摘要.冷凍食品的質量與冷凍過程密切相關,食品冷凍時,由于冰晶的大小與分布不同,造成食品組織結構的機械損傷和破壞,是冷凍食品質量下降的主要原因。各種不同的凍結方法使食品的凍結速度存在很大的差異,凍結速度的不同使食品中產(chǎn)生的冰晶的大小、存在位置等方面有很大區(qū)別。
關鍵詞: 冷凍食品, 冷凍技術, 冷凍理論
1 食品冷凍理論現(xiàn)狀
1.1 食品冷凍傳遞理論
   從化工傳遞理論的角度看, 食品冷凍是食品物料內(nèi)部固相和液相之間熱量和質量傳遞的過程, 冷凍中食品所喪失的總焓取決于溫度變化、比熱和樣品質量。建立食品冷凍過程的傳熱和傳質數(shù)學模型,需要準確性較高的熱學物理參數(shù)和傳熱傳質系數(shù)。但是, 由于各種食品的組成成分不同, 尺寸不一, 含水量各異, 凍結部分和非凍結部分密度、熱導、熱容之間的顯著差異, 而且這些參數(shù)在冷凍過程具有不確定性和難以測定, 因此, 利用簡單的分析方程與數(shù)值顯示計算難以準確反應食品冷凍的傳遞過程。
  值得指出的是, 由于食品物料往往是結構比較復雜的生物材料, 冷凍過程中食品內(nèi)部細胞與細胞之間的熱量和質量傳遞是微尺度的介觀傳遞過程,從描述宏觀過程的傳遞理論出發(fā)難以建立一個準確的數(shù)學模型來描述冷凍過程。
1.2 玻璃化轉變理論
   有關冷凍過程食品物料的玻璃化轉變的理論主要基于聚合物的玻璃化轉變理論——熱力學理論和自由體積理論。主流的熱力學理論認為玻璃化轉變是一個非平衡的動力學過程, 即玻璃化轉變不同于結晶相變, 玻璃態(tài)的形成主要取決于動力學因素。在食品冷凍過程中則取決于冷凍速率, 冷卻速率較慢時, 液相中食品物料析出的速率低于或等于晶體的形成和生長速率, 即可形成晶體; 一旦冷卻速率足夠快, 析出速率可以超過晶核形成和長大的速率, 即可生成玻璃體。但是, 也有理論認為理想玻璃化轉變?yōu)榫哂衅胶庑再|的二級相轉變。自由體積理論則認為,固體或液體的體積包括兩部分, 一部分是分子已經(jīng)占據(jù)的占有體積, 另一部分為未被占據(jù)的自由體積,自由體積提供分子運動所需要的空間。溫度足夠低時, 自由體積凍結,分子運動性低, 即到達所謂的玻璃態(tài)。
   食品冷凍過程物料的玻璃化轉變相關研究認為, 食品材料的分子與人工合成聚合物的分子間有著**基本、**為普遍的相似性。通過對食品冷凍過程玻璃態(tài)及玻璃化轉變的研究, 可以把冷凍食品的結構特性與其功能聯(lián)系起來, 用于解釋預測冷凍食品加工、儲藏中的質量、安全性和穩(wěn)定性問題, 為研究食品冷凍過程開辟了一個新的*域。
1.3 冰結晶理論
   從熱力學角度看, 食品冷凍過程其實質是食品物料中水分從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的冰結晶相變過程。由于在大氣壓下, 冷凍過程水結晶成冰的過程體積膨脹, 0℃時體積增大 9%, - 20℃時體積增大約 13%。一般認為, 食品在冷凍后品質降低的主要原因就是因為冰晶膨脹壓對食品組織結構的破壞造成的。因此, 研究食品冷凍過程中冰晶體的成核和生長過程及其粒數(shù)衡算有助于獲得改善冷凍食品品質。由于食品物料中的冰結晶不僅不同于一般的溶液結晶, 與自由水中的冰結晶過程也有明顯區(qū)別。食品物料中可結晶水分存在于溶解有多種無機與有機化合物、小分子與大分子化合物的復雜溶液體系之中, 其結晶過程是在溫度差推動力下, 存在于復雜溶液體系中水在食品組織間隙的微尺度空間內(nèi)轉化為冰的過程, 因此, 要建立完善的理論用以指導食品冷凍過程的冰結晶過程還需要不斷的努力和實踐。
2 食品冷凍技術進展
   近年來, 雖然食品冷凍相關理論進展緩慢, 但是隨著工程技術的發(fā)展, 在食品冷凍研究和應用*域出現(xiàn)了多項新技術。
2.1 超聲食品冷凍技術
   超聲食品冷凍技術是將功率超聲技術和食品冷凍相互耦合, 利用超聲波作用改善食品冷凍過程。其潛在的優(yōu)勢在于超聲可以強化冷凍過程傳熱、促進食品冷凍過程的冰結晶、改善冷凍食品品質等方面。超聲波作用引發(fā)的各種效應, 能使邊界層減薄, 接觸面積增大, 傳熱阻滯減弱, 有利于提高傳熱速率, 強化傳熱過程。研究表明, 超聲波能促進冰結晶的成核和抑制晶體生長, ul- Haq 等發(fā)現(xiàn)一定強度的超聲波作用能在枝狀冰晶中產(chǎn)生裂縫, Hozumi 等的研究結果指出, 適宜參數(shù)(45kHz, 0.28W/cm2) 的超聲波能降低純水結晶的過冷度, 促進冰晶成核。
   另外, 超聲冷凍技術僅僅在食品冷凍過程中施加超聲波外場能量而不需添加任何添加劑改善品質, 符合現(xiàn)代食品工業(yè)發(fā)展綠色食品的方向。有關超聲食品冷凍技術應用已有研究報道。超聲對制造冰冷糖果影響的研究表明, 超聲輻照所產(chǎn)生的冰晶體的粒度明顯減少, 在固體中分布更均勻, 這就使冰凍糖果比常規(guī)產(chǎn)品更堅硬, 并且使冰凍糖果與木質手柄結合得更牢固, 增加了產(chǎn)品在消費者中受歡迎的程度。愛爾蘭的 Sun 等學者根據(jù)功率超聲所產(chǎn)生機械效應和空化效應的特點, 將超聲食品冷凍技術應用于馬鈴薯的冷凍過程, 結果表明, 在25kHz、15.8W 的超聲波輻照下, 冷凍速率提高, 冷凍后土豆的微觀品質提高。
2.2 高壓食品冷凍技術
   在不同壓力環(huán)境中, 水相變形成的冰晶密度不同。在大氣壓下水冷凍形成的冰晶, 即Ⅰ型冰晶, 其密度低于液態(tài)水的密度; 而水在高壓下冷凍時, 可以形成密度比水大Ⅱ型- Ⅵ型冰晶,結晶構造也復雜。高壓食品冷凍技術利用壓力的改變控制食品中水的相變行為, 在高壓條件(200?400MPa) 下, 將食品冷卻到一定溫度, 此時水仍不結冰, 然后迅速解除壓力,在食品內(nèi)部形成粒度小而均勻的冰晶體, 而且冰晶體積不會膨脹, 能夠減少對食品組織內(nèi)部的損傷,獲得能保持原有食品品質的冷凍食品。高壓食品冷凍技術應用實例包括: Martino 等人比較了大塊豬肉分別經(jīng)高壓冷凍 (200MPa、- 20℃)、空氣噴射冷凍和液氮冷凍后的品質和結構,發(fā)現(xiàn)無論是在食品表面還是中心, 高壓冷凍技術所獲得的冰晶**小, 而且樣品微觀結構受熱梯度、冰晶不均勻分布所形成的內(nèi)應力損壞**小。有研究發(fā)現(xiàn), 在400MPa, - 15℃下采用高壓冷凍的馬鈴薯的結構基本沒有變化, 破裂程度明顯下降, 對色澤的影響明顯低于常規(guī)的氣流冷凍, 而且, 經(jīng)高壓冷凍的馬鈴薯試樣汁液中溶解物的濃度較低。Fuchigami 等人分別在200、340、400MPa 和- 18?- 20℃下冷凍胡蘿卜, 發(fā)現(xiàn)其品質幾乎不變。此外, 有研究表明,在200~400MPa 范圍內(nèi)冷凍的卷心菜菜肋能很好地保持其剛度。值得注意的是, 高壓冷凍技術適宜的壓力范圍為 200?400MPa, 低于或高于這個范圍所得冷凍食品的品質都有不同程#p#分頁標題#e#
度的下降。
2.3 冰核細菌和生物冷凍蛋白技術
   生物冷凍蛋白單體加速冰核形成的能力(冰核活性) 低, 當其形成多聚體后, 則具有很強的冰核活性, 這種蛋白多聚體可以作為水分子冷凍結晶的模板, 在略低于 0℃的較高冷凍溫度下誘發(fā)和加速水的冷凍過程。能產(chǎn)生這種生物冷凍蛋白的細菌被稱為冰核細菌, 常見的冰核細菌包括丁香假單胞菌屬、歐文氏菌屬、黃單胞菌屬。目前, 在待冷凍食品物料中添加冰核細菌的冷凍技術在食品冷凍干燥和果汁冷凍濃縮中已有應用.它是生物技術在食品中的一項獨特應用。特別在食品冷凍濃縮方面, 利用冰核細菌輔助冷凍的優(yōu)勢在于: 可以提高食品物料中水的凍結點, 縮短冷凍時間, 節(jié)省能源; 促進冰晶的生長, 形成較大尺寸的冰晶, 在降低冷凍操作成本的同時, 使后續(xù)的冰晶與濃縮物料的分離變得容易; 使食品物料在冰晶上的夾帶損失降低, 提高了冰晶純度, 減少固形物損失。采取在食品物料中直接添加胞外生物冷凍蛋白聚體取代添加冰核細菌的方法在食品冷凍方面也取得了較好的成效。有研究表明, 細菌胞外冰蛋白的活性比整個冰核細胞更高, 而且所獲得的冰晶體變成了有序的纖維狀薄片結構, 有效改善了質地和提高了冷凍效率。Zasypkin和 Lee 利用 Pantoea ananas 的胞外冰核冷凍蔗糖液和乳濁液中, 也證明了胞外冰核能夠提高核溫, 縮短凍結時間和改善冰晶結構。
2.4 CAS 凍結系統(tǒng)和冰溫技術
   CAS(Cell Alive System) 是一種與以往的凍結系統(tǒng)不同的新型凍結系統(tǒng), 食品在 CAS 中即使凍結, 細胞也不**壞死, 解凍后其鮮度可**大限度回復到凍結前的狀態(tài)。CAS 凍結系統(tǒng)是由動磁場與靜磁場組合, 從壁面釋放出微小的能量, 使食品中的水分子呈細小且均一化狀態(tài),然后將食品從過冷卻狀態(tài)立即降溫到- 23℃以下而被凍結。由于**大限度抑制了凍晶膨脹,食品的細胞組織不被破壞, 解凍后能回復到食品剛制作時的色、香、味和鮮度, 且無液汁流失現(xiàn)象, 口感和保水性都得到較好保持。冰溫是處在冷卻與凍結之間的溫度帶, 即 0℃以下**凍結點以上的未凍結溫度區(qū)域。冰溫技術是通過添加有機或無機物質降低食品凍結點, 擴大冰溫帶, 使食品保持在盡量低的未凍結溫度。冰溫技術已經(jīng)在食品貯藏、后熟、干燥和流通等*域內(nèi)應用。在食品貯藏方面, 利用冰溫技術貯藏水果和蔬菜, 可以抑制果蔬的新陳代謝, 使之處于活體狀態(tài), 減少冰晶對組織結構的損傷, 與冷藏相比其貯藏期得到顯著延長, 在色、香、味、復原性、鮮度和口感方面都大大提高。在冰溫環(huán)境下后熟, 不僅能抑制細菌的繁殖,而且能減少后熟食品(肉 類、果蔬、面制品等)中 與腐敗有關的揮發(fā)性含氮物質 (如氮堿 VBN、三甲胺等)的生成, 增加與香味有關的氨基酸濃度, 還可促進游離氨基酸和多種芳香成分的合成。