速冻食品加工理论基础

1、1,速冻食品加工的理论基础,2,速冻食品加工的理论基础,3,试管婴儿,卵子从母体取出后，培养5-6天形成囊胚，囊胚经过玻璃化冷冻后，随后解冻再进行囊胚移植，将使妊娠率达到60%70%甚至以上。,4,速冻食品加工的理论基础,速冻食品是20世纪60年代发展起来的新型食品，由于它具有方便、卫生、价廉质优等优点，故进入70年代后迅速发展，到90年代已成为世界上发展最迅速的食品产业之一。,5,食品速冻技术是目前国际公认的食品最佳保藏技术, 食品的低温玻璃化保存是近十年发展起来的一门新学科。由于食品是多相、多组分、非均质且是物理化学性质不稳定的极其复杂的系统, 另外在食品冻结和贮藏过程中涉及到生物化学、物

2、理化学等方面的变化，所以目前从整个行业来看，对速冻食品并没有进行很深入很透彻的剖析和研究。,6,玻璃态及玻璃化转变理论,1966年，White和Cokebread首次讲述了含有糖分的食品的玻璃态及玻璃化转变温度问题。主要包括：在各种含水的食品体系中，玻璃态、玻璃化转变温度、以及玻璃化转变温度与储藏温度的差别，对于食品加工、储藏的安全性与稳定性都是十分重要的。 其中，水作为一种增塑剂，对食品体系的玻璃化转变温度影响很大，食品体系中的含水量越大，其玻璃化转变温度越低，在加工与保藏的过程中其玻璃化也越难实现。以上的有关食品的玻璃态及玻璃化转变温度问题一直以来被看作是“食品聚合物科学”的先导。,7,近

3、年来，广大食品科学工作者对此也进行了大量的研究，基本思想是：食品材料的分子与人工合成聚合物的分子间具有相似性。如果聚合物分子结构变化了，则其宏观性质也将发生变化，在聚合物科学中，这种结构与性质的关系已经形成较为完善的理论体系。由此我们根据食品材料的状态，就能预测其加工及保藏的性质。,8,玻璃态、高弹态和粘流态被称为无定形聚合物的三种力学状态。,9,玻璃态,玻璃态是指当非晶高聚物的温度低于玻璃化转变温度（Tg）时，高分子链段运动既缺乏足够的能量以越过内旋转所要克服的能量壁垒，又没有足够的自由体积，链段运动被冻结，高分子材料失去柔性，成为类似玻璃状的无定形的固体。表现为高分子构象被冻结，体系与环境

4、之间由扩散控制的物质交换及化学反应在动力学上受阻，因而体系具有良好的结构和化学稳定性。,10,可以预见，如果将食品在其玻璃化温度下保藏，体系中诸如由蛋白质、多糖等具有结构功能性大分子的构象重排所引起的食品质构的变化以及风味物质的散失等现象就会被抑制，从而大大提高食品质构、结构和化学组成的稳定性。,11,当处于玻璃态的物质温度升高至某一个温度时，链段的运动受到激发，但整个分子链仍处于冻结状态。受到外力作用时，无定形聚合物表现出很大的形变。外力解除后又能恢复原来的状态，这种状态叫做高弹态。,12,温度继续升高，不仅链段可以运动，整个分子链都可运动，无定形聚合物表现出粘性流动的状态，即粘流态。,13

5、,随着温度的升高，当聚合物发生由玻璃态向高弹态的转变时，即玻璃化转变，其转变温度为玻璃化转变温度，用Tg表示。,14,目前，国内外关于冷冻食品低温稳定性的研究焦点是未冻结的冷冻浓缩相的玻璃化转变。冷冻食品中未冻结水的存在加剧了酶促反应和重结晶现象，缩短了食品的货架寿命。在较高的冷藏温度、较大的温度波动和较长的贮存期间下，产品质量的下降会更加严重，尤其是那些含有较多未冻结水，易形成结晶的食品。,15,但当处于玻璃态时，食品体系具有很高的粘度，分子扩散速率极低，体系处于亚稳态，对酶促反应和重结晶现象都很稳定。因此，可以通过在玻璃化温度以下贮存食品，或提高食品体系的玻璃化温度来缓解冷冻食品品质的劣变

6、。,16,玻璃化转变温度的测定及预测,要进行食品的玻璃化加工与保藏，就要确定食品体系的玻璃化转变温度值，目前准确的测定玻璃化转变温度通常都是非常困难的，而且所得值通常受样品的组成、样品的热历史、设备类型等试验条件的影响，目前还没有一种简单快捷的方法准确测定某一种物质的玻璃化转变温度 。,17,玻璃化转变温度没有固定的数值，往往随测定方法和条件而变。因此，在标出某种材料的玻璃化转变温度时，必须注明测定的方法和条件。研究者在利用玻璃化转变温度对材料性能进行研究时，应考虑其测试条件和方法。目前人们大多是测定食品的各个组成成分的Tg值，然后按照下列方法来确定食品系统的Tg值。Tg=W1Tg1+K W2

7、Tg2/W1+KW2 W1、W2为样品的质量分数，Tg1，Tg2为样品1和样品2的玻璃化转变值，K是经验常数。,18,差示扫描量热法(DSC)测定Tg,DSC是传统的测定玻璃化转变温度的方法，也是目前被广泛采用的一种测定食品Tg的方法，DSC用于研究食品体系的玻璃化转变是当样品发生相变、玻璃化转变和化学反应时，会吸收和释放热量，补偿器就可以测量出如何增加或减少热流才能保持样品和参照物温度一致。,19,差示扫描量热计,20,在加热扫描过程中，当体系发生相转变时，吸热曲线会出现一个台阶，此时的温度就是玻璃化转变温度。DSC对食品体系中Tg的测定在研究和实践中有非常重要的作用 。,21,目前在食品方

8、面主要是用于研究谷物和淀粉的玻璃化转变。近年来在果蔬保藏、鱼肉制品加工保藏，以及蜂蜜制品方面的应用也越来越多。这些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。但是用DSC也有两个不足之处:主要表现在用DSC法测量Tg.时灵敏度比热机械方法小, 表现在DSC曲线上玻璃化转变的台阶较小; 另外在一些复杂的食品体系中, 会出现玻璃化转变的DSC曲线上有几个突变,可能引起对Tg.的误判。,22,为了克服这些不足，食品研究人员开始采用一种新的方法，低温显微DSC系统测定食品的Tg，该法同时用低温显微的光学信息和DSC的热学信息两种方法来测定Tg，取得了良好的效果。,23,动力机械分析法(DMA)

9、测定Tg,DMA是在程控温度和振动负荷下测定物质的动态模量和力学损耗与温度的关系的一项技术, 力学损耗峰对应的温度可看作是物质的玻璃化转变温度(Tg)。用DMA测定热固性材料的Tg时非常灵敏, 因此它是测定热固性材料玻璃化转变的有效工具, 同时也被广泛用于研究食品体系中的玻璃化转变。,24,当前DMA在测定食品体系中玻璃化转变温度时有着较为广泛的应用。相比于DSC，DMA在测定热固性食品时具有较高的灵敏度，但DMA在使用时也受到一定的限制，由于它测定的样品必须为可变形的固体样品， 因而不能用于测定粉末和半固态样品。另外，由于DMA对样品的物理尺寸相当敏感，因此为了得到重复性较好的结果，必须对样

10、品进行严格的预处理。,25,动力机械热分析法(DMTA)测定Tg,DMTA是测定材料在交变应力(或应变)作用下，作出的应力(或应变)响应随频率变化的现代科学分析方法。它是通过分子运动的状态来表征材料的特性。对样品施加一个可变振幅的正弦交变应力作用时，将产生一个预选振幅的正弦应变，对粘弹性样品的应变会滞后一定的相位角。,26,食品体系的玻璃化转变在本质上讲是一个动力过程，因此DMTA能较准确地测定食品体系的玻璃化转变温度。DMTA在测定食品体系中玻璃化转变温度时，虽然具有较高的灵敏度，但在使用时也受到一定的限制，DMTA一般用于测定可变形的固体样品，对于粉末样品，必须先将样品压制成圆柱状，此外，

11、DMTA在测试过程中，因为须有较大的样品室，样品会有较大的水气损失，影响测定的准确性。,27,核磁共振法(NMR)测定Tg,NMR是一种通过分析活性核的弛豫特性而测定分子运动特性的技术。聚合物玻璃化转变的基础是分子运动。聚合物由玻璃态转变为橡胶态时，含有质子的基团运动频率增加。质子活动性的改变可以用NMR测定。用这种方法研究和测定食品体系的玻璃化转变及Tg是非常有效的。,28,虽然食品体系中的Tg通常采用DSC、DMA和DMTA等方法测定，但这些方法对一些具有特殊尺寸和形状的样品使用时受到一定的限制。如以上所述的：DSC使用的样品量非常少，对那些非均相食品，所取得的样品可能不具有代表性。DMA

12、和DMTA方法要求样品为可变形固体样品，因而不适宜测定粉末和半固态样品。因此DSC、DMA和DMTA等方法测定食品体系中的Tg时，有时具有一定的困难。NMR可以快速、实时、全方位、定量的研究样品，并对样品不具侵入和破坏性，灵敏度高，在研究食品的玻璃态转变和Tg中得到了较好的应用。,29,玻璃化转变温度的测量方法的发展趋势,研究表明，不同的测定技术只对溶液相应的热、机械、力、电等性质具有敏感性，所以各种不同的仪器在测定食品材料的Tg时，存在各自的缺点。,30,Reid等人认为, 仅仅依靠一种仪器来确定Tg.是不准确的，最有利的工具是几种仪器的组合。为此，许多人用两种或两种以上的仪器来测定同一溶液

13、的Tg，如Kalickevsky等人用DSC、DMTA和NMR测定了原淀粉、谷朊粉蔗糖混合溶液的Tg值；Sahagian等人用DSC、TMA和NMR测定了黄原胶对冻结蔗糖溶液的Tg值的影响；Ollett等人用DSC和粘度计测定了葡萄糖过冷溶融物的Tg值等。这些研究表明，各种不同的仪器在测定食品材料的Tg时，存在各自的缺点。但把这些技术结合起来，就可以从各个方面反映玻璃化转变这一动力过程，测定结果比单一仪器有较大的改善。,31,因此，今后的玻璃化转变温度的测量方法的发展趋势应该是考虑将几种用来测定玻璃化转变温度的设备联合使用以弥补单一的测定方法的不足的方向发展。,32,玻璃化理论在速冻食品加工保藏中的应用展望,冷冻玻璃化加工与保藏食品是保持食品长时间质构和化学组成稳定性的有效手段。通过冷冻条件控制和添加剂的合理使用可以改善玻璃化保藏食品的质量，达到理想的保藏效果。另外食品的各种成分对于其体系的玻璃化转变温度会产生重要的影响，了解食品体系的玻璃化转变温度与食品中各成分的关系对于食品加工和贮藏都有极好的指导意义。,33,但食品体系的玻璃化转变温度