食品冷冻保藏技术综述

食品冷冻保藏技术综述 摘要:冷冻贮藏对食品保藏和运输具有重要意义，冷冻食品加工行业发展势头良好，与食品冷冻相关的理论与技术也有长足的进展。本文介绍了与食品冷冻过程相关的传递、玻璃化转变和冰结晶理论的现状和进展，指出由食品物料及其在冷冻过程变化的特殊性所引起的建立系统的食品冷冻理论的复杂性;综述了超声强化冷冻、高压冷冻、冷冻蛋白技术、CAS冻结系统和冰温技术的简要原理，及其在食品行业的应用进展。 关键词:冷冻食品;冷冻技术;冷冻理论 第一章:前言 冷冻加工能减缓食品劣变及病原体微生物的生长，降低绝大多数生化反应速度，在各种食品加工手段中具有高度的安全性。用冷冻贮藏的方法保藏和运输易腐食品具有重要的意义，在食品工业中应用十分广泛。冷冻食品具有卫生、食用方便、营养合理、能耗低及减轻家务劳动等优点，因而近年来风靡欧、美、日本。然而，我国的冷冻食品行业与发达国家相比还有较大差距。此外，冷冻干燥食品、冷冻浓缩食品、冷冻粉碎食品等食品在加工流程中采用了冷冻技术，使这些食品在品质、营养和安全方面具有明显优点。因此，发展冷冻食品将成为我国食品结构改革的重要方向之一，冷冻食品业将是我国食品加工领域新兴的主力军。近年来，随着科学技术的发展，食品冷冻相关的理论和技术也有相应的进展。 1.1食品冷冻理论现状和进展 1.1.1食品冷冻传递理论 从化工传递理论的角度看，食品冷冻是食品物料内部固相和液相之间热量和质量传递的过程，冷冻中食品所丧失的总焓取决于温度变化、比热和样品质量。建立食品冷冻过程的传热和传质数学模型，需要准确性较高的热学物理参数和传热传质系数。但是，由于各种食品的组成成分不同，尺寸不一，含水量各异，冻结部分和非冻结部分密度、热导、热容之间的显著差异，而且这些参数在冷冻过程具有不确定性和难以测定，因此，利用简单的分析方程与数值显示计算难以准确反应食品冷冻的传递过程。近年来，计算流体动力技术(CFD)为食品冷冻传递过程的模拟提供了一个很好的工具，它能很好地探测到真实和复杂的食品形状的传热和传质系数的局部变量。Hu和Sun模拟了圆柱状熟肉在气流冷冻的热量和质量传递冷冻模式，利用CFD的CFX软件来计算传热系数的平均值。在此基础上他们对传热模型作了进一步改进，通过测定食品内部局部热传递系数的变化建立起表面空间三维立体传热模型，但是没有利用CFD计算冷冻过程的质量传递。值 得指出的是，由于食品物料往往是结构比较复杂的生物材料，冷冻过程中食品内部细胞与细胞之间的热量和质量传递是微尺度的介观传递过程，从描述宏观过程 [1]的传递理论出发难以建立一个准确的数学模型来描述冷冻过程。 1.2玻璃化转变理论 有关冷冻过程食品物料的玻璃化转变的理论主要基于聚合物的玻璃化转变理论——热力学理论和自由体积理论。主流的热力学理论认为玻璃化转变是一个非平衡的动力学过程，即玻璃化转变不同于结晶相变，玻璃态的形成主要取决于动力学因素。在食品冷冻过程中则取决于冷冻速率，冷却速率较慢时，液相中食品物料析出的速率低于或等于晶体的形成和生长速率，即可形成晶体;一旦冷却速率足够快，析出速率可以超过晶核形成和长大的速率，即可生成玻璃体。但是，也有理论认为理想玻璃化转变为具有平衡性质的二级相转变。自由体积理论则认为，固体或液体的体积包括两部分，一部分是分子已经占据的占有体积，另一部分为未被占据的自由体积，自由体积提供分子运动所需要的空间。温度足够低时，自由体积冻结，分子运动性低，即到达所谓的玻璃态。食品冷冻过程物料的玻璃化转变相关研究认为，食品材料的分子与人工合成聚合物的分子间有着最基本、最为普遍的相似性。通过对食品冷冻过程玻璃态及玻璃化转变的研究，可以把冷冻食品的结构特性与其功能联系起来，用于解释预测冷冻食品加工、储藏中的质 [2]量、安全性和稳定性问，为研究食品冷冻过程开辟了一个新的领域。 1.3冰结晶理论 从热力学角度看，食品冷冻过程其实质是食品物料中水分从液态转变为固态的冰结晶相变过程。由于在大气压下，冷冻过程水结晶成冰的过程体积膨胀，0?时体积增大9%，-20?时体积增大约13%。一般认为，食品在冷冻后品质降低的主要原因就是因为冰晶膨胀压对食品的破坏造成的。因此，研究食品冷冻过程中冰晶体的成核和生长过程及其粒数衡算有助于获得改善冷冻食品品质。由于食品物料中的冰结晶不仅不同于一般的溶液结晶，与自由水中的冰结晶过程也有明显区别。食品物料中可结晶水分存在于溶解有多种无机与有机化合物、小分子与大分子化合物的复杂溶液体系之中，其结晶过程是在温度差推动力下，存在于复杂溶液体系中水在食品组织间隙的微尺度空间内转化为冰的过程，因此，要建立完善的理论用以指导食品冷冻过程的冰结晶过程还需要不断的努力和实 [3]践。 第二章:食品冷冻技术进展 近年来，虽然食品冷冻相关理论进展缓慢，但是随着工程技术的发展，在食品冷冻研究和应用领域出现了多项新技术。 2.1超声食品冷冻技术 超声食品冷冻技术是将功率超声技术和食品冷冻相互耦合，利用超声波作用改善食品冷冻过程。其潜在的优势在于超声可以强化冷冻过程传热、促进食品冷冻过程的冰结晶、改善冷冻食品品质等方面。超声波作用引发的各种效应，能使边界层减薄，接触面积增大，传热阻滞减弱，有利于提高传热速率，强化传热过程。研究表明，超声波能促进冰结晶的成核和抑制晶体生长。另外，超声冷冻技术仅仅在食品冷冻过程中施加超声波外场能量而不需添加任何添加剂改善品质，符合现代食品工业发展绿色食品的方向。有关超声食品冷冻技术应用已有研究报道。超声对制造冰冷糖果影响的研究表明，超声辐照所产生的冰晶体的粒度明显减少，在固体中分布更均匀，这就使冰冻糖果比常规产品更坚硬，并且使冰冻糖果与木质手柄结合得更牢固，增加了产品在消费者中受欢迎的程度。爱尔兰的Sun等学者根据功率超声所产生机械效应和空化效应的特点，将超声食品冷冻技术应用于马铃薯的冷冻过程，结果表明，在25kHz、15.8W的超声波辐照下，冷 [4]冻速率提高，冷冻后土豆的微观品质提高。 2.2高压食品冷冻技术 在不同压力环境中，水相变形成的冰晶密度不同。在大气压下水冷冻形成的冰晶，即?型冰晶，其密度低于液态水的密度;而水在高压下冷冻时，可以形成密度比水大?型-?型冰晶，结晶构造也复杂。高压食品冷冻技术利用压力的改变控制食品中水的相变行为，在高压条件(200,400MPa)下，将食品冷却到一定温度，此时水仍不结冰，然后迅速解除压力，在食品内部形成粒度小而均匀的冰晶体，而且冰晶体积不会膨胀，能够减少对食品组织内部的损伤，获得能保持原有食品品质的冷冻食品。高压食品冷冻技术应用实例包括:Martino等人比较了大块猪肉分别经高压冷冻(200MPa、-20?)、空气喷射冷冻和液氮冷冻后的品质和结构，发现无论是在食品表面还是中心，高压冷冻技术所获得的冰晶最小，而且样品微观结构受热梯度、冰晶不均匀分布所形成的内应力损坏最小。有研究发现，在400MPa，-15?下采用高压冷冻的马铃薯的结构基本没有变化，破裂程度明显下降，对色泽的影响明显低于常规的气流冷冻，而且，经高压冷冻的马铃薯试样汁液中溶解物的浓度较低。值得注意的是，高压冷冻技术适宜的压力范围为200,400MPa，低于或高于这个范围所得冷冻食品的品质都有不同程度的下降。[5] 2.3 冰核细菌和生物冷冻蛋白技术 生物冷冻蛋白单体加速冰核形成的能力(冰核活性)低，当其形成多聚体后，则具有很强的冰核活性，这种蛋白多聚体可以作为水分子冷冻结晶的模板，在略低于0?的较高冷冻温度下诱发和加速水的冷冻过程。能产生这种生物冷冻蛋白的细菌被称为冰核细菌，常见的冰核细菌包括丁香假单胞菌属、欧文氏菌属、黄单胞菌属。 目前，在待冷冻食品物料中添加冰核细菌的冷冻技术在食品冷冻干燥和果汁冷冻浓缩中已有应用，它是生物技术在食品中的一项独特应用。特别在食品冷冻浓缩方面，利用冰核细菌辅助冷冻的优势在于:可以提高食品物料中水的冻结点，缩短冷冻时间，节省能源;促进冰晶的生长，形成较大尺寸的冰晶，在降低冷冻操作成本的同时，使后续的冰晶与浓缩物料的分离变得容易;使食品物料在冰晶上的夹带损失降低，提高了冰晶纯度，减少固形物损失。采取在食品物料中直接添加胞外生物冷冻蛋白聚体取代添加冰核细菌的方法在食品冷冻方面也取得了较好的成效。有研究表明，细菌胞外冰蛋白的活性比整个冰核细胞更高，而且所获得的冰晶体变成了有序的纤维状薄片结构，有效改善了质地和提高了冷冻效 [6]率。 2.4 CAS冻结系统和冰温技术 CAS(Cell Alive System)是一种与以往的冻结系统不同的新型冻结系统，食品在CAS中即使冻结，细胞也不至坏死，解冻后其鲜度可最大限度回复到冻结前的状态。CAS冻结系统是由动磁场与静磁场组合，从壁面释放出微小的能量，使食品中的水分子呈细小且均一化状态，然后将食品从过冷却状态立即降温到-23?以下而被冻结。由于最大限度抑制了冻晶膨胀，食品的细胞组织不被破坏，解冻后能回复到食品刚制作时的色、香、味和鲜度，且无液汁流失现象，口感和保水性都得到较好保持。冰温是处在冷却与冻结之间的温度带，即0?以下至冻结点以上的未冻结温度区域。冰温技术是通过添加有机或无机物质降低食品冻结点，扩大冰温带，使食品保持在尽量低的未冻结温度。冰温技术已经在食品贮藏、后熟、干燥和流通等领域内应用。在食品贮藏方面，利用冰温技术贮藏水果和蔬菜，可以抑制果蔬的新陈代谢，使之处于活体状态，减少冰晶对组织结构的损伤，与冷藏相比其贮藏期得到显著延长，在色、香、味、复原性、鲜度和口感方面都大大提高。在冰温环境下后熟，不仅能抑制细菌的繁殖，而且能减少后熟食品(肉类、果蔬、面制品等)中与腐败有关的挥发性含氮物质(如氮碱VBN、三甲胺等)的生成，增加与香味有关的氨基酸浓度，还可促进游离氨基酸和多种芳香成分的 [7]合成。 2.5 气调技术 气调技术又称为气调贮藏(Controlled Atmosphere，简称CA)或气调冷藏法，是人为改变储藏库内的空气组成特别使CO和O的浓度，来冷藏水果、蔬菜、,, 食品的方法。延长果蔬贮藏时间的关键是降低呼吸速率。气调贮藏正是将食品控制在适宜的温度下，改变冷藏环境中的气体成分，从而减少其体内物质的消耗， [8]实现食品的保鲜，延缓果蔬衰老，延长贮藏期。 第三章:总结 冷冻食品符合“绿色食品”“方便食品”“保健食品”的三大食品发展趋势，冷冻食品行业发展势头良好。但是，与冷冻食品相关的理论和新发展的冷冻食品技术还需不断完善。在冷冻理论方面，能够准确描述冷冻传热和冰晶成核生长的模型尚未建立，食品冷冻工艺的确定还需借助于经验。新型冷冻技术要广泛应用于生产实际还需解决理论与实际问题，例如，超声食品冷冻技术还需深入探讨存在于复杂溶液体系中的水转变为冰晶的过程中超声的作用机理;高压食品冷冻技术还需解决高压作用对食品营养物质(特别是蛋白质)可能存在的影响;而冰核细菌和生物冷冻蛋白在食品物料中残留影响及其消除方法还得进一步研究。当然，随着冷冻食品产量和种类的日益增大，相关科学技术的不断进步，冷冻食品理论和技术必将有长足发展。 参考文献 [1]林志民.中国冷冻食品工业的现状与发展趋势[J].冷饮与速冻食品工业,2002,12(4):34,36. 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