超聲波輔助凍結(jié)/解凍技術(shù)及設(shè)備分析

張陳晨，謝晶*,

（1-上海海洋大學食品學院，上海 201306；2-海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)中心，上海 201306；3-上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；4-上海海洋大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，上海 201306）

0 引言

現(xiàn)代社會人們對營養(yǎng)和健康的需求越來越高，因此食品的凍結(jié)/解凍過程顯得尤為重要。凍結(jié)是指將食品的溫度降低到凍結(jié)點以下，以降低食品中微生物繁殖速度并減少食品生化反應所需要的液態(tài)水分[1]，從而實現(xiàn)較長時間保藏食品的目的。解凍是將處于食品凍結(jié)點以下的冷凍食品溫度回升、冰晶融化的過程[2]。食品經(jīng)歷凍結(jié)和解凍過程會發(fā)生汁液流失、營養(yǎng)下降、口感破壞等問題，因此近年來人們著力于優(yōu)化食品的凍結(jié)和解凍工藝[3]。

傳統(tǒng)凍結(jié)方法包括直接接觸凍結(jié)、空氣冷凍、間接接觸冷凍法等[4]。這些凍結(jié)方法存在凍結(jié)速度慢、冰晶損傷等問題[5]而傳統(tǒng)解凍技術(shù)有空氣解凍、真空解凍、水解凍等。這些解凍方法也存在著解凍速度慢和能耗高等問題[6]。因此，食品工業(yè)急需更優(yōu)良的新型凍結(jié)/解凍技術(shù)。新型凍結(jié)技術(shù)包括高壓冷凍、超聲波凍結(jié)和均溫凍結(jié)法等，新型解凍方法有超聲波解凍、真空解凍和微波解凍等[7]。

本文對超聲波輔助凍結(jié)和解凍技術(shù)進行了綜述，主要包括超聲波輔助凍結(jié)和解凍的機理、優(yōu)缺點，以及超聲波輔助設(shè)備特征和在實際中的應用，旨在為水產(chǎn)品及肉類的高效凍結(jié)/解凍技術(shù)的研究提供理論參考[8]。

1 超聲波輔助凍結(jié)/解凍與傳統(tǒng)技術(shù)的比較

1.1 超聲波凍結(jié)/解凍技術(shù)機理

超聲波作用于食品時會產(chǎn)生4 種效應即空化效應、機械效應、熱效應和自由基效應，其中前3 種為物理效應，而自由基效應屬于化學效應[9]。空化效應的原理是當超聲波穿透介質(zhì)時，整個介質(zhì)中的聲壓受到正負壓力交替的周期性變化；當超聲波經(jīng)過冷凍食品表面時，會產(chǎn)生巨大的負壓，從而在食品表面產(chǎn)生微氣泡即空化氣泡；當壓強突然降低時，導致微泡破裂并釋放能量。因此在解凍過程中，空化效應可以使熱量更快地通過冷凍食品，減小食品的解凍時間；而在凍結(jié)過程中空化效應產(chǎn)生的氣泡會成為晶核，有效提高了凍結(jié)效率，從而提高冷凍率[10]。超聲波的機械效應是超聲波最基本的作用，無論超聲波的強度如何都會發(fā)生這種效應。超聲波的機械效應是因為超聲波的振動產(chǎn)生，因此超聲波在振動時會促使冷凍食品的質(zhì)點也隨之振動，從而會在振動過程中傳遞能量使冷凍食品上的冰晶粉碎，提高解凍效率[11]。熱效應始終伴隨著機械效應產(chǎn)生，它是指一定溫度下食品體系在變化過程中吸收或釋放熱量的過程，熱效應的強度與超聲波的強度成正比[12]。自由基效應是指自由基通過化學鍵的斷裂而發(fā)生的化學反應。由于空化氣泡的破裂，液體介質(zhì)發(fā)生了改變從而產(chǎn)生了自由基，因此發(fā)生了自由基效應[13]。這4 種效應在超聲波凍結(jié)和解凍技術(shù)中都各有體現(xiàn)。

在超聲波輔助凍結(jié)過程中主要有熱效應、空化效應和機械效應，它們會通過影響冰晶的形成、控制晶核的形成以提高冷凍食品質(zhì)量[14]。闞苗[15]發(fā)明了一種超聲波輔助凍結(jié)冰箱，冷藏室和冷凍室之間設(shè)超聲波處理區(qū)，超聲波處理區(qū)中設(shè)有超聲波處理器可以對冷凍食品在特定時間、特定功率下進行處理以促進晶核形成、控制冰晶大小，從而降低冷凍損失，提高食品冷凍質(zhì)量。此外，超聲波可以促進食品細胞內(nèi)外同時結(jié)晶，縮短冷凍時間，提高結(jié)晶率，從而降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。在凍結(jié)過程中，超聲波只作用于食品的物理表面不發(fā)生化學變化，因此凍結(jié)食品的安全有保障，適應了食品工業(yè)向綠色健康轉(zhuǎn)變的趨勢[16]。

而超聲波解凍技術(shù)主要利用其熱效應[17]。超聲波解凍技術(shù)適用于大批量冷凍物料的解凍，具有解凍速度快、解凍均勻等優(yōu)點。超聲波解凍時，超聲波產(chǎn)生的熱量主要分布在冷凍食品內(nèi)部的冷凍層與解凍層的界面處，通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率和強度，可以在界面處產(chǎn)生相對穩(wěn)定的熱效應，從而可使產(chǎn)品得到較好的解凍效果。值得注意的是為了避免因局部過熱導致解凍失敗，應嚴格掌控超聲波初始強度和頻率[18]。

雖然目前國內(nèi)外超聲波輔助凍結(jié)/解凍技術(shù)的一些研究結(jié)果表明：超聲波技術(shù)在輔助食品凍結(jié)時會通過控制食品內(nèi)部冰晶大小來降低冷凍損失，超聲波技術(shù)在輔助食品解凍時可使食品均勻受熱，實現(xiàn)高效快速地解凍。但目前還只能用上述4 種效應來解釋這些現(xiàn)象，而在凍結(jié)/解凍過程引起的復雜物理/化學變化比如在此過程中食品中水分和酶的活性變化、冰晶的形狀卻無法用一個完整的機制來解釋，因此超聲波輔助技術(shù)的機理并沒有完全明確。今后還需要繼續(xù)深入研究引起復雜變化的實質(zhì)，形成科學的理論體系。

1.2 超聲波輔助凍結(jié)/解凍與傳統(tǒng)技術(shù)的比較

不論是傳統(tǒng)凍結(jié)/解凍技術(shù)還是超聲波輔助凍結(jié)/解凍技術(shù)都有其獨特的優(yōu)缺點。比如在傳統(tǒng)凍結(jié)方式中風冷[1]受冷均勻、控溫精準，但其故障率高、食品易被風干。直接接觸冷凍[19]的冷凍速率快、凍結(jié)時間短，但食品易龜裂且會存在安全問題；間接接觸凍結(jié)[19]的能源消耗低、具有良好的食品質(zhì)量，但難以控制食品凍結(jié)形狀。超聲波凍結(jié)[20]在冷凍過程中可以改善晶體的形成和生長形式從而生成均勻細小的冰晶，減少食物在解凍過程中的損失，提高了食品冷凍質(zhì)量并且凍結(jié)效率高可以彌補傳統(tǒng)凍結(jié)方式的一些不足，但超聲波輔助凍結(jié)目前基礎(chǔ)性研究待改善。在傳統(tǒng)解凍方式中水解凍[21]的速率快、食品品質(zhì)好但需設(shè)保護措施；電解凍[22-23]的解凍損失低、食品品質(zhì)好，但食品會受到污染、成本高；射頻解凍[24]速率快、穿透性好，但解凍均勻性易受影響；微波解凍[25]速率快、解凍損失低，但穿透性差、食品品質(zhì)低；空氣解凍[28]生產(chǎn)成本低、效果較好，但解凍時間較長。而超聲波解凍[26-27]的速率快、品質(zhì)好以及表面損傷小，同樣可以彌補傳統(tǒng)解凍技術(shù)的一些不足，但超聲波輔助解凍的技術(shù)還不成熟會出現(xiàn)功耗高、局部過熱等問題。

相比較傳統(tǒng)的凍結(jié)/解凍技術(shù)，超聲波輔助技術(shù)可以有效保證工作效率、提高食品品質(zhì)。目前研究中超聲波技術(shù)與風冷、水解凍結(jié)合實驗較多，與其他傳統(tǒng)方法結(jié)合是否效果更好值得進一步研究。相信隨著研究者對于超聲波技術(shù)的不斷深入探究，超聲波輔助技術(shù)很快就會被廣泛使用。

2 超聲波輔助凍結(jié)/解凍設(shè)備特征分析

2.1 超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備分析

常見的超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備為超聲波輔助凍結(jié)冰箱，冰箱的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1[29]所示。

與其它超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備相似，超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備通常先通過食品的種類確定該食品的最佳超聲波作用功率、作用時間和超聲波起始作用溫度等參數(shù)，有些設(shè)備可自動檢索各項參數(shù)而有些設(shè)備則需要查詢后人工輸入。接著就是對需要冷凍的食品進行處理，達到超聲波起始作用溫度后開始調(diào)節(jié)輸出功率，超聲波發(fā)生器達到作用時間后將關(guān)閉，食品將會繼續(xù)降溫至冷凍終溫。而此設(shè)備特點在于設(shè)有超聲波處理區(qū)可將冷凍食品通過超聲波按一定功率處理一定時間，改善冷凍過程中晶體的形成和生長形式，有利于生成均勻、細小的冰晶，降低了食品的解凍損失，改善了食品的冷凍品質(zhì)。

MA 等[30]也對超聲波輔助凍結(jié)裝置進行了研究。文中指出超聲波冷凍裝置的三種形式即全浸入式、半浸入式和非浸入式。全浸式裝置由超聲波系統(tǒng)、冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)、制冷循環(huán)系統(tǒng)和溫度檢測系統(tǒng)組成。全浸式裝置已廣泛應用于各種冷凍樣品中。半浸入式裝置在冷凍過程中，選擇食品在平板上的位置是非常重要的，因為超聲波共振現(xiàn)象會在平板表面上存在節(jié)點，該裝置通常用于冷凍液體樣品。非浸入式設(shè)備用于冷凍空氣介質(zhì)中的固體樣品，無液體冷凍介質(zhì)的污染問題，但該裝置的缺點是超聲波冷凍在空氣中的傳輸效率較低，導致冷凍過程中超聲波能量損失相當大[31]。

周新麗等[32]發(fā)明了一種冷凍干燥配套設(shè)備，將需要冷凍食品放置在平板上后通過冷凍干燥器預冷，預冷后利用超聲波輔助凍結(jié)食品，該設(shè)備可以有效地縮短干燥時間，提高冷凍效率。與那些采用傳統(tǒng)冷凍技術(shù)凍結(jié)設(shè)備相比，超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備可以通過處理食品的種類來調(diào)整超聲波功率和作用時間，使食品處于最佳冷凍環(huán)境下進行冷凍，實現(xiàn)了合理的節(jié)能減排[33]。

目前關(guān)于超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備的研究還不是很多，同時超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備也存在著一些問題如超聲波的工作頻率如何確定調(diào)節(jié)等問題還值得進一步研究。今后可以就超聲波在凍結(jié)設(shè)備中最佳功率與頻率有何關(guān)系深入探索。

2.2 超聲波輔助解凍設(shè)備分析

相對于超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備而言，在超聲波輔助解凍設(shè)備的研究更多。其基本組成機構(gòu)如圖2[34]所示，以循環(huán)水作為解凍介質(zhì)施加超聲波進行冷凍食品解凍。鄢嫣等[34]發(fā)明了一種用于魚類解凍的超聲波輔助設(shè)備，由于該超聲波輔助解凍設(shè)備設(shè)置了循環(huán)水管因此可以使解凍水在設(shè)備內(nèi)循環(huán)使用，超聲波的添加提高了解凍效率，保證食品衛(wèi)生和安全并減少食品營養(yǎng)損失。杜華東等[35]將超聲波輔助解凍技術(shù)與冰箱相結(jié)合，可以有效的提高解凍效果從而提高解凍工作效率，保證食品衛(wèi)生和安全，減少食品營養(yǎng)損失。綜上可知通過在解凍設(shè)備中安裝超聲波裝置，有利于通過超聲波震動使解凍介質(zhì)作用于食品中，可以提高解凍效率和解凍速度[36]。雖然目前對于超聲波輔助解凍設(shè)備的研究比超聲波輔助凍結(jié)設(shè)備要多得多，并且超聲波輔助解凍設(shè)備已經(jīng)在食品行業(yè)小規(guī)模地應用。但在研究過程中依然存在一些疑問，比如水循環(huán)裝置中不同食品的最佳流速如何確定、怎樣降低冰晶對食品品質(zhì)的影響。因此，在以后的研究中可以就超聲波頻率、功率、作用時間等與食品中冰晶形態(tài)、分布的關(guān)系等進行探索。無論超聲波解凍設(shè)備還是超聲波凍結(jié)設(shè)備，目前大多數(shù)設(shè)備都是以單獨使用超聲波輔助為主。但在孫大文等[37]提出的一項專利中指出，采用超聲波輔助靜電壓冷凍對蝦時可避免由于熱處理導致對蝦蛋白變性，但可達到熱處理所產(chǎn)生的鈍酶滅菌效果，從根本上保證了速凍對蝦的生鮮品質(zhì)。與此同時，張華等[38]指出若采用超聲波預處理后聯(lián)合磁場輔助冷凍制備面團，可有效加速面團水分分布，改變冰晶形成方式，減少了凍結(jié)過程對面團面筋蛋白結(jié)構(gòu)的破壞，若將超聲波設(shè)備與磁場相結(jié)合放置在制冷裝置中，是否也能夠提高食品解凍/凍結(jié)效率[39]。因此，在進一步對于超聲波輔助凍結(jié)/解凍設(shè)備研究中，可以考慮將超聲波輔助與其他方式相結(jié)合。

圖2 超聲波解凍設(shè)備結(jié)構(gòu)[34]

3 超聲波輔助凍結(jié)/解凍技術(shù)的應用

3.1 超聲波輔助凍結(jié)在水產(chǎn)品及肉類的應用

超聲波輔助凍結(jié)具有較短的凍結(jié)時間，還可以抑制冰晶的生長。孫大文等[40]在一項專利中將冷凍魚片放置在在不同功率超聲波下進行實驗，研究表明在超聲波頻率為20 kHz 時，先后采用800～600 W（5～10 min）、200～600 W（5～15 min）的功率處理，可以有效地減少冷凍魚片的凍結(jié)時間，形成的冰晶均勻且魚片保留原來的纖維結(jié)構(gòu)。因此適當?shù)某暡ㄝo助可以降低魚片的營養(yǎng)損失，防止了對細胞膜的破壞從而減少了魚的冷凍變化。MA 等[41]將大黃魚放置在175 W 功率下，分別采用三種頻率（20、28 和40 kHz）、兩種頻率（20 和28 kHz）和一種頻率（20 kHz）的超聲波進行凍結(jié)。結(jié)果表明在相同功率（175 W）下，三種頻率超聲輔助冷凍的冷凍效果更明顯，多頻超聲波輔助凍結(jié)可以更好地保持大黃魚的質(zhì)量。ZHANG 等[42]將豬肉放置在不同超聲波功率（120、140、180 和240 W）下進行冷凍，發(fā)現(xiàn)一定超聲功率的超聲波輔助凍結(jié)可以加快豬肉的凍結(jié)速率，其中180 W 下的超聲波輔助冷凍的時間最短。陳聰?shù)萚43]將海鱸魚分為4 組，其中兩組分別放置在-20 ℃和-40 ℃進行超聲波輔助冷凍，功率為320 W；另外兩組分別放置在-20 ℃和-40 ℃下進行低溫速凍。發(fā)現(xiàn)使用超聲波輔助凍結(jié)的兩組海鱸魚凍結(jié)速率更高，且在-40 ℃下超聲波輔助凍結(jié)組的凍結(jié)時間最短、形成的冰晶更均勻。

綜上可知：超聲波輔助凍結(jié)在凍結(jié)速率、保鮮效果、安全性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)凍結(jié)技術(shù)；頻率和作用時間是超聲波凍結(jié)最主要的影響因素，同時在適當?shù)臏囟群凸β氏率褂贸暡▋鼋Y(jié)也可有利于食品的凍結(jié)。但超聲波輔助凍結(jié)技術(shù)在實際生產(chǎn)中成本較高，凍結(jié)過程中形成冰晶的情況也會對凍結(jié)食品的品質(zhì)產(chǎn)生影響，因此還需要大量的實驗以更好地解釋冰晶形成機制，提高凍品品質(zhì)并且進一步研究如何降低實際運用的成本[43]。

3.2 超聲波輔助解凍在水產(chǎn)品及肉類的應用

譚明堂等[44]采用空氣解凍、靜水解凍、流水解凍、微波解凍及超聲波解凍5 種不同的解凍方式對魷魚進行了解凍，通過觀察不同解凍方式下解凍時間和色澤的等方面的變化，結(jié)果表明當在43 kHz 的工作頻率和200 W 的功率下進行超聲波解凍用時最少且質(zhì)構(gòu)最好，但在解凍過程中水分子的振動也會使肌肉纖維束局部斷裂。凌勝男等[45]用4 種解凍方法（微波解凍、超聲波解凍、鹽水解凍、冷室解凍）對鳀魚進行了實驗研究，結(jié)果表明在200 W 的超聲功率和43 kHz 的工作頻率下，超聲解凍組菌落總數(shù)最低，感官評分最高，且解凍時間與微波解凍相當，綜合解凍效率、新鮮度指數(shù)等因素，超聲波解凍被最終確定為解凍冷凍鳀魚的最佳方法。

杜鵬飛等[46]將待解凍的羊肉分成4 組，用4 種不同的超聲波功率（120、180、240 和300 W）在20 ℃、40 kHz 下進行實驗，對照組在20 ℃下水解，結(jié)果表明，超聲波解凍顯著提高了羊肉的解凍速度，保持了羊肉的新鮮；在四個實驗組中，以240 W、40 kHz 的超聲波功率解凍對羊肉質(zhì)量的影響最小。ZHANG 等[47]對牛肉進行了不同方式的解凍，發(fā)現(xiàn)用800 kHz 超聲波解凍牛肉可以加快解凍速度并獲得更好的品質(zhì)，其中超聲波與水解凍結(jié)合是最好的組合，用鹽水比使用清水解凍效果更好。LAN 等[48]研究了冷凍鯧魚5 種解凍方法（超聲解凍（20 ℃，200 W）、射頻解凍（25 ℃，27.12 MHz）、水浸解凍、微波解凍和冷藏解凍）下的理化變化、水分遷移和蛋白質(zhì)特性等并與新鮮樣品進行比較；雖然五種解凍方法相比，射頻解凍是保持冷凍鯧魚質(zhì)量的最理想的解凍方法，但超聲波解凍的顏色差異很小、具有良好的凝膠特性和穩(wěn)定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

綜上所述：超聲波輔助解凍在解凍效果、解凍時間等方面優(yōu)于傳統(tǒng)解凍技術(shù)，低頻超聲波的效果較好，超聲波輔助解凍可以有效減少解凍時間，但要注意與流水結(jié)合會產(chǎn)生局部過熱。

4 總結(jié)和展望

本文研究了超聲波輔助凍結(jié)/解凍設(shè)備特征及其技術(shù)應用，分析了超聲波輔助技術(shù)優(yōu)缺點、設(shè)備特征等方面，得出如下結(jié)論：

1）超聲輔助凍結(jié)/解凍技術(shù)可以加快水產(chǎn)品和肉制品的凍結(jié)/解凍，縮短傳統(tǒng)凍結(jié)/解凍所需要的時間；

2）超聲輔助凍結(jié)/解凍技術(shù)可以更好地保持食品本身的質(zhì)量，滿足現(xiàn)代食品工業(yè)的發(fā)展要求；

3）超聲波輔助能夠?qū)崿F(xiàn)減少食物營養(yǎng)流失、保證食品衛(wèi)生安全的目標，應用前景廣闊；

4）在機理上，需進一步研究超聲波功率、頻率與冰晶形成、生長的機理，從而獲得最佳的超聲波輔助工藝；

5）在應用上，需要針對不同的食品優(yōu)化超聲波輔助凍結(jié)/解凍技術(shù)的功率、頻率和作用時間，并研制高效和適合工業(yè)化應用的超聲波輔助速凍/解凍裝置，同時需要繼續(xù)探討如何降低新型裝備的成本，實現(xiàn)高效應用。