超声波辅助冻结在水产品及肉类产品中的应用研究进展及解冻机制

索原杰，宣晓婷，崔 燕，丁 甜，凌建刚，3

(1.宁波市农业科学研究院 农产品加工研究所，浙江 宁波 315040；2.浙江大学 食品科学与营养系，浙江 杭州 310058； 3.宁波市农产品保鲜工程重点实验室，浙江 宁波 315040)

我国水产资源丰富，种类繁多，是水产品第一生产大国，20多年来水产品产量居世界首位[1]。肉类产品在全世界被广泛消费，目前，全世界肉类进出口行业的总产值已经达到13亿美元，我国肉类产品的消费量也呈现出日益增长的趋势[2-3]。新鲜水产品及肉类产品营养丰富，具有蛋白质含量高、肌肉水分含量高、肌肉组织脆弱、肌肉中不饱和脂肪酸易氧化容易受到微生物的污染而发生腐败等特点，这些特点导致新鲜水产品及肉类产品不易长期贮藏。冷冻是一种被广泛应用的保存方法，能够保留新鲜食物的感官品质和营养价值，从而延长食品的贮藏期[4]。虽然冷冻产品具有保存时间长、方便及成本低等优势，但冷冻之后选择何种解冻方法来更好地保持食品的品质也是十分重要的，冷冻食品的品质主要取决于冻结与解冻的方法。冻藏作为水产品及肉类产品的一种常用保鲜方法，能够较大程度地保存产品的营养价值及风味，但冻结及解冻过程也会对产品品质造成一定的影响，包括色泽、质构和风味等，如果处理不当会造成其质量下降，营养流失。因此，开发新型冻结及解冻技术，改善冻结及解冻对水产品及肉类产品品质造成的影响，对水产品及肉类产品保鲜保藏具有重要的意义。

超声波技术作为一种新型技术，在食品工业中发展迅速，并被广泛研究和应用。超声波辅助冻结及解冻技术已被应用于食品工业之中，研究超声波辅助水产品及肉类产品冻结及解冻机制对产品品质的影响是至关重要的。因此，本文中，笔者综述超声波辅助冻结及解冻技术机制及其在水产品及肉类产品中的应用，以期为食品工业中的应用提供理论指导。

1 超声波技术作用机制及其在食品中的应用

超声波是一种机械波，主要被分为两类：高频低能超声波和低频高能超声波。高频低能超声技术，是指能量低于1 W/cm2而频率高于100 kHz的超声波，主要被用于食品质量分析检测，属于诊断超声波；低频高能超声波是指能量高于1 W/cm2而频率低于100 kHz的超声波，属于功率超声波，其相对高频低能超声波而言，虽然应用在食品行业的时间较短，但发展空间巨大，现用于食品级冻结及解冻、干燥、提取、过滤、均质和杀菌等方面[5-6]。超声波技术在食品工业中的应用主要有两个方面，即替代常规加工技术和辅助传统食品过程，在后一种应用超声波的情况下，不但提高处理效率并且能改善传统食品加工技术的缺点[7-9]。超声波以机械振动的形式在介质中传播，在处理过程中，超声波使介质中的粒子发生振动，并通过介质传递能量。超声波作用于介质后，会产生一系列的物理及化学反应，主要包括空化效应、机械效应、热效应和自由基效应[10]。

空化效应、机械效应和热效应属于超声波产生的物理作用。空化效应主要与超声波作用后微泡的形成过程有关，主要包括液体介质中微泡的形成、生长和塌陷的过程。当超声波通过液体介质时，产生空化气泡，超声波在介质中以正负压交替的形式传播，这种传播形式导致空化气泡体积越来越大，当它们达到其临界尺寸时，空化气泡破裂，产生能量[11-12]，持续的超声波处理会不断地产生空化效应。机械效应主要是由于超声波的振动。超声波作用介质以后，带动介质的质点进入振动的状态，在机械振动过程中传播能量，使液体介质形成有效的搅拌与流动，达到普通机械振动的效果，从而作用于介质颗粒，使颗粒物质粉碎[13]。热效应则是由超声波在介质中传播时产生的振动能量被介质吸收从而转换为热能产生的效应机制。热效应会引起介质整体及局部的温度升高，并且热效应强弱与超声波的强弱成正比。超声波的空化气泡剧烈破裂瞬间，会改变液体介质，使其发生化学变化，产生自由基。超声波各种效应的协同作用为超声波在食品领域的应用提供了可行的依据。

在食品加工过程中，可以用不同的方式对食品进行超声处理。在大多数情况下，超声波被引入液体或液体-固体食品体系中，如超声探头可以插入食品体系中，或者待处理食品样品可以浸没在超声波浴中以接收声辐射[14-15]。在某些情况下，超声波可以从气体传播到固体介质或食品中并直接与超声波仪器相连接[16]。此外，超声波设备可以与其他设备耦联，共同完成对食品的处理[17]。因此，研究超声波在食品加工中的应用具有深远的意义。目前超声波已被应用于各种加工处理中，并取得了一定的成果。李盼盼[18]探究了超声波辅助提取银杏蛋白的最佳工艺条件，发现用功率310 W的超声波处理20 min可以得到最佳的蛋白提取率，与其他传统的提取方法相比，超声波提取法的提取率提高了15.42%。Kowalski等[19]证实了在物料最佳的干燥条件下，超声波辅助干燥技术可以有效缩短干燥时间，并最大程度地保留产品的品质。谢晶等[20]证实了在温度60 ℃、时间200 s和间歇比5∶ 2的条件下，采用40 kHz超声波对原料乳进行杀菌具有好的杀菌效果，且贮藏期稳定性优于巴氏杀菌方法。

值得关注的是，基于超声波的物理及化学效应，超声波辅助冻结及解冻技术也成为超声波在食品领域中的研究热点。目前，超声波冻结及解冻研究主要集中在果蔬等产品中，水产品及肉类产品中的蛋白质和脂肪酸含量丰富、易变质、不易贮藏，基于此性质，研究超声波辅助冻结及解冻在水产品及肉类产品中的应用具有重要意义。超声辐射(频率为16～100 kHz)已经作为一种新的方法来提高对流传热、相变传热和热交换器的传热速率[21]。超声辐照也可以改善结晶过程。研究表明，声场可以显著改善热传递过程由液体中超声波传播引起的物理效应[22]。

2 超声波辅助冻结及解冻机制

在食品的冻结过程中，冰晶的形成会对水产品及肉类产品的风味、色泽和蛋白质等造成损伤，从而对其品质造成影响，不利于水产品及肉类产品的长期保藏。解冻是一个耗时过程，是冻结的逆过程。解冻过程即是将冷冻食品中的水融化，使产品温度回升到一个合适的温度，从而达到食用或后续处理的目的。目前一些新兴的冻结及解冻技术，包括超声波辅助冻结及解冻技术，越来越受到重视，超声波辅助冻结及解冻在食品领域中也得到了广泛的研究和应用。

2.1 超声波辅助冻结机制

功率超声波目前被报道在食品冻结中的应用越来越多，其具有促进晶核生成、辅助二次结晶、促进冰晶的生长速率以及改善冻结食品品质的作用。然而，功率超声波影响液相结晶的作用机制尚不清楚[23]。一般认为，超声波作用产生的机械效应、热效应、空化效应及次级效应与其参与的辅助冻结过程相关，其作用机制主要包括：超声波辅助晶核的生成及二次结晶，超声波影响冰晶的生长速度、控制其形状及大小。

冷冻时分为两个阶段，包括晶核的形成和冰晶的生长，是一个相变的过程。成核被定义为新晶体的形成，它是优化冷冻过程和保证冷冻食品最佳质量的关键因素[24]。成核的过程是自发和随机的，而且发生成核的温度不能准确预测。功率超声波能够在水溶液以及固体食物中引发成核现象[25-27]，在此过程中，成核过程的确定性以及可重复性大大提高[28-30]。研究证明，超声波辅助冻结技术可以促进晶核的一次生成，降低晶核形成所需要的过冷温度，这主要归功于超声波的空化效应。空化效应会产生空化气泡，气泡在不断地循环振荡过程中会产生微射流，超声波作用时产生的微射流以及空化气泡可以影响冰晶的形成过程；空化气泡可以作为晶核诱导冰晶晶核的形成，同时微射流作用以及超声波产生的压力梯度辅助了晶核的形成。Zhang等[31]分析了超声空化作用与成核概率之间的关系，发现相变的概率与超声波振动诱导的气泡核的数量密切相关。Chow等[27,32]研究了由功率超声诱导的蔗糖溶液中冰的主要和次要成核过程，并发现当应用超声波时，在蔗糖溶液中冰的初级成核可以在更高的成核温度下实现，与对照组(无超声波作用)相比，成核温度可以更高的精度再现；显微镜观察表明：冰晶晶体可以通过超声波分解成较小的碎片，使部分枝状大冰晶断裂成小冰晶，从而形成二次结晶，空化气泡在冰晶碎裂过程中发挥非常重要的作用。

冷冻结晶的过程会不可避免地对植物源性和动物源性产品的细胞结构造成损伤，但细胞损伤的程度却与冰晶的生成速度、冰晶的大小以及冰晶的分布有关。对于一般的冷冻过程而言，冰晶越小，冻结速度越快，对食品品质的影响越小。相反，在冷冻干燥过程中，较大和垂直的冰晶是优选的，因为大晶体有利于快速升华，节约能源[33-34]。冷冻速率是影响冷冻食品质量的重要参数，其决定了冰晶的大小、细胞脱水程度和对组织结构的损害程度。通常来说，与慢速冷冻相比，快速冷冻可以更好地保持冷冻食品的质量。超声波产生的微射流可以产生较强的搅拌力，这种搅拌作用通过减小冰/液界面的传热和传质阻力，加速了冰与未结冰的水之间的传质传热过程，加快了冻结的速率[35]。超声波可以影响水产品及肉类产品冻结过程中的冰晶分布。研究表明，在冻结过程中，当受到交变声波应力作用时，冰晶会发生断裂，从而形成较小的冰晶分布[5]。

2.2 超声波辅助解冻机制

解冻过程会发生物理及化学变化，同时温度的升高也会造成微生物的繁殖，次优的解冻方法反而会加速物理、化学变化以及微生物繁殖，从而影响冷冻食品的质量，降低其食用价值，加速腐败[36]。由于解冻方式不恰当造成的汁液流失、保水性下降、脂肪氧化、风味物质和蛋白质损伤是解冻产品品质下降的重要原因。超声波作为一项有应用前景的技术，在食品领域中受到广泛关注。研究证明超声波可以很好地用于辅助冻结食品的解冻，更好地保留食品的品质，因此，研究超声波辅助解冻的机理，可以更好地为超声波解冻在食品中的应用提供理论指导。

超声波解冻技术主要是利用超声波的热效应，因为超声波热效应产生的能量与超声波的强度和作用时间成正比，也与介质本身的吸收系数有关[37-39]。热效应产生的能量在冰冻组织中的衰减远高于已解冻组织，因此，热量的主要吸收点即在产品内部的冻结层与解冻层的分层界面处，同时超声波辅助解冻的稳定性可通过调节超声波的频率和强度来实现，这样可以使由于超声波衰减而产生的热效应的能量稳定在冰点附近，保证了冻结面向解冻面持续地推进和转化，从而促进了解冻过程的稳定进行[39-40]。超声波解冻的优点在于可以避免产品内部的局部高温，避免造成解冻不均匀，实现了产品的快速稳定解冻[41]。与传统解冻方法(空气解冻、流水解冻)相比，超声波解冻技术可以更好地保持食品的感官品质与营养价值，此外，经过超声波解冻的食品表面温度比微波解冻的更低[42]。超声波解冻后物料的局部升温幅度与超声波的强度、频率以及波的加载方向都有关系[40]。控制超声波的强度和作用时间对于平衡超声波的热效应、平衡冻结与解冻的关系具有重要的意义。

3 超声波冻结及解冻技术在水产品及肉类产品中的应用

3.1 超声波辅助冻结在水产品及肉类产品中的应用

基于超声波在辅助冻结过程中的优点，超声波辅助冻结技术也受到了人们的关注。谷小慧[43]研究了超声波冻结在肉产品中的应用，发现猪肉从0 ℃降到-7 ℃所需要的时间随着超声波功率的变化而变化。随着功率的增加，作用时间先增加后减小，在36 W时作用时间最短；并且确定超声波处理在功率36 W、间隔时间30 s、持续工作时间12 s时，冷冻效果最佳。

影响超声波辅助冻结效果的因素很多，包括冻结食品的种类及特性以及超声波的功率、超声波的处理时间等。不同食品的含水量、蛋白质及脂肪含量都不同，这直接导致冻结处理时间的不同。同时，超声波功率以及处理时间主要影响其空化效应、热效应的强度，各种效应的强弱是超声波不同功能的体现。在超声波冻结过程中，空化效应是影响冰晶形成速率、大小及分布的主要因素。研究表明，超声波功率越大，空化效应越强，其传热系数越高，冻结效果越好，冻结所需的时间越短。但是超声波功率的增加也是相对的，在处理过程中也要平衡其产生的热效应。

目前，超声波辅助冻结技术在水产品及肉类产品中的应用较少，研究多集中在超声波辅助冻结的机理及其在果蔬中的应用，这可能是由于水产品及肉类产品的肌肉结构较果蔬复杂。因此，超声波技术作为一项绿色环保的新型技术，研究其在水产品及肉类产品冷冻中的应用，包括探究不同功率和不同频率超声波处理对于水产品及肉类产品冻结速率的影响、形成的冰晶大小对肌肉的损伤及对水产品及肉类产品感官品质的影响，对于推动食品工业的进步具有重要的意义。

3.2 超声波辅助解冻在水产品及肉类产品中的应用

作为替代传统解冻技术的新型解冻技术之一，超声波辅助解冻技术对于推动水产品产业链及肉类工业的节能和绿色发展具有重要的意义。

Gambuteanu等[44]研究了低强度超声波解冻未包装的猪肉后对其物理性质、化学性质和微生物等方面的影响，证实了采用超声波辅助解冻技术对于冷冻猪肉的质构以及营养成分不会造成损伤。此外，该研究中使用的参数(25 kHz、0.2～0.4 W/cm2)可用于解冻猪肉，以减少解冻时间，同时，该研究的结果突出了超声波技术在解冻未包装冷冻肉方面的潜在应用价值。Hong等[45]研究了水或盐水(质量分数2%NaCl)浸泡解冻与超声处理(40 kHz、150 W)对猪肉质量特性的影响，在两种冷介质(4 ℃水和质量分数2%盐水)中分别进行猪肉的超声处理，通过比较发现，超声处理导致猪肉的快速解冻，其中解冻速率类似于在17 ℃水浴中解冻的速率；质量特性方面，与对照组相比，超声处理的盐水中的猪肉具有较少烹饪损失的优点，并且盐水中的超声处理显示出最低的剪切力。

超声波应用于水产品解冻是完全可行的。Kissam等[41]研究发现超声波辅助水浸法的解冻速率要快于纯粹的水浸法，在1 500 Hz、60 W 的条件下，用超声辅助水浸法解冻鳕鱼比单独用水浸法时间缩短了71%。Miles等[46]发现合适的超声波条件可以缓解由超声波造成的食品表面过热的问题，优化结果表明500 kHz、0.5 W/cm2的超声波条件最适合鳕鱼块的解冻。

一些研究者也研究了超声波辅助解冻技术对水产品及肉类产品品质的影响。张昕等[47]探究了超声波解冻对于鸡胸肉品质的影响，通过测定解冻时间、色泽、汁液流失率、蒸煮损失率、蛋白溶解度和细菌总数等指标，发现不同功率超声波可以提高鸡胸肉的解冻速率和新鲜度，并具有较好的灭菌效果，但是会导致鸡胸肉蛋白质变性、保水性较差、汁液流失率高，从而在一定程度上影响了鸡胸肉的品质。这可能是由于不同功率的超声波强弱造成的，最后研究发现180 W的超声波强度更适合用来解冻鸡胸肉。谷小慧[43]研究了超声波解冻猪肉对其品质的影响，发现超声波解冻后的各项指标(汁液流失率、pH、挥发性盐基氮、硫代巴比妥酸和细菌总数)情况均好于传统解冻方法。余力等[48]比较了不同解冻方式对伊拉兔肉肉品的影响，其中超声波解冻(40 kHz、200 W)较自然空气解冻、流水解冻和低温解冻可以缩短解冻时间，对兔肉蛋白质的分解和脂肪氧化影响不大，但汁液流失率、蒸煮损失率较大，这可能与实验选取的超声波频率及功率有直接关系。

目前关于超声波解冻处理后对水产品品质变化的研究较少，这也将会是未来的研究方向。因此，总的来说，超声波解冻方法适用于冷冻水产品及肉类产品，并可以有效提高解冻速率，在食品工业中具有广阔的应用前景。

4 结论及展望

本文中，笔者综述了超声波辅助冻结及解冻技术的机制及其在水产及肉类产品中的研究应用。大多数的研究表明，超声波的空化效应、热效应、机械效应可以辅助水产品及肉类产品的冻结及解冻。超声波辅助冻结技术可加速水产品及肉类产品的冻结，缩短传统冻结所需时间，更好地保持食品本身的品质；超声波辅助解冻技术可以有效提高解冻速率，更好地保持水产及肉类产品的品质，符合现代食品工业技术发展的要求。研究不同功率及频率的超声波辅助冻结及解冻技术在水产品及肉类产品中的应用、对水产品及肉类产品品质的影响以及超声波处理条件的优化将是未来的热点。

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