直接浸渍冷冻在食品加工中的应用现状与前景

杨雯雯 郭志芳

摘要：直接浸渍冷冻技术是一种新兴的食品冷冻技术，现阶段被广泛应用于中国食品加工领域。该技术具有冻结速率快、时间短、质量好且节能的特点，但在应用过程中也存在龟裂、冷冻液质量下降、吸收冷冻液溶质等缺点，在一定程度上制约了其在中国食品加工行业的进一步发展。文章阐述了直接浸渍冷冻技术的原理，综述了直接浸渍冷冻技术在中国食品加工中的应用现状，分析总结了直接浸渍冷冻技术存在的问题，并展望了直接浸渍冷冻技术的发展方向。

关键词：直接浸渍冷冻；技术原理；应用现状；存在问题

中图分类号：TS205.7 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210329

冷冻技术食品加工过程中被广泛应用，具有操作方便、结构简单的特点，但同时也有一定的不足，如：对食品质量影响较大，效率低且冻结不均匀等[1]。对冷冻技术进行升级，更利于冷冻食品品质的保证[2]。直接浸渍冷冻技术就是在冷冻技术的基础上发展起来的，其将冷冻物料与载冷剂直接接触换热，使物料迅速降温冻结，是一种高效的低温加工技术[3]，目前在食品加工领域的应用越来越广泛。本文对直接浸渍冷冻技术在食品加工中的应用现状进行综述，并对其前景进行展望，以期更好地推进我国食品加工业的发展。

1 直接浸渍冷冻技术的原理

直接浸渍冷冻技术是利用对食品无毒、无异味等特性的冷冻液作为制冷剂或者是载冷剂，与食品直接接触进行热交换，使物料冷冻的冻结方式[4]。直接浸渍冷冻的机制和间接接触冷冻、对流冷冻的机制极为不同，直接浸渍冷冻包含传质以及传热两个方面，但间接冷冻和空气对流只关乎传热一方面。在固液交界面，食品内部的溶质和水分就会产生转移，进而引发能量传递，最终实现食品冻结的目的[5]。在直接浸渍冷冻过程中，传热与传质虽同步进行，但传质的速度却慢于传热的速度，且热比质会更先达到平衡。食品与冷冻液之间的溶质渗透通常发生在热平衡前，此时溶质渗透的速率较低[6]。同时，食品中的水会向外迁移，出现这种情况的原因可能是相同温度下冰的蒸汽压力远小于水的蒸汽压力，二者产生的蒸汽压差，使细胞内的水分析出。

2 直接浸渍冷冻技术应用现状

近些年直接浸渍冷冻技术在我国得到了越来越广泛的应用[7]。它主要是借助冷冻液的帮助以实现对食品的冷冻。现阶段在食品冷冻业被广泛应用的冷冻液有一、二、三元液体。三元冷冻液主要是由乙醇、氯化钠、水混合而成，该冷冻液还能够延长水产品以及肉质产品的保质期；二元冷冻液是由水和其他溶质组成的溶液，例如氯化钙溶液、氯化钠溶液等；一元冷冻液主要是二氧化碳或液氮。现阶段在食品冷冻行业也将二氧化碳和液氮直接浸渍冻结称之为低温冻结。直接浸渍冷冻技术能够加快食品的冷冻速度，降低冷冻成本，并减少能耗，可以应用于组织非常软弱的食品冷冻过程中，例如水产品或者水果等。经过研究发现，现将直接浸渍冷冻技术在我国食品加工业的应用现状总结为以下几个方面。

2.1 降低能耗和冷冻成本

能耗问题一直是围绕食品加工行业发展的一个主要问题[8]。如何在生产过程中实现能耗的降低是食品加工行业近些年一直在探寻的问题。目前我国食品加工业开展了大量的降低能耗的实践研究。杨涛华[9]以草莓为例，从能耗、辅料、操作费用等方面对液氮超低温冷冻技术和空气强制对流冷冻技术进行了对比研究。实验表明，直接浸渍冷冻技术的成本显著低于液氮超低温。这也更加直观地说明了将直接浸渍冷冻技术应用于食品加工业能够极大降低能耗，同时节约冷冻成本。

2.2 加快食品的冻结速度

现阶段被应用于食品加工业中的冷冻方式主要有间接接触冷冻与空气冷冻。这两种冷冻技术虽然在传统的冷冻技术上有所改进，冷冻效率也较以往更快，但并不具有全面性，也对其冷冻速率产生了一定的影响[10]。在制冷量相同的情况下，冷表面和食品的接触紧密度会对间接接触的冷冻速率产生极大的影响，接触得越好，传热系数越大[11]。其接触效果受多种因素影响，包括接触压力、产品规则程度等，这些因素在实践过程中并不能被妥善解决，所以冷冻时应当着重考虑食品外观和质量两个方面，导致冷冻速率会因此受到或大或小的限制。而直接浸渍冷冻技术却能够有效弥补以上两种冷冻方式的此种不足，可能是直接浸渍冷冻技术运用的冷冻液的传热系数相较空气更高，因此冷冻速率也会得到一定的提升。

2.3 提高产品质量

食品加工业中，保证冷冻食品的质量意义重大[12]。有研究[13]表明，冷冻食品质量与冷冻速率呈现正相关的关系。如果冷冻速率越慢，则食品质量越差。食品冷冻过程中，导热速度越快，食品温度降低的速度也越快，能够减慢肉类中的生物化学反应，降低肉类出现变质的概率。同时也能够在最大程度上抑制微生物的生长，这对于比较容易受到污染的食品来说至关重要。由此可见，对食品进行快速降温，有利于保持品质[14]。在食品加工业中运用直接浸渍冷冻技术能够加快肉类食品冷却速度，减少损失挥发物质的量，同时还能够对汁液的流失进行控制还能减少汁液流失。实践[15]证明，直接浸渍冷冻技术能够最大程度地保持食品的口感、结构以及品质，同時还能延长其货架期。

2.4 降低干耗

干耗是衡量冷冻食品质量优劣的一个重要指标，尤其是对于性价比高的海鲜类食品[16]。直接浸渍冷冻的方式与间接接触冷冻法和空气对流冷冻法相比较干耗率极低。蔡锦林等[17]研究发现，采用低温浸渍冷冻的虾，其干耗率为（1.73±0.02）%；采用空气对流法冷冻的虾，其干耗率为（2.15±0.30）%。同时，应当注意的是在冷冻之后，空气对流冷冻法冷冻的虾肉脂肪氧化程度远高于直接浸渍冷冻技术的虾。除以上两种冷冻方式，采用单一二氧化碳和液氮对虾进行冷冻时其干耗更低。卢九伟等[18]研究发现，披萨运用液氮进行冻结时干耗极低，为0.51% ～ 0.61%。

3 直接浸渍冷冻技术存在的问题

直接浸渍冷冻技术冷冻的食品产品冻结速率、质量高，设备耗能低，而且加工成本低[19]。但对这项技术进行深入研究后发现其存在一些问题，阻碍了直接浸渍冷冻技术在食品加工业的发展。其中一个极为突出的问题就是冷冻液的安全性，伴随着冷冻工作的进行，冷冻液的浓度也会随着冷冻时间的推移而降低[20]。而且溶液可能会受到微生物的污染，冷冻槽也可能会被腐蚀。溶质的吸收则会对产品产生极为不利的影响，有可能改变食品的风味，甚至造成食品的污染，而现今的技术却无法把控食品对溶质的吸收。直接浸渍技术还具有冻结速度快的特点，这既是一大优点，但也易引发食品的龟裂，尤其是对于体积较大的食品[21]。由此可见，为了保证冷冻食品的质量，就应当对冷冻液的污染情况进行最大程度的控制，这也是提高直接浸渍冷冻技术的一大方式。经过大量的实践研究，现将直接浸渍冷冻技术实际存在的具体问题总结为以下几点。

3.1 龟裂

龟裂是直接浸渍冷冻技术在发展过程中不可忽略的一个问题。直接浸渍冷冻技术的一个主要的特点就是冷冻速度快，而降温迅速就会造成食品表面和其中心出现较大的温差，控制不当会造成食品的龟裂。而且食品的体积越大，其出现龟裂的概率就越大[22]。所以，为进一步促进直接浸渍冷冻技术的发展，就应当在日后的发展过程中对龟裂这一问题加以重视。

3.2 冷冻液质量下降

冷冻液需要被循环使用在整个食品冷冻全过程中。因而食品残留物以及所溶出的成分就会对冷冻液的质量产生影响[23]。冷冻液质量降低主要是有两方面的原因：一是冷冻液的理化性质发生了变化，这种情况出现的原因是食品溶出物与残留物中的脂肪和蛋白质产生了一定的变化，这会加剧容器中金属离子的释放；二是微生物产生的污染，出现这一现象是因为冷却的温度持续保持在较高的状态，进而加速了食品中微生物生长的速度。

3.3 吸收冷冻液溶质

在直接浸渍冷冻的过程中，冷冻液中的溶剂在食品中扩散与渗透是阻碍直接浸渍冷冻技术发展的一大原因。这也会在一定程度上加速食品中的水分流失，最终会使冷冻液溶剂减少，但食品中溶剂会增多。为了更好地解决这一问题就应对直接浸渍冷冻过程中的传质进行精准控制。有学者研究了苹果在氯化钠溶液中浸渍冷冻的不同因素对传质的影响，发现传质的作用会随着冷冻液温度的降低而减弱。当冷冻液的温度保持在-18 ℃时，苹果中氯化钠的含量为2%，而当冷冻液的温度为-5 ℃时，苹果中氯化钠的含量则为7%[24]。这也更加直观地说明了在对食品进行直接浸渍冷冻前，应当对食品进行一定的包装，进而降低溶剂在食品中的扩散与渗透，从而保障食品的质量。但若对食品进行包装，又会影响热传递，降低冷冻速率。减少传质的另一个极为有效的方式就是加强对食品表面的处理。随着直接浸渍冷冻技术的日益发展，对于减少传质的方式也逐渐丰富起来。镀冰衣就是一种极为有效的方式，对食品进行镀冰衣处理能够降低食品对溶剂的吸收，尤其是对于含水量高的食品，可以先对其进行水浸之后再进行浸渍冷冻处理，通过这种方式就能够在食品表面形成冰衣[25]。而另一个极为有效的方式就是通过涂膜对食品进行保护。在食品的表面涂一层薄薄的膜，能起到阻碍溶质进入食品内部的作用。以苹果为例，先在其表面运用低浓度的壳聚糖与乙酸溶液进行涂抹处理后再完成浸渍冷冻。通过这样的方式，可以最大限度地降低溶质在食品中的扩散，避免影响食品质量。但表面涂膜操作具有一定的技术性，且食品的美观性也会减弱。为了提高冷冻技术，广大专家学者不断进行探寻。经过大量的实践研究后发现，低温流体也可对食品完成浸渍冷冻，这就包括液氮与二氧化碳，这两种物质均无毒、无害，也能够保证食品的质量。同时液氮与二氧化碳的沸点在-196 ℃和-78 ℃，所以冻结可以在超低温进行。通过这样的方式，也能够加快冻结速度，在冻结过程中产生的干耗也较小。

4 展 望

直接浸渍冷冻技术是一种较为新兴的食品冷冻技术，且在我国食品加工行业得到了越来越广泛的应用。并取得了极为显著的成效。但在直接浸渍冷冻技术发展过程中仍旧存在一些亟待解决的问题。日后研究工作可以从以下几个方面进行：① 完成数学模型的建立，充分研究直接浸渍冷冻技术中的传质以及传热原理，使食品保持在高质量的状态。② 对制冷的设备进行改良。③ 积极结合其他新型技术，例如超高压以及超声波，通过技术可实现直接浸渍冷冻技术的升级。而且在日后的食品加工行业发展过程中，应当不断加强对直接浸渍冷冻技术的研究，以期促进我国冷冻技术与食品加工业的进一步向前发展。

参 考 文 献

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Application Status and Prospects of Direct Immersion Freezing in Food Processing

Yang Wenwen， Guo Zhifang

（ Luohe Vocational and Technical College， Luohe， Henan 462002 ）

Abstract： Direct immersion freezing technology is a technology widely used in food processing in my country at this stage. This technology has the characteristics of fast freezing rate， short time， good quality and energy saving. However， cracks will also be found in the application process. Other shortcomings， the lack of direct immersion freezing technology will affect the further development of my country’s food processing industry to a certain extent. It can be seen that it is particularly necessary to conduct in-depth research on the application status and prospects of direct immersion freezing in food processing. This article will describe the principle， application status and existing problems of direct immersion freezing technology， and strive to reveal the application status quo of direct immersion freezing in my country’s food processing， and then promote the further development of this technology and achieve the promotion of my country’s food The purpose of further development of the processing industry.

Key words： direct immersion and freezing， food processing， application status， existing problems