冻结速率对果蔬冰点的影响

张 哲，郎元路，严 雷，袁 晖，杨文哲，郝俊杰，王怀文，田津津

（1.天津商业大学 机械工程学院，天津市制冷技术重点实验室，天津 300314；2.维克（天津）有限公司，天津 301700）

当前，冷冻冷藏类技术发展迅速且应用广泛[1]。低温保鲜是一种用于冷冻冷藏食品的重要处理方式。低温处理果蔬可以很大程度上抑制微生物的生化反应及果蔬细胞内一些酶类化合物的活动，并且在此过程中细胞基质里水的活性得以降低，从而使果蔬的口感[2]及外在的表面形态及饱满度保持在极佳状态。冷却过程中，冻结速率的快慢会直接影响食品冰晶的大小、质地的好坏[3]以及冻结细胞的能力[4]。

冷冻保藏最重要的环节是食品热物性的研究。到目前为止，学者们对热物性的研究还只是基于一些半经验公式和经验公式，对果蔬热物性与外界因素的联系和影响的研究不够透彻，但在果蔬冷藏冷冻保鲜、烘烤处理以及干燥脱水等过程中均需考虑果蔬在实验环境下的内在热物性特性，并据此制定贮藏及加工工艺。冰点是食品冷藏保鲜加工的重要热物性参数之一，果蔬冰点的确定对低温冷却、冻伤机理以及冷藏冷冻加工的研究具有重要意义[5-7]，所以研究果蔬冰点的变化机理将有助于推动低温冷冻技术发展及优化整个食品冷链过程。

冰点测量方法一般分为两种：一是用热电偶或热电阻测量置于低温冷冻箱的果蔬的温度；另一种是使用差式量热扫描仪进行温度测量。前者可以看到温降过程及过冷点，但测量的果蔬温度数据与新鲜果蔬冰点温度有差异，而且体积大的果蔬实验周期较长，后者设备昂贵，在实际生活中运用不广泛，但数据准确度更高[8-13]。本研究将充分利用差式量热扫描仪（DSC）的功能去测试30 种果蔬在不同冻结速率下的冰点温度，研究低温环境对果蔬热物性的影响。

1 实验材料及方法

1.1 材料

本研究进行的实验中所有试验果蔬以所含物质差异为标准可分为五类。其中，高脂肪含量果蔬包括莲子、牛油果、花生、山竹、杏仁与腰果，高纤维素果蔬包括山楂、竹笋、无花果、菠菜、火龙果与香菇，蛋白类果蔬包括黄豆、黑木耳、桑葚、核桃、枸杞与玉米，高淀粉含量果蔬包括地瓜、红蜜桃、山药、香蕉、香芋与榴莲，高糖分果蔬包括藕、胡萝卜、香梨、生姜、枣与红樱桃。挑选成熟度一致，没有表面破埙，色泽自然饱满的水果和蔬菜作为实验材料。实验中所需的果蔬大部分购买于天津果酒厂农贸市场，还有小部分购于天津物美超市。每次采购的果蔬，当天时便对其进行冰点的测量。

1.2 设备

差式量热扫描仪可用于测量各种热力学参数。本次试验采用美国TA 公司生产的Q1000型号差式量热扫描仪（DSC），这种仪器在使用中可获得稳定基准线，对热力学参数的数据反应能力强，仪器相匹配的性能参数于表1中展示。差式量热扫描仪（DSC）法通过热流线来表现实验材料的冻结与解冻过程。本研究充分利用差式量热扫描仪（DSC）法进行实验果蔬的冰点测量，测量过程为：设置冷冻条件使果蔬发生冻结，冰点为第一次水分凝固点，在热流线上表现为首次向下发展的点，由此获得冻结点温度。

表1 DSC实验台性能参数Table 1 Technical parameter of DSC experimental table

1.3 实验方法

实验前仔细按照操作规章进行仪器的校正，并规正基线。使用TA原配压片机将实验用的果蔬切成细长条，并使用梅特勒-托利多AB135-S型分析天平确保长条质量保持在15～20 mg，再用镊子将其平整放于坩埚皿内，然后进行压片，最后放入DSC中进行测试。实验操作中需要注意将果蔬样品进行快速压片，然后切片，以防止果蔬品质在空气中长期暴露而损坏，紧接着将样品放入实验台中，设置冻结速率并进行冰点温度测定，观察冰点温度在低温环境下的变化规律。

2 结果分析

2.1 冻结速率对果蔬冰点的影响

果蔬在冷藏处理过程中的冻融阶段对果蔬细胞组织的影响极大，而整个冻融过程最重要的影响因素为冻结和解冻速率，由于冻结速率对细胞内外冰晶的形成与生长模式有着直接影响，所以此处研究冻结速率对冷冻果蔬品质的影响。本研究共设置了7种冻结速率，分别为5、10、15、20、25、30、50 ℃/min，以果蔬内含量高的物质种类为基准将果蔬进行分类分析，观察冰点随冻结速率的变化。

2.1.1 高糖果蔬的冰点

果蔬细胞内部与细胞间隙发生结晶造成了细胞壁、细胞膜及细胞器的破坏，使得细胞内水分大量丧失，而水分的丧失会使得前期冰点温度较低。快速冻结会造成以细胞壁断裂为主要的结构破坏，冻结速率超过一定极限时，糖类果蔬因热应力引起的低温细胞壁断裂与冻结速率成明显正相关，表现为冻结速率越大，细胞壁断裂出现情况越大，冻结点处温度升高。糖类水果后期冰点温度也较小。

图1（A）是不同冻结速率下高糖分水果的冰点变化情况，本实验选用较有代表性的含糖量高的香梨、枣、樱桃来进行实验。从图1（A）可以看出三者都是先迅速上升后增速减缓的趋势。其中香梨的冻结速率在20 ℃/min之前，随着冻结速率的增加冰点也随之增加，达到20 ℃/min时，冰点温度达到较大值-0.65 ℃，之后冰点随着冻结速率的增加呈现明显下降的趋势，在冻结速率增长至50 ℃/min时冰点温度稳定到1.04 ℃。樱桃在冻结速率15 ℃/min 时冰点温度上升缓慢，在20 ℃/min 时上升至较大值-1.88 ℃，随后冰点温度开始下降。香梨与樱桃的冰点在10～20 ℃/min之间的冻结速率条件下出现突然增长，这是由于细胞壁发生断裂并出现多处缝隙，从而使得冻结加快。枣的冰点温度同样在冻结速率20 ℃/min时上升到了-8.53 ℃，之后随着速率的增加冰点温度上升速率变小，后期基本趋于水平，这种变化趋势可能是枣内含水量较其他两种水果含水量低所致。

图1（B）是不同冻结速率下糖类蔬菜的冰点变化情况，选用的蔬菜是胡萝卜、生姜、藕。从图1（B）可以看出蔬菜类的冰点变化范围要高于水果类。胡萝卜、生姜及藕的冰点温度均随着速率的增加呈现单调递增的趋势。生姜冰点温度前期变化较快，基本呈现了线性的变化趋势，从冻结速率5 ℃/min 下的冰点温度-4.54 ℃升至冻结速率30 ℃/min下的冰点温度1.98 ℃。在30 ℃/min冻结速率之后冰点温度变化的加速度减小，冰点增长缓慢。在冻结速率50 ℃/min条件下，冰点温度变化到3.32 ℃。胡萝卜冰点的变化趋势近似于生姜，在冻结速率由5 ℃/min 到较高的30 ℃/min 时冰点变化较快，而在冻结速率30 ℃/min 之后缓慢增长。藕的冰点变化同样呈现单调的递增趋势，且整体高于生姜和胡萝卜的冰点。三种蔬菜总体均随着冻结速率的增加，冻结点的温度也增加，增长加速度逐渐变小。

2.1.2 高淀粉果蔬的冰点

淀粉是由葡萄糖转化而成，通常为植物借助光合作用将葡萄糖输运到淀粉储藏器官，然后以淀粉粒形态储存在植物细胞中，待细胞进行生命活动需要消耗能量时再发挥作用。

图2（A）显示了三种高淀粉类蔬菜冰点温度随冻结速率变化规律，可以从中看出三者的冰点均随着速率的增大出现上升的趋势，并在冻结速率25 ℃/min时有一个下降的点，三者冰点变化过程中均出现波动情况。三种蔬菜的冰点温度在演变过程中，香芋始终最高，山药次之，地瓜最低。香芋的冰点温度由冻结速率5 ℃/min时的-3.05 ℃上升至20 ℃/min时的0.04 ℃，冰点温度整体变化跨度不大，在冻结速率25 ℃/min时其冰点温度下降至-1.64 ℃，而后冰点温度突然上升至最大值8.39 ℃。山药的冰点温度变化在10 ℃以内，在冻结速率5 ℃/min时冰点温度由-3.62 ℃上升至4.54 ℃，除此之外还存在着一个冰点温度下降点，在冻结速率25 ℃/min时冰点温度降至-2.31 ℃。地瓜冰点温度整体偏低，但与香芋和山药的变化趋势相同，在冻结速率25 ℃/min时冰点温度下降至-4.64 ℃。

对淀粉含量高的蔬菜而言，冻结速率对其淀粉性质的影响在一定程度上影响了冰点温度的大小，由此淀粉类蔬菜被认为与其他一般果蔬冻结规律不同。在冷冻前期冻结速率很小时，淀粉蔬菜细胞内生成大冰晶，但冰晶生长过程与其它果蔬不同，细胞内其它的微细物质也会影响冰晶生长。细胞内结晶会释放潜热，影响细胞冻结温度，淀粉类蔬菜结晶释放的潜热比较高，而且细胞内可溶性物的含量较低，胞内冰晶分布较为均匀，造成冰点温度很低。随着冻结速率继续的加大，冰点温度逐渐上升。冻结速率继续增加，淀粉类蔬菜内的某些酶可能被激活，细胞内可溶性物含量变大，细胞内液放热过程的终止会放缓，胞内冰晶生长速度减慢，所以冰点温度会呈下降态势。当处于较大降温速率条件下，冰点温度高于0 ℃，说明细胞内冰晶化进程较快，容易达到结冰条件。当速率超过一定界限时，冰晶生长使细胞壁产生冻裂，在宏观上，蔬菜表面也会观察到冻裂现象，此时细胞继续降温会比较容易，所以冰点温度随之上升。其他学者的相关研究也得到了相似规律[14-16]。

图2（B）反映了高淀粉类水果香蕉、桃、榴莲冰点温度随冻结速率的变化情况。桃的冰点温度相对最高，榴莲最低，香蕉介于两者之间。桃子处于冻结速率30 ℃/min时冰点温度稍有下降，为-1.07 ℃，整体的冰点温度从-4.96 ℃增加至2.86 ℃。香蕉在冻结速率10 ℃/min至30 ℃/min时冰点温度曲线出现拱形变化，在冻结速率30 ℃/min 时冰点温度下降至-6.19 ℃，然后冰点温度随速率上升继续增大。榴莲在冻结速率20 ℃/min时冰点温度上升到-6.58 ℃，到冻结速率30 ℃/min时冰点温度又持续上升。

图2 高淀粉果蔬的冰点与冻结速率关系线Figure.2 Relationship between freezing point and freezing rate of high-starch fruits and vegetables

高淀粉类水果的变化规律和淀粉类蔬菜相似，曲线出现同样的先上升再下降最后上升的走向。不同之处在于水果类含水量高于蔬菜，冰晶生成现象对冰点的影响持续时间较久，细胞内外压差大影响细胞结晶，使得冰点下降时出现的冻结速率稍后于蔬菜类，实验结果与刘俊围对香蕉的研究[17]，朱麟等对湖景蜜露桃的研究[18]以及范春玲对榴莲的研究[19]相吻合。

2.1.3 高纤维果蔬的冰点

图3（A）反映了高纤维类蔬菜的冰点温度随速率的变化情况。选用的蔬菜分别为竹笋、香菇和菠菜。从图3（A）可以看出纤维类蔬菜冰点温度随速率变化的情况基本相同，竹笋、菠菜的冰点温度在整个变化过程中很接近。竹笋在冻结速率15 ℃/min时，冰点温度上升至-1.28 ℃，随后在冻结速率20 ℃/min时冰点温度下降至-2.08 ℃，此后冰点温度缓慢上升。菠菜在冻结速率小于15 ℃/min环境下冰点温度随速率的增加而上升，在冻结速率20 ℃/min时冰点温度轻微下降至-2.86 ℃，在冻结速率由30 ℃/min至50 ℃/min时冰点温度上升不明显。香菇冰点温度变化趋势与前两类蔬菜相同，其冰点在冻结速率20 ℃/min时下降至-5.71 ℃，此后冰点温度上升加速度减小。

纤维类蔬菜在慢速冻结时生成大冰晶，使得冰点温度在前期较低，后期上升。当冻结速率达到一定高度时，细胞的冰晶化程度开始减弱，冰晶化影响较弱时冰点温度出现一个小峰值，细胞内酶的活性遭到抑制[20]，胞内纤维束粗大、细胞壁上的孔隙增大导致水分的流失，冰点温度在此影响下又出现下降，而冻结速率足够大时，冰点温度又开始上升。

图3（B）显示了山楂、无花果及火龙果的冰点温度随速率的变化。从图3（B）可以明显看出，3种纤维类水果冰点温度均呈现随速率增大而增大的趋势，冰点温度处于-10 ℃至0 ℃之间。火龙果起始时的冰点温度随速率的增加而增长，在冻结速率由5 ℃/min上升至30 ℃/min时，冰点温度增长的速率略快，由-4.74 ℃增加至-1.03 ℃，冻结速率升到50 ℃/min时冰点温度上升不明显。无花果冰点温度随速率的变化趋势相比于其他两者弱些，在大约在4 ℃范围内变化，当冻结速率处于15 ℃/min至30 ℃/min时冰点增长速率会稍微加快。山楂冰点温度增长曲线介于两者之间，在冻结速率5 ℃/min升至30 ℃/min时，其冰点温度从-6.34 ℃上升至-2.56 ℃，到冻结速率达到50 ℃/min时冰点温度仅上升1 ℃。

图3 高纤维果蔬的冰点与冻结速率关系线Figure.3 Relationship between freezing point and freezing rate of high-fiber fruits and vegetables

纤维类水果与上述蔬菜相比较，其纤维化程度明显低，未出现冰晶带生长的适宜条件[21]。所以未出现图3（A）中的低谷值，整体曲线均呈现缓慢的上升走势。同时纤维类果蔬含水量大，结晶点及细胞组织冰晶化的持续影响使前期冰点温度增长缓慢。

2.1.4 高蛋白果蔬的冰点

蛋白类果蔬在冻结时，温度降低使得细胞内的液体形成结晶，冰晶生长速度与冻结速率基本呈正相关，慢速冻结时，冰晶生长较慢，容易形成大冰晶，对细胞结构造成损害[22]；快速冻结时，冰晶生长加快[23]。在初始慢速冻结的情况下，细胞间隙易产生冰晶，形成这些冰晶的主要为细胞间的自由水。细胞内失去部分结合水，细胞内压受到影响发生改变，细胞内发生凝结，冰点温度在此期间较低。

图4（A）显示了两类含水量高的蛋白类蔬菜的冰点温度随冻结速率的变化情况。可以看出木耳和玉米的冰点温度随冻结速率的增加均出现上升的趋势，冻结速率较高时，冰点变化范围均不大。玉米的冰点温度在冻结速率5 ℃/min时冰点温度为-3.31 ℃，在冻结速率30 ℃/min时增大到1.75 ℃，在冻结速率50 ℃/min时冰点温度增加放缓，增长加速度减小。木耳的冰点温度增加速率相较于玉米偏小一些，在控制范围内冰点温度从-2.28 ℃增加至3.4 ℃，曲线上升加速度很小，变化不明显。

图4（B）显示了核桃与黄豆这两种含水量低的高蛋白果蔬的冰点温度随冻结速率的变化。可以从图4（B）中可明显看出黄豆因其含水量极少，出现的变化规律与核桃类似，且两者的冰点温度随速率变化幅度均较稳定。黄豆的冰点温度整体较高，核桃变化与其相似但整体略低，其中黄豆在5至15 ℃/min 的冻结速率条件下，冰点温度处在-33 ℃左右，核桃则在-42 ℃上下浮动。两者的冰点温度在冻结速率15 ℃/min以后有小幅度上升，这里猜测主要原因是冻结速率增大可溶性固形物含量下降导致[24]。待冻结速率升至30 ℃/min后，核桃的冰点温度趋于平缓，随后核桃冰点温度稳定在-38.54 ℃。核桃的冰点温度整体呈现较平稳的变化趋势，冻结速率自5 ℃/min 开始其冰点温度稍有下降，至冻结速率15 ℃/min 时升到-47 ℃，随后稳定在-48.1 ℃，在冻结速率50 ℃/min时冰点温度才上升至-43.54 ℃。

图4 高蛋白果蔬的冰点与冻结速率关系线Figure.4 Relationship between freezing point and freezing rate of high-protein fruits and vegetables

图4（C）显示了桑葚干和枸杞干两种高蛋白果蔬的冰点温度随冻结速率的变化情况。桑葚干和枸杞干被选取的原因是两者含有很大的蛋白含量。从图4（C）中可以明显看出桑葚干和枸杞干结冰点比较低，两者的冰点变化范围较小，桑葚干的冰点温度整体要高于相同速率下枸杞干的冰点温度。桑葚干在冻结速率5至15 ℃/min时，冰点温度处于-23 ℃左右，而枸杞干稳定在-33 ℃左右。冻结速率升至30 ℃/min时，两者冰点温度均趋于平缓，桑葚干冰点温度随后稳定在-11.15 ℃，枸杞干稳定在-26.97 ℃。总体上，枸杞干变化走势与桑葚干非常相近，说明蛋白质对二者冷却过程起主要作用。两种果蔬在冻结速率20 ℃/min至30 ℃/min时冰点温度增长较快，随后上升加速度变慢。

2.1.5 高脂肪果蔬的冰点

脂类由碳氢氧元素组成，果蔬中的脂类集中在果实和种子中。花生、杏仁和腰果三种高脂肪含量蔬菜的冰点温度随速率的变化情况如图5（A）所示。从图5（A）中可以看出三者的冰点温度与速率基本成正相关关系，中间速率处出现冰点快速增长的现象。花生的冰点温度值较大，腰果与花生冰点值接近，杏仁冰点值明显最低。花生冰点温度变化有小幅波动，但是幅度小到可以忽略，最后上升至-4.05 ℃。腰果的冰点温度变化虽然上下有一定偏移，但基本与速率变化呈线性关系，仅在冻结速率20 ℃/min时增长速率稍有增大，其他冻结速率下冰点温度与花生接近。杏仁冰点温度就相对较低，在5 ℃/min的慢速冻结速率下冰点温度为-31.82 ℃，然后随着速率增大冰点温度平稳上升至-14.02 ℃。

图5（B）显示了选取的高脂肪含量的牛油果、莲子及山竹的冰点温度随冻结速率的变化情况。从图5（B）中可以明显看出三者变化趋势都接近于线性，冰点温度增长较为缓慢，莲子冰点温度最高，山竹次之，牛油果冰点温度最低，其冰点温度随冻结速率增加变化均不大。考虑其原因可能为：牛油果内脂肪类物质含量较其余两种丰富，冷却过程中产生大量潜热，阻碍组织细胞的结晶过程，晶核形成的环境条件较高，临界冰核温度偏低，使细胞冻结点降低，产生多种形态的晶粒[25]。而莲子与山竹的脂肪物质含量较低，容易形成晶核并进一步生长，所以牛油果结冰温度明显低于莲子与山竹。莲子在低于冻结速率20 ℃/min的环境条件下，冰点上升速率很小，冰点温度从-3.6 ℃增大至-1.66 ℃，在冻结速率20 ℃/min之后冰点温度增长稍有变大，冻结速率50 ℃/min 时冰点温度增大至7.1 ℃，冰点变化范围在10 ℃左右。山竹的冰点温度由冻结速率5 ℃/min时的8.13 ℃上升至20 ℃/min时的-7.12 ℃，在5 ℃/min冻结速率之后有稍微增大的趋势，整体变化范围同样在10 ℃以内。牛油果因其含水量少，冰点温度明显小一些，其冰点温度从最初的-25.82 ℃上升至-14.02 ℃，整体变化趋势同样很平稳。

图5 高脂肪果蔬的冰点温度与冻结速率关系线Figure.5 Relationship between freezing point and freezing rate of high-adipose fruits and vegetables

高脂肪类蔬菜与水果相比，结冰点随降温速率的变化更为均匀，这里考虑原因可能为含水量及酶的影响。脂肪类水果含水量明显高于蔬菜，水果细胞中的细胞液内还存在一些酶进行化学反应[26]，妨碍冷却过程，使结冰点较低，甚至对果蔬品质产生影响。

3 结论

（1）高糖类果蔬冰点温度在冻结速率大于20 ℃/min后增长较明显，最高冰点温度可至3.32 ℃。高淀粉类果蔬与一般果蔬不同，于较低冻结速率下在细胞内形成大冰晶，使得冰点在冻结速率20 ℃/min后出现波动，出现先减小后增大的状况，冰点温度介于-10 ℃至3 ℃之间。而部分高纤维类果蔬则在冻结速率10 ℃/min时出现波动，这进一步引发高纤维类蔬菜的纤维化现象，加重细胞内生成细小的晶粒，细胞内浓度增大，冻结过程加快，其余纤维类则呈增大趋势，冰点温度均偏低，且普遍低于0 ℃。高蛋白类果蔬以含水量作为区分，含水量高的蛋白质类果蔬冰点温度随速率变换快，含水量低的则反之变化慢。高脂肪类蔬菜冰点增长趋势较为统一，基本呈线性关系，没有出现大的波动，但温度差异较大，最高温差达22.22 ℃，而水果的冰点则没有表现为线性增长，冻结点温度整体偏低。

（2）所有果蔬的冰点整体随着冻结速率的上升逐渐变大，但同时又由于各自的内部结构和成分之间的差异，使得冰晶化程度产生较大差异，从而使得冰点呈现出不同的变化规律，部分果蔬冰点会出现波动现象与拱形变化。