從而改善功能特性，如溶解度、乳化作用及凝膠特性等[26]。肉類含有豐富的蛋白質，因此很容易受到超聲波的影響。一般來說，超聲波可以在肉類組織中通過破壞肌肉細胞的完整性和促進酶促反應這兩種方式來發揮作用。超聲波在肉類制品的加工過程中應用較多，如改善肉的嫩度、加速肉的成熟過程、提高持水性和抑制微生物的生長等[27]。此外，超聲波在肉類的解凍中應用較廣泛，可以通過減少滴水損失來提高產品的質量[28]。然而，對于超聲波輔助冷凍肉和肉類制品的研究較少。Zhang 等[29]研究了在超聲波輔助冷凍過程中，應用不同的超聲功率對豬背最長肌冷凍速率和質量的影響。結果表明，施加180 W 的超聲功率效果最好，顯著降低了冰晶的尺寸，使其在組織內的分布更均勻，同時降低了結合水和游離水的流動性。然而，功率超聲處理對樣品解凍后的a*、b*值沒有顯著影響，這可能是因為樣品解凍后肌紅蛋白恢復了其天然構象并恢復了顏色。基于以上的研究，Zhang 等[30]繼續研究了在最優的超聲條件下，超聲波輔助冷凍在貯藏期間對豬背最長肌微觀結構、質量、水分分布等變化的影響。結果證明，與空氣冷凍和浸漬冷凍相比，經超聲波輔助冷凍后的樣品，其冰晶分布均勻，解凍損失與蒸煮損失顯著降低，減少了水分遷移，同時脂質氧化得到了有效的控制。

2.3 水產品

冷凍是水產品常用的保藏方法之一，可以最大程度地維持水產品的新鮮度。然而，冷凍方式對水產品的質量有至關重要的影響。空氣鼓風凍結仍然是目前應用最廣泛的凍結方式，但會在水產品內形成較大的冰晶，冰晶的生長不僅會對肌肉纖維和細胞造成破壞[31]，還會導致蛋白質變性，造成解凍后汁液損失嚴重，品質下降。同時，傳統冷凍方式存在能耗大、溫度易波動等缺點。因此，有待于研究應用新型冷凍技術使冰晶細小均勻地分布，減小冰晶對水產品內部組織的損傷，維持水產品質量。向迎春等[32]研究了超聲輔助凍結中國對蝦的冰晶狀態與水分變化，發現只需130 s即可通過最大冰晶生成帶，且與傳統冷凍方式相比，凍結速率快，對組織的破壞程度最小。Sun 等[33]的研究結果顯示，超聲波輔助冷凍與傳統冷凍方式相比，能減少凍藏過程中冰晶對鯉魚肌肉組織的損害，使其組織具有最小的冰晶直徑，顯著降低了結合水與游離水的流動性，從而降低了解凍損失。同時，超聲波輔助冷凍處理后的鯉魚肌肉組織具有更高的蛋白質熱穩定性，并減少了凍藏期間樣品中TVB-N 的形成。Sun 等[34]隨后證明了超聲波輔助冷凍功率的不同對鯉魚的冷凍速率及質量有較大影響，在適當的超聲功率（175 W）下，可以顯著降低樣品冷凍時間，提高凍品質量。而施加較高的超聲功率時，由于空化泡的破裂產生高溫和高壓，反而降低了冷凍速率。同時，施加適當的超聲功率，可以有效地保持蛋白質的結構及其熱穩定性，較高的超聲功率會破壞局部氨基酸序列或分子間相互作用，從而破壞蛋白質結構，導致蛋白質變性[35]。Gao等[36]研究了在超聲波輔助冷凍草魚魚糜過程中添加水溶性大豆多糖對凍藏過程中魚糜質量變化的影響。結果表明，水溶性大豆多糖與超聲波輔助冷凍發生了協同作用，可同時用于防止魚糜中Ca2+-ATPase 活性的降低。當使用300 W 功率進行超聲冷凍處理時，可以顯著提高魚糜冷凍效率，同時改善冷凍魚糜質量。然而，超聲波輔助冷凍在水產品上的應用研究較少，需進一步拓展和深入。

2.4 面類食品

在面包、饅頭、糕點等食品的運輸與加工過程中，常在半成品階段把面團凍藏一段時間，待需要時再解凍進行后續生產加工，直至成品。冷凍面團的質量直接影響了后續的加工過程，因此，已有研究將超聲波應用于面團的冷凍過程中。Hu 等[37]在25 kHz 與5 種不同超聲功率水平下研究了超聲波對冷凍面團質量和微觀結構的影響，發現超聲功率在288 W 或360 W時，凍結總時間縮短了11%以上。并且，在冷凍面團內部形成了大量細小的冰晶，改善了面團的質量。此外，Song 等[38]在超聲輔助冷凍濕面筋過程中發現，超聲空化作用促進了濕面筋中冰的初級和次級成核，使其內部形成了細小且均勻的冰晶，有利于減小面筋網絡的裂化，改善冷凍濕面筋的質量。

3 結論與展望

作為一種新型的食品冷凍技術，超聲波輔助冷凍能夠有效地提高傳熱傳質效率、控制成核與結晶過程，提高冰晶的質量和數量，提高冷凍速度的同時降低冷凍對食品組織結構的損傷，改善冷凍食品品質。其空化效應與微流效應能較好地保持食品的微觀結構，具有提高冷凍食品持水性和蛋白質穩定性、修飾食品質構等優點。因此，超聲波輔助冷凍技術在食品冷凍研究和應用中有著廣闊的應用前景。但另一方面，超聲波輔助冷凍技術的一些基礎性研究尚有待完善，超聲波輔助冷凍的機理尚未形成統一的理論，超聲波與其他技術聯合使用時的相互作用機理、對復雜體系中的成核及冰晶生長方面的影響機制等都有待進一步研究。此外，超聲波輔助冷凍技術目前并不是一種成熟的標準化技術，盡管已有一些商業設備開始使用，但發展規模不大，目前仍主要處于實驗室研究階段，因此，與其相關的應用程序和工業設備也亟待開發和推廣。