（制冷及低温工程专业论文）冰核细菌对模拟食品冷冻特性的影响研究.pdf

浙江入学博十学位论文摘要 摘要 食品冷冻耗能较大，冷冻过程中形成的冰晶尺寸大小直接影响冷冻后食品的质量。冰核 活性细菌具有在较高温度下形成异质冰晶的能力，可以在定程度上提高食品冷冻过程中的 冰核生成温度、缩短冻结时间、减小冰晶的最终尺寸，有利于减少冷冻过程中的能源消耗， 改善冻后食品的质量。但是，由于冰核细菌作为生物添加剂用于食品冷冻的研究涉及细菌生 物学、食品工程科学以及热物理等多门学科领域，相关研究受到制约，还存在许多问题。为 此，本文以探索食品内成核活性单元数对食品冷冻性质的影响规律为目的，进行了如下实验 和理论研究： 1 、选取丁香假单胞菌作为冰核细菌，进行了实验室培养，并测量了获得的菌液的冰核浓 度。v a l i t b 液滴冻结法7o c 检测得到经培养的两个批次的冰核细菌菌液内的成核活性单元数 分别为3 2 9 1 0 4i n a j m l 和6 9 l o ，1 n a m l 。 2 、实验研究了冷冻温度、样品尺寸以及成核活性单元数对样品冻结特性的影i 响。通过实 验观察到以下现象：冷冻温度越低、样品尺寸越大，则样品过冷度越小；冰核细菌的冰核活 性作用的发挥与样品体积和冷冻温度有关，在冷冻温度较低、样品尺寸较火时，添加冰核细 菌对食品过冷度和冷冻时间的影响减弱；成核活性单元数的大小不影响食锚的初始冻结温度。 另外，测得的1 0 蔗糖溶液、0 9 n a c l 溶液, t 1 7 7 t y l o s e 固态模拟食品的过冷度与成核活性单 元数的关系可以采用形如r = d b e x p ( 一k c l 的表达式来描述，式中c f 表单位体积内的成核 活性单元数，盯、b 弄l l k 为常数。从本文实验结果我们可以推测，不同成核活性堆元数的样晶。p 蛋白质的聚集程度不同，作为异质成核粒予的聚集冰核蛋白表面积年体积的火小足造成样品 过冷度变化的主要原因。 3 、实验研究了冰核细菌对7 7 t y l o s e 样品玻璃化转变温度及熔融潜热的影响。差示扫描 量热法( d s c ) 测试结果表明，未添加冰核细菌的7 7 t y l o s e 的熔融潜热为2 0 3j g ，玻璃化转 变温度为一5 2 5o c ，当样品内成核活性单元数为7 6 0 1 0 3i n a g 时，样品的熔融潜热为2 0 9j g ， 玻璃化转变温度为4 7 0o c ，均略有提高。 4 、实验研究了冰核细菌对冰晶大小的影响。将样品进行冷冻。干燥处理，然后采用扫描 电子显微镜观察，并进行图像分析。在成核活性单元数分别为0 、2 5 3 1 0 3 及7 6 0 x1 0 3i n a g 时，经冷冻的7 7 t y i o s e l 置l 态模拟食品内的冰晶平均当量直径分别为2 5 7 、1 5 8 及1 5 4p m 。这 说明冰核细菌的添加有利于减小样品内冰晶尺寸，对改善冷冻食品品质有帮助。 5 、建立了考虑冰核细菌影响的食品冷冻过程的数学物理模型。该模型选取s u c c a r 半经验 公式和p h a m 公式计算模拟食品的密度、比热容及热导率，考虑了通过实验得到的过冷度与成 核活性单元数之间的关系。应用该模型对7 7 t y l o s e 模拟食品( 甲基纤维素固体胶冻) 的冷冻 过程进行了模拟计算，并与实验结果进行了比较，冷冻时间的模拟计算值与实验值问平均偏 浙江大学博十学侮论文 摘要 差小于1 0 o 6 、以微冻保鲜、冷库冻结| - 白j 冷冻及瘦牛肉丸流态化单体速冻为例，计算了不同冰核细菌 添加量对单位时问产量的影响。结果表明，冰核细菌的添加对冷冻h 寸问的影响程度和冷冻条 件有关，对于冷冻温度不能太低的情况。冰核细菌的添加有利于冷冻时间的缩短，从而提高 单位时间内的产量，提高冷冻加工效率。 本文的研究结果表明，冰核细菌在食品冷冻中的应用效果与多种因素都有关系。添加冰 核细荫对食品冷冻时间的影响可以用数学物理模型来进行描述，并通过模拟计算的方式予以 预测。冰核细菌能够减小冷冻过程最终形成的冰晶尺寸，具有改善冷冻食品品质的潜在应用 前景。 关键词：冰核细菌，食品，冷冻，过冷，冰晶 浙江大学博十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yc o n s u m p t i o na n di c eg r o w t hw h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t yo ff r o z e nf o o dh a v e i m p o r t a n te f f e c to nt h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t yo ft h ef r e e z i n gp r o c e s s i c en u c l e a t i o na c t i v eb a c t e r i a c a ni n i t i a l i z ei c en u c l e a t i o na th i g h e rs u b z e r ot e m p e r a t u r e ，w h i c hl e a d st or e d u c t i o no ff r e e z i n gt i m e a n df o r m a t i o no fs m a l l e ri c ec r y s t a l s i c en u c l e a t i o na c t i v eb a c t e r i am a yh a v ep r o f o u n dp o t e n t i a li n f o o df r e e z i n gi n d u s t r y ，h o w e v e r , t h er e l e v a n tr e s e a r c ha r el i m i t e d ，w h i c hm a yb ee x p l a i n e db yt h e m u l t i d i s c i p l i n a r yc h a r a c t e r i s t i co ft h es t u d y i tc o n c e r n sb a c t e r i o l o g y ，f o o de n g i n e e r i n ga n d t h e r m o p h y s i c s i no r d e rt oh a v eab e t t e ru n d e r s t a n d i n go fi c en u c l e a t i o na c t i v eb a c t e r i ai nf o o d f r e e z i n g , f u r t h e rs t u d yi s n e e d e d t h ea i mo ft h i st h e s i si st oq u a n t i t a t i v e l ys t u d yh o wt h e c o n c e n t r a t i o no fi c en u c l e a t i o na c t i v eb a c t e r i aw i l li n f l u e n c ef o o df r e e z i n gp r o c e s s t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lw o r k sw e r ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ： 1 p s e u d o m o n a ss y r i n g a ep v p a n i c iw a sc h o s e na si c e n u c l e a t i o na c t i v eb a c t e r i aa n di t sa c t i v i t y w a sm e a s u r e dw i t ht h ed r o p l e tm e t h o df r o mv a l i f o rt h ef i r s ta n dt h es e c o n db a t c h e so f c u l t u r e db a c t e r i a ，t h ei c en u c l e a t i o na c t i v i t yu n i t sp e ru n i tv o l u m ew e r em e a s u r e dt ob e3 2 9x 1 0 4i n a m la n d6 9 x1 0 5i n a m l ，r e s p e c t i v e l y 2 t h ee f f e c t so fc o o l i n gt e m p e r a t u r e ，s a m p l es i z ea n dc o n c e n t r a t i o no fi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i ao n f o o da n a l o g u ef r e e z i n gw e r es t u d i e db yt h ec o o l i n gc u w em e t h o d i tw a sf o u n dt h a t ：1 ) l o w c o o l i n gt e m p e r a t u r ea n dl a r g es a m p l es i z el e dt ot h er e d u c t i o no fs u p e r c o o l i n gd e g r e e s ；2 ) b a c t e r i ae x h i b i t e db e t t e ra c t i v i t yi nt h ec a s eo fh i g hc o o l i n gt e m p e r a t u r ea n d o rs m a l ls a m p l e s i z e ；3 ) i n i t i a lf r e e z i n gt e m p e r a t u r e sw e r ei n d e p e n d e n to ft h ec o n c e n t r a t i o n so fi c e n u c l e a t i o n b a c t e r i a f u r t h e rm o r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u p e r c o o l i n gd e g r e ea n dt h ec o n c e n t r a t i o n o fi c e - n u c l e a t i o nb a c t e r i af o r10 s u c r o s es o l u t i o n 0 9 n a c is o l u t i o na n d7 7 t y l o s ew e r e i n v e s t i g a t e d i tc o u l db ee x p r e s s e da sa t = 日一6 e x p ( 一 c ) ，w h e r ecw a st h ec o n c e n t r a t i o no f i c e n u c l e a t i o nb a c t e r i a ，a ，ba n dkw e r ee m p i r i c a lp a r a m e t e r s f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e c o n c l u d e dt h a tt h ea g g r e g a t i o ns t a t e so f t h ei c en u c l e a t o rp r o t e i nl e dt ov a r i e t yo f h e t e r o g e n e o u s i c en u c l e a t o rs i z ei nf o o ds a m p l e s t h ed e g r e eo fs u p e r c o o l i n gm a yb ed e p e n d e n to nt h e i c e n u c l e a t o rs u r f a c ea r e aa n dv o l u m e 3 t h eg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e sa n de n t h a l p i e so ff u s i o no f7 7 t y l o s ew i t ha n dw i t h o u tt h e i c e n u c l e a t i o nb a c t e r i aw e r em e a s u r e db yd i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t e r ( d s c ) a f t e r a d d i t i o no fi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i aw i t hc o n c e n t r a t i o no f7 6 0 10 i n a g t h eg l a s st r a n s i t i o n t e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m - 5 2 5o ct o - 4 7 0o c ，w h i l et h ee n t h a l p yo ff u s i o ni n c r e a s e df r o m 2 0 3j g t o2 0 9j g 浙江大学博十学位论文 a b s t r a c t 4 t h ee f f e c to fi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i ao ni c ec r y s t a lf o r m a t i o nw a si n v e s t i g a t e d f r o z e nt y l o s e g e l sw e r ef r e e z e d r i e d ，t h e ns l i c e d ，p h o t o g r a p h e db ys c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) a n d a n a l y z e dw i t hi m a g ea n a l y s i ss o f t w a r e m e a ni c ec r y s t a ls i z e sw e r ed e t e r m i n e di n s i d et h eg e la s 2 5 7 15 8a n dl5 4 a mf o rt h es a m p l e sw h e nt h ec o n c e n t r a t i o n so ft h ei c e n u c l e a t i o nb a c t e r i a w e r e 0 ，2 5 3 1 0 a n d7 6 0 x 1 0 3 i n a g ，r e s p e c t i v e l y 。i tc o u l db es e e n t h a t t h e m e a n i c ec r y s t a l s i z ew a sr e d u c e dw i t ht h ea d d i t i o no fi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i a t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t i c e n u c l e a t i o nb a c t e r i am i g h tb eu s e df o rt h eq u a l i t yi m p r o v e m e n to ff r o z e nf o o d 5 am a t h e m a t i c a l p h y s i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h ef r e e z i n gp r o c e s si nf o o ds t u f f m i x e dw i t hi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i a t h em o d e li n c l u d e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s u p e r c o o l i n gd e g r e e a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fi c e - n u c l e a t i o nb a c t e r i am e a s u r e df r o m e x p e r i m e n t s s u c c a r ss e m i e m p i r i c a le q u a t i o n s a n dp h a m s e m p i r i c a le q u a t i o n s w e r e i n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h et h e r m o p h y s i e a lp r o p e r t i e s f r e e z i n gt i m e sp r e d i c t e db yt h i sm o d e l w e r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t af o r7 7 t y l o s es a m p l e s ( af o o da n a l o g u e ) t h ea v e r a g e d i s c r e p a n c yw a sl e s st h a n10 ，w h i c hs h o w st h em o d e lh a sag o o da c c u r a c y 6 a p p l i c a t i o no fi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i ai np a r t i a l l yf r e e z i n g ，q u i c kf r e e z i n ga n dc o l ds t o r a g ew e r e e s t i m a t e dt h r o u g he x a m p l e s ，w h e r et h ec o n c e n t r a t i o no fi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i ai nc o o l e dm e a t b a l l sw a sc h a n g e di nt h er a n g eo f0t o6 9 4 x1 0 i n a g t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a to u t p u t i m p r o v e m e n ta n de n e r g ys a v i n gc o u l db ee x p e c t e di ft h et e m p e r a t u r eo ft h ec o o l i n gm e d i u m w a sr e l a t i v e l yh i g h ，h o w e v e r ，i ft h et e m p e r a t u r eo ft h ec o o l i n gm e d i u mw a sr e l a t i v e l yl o w ，t h e a d d i t i o no fi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i aa l m o s td i dn o ta f f e c tt h ef r e e z i n gt i m e o nt h ew h o l e ，t h ee f f e c t so fi c e n u c l e a t i o nb a c t e r i ao nf o o df r e e z i n gp r o c e s sw e r ei n f l u e n c e d b ym a n yf a c t o r s m a t h e m a t i c a l p h y s i c a la n a l y s i sc o u l db eu t i l i z e dt op r e d i c tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc o n c e n t r a t i o no f i c e n u c l e a t i o nb a c t e r i aa n df r e e z i n gt i m e w i t ht h ea p p l i c a t i o no f b a c t e r i a l i c en u c l e a t i o n ，s o m ec u r r e n tf o o df r e e z i n gp r o c e s s e sm a yb em o d i f i e dt oo p e r a t ea th i g h e rs u b z e r o t e m p e r a t u r e sw h i c hl e a d st oe n e r g ys a v i n g s ，a n ds m a l l e ri c ec r y s t a l sa r ef o r m e dw h i c hl e a dt o i m p r o v e m e n to f p r o d u c tq u a l i t y k e y w o r d s ：i c e - n u c l e a t i o na c t i v eb a c t e r i a ，f o o d ，f r e e z i n g ，s u p e r c o o l i n g ，i c ec r y s t a l 浙江大学博十学位论文 符号表 主要符号表 拉丁字母 面积，m 2 水分活度 毕渥数 单位体积质量内的成核细菌单元 数，i n a m l 或i n a g 比热容，k j ( k gr k ) 有效扩散率 傅立叶数 焓，k j k g 对流换热系数，w ( m 2 0 c ) 拟合常数 ( 特征) 长度，m 形状特征参数，质量 压力，k p a ；结冰概率 换热量、热负荷或制冷量，k w 半径，m 斯坦登数 名义冻结温度，o c 体积，n 1 3 扩散物质量浓度( k s ，m 3 ) 无量纲温度 热扩散系数；拟合常数 不可冻水的质量分数 拟合常数 定压比热容，k j ( k g o c l 直径，m 水和固相分予质量之比，或成核 能量壁垒 自由能，j 扩散焓，k j k g 冷冻系数 熔融潜热，j g 摩尔质量，k g m o l 质量流量，k g ( m 2 - s ) 普朗克数 摩尔气体常数，j ( k m 0 1 ) 固体粒子的表面积 温度，o c 过冷度，o c 发生冻结的概率 摩尔分数，( m o l m 0 1 ) ； 异质核子数 希腊字母 声水的克分子冰点降低常数 c o 质量分数，( k g k g ) 0 接触角西源项 i 口b 6 o d e g凰km 肼胄s r 们形 x 4 钆肼 c 。 巩 r h 七， 研 p q，跏矿 阿 r 浙江人学博十学像论文 符号表 a 热导率，w ( m 。c 1 “化学势，j t o o l 盯表面张力 a 不可冻结水分 b 束缚水，冰核细菌 c中心 _ ，组分 s固相，表面 w水 m 冷却介质，环境 下角标 i i p质量密度，k g m 3 f时间 三 成核概率 空气 冻结相 冰相，节点初始状态 液相 未冻结相 初始状态 学号! q 2 q 墨1 2 垒 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得滥鎏太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者筝名：刁沟俸签字同期：? 年，j 月 ， 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥江盘茔有关保留、使用学位论文的舰定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权丝三 盍生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采j j 影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲力沟蓐 签字日期：知0 年严月jj 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 慨 签字开期：d 一) 年，j 月，日 电话： 邮编： 浙江人学搏十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 绪论 大多数食品具有较高的水分含量，包含多种营养成公并具有一定酸性，因此两易于腐烂 1 】；食品中酶的作用还会导致食品贮藏过程中的有害反应继续进行。基于上述原因，通常需 要对食品进行有效的保存。食品冷冻是目前应用的遏制食品腐烂的最有效的保存方法之一 f 2 】【3 】。食品被冷却或被冻结时，温度的降低引起食品特性的改变，有助于延长食品的贮藏期， 如表1 1 所示。我国的速冻食品自2 0 世纪7 0 年代以来发展迅速，全国各地先后建立起相当规模 的速冻食品加工企业，冷冻食品的出口及上市量迅速增加。目前，冷冻与冷藏食品成为人们 饮食生活不可缺少的部分，并日益成为主流食品之一。 表1 1 食品冷藏和冻藏温度范围和贮藏期f 3 】 随着科技的进步，食品冷冻研究由对宏观冻结的关注逐步深入到对内部组织、成分冻结 过程的探讨。1 8 3 4 年，英国人j a c o bp e r k i n s 发明了压缩式冷冻机，使得通过人工制冷机制冷来 大规模保存食品成为可能。1 8 5 8 年，g l o v e r 发表文章探讨了获取丰富且经济的新鲜动物食品 的方法，该文是目前可查找到的冷冻保存肉类和蔬菜食品的最早的文献 4 】。2 0 世纪6 0 年代， 人们丌始意识到食品的物理、化学性质以及形态特征对冷冻后食品组织结构保存的重要性 【2 【5 1 ，如大量水分向冰的转变引起被冻食品体积的变化以及食品内部溶质的浓缩，将造成食 品的冷冻损害；相变速率的大小影响被冻食品内部冰晶的尺寸与分布的不同，而大冰晶的彤 成会造成更多的食品滴液损失。因此，冷冻过程中水分的相变过程以及冰晶形成尺寸与分布 受到研究者的重视。2 0 世纪9 0 年代起，新技术不断发展，脱水、高压、抗冻蛋白、冰核细菌 等在食品冷冻工业中开始应用，目的是追求冻结效率的提高、能量损耗的减少以及冻品质量 的改善。其中，冰核细菌可作为微生物添加剂，不需要复杂的冷冻工艺设备并能有效减小冻 结成核所需过冷度、缩短冷冻时间，可能足一种较好的降低能耗、提高冻品品质的辅助冷冻 方法。目前，部分研究者已开展了冰核细菌应用于不同液体食品及模拟食品的冷冻浓缩或冷 冻保存的实验研究。 浙珏：大学博十学俜论文第一章绪论 本章首先阐明食品冷冻的方法以及冷冻对食品产生的影响，并综述食品冷冻实验以及理 论研究近况，然后分析冰核细菌用于食品冷冻的研究现状，最后指出课题研究内容和意义。 1 2 食品冷冻简介 1 2 1 冷冻对食品的影响 食品冷冻通过降低食品温度并减少食品有效水分含量达到限制食品内化学反应进行程度 的目的，增强冻结食品贮藏稳定性【3 】。1 9 6 6 年，f e n n e m a 2 回顾冷冻保存食品技术的发展时 提出。提高冷冻食品品质的首要因素就是要明确食品在冷冻过程中的物理、化学性质以及食 品形态特性的变化，冷冻对食品的保存基于两个基本特性，即温度的降低和液态水到固态冰 的相转变。温度达到水的结晶点的时候可以减低生物反应速率；温度达到初始冻结点以下发 生由水到冰的相转变，会引起食品中水分活度的降低及食品中溶液浓度的升高，而溶液浓度 的升高对食品质量可能产生负面影响。f e n n e m a 还指出，水到冰发生的相转变的速率影晌冰 晶尺寸以及分布，并最终影响食品质量。从物理性质和化学性质两个方面描述食品在冷冻过 程中的变化为： 1 物理性质的变化 1 ) 体积膨胀产生内压： 1 ) 比热容随着温度降低而下降； 2 ) 热导率随着温度降低而升高： 3 ) 食品经冻结、解冻后产生部分汁液流失； 4 ) 冻结过程中会有一些水分从食品表面蒸发出来，从而引起干耗。 2 化学性质的变化， 1 ) 由于无机盐的浓缩及冰晶的生成可能使得蛋白质失去结合水，造成蛋白质的变性和 冻品变色； 2 ) 食品质构的变化 冻结过程中由于胞内、外发生冻结的速度不同，引起胞内水与胞间水分之间的迁移， 造成食品内的水分重新发布。冻结速度越慢，水分重新分配越显著，冰晶对组织的 机械破坏作用越强，冷冻食品复温后的品质越低。 为了使得冷冻过程中食品内部形成细小并且分布均匀的冰晶，众多研究者进行了食品冷 冻过程中冷冻速率、水冰相转变及样品体积等因素对组织损伤以及解冻过程中汁液流失现象 的研究。 1 1 1 食品冷冻方法 一、传统方法 浙江人学博十学侥论文第一章绪论 食品冻结过程中冷却介质的温度一般推荐为一3 0 2 3 。c 。常规食品冻结方法按照冻结的 快慢，可以分为速冻与慢冻；按冷冻介质和食品接触的方式，大致分为空气冻结法( 装置为： 隧道式、螺旋式、流态化以及搁架式冻结装置) 、问接接触冻结法和直接接触冻结法。通常 根据具体产品的质量要求和技术经济指标选用冻结方法。目前应用较广的方法是直接接触法。 1 自j 接接触法以金属板为传热体，金属板一面与食品接触，另一面与低温介质接触进行热 交换，典型的设备有平板式、回转式和钢带式3 种冻结装置。 2 直接接触法常见的有以下3 种： 1 ) 静置法：食品静置在冷库中，凭借空气的自然对流使食品缓慢冻结。常用的温度为- 2 9 1 5o c ，根据食品的形状厚薄，冻结时间持续3 7 2h 。为提高冻结效率，有的冷库 内安装风扇以加速冷空气循环。静置法迄今已有1 2 0 多年的历史，其设备简单，适应 多种产品，现在仍用于猪、牛、羊胴体和水产、家禽、蛋液等的冻结。 2 ) 强制通风法：将1 0 1 5m s 高速流动的一4 6 2 9 。c 的冷空气吹向食品，使食品迅速冻 结。 3 ) 喷淋法：将低温液体介质喷淋在食品表面，通过直接接触进行热交换，利用了液体传 热的效率高，冻结速度快的特点。常用液体介质为食盐水( 温度可达到2 1o c ) 、液 体c 0 2 及液氮( 沸点为一1 9 5 7 8 。c ) 。液氮作为超低温制冷剂可使食品很快冻结，速度 是一般冷冻方法的2 0 3 0 倍，是当前冻结速度最快的方法。 二、冷冻方法的新发展 随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对冻结食品的质量要求也越来越高， 食诌冻结工艺相应的需要朝着低温、快速、提高冻品品质的方向发展。脱水冷冻法、商压冷 冻法、冰核细菌、抗冻蛋白等生物添加剂的应用以及超声波在冷冻中的辅助作用【6 【7 】足食品 冷冻的新技术。 1 脱水冷冻( d e h y d r o f r e e z i n g ) 【6 】【8 】 脱水冷冻法将食品首先经过一定程度的脱水，减小食品水分含量后再进行冷冻，从而达 到减少食品内部冰晶生成量的目的。脱水过程的效率取决于水分移除的速率和程度。2 0 0 1 年， h u m b e r t o v e g a m e r c a d o 等【8 】应用湿一混图详细分析了空气中的汽液平衡，并回顾了脱水冷冻 发展的四个阶段：第一代，箱式或者床式干燥机：系统包括迸料器、加热器和空气收集器， 操作过程中，热风吹过很大面积的物料将表面水分带走，适合于固体物料；第二代改进型， 可以进行浆状食品和浓汤的干燥。设备有喷雾干燥器，转鼓式干燥器：第三代，冷冻干燥和 渗透脱水干燥技术，冻干致力于保持物品形态以及减小风味损失，渗透脱水常用于水果和蔬 菜的处理；第四代，高真空、流化床技术、微波、射频等应用于脱水技术，其中微波( 系统 装置如图l l 所示) 和射频技术由于耗能少而得到更多的重视。 出于薪鲜水果和蔬菜的水分含量高于肉类，而且果蔬细胞壁相对于肉类的细胞膜丽吉缺 乏弹性，更容易受到冷冻过程中形成大冰晶的影响，因此脱水冷冻方法更适合于果蔬的保存。 浙江人学博七学位论文第一章绪论 w o 一触脚“_ - _ - - f 一嘲h 嘲=，一，囊雄_ 嘲嘲v v d - 相* 图1 1 微波一喷泉床千燥系统示意m 8 】 脱水过程使得食品内水分含量减少，意味着需要被冻结水量的减少，从而降低冷冻过程所需 的制冷量、缩短冷冻所需时百j 。基于上述优点，与传统冷冻产品相比较，脱水冻结食品能够 有效保持食品的质量并降低贮存成本。例如，脱水猕猴桃冷冻时，在1 9 2 0r a i n 内样品温度 降低到一1 8 。c ，而未进行脱水处理的样品在相同冷冻条件下达到，1 8o c 需要2 3 2 4m i n 6 1 。经 过不同浓度的甘油、葡萄糖和蔗糖渗透处理后冻结的草莓片，解冻后汁液物质的损失明显降 低，而且水分含量越低的猕猴桃样品，由于冷冻造成的组织损伤越小 9 】。 2 高压冷冻( h i 曲一p r e s s u r ef r e e z i n g ) 6 12 13 】 2 0 世纪9 0 年代，高压应用于食品保存得到重视。高压可以引起生物材料中的蛋白质变性、 酶失活、淀粉凝胶等作用。1 9 9 2 年，m a k i t a 提出将高压应用于食品灭菌保存，实验研究表明 经处理的食品的色泽、风味以及营养得到很好的保存。m a k i t a 还指出，水作为压力传递介质 其热物理性质的变化对高压处理过程至关重要 1 4 1 。 p r c * s u c e ( 瓣的 图1 2 水的相图 如水自弘一7 图( 图l 一2 ) 所示，常压下水冻结主要形成冰i ，密度小于水的密度，0o c 时水 4 pv暑gl墩嚣卜 浙i 【火学博- ：学位论文 第一牵绪论 结成冰体积膨胀约9 ，2 0 0 c 时膨胀约1 3 【1 5 】，体积的膨胀可能造成食品组织的机械损伤。 而在较高的压力下，降温后形成冰晶体i i i x ，其密度大于水的密度，不存在因体积膨胀而 造成冻结食品组织损伤的问题。因此，改变食品所处的温度和压力可以改变食品的物理状态。 例如，室温下，当压力升高至u 9 0 0 m p a 以上，可能形成密度为1 1 3 1 0 3k g m 3 的冰晶体i v ，也 就是说，食品可以在没有任何冷却的情况下被冻结。当压力约为2 0 0 m p a 时，食品内温度降低 到2 0o c 仍不冻结，当释放冷冻腔内压力至常压时，大量均匀冰核快速生成并遍御整个食品内 部 1 6 】。从冻品微观组织来看，小冰晶的形成使得细胞损伤减少，最终食品质量将得到显著 提商。高压辅助冷冻方法因此而特别适用于大尺寸样品的冷冻，可以避免常规冷冻中大尺寸 样品内冰晶分布不均匀、温度梯度大以及样品皲裂等现象的发生。 同本在高压食品加工的研究及商业化领域中处于领先位置，欧美也在探索高压在食品工 业中的应用 1 2 】。已有文献报道了豆腐、胡萝卜、土豆、卷心菜、茄子、猪肉等的高压辅助 冷冻研究，结果显示，经高压冷冻处理后，样品的微观结构形态完整【1 7 】。我国高压冷冻技 术主要应用于植物细胞超微结构保存研究 1 8 】。 图1 3 所示为s a n z 等 1 3 】搭建的高压辅助冷冻实验装置。oo c 以下工作的高眶冷冻装置需 要使用特种钢制各容器，需要合适的压力传递流体，还需要有精确的监控以提高操作系统的 质量和稳定性。因此，耗资大、压力容器材料及制造工艺要求高，成为高压冷冻方法广泛应 用的最大障碍，高压辅助的食品冷冻保存实验开展因此而存在很大困难。 图1 - 3 高压辅助冷冻装置f 13 1 3 抗冻蛋白和冰核细菌、冰核真菌的应用 控制冷冻食品内部冰晶的生长是食品冷冻技术关注的问题。抗冻蛋白和冰核细菌可以直 接加入食品中，与食品内蛋白质或水分子等相互作用，影响食品内晶核形成以及冰晶的尺寸、 结构。抗冻蛋白和冰核细菌对于冰晶作用机理不同，抗冻蛋白具有降低冷冻温度并抑制冻结 贮藏中重结晶的作用，而冰核细菌具有提升成核温度、减小过冷度的作用。抗冻蛋白和冰核 细菌的作用都有利于食品冷冻保存过程，因此食品中生物添加剂的应用得到众多食品技术研 究者的重视。关于冰核细菌的应用将在1 4 节中详细介绍，这里我们首先介绍抗冻蛋白和冰核 浙 l 人学博十学传论文 第一章绪论 真菌的应用。 1 ) 抗冻蛋i 白( a n t i f r e e z ep r o t e i n s ，a f p s ) 1 9 2 0 】 1 9 6 4 年，r a m s a y 发现t e n e b r i om o i l o r 的幼虫体液冰点明显低于熔点，1 9 6 8 年g r i m s t o n e 等 人进一步研究发现，该昆虫体内产生的一种抗冻蛋i ! t ( a f p ) 是引起这一现象的原因。随后的研 究相继在寒带鱼类 2 1 、极地生活的昆虫，蜘蛛等小动物体内及某些植物材料、真菌和细菌 中发现这类能适应低温的特异性蛋白质【6 】。r a y m o n d 和d e v r i e s 提出了抗冻蛋白的抗冻原理， 抗冻蛋白通过附着于冰晶表面并阻碍水分子迁移到冰晶体表面而产生作用。抗冻蛋白分子碎 片或者聚合体和冰晶表面紧密结合，仅允许晶格在抗冻蛋白分子间隙生长，从而降低冰水界 面处的表面稳定性，不利于水进入冰的表面，进而抑制冰晶生长，维持体液的非冰冻状态。 研究还发现，抗冻蛋白只影响结冰过程，对熔点影响很小。 当前研究最多的具有抗冻活性的蛋白来自于鱼类。抗冻蛋白没有种属特异性，不同种属 问的动物，甚至于动物和植物之间也可以通过a f p 的导入来增加抗冻力 2 2 】。目前抗冻蛋白的 应用研究主要为基因转移、细胞及组织低温保存、改善玻璃化溶液性质方面，抗冻蛋白在化 工、食品、同用化学品等方面的应用前景也引起许多研究人员的极大兴趣 1 9 2 4 】。把抗冻蛋 白直接作为食品添加剂加入到冰奶中，可以消除冰渣，有利于保持细腻的乳状组织结构，抑 制冰品的重结晶，改善质量和口感。肉类的冻藏过程中如果发生重结晶现象，胞内大冰品 的形成将导致解冻过程中汁液和营养的流失，可以利用抗冻蛋白对重结晶的抑制作用来改善 解冻食品的品质 2 5 1 。 尽管抗冻蛋白a f p 已有商品销售，但是其价格昂贵，目前仅仅适用于科研及特殊用途。 随着研究者们对抗冻蛋自结构和功能研究的深入，化学合成或者遗传工程技术的发展有可能 解决抗冻蛋白来源少、价格昂贵的问题。 2 ) 冰核真菌【2 7 】 1 9 9 1 年，p o u l e u r - 等人报道了造成植物霜冻害的冰核真菌，引起了人们的重视。随着研究 的进展，研究者发现冰核真菌相对于冰核细菌有耐热、耐酸碱、抗紫外线等优点【2 6 】 2 7 】，如， 冰核真菌热稳定性好，使得添加了冰核真菌的产品易于贮藏、货架寿命长。目前，研究者从 昆虫、植物体及土壤中分离到多种冰核真菌，3 种为地农真菌，8 种为镰刀菌属( f u s a r i u m ) 。 我国已分离和收集到6 个在5o c 具有冰核活性的真菌菌株，其中孙福在等 2 8 分离到一株冰核 活性强且稳定的禾赤色镰刀菌( f u s a r i u mg r a m i n e a r u mf 9 5 0 2 ) 的结冰点为2 7 0 c ，初步研究 显示，该菌株除产生高活性的胞内冰核外，还可以产生较高活性的胞外冰核。与冰核细菌相 比，冰核真菌的不足之处在于生长慢、冰核活性较弱。 目前，冰核真菌产生冰核活性的确切组成部分及其结构仍不清楚，对影响真菌冰核活性 的因素也缺少研究。同时，大多冰核真菌是植物致病菌，在食品工业中的应用还需做冰核的 分离纯化及毒理试验等大量工作。一旦上述问题得到解决，冰核真菌的应用前景会更广阔。 6 浙江人学搏七学传论文 第一章绪论 1 2 食品冷冻研究近况 冷冻新技术的发展源自于研究者对冷冻降温过程和食品内结晶的深入认识。2 0 世纪以来， 国内、外在食品冷冻降温以及冰晶形成状况方面的研究逐步深入。 1 2 1 降温过程与状态相图 一、降温曲线 描述食品在冻结过程中的温度一时间关系的曲线即食品降温冻结曲线。食品冻结曲线是生 产率、产品质量、能耗等因素的重要关系曲线。图l 4 描述了纯水( 图a ) 和二元溶液( 图1 3 ) 冻结成冰的过程。冻结过程中经历了降温过冷、成核、冰晶开始形成、相变潜热释放、溶质 的结晶( 图b 中的第二个过冷出现处) 、冻结后固化的样品以较快速率降温到冷环境温度几 个阶段。对比图a 、b ，在相同的外压下，当温度降低时，如果水和溶质二元溶