摘要.冷凍食品的質(zhì)量與冷凍過程密切相關(guān),食品冷凍時(shí),由于冰晶的大小與分布不同,造成食品組織結(jié)構(gòu)的機(jī)械損傷和破壞,是冷凍食品質(zhì)量下降的主要原因。各種不同的凍結(jié)方法使食品的凍結(jié)速度存在很大的差異,凍結(jié)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(guān)鍵詞: 冷凍食品, 冷凍技術(shù), 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(zhì)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(zhì)量。建立食品冷凍過程的傳熱和傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型,需要準(zhǔn)確性較高的熱學(xué)物理參數(shù)和傳熱傳質(zhì)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(jié)部分和非凍結(jié)部分密度、熱導(dǎo)、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(cè)定, 因此, 利用簡(jiǎn)單的分析方程與數(shù)值顯示計(jì)算難以準(zhǔn)確反應(yīng)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的生物材料, 冷凍過程中食品內(nèi)部細(xì)胞與細(xì)胞之間的熱量和質(zhì)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(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述冷凍過程。
1.2 玻璃化轉(zhuǎn)變理論
   有關(guān)冷凍過程食品物料的玻璃化轉(zhuǎn)變的理論主要基于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變理論——熱力學(xué)理論和自由體積理論。主流的熱力學(xué)理論認(rèn)為玻璃化轉(zhuǎn)變是一個(gè)非平衡的動(dòng)力學(xué)過程, 即玻璃化轉(zhuǎn)變不同于結(jié)晶相變, 玻璃態(tài)的形成主要取決于動(dòng)力學(xué)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(shí), 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(zhǎng)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(zhǎng)大的速率, 即可生成玻璃體。但是, 也有理論認(rèn)為理想玻璃化轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂衅胶庑再|(zhì)的二級(jí)相轉(zhuǎn)變。自由體積理論則認(rèn)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(yùn)動(dòng)所需要的空間。溫度足夠低時(shí), 自由體積凍結(jié),分子運(yùn)動(dòng)性低, 即到達(dá)所謂的玻璃態(tài)。
   食品冷凍過程物料的玻璃化轉(zhuǎn)變相關(guān)研究認(rèn)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(duì)食品冷凍過程玻璃態(tài)及玻璃化轉(zhuǎn)變的研究, 可以把冷凍食品的結(jié)構(gòu)特性與其功能聯(lián)系起來, 用于解釋預(yù)測(cè)冷凍食品加工、儲(chǔ)藏中的質(zhì)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(gè)新的*域。
1.3 冰結(jié)晶理論
   從熱力學(xué)角度看, 食品冷凍過程其實(shí)質(zhì)是食品物料中水分從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的冰結(jié)晶相變過程。由于在大氣壓下, 冷凍過程水結(jié)晶成冰的過程體積膨脹, 0℃時(shí)體積增大 9%, - 20℃時(shí)體積增大約 13%。一般認(rèn)為, 食品在冷凍后品質(zhì)降低的主要原因就是因?yàn)楸蛎泬簩?duì)食品組織結(jié)構(gòu)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(zhǎng)過程及其粒數(shù)衡算有助于獲得改善冷凍食品品質(zhì)。由于食品物料中的冰結(jié)晶不僅不同于一般的溶液結(jié)晶, 與自由水中的冰結(jié)晶過程也有明顯區(qū)別。食品物料中可結(jié)晶水分存在于溶解有多種無機(jī)與有機(jī)化合物、小分子與大分子化合物的復(fù)雜溶液體系之中, 其結(jié)晶過程是在溫度差推動(dòng)力下, 存在于復(fù)雜溶液體系中水在食品組織間隙的微尺度空間內(nèi)轉(zhuǎn)化為冰的過程, 因此, 要建立完善的理論用以指導(dǎo)食品冷凍過程的冰結(jié)晶過程還需要不斷的努力和實(shí)踐。
2 食品冷凍技術(shù)進(jìn)展
   近年來, 雖然食品冷凍相關(guān)理論進(jìn)展緩慢, 但是隨著工程技術(shù)的發(fā)展, 在食品冷凍研究和應(yīng)用*域出現(xiàn)了多項(xiàng)新技術(shù)。
2.1 超聲食品冷凍技術(shù)
   超聲食品冷凍技術(shù)是將功率超聲技術(shù)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(shì)在于超聲可以強(qiáng)化冷凍過程傳熱、促進(jìn)食品冷凍過程的冰結(jié)晶、改善冷凍食品品質(zhì)等方面。超聲波作用引發(fā)的各種效應(yīng), 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(qiáng)化傳熱過程。研究表明, 超聲波能促進(jìn)冰結(jié)晶的成核和抑制晶體生長(zhǎng), ul- Haq 等發(fā)現(xiàn)一定強(qiáng)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(jié)果指出, 適宜參數(shù)(45kHz, 0.28W/cm2) 的超聲波能降低純水結(jié)晶的過冷度, 促進(jìn)冰晶成核。
   另外, 超聲冷凍技術(shù)僅僅在食品冷凍過程中施加超聲波外場(chǎng)能量而不需添加任何添加劑改善品質(zhì), 符合現(xiàn)代食品工業(yè)發(fā)展綠色食品的方向。有關(guān)超聲食品冷凍技術(shù)應(yīng)用已有研究報(bào)道。超聲對(duì)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(jiān)硬, 并且使冰凍糖果與木質(zhì)手柄結(jié)合得更牢固, 增加了產(chǎn)品在消費(fèi)者中受歡迎的程度。愛爾蘭的 Sun 等學(xué)者根據(jù)功率超聲所產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)的特點(diǎn), 將超聲食品冷凍技術(shù)應(yīng)用于馬鈴薯的冷凍過程, 結(jié)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(zhì)提高。
2.2 高壓食品冷凍技術(shù)
   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(shí), 可以形成密度比水大Ⅱ型- Ⅵ型冰晶,結(jié)晶構(gòu)造也復(fù)雜。高壓食品冷凍技術(shù)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(shí)水仍不結(jié)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(huì)膨脹, 能夠減少對(duì)食品組織內(nèi)部的損傷,獲得能保持原有食品品質(zhì)的冷凍食品。高壓食品冷凍技術(shù)應(yīng)用實(shí)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(zhì)和結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)無論是在食品表面還是中心, 高壓冷凍技術(shù)所獲得的冰晶**小, 而且樣品微觀結(jié)構(gòu)受熱梯度、冰晶不均勻分布所形成的內(nèi)應(yīng)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(jié)構(gòu)基本沒有變化, 破裂程度明顯下降, 對(duì)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(zhì)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(shù)適宜的壓力范圍為 200?400MPa, 低于或高于這個(gè)范圍所得冷凍食品的品質(zhì)都有不同程#p#分頁標(biāo)題#e#
度的下降。
2.3 冰核細(xì)菌和生物冷凍蛋白技術(shù)
   生物冷凍蛋白單體加速冰核形成的能力(冰核活性) 低, 當(dāng)其形成多聚體后, 則具有很強(qiáng)的冰核活性, 這種蛋白多聚體可以作為水分子冷凍結(jié)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(xì)菌被稱為冰核細(xì)菌, 常見的冰核細(xì)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(xì)菌的冷凍技術(shù)在食品冷凍干燥和果汁冷凍濃縮中已有應(yīng)用.它是生物技術(shù)在食品中的一項(xiàng)獨(dú)特應(yīng)用。特別在食品冷凍濃縮方面, 利用冰核細(xì)菌輔助冷凍的優(yōu)勢(shì)在于: 可以提高食品物料中水的凍結(jié)點(diǎn), 縮短冷凍時(shí)間, 節(jié)省能源; 促進(jìn)冰晶的生長(zhǎng), 形成較大尺寸的冰晶, 在降低冷凍操作成本的同時(shí), 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(xì)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(xì)菌胞外冰蛋白的活性比整個(gè)冰核細(xì)胞更高, 而且所獲得的冰晶體變成了有序的纖維狀薄片結(jié)構(gòu), 有效改善了質(zhì)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(jié)時(shí)間和改善冰晶結(jié)構(gòu)。
2.4 CAS 凍結(jié)系統(tǒng)和冰溫技術(shù)
   CAS(Cell Alive System) 是一種與以往的凍結(jié)系統(tǒng)不同的新型凍結(jié)系統(tǒng), 食品在 CAS 中即使凍結(jié), 細(xì)胞也不**壞死, 解凍后其鮮度可**大限度回復(fù)到凍結(jié)前的狀態(tài)。CAS 凍結(jié)系統(tǒng)是由動(dòng)磁場(chǎng)與靜磁場(chǎng)組合, 從壁面釋放出微小的能量, 使食品中的水分子呈細(xì)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(jié)。由于**大限度抑制了凍晶膨脹,食品的細(xì)胞組織不被破壞, 解凍后能回復(fù)到食品剛制作時(shí)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(jié)之間的溫度帶, 即 0℃以下**凍結(jié)點(diǎn)以上的未凍結(jié)溫度區(qū)域。冰溫技術(shù)是通過添加有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)降低食品凍結(jié)點(diǎn), 擴(kuò)大冰溫帶, 使食品保持在盡量低的未凍結(jié)溫度。冰溫技術(shù)已經(jīng)在食品貯藏、后熟、干燥和流通等*域內(nèi)應(yīng)用。在食品貯藏方面, 利用冰溫技術(shù)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(duì)組織結(jié)構(gòu)的損傷, 與冷藏相比其貯藏期得到顯著延長(zhǎng), 在色、香、味、復(fù)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(xì)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(guān)的揮發(fā)性含氮物質(zhì) (如氮堿 VBN、三甲胺等)的生成, 增加與香味有關(guān)的氨基酸濃度, 還可促進(jìn)游離氨基酸和多種芳香成分的合成。