超高壓低溫冷凍與冰凍方式對土豆品質(zhì)的影響

19世紀(jì)，人們開始研究用超高壓處理食品，但到了80年代末，人們對超高壓處理食品的技術(shù)優(yōu)勢有了廣泛的理解和充分體現(xiàn)。與傳統(tǒng)的高溫處理相比,超高壓食品處理具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如:能更好地保持食品原有的外觀、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)和營養(yǎng);由于壓力傳遞的瞬時性和同步性而使處理的均勻性不受食品形狀和大小的限制;加壓和卸壓過程進(jìn)行得非常快,大大縮短處理時間;在達(dá)到處理壓力后,保持該處理壓力時無需附加能量,往往比較節(jié)能;完全冷凍后,僅在低溫下保存即可等等。上世紀(jì)80年代中期以來,超高壓食品處理技術(shù)得到了迅速發(fā)展。1986年,日本京都大學(xué)林立丸教授作了高壓食品的研究報告,引起了日本農(nóng)水省的高度重視,隨即組織了21個單位成立了“食品產(chǎn)業(yè)超高壓技術(shù)研究組合”,對食品的超高壓處理技術(shù)進(jìn)行有計劃的開發(fā)與研究。1991年,日本上市了第一種“高壓食品”——果醬,在世界引起轟動,“高壓食品”被譽(yù)為“21世紀(jì)食品”。目前日本在食品超高壓處理技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先水平,德國緊隨其后,美國、英國、法國、南朝鮮等國家位于前列。其中最有影響和代表性的工作是日本京都大學(xué)農(nóng)業(yè)化學(xué)系的林立丸教授、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)與過程自動化系的Delgado教授以及柏林大學(xué)食品生物與過程工程系的Knorr教授的工作。超高壓凍結(jié)與解凍是利用壓力控制食品體系的相轉(zhuǎn)變,從而達(dá)到快速凍結(jié)與解凍的一種新方法。正像Bail等人的綜述表明的那樣,大量的研究已充分表明了高壓凍結(jié)與解凍的優(yōu)越性。歸納起來主要體現(xiàn)在:1)可以形成足夠的過冷度,加大成核速率,形成細(xì)小均勻的晶核;2)可以形成足夠大的傳熱溫差,加速相變過程,縮短解凍時間;3)減小甚至避免對食品顯微組織的破壞,減少汁液損失,最大程度地保持食品原有的質(zhì)構(gòu);4)增加了過程的可控制和均一性。從工業(yè)化角度講,傳統(tǒng)凍結(jié)與解凍過程的控制變量只有一個溫度,而且其變化范圍很有限,而高壓凍結(jié)與解凍過程在溫度變量的基礎(chǔ)上引入了壓力,且壓力的變化范圍很大(例如10～220MPa),溫度與壓力可以組合出各種各樣的操作條件,從而使凍結(jié)與解凍過程達(dá)到最理想的狀態(tài)。同時,壓力傳遞的瞬時性和同步性,會大大增加過程的均一性。顯然,超高壓凍結(jié)與解凍為食品及其他生物物質(zhì)(組織)的冷凍儲藏開辟了一條嶄新途徑。超高壓和低溫的協(xié)同作用下,不僅可以保護(hù)食品的品質(zhì),同時又可以抑制大多數(shù)微生物的生長繁殖,從而較好地保護(hù)食品原有的色澤、風(fēng)味和形態(tài)。因此,為了探討超高壓凍結(jié)與解凍過程對食品品質(zhì)的影響,考察不同壓力和溫度組合下食品儲藏的最佳工藝條件,這里以土豆為研究對象,展開高壓低溫冷凍、解凍技術(shù)對植物類產(chǎn)品凍結(jié)、解凍質(zhì)量影響的研究。1材料和方法1.1土豆塊的制備以市場上出售的新鮮土豆為實(shí)驗原料,直徑(40±5)mm,高度(50±4)mm,洗凈并切成1cm×0.5cm×0.5cm左右大小的土豆塊,真空密封放置在冰箱中低溫4℃保存,一直到凍結(jié)實(shí)驗時取出。在常壓和高壓下凍結(jié)處理后,樣品放入冷藏箱(-18℃)中備用。不同凍結(jié)、解凍實(shí)驗采用同次所購大小形狀相近土豆取樣,以消除個體差異,保證實(shí)驗的準(zhǔn)確性。1.2實(shí)驗儀器和設(shè)備實(shí)驗中利用自行研制的高壓處理器實(shí)現(xiàn)超高壓,壓力范圍50～500MPa;利用高低溫濕熱實(shí)驗箱實(shí)現(xiàn)低溫,可調(diào)節(jié)溫度-70～150℃;使用柱塞泵做為壓力源,壓力可調(diào)且易控制流量;壓力媒介為酒精-水混合溶液(混和比為50:50(V:V),凝固點(diǎn)低于-42℃),壓力媒介無毒且在實(shí)驗中始終處于不凍結(jié)狀態(tài);根據(jù)國家食品微生物檢驗標(biāo)準(zhǔn)(GB4789)檢測微生物,采用平板計數(shù)法進(jìn)行。高低溫濕熱試驗箱,型號GDS-150,無錫伯樂達(dá)試驗設(shè)備有限公司;柱塞泵,型號2J-W,杭州之江石化裝備有限公司;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,型號GRX-9023A,上海一恒科技有限公司;高低溫恒溫振蕩培養(yǎng)箱,型號HZQ-F160A,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;精密電子天平,型號AR2140,美國Ohaus公司;石蠟切片機(jī),型號JYD-202A,金華市宇典醫(yī)療器械廠;光學(xué)顯微鏡,型號XCP-10C,上海彼愛姆光學(xué)儀器制造有限公司;垂直層流潔凈工作臺,型號CA-1390-1,上海上凈凈化設(shè)備有限公司;精密酸度計,型號JENCO6173,上海任氏電子有限公司。1.3實(shí)驗方法1.3.1不同結(jié)構(gòu)的圖1凍結(jié)面向冰/part利用水在高壓低溫下相行為,圍繞其不凍結(jié)區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)多種高壓凍結(jié)與解凍過程,因此可以利用壓力來控制食品體系的相轉(zhuǎn)變過程,達(dá)到食品的快速凍結(jié)與解凍。水的相圖如圖1所示。實(shí)驗中具體凍結(jié)、解凍過程如下:1)常規(guī)凍結(jié)(Atmosphericfreezing簡稱AF),在常壓下降低溫度使樣品凍結(jié)于冰Ⅰ區(qū)。2)高壓輔助凍結(jié)(Pressure-assistedfreezing簡稱PAF),在恒定的壓力下降低溫度使水發(fā)生液固相轉(zhuǎn)變從而凍結(jié)。如圖1中ABFE過程和ADJI過程,將土豆放入密閉高壓處理器內(nèi)分別施壓至100MPa和320MPa,然后降低處理器溫度分別至-20℃和-25℃,土豆中的水分在降溫過程中發(fā)生液固相轉(zhuǎn)變,從而使土豆分別凍結(jié)于冰Ⅰ區(qū)和冰Ⅲ區(qū)。3)高壓轉(zhuǎn)移凍結(jié)(Pressure-shiftfreezing簡稱PSF)。在恒定的溫度下壓力迅速釋放使得水發(fā)生液固相轉(zhuǎn)變從而凍結(jié)。如圖1中的ACGE過程,將土豆放入密閉高壓處理器內(nèi)施壓至200MPa,然后降低處理器溫度至-20℃,此時土豆處于未凍結(jié)狀態(tài),迅速釋放壓力至常壓,土豆中水分迅速發(fā)生液固相轉(zhuǎn)變,使土豆凍結(jié)于冰Ⅰ區(qū)。4)高壓誘導(dǎo)凍結(jié)(Pressure-inducedfreezing簡稱PIF),在一定的壓力的基礎(chǔ)上先將樣品降低到一定溫度呈未凍結(jié)狀態(tài),通過再次的增大壓力使水發(fā)生液固相轉(zhuǎn)變從而凍結(jié)。如圖1中的ACGHE過程,將土豆放入密閉高壓處理器內(nèi)施壓至200MPa,然后降低處理器溫度至-20℃,此時土豆處于未凍結(jié)狀態(tài),繼續(xù)升高處理器壓力至350MPa,在升壓過程中土豆內(nèi)水分發(fā)生液固相轉(zhuǎn)變,穩(wěn)定一段時間后釋放壓力,使土豆凍結(jié)于冰Ⅲ區(qū)。5)常規(guī)解凍(Atmosphericthawing簡稱AT),將凍結(jié)樣品置于大氣壓下升高溫度使其解凍,樣品直接從冰Ⅰ區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。6)水浸解凍(Liquidthawing簡稱LT),將凍結(jié)樣品直接放置在室溫下的水域中進(jìn)行解凍,樣品從冰Ⅰ區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。7)高壓輔助解凍(Pressure-assistedthawing簡稱PAT),樣品在低溫下直接施加高壓,加壓過程中發(fā)生相變,在一定壓力下升溫完成相變過程。如圖1中的EGCA、IJDA過程,將凍結(jié)好的土豆密封好后放入高壓處理器內(nèi),分別施壓至100MPa和320MPa,然后升高處理器溫度至20℃,使土豆內(nèi)水分靠溫度的升高發(fā)生固液相轉(zhuǎn)變發(fā)生解凍。1.3.2結(jié)培元素檢測1)微觀組織的檢測經(jīng)過不同的凍結(jié)處理,因凍結(jié)時冰晶的生成導(dǎo)致土豆組織發(fā)生變化。通過石蠟切片的方法考察組織變化,先把凍結(jié)處理后的土豆組織固定,在不破壞原有組織的前提下脫水去除凍結(jié)時形成的冰晶,再進(jìn)行切片、染色,最后放在顯微鏡下觀察。2)汁液損失的檢測以凍結(jié)土豆的自然流失汁液為測定目標(biāo),即測定樣品解凍前和解凍后用濾紙吸去表面汁液的質(zhì)量,然后依照下式計算樣品的汁液損失率。取9個土豆樣品放入高溫干燥箱中在105℃下干燥24小時測得土豆的平均含水率,計算得出實(shí)驗土豆去除水分的干重。3)微生物的滅活在高壓低溫處理前后把土豆搗碎,分別檢測土豆凍結(jié)前和解凍后的微生物菌群含量。根據(jù)國家食品微生物檢驗標(biāo)準(zhǔn)(GB4789),采用平板計數(shù)法來測定處理前后微生物的滅活情況。2結(jié)果與分析2.1不同壓力對抗凝劑對圖組織的影響不同的凍結(jié)手段處理后的土豆,經(jīng)過冷凍替代技術(shù)處理后觀察其組織切片,如圖2所示。白色部分為凍結(jié)過程生成的冰晶經(jīng)過固定、脫水等處理后形成的空穴,而紅色部分為土豆組織經(jīng)過固定、染色等處理后的外觀。由圖2所示,新鮮的土豆組織因為沒有遭到破壞呈現(xiàn)致密而且有規(guī)則的分布;常規(guī)凍結(jié)(AF)處理后土豆,細(xì)胞壁已經(jīng)被破壞,表現(xiàn)出斷裂和不完整,并且各處破壞不均勻;高壓快速凍結(jié)(PSF200MPaand-20℃)處理后的土豆組織基本上保持完整、規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),破壞的程度很小;高壓輔助凍結(jié)(PAF100MPaand-20℃andPAF320MPaand-25℃)處理后的土豆組織具有明顯的損害,網(wǎng)狀組織已經(jīng)被破壞;高壓誘導(dǎo)凍結(jié)(PIF)處理后的土豆組織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞,破壞程度較大。兩種壓力下冰晶分別形成于冰Ⅰ區(qū)和冰Ⅲ區(qū),由于冰Ⅰ區(qū)和冰Ⅲ區(qū)的冰晶結(jié)構(gòu)不同,從而造成不同程度的損害。AF、PAF和PIF處理均給樣品帶來了不同程度的損害,而PSF處理很好地保護(hù)了土豆的質(zhì)地。在壓力超過300MPa時,PAF和PIF凍結(jié)后的效果相差并不大;并且實(shí)驗中發(fā)現(xiàn),土豆樣品的表面和中心部分凍結(jié)后的差異不明顯。土豆本身作為熱阻的存在,在AF處理中生成冰晶的速率慢,冰晶尺寸較大而且位置不均勻,穿破了細(xì)胞壁,使微觀組織變的無序化并遭到破壞。在PAF和PIF處理中,樣品在冰3區(qū)生成冰晶,冰晶形態(tài)有別于冰1區(qū)的冰晶,冰晶密度大,相對體積小,因此對比AF過程,PAF和PIF凍結(jié)處理對土豆組織結(jié)構(gòu)破壞程度小。PSF處理過程中,由于壓力快速、均一的特性使樣品在凍結(jié)時快速地發(fā)生液、固相變,而且由于存在較大的過冷度,使樣品在凍結(jié)時快速地穿過“最大冰晶生成帶”,對樣品的傷害較小,形成的冰晶均勻而尺寸細(xì)小。而且基本是在細(xì)胞內(nèi)形成的,對組織的傷害較小,基本沒有破壞土豆的細(xì)胞壁。2.2經(jīng)過冷凍處理后，土壤溶液損失2.2.1不同冷凍方式對發(fā)酵效率的影響采用常規(guī)冷凍方式(AF)處理后的土豆樣品,首先置于冰箱中待用,實(shí)驗時將凍好的整個土豆(-18℃)分別置于空氣中、水中和超高壓實(shí)驗裝置的高壓釜腔內(nèi)(密封袋真空包裝)進(jìn)行解凍,計算得出土豆的汁液損失率,如圖4所示。由圖4所示,經(jīng)過常規(guī)冷凍方式處理后的土豆樣品,PAT(100、150、200、250、300MPa)處理、LT處理土豆的汁液損失雖然均較AT處理小,但相差并不是很大。AT處理的汁液損失率為2.61%,LT處理的汁液損失率為1.92%,各個壓力水平PAT處理汁液損失相差不明顯,并且沒有明顯的規(guī)律。在PAT-100MPa條件下,汁液損失率為2.09%;在PAT-150MPa、PAT-200MPa、PAT-250MPa和PAT-300MPa條件下,解凍完全后的汁液損失率分別為2.25%、1.85%、2.23%和2.18%。結(jié)果表明,經(jīng)過常規(guī)冷凍處理的樣品,各種解凍手段對土豆的汁液損失影響差別并不明顯,說明汁液損失主要取決與凍結(jié)過程形成的過大冰晶,造成細(xì)胞壁損傷嚴(yán)重,致使汁液大量流失。2.2.2汁液損失情況采用高壓冷凍方式(PSF和PAT)處理后的土豆樣品,首先置于冰箱中待用,實(shí)驗時將凍好的整個土豆(-18℃)分別置于空氣中和超高壓實(shí)驗裝置的高壓釜腔內(nèi)(密封袋真空包裝)進(jìn)行解凍,計算得出土豆的汁液損失率,如圖5所示。由圖所示,經(jīng)過高壓凍結(jié)、解凍結(jié)合處理后土豆的汁液損失情況,在PSF-200MPa并PAT-150MPa處理時汁液損失最小,汁液損失率為1.26%;在PAF-100MPa并PAT-100MPa處理時土豆的汁液損失最大,汁液損失率為2.16%;在PSF-200MPa并AT處理、PSF-200MPa并PAT-200MPa處理、PAF-100MPa并PAT-200MPa處理、PAF-320MPa并PAT-200MPa處理和PAF-320MPa并PAT-320MPa處理的汁液損失分別為1.89%、1.51%、2.08%、1.76%和1.64%。結(jié)果表明,采用高壓冷凍處理的樣品,經(jīng)過不同過程解凍處理后,汁液損失率都低于常規(guī)冷凍方式,說明高壓冷凍對植物細(xì)胞組織的破壞程度低;采用PAT解凍過程處理后的樣品,PSF冷凍過程的汁液損失都低于PAF冷凍過程的汁液損失,說明PSF冷凍過程對細(xì)胞的傷害要低于PAF過程。2.3高壓作熱處理對豆食品微生物的影響單純的低溫并不能使微生物滅活,在高壓凍結(jié)、解凍處理土豆時,處理壓力是100MPa以上的超高壓,對微生物有滅活作用,即在凍結(jié)、解凍的同時對土豆食品進(jìn)行了滅菌處理。實(shí)驗分別檢測處理前后土豆中微生物含量,考察滅活情況,結(jié)果如圖6所示。在高壓處理過程中,未發(fā)生相轉(zhuǎn)變之前的壓力水平(100MPa、150MPa和200MPa)下,細(xì)菌的滅活率較低,分別為0.8log、1.5log和1.8log;當(dāng)壓力達(dá)到250MPa時,菌液中已經(jīng)發(fā)生