（食品科学专业论文）超声波对速冻毛豆仁品质的影响研究.pdf

摘要 摘要 本论文以毛豆仁为研究对象，主要研究果蔬速冻产品的超声波处理工艺。系统研究 了超声波在漂烫工艺和冷冻工艺过程中的辅助作用，以及经超声波处理后速冻果蔬的货 架寿命和解冻后的品质。以速冻蔬菜的营养成分、持水力、质构等指标衡量处理后毛豆 仁品质。 首先，研究不同漂烫工艺。通过对过氧化物酶失活率、蛋白质、抗坏血酸、叶绿素 含量的变化及感官评定来衡量微波处理、超声波辅热处理和热处理对毛豆仁品质变化的 影响。试验结果表明温度为8 0 、超声波频率为2 5k h z 、功率为8 0 0w 下处理1m i n 能有 效钝化毛豆仁过氧化物酶，减少蛋白质、抗坏血酸和叶绿素含量在漂烫过程中损失，同 时改善毛豆仁感官品质。 其次，研究超声波辅热处理对毛豆仁过氧化物酶钝化机理并优化工艺参数。超声波 辅热处理参数：温度6 0 - 9 0 、超声波频率2 5k h z 、功率8 0 0w 。以6 0 1 0 0 的热处 理下毛豆仁过氧化物酶活性变化为参照，研究在超声波辅热处理下过氧化物酶活性变 化。并通过响应面优化工艺参数：在2 5k h z 、8 0 0w 超声波、8 3 处理1 5 2m i n ，过氧 化物酶钝化后残余活力为1 8 。超声波辅热处理将成为新型漂烫工艺逐渐取代传统热 处理。 再次，研究超声波辅助冷冻加工工艺。通过超声波与浸渍冷冻并联方式速冻毛豆仁， 即在毛豆仁冷冻相变过程中施加超声波处理。主要研究超声波功率、超声波作用时间、 超声波脉冲值对冷冻速率及解冻后毛豆仁质构和持水力的影响。利用热电偶跟踪中心温 度变化，准确把握冻结温度：并分析在超声波辅助冻结后毛豆仁理化特性变化，结合光 镜切片观察细胞结构。并通过响应面优化在2 0 载冷剂浸渍冷冻过程中施加的超声波 工艺参数：频率2 5k h z 、功率5 8w 、脉冲值5 0 、作用时间0 7m i n ，解冻后毛豆仁质构 ( 硬度) 和持水力分别为6 0 5 0g 和9 2 。 最后，研究超声波处理后毛豆仁冻藏货架期及解冻后品质变化。根据在不同冻藏温 度下v c 含量及感官品质随时间和温度变化趋势，考查v c 降解动力学特性并应用相应的 模型，预测冷冻毛豆仁货架期。在冻藏过程中，毛豆仁v c 含量和感官品质随着冻藏时间 延长、冻藏温度提高而下降。在5 2 0 下v c 降解符合一级化学反应模型( a r r h e n i u s 方 程) ，并具有相对较高拟和精度。并研究2 0 冻藏五个月的毛豆仁经微波解冻、室温解 冻( 2 4 ) 和低温解冻( 4 ) 后的品质变化，通过测定毛豆仁中心温度解冻至0 。c 所需时间 和解冻后持水力、v c 含量损失率、质构进行比较分析，结果表明微波解冻效果明显。 关键词：超声波；超声波辅热处理；浸渍冷冻：货架期 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st op r o p o s eas t r u c t u r e dt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw i t hu l t r a s o u n d t r e a t m e n to fb l a n c h i n ga n df r e e z i n gf r u i to ne d a m a m e t h es h e l f - l i f ea n dq u a l i t ya f t e rt h a w i n g o ff a s tf r o z e nf r u i ta n dv e g e t a b l ea f t e ru l t r a s o u n dt r e a t m e n th a da l s ob e e ns t u d i e d t h eq u a l i t y o fe d a m a m ew a sd e t e r m i n e db yn u t r i t i o n ，w a t e r - h o l d i n gc a p c i a t y , t e x t u r e ，e t c f i r s t l y , t r yt of i n dag o o dp r o c e s s i n go fe d a m a m eb l a n c h i n gb ys t u d y i n gd i f f e r e n tb l a n c h i n g t r e a t m e n t s t h ei n f l u e n c e so fm i c r o w a v e ，t h e r m o s o n i c a t i o n ，h o tw a t e ro ne d a m a m eq u a l i t y w e r em e a s u r e db yt h ec h a n g eo fp e r o x i d a s e ，a s c o r b i ca c i d ，p r o t e i n ，t o t a lc h l o r o p h y l la n d o r g a n o l e p t i c n l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e r m o s o n i c a t i o nt r e a t m e n tw o r k e dlm i na t8 0 ， u l t r a s o n i cf r e q u e n c y2 5k h z ，u l t r a s o n i cp o w e r8 0 0wc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c ep o d a c t i v i t y a n dt h el o s s e so fp r o t e i n ，a s c o r b i ca c i d ，a n dc h l o r o p h y l ls i g n i f i c a n t l y i na d d i t i o n ，t h e o r g a n o l e p t i cq u a l i t yo fe d a m a m ew a si m p r o v e d s e c o n d l y , t h e m e c h a n i s mo fe d a m a m e p e r o x i d a s e i n a c t i v a t i o nc a u s e d b y t h e r m o s o n i c a t i o nw a ss t u d i e d a n d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a so p t i m i z e d t h e t e s tw a s p e r f o r m e da tt h et e m p e r a t u r eo f6 0t o9 0 ，u l t r a s o u n d sa tt h ef r e q u e n c yo f2 5k h za n d p o w e r so f8 0 0w t a k et h ec h a n g e so fp o da c t i v i t yo fe d a m a m et r e a t e da t6 0 。c t oi0 0 。ca s c o n t r o ls a m p l e ，a n dt h ec h a n g e so fp o di nt h e r m o s o n i c a t i o nt r e a t m e n t sw e r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c t i v i t yo fp e r o x i d a s er e m a i n e d1 8 a f t e rt h et r e a t m e n to f2 5k h z 8 0 0wu l t r a s o u n df o r1 5 2m i na t8 3 ( 2t h r o u g hr e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i s t h e r m o s o n i c a t i o n c a nb ean e w p r o c e s si n s t e a do ft r a d i t i o n a lh e a tp r o c e s s t h i r d l y , i m m e r s i o nf r e e z i n go fe d a m a m ew i t ht h ea i do fp o w e ru l t r a s o u n dw a si n v e s t i g a t e d t h a ti su l t r a s o u n dw a sa p p l i e dd u r i n gt h ep h a s ec h a n g eo ff r o z e ne d a m a m e t h er e s e a r c h m a i n l yf o c u s e d o nt h ee f f e c to fu l t r a s o u n dp o w e r ；e x p o s u r et i m ea n dt h eu l t r a s o u n dp u l s e do n i n c r e a s i n gf r e e z i n gr a t ea n di m p r o v i n gq u a l i t yo fe d a m a m e t h ef r e e z i n gt e m p e r a t u r ew a s c o n t r o l l e da c c u r a t e l y b yt h e r m o c o u p l et r a c k i n gt h ec h a n g e so fc e n t e rt e m p e r a t u r eo f e d a m a m e ，a n dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff r o z e nm a t e r i a l sa f t e rt h et r e a t m e n t w e r ea l s os t u d i e d 1 1 1 ea n a l y s e sc o n d u c t e do nt h em i c r o s t r u c t u r eo fe d a m a m et i s s u eu s i n g l i g h tm i c r o s c o p yt e c h n i q u e t h er e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i sw a su s e df o r t h ea n a l y z i n gb yt h e s a ss o f t w a r e t h et e x t u r ea n dt h ew a t e r - h o l d i n gc a p a c i t yo fe d a m a m ea f t e rt h a w i n gw a s 6 0 5 0g ，9 2 w h e n5 8wu l t r a s o u n dp o w e rw a sa p p l i e df o r0 7m i n ，a n d5 0 p u l s e da tt h e c o o l a n tt e m p e r a t u r eo f 一2 0 。c l a s t l y , t h es h e l f - l i f eo ff r o z e ne d a m a m ea n dt h eq u a l i t ya f t e re d a m a m et h a w i n gw e r e s t u d i e d as y s t e m a t i ck i n e t i cs t u d yo fa s c o r b i c a c i dl o s sa n ds e n s o r yo fe d a m a m ew a s c o n d u c t e di nt h et e m p e r a t u r er a n g eo ff r e e z i n gs t o r a g e a n di t sd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c ，h a s a p p l i e dt h ev i t a m i ncd e g e n e r a t i o nd y n a m i c sm o d e l ，p r e d i c t i n gt h ep o t e n t i a ls h e l f - l i f eo f f r o z e ne d a m a m e i n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ea n ds t o r a g et i m ed e c r e a s e dt h es h e l fl i f ef r o m g r e a t e r t h et e m p e r a t u r e d e p e n d e n c eo fv i t a m i ncl o s s i nt h e 一5 ct o 一2 0 cr a n g ew a s a d e q u a t e l ym o d e l e db yt h ea r r h e n i u se q u a t i o n s t u d yo ns e v e r a lk i n d so fd e f r o s t i n gm e t h o d s f o rq u i c k f r o z e ne d a m a m e ，c a r r i e so nt h em i c r o w a v et od e f r o s t ，a i rd e f r o s t i n gu n d e ra m b i e n t t e m p e r a t u r ea n d4 c t h r o u g hd e t e r m i n e si t sd e f r o s t i n ga f t e rt h et i m e ，d e f r o s t i n gw h i c h0 c i l a b s t r a c t n e e d se d a m a m ec o n t e n to fv c ，t h ew a t e r i n g h o l d i n ga n dt e x t u r ec o m p a r i s o n ，i n d i c a t e dt h e m i c r o w a v ed e f r o s t i n ge f f e c ti so b v i o u s k e y w o r d s ：p o w e ru l t r a s o u n d ，t h e r m o s o n i c a t i o n ，i m m e r s i o nf r e e z i n g ，s h e l fl i f e i i i 符号说明表 符号说明表 过氧化物酶，其活性单位u l x l 0 。3o dm i n 。1 9 。1 光密度即吸光值 在4 3 0 n m 下吸光度的变化 毛豆仁提取酶液的稀释倍数 毛豆仁鲜重( g ) 吸光度变化的时间 每1 0 0g 样品中抗坏血酸的毫克数( m 1 0 0 9 1 1m l 染料溶液相当于抗坏血酸标准溶液的量( m 咖1 ) 滴定样液时消耗染料溶液的体积( m 1 ) 滴定空白时消耗染料溶液的体积( m 1 1 滴定时所取的滤液中含样品的质量( g ) 每1 0 0 9 样品中叶绿素含量的毫克数( m 1 0 0 9 ) 毛豆仁提取叶绿素丙酮溶液体积( m 1 ) 在6 5 2 n m 下吸光值 每m l 溶液中所含样品的质量( g ) 感观评定值、v c 、叶绿素、蛋白质含量、低成本值等指标中某指标某一值 感观评定值、v c 、叶绿素及蛋白质含量、低成本值等指标中某指标最大值 感观评定值、v c 、叶绿素及蛋白质含量、低成本值等指标中某指标最小值 过氧化物酶的残余活力 新鲜毛豆仁初始酶活 过氧化物酶活性变化速率常数 漂烫处理时间 漂烫处理温度 过氧化物酶钝化的参照温度，一般是取温度范围的中间值 当处理温度为t r c f 时过氧化物酶钝化的速率常数 在超声波辅热处理中过氧化物酶钝化前一阶段的活性变化速率常数 在超声波辅热处理中过氧化物酶钝化后一阶段的活性变化速率常数 在超声波辅热处理中过氧化物酶钝化前一阶段t l 化f 的活性变化速率常数 在超声波辅热处理中过氧化物酶钝化后一阶段t 2 佗f 的活性变化速率常数 过氧化物酶活化能 气体常数8 3 1 4 在超声波辅助热处理下第一阶段的过氧化物酶失活活化能 在超声波辅助热处理下第二阶段的过氧化物酶失活活化能 过氧化物酶r a 值为1 0 时的热处理时间 啪ua耽。x t v w y 现w k km啪k r t k h k r r k 耽 江南人学硕十学位论文 w h c c c o t ” t 佗f ” t ” k ” k r c f k s 0 s 9 r c f e a a ” q l o 施加任何力量后原料能保持自身或加入水分的能力，值为离心前后质量之比 冻藏t ”天后毛豆仁中v c 含量 冻藏前冻结后毛豆仁中v c 的初始含量； 冻藏温度 冻减温度为1 5 毛豆仁冻藏时间； 在冻藏过程中维生素c 降解的一级动力学反应速度常数 冻藏温度为1 5 。c 下维生素c 降解的一级动力学反应速度常数 货架期为o 。时维生素c 降解速率常数值 冻藏温度为t 时的货架期 冻藏温度为1 5 时的货架期 在冻藏过程中毛豆仁维生素c 变化的活化能 频率因子或a r r h e n i u s 因子 冻藏温度相差1 0 的货架期比值 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。尽我所知，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，也不包含本人为获得江南 大学或其它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 签名：日 期：2 逸臣：6 二 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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，- q - 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：聋肆丛 导师签名： 日 期：2 鲤曼! 笪! ! z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 速冻加工工艺的研究进展 1 1 1 漂烫工艺 果蔬类食品冻结前的加工处理包括原料的挑选及整理、清洗、切分、漂烫、冷却等 环节。每个环节操作不当都会影响果蔬冻结质量。 酶的数量及活性对于果蔬类食品冻结及冻藏质量的影响尤为重要。不经过漂烫处理 直接进行冷冻不可能完全使其失活。为了使酶失活，对具体果蔬品种应控制其相应的漂 烫时间和温度。有些无漂烫处理的果蔬在冻结和冻藏期间，果蔬组织中会积累羰基化合 物。原料中含有多脂类的果蔬，由于在氧和脂肪氧化酶的氧化作用也会产生异味。曾有 研究报道，豌豆、四季豆和甜玉米在低温贮藏中发生类脂化合物的变化，其类脂化合物 中游离脂肪酸等显著增加。但个别品种因工艺要求也可不经过漂烫而直接冻结【l 】。 传统热漂烫由于处理极易过度在食品感官和营养保留方面不及新加工方法。为了保 持果蔬中营养物质以及最大限度维持果实色、香、味等品质，微波漂烫【2 4 】、欧姆漂烫、 超声波辅热处理( 声热处理) 【2 4 掰】、压热声处理1 2 睨9 1 ( n 声波、超高压协同热处理) 等新型 的漂烫工艺在食品工业中不断得到应用。这里着重介绍两种漂烫工艺： 超声波辅热处理( 声热处理) ：系指超声波与热联合处理对果蔬进行杀青。超声波辅 热处理可在较低温度下使几种酶失活，或在相同温度较热处理缩短作用时间。超声波辅 热处理后酶的失活效率不但与超声介质有关而且与其他因素有关如温度等，超声波辅热 还将在本文的1 2 2 章节中详细介绍。 微波是指波长为1m m lm ，频率为3 0 0 - - 一3 0 00 0 0m h z 的电磁波。微波遇到不同的 介质体系时进行各种形式的能量转换，体系吸收微波能量后进行一系列的物理化学反 应，从而产生一定效应【2 训。在灭酶方面微波处理作为一种漂烫工艺在国内有一定的研 究。微波加热时的物理环境有二：温度场和电磁场。对物料加热属于内外同时加热，灭 菌、灭酶处理时间短。张锐利等人1 3 j 采用微波对小麦胚芽灭酶研究，发现微波最佳功率 7 0 0w 和时间9 0s 灭酶后，小麦胚芽在常温下的贮藏时间超过1 0d 左右。李清明等人1 5 j 采 用多种漂烫方式对玉米进行漂烫研究，发现微波漂烫对玉米营养物质保留率高，但是易 造成玉米脱水、籽粒松散，外观变劣。m a t s u i a k n 等人 4 1 在2 0 0 6 年研究了微波对山葵 过氧化物酶( p o d ) 和蘑菇多酚氧化酶( p p o ) 的钝化效果，发现在9 0 状态下p o d 和p p o 彻 底失活。 1 1 2 速冻加工技术 食品冷冻的方法按照冷冻介质分为：空气鼓风冷冻、直接接触式冷冻及利用低温工 质对食品喷淋冷冻这三种方法。速冻加工技术是决定冷冻速率快慢的重要因素。目前出 现新型冷冻加工技术如超声波辅助冷冻、压力移动冻结、均温冻结( h p f 法) 、冰核活性 细菌的冷冻技术等。现分别介绍在食品工业中出现几种新型冷冻加工技术。 1 ) 浸渍冻结 将盐水、乙二醇溶液等冷媒在低温下浸渍或洒布在食品上使之冻结，与鼓风冻结法 相比，浸渍冻结法能使冻结时间大为缩短。对于豆腐等柔软多水的食品原料，浸渍冻结 江南人学硕十学位论文 可以抑制其冻结变性，从而保持滑溜口感。 2 ) 冰充冻结( c p f 法) 巾 冰充冻结法是食品冻结时不会生成大冰晶，包括冰壳( 冰衣) 成形、缓慢冷却、快速 冷却和冷却保温4 个连续工序。防止食品膨胀变形和细胞破坏。因此，可以获得高品质 的冷冻食品。 3 ) 均温冻结( h p f 法) 1 6 j h p f 法实际是浸渍冻结的方法，但在冻结时采用均温处理，是将冻结过程中产生的 内部膨胀压进行扩散的方法，该法特别适用鱼、火腿等大型食品的冷却。 4 ) 压力移动冻结 1 9 9 0 年前后林力丸、神田幸忠等提出在冷冻过程中引入压力，采用改变温度和压力 的相变转变二维操作法，从而冲破了人们长期沿用常压冷冻、解冻和冻结保藏的传统束 缚，为高压速冻、解冻减少冷冻过程中食品不可逆变性变质和破坏的程度、提高冻结品 的品质展现了广阔的前景【6 j 。王子达等【_ 7 】研究了自然对流条件下用加压空气冷冻食品时， 空气压力与冷冻时间的关系，得出了不同压力下牛肉、猪肉及果蔬的冻结降温实验曲线 及干耗率，结果表明加压冷冻可有效地提高冻结速度，缩短冷冻时间。此外，加压冷冻 可减少冷冻过程食品的干耗率。 5 ) 冰核活性细菌的冷冻 常压下水的冻结点是0 ，但存在过冷却状态，如纯微水滴在静态无振动下冷却， 冻结温度可达3 9 。近年发现一种能使微水滴在2 c 附近冻结的细菌，称为冰核活性细 菌，现己知道有8 种 8 - 9 1 这类细菌含有一种冰核活性物质( 蛋白质) ，能使过冷状态的水生 成不均一的冰晶核，也就是使冻结容易发生。j i n g k u n 等( 1 9 9 7 ) 将eh e r b i c o l a 悬浮液( 浓度 为1 0 7 c f u m l ) 力n 入蒸馏水在6 进行冷冻试验，其过冷点为0 1 8 2 ，总冻结时间约 为1 4 0r a i n ；而没加冰核细菌的蒸馏水则无过冷现象发生，一直保持液态【8 】。冰核活性细 菌冷冻的发现不仅开阔了对预防农作物遭受冷冻霜害的研究领域，而且成为食品冷冻的 一个新研究课题。 6 ) 超声波冻结 低频高能超声波用于食品的冻结过程，可以明显地提高食品冻结品质和冻结速率。 超声波空穴效应产生的微气泡可以作为水非均相成核的晶核，改变了食品中水成核温 度；促进冰晶快速成核；降低食品过冷度。这种成核技术与其他成核技术相比作用更直 接，无需与样品接触，不会污染样品等优点。将在下文中详细提及。 7 ) 玻璃化冻结 食品的玻璃化转变温度和玻璃化贮藏则是近年来食品科学研究重点和研究热点。以 无定形( 非结晶) 固体存在的物质是处于玻璃态。s t o k e s 黏度适合于表示玻璃态的特征， 在玻璃态开始形成的温度( t g ) ，此值的范围为l o l o 1 0 1 4p a s ，它与溶质有关。此黏度 足以将大多数大分子的移动和转动减少至可以忽略的水平。当处于玻璃态时，食品体系 具有很高的黏度，分子扩散速率极低，体系处于亚稳态，对酶促反应和重结晶等自由扩 散限制的化学和物理变化都很稳定。因此，可以通过在玻璃化转变温度以下贮存食品， 或提高食品体系的玻璃化温度来缓解冷冻食品在冷冻贮藏过程中所产生食品质构的变 2 第一章绪论 化以及风味等品质指标的恶化，达到理想的保藏效果。玻璃化转变温度方面的研究可以 为生产实践提供更好的加工保藏工艺参数【1 0 , 1 1 】。 1 1 3 解冻技术 解冻是冻结的逆过程，其目的就是将食品温度回升到所指定的温度，使食品内部的 冰晶融化，并保证食品质量比较完全地恢复到冻结前的状态，以期获得最大限度的可逆 性。解冻方式影响速冻蔬菜最后的食用品质。因解冻过程中发生的各种物理、化学变化， 不良解冻方式会给食品质构带来无法恢复的影响，如色泽变化、汁液流失等等，损害了 速冻蔬菜的最终品质。 解冻是速冻食品在食用前或进一步加工前必须的步骤。对小型包装的速冻食品，家 庭中常常采用烹调和自然放置下融化两种典型的解冻方式。但当今的食品工业需大量的 速冻食品作原料，为了保证食品工业稳定地得到高质量的原料，使质量好的速冻食品在 解冻时仍然保持良好的品质，这就必须重视解冻方法，了解它对解冻食品质量的影响。 解冻状态可分为半解冻( 一5 。c ) 和完全解冻，视解冻后的用途而定。但无论是半解冻还是 完全解冻，都应尽量使食品在解冻过程中品质下降最小，使解冻后的食品质量尽量接近 冻结前食品质量。食品在解冻过程中常出现的主要问题是汁液流失，其次是微生物繁殖 和酶促或非酶促等不良生化反应。 解冻常用方法是：空气和水以对流换热方式对食品解冻；电解冻；真空 解冻；远红外解冻；超声波解冻；高压解冻；上述几种方式的组合解冻【1 2 】。 目前对于快速解冻研究，主要集中在高压解冻法、高压直流电场解冻法、高压脉冲 电场解冻法、超声波解冻法、微波解冻法等。 微波解冻原理与高频解冻一样，微波频率为3 0 0m h z - 3 0g h z ，国际上规定工业用 9 1 5m h z 与2 4 5 0m h z 两个较小的频率。微波加热频率越高，产品产生的热量就越多，解 冻也就越迅速。但是微波对食品的穿透深度较小。微波发生器在2 4 5 0 m h z 时最大的输出 功率只能达到6k w ，并且其热能转化率较低，约为5 0 - - 一5 5 ，而在9 1 5m h z 时，转化 率可提高到8 5 ，可实现3 0 - 6 0k w 的输出功率。此法解冻快，不易受微生物污染，产 品的营养成分损失少，不足之处是加热不匀，不适合进行完全解冻。 微波解冻最成功的是美国和日本肉食加工协会使用的9 1 5m h z 微波发生器和解冻 容器组合起来的微波解冻设备，取得了比较理想的效果。冷冻鱼用的传送带式微波高频 解冻装置，1 小时可解冻5 0 0k g ( 2 0k w ) 或1t ( 5 0k 的剑1 2 】。j o n g k y u n gl e e 等人发现9 1 5 m h z 微波解冻比传统解冻的速度要快，而且与4 以上的传统解冻相比，微波解冻后食 品的汁液流失率减少i l3 1 。焦艳芬等人【1 4 】采用几种解冻方法对冷冻羊腿半解冻后进行品 质的比较，微波解冻显示出较大的优越性，如减少细菌总数，降低酶的变化，减少水分 与营养成分的损失，保持产品的色泽和鲜度。使用微波解冻，产品质量好、处理效率高、 成本低、耗能少、占地面积小、减轻了劳动强度、改善了环境卫生。 1 2 超声波处理食品技术的研究进展 1 2 1 超声技术概述 超声波的频率：2 x 1 0 4 1 0 9h z 的声波。是一种机械振动在媒介中的传播过程， 江南人学硕+ 学位论文 在传播过程中与媒介互相作用，可以使超声波在相位和幅度等发生变化；功率超声波则 会使媒介的状态、组成、结构和功能等发生变化【l 1 9 】。 通常把超声波与媒质的相互作用归结为热机制与非热机制二种。在非热机制中又可 分为机械机制与空化机制【1 5 , 1 6 】。 热机制：超声波在媒质中传播时，其振动能量不断地被媒质吸收转变为热能而使其 自身温度升高，当强度为i 的平面超声波在声压吸收系数为a 的媒质中传播时，单位体 积媒质中超声波作用t 秒产生热量为q = 2 a l t ，即与媒质的吸收系数、超声波强度及辐 照时间成比例1 1 8 , 1 9 j 。 机械机n - 超声波甚至是低强度超声波作用都可使介质质点进入振动状态，从而增 强液态介质的质点运动，加速质量传递作用。超声波是机械能量的传播形式，波动过程 有关的力学量，如质点位移、振动速度、加速度及声压等都可能与超声波效应有关【1 5 。1 9 1 。 空化机制：在超声波作用下液体中微小泡核被激活。它去向为泡核振荡、生长、收 缩及崩溃等一系列动力学过程。附着在固体杂质、微尘或容器表面上及细缝中的微气泡 或气泡，或因结构不均匀造成液体内抗张强度减弱的微小区域中析出的溶解气体等都可 以构成这种微小泡核 1 5 - 2 3 j 。空化机制是声化学的主动力。 声空化是聚集声能的一种方法，空化气泡生长，长大崩溃，产生强大压力脉冲，伴 有短暂的高温，形成局部热点，温度可达5 0 0 0 ，压力5 0 0 大气压，温度变化率高达 1 0k s ，可发生在3 个区域1 1 9 j ： ( 1 ) 发生在气泡内，引起水蒸汽热解，产生自由基h 、o h 等； ( 2 ) 气泡气相与液相交界面； ( 3 ) 在气泡以外液体体积内；气泡崩溃时因固体作用产生微射流，其速度可达4 0 0k l l l s 。 1 2 2 超声技术在食品工业中的应用 近年来，超声波技术作为一项新技术在食品工业中应用研究十分热门，其研究方向 主要分为：一是m h z 级高频低能诊断超声波的应用；主要用于食品进行无损检测。二 是低频高能超声波的应用；利用其破坏处理对象的组织和结构，如体系均匀化、抑制和 杀灭细菌、灭酶等处理、作为辅助手段用于溶液结晶、物料干燥、脱气、萃取、过滤、 肉质嫩化、促进细胞生长、刺激种子萌发等领域【l 眦3 1 。 本文主要研究在速冻前处理过程使用超声波辅助热处理对果蔬内源酶起钝化作用， 以及超声波辅助食品冻结过程中加速冰晶形成、对冰晶分布及大小的影响；并提高传热 传质效率最终提高食品冻结速率，改善冻结食品品质【2 1 1 。 1 2 2 1 超声波钝化酶的作用 超声波在灭酶应用方式之一是协同热( 超声波辅热处理) 对果蔬漂烫加工。超声波辅 热处理，即在一定温度下对食品施加超声波处理。这罩所涉及超声波为低频高能功率超 声波，将其介入热处理可以适当地降低食品加工温度或者缩短单元处理时间，下面介绍 超声波辅热作用机理。 超声波辅热作用环境有二：温度场和超声波场。超声波场主要是由于超声波的空穴 效应中两种机制：一是由于空化气泡的瞬间爆破产生的超高压、强剪切力和微气流导致 4 第一章绪论 对酶分子的机械破坏【2 6 。2 9 】；二是由于超声波在水介质中传播产生的自由基【2 4 。2 5 1 。 超声波在液体中传播产生的空穴效应，它能使细菌和酶在局部极端环境下失活。高 强度低频率超声波的空穴效应对酶活性中心剪切，以及超声波作用过程中产生0 2 。、h - 、 o h 等自由基，这些自由基能对酶活性中心起氧化作用【z 引。对果蔬的各种酶类灭活如单 独施加超声波作用其操作时间必然很长；故不适合工业化生产【25 。而在超声波辅热处理 的过程中，利用超声波的热效应、化学效应与机械效应，破坏酶的空间结构，增强其热 敏感性；在相对较高的温度下，提高酶的失活速率【2 4 切j 。 超声波辅热处理的另一个优势即过氧化物酶活力再生现象出现的频率低。沸水漂烫 即高温短时漂烫在冷却后易出现p o d 酶活力再生现象【3 弘m j 。 r u im s c r u z 、m a r g a r i d ac v i e i r a 、和c r i s t i n al m s i l v a 在4 0 9 2 5 的温度内以 热处理为参照研究了在相同温度范围下超声波辅热处理对豆瓣菜p o d 的影响1 2 4 】。研究 发现超声波在较高温度下灭酶作用显著增强，由于超声波与热协同作用可以使果蔬在漂 烫过程中热强度降低，进而有利于果蔬品质改善。 p r a v i y a n 、z z h a n g 和h f e n g 利用超声波辅热作用即分别在5 0 、6 1 和7 2 的温 度下应用超声波的空穴效应对西红柿果胶酶进行钝化处理。研究结果表明在5 0 温度 下，超声波的介入对果胶酶钝化效果不明显，而在6 1 和7 2 温度下，热力灭酶致死时间 分别为2 9 9 0 和2 5 3m i n 。在相同温度、超声波空穴强度为0 0 0 8 m g l 。1m i n 1 条件下，超声 波辅热处理的热力致死时间分别降低3 9 3 7 4 倍、3 6 8 4 倍1 3 5 j 。 r a s s o u lk a d k h o d a e e 与m a l c o l mj w p o v e y ( 2 0 0 6 年) 采用频率为3 0k h z 超声波协同热 力( 温度为5 0 ) 对杆菌中提取q 淀粉酶酶液进行灭酶处理。发现超声波产生的自由基 对酶活性中心氧化和空穴效应引起空化气泡瞬间塌陷产生的巨大剪切力对酶活性中心 的破坏【3 0 1 。 l d eg e n n a r o ，s c a v e l l a 巾- 和r r o m a n o 等人采用频率为2 0 、4 0 、6 0k h z ，不同功率 的超声波协同热力( 温度为8 0 。c ) 对辣根中提取p o d 酶液进行灭酶处理。由于超声波与热 协同作用，p o d 在8 0 的温度下热力致死时间由6 5m i n 缩短至1 0m i n 2 5 1 。 为了提高超声波钝化酶的有效性而增大超声波功率所产生的效果并不是很明显。根 据l d eg e n n a r o 、s c a v e l l a 和r r o m a n o 等人的研究发现过氧化物酶失活速率不仅与超 声波频率、反应溶液体积相关，而且还与反应介质温度相关【2 5 】。适当提高反应介质的温 度，从而提高灭酶效果。 1 2 2 2 超声波辅助冻结的原理 超声波的声能穿过液相有正负压交替周期。若声强足够大，液体所受的负压足够强， 就会破坏液体结构的完整性而产生气泡或空穴，引起气蚀( 空穴效应) ，原先融解在液体 中的气体也会进入气泡，气泡快速扩张，当超声波正压作用阶段来临时，气泡在表面张 力作用下收缩，气体受到压缩又会进入液体之中，但是由于气泡收缩，表面积减小，使 气泡中气体扩散回液体的面积缩小，因此一个压缩和扩张的循环过程后，进入气泡的气 体量总要多于压缩时离开气泡的气体量，气泡会不断长大【3 6 0 9 】，如图1 3 所示。 江南人学硕十学位论文 声压 图1 3 在超声波空穴下气泡的形成 f i g 1 - 3m o t i o n so fb u b b i 姻d u r i n gc a v i t a t i o n s 问 在晶化过程中声波起着非常重要作用，气蚀产生气泡在冻结过程中可以成为结晶必 需的晶核。超声波既可使饱和溶液的固体溶质产生迅速而平缓的沉淀，又可加速晶体的 增长【3 。超声波的空穴效应产生大量的气泡可以促进冰晶的生成，这种空化效应形成 的气泡可以作为食品冻结过程中非均相成核的晶种 3 8 , 4 1 - 4 2 】；从而改变了食品中水的成核 温度；促进冰晶快速成核；降低食品的过冷度1 3 引。在超声波的作用下，液体内会形成大 量的结晶中心，且形成晶体大小受超声频率和强度所控制。因此利用适当的超声波作用 可以获得细小而均匀的晶体沉淀物。 此外在超声波空穴机制下产生的微射流也是声学常见现象，即在液体中空化气泡崩 溃时伴随着发生冲击波和微射流作用，产生巨大剪切力使大冰晶破碎成小冰晶，这些小 冰晶又可以起晶种作用，且形成的冰晶将更小、分布也更加均匀【3 9 - 4 6 , 4 0 - 4 3 】。因此功率超 声波可以显著地增加晶核数目，可以明显地提高食品冻结品质和冻结速率。此外，对于 通过降低温度促进溶液结晶的食品在超声波辅助冷冻过程中，它能够有效地防止晶体在 冷却管上的沉积；因此能保证系统的冷却速率得到均匀分布【3 6 - 3 8 】。 超声波促进冷冻进程中另一重要作用是超声波产生强力搅动即微射流在食品加工 过程中可以加速传热传质 3 6 - 3 8 , 4 4 - 4 6 。s a s t r y 等人( 1 9 8 9 年) 在研究中发现流体系统中超声波 的扰动能明显地改善流体热传质系数m l 。在超声波辅助冷冻过程中由于微射流这种加速 液体扰动的作用可以及时转移在食品冻结过程中产生的热能及减少固液界面的传质系 数，从而提高食品冷冻速率，利于速冻能耗的降低【3 8 】。f l o r o s 和l i a n g ( 1 9 9 4 年) 描述超声 波在液体媒介中传播时，由于液体媒介吸收了超声波的声学效应，液体温度会升高。因 此在冷冻过程中超声波的热效应必须考虑【4 7 1 。随着超声波功率的增强、超声波作用时间 的延长、超声波脉冲值的增大这种扰动越激烈，传质、传热系数越高。同时超声波产生 的热效应也越大。s a s t r y 等，k ( 1 9 8 9 年) j 在实验中没有考虑到超声波的热效应，但超声波 热效应在冷冻过程中是不可忽略的。超声波在液体介质中传播产生的声学能量转化为热 能被液体介质吸收，会抵消超声波提高冷冻效率的正效应甚至减缓冷冻速率。因此，在 冷冻过程中采用超声波辅助手段，应合理选择超声波工艺参数。 在食品工业中，与结晶有关的一个重要领域是水在冷冻时形成冰晶，经冷冻保藏的 食品解冻后，其质地、质量都不太令人满意，软质水果尤其如此。发现超声波可以用来 加速食品冻结( 如图1 5 所示) ，缩短食品冻结时间。而且由于冻结后冰晶尺寸较小，超声 6 第一章绪论 波还可以改善冻结食品的品质“i b 目目一 图1 - 5 超声波作用食品冷冻 f i g 1 - su l t r a s o u n di nf o o df r e e z i n g 在食品冷冻、冷藏工业中，冰晶体的形成过程对食品原料保持原有质量十分重要。 在食品冷冻过程中结合超声波作用可以迅速促进冰晶的形成，国外已有专利文献报道了 超声波用于食品冻结。冰晶是最直观的反映速冻食品品质，冰晶同其他固体物质一样在 声波作用f 会破碎。a c t o n 和m o r d s ( w o9 9 2 0 4 2 0 ，u s ap m e m ) 在1 9 9 2 年采用2 5k h z 的脉冲超声波对冷冻蔗糖溶液每隔1 0r a i n 作用3 0s ，观测到圃液界面的枝状冰晶前沿破 碎，并且小冰晶体分散到未冻结液体中作为晶核。冰晶体的破碎，使蔗糖溶液中冰晶体 尺寸较小。冰晶直径小于等于5 0r m n 的仅占3 2 ，而结合超声波处理的冷冻结晶却为 7 7 ”( 如图l - 4 所示) 。 平均直，伽 图1 4 超声波影响冷冻的蔗糖溶液中冰晶尺寸和分布 f i g 1 一d i n f l e e n e e o f p o w e ru n 脚u n do n t h ec r y s h ls i z e d i s t r i b u t i o n i n s i d e a f r o z e ns s es o l u t i o n f a c 协n m o r r i s 1 9 9 2 ) 丘泰球等人成功地研究了超声波对蔗糖溶液结晶动力学的影响。高大维教授将低 频超声波应用于味精结晶过程，实验表明超声波可减弱分子间作用力，降低溶液粘度， 卜衢 体积分布 江南人学硕+ 学位论文 获得细小而均匀的晶体物质只有当其温度低于自身熔点时才会发生结晶【4 。 b i n gl i 和d a w e ns u n 在2 0 0 3 年采用2 5k h z 、1 5 8 5w 的超声波结合浸渍冷冻工艺加 工马铃薯条。相较与普通浸渍冷冻，超声波辅助浸渍冻结的冷冻时间有显著缩短。从马 铃薯条冷冻切片观察( c e m ) ，冰晶小、分布均匀都减小细胞的机械损伤【4 9 。5 0 j 。z h e n g ，l y 和s u nd w 也采用超声波辅助冷冻来提高食品冻结速率，从而改善冻结食品的品剧5 1