速冻食品中冰晶的研究进展

0 引言

速冻食品始于20世纪60年代，由于它具有贮藏期久、方便卫生、加工简便等优点，一直受到人们的关注［1］。近年来，速冻食品的贸易量每年以10%～30%的速度递增。速冻食品是指经过水洗、漂烫等前处理工序后，在低温下迅速冻结，使食品温在30min内快速通过最大冰晶生成带，将食品温度降至预期低温，在-18℃或更低温度下贮运的一种食品。速冻能最大限度地保持食品原有的色泽、风味和营养成分，是食品长期贮藏的最重要方法，被国际上公认为最佳的食品贮藏保鲜技术［2］。速冻方法按食品与冷却介质的接触方式可以分为间接接触冻结法、直接接触冻结法［3］。速冻是将食品中细胞间隙的游离水和细胞内的结合水、游离水同时冻结成无数的冰晶，解冻时冰晶融化水分，被细胞迅速吸收，尽可能地维持食品原有的新鲜程度和营养。但是目前速冻技术不够完善，常出现冻结不均匀、食品解冻后色泽口味变差、营养成分流失等问题。这和冻结过程中的形成的冰晶有关。

1 冰晶产生的条件

过冷现象是食品中冰结晶生成的初始条件，指将食品降温至冻结点以下温度，但并未发生冻结的现象，由于食品成分复杂，其水分的冻结点一般在-1℃～-5℃的范围内。另一个必要条件是晶核的形成，当受到某种刺激作用时就会形成晶核，比如局部温度过低、溶液中的气泡以及微粒等［4］。随着温度降低，水分子位移并有秩序地结合到晶核上，变大后形成冰晶。

这晚，青瓷和李光北请王金贵在镇上最好的饭店吃饭，李光北上洗手间时，王金贵一把就抓住了青瓷的手，两人久久凝望，却什么都没有说。

如图1所示，在冻结点和A点之间晶核形成较少，而晶体生长速度较快，所以会产生较大的冰晶体，对细胞造成损伤的程度是最大的。A点之后，晶核形成速度变快，生成冰晶体的尺寸较小［5］。另外，细胞间液体和细胞内液体的浓度差导致了冰晶最先出现在细胞间隙，随着温度下降，细胞间隙的冰晶较细胞内的更大更多，达到一定程度就会破坏细胞膜，造成许多通道可以使细胞内的溶质在解冻时流出，降低食品的营养价值和破坏食品外观。

图1 晶核形成、冰晶生长速度与过冷度

2 冰晶检测方法

目前国内外常用的检测方法包括：闪光法；低温固定法；荧光法；差示扫描等［6］。细胞中冰晶的形成会导致光的散射，在低温显微镜下就会看到一些突然变暗的“闪光”细胞。但是由于这种方法观察到的图像比较模糊，无法深入地研究冰晶，所以只能作为冰晶产生的判断依据［7］。低温固定法是在低温下将食品组织长时间浸泡在有机溶剂中，使组织中的水被溶剂所置换，这样可以固定组织细胞，进一步的研究。但是这种方法费时，而且不能观测到冰晶的生长过程［8-9］。荧光法是将核酸荧光探针标记细胞，当冰晶产生时会导致标记消失而且会在细胞核处看到一个清晰的“蜂窝”状的图案。这种方法可以轻易地观测到某些复杂组织中个体细胞，但是无法对解冻后的细胞检测［10］。差式扫描量温法（DSC）是用程序控制温度，测量输入到试样与参比物的功率差与温度的关系，并记录形成DSC曲线。曲线可以反应出冰晶形成的时间以及结晶速率［11-12］。

3 冰晶生长的影响因素

3.1 冻结速率

在不同冻结速率的条件下，冻结点温度和最大冰晶生成带范围也会有差异，这是由于大量的溶液被快速冻结，剩余溶液浓度增加导致其溶液的冻结点下降，进而又对生成带产生影响。

食品在冻结过程中，会经过一个最大冰晶生成带，一般在-1℃至-5℃之间，约80%的水会变成冰，通过这个冰晶生成带的时间决定着食品中冰晶尺寸的大小，时间越短，晶核的生长时间越短，形成的冰晶尺寸也较小，不会对细胞造成损害。刘艳春、王维民等采用四种不同的冻结速率分别对番木瓜进行冻结，发现在1.442cm/h的最快冻结速率下，通过的最大冰晶生成带所需时间最快，只需要18.33min，产生的冰晶小且均匀，能够最大程度保证细胞完整性，这可能是干耗率和汁液损失率分别是最慢速率冻结番木瓜的1/5和1/2左右的主要原因［13］。

随着冻结温度降低会加快冻结速率，缩短通过最大冰晶生成带的时间，减小大尺寸冰晶形成数量。李侠等人将牛肉分别置于-38℃、-23℃、-18℃下冻结，发现在-38℃条件下通过最大冰晶生产带的时间仅有46min，而-18℃需要148min，但是-38℃冻结条件的牛肉解冻到需要的时间最多为660min，解冻汁液流失率最少为1.67%［14］。桥本加奈子等用 -20℃、-30℃、-60℃冷冻鱼片，发现冻结温度越低，产生的冰晶越小，失水量越少，鱼片的色泽和质感最好［15］。

3.2 冻结温度

流产是牛感染布鲁氏杆菌病后最为明显的症状，流产现象出现最严重的时间为妊娠后6个月或8个月[1]，即妊娠中后期。这种情况下流产的胎儿出现弱胎或者死胎居多，流产后胎衣滞留在母牛体内，因此，母牛体内会有红褐色液体流出，如果母牛体质相对较好，可快速恢复并再次受孕，但体质相对较弱的母牛再次受孕的几率较低。母牛流产的症状会随年龄的增长不再出现，但是母牛体内易形成病菌，该种病菌会长期存在，对牛的身体健康造成严重的影响[2]。此外，牛群如果感染布鲁氏杆菌，也可能同时患有关节炎，如公牛感染布鲁氏杆菌病会引发附睾炎和睾丸炎等。

3.3 温度波动

在一定强度的超声波作用下，食品内部组织溶液会出现空化气泡，这些气泡可以促进晶核的形成。而且气泡的产生伴随着剧烈的循环运动，增强了传热过程的同时也会破碎大冰晶。而且还能降低溶液过冷度，加快冰晶形成［20］。Islam等使用超声波（300W，20kHz）辅助蘑菇冻结，结果显示冰晶的尺寸范围从50～180μm降低到0～80μm，大大提高冷冻蘑菇品质［21］。周新丽等人利用超声波辅助冷冻平板冷冻胡萝卜，结果表面在合适的超声波影响下，样品通过最大冰晶成核带的时间较对照组减少了53%，提高了冷冻速率［22］。

5．突出了教材的实践性。增设了实践性和操作性强的“化学教学技能训练——微格教学，信息技术在化学教学中的应用，化学教学设计，化学教学测量与评价，中学化学实验教学研究”的内容，使教材实践性、操作性大大增强了。

3.4 其他因素

近年来，速冻对细胞内部以及食品不同组织的影响受到关注。Prickett等利用细胞在高渗溶液中会发生皱缩现象这一原理，研究了细胞体积和细胞内冰晶形成之间的关系，发现在相同冻结条件下细胞体积越大，冰晶形成的几率越高［18］。kaale等发现大西洋鲑鱼红肌中的冰晶尺寸较白肌中更小，另外冻结僵直前的鱼肉产生的冰晶比僵直后冻结的多且小［19］。

4 控制冰晶产生的方法

4.1 超声波叠加效应

在冻结或冻藏过程中，由于食品的转运、设备的制冷能力差异、箱体的传热等方面的影响，冻结温度会出现波动现象，部分冰晶会融化后重结晶，食品内部的冰晶会变多，对细胞造成应力损伤，从而导致大量汁液流失、外观变差和口感欠佳。Gutiérrez等在用-18℃冰柜冻结罗非鱼时，采取了3种温度振荡组，分别是±3℃，±5℃，±7℃。发现振荡幅度越大，冻藏周期越久，冰晶尺寸越大，±7℃这组在冻藏30d后与对照组相比，冰晶增大了近3倍［16］。Ullah等人分别用-80℃（a），-17 ℃ ～-16 ℃（b），-17 ℃ ～-11 ℃（c），-17℃～-7℃（d）4组对马铃薯进行冻结，发现a组的组织间空隙数量最多且尺寸最小，c和d组数量上只有b组的一半，但是尺寸约是b组的两倍，这会对食品内部组织结构产生严重破坏［17］。

4.2 电场叠加效应

应用的磁场包括静磁场、振荡磁场和脉冲磁场。JIN等分别用具有吸引力的和具有排斥力的静磁场（0-400mT）辅助冻结0/9%NaCl溶液，发现与对照组相比，具有排斥力的静磁场可以减少32.1%的冷冻时间，而具有吸引力的磁场会增长17.1%的冷冻时间。另外冰晶呈现出不规则形状，他们分析这是磁场力减弱了水分子之间和离子与水分子之间范德华健的连接，增强了氢键的连接导致的［31］。James等证实了低频弱振荡磁场可以增强大蒜鳞茎速冻的过冷度［32］。Kobayashi等认为提高过冷度的原因是振荡磁场会使植物和动物组织中的磁性纳米颗粒产生振动，防止在其表面产生冰晶核［33］。Iwasaka等观察到，水溶液在脉冲磁场的作用（6.5mT）下进行冻结，溶液中的出现的冰晶较控制组颗粒更均匀更大［34］。

4.3 磁场叠加效应

抗冻蛋白是上个世纪50年代首次在北极鱼体内发现的一种的抗冻物质，之后的几十年内相继在动植物中发现类似功能的蛋白质［35］。这些蛋白质可以抑制冰晶的生长，降低溶液冰点。抗冻蛋白目前主要应用于冷冻乳液、肉类、果蔬等，研究发现在冰淇淋制作过程中添加适量抗冻蛋白可以使冰晶颗粒更加均匀细小，口感更加细腻，没有颗粒感［36］。Zhang等人向冷冻面团中添加抗冻蛋白，并在-18℃下冻藏28d，发现酵母的死亡率降低了17.9%，并且面团的流变性一直处于最高的90%左右，这些都大大提高了面团柔软及稳定程度［37］。抗冻蛋白还可以有效减少肉制品的汁液流失，抑制冰晶形成。PAYNE等发现在宰前羊羔体内注射抗冻蛋白可以有效提高冻后羊羔的肉质，在宰前1h注射100mg/kg浓度的抗冻蛋白可以得到最低的汁液流失率，而在宰前24h注射0.01mg/kg浓度的抗冻蛋白可以获得最小的冰晶［38］。

电场的引入可以抑制水分子在降温过程中的成核，进而降低冰晶的生长速率。孙伟等认为电场的引入可以增大冰晶沿电场方向上的生长概率，同时抑制其他方向上的冰晶生长［23］。Orlowska等通过试验发现一定程度的静电场可以促使水分子的重新取向，形成更有序的团簇结构，达到控制成核的目的［24］。在食品冻结过程中加入交变电场和静电场。前者需要向样品提供带有脉冲或连续变化的高电压电极，后者需要构建高压静电环境。交变电场不可控制性较大，而且对电极的形状［25］、表面粗糙度、材质等特性要求较高［26］，所以并没有静电场应用广泛。Xanthakis等在12kV的静电场环境下冻结猪肉，发现冰晶尺寸降低了56%［27］。Dalvi-Isfahan等利用静电场冻结羊肉过程中，发现随着静电场强度的增加，羊肉的汁液流失率不断降低，而颜色和硬度没有显著的变化［28］。

4.4 抗冻蛋白

在有外加磁场的环境下，水中较大的缔合分子集团会变成较小的缔合分子集团，增强了分子集团间氢键的连接，使整个水系统更加稳定［29］。另外水分子是反磁性的，磁场会诱导产生磁偶极矩，而这与内能有关，一定程度上影响水分子的热力学参数，如相变潜热、导热系数等［30］。

4.5 渗透脱水冷冻

渗透脱水冷冻的原理是将适当温度下的果蔬浸入高渗透溶液中，利用细胞膜半透性使细胞中的水分转移到溶液中去。这种方法不仅可以减少冰晶的形成，还可以抑制褐变的发生和提升产品品质［39］。

Olatidoye等用高浓度的蔗糖溶液和氯化钠溶液对西红柿进行处理，发现冻藏前期这种方法的影响不明显，而冻藏30d后，处理过的西红柿营养物质流失最少，并且用蔗糖处理过的颜色更接近新鲜时的程度［40］。包翠芬等利用渗透脱水法处理小鼠组织冷冻切片，发现6个月后冰晶增长率下降了23.6%，降低了对组织结构的损坏［41］。Mamada等分别在-18℃和55℃下对黄瓜采用渗透脱水处理，发现在相同温度下，随着浓度的增大，细胞壁的抗裂应力不断增强，但是细胞膜的初始模量没有提升，说明渗透冷冻对细胞保护作用单一［42］。

SIR方法[14]最早由Ker-Chau Li(1991年)提出,是一种非参数化的逆回归技术。在非线性模型假设下,SIR能够对高维独立变量系统进行综合降维,得到一个“有效降维空间”(Effective Dimension Reduction Space,简称e.d.r空间)。此外,在最小信息损失下,SIR将原始变量综合为主成分,可以避免信息重叠和高相关性,进一步优化模型输入。

5 结束语

速冻食品因为其方便卫生、贮藏期久等优势，越来越受到广大消费者的关注，对其品质方面的要求也不断在提高。而进一步地了解和控制速冻食品中冰晶体，对保持食品品质起到重要作用。

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