超高压低温冷冻与冰冻方式对土豆品质的影响

超高压低温冷冻与冰冻方式对土豆品质的影响

19世纪，人们开始研究用超高压处理食品，但到了80年代末，人们对超高压处理食品的技术优势有了广泛的理解和充分体现。与传统的高温处理相比,超高压食品处理具有许多优点。例如:能更好地保持食品原有的外观、风味、质构和营养;由于压力传递的瞬时性和同步性而使处理的均匀性不受食品形状和大小的限制;加压和卸压过程进行得非常快,大大缩短处理时间;在达到处理压力后,保持该处理压力时无需附加能量,往往比较节能;完全冷冻后,仅在低温下保存即可等等。上世纪80年代中期以来,超高压食品处理技术得到了迅速发展。1986年,日本京都大学林立丸教授作了高压食品的研究报告,引起了日本农水省的高度重视,随即组织了21个单位成立了“食品产业超高压技术研究组合”,对食品的超高压处理技术进行有计划的开发与研究。1991年,日本上市了第一种“高压食品”——果酱,在世界引起轰动,“高压食品”被誉为“21世纪食品”。目前日本在食品超高压处理技术方面处于国际领先水平,德国紧随其后,美国、英国、法国、南朝鲜等国家位于前列。其中最有影响和代表性的工作是日本京都大学农业化学系的林立丸教授、德国慕尼黑工业大学流体力学与过程自动化系的Delgado教授以及柏林大学食品生物与过程工程系的Knorr教授的工作。超高压冻结与解冻是利用压力控制食品体系的相转变,从而达到快速冻结与解冻的一种新方法。正像Bail等人的综述表明的那样,大量的研究已充分表明了高压冻结与解冻的优越性。归纳起来主要体现在:1)可以形成足够的过冷度,加大成核速率,形成细小均匀的晶核;2)可以形成足够大的传热温差,加速相变过程,缩短解冻时间;3)减小甚至避免对食品显微组织的破坏,减少汁液损失,最大程度地保持食品原有的质构;4)增加了过程的可控制和均一性。从工业化角度讲,传统冻结与解冻过程的控制变量只有一个温度,而且其变化范围很有限,而高压冻结与解冻过程在温度变量的基础上引入了压力,且压力的变化范围很大(例如10～220MPa),温度与压力可以组合出各种各样的操作条件,从而使冻结与解冻过程达到最理想的状态。同时,压力传递的瞬时性和同步性,会大大增加过程的均一性。显然,超高压冻结与解冻为食品及其他生物物质(组织)的冷冻储藏开辟了一条崭新途径。超高压和低温的协同作用下,不仅可以保护食品的品质,同时又可以抑制大多数微生物的生长繁殖,从而较好地保护食品原有的色泽、风味和形态。因此,为了探讨超高压冻结与解冻过程对食品品质的影响,考察不同压力和温度组合下食品储藏的最佳工艺条件,这里以土豆为研究对象,展开高压低温冷冻、解冻技术对植物类产品冻结、解冻质量影响的研究。1材料和方法1.1土豆块的制备以市场上出售的新鲜土豆为实验原料,直径(40±5)mm,高度(50±4)mm,洗净并切成1cm×0.5cm×0.5cm左右大小的土豆块,真空密封放置在冰箱中低温4℃保存,一直到冻结实验时取出。在常压和高压下冻结处理后,样品放入冷藏箱(-18℃)中备用。不同冻结、解冻实验采用同次所购大小形状相近土豆取样,以消除个体差异,保证实验的准确性。1.2实验仪器和设备实验中利用自行研制的高压处理器实现超高压,压力范围50～500MPa;利用高低温湿热实验箱实现低温,可调节温度-70～150℃;使用柱塞泵做为压力源,压力可调且易控制流量;压力媒介为酒精-水混合溶液(混和比为50:50(V:V),凝固点低于-42℃),压力媒介无毒且在实验中始终处于不冻结状态;根据国家食品微生物检验标准(GB4789)检测微生物,采用平板计数法进行。高低温湿热试验箱,型号GDS-150,无锡伯乐达试验设备有限公司;柱塞泵,型号2J-W,杭州之江石化装备有限公司;电热恒温鼓风干燥箱,型号GRX-9023A,上海一恒科技有限公司;高低温恒温振荡培养箱,型号HZQ-F160A,上海一恒科学仪器有限公司;精密电子天平,型号AR2140,美国Ohaus公司;石蜡切片机,型号JYD-202A,金华市宇典医疗器械厂;光学显微镜,型号XCP-10C,上海彼爱姆光学仪器制造有限公司;垂直层流洁净工作台,型号CA-1390-1,上海上净净化设备有限公司;精密酸度计,型号JENCO6173,上海任氏电子有限公司。1.3实验方法1.3.1不同结构的图1冻结面向冰/part利用水在高压低温下相行为,围绕其不冻结区域可以实现多种高压冻结与解冻过程,因此可以利用压力来控制食品体系的相转变过程,达到食品的快速冻结与解冻。水的相图如图1所示。实验中具体冻结、解冻过程如下:1)常规冻结(Atmosphericfreezing简称AF),在常压下降低温度使样品冻结于冰Ⅰ区。2)高压辅助冻结(Pressure-assistedfreezing简称PAF),在恒定的压力下降低温度使水发生液固相转变从而冻结。如图1中ABFE过程和ADJI过程,将土豆放入密闭高压处理器内分别施压至100MPa和320MPa,然后降低处理器温度分别至-20℃和-25℃,土豆中的水分在降温过程中发生液固相转变,从而使土豆分别冻结于冰Ⅰ区和冰Ⅲ区。3)高压转移冻结(Pressure-shiftfreezing简称PSF)。在恒定的温度下压力迅速释放使得水发生液固相转变从而冻结。如图1中的ACGE过程,将土豆放入密闭高压处理器内施压至200MPa,然后降低处理器温度至-20℃,此时土豆处于未冻结状态,迅速释放压力至常压,土豆中水分迅速发生液固相转变,使土豆冻结于冰Ⅰ区。4)高压诱导冻结(Pressure-inducedfreezing简称PIF),在一定的压力的基础上先将样品降低到一定温度呈未冻结状态,通过再次的增大压力使水发生液固相转变从而冻结。如图1中的ACGHE过程,将土豆放入密闭高压处理器内施压至200MPa,然后降低处理器温度至-20℃,此时土豆处于未冻结状态,继续升高处理器压力至350MPa,在升压过程中土豆内水分发生液固相转变,稳定一段时间后释放压力,使土豆冻结于冰Ⅲ区。5)常规解冻(Atmosphericthawing简称AT),将冻结样品置于大气压下升高温度使其解冻,样品直接从冰Ⅰ区转变为液态。6)水浸解冻(Liquidthawing简称LT),将冻结样品直接放置在室温下的水域中进行解冻,样品从冰Ⅰ区转变为液态。7)高压辅助解冻(Pressure-assistedthawing简称PAT),样品在低温下直接施加高压,加压过程中发生相变,在一定压力下升温完成相变过程。如图1中的EGCA、IJDA过程,将冻结好的土豆密封好后放入高压处理器内,分别施压至100MPa和320MPa,然后升高处理器温度至20℃,使土豆内水分靠温度的升高发生固液相转变发生解冻。1.3.2结培元素检测1)微观组织的检测经过不同的冻结处理,因冻结时冰晶的生成导致土豆组织发生变化。通过石蜡切片的方法考察组织变化,先把冻结处理后的土豆组织固定,在不破坏原有组织的前提下脱水去除冻结时形成的冰晶,再进行切片、染色,最后放在显微镜下观察。2)汁液损失的检测以冻结土豆的自然流失汁液为测定目标,即测定样品解冻前和解冻后用滤纸吸去表面汁液的质量,然后依照下式计算样品的汁液损失率。取9个土豆样品放入高温干燥箱中在105℃下干燥24小时测得土豆的平均含水率,计算得出实验土豆去除水分的干重。3)微生物的灭活在高压低温处理前后把土豆捣碎,分别检测土豆冻结前和解冻后的微生物菌群含量。根据国家食品微生物检验标准(GB4789),采用平板计数法来测定处理前后微生物的灭活情况。2结果与分析2.1不同压力对抗凝剂对图组织的影响不同的冻结手段处理后的土豆,经过冷冻替代技术处理后观察其组织切片,如图2所示。白色部分为冻结过程生成的冰晶经过固定、脱水等处理后形成的空穴,而红色部分为土豆组织经过固定、染色等处理后的外观。由图2所示,新鲜的土豆组织因为没有遭到破坏呈现致密而且有规则的分布;常规冻结(AF)处理后土豆,细胞壁已经被破坏,表现出断裂和不完整,并且各处破坏不均匀;高压快速冻结(PSF200MPaand-20℃)处理后的土豆组织基本上保持完整、规则的网状结构,破坏的程度很小;高压辅助冻结(PAF100MPaand-20℃andPAF320MPaand-25℃)处理后的土豆组织具有明显的损害,网状组织已经被破坏;高压诱导冻结(PIF)处理后的土豆组织的网状结构已经被破坏,破坏程度较大。两种压力下冰晶分别形成于冰Ⅰ区和冰Ⅲ区,由于冰Ⅰ区和冰Ⅲ区的冰晶结构不同,从而造成不同程度的损害。AF、PAF和PIF处理均给样品带来了不同程度的损害,而PSF处理很好地保护了土豆的质地。在压力超过300MPa时,PAF和PIF冻结后的效果相差并不大;并且实验中发现,土豆样品的表面和中心部分冻结后的差异不明显。土豆本身作为热阻的存在,在AF处理中生成冰晶的速率慢,冰晶尺寸较大而且位置不均匀,穿破了细胞壁,使微观组织变的无序化并遭到破坏。在PAF和PIF处理中,样品在冰3区生成冰晶,冰晶形态有别于冰1区的冰晶,冰晶密度大,相对体积小,因此对比AF过程,PAF和PIF冻结处理对土豆组织结构破坏程度小。PSF处理过程中,由于压力快速、均一的特性使样品在冻结时快速地发生液、固相变,而且由于存在较大的过冷度,使样品在冻结时快速地穿过“最大冰晶生成带”,对样品的伤害较小,形成的冰晶均匀而尺寸细小。而且基本是在细胞内形成的,对组织的伤害较小,基本没有破坏土豆的细胞壁。2.2经过冷冻处理后，土壤溶液损失2.2.1不同冷冻方式对发酵效率的影响采用常规冷冻方式(AF)处理后的土豆样品,首先置于冰箱中待用,实验时将冻好的整个土豆(-18℃)分别置于空气中、水中和超高压实验装置的高压釜腔内(密封袋真空包装)进行解冻,计算得出土豆的汁液损失率,如图4所示。由图4所示,经过常规冷冻方式处理后的土豆样品,PAT(100、150、200、250、300MPa)处理、LT处理土豆的汁液损失虽然均较AT处理小,但相差并不是很大。AT处理的汁液损失率为2.61%,LT处理的汁液损失率为1.92%,各个压力水平PAT处理汁液损失相差不明显,并且没有明显的规律。在PAT-100MPa条件下,汁液损失率为2.09%;在PAT-150MPa、PAT-200MPa、PAT-250MPa和PAT-300MPa条件下,解冻完全后的汁液损失率分别为2.25%、1.85%、2.23%和2.18%。结果表明,经过常规冷冻处理的样品,各种解冻手段对土豆的汁液损失影响差别并不明显,说明汁液损失主要取决与冻结过程形成的过大冰晶,造成细胞壁损伤严重,致使汁液大量流失。2.2.2汁液损失情况采用高压冷冻方式(PSF和PAT)处理后的土豆样品,首先置于冰箱中待用,实验时将冻好的整个土豆(-18℃)分别置于空气中和超高压实验装置的高压釜腔内(密封袋真空包装)进行解冻,计算得出土豆的汁液损失率,如图5所示。由图所示,经过高压冻结、解冻结合处理后土豆的汁液损失情况,在PSF-200MPa并PAT-150MPa处理时汁液损失最小,汁液损失率为1.26%;在PAF-100MPa并PAT-100MPa处理时土豆的汁液损失最大,汁液损失率为2.16%;在PSF-200MPa并AT处理、PSF-200MPa并PAT-200MPa处理、PAF-100MPa并PAT-200MPa处理、PAF-320MPa并PAT-200MPa处理和PAF-320MPa并PAT-320MPa处理的汁液损失分别为1.89%、1.51%、2.08%、1.76%和1.64%。结果表明,采用高压冷冻处理的样品,经过不同过程解冻处理后,汁液损失率都低于常规冷冻方式,说明高压冷冻对植物细胞组织的破坏程度低;采用PAT解冻过程处理后的样品,PSF冷冻过程的汁液损失都低于PAF冷冻过程的汁液损失,说明PSF冷冻过程对细胞的伤害要低于PAF过程。2.3高压作热处理对豆食品微生物的影响单纯的低温并不能使微生物灭活,在高压冻结、解冻处理土豆时,处理压力是100MPa以上的超高压,对微生物有灭活作用,即在冻结、解冻的同时对土豆食品进行了灭菌处理。实验分别检测处理前后土豆中微生物含量,考察灭活情况,结果如图6所示。在高压处理过程中,未发生相转变之前的压力水平(100MPa、150MPa和200MPa)下,细菌的灭活率较低,分别为0.8log、1.5log和1.8log;当压力达到250MPa时,菌液中已经发生