食品冷冻技术研究-

食品冷冻保藏技术研究

摘要.冷冻食品的质量与冷冻过程密切相关,食品冷冻时,由于冰晶的大小与分布不同,造成食品组织结构的机械损伤和破坏,是冷冻食品质量下降的主要原因。各种不同的冻结方法使食品的冻结速度存在很大的差异,冻结速度的不同使食品中产生的冰晶的大小、存在位置等方面有很大区别。

关键词: 冷冻食品, 冷冻技术, 冷冻理论

1 食品冷冻理论现状

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。

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、储藏中的质量、安全性和稳定性问题, 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组织结构的破坏造成的。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践。

2 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, ul- Haq 等发现一定强度的超声波作用能在枝状冰晶中产生裂缝, Hozumi 等的研究结果指出, 适宜参数(45kHz, 0.28W/cm2) 的超声波能降低纯水结晶的过冷度, 促进冰晶成核。

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Ⅰ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Ⅱ型- Ⅵ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(200400MPa) 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。Fuchigami 等人分别在200、340、400MPa 和- 18- 20℃下冷冻胡萝卜, 发现其品质几乎不变。此外, 有研究表明,在200~400MPa 范围内冷冻的卷心菜菜肋能很好地保持其刚度。值得注意的是, 高压冷冻技术适宜的压力范围为 200400MPa, 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。