凍融方法對果蔬品質維持的研究進展

徐曈暉，李洋*

東北林業大學工程技術學院（哈爾濱 150040）

果蔬食品的價值取決于品質的新鮮程度。果蔬在采收后品質下降迅速，不宜長時間儲藏，易失去食用和加工價值，從而造成經濟損失。冷凍是延長食品新鮮品質的有效保存方法，且有研究表明，冷凍果蔬的營養價值不低于新鮮果蔬[1]。但物料在凍融過程中受冷凍效率、凍藏溫度和時間等因素的影響，易出現品質劣變和結構損傷等凍害現象，導致復溫后出現褐變加速、汁液流失等問題。所以冷凍食品的品質很大程度上取決于凍融方法的選擇，冷凍效率高、形成冰晶小、解凍傳熱速率快、細胞結構損傷小，冷凍果蔬的品質維持得越好。

近幾年，隨著速凍和解凍技術的發展和對凍融過程研究的深入，研究者們開始關注更高效的凍融方法，如低溫液氮冷凍，食品玻璃態的凍藏溫度，電場、磁場等輔助解凍技術，生物抗凍蛋白劑的使用等等。這些技術的應用既有效延長了食品的新鮮品質、提升冷凍果蔬品質，同時也滿足了食品鮮食和加工的需求，創造更大的經濟價值。通過介紹國內外對果蔬凍融方法的研究現狀，從色澤、質構特性、營養物質和改良抗凍性這幾個角度出發，論述其對品質保護的作用機理和關鍵效果，期望能夠為該方向的科研工作者提供一定的思路和啟發。

1 凍融過程的特點簡析

凍融過程主要由快速冷凍、低溫儲藏和復溫解凍三部分組成。在低溫冷凍階段，物料通過冷凍處理，以實現新鮮品質的延長；在復溫解凍階段，利用熱傳導原理對冷凍物料進行解凍，保證其可食用性和可加工性。在冷凍階段，雖然不同果蔬的冷凍特性不同，但是根據食品聚合理論以及近年來對冷凍研究特性的研究表明，過冷度大的冷凍方法在細胞內形成冰晶細小、分布均勻、結構損傷小，冷凍保存效果也越好。不同于凍融處理的連續冷凍解凍過程，作為長時間的儲藏過程，凍融過程中有較長時間靜態的凍藏期，且研究表明在凍藏期溫度的波動越大，物料表面結霜越嚴重，這也顯示溫度穩定的重要性。在解凍階段，為保持較好的冷凍果蔬品質，傳熱效率高。總的來說，完整的凍融過程應包括凍前預處理、快速冷凍、低溫凍藏和高效解凍四個階段。

2 凍融方法對果蔬品質保護研究

2.1 對果蔬色澤保護的研究

果蔬在凍融過程中色澤下降主要有兩個原因：細胞結構在凍融過程被破壞導致酶促反應加劇、解凍過程發生色素降解的非酶促反應。在緩慢的凍融方式下，細胞膜結構被破壞，酶與反應底物接觸增多，解凍后細胞內酚類物質在酶的作用下（多酚氧化酶、過氧化酶）氧化成醌類，進而聚合形成褐色物質引發組織色變。非酶促褐變主要由非酶化學反應以及色素降解造成色澤下降，例如機械碰撞損傷、焦糖化反應、美拉德反應、維生素C氧化分解、多元酚氧化縮合反應等，造成色澤下降。所以在凍融過程中，進行適當的預處理是減緩色澤下降的必要步驟。

早期的研究發現，通過溫度激化預處理，例如進行燙漂或者冷激處理，能達到鈍化酶活性，減緩果蔬在儲藏期間色澤的下降程度；同時溫度激化在一定程度上提高了果實的抗冷性，合適的激化方式能有效減輕或抑制冷害的現象。劉玉杰[2]以菠菜、青椒、番茄為試材，發現冰溫（-1 ℃）冷激處理能夠誘導活性氧清除酶活性的升高，平衡SOD、CAT、POD協調作用，抑制MDA和膜透性的升高，降低細胞膜結構損傷程度，維持感官品質，延長貯藏期。Mazzeo等[3]探究工業冷凍工藝對蔬菜色澤影響時發現，經熱燙處理后的蔬菜，凍藏后綠色度有所增加，色澤的保留度較高。朱東興等[4]對速凍小松菜進行護綠研究，發現預先由碳酸氫鈉濃度為0.26%和氯化鈉濃度為0.31%的混合護色劑處理后，在95 ℃下燙漂89 s后再進行速凍處理，結果表明該方法對速凍小松菜凍藏期的護綠保護效果較好。梁東武等[5]在研究速凍荔枝裂果現象時發現，通過沸水燙漂7 s能夠較好保護果皮顏色和果皮質構，同時能降低速凍處理后裂果率。

隨著對細胞內酶活性的研究展開，研究發現大多數褐變酶的最適pH在4.0～8.0，且環境的酸堿度變化能影響酶活性。護色劑浸泡利用這一原理，通過改變細胞環境酸堿度使得多酚氧化酶失活、減緩褐色物質生成，或將褐色產物通過化學反應重新生成無色的物質，起到護色目的。劉俊圍等[6]通過分析4種單一護色劑對速凍香蕉褐變的抑制率，配制比例為L-半胱氨酸濃度0.14%、植酸濃度1.32%、EDTA-2Na濃度1.28%、D-異抗壞血酸鈉濃度1.70%的混合護色劑對速凍香蕉的護色效果最好。Abd-Elhady[7]將草莓用0.4%檸檬酸和1%乳酸鈣復合護色劑浸液處理后進行速凍，有效改善了草莓在速凍后的色澤下降情況。王冉冉等[8]按照護色+燙漂+干冰速凍+（-18±0.5）℃低溫貯藏的處理步驟，聯合處理切塊紫甘藍，結果表明該聯合處理方法在28 d貯藏期后相較于單一處理，保鮮效果最佳。胡燁等[9]以雙孢蘑菇為對象，經3.0 g/L異抗壞血酸鈉、1.5 g/LL-半胱氨酸、0.4 g/L抗壞血酸、10.0 g/L檸檬酸復合護色劑浸泡30 min后，通過-80 ℃冷凍25 min、4 ℃解凍60 min的凍融條件處理雙孢蘑菇，雙孢蘑菇片汁液流失率最低，色澤接近新鮮樣品，水分含量高，能夠滿足加工需求。

2.2 對質構特性保護的研究

完整細胞結構和細胞液內外壓差構成了果蔬食品的質構特性，凍融過程引發質構變化可能有幾種原因：①冷凍解凍過程中發生蒸騰現象，導致細胞失水，表面軟塌。②低溫情況下一些水解酶依然保有較好的活性，對細胞膜依然有降解的作用，使得解凍后細胞結構松散而出現軟化的現象。依據“食品聚合物科學”的理論[10-11]：在足夠快的冷卻速率下，所有的水溶液都可迅速通過結晶區而不發生晶化，過冷成為玻璃態固體，從而避免了結晶可能引起的各種損失，細胞形態得以較好的維持。且試驗結果均表明，慢速冷凍比快速冷凍造成的細胞損傷更大[12-13]。

浸漬冷凍和液氮冷凍因其過冷度大、冷卻速度快而被廣泛應用，再輔助其他技術，通過影響冷凍過程中冰晶成核的速率，減緩冰晶造成的損傷，有效維持果蔬的細胞結構。Liang等[14]采用-35 ℃浸漬冷凍10 min的方法對荔枝進行速凍，之后立即轉到-18 ℃冷凍儲藏室儲藏6個月。相比于空氣冷凍的荔枝在解凍后硬度下降明顯和快速褐變，浸漬冷凍的荔枝在解凍后色澤與質地保留度較高。Zhu等[15]采用液氮噴霧速凍的方法對枸杞進行處理，發現解凍后水分分布較接近新鮮樣品，內表皮細胞結構損傷較低。程新峰[16]在研究草莓凍融過程中發現，通過輔助低頻超聲波的方式，冷凍時能較好地維持草莓的微觀結構和硬度，顯著降低了樣品解凍后的汁液流失率。Jha等[17]利用低能微波輔助的冷凍方法，對蘋果和土豆進行冷凍并對其微觀結構分析，結果發現微波輔助冷凍過程比傳統冷凍方式造成的損傷小。Tu等[18]用超聲波輔助聯合液氮浸漬冷凍的方法處理蓮藕，有效維持了蓮藕的質地和感官，微觀結構保持較好。王亞會等[19]用直流磁場輔助凍結西蘭花，結果表明在輔助磁場的情況下，生成冰晶損傷小，西蘭花質地保存良好。

還有研究發現，在速凍預處理階段，通過加入糖溶液或者含鈣離子的鹽溶液可以維持果蔬硬度：加入糖溶液進行滲透脫水，降低細胞內的水分，減少冰晶在細胞間形成，達到保護細胞結構的目的；鈣離子能夠與細胞膜進行交聯，形成硬質結構，保護細胞結構。趙金紅等[20]用40%的混合糖液對芒果進行滲透脫水預處理，然后置于-55 ℃玻璃態凍藏5個月。結果表明滲透脫水聯合玻璃態處理在長時間儲藏下能有效改善芒果的質地。鞠國泉等[21]用2.0%的乳酸鈣浸泡作為速凍草莓的前處理，在速凍后硬度顯著上升，抑制pH上升效果明顯，延緩了凍藏期花色苷變化。

2.3 對營養物質保護的研究

果蔬在凍藏期內，營養物質例如維生素C、酚類物質、果膠和花色苷等依然會發生緩慢的降解。不僅如此，凍藏期內的溫度波動導致冰晶的無序生長，也破壞了細胞內微觀結構，導致品質下降。在以土豆為對象的研究中，Ullah等[22]發現凍藏溫度波動越大，出現重結晶現象越多，導致冷凍土豆的細胞孔隙數量減少，孔隙尺寸增大，品質下降明顯，Kumar等[23]對冷凍土豆進行氣孔分析也驗證了這一結果。為了最大程度保留營養物質，玻璃態凍藏方法被廣泛關注。Zhang等[24]考察芒果在玻璃態凍藏溫度（無溫度波動）條件，凍藏6個月之后發現，與部分凍結濃縮態和橡膠態相比，玻璃態貯藏能夠更好地保持芒果的品質。Xu等[25]研究芹菜在玻璃態溫度凍藏時發現，溫度波動會影響細胞紋理、結構、流動狀態，在凍藏一個月后無溫度波動環境的芹菜品質損失最小。值得注意的是，玻璃態溫度的玻璃態儲藏中的果蔬在后期水分子活動程度變大，依然會導致品質下降，所以要避免凍藏溫度大于Tg（玻璃態轉換溫度）和Tm（凝結態溫度）值，達到延長儲藏時間和維持品質水平的目的。

解凍溫度升高的同時也加速了營養物質的降解速率，而果蔬中維生素主要可分為水溶性維生素和脂溶性維生素，汁液流失程度大、細胞結構損傷嚴重也會導致維生素的流失，從而失去食用價值和加工價值。有研究表明，在解凍時通過輔助磁場、超聲波等方式提高解凍時的傳熱效率，可以減少細胞內外由相態差異引起的結構損傷，達到減緩汁液流失和營養物質降解的目的。Liu等[26]采取超聲波輔助的方法解凍芒果，試驗結果表明，在25 ℃條件下，較高的超聲波強度（0.074～0.123 W/mL）有助于提高解凍效率和保留營養質量含量。陳曉維等[27]以速凍桑椹為試驗對象，對比微波解凍、超聲波解凍和水浴解凍后的品質情況。結果表明，雖然超聲波解凍時間稍長于微波解凍，但是超聲波解凍后的速凍桑椹在榨汁后的出汁率高，桑椹汁pH、可滴定酸含量和可溶性固形物含量與新鮮桑椹汁差異最小，營養物質保留情況由于微波解凍，更適于解凍加工。

2.4 對生物抗凍性的研究

從生物工程的角度來看，提高生物抗凍性、增強食品在溫度脅迫環境中的適應能力是維護食品凍融過程品質的一種方法。抗凍蛋白（Antifreeze proteins）作為生物抗凍劑的一種，能附著在細胞膜表面，能在冷凍過程中對冰晶的生成有修飾作用，從而減小冰晶的無序生長對細胞的損傷。

在進行冷凍之前通過高壓浸漬的方式，將抗凍蛋白注入到果蔬細胞中，使其提高低溫中的抗凍能力而維持品質。Provesi等[28]通過提取冷馴化沙棘葉中抗凍蛋白，并用真空滲透的方法對楊桃進行預處理后凍藏。楊桃果實在凍藏60 d解凍后硬度保持不變，表明抗凍蛋白可以提高果蔬的冷凍品質。Kim等[29]從黃粉蟲幼蟲中提取抗凍蛋白，并對黃瓜、胡蘿卜、西葫蘆和洋蔥四種樣品進凍前預處理，通過對照試驗得出，經過抗凍蛋白處理過的果蔬在冷凍儲藏13 d后其斷裂力幾乎無變化，其中黃瓜的質地保存最好，表明黃粉蟲抗凍蛋白在抑制冰晶形成和保持冷凍蔬菜品質方面具有潛在的價值。Kong等[30]使用三種基于天然防凍肽的合成物（AFPW，DCR26和DCR39）對胡蘿卜進行處理，研究在凍融過程中該合成物對胡蘿卜的抗凍性的表現。通過掃描電鏡和氣相色譜儀對凍藏4周后的胡蘿卜進行觀測，發現人工抗凍蛋白在減少汁液損失和保持冷凍胡蘿卜色澤、結構、質地和揮發物方面起到改善作用，表明這些抗凍肽能在一定程度上提高胡蘿卜抗凍性。但抗凍蛋白的提取過程可能會摻雜一些不可食用細菌而存在安全隱患，所以抗凍蛋白在食品加工業的推廣還需要進一步研究。

3 結語與展望

總結了近年來關于凍融過程對果蔬品質影響的相關研究，經過研究者們的不斷探索取得了一系列的進展：在冷凍階段，通過輔助護色劑、生物抗凍劑、溶液浸漬等方式，聯合液氮速凍，維護了冷凍果蔬感官品質。由于果蔬品種不同和組織特性的差異，即便是同種果蔬，可能在輔助方法的選取上不一致。在凍藏階段，玻璃態凍藏理論能保持果蔬細胞的相態穩定性，降低在低溫環境下營養物質的消耗，延長冷凍果蔬的儲藏期，但是玻璃態溫度的調整和防止凍傷的出現還需進一步研究。在解凍階段，研究者們通過輔助微波、超聲波等方式來減少細胞復溫不均衡導致的細胞形態和功能的損傷，提升復溫后食品的質量。但是輔助場解凍受限于食品種類，以及所加的電、磁場的類型和強度而導致試驗結果存在不確定性。

隨著果蔬銷售加工業的逐漸增多，對果蔬進行長時間運輸和儲藏成為常態化，冷凍果蔬的品質變得尤為重要。冷凍果蔬的品質與凍融過程中預處理方法、冷凍方式、凍藏條件、解凍方式等因素密不可分。現階段，我國對于完整的冷鏈凍融體系的研究較少，多數集中在某個單一環節，所以推動建立完整的凍融體系、完善相關的技術標準，對護速凍果蔬品質和果蔬冷鏈發展具有重要意義。