果蔬制品冻藏技术研究进展

张雅丽，刘帮迪，周新群，刘贵巧，孙 洁，姜微波

（1.农业农村部规划设计研究院，北京 100125；2.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北 邯郸 056038；3.农业农村部农产品产后处理重点实验室，北京 100121；4.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

食品冻藏是指采用缓冻或速冻方法先将食品冻结，并在一定低温条件下贮藏，使食品保持冻结状态的储藏方法。果蔬产品、水产品和畜禽产品进行储藏和流通一般采用-18℃以下的温度[1-2]。在此温度下,水分变成固态冰结晶结构，同时外源携带微生物及自身酶活性降低至无限接近于零的状态，除脂类物质外，其余物质在冻藏状态下被氧化变质的情况趋近于零[3]。因此，冻藏可以最大程度地延缓食品的品质劣变，达到长期储藏的目的[4]，是商业应用中最常用且能较好保持食品品质的储藏方法。但目前对于冻藏学的研究和商业应用主要集中在水产品和畜产品上，针对果蔬冻藏的研究相对较少，近5年的研究量不足畜、禽、水产品冻藏研究的5%，这与果蔬组织水分含量高，更易形成冰晶，从而导致冻融后品质劣变有关[5]。因此，果蔬冻藏的方式还有待进一步的优化。本文从果蔬的冻藏技术、速冻技术、果蔬脱水冻藏技术及玻璃态贮藏四方面综述果蔬冻藏的研究进展。

1 果蔬冻藏的意义及需求

我国果蔬资源十分丰富，是全球最大的果蔬生产国和输出国。蔬菜和水果产量分别占全球的40%和30%左右。我国果蔬以鲜食为主，约占全年总产量的60%，同时果蔬加工业也有大量的需求，加工用果蔬产量占总产量的40%左右[6]。加工用果蔬的原料需求与鲜食果蔬不同，加工用果蔬对贮藏技术的需求主要表现在供应的持续性和原料品质的稳定性。与果蔬加工业发达国家相比，我国果蔬加工在原料供应方面存在以下几个问题[7]：①加工原料短期供应过剩，周年供应不足；②保鲜贮藏技术措施不足以满足周年加工对原料的延时需求；③保鲜贮藏无法有效保留果蔬加工品质。综上，果蔬保鲜的方式不能完全满足果蔬加工的需求，通常造成果蔬产季大面积堆积而产生腐烂，最终导致环境污染和经济损失等问题。因此，为了解决果蔬加工原材料贮藏期短的问题，打破果蔬季节性生产消费的限制，有研究提出对果蔬使用冻藏保存。

2 果蔬冻藏技术的发展概况

2.1 冻藏技术的优点和特点

冻藏作为一种长期贮藏技术，目前在果蔬行业使用较少，主要集中在某些特定品类的果蔬储藏上。我国的冻藏果蔬产量仅占全年果蔬总生产量的5%以下，其技术需求和可提升空间极大[8]。冻藏技术能长期保存物料是因为在冻藏过程中，水分由液态变成固态冰晶结构，不容易参与各类生化反应，同时不容易被储藏环境中的生物侵染，可以最大程度地延缓食品的品质劣变，达到延长储藏期的目的[4]。冻藏状态下的果蔬与原始果蔬各方面状态和品质十分接近，且冻藏条件稳定，实际生产中的损失率较低。

2.2 国内外果蔬冻藏技术现状

目前，果蔬冻藏的研究主要集中在保鲜期较短、贮藏品质不易控制的果蔬上，例如大部分出口蔬菜[7-8]、草莓[9]、荔枝[10]、菠萝[11]、番木瓜[12]、蘑菇[13]等。除了对适用于冻藏的果蔬品种进行研究外，传统的果蔬冻藏主要针对以下两个方面进行研究。

2.2.1 冻结技术研究

传统冻藏通常是以空气为介质在固定环境下进行的。目前，大部分冻藏技术主要对冻结介质和冻结辅助方式开展研究，例如：鼓风冻结、流动床冻结、制冷剂冻结、高压冷冻、超声波冷冻技术、磁场辅助冷冻技术、脉冲电场冷冻技术等[14-17]。

2.2.2 冻藏对果蔬品质影响的研究

大量研究指出，果蔬冻藏能够在贮藏期内长时间保持果蔬的原有色泽、维持风味及保护营养性物质，并以年为单位的延长果蔬贮藏期[8,18-19]。虽然果蔬冻藏的研究中提出了许多优点，但也有报道指出，冻藏对果蔬品质存在不利影响。这是因为与动物细胞相比，植物细胞具有细胞体积较大、细胞液泡占比大、独特的细胞壁结构等特征[20-21]，在冻结过程中，冰晶形成会造成不可逆的机械损伤，导致冻融后果蔬的理化、食用、安全和加工品质大幅下降，丧失食用和加工价值[22]。

3 果蔬速冻技术的研究概况

3.1 速冻技术的产生及研究方向

通过大量果蔬冻藏技术的研究发现，冷冻速率的快慢在一定程度上影响着果实的冻藏品质。慢速率冻结会使细胞内外有明显的蒸气压差，产生较大冰晶体，刺伤果蔬的细胞结构、破坏原本组织结构，导致果蔬在复融后出现汁液流出现象，从而对果蔬的色泽、风味、质地以及营养物质含量都产生负面的影响[23]。因此，国内外许多研究者对物料冻结过程中的冻结速率进行了大量研究，从而产生了果蔬速冻技术[8]。速冻是一种快速冻结的低温贮藏法，要求在30 min或更短时间内将新鲜果蔬的中心温度降至冻结点以下，或者以更短的时间迅速通过-5～-1℃温度区间，然后在-22～-18℃的低温条件下贮藏和流通的方法[8]。

表1列举了近年来部分果蔬速冻的具体研究内容及工艺条件，从中可以看出，目前果蔬速冻主要对以下两个方面开展研究：①以空气为介质，通过改变外界热物理状态，从而降低冻结环境温度，减少冻结时间，达到速冻标准的研究。此部分研究主要进行速冻机械设备的开发。②以液氮或其他冷冻剂为冷冻介质，研究不同喷淋方式、不同冷冻剂温度对速冻效果的影响。

表1 果蔬速冻的方式及条件Table 1 Methods and conditions of quick freezing of fruits and vegetables

3.2 速冻技术的优势与缺点

大量速冻研究结果表明，冻结速率加快对果蔬冻藏产品的食用特性和安全性有十分重要的影响[26-29]。速冻果蔬由于形成的冰晶体较小，其冻融后的质地、色泽、特征性香气、营养物质含量等更接近于原果蔬物料的状态[23]，因此在餐饮和食品加工行业有较多的应用。此外，速冻果蔬的可溶性糖、有机酸、维生素、色素、抗氧化物质和挥发性香气物质在冻藏时也比传统缓速冻藏的果蔬更稳定[8-9]。因此，用于加工原料的速冻果蔬不需要额外使用添加剂保护上述物质，从而达到增加食用安全性的目的。

尽管速冻技术的优势明显，且研究相对较多，但市面上的速冻果蔬产品依然较少。这是因为速冻技术仍然存在一些技术和经济性方面的缺点。技术方面，部分研究指出当冻结速度过快且超过一定极限时，热应力会引起果蔬的低温断裂现象，使细胞结构被破坏，进而不能保持果蔬本身固有的品质[30]。因此，冻结的工艺参数、适用于速冻的原料选择、速冻前预处理都会对速冻果蔬最终品质产生重要影响[8,31]。此外，在经济和实用价值层面，目前实现速冻技术的两种方式都存在高成本投入和高能耗的实际产业问题，从经济成本和环保角度上看都使得该技术无法大量推广[7-8]。

4 果蔬脱水冻藏技术的研究概况

4.1 脱水冻藏技术的产生

近年来，随着速冻技术研究的深入，针对速冻技术和实用价值的问题，有研究者提出一种新型的、低消耗的速冻替代技术——脱水冻藏技术。脱水冻藏是指对原材料先进行部分脱水，到达理想的水分含量后再进行冷冻贮藏。该技术以其低能耗、高冻结速率、低成本、高冻融品质等优点和创新性受到研究者们的青睐[16]。

脱水冻藏技术是一项由美国科研技术人员提出的速冻衍生技术，其研究历史仅有约60年时间[32-33]。目前，脱水冻藏在国内的研究还主要处于实验室阶段；但在国外市场，针对果汁加工、中央厨房、预制菜等应用场景，已经出现特定果蔬品质及特定使用场景的脱水冻藏产品[34-36]。

4.2 脱水冻藏技术的主要研究内容

目前国内外研究中主要关注脱水冻藏、传统冻藏和速冻技术的效果对比。主要分为以下几个方面：①脱水冻藏的冻结时间和速率研究。部分国内外研究指出，果蔬脱水后能够促进冷冻中的过冷现象，从而减少结冰点与过冷点的温差。在芒果[37]果实脱水冻藏研究中发现，-18℃条件下渗透脱水-冻结的冷冻时间较传统冻结更短。②脱水冻藏对于原料热物理特性的改性研究。这一部分的研究是近年来国内外脱水冻藏的研究重点方向之一。在猕猴桃[38]、草莓[36]等水果中发现，脱水预处理可能潜在地改变了果蔬原料热物理性能，例如果蔬冻结所需的焓、凝固点温度和热容等，这可以大幅度减少冻结所需的热负荷，从而降低约30%的能耗和成本[1,39]。③脱水冻藏条件的研究。许多学者针对脱水加工、脱水前预处理、冻结和复融环节的工艺条件及参数进行研究，具体如表2所示。

表2 果蔬脱水冻藏研究中的脱水技术及冻藏技术Table 2 Dehydration technology and frozen storage technology in the research of dehydrofreezing storage of fruits and vegetables

4.3 果蔬脱水冻藏的优点及应用情况

大量的研究指出果蔬脱水冻藏的优点包括：①降低水分活度，减少冻融过程中被微生物侵染的可能性[40]；②缩小产品体积、加快过冷现象、缩短冷冻时间、减少热负荷，从而降低冷冻和冷藏所需的能耗[41-43]；③保护细胞结构、减少冻融后的汁液流失、提升冻融后质地、保护色泽和营养活性成分等品质[44]。综上，有研究者指出，脱水冻藏的最大优点是“既节能又能提供良好的冻藏品质”[33]。近年来，虽然脱水冻藏技术在国内外的研究较多，但果蔬的脱水冻藏技术在商业上的应用并不多见。在我国，果蔬脱水冻藏技术的应用较少，没有明确的产品指出使用了脱水冻藏技术。

5 果蔬冻藏与玻璃态贮藏

5.1 玻璃态贮藏的概念

玻璃态贮藏的概念最早应用于材料学，20世纪80年代被引入食品保藏领域。它是指无定形聚合物在较低的温度下，分子热运动能量很低，只有较小的运动单元如侧基、支链和链节能够运动，而分子链和链段均处于被“冻结状态”，这时的聚合物所表现出来的力学性质和玻璃相似，其物理、化学、生物的性状极其稳定，这种状态被称为玻璃态[45]。

5.2 玻璃态贮藏与果蔬冻藏的关系研究

果蔬的速冻技术和脱水冻藏技术的发展都与玻璃态贮藏理论有一定的相关性。在果蔬速冻技术研究中发现：当一个体系处于极低温度时，例如超低温冰箱或液氮条件，可以使该体系进入玻璃态，体系黏度大幅升高，分子扩散速率急剧下降，食品品质劣变速率变得十分缓慢，甚至不发生，所以体系相对稳定，不易发生劣变，能长久保存[46]。

在果蔬脱水冻藏技术的研究中也提出该技术的优点与玻璃态贮藏关系紧密。研究表明，脱水冻藏特别是渗透脱水冻藏，能够改变物料的玻璃态转化特性，从而提升果蔬冻藏的稳定性。例如，不同的渗透脱水浓度或渗透液都可以促使豌豆[47]、芒果[37]等果蔬的水溶性物质浓度和不冻基质黏度提高，从而提升玻璃化转变温度（Tg）[39]，并且在冻结过程中这些不冻基质呈现非晶体状态，在冻结中称为玻璃态，并且这种玻璃态的不冻基质的物理化学性状极其稳定，适合以年为单位的长时间贮藏[48]。因此，玻璃态贮藏理论有效地阐明了果蔬速冻和脱水冻藏技术在保护冻融后细胞结构、保留果蔬易损性的内容物并减少微生物污染等方面的原因。

6 结语与展望

我国是世界上最大的水果和蔬菜生产国，传统保鲜方式的改进和研发已经不能够完全满足我国生产、加工和消费市场的需求。因此，果蔬冻藏技术逐渐被重视，但我国冻藏果蔬市场和研究整体处于较为基础的阶段。

近些年来，速冻果蔬凭借冻结速度快、保鲜效果好、安全性高的优点得到了较多重视。但速冻技术的推广应用受到其低经济价值和高技术成本的桎梏。因此，对于果蔬速冻技术的研究应该主要聚焦于低能耗果蔬速冻专用设备的开发和低价速冻介质材料的研发方面。相较于西方发达国家，我国果蔬脱水冻藏技术的研究和应用还相对薄弱。果蔬脱水冻藏技术的品种适用性、专用设备的开发和脱水冻藏产品应用于果蔬加工的模板化研究，都是该研究方向的重点内容。此外，对于支撑果蔬冻藏技术的玻璃态贮藏理论也是今后研究的重点方向之一。

我国具有丰富的果蔬资源，充分利用该资源优势，大力开展果蔬冻藏方面的研究，将有利于加快我国果蔬贮藏加工的产业化进程，从而为果蔬加工行业带来良好的社会和经济效益。