超声波辅助冷冻技术及其在食品中的应用

邱爽，李学鹏，*，王金厢，仪淑敏，励建荣，李婷婷，牟伟丽，黄建联，丁浩宸

（1.渤海大学食品科学与工程学院，辽宁锦州121013；2.大连民族大学，生命科学学院，辽宁大连116600；3.蓬莱京鲁渔业有限公司，山东烟台265600；4.辽宁安井食品有限公司，辽宁鞍山361003）

冻藏在低温抑制食品中微生物的生长和酶活性的同时可以降低食品中的水分活度，是保证食品质量并延长其货架期的主要方法之一，广泛用于畜禽肉类、水产品、米面制品、果蔬类等易腐食品的生产、运输和贮藏，在食品工业中占有重要的地位。冷冻过程包括3 个阶段，即将产品冷却至其凝固点的预冷阶段、去除结晶潜热的相变阶段以及将产品冷冻至储存温度的终了阶段[1]。其中，晶核形成（成核）与冰晶的形态、尺寸与分布密切相关，被认为是优化冷冻工艺过程的重要因素。另外，结晶发生在冷冻过程的相变阶段，同样是决定冷冻过程的效率和冷冻食品质量的关键步骤。一般而言，结晶过程分为两个阶段，即成核阶段和晶体生长阶段，这两个阶段共同决定了晶体的形态、尺寸与分布[2]。冰核在一定的温度范围内自发且随机地生成，并受杂质、表面粗糙度等难以被监测和控制的因素影响。因其发生的概率性与过程的不可重复性，精确地预测和控制成核温度与结晶过程是非常困难的。众所周知，在冷冻食品时，不均匀的胞外冰晶的形成会对食品的微观结构造成严重的损伤，导致解冻后的食品色泽、风味和质地发生改变，如组织褐变、组织软化和持水力下降等[3]。相反，形成在细胞内的均匀的冰晶使食品组织受到的损伤较小，因此可以使食品更好地进行保存。

目前，食品的商业冷冻主要采用传统的冷冻方法，如空气冷冻法、接触冰冷冻法、浸没冷冻法等[4]。然而，这些方法存在冷冻效率低、冷冻食品质量差等问题。近年来，食品冷冻技术发展迅速，为了提高冷冻食品的质量，满足人们对高质量的冷冻食品的需求，涌现出了几种新型冷冻技术，包括高压冷冻技术、微波辅助冷冻技术、射频辅助冷冻技术和超声波辅助冷冻技术等。它们通过控制食品冷冻过程中冰晶的生长和分布，使食品的微观结构避免受到损伤，同时可以提高传热和传质速率，从而缩短食品的冻结时间，提高冷冻食品的质量[5-6]。作为一种新兴的技术，超声波辅助冷冻在食品加工领域备受关注。超声波是一种以超出人类听觉阈值（20 Hz～20 000 Hz）的频率振荡的声波，根据应用的强度和频率，可以将超声波分为高频低强度超声波（＞100 kHz）和低频高强度超声波（20 kHz～100 kHz）[7]。前者主要应用于食品的无损分析[8]，后者又称为功率超声，可应用于食品加工过程中的乳化、提取、干燥和冷冻[9-10]等。尽管超声波辅助冷冻是一种相对较新的食品冷冻技术，很多研究已经证明其对食品冷冻过程的控制和冷冻食品的保藏有显著影响。超声波可以使结晶过程的概率性与随机性转化为可操作与可重复性，从而提高冷冻食品的质量。本文综述了超声波辅助冷冻机制、影响成核的因素及其在食品中研究和应用的最新进展，旨在为超声波辅助冷冻技术的深入研究和推广应用提供参考和借鉴。

1 超声波辅助冷冻机制与影响因素

1.1 超声波辅助冷冻机制

超声波作为一种辅助冷冻的手段，能有效地控制冻结过程中样品组织内晶核的形成与晶体的生长。目前已经报道的超声波辅助冷冻机制主要有诱导成核、强化二次成核、抑制冰晶生长以及增强传热传质机制。

1.1.1 诱导成核

当液体中通入超声波时，由于声波的传输，会使液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体中逸出，形成大量的小气泡，即空化泡。超声波的空化效应是指存在于液体中的空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。这些气泡在超声波纵向传输形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替的正负压强下受到压缩和拉伸[11]。超声波在液体中传播时引起的空化效应见图1。

图1 超声波空化效应Fig.1 Ultrasound cavitation

空化泡被压缩直至崩溃的一瞬间会产生局部瞬时高压（＞5 GPa），从而导致高过冷度。其中，形成的高过冷度可以作为瞬时成核的驱动力[12]。另外，这些空化泡只要达到临界的核心尺寸，就可以作为冰核的核心[13]。根据空化泡是否破裂，空化效应可以分为稳定空化效应和瞬时空化效应。稳定空化效应产生的空化泡不会立即崩溃，其运动引起的微流也可以作为冻结过程中成核的驱动力[14]。一些研究证明，微流同样可以提高传热速率[2，12，15]。此外，由空化泡产生的压力梯度导致的分子分离也是诱导冷冻过程中成核的机制之一。空化泡在崩溃的瞬间产生的压力梯度可以有效地分离液体中的物质，从而提高成核速率。目前，超声波辅助冷冻诱导成核的确切机制尚未形成统一的理论，可能是各种机制共同作用的结果，有待于进一步研究。

1.1.2 强化二次成核

在冷冻过程中施加超声波时，空化效应产生的空化泡不仅可以作为冰核的核心，提高成核速率，并且其爆破瞬间引起的爆破力还可以强化二次成核。超声波对二次成核的强化作用见图2。

图2 超声波对二次成核的强化作用Fig.2 Strengthening effect of ultrasonic on secondary nucleation

二次成核是指已经存在的晶体被外力作用后碎裂成晶体碎片，其可以作为二次成核的晶核，从而诱导更多的冰晶生成，进一步保证了冰晶细小而均匀地分布在组织内[4]。研究表明，超声波辅助冷冻过程中具有强化二次成核作用。图2 显示了15%蔗糖溶液中施加超声波作用17.38 s 后，已经存在的冰晶碎裂成了许多细小的碎冰晶，这些碎冰晶可以重新分散在溶液中并作为二次成核的晶核，从而加快了冷冻速率[15]。

1.1.3 抑制冰晶生长

冰晶的生长是继晶核形成后另一个影响结晶过程的重要因素，同样与过冷度有密切关系。超声波对冰晶生长的影响具有两面性：一方面，超声波的空化与微流作用产生的机械效应会为传热传质过程提供驱动力，从而加快冰晶的生长速率；另一方面，由超声波产生的热效应会抑制冰晶的生长[16-17]。此外，微流机制会使不规则的冰晶破裂，阻碍冰晶继续生长。

1.1.4 增强传热传质

超声波不仅可以作为辅助冷冻过程成核、抑制冰晶生长的工具，其产生的机械效应还可以增强传热传质过程，提高冷冻速率。研究证明，当超声波穿过样品时，会引起组织基质快速交替的压缩和拉伸，这种现象可以保持孔隙畅通无阻，从而促进传质过程[18-19]。

1.2 超声波辅助冷冻效果的影响因素

超声波可以通过不同的机制来改善冷冻过程。然而，作为冷冻过程的重要阶段，成核的过程受到超声波的显著影响[1]。影响超声波诱导成核和冷冻效果的因素有很多，如超声波的作用参数、载冷剂的特性以及样品的属性等。

1.2.1 超声波的作用参数

过冷是指将样品的温度降低到冻结点以下而不冻结的现象。过冷度的大小与冷冻速度密切相关，过冷度越大，形核率的增加比晶核生长的速度越快，从而可以获得更细小的冰晶。有研究表明超声波的应用功率与温度对成核过程有显著影响。Zhang 等[12]对超声功率与形核率之间关系的研究结果表明，在超冷水中施加超声波会生成大量的树枝状冰晶。另外，不同温度下的超声波会产生不同的过冷度，并受温度的影响而下降[20]。

1.2.2 载冷剂的特性

一般来说，在超声波辅助冷冻过程中，样品都浸没在载冷剂中，因此，超声波辅助冷冻技术可以被看作是一种特殊的浸没式冷冻技术。载冷剂对于耗散冷冻过程中产生的热量有重要的意义，因此，载冷剂需要具备导热系数大、比热大、化学稳定性好、有一定的蓄冷能力等特点。目前，超声波辅助冷冻过程中常使用的载冷剂有乙二醇、酒精、CaCl2盐溶液等[4]。不同的载冷剂具有不同的散热效果及不同的使用限制条件。如Kiani 等[21]报道，载冷剂的特性会显著影响传热与结晶过程。

1.2.3 样品的属性

应用超声波辅助冷冻的样品一般可分为流体样品与固体样品。如前所述，超声波引起的空化泡的运动会产生微流，从而加快冷冻速率，但是微流仅能在流体样品中产生。因此，流体样品相对来说比固体样品具有更高的冻结速率。Kiani 等[2]比较了超声波辅助冷冻对液体样品和固体样品冷冻过程的区别，结果表明，由于微流的存在，超声波能够更有效地触发液体样品中的成核，从而加快了液体样品冷冻过程中的传热速率。

2 超声波辅助冷冻技术在食品中的研究进展

冰晶的尺寸与分布是评估冷冻食品质量的重要参数，冰晶细小而均匀地分布有利于提高冷冻食品的质量。超声波作为一种操控冷冻过程中成核的工具，已被广泛地应用于食品的冷冻研究中。本文采用词频分析法对Web of Science 数据库和中国知网期刊数据库中2008-2018 年间的食品科学与工程领域超声波辅助冷冻研究相关论文进行了检索和高频关键词分析（高频关键词在一定程度上可以反映出某一领域的研究热点及发展趋势），结果见图3。超声波辅助冷冻技术方面的研究热点主要集中在成核、冰晶、品质、过冷度、微观结构等方面，研究对象主要集中在果蔬类、肉类、面点类食品，水产品方面的研究明显偏弱。

图3 2008-2018 年食品科学与工程领域超声波辅助冷冻论文高频关键词分析Fig.3 High-frequency keyword analysis of ultrasonic-assisted freezing papers in food science and engineering in 2008-2018

2.1 果蔬类食品

冷冻处理会降低果蔬的呼吸作用与氧化速度，从而延长果蔬的保质期。然而，如果在冷冻的过程中产生较大的冰晶，会对果蔬的细胞壁、细胞膜等组织造成机械损伤，导致汁液损失严重，影响果蔬的品质。超声波技术在改善果蔬冷冻过程中的应用已得到了广泛的研究。Xu 等[8]发现超声波能够有效地诱导萝卜样品的成核，并且超声持续时间和强度均显著影响成核温度。在超声时间7 s，超声功率0.26 W/cm 时得到成核温度与超声温度之间拟合良好的线性方程。Sun 等[22]观察了超声波辅助冷冻（25 kHz，15.85 W）对马铃薯组织微观结构的影响。结果表明，与浸渍冷冻相比，超声波辅助冷冻在马铃薯组织中产生了细小均匀的冰晶，保持了微观结构完整性，缩短了冷冻时间。同时，由于更高空化强度的产生，提高超声功率可以提高传热速率，然而当过高的超声功率在介质中传播时，会将声能转换成热能，导致传热和冷冻速率降低。Xin 等[23]的研究证明了超声波辅助冷冻能较好地保持西兰花的显微结构和硬度，与传统的冷冻方法相比，滴水损失显著减少。这是由于适当的超声功率增加了冷冻速度，使冰晶细小而均匀地分布在组织内。Islam 等[24]研究了超声波辅助冷冻对蘑菇冷冻质量的影响，结果表明，超声波的应用（0.39 W/cm，20 kHz）显著降低了解冻过程中的滴水损失。然而，组织内水分含量的减少导致冷冻后蘑菇弹性降低，并且由于超声引起空化和微流，蘑菇中多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和过氧化物酶（peroxidase，POD）的活性显著降低。Cheng等[25]在对草莓样品冻结和成核的研究结果中显示，超声波的应用可以使样品在较低的过冷度下引发成核，并且超声温度与草莓过冷度之间呈线性关系。因此，适当的超声波温度和超声功率的应用可以有效地控制易腐烂的水果的成核和冷冻过程。然而，果蔬含有不同含量的空气、碳水化合物和其他一些可以充当冰核的成分，复杂的系统导致了不同的成核温度[8]。Miano等[26]研究了超声波在甜瓜块和低水分活度食品中增强传质的过程，发现在水分活度不同的样品中，增强传质过程的效应有所差异，空化作用作为直接效应在甜瓜块内产生了微通道以促进传质，而微流作为间接效应增强了低水分活度食品中的传质过程。

2.2 肉类食品

研究表明，功率超声处理会诱导食物蛋白质的修饰，从而改善功能特性，如溶解度、乳化作用及凝胶特性等[26]。肉类含有丰富的蛋白质，因此很容易受到超声波的影响。一般来说，超声波可以在肉类组织中通过破坏肌肉细胞的完整性和促进酶促反应这两种方式来发挥作用。超声波在肉类制品的加工过程中应用较多，如改善肉的嫩度、加速肉的成熟过程、提高持水性和抑制微生物的生长等[27]。此外，超声波在肉类的解冻中应用较广泛，可以通过减少滴水损失来提高产品的质量[28]。然而，对于超声波辅助冷冻肉和肉类制品的研究较少。Zhang 等[29]研究了在超声波辅助冷冻过程中，应用不同的超声功率对猪背最长肌冷冻速率和质量的影响。结果表明，施加180 W 的超声功率效果最好，显著降低了冰晶的尺寸，使其在组织内的分布更均匀，同时降低了结合水和游离水的流动性。然而，功率超声处理对样品解冻后的a*、b*值没有显著影响，这可能是因为样品解冻后肌红蛋白恢复了其天然构象并恢复了颜色。基于以上的研究，Zhang 等[30]继续研究了在最优的超声条件下，超声波辅助冷冻在贮藏期间对猪背最长肌微观结构、质量、水分分布等变化的影响。结果证明，与空气冷冻和浸渍冷冻相比，经超声波辅助冷冻后的样品，其冰晶分布均匀，解冻损失与蒸煮损失显著降低，减少了水分迁移，同时脂质氧化得到了有效的控制。

2.3 水产品

冷冻是水产品常用的保藏方法之一，可以最大程度地维持水产品的新鲜度。然而，冷冻方式对水产品的质量有至关重要的影响。空气鼓风冻结仍然是目前应用最广泛的冻结方式，但会在水产品内形成较大的冰晶，冰晶的生长不仅会对肌肉纤维和细胞造成破坏[31]，还会导致蛋白质变性，造成解冻后汁液损失严重，品质下降。同时，传统冷冻方式存在能耗大、温度易波动等缺点。因此，有待于研究应用新型冷冻技术使冰晶细小均匀地分布，减小冰晶对水产品内部组织的损伤，维持水产品质量。向迎春等[32]研究了超声辅助冻结中国对虾的冰晶状态与水分变化，发现只需130 s即可通过最大冰晶生成带，且与传统冷冻方式相比，冻结速率快，对组织的破坏程度最小。Sun 等[33]的研究结果显示，超声波辅助冷冻与传统冷冻方式相比，能减少冻藏过程中冰晶对鲤鱼肌肉组织的损害，使其组织具有最小的冰晶直径，显著降低了结合水与游离水的流动性，从而降低了解冻损失。同时，超声波辅助冷冻处理后的鲤鱼肌肉组织具有更高的蛋白质热稳定性，并减少了冻藏期间样品中TVB-N 的形成。Sun 等[34]随后证明了超声波辅助冷冻功率的不同对鲤鱼的冷冻速率及质量有较大影响，在适当的超声功率（175 W）下，可以显著降低样品冷冻时间，提高冻品质量。而施加较高的超声功率时，由于空化泡的破裂产生高温和高压，反而降低了冷冻速率。同时，施加适当的超声功率，可以有效地保持蛋白质的结构及其热稳定性，较高的超声功率会破坏局部氨基酸序列或分子间相互作用，从而破坏蛋白质结构，导致蛋白质变性[35]。Gao等[36]研究了在超声波辅助冷冻草鱼鱼糜过程中添加水溶性大豆多糖对冻藏过程中鱼糜质量变化的影响。结果表明，水溶性大豆多糖与超声波辅助冷冻发生了协同作用，可同时用于防止鱼糜中Ca2+-ATPase 活性的降低。当使用300 W 功率进行超声冷冻处理时，可以显著提高鱼糜冷冻效率，同时改善冷冻鱼糜质量。然而，超声波辅助冷冻在水产品上的应用研究较少，需进一步拓展和深入。

2.4 面类食品

在面包、馒头、糕点等食品的运输与加工过程中，常在半成品阶段把面团冻藏一段时间，待需要时再解冻进行后续生产加工，直至成品。冷冻面团的质量直接影响了后续的加工过程，因此，已有研究将超声波应用于面团的冷冻过程中。Hu 等[37]在25 kHz 与5 种不同超声功率水平下研究了超声波对冷冻面团质量和微观结构的影响，发现超声功率在288 W 或360 W时，冻结总时间缩短了11%以上。并且，在冷冻面团内部形成了大量细小的冰晶，改善了面团的质量。此外，Song 等[38]在超声辅助冷冻湿面筋过程中发现，超声空化作用促进了湿面筋中冰的初级和次级成核，使其内部形成了细小且均匀的冰晶，有利于减小面筋网络的裂化，改善冷冻湿面筋的质量。

3 结论与展望

作为一种新型的食品冷冻技术，超声波辅助冷冻能够有效地提高传热传质效率、控制成核与结晶过程，提高冰晶的质量和数量，提高冷冻速度的同时降低冷冻对食品组织结构的损伤，改善冷冻食品品质。其空化效应与微流效应能较好地保持食品的微观结构，具有提高冷冻食品持水性和蛋白质稳定性、修饰食品质构等优点。因此，超声波辅助冷冻技术在食品冷冻研究和应用中有着广阔的应用前景。但另一方面，超声波辅助冷冻技术的一些基础性研究尚有待完善，超声波辅助冷冻的机理尚未形成统一的理论，超声波与其他技术联合使用时的相互作用机理、对复杂体系中的成核及冰晶生长方面的影响机制等都有待进一步研究。此外，超声波辅助冷冻技术目前并不是一种成熟的标准化技术，尽管已有一些商业设备开始使用，但发展规模不大，目前仍主要处于实验室研究阶段，因此，与其相关的应用程序和工业设备也亟待开发和推广。