冰温贮藏保鲜关键技术
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冰温贮藏保鲜关键技术
申江，刘斌 （制冷与空调工程系，天津商业大学，300134） 摘要:通过对国内外冰温研究技术文献的分析,总结了冰温贮藏技术的关键技术要素,包括 3 个 方面:冰温贮藏前冷却过程控制、冰温库内流场均匀技术及冰温库控制技术。并结合现有实 验工作，介绍了中日合作项目“冰温技术运用”的研究成果。这些工作对于指导我国冰温贮 藏技术具有重要的指导意义。 关键词：冷却，自适应过程，保鲜
研究了比目鱼表皮在低温下的流变性质[14]，Shuichiro Matsumoto 等则研究了抗冻蛋白在低 温下的产生[15]。
4．“冰温技术运用”项目研究内容介绍
4．1 冰点的测量
在本项目的研究中冰点测量采用了两种方法，一种为传统的冻结法，另外一种为 DSC 测
量法，下面分别介绍。
4．1．1 冻结法测量冰点Βιβλιοθήκη Baidu
自从 1971 年日本山根博士发现冰温贮藏技术以来，冰温技术在日本已经得到广泛运用， 已经建立了相应的冰温冷藏链体系，在英国也强调从国外进口的肉类须是冰温保鲜肉，冰温 保鲜技术在这些国家的运用，确保了食品的品质和风味，提高了竞争力。目前他们的研究主 要集中于保鲜产品的冷适应行为。Nicholas J 对冷藏过程中食品对冷适应的机理进行了综 述，讨论了冷适应细菌及冷适应酶的对冷环境的适应过程，分析了低温对酯类成分及变化的 影响，对温度变化和低温积累的影响进行了讨论,同时提出问题，即什么大小的温度变化是 对食品影响是最佳的，同时也分析了高压\超声及脉冲场对食品品质的影响[9]。Q. Tuan Pham 研究了在球状食品在冷却冻结时内部应力的变化，通过考虑机械应力和热效应应力建立了一 个数学模型，结果表明，由于水分膨胀所产生的应力大于冷应力，但是在冻结区域，冷应力 更加明显,但是这两种应力都与降温速度有关[10]。Kazumasa Yoshida 研究了两种贮藏温度下
牛奶
-0.5
蛋白
-0.45
蛋黄
-0.65
奶酪
-8.3
洋白菜
-1.3~-2
奶油
-2.2
从式(1)和表(1)可以看出，不同的产品具有不同的冰点，这是由产品内部各种成分浓度所 决定的，因此在冰温保鲜贮藏中重要的一个前提是如何使产品在尽可能的低温下保持生命特 征，同时提高品质。 3．国内外研究现状
冰温贮藏保鲜技术作为第 3 代保鲜技术，在国内由于实验设备的原因，大多数研究还只 是处于实验研究阶段，包括西瓜[1]、草莓[2]、青椒[3]和猪肉[4]等。但是在 2006 年，天津商业 大学和日本大青工业株式会社在日本政府 NEDO 部门的资助下共同开展了“冰温技术运用” 研究课题，建造了 2 座 20m3 实验库和 2 座 40m3 的中试库，真正开始上与国际意义相同的 冰温贮藏技术研究，已经开展了香梨、猕猴桃、羊肉及鼠肝冰温贮藏研究，取得了丰富的研 究成果。对于机理性研究，则主要集中于动物冷驯化的研究，还没有上升到适应行为影响因 素的耦合作用机理研究，如张强的冷血脊椎动物冷适应研究[5]，庄建林的钉螺冷驯化现象的 研究[6]，苏丽娜的鼎突多刺蚁热适应及运动行为的热依赖性研究[7]。值得提出的是陈光明教 授关于 4 种蔬菜在不降温速率下生命外在现象反应的文章[8]。
-10 Exo Up
到炉子常数是 1.1937，属于正常（0.9～1.2）。
-1.34°C
-5
0
5
10
15
20
Temperature (°C)
Universal V4.2E TA Instruments
图 2 DSC 测量冰点
实验进行时，用 AB135-S 天平称量坩埚的质量，切取样品，放入已称坩埚里，再放入 AB135-S 天平称量，得出样品的质量，放入 DSC 的炉子，以 10℃/min 的加热速率从-5～20℃加热样 品和参比（坩埚），得出实验曲线，图 2 为某典型实验曲线。
Δt = k f b(B)
(1)
式中 Δt 中冰点与零度相比下降的度数，kf 为系数，b(B)为浓度。 表 1:产品冰点表
食品名称 冰点（℃） 食品名称 冰点（℃）
生菜
-0.4
蕃茄
-0.9
菜花
-1.1
洋梨
-1~-2
橙子
-2.2
柿子
-2.1
柠檬
-2.2
香栗
-3.4
牛肉
-0.5~-1.7 鱼肉
-0.6~--2
食品冻结时，随时间的推移其温度变化过程的曲线称为食品的冻结曲线。无论何种食品，
其冻结曲线在性质上都是相似的，曲线都可分为三个阶段：
第一阶段：食品的温度从初温降低至食品的冻结点，这时食品放出的热量是显热，此热
量与全部放出的热量比较，其值较小，所以降温速度快，冻结曲线较陡。
第二阶段：食品的温度从食品的冻结点降低至-5℃，这时食品中的大部分水结成冰，放
“冰温贮藏技术”的根本思想就是认为贮藏品是一个具有生命的活体，在经过一定条件 下的冷却处理后，使贮藏产品达到一种近似“冬眠”的状态，从而让产品在“冬眠”状态下 保存，这时产品新陈代谢率最小，所消耗的能量最小，可以有效地保存产品的品质和能量， 并使生命达到最长。从我们的研究发现，实现产品的“冬眠”状态的过程是决定冰温贮藏保 鲜的关键。
0.2
dH = Cp dT ，根据曲线得出冻结点（冰点）
dt
dt
0.0
主要用的仪器包括差示扫描量热仪
Heat Flow (W/g)
（DSC）、机械制冷附件、压样机和 AB135-S
-0.2
天平。
在进行实验前，在校正温度范围为-10～
-0.4
35℃里用校正材料蓝宝石进行 Tzero 校正，
-0.6
用标准金属铟进行炉子常数和温度校正，得
（I 级），Pt100 热电阻（A 级），冷源（冰柜等）,二等标准温度计，电脑，保温瓶。图 1
为本项目某次实验中的冰点测量曲线。
4．1．2 差示扫描量热仪（DSC）法
DSC 方法主要是根据温度变化与输入焓值之间的关系判断冰点。在实际操作过程中，在
程序控制温度下，测量输出给试样和参比物
的功率差与温度的关系，
实现产品的“冬眠”过程是一个降温冷却过程，在这个过程中，产品通过自适应调节， 从组织细胞内的成分改变开始，使自己的活动能力降低，降低能量消耗，同时又保证自己的 活体生命特征，是一个典型的自然适应现象。 2．冰温贮藏技术基本原理
山根博士于 70 年代初期在研究长期保持鸟取特产洋梨的贮存方法时,对爱斯基摩人采用 低于 0℃的海水贮存肉食的方法和对蛇、青蛙等冬眠时为何不会冻死等问题进行了机理研 究。研究表明,蛇、青蛙、肉食品等其体内含有糖、蛋白质、醇类等不冻液物质,使其冻结点 下降至 0℃以下,所以它们处于冬眠状态时可以保持其细胞的活体状态。这一结果说明了生与
冰温贮藏是将食品贮藏在 0℃以下至各自的冻结点的范围内，是属于非冻结保存，是 继冷藏、CA 贮藏后的第三代保鲜技术。冰温贮藏最早是原日本鸟取县食品加工研究所所长、 现日本冰温协会理事长山根昭美博士于上世纪 70 年代提出的。在贮藏效果方面，和传统保 鲜技术相比，冰温技术以下优点：（1）不破坏细胞；（2）最大限度地抑制有害微生物的活动； （3）最大限度地抑制呼吸作用，延长保鲜期；（4）在一定程度上提高水果、蔬菜的品质。 2006 年，在日本政府的资助下，天津商业大学和日本大青工业株式会社共同成立了“中日冰 温研究室”，进行了了有关的研究，得到了一系列研究成果，发现了实现冰温贮藏效果的主 要关键技术。在本文中将作详细说明。 1．冰温贮藏技术基本思想
死的温度界限并非 0℃,而是低于 0℃的某一温度值，即当环境温度高于冰点时,细胞始终处于 活体状态。山根博士通过实验研究证实,在冰温区域内贮藏松叶蟹,150 天后全部存活
山根博士把 0℃以下、冰点以上的温度区域定义为该食品的“冰温带”,简称“冰温”。冰温 的机理包含两方面内容:(1)将食品的温度控制在冰温带内可以维持其细胞的活体状态;(2)当 食品冰点较高时,可以人为加入一些有机或无机物质,使其冰点降低，扩大其冰温带。在缓慢 降温条件下，植物组织开始形成冰核的温度约在-1℃～-3℃。 式（1）表达了冰点与溶液浓 度之间的关系，表 1 为部分产品的冰点。
冰点实验时，将果品至于-15℃环境中 测试果品内部降温曲线，根据降温曲线的
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0
0 3000 6000 9000 12000 15000 图 1 冻结法测量冰点时温度变温度(℃)
性质来确定冰点。主要用的设备有温度巡检仪（Yokogawa Electric Corporation）,T 型热电偶
出大量的潜热，放出的潜热值大约是显热的 50～60 倍，食品冻结过程绝大部分的热量在第
二阶段放出，所以曲线出现平坦段。
时间(S)
第三阶段：食品的温度从-5℃左右继 续下降至终温，此时放出的热量一部分是 由于冰的降温，另一部分是由于残余少量 的水继续结冰。这一阶段的冻结曲线也比 较陡崤。
但是，在很薄的食品表面层并在很短 的时间内，会出现过冷现象。此时食品的 冻结曲线将低于冰点，而后再提高到冰点。
4．2 降温冷却升温过程控制
通过控制冷却速度也可以降低植物细胞的临界致死温度。一般情况下，受到急速降温胁
迫的组织会采取深度过冷却的方法来御寒，而在受到缓慢降温胁迫时组织细胞则会采取在细
胞间隙结冰的方法来抗冻。分阶段地对组织进行缓慢降温能降低其临界致死温度，这样就使
某些临界致死温度高于零度的植物组织在 0℃或零度以下能长期保鲜，延长了它们的生存空 间。目前，国外已有不少通过缓慢降温使植物组织顺利进入超冰温领域而不结冰的成功实例。
鼠肝在不同贮藏时间下的 ATP、ADP 和 TAN 含量的变化，结果变明在-0.8℃贮藏条件下 ATP、
ADP 和 TAN 的含量都要比 4℃贮藏条件下要高[11]。还有更多的研究者则是对稳定温度下细
胞适应过程中所产生的各种现象进行了测量，如 Fisun Hamaratog 研究了海母对渗透压的反 应[12]，S.K. Mastronicolis 研究了不同低温下单核细胞内脂的变化[13]，M.D. Ferna´ndez-Dı´az
Key Technologies of Ice-temperature Preservation
Shen Jiang，Liu Bin Dept.of Refrigeration and HVAC, Tianjin University of Commerce,300134 Abstract: Based on the analysis of conferences of ice-temperature technology, the key technologies of ice temperature preservation were concluded including three factors: the cooling processes before the ice-temperature storage, the technology of evening the flow field (temperature and air velocity) and the controlling technology of ice temperature storage. And combining the finished experimental works, the project “Application of ice temperature technology” founded by Japanese Government was introduced. All these works are helpful for guiding the use of ice temperature in China. Key words: cooling, self-adaptive process, preservation
冰温贮藏后不同的升温速率对水果的货架期有不同影响，造成这种结果的原因是水果组
织的自适应行为所造成的，表 2、表 3 及表 4 分别列出了所用冰温库设定条件、降温处理及 升温处理。
表 2：冰温库设定
设备名称 部位
设定温度
相对湿度 BOX1 设定温度 BOX2 设定温
（猕猴桃）
申江，刘斌 （制冷与空调工程系，天津商业大学，300134） 摘要:通过对国内外冰温研究技术文献的分析,总结了冰温贮藏技术的关键技术要素,包括 3 个 方面:冰温贮藏前冷却过程控制、冰温库内流场均匀技术及冰温库控制技术。并结合现有实 验工作，介绍了中日合作项目“冰温技术运用”的研究成果。这些工作对于指导我国冰温贮 藏技术具有重要的指导意义。 关键词：冷却，自适应过程，保鲜
研究了比目鱼表皮在低温下的流变性质[14]，Shuichiro Matsumoto 等则研究了抗冻蛋白在低 温下的产生[15]。
4．“冰温技术运用”项目研究内容介绍
4．1 冰点的测量
在本项目的研究中冰点测量采用了两种方法，一种为传统的冻结法，另外一种为 DSC 测
量法，下面分别介绍。
4．1．1 冻结法测量冰点Βιβλιοθήκη Baidu
自从 1971 年日本山根博士发现冰温贮藏技术以来，冰温技术在日本已经得到广泛运用， 已经建立了相应的冰温冷藏链体系，在英国也强调从国外进口的肉类须是冰温保鲜肉，冰温 保鲜技术在这些国家的运用，确保了食品的品质和风味，提高了竞争力。目前他们的研究主 要集中于保鲜产品的冷适应行为。Nicholas J 对冷藏过程中食品对冷适应的机理进行了综 述，讨论了冷适应细菌及冷适应酶的对冷环境的适应过程，分析了低温对酯类成分及变化的 影响，对温度变化和低温积累的影响进行了讨论,同时提出问题，即什么大小的温度变化是 对食品影响是最佳的，同时也分析了高压\超声及脉冲场对食品品质的影响[9]。Q. Tuan Pham 研究了在球状食品在冷却冻结时内部应力的变化，通过考虑机械应力和热效应应力建立了一 个数学模型，结果表明，由于水分膨胀所产生的应力大于冷应力，但是在冻结区域，冷应力 更加明显,但是这两种应力都与降温速度有关[10]。Kazumasa Yoshida 研究了两种贮藏温度下
牛奶
-0.5
蛋白
-0.45
蛋黄
-0.65
奶酪
-8.3
洋白菜
-1.3~-2
奶油
-2.2
从式(1)和表(1)可以看出，不同的产品具有不同的冰点，这是由产品内部各种成分浓度所 决定的，因此在冰温保鲜贮藏中重要的一个前提是如何使产品在尽可能的低温下保持生命特 征，同时提高品质。 3．国内外研究现状
冰温贮藏保鲜技术作为第 3 代保鲜技术，在国内由于实验设备的原因，大多数研究还只 是处于实验研究阶段，包括西瓜[1]、草莓[2]、青椒[3]和猪肉[4]等。但是在 2006 年，天津商业 大学和日本大青工业株式会社在日本政府 NEDO 部门的资助下共同开展了“冰温技术运用” 研究课题，建造了 2 座 20m3 实验库和 2 座 40m3 的中试库，真正开始上与国际意义相同的 冰温贮藏技术研究，已经开展了香梨、猕猴桃、羊肉及鼠肝冰温贮藏研究，取得了丰富的研 究成果。对于机理性研究，则主要集中于动物冷驯化的研究，还没有上升到适应行为影响因 素的耦合作用机理研究，如张强的冷血脊椎动物冷适应研究[5]，庄建林的钉螺冷驯化现象的 研究[6]，苏丽娜的鼎突多刺蚁热适应及运动行为的热依赖性研究[7]。值得提出的是陈光明教 授关于 4 种蔬菜在不降温速率下生命外在现象反应的文章[8]。
-10 Exo Up
到炉子常数是 1.1937，属于正常（0.9～1.2）。
-1.34°C
-5
0
5
10
15
20
Temperature (°C)
Universal V4.2E TA Instruments
图 2 DSC 测量冰点
实验进行时，用 AB135-S 天平称量坩埚的质量，切取样品，放入已称坩埚里，再放入 AB135-S 天平称量，得出样品的质量，放入 DSC 的炉子，以 10℃/min 的加热速率从-5～20℃加热样 品和参比（坩埚），得出实验曲线，图 2 为某典型实验曲线。
Δt = k f b(B)
(1)
式中 Δt 中冰点与零度相比下降的度数，kf 为系数，b(B)为浓度。 表 1:产品冰点表
食品名称 冰点（℃） 食品名称 冰点（℃）
生菜
-0.4
蕃茄
-0.9
菜花
-1.1
洋梨
-1~-2
橙子
-2.2
柿子
-2.1
柠檬
-2.2
香栗
-3.4
牛肉
-0.5~-1.7 鱼肉
-0.6~--2
食品冻结时，随时间的推移其温度变化过程的曲线称为食品的冻结曲线。无论何种食品，
其冻结曲线在性质上都是相似的，曲线都可分为三个阶段：
第一阶段：食品的温度从初温降低至食品的冻结点，这时食品放出的热量是显热，此热
量与全部放出的热量比较，其值较小，所以降温速度快，冻结曲线较陡。
第二阶段：食品的温度从食品的冻结点降低至-5℃，这时食品中的大部分水结成冰，放
“冰温贮藏技术”的根本思想就是认为贮藏品是一个具有生命的活体，在经过一定条件 下的冷却处理后，使贮藏产品达到一种近似“冬眠”的状态，从而让产品在“冬眠”状态下 保存，这时产品新陈代谢率最小，所消耗的能量最小，可以有效地保存产品的品质和能量， 并使生命达到最长。从我们的研究发现，实现产品的“冬眠”状态的过程是决定冰温贮藏保 鲜的关键。
0.2
dH = Cp dT ，根据曲线得出冻结点（冰点）
dt
dt
0.0
主要用的仪器包括差示扫描量热仪
Heat Flow (W/g)
（DSC）、机械制冷附件、压样机和 AB135-S
-0.2
天平。
在进行实验前，在校正温度范围为-10～
-0.4
35℃里用校正材料蓝宝石进行 Tzero 校正，
-0.6
用标准金属铟进行炉子常数和温度校正，得
（I 级），Pt100 热电阻（A 级），冷源（冰柜等）,二等标准温度计，电脑，保温瓶。图 1
为本项目某次实验中的冰点测量曲线。
4．1．2 差示扫描量热仪（DSC）法
DSC 方法主要是根据温度变化与输入焓值之间的关系判断冰点。在实际操作过程中，在
程序控制温度下，测量输出给试样和参比物
的功率差与温度的关系，
实现产品的“冬眠”过程是一个降温冷却过程，在这个过程中，产品通过自适应调节， 从组织细胞内的成分改变开始，使自己的活动能力降低，降低能量消耗，同时又保证自己的 活体生命特征，是一个典型的自然适应现象。 2．冰温贮藏技术基本原理
山根博士于 70 年代初期在研究长期保持鸟取特产洋梨的贮存方法时,对爱斯基摩人采用 低于 0℃的海水贮存肉食的方法和对蛇、青蛙等冬眠时为何不会冻死等问题进行了机理研 究。研究表明,蛇、青蛙、肉食品等其体内含有糖、蛋白质、醇类等不冻液物质,使其冻结点 下降至 0℃以下,所以它们处于冬眠状态时可以保持其细胞的活体状态。这一结果说明了生与
冰温贮藏是将食品贮藏在 0℃以下至各自的冻结点的范围内，是属于非冻结保存，是 继冷藏、CA 贮藏后的第三代保鲜技术。冰温贮藏最早是原日本鸟取县食品加工研究所所长、 现日本冰温协会理事长山根昭美博士于上世纪 70 年代提出的。在贮藏效果方面，和传统保 鲜技术相比，冰温技术以下优点：（1）不破坏细胞；（2）最大限度地抑制有害微生物的活动； （3）最大限度地抑制呼吸作用，延长保鲜期；（4）在一定程度上提高水果、蔬菜的品质。 2006 年，在日本政府的资助下，天津商业大学和日本大青工业株式会社共同成立了“中日冰 温研究室”，进行了了有关的研究，得到了一系列研究成果，发现了实现冰温贮藏效果的主 要关键技术。在本文中将作详细说明。 1．冰温贮藏技术基本思想
死的温度界限并非 0℃,而是低于 0℃的某一温度值，即当环境温度高于冰点时,细胞始终处于 活体状态。山根博士通过实验研究证实,在冰温区域内贮藏松叶蟹,150 天后全部存活
山根博士把 0℃以下、冰点以上的温度区域定义为该食品的“冰温带”,简称“冰温”。冰温 的机理包含两方面内容:(1)将食品的温度控制在冰温带内可以维持其细胞的活体状态;(2)当 食品冰点较高时,可以人为加入一些有机或无机物质,使其冰点降低，扩大其冰温带。在缓慢 降温条件下，植物组织开始形成冰核的温度约在-1℃～-3℃。 式（1）表达了冰点与溶液浓 度之间的关系，表 1 为部分产品的冰点。
冰点实验时，将果品至于-15℃环境中 测试果品内部降温曲线，根据降温曲线的
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0
0 3000 6000 9000 12000 15000 图 1 冻结法测量冰点时温度变温度(℃)
性质来确定冰点。主要用的设备有温度巡检仪（Yokogawa Electric Corporation）,T 型热电偶
出大量的潜热，放出的潜热值大约是显热的 50～60 倍，食品冻结过程绝大部分的热量在第
二阶段放出，所以曲线出现平坦段。
时间(S)
第三阶段：食品的温度从-5℃左右继 续下降至终温，此时放出的热量一部分是 由于冰的降温，另一部分是由于残余少量 的水继续结冰。这一阶段的冻结曲线也比 较陡崤。
但是，在很薄的食品表面层并在很短 的时间内，会出现过冷现象。此时食品的 冻结曲线将低于冰点，而后再提高到冰点。
4．2 降温冷却升温过程控制
通过控制冷却速度也可以降低植物细胞的临界致死温度。一般情况下，受到急速降温胁
迫的组织会采取深度过冷却的方法来御寒，而在受到缓慢降温胁迫时组织细胞则会采取在细
胞间隙结冰的方法来抗冻。分阶段地对组织进行缓慢降温能降低其临界致死温度，这样就使
某些临界致死温度高于零度的植物组织在 0℃或零度以下能长期保鲜，延长了它们的生存空 间。目前，国外已有不少通过缓慢降温使植物组织顺利进入超冰温领域而不结冰的成功实例。
鼠肝在不同贮藏时间下的 ATP、ADP 和 TAN 含量的变化，结果变明在-0.8℃贮藏条件下 ATP、
ADP 和 TAN 的含量都要比 4℃贮藏条件下要高[11]。还有更多的研究者则是对稳定温度下细
胞适应过程中所产生的各种现象进行了测量，如 Fisun Hamaratog 研究了海母对渗透压的反 应[12]，S.K. Mastronicolis 研究了不同低温下单核细胞内脂的变化[13]，M.D. Ferna´ndez-Dı´az
Key Technologies of Ice-temperature Preservation
Shen Jiang，Liu Bin Dept.of Refrigeration and HVAC, Tianjin University of Commerce,300134 Abstract: Based on the analysis of conferences of ice-temperature technology, the key technologies of ice temperature preservation were concluded including three factors: the cooling processes before the ice-temperature storage, the technology of evening the flow field (temperature and air velocity) and the controlling technology of ice temperature storage. And combining the finished experimental works, the project “Application of ice temperature technology” founded by Japanese Government was introduced. All these works are helpful for guiding the use of ice temperature in China. Key words: cooling, self-adaptive process, preservation
冰温贮藏后不同的升温速率对水果的货架期有不同影响，造成这种结果的原因是水果组
织的自适应行为所造成的，表 2、表 3 及表 4 分别列出了所用冰温库设定条件、降温处理及 升温处理。
表 2：冰温库设定
设备名称 部位
设定温度
相对湿度 BOX1 设定温度 BOX2 设定温
（猕猴桃）