不同凍結方式對水果形態結構破壞情況的實驗研究

魯禮明 張中俊 李 芳 肖 劍 王文娟

（安徽康佳同創電器有限公司 滁州 239000）

引言

新鮮水果含有豐富的營養成分，同時還具有良好的感官品質，受到廣大消費者的喜歡。但由于許多水果肉質細嫩，不耐貯藏，極易造成浪費。低溫冷藏環境可以較好地保存水果，延長其貨架期，但因為微生物、內源酶及非酶作用，其營養成分仍會流失。

食品冷凍是指在低于0 ℃的低溫下貯藏，在此環境下微生物生長受到嚴格限制，酶促反應和氧化還原反應速率都受到改變。此外，食品中冷凍冰晶的形成也會降低微生物的活性。冷凍水果在貯藏期間其色、香、味和維生素沒有顯著變化，可用于制作各類食品，如果醬、果凍、蜜餞、點心、果汁汽水和冰淇淋等[1]。然而，低于水果冰點的溫度下，冷凍過程中冰晶的生長會刺破細胞膜，解凍后則造成組織破壞，汁液流失等，食品新鮮度下降甚至不能食用[2]。

彭丹等[3]認為，在凍結過程中水果原料細胞結構的破壞主要是凍結的第一、二個階段造成的。第一階段主要是冰晶對細胞結構的機械損傷; 第二階段則是因為凍結速率過快，水果體系因溫度梯度引起的熱應力造成斷裂現象。直接影響食品質量的機械損傷很大程度上取決于凍結過程中食品組織內形成的冰晶的大小、形狀、數量和分布位置，而冰晶的大小、形狀、數量和分布位置又主要取決于凍結速率[4]。

由上述分析可知，冷凍保藏的果蔬營養價值較冷藏保鮮的果蔬要高，但冷凍機械損傷會引起組織破壞，口感變差。另外，冷凍機械損傷又與凍結速率相關。本文通過選擇草莓及圣女果為實驗對象，在不同的冷凍條件測試了上述兩種水果的凍結速率，比較了不同凍結方式對水果形態結構的破壞情況，以期尋找一種適合于水果的冷凍條件。

1 材料與方法

1.1 材料

水果采購于滁州市大潤發超市。化學試劑購自上海國藥集團化學試劑公司。液氮及干冰購買自安徽貝特實驗用品有限公司。

1.2 儀器與設備

BCD-456冷藏冷凍箱（安徽康佳同創電器有限公司）；MS104TS分析天平（Mettler Toledo）；XTC-18質構儀（上海保圣實業發展有限公司）。

1.3 樣品處理

液氮組：將水果放入泡沫盒內，倒入液氮，直至液氮浸沒。

干冰（-78.5 ℃）組：將水果放入裝有5 kg干冰的泡沫盒內部，然后泡沫盒密封后放入設置為5 ℃的冰箱冷藏室。

冰箱拉低溫（-30 ℃）組：通過修改程序強制制冷（俗稱拉低溫），同時堵住冷凍室其他風門，僅保留最上層風門對著水果吹風，實測溫度為-30 ℃。

低溫蓄冷液（-18 ℃）組：將2 kg相變點為-23 ℃的蓄冷液倒入金屬密封桶內，放入設置為-18 ℃的冰箱冷凍室直至蓄冷液溫度穩定為-18 ℃。測試時將水果浸沒入低溫蓄冷液中。

普通冷凍（-18 ℃）組：冰箱冷凍室設置為-18 ℃，溫度穩定后將草莓放入其中。

1.4 指標測定

1.4.1 水果降溫速率測定

將溫度記錄儀的溫度探頭插入水果中心，水果分別放入液氮、干冰、冰箱冷凍-30 ℃、-18 ℃蓄冷劑、冰箱冷凍-18 ℃五種儲存環境中。溫度采集間隔為60 s。

1.4.2 水果硬度測試

使用TA/20柱形質構儀探頭，選取全質構測試，測試類型為下壓，目標模式為距離：5 mm，測試前、后速度為2 mm/s，測試中速度為1 mm/s，觸發點類型為：力、0.1 N。

1.4.3 解凍汁液流失率測試

提前測試水果中心溫度在不同冷凍環境下解凍至2 ℃所需時間，以不同冷凍環境下的水果同時解凍完全，分時間取出水果。每組3顆圣女果，測試兩次，稱重并記錄M1，同時放入不同冷凍環境，存儲4 h。解凍完全后擦干表面汁液，稱重并記錄M2。解凍汁液流失率=（M1-M2）/M1*100 %。

2 結果與分析

2.1 草莓的試驗結果

2.1.1 在液氮下冷凍的狀態

草莓放入泡沫盒內，倒入液氮，數秒后草莓直接發生斷裂，如圖1所示。證實了水果在溫度過低時會因為熱應力而斷裂。且因液氮下冷凍速率過快，本文未測得液氮下草莓的降溫曲線。

2.1.2 草莓在四種條件下的冷凍速率

草莓在干冰、冰箱冷凍-30 ℃（拉低溫）、-18 ℃蓄冷劑、冰箱冷凍-18 ℃下草莓的降溫曲線如圖2所示，降溫速率從快至慢依次為干冰、冰箱冷凍-30 ℃（拉低溫）、冰箱冷凍-18 ℃、-18 ℃蓄冷劑。此處測試結果與預期基本相符，即溫度越低的環境下水果降溫速率越快。

草莓在四種冷凍環境下從0 ℃到-5 ℃的降溫時間見表1所示，且草莓在低溫蓄冷液環境下冷凍，過程中可觀察到過冷點。

2.1.3 草莓在三種條件下的冷凍解凍后的狀態

本文所測試的低溫蓄冷液下，草莓冷凍速率較慢，且草莓表面的蓄冷液無法有效去除，故本文僅選取了干冰、冰箱-30 ℃、冰箱-18 ℃三種冷凍后的草莓進行解凍后狀態觀察。環溫25 ℃下解凍時間如表2所示，因此本文按順序將干冰組取出后37 min后取出-30 ℃拉低溫組，13 min后再取出-18 ℃冷凍組，保證最終解凍時間一致。

由圖3可以看到，三種條件下草莓解凍后感官較差，形態結構破壞均較為嚴重。

三種條件下冷凍解凍后的草莓，雖然外觀差異不明顯。但是，如圖4，切開后可觀察到其內部形態被冰晶的破壞程度具有顯著差異，草莓形態從優到劣依次為：干冰組、-30 ℃拉低溫組、-18 ℃冷凍組。說明了不同冷凍速率對水果形態的破壞影響較大。

2.2 圣女果的試驗結果

2.2.1 在三種條件下的降溫速率

圖1 液氮下草莓冷凍后狀態

圖2 四種條件下草莓的降溫曲線

表1 四種條件下草莓從0 ℃到-5 ℃的降溫時間

表2 三種條件下草莓解凍至2 ℃所用時間

圖3 三種條件下草莓解凍后的照片

圖4 三種條件下草莓解凍后切開的照片

與草莓類似，圣女果在三種條件下的降溫速率依次為干冰、拉低溫、冷凍，如圖5。

三種條件下圣女果從0 ℃至-5 ℃所用時間如表3所示，通過時間較草莓整體更多。

2.2.2 圣女果在三種條件下冷凍取出后及解凍后的狀態

如圖6所示，圣女果分別冷凍4 h后取出，在干冰及-30 ℃拉低溫存儲兩種冷凍速率相對過快的情況下，圣女果取出后表面發生了斷裂現象。但是，如圖7所示，-30 ℃拉低溫下及-18 ℃普通冷凍條件下，圣女果解凍后有明顯的汁液流出現象，且-18 ℃普通冷凍條件下有一顆圣女果解凍后發生了斷裂現象。上述測試結果再次說明了：冷凍溫度太低時水果會因為熱應力而斷裂，但冷凍溫度越低水果內部的形態保存得越好。

2.2.3 圣女果在三種條件下冷凍解凍曲線

圣女果在干冰、拉低溫、普通冷凍三種條件下存儲4 h后，取出后在環溫25 ℃下解凍，解凍曲線如圖8所示。

2.2.4 圣女果在三種條件下冷凍解凍后的汁液流失率

每組選取6顆圣女果進行冷凍解凍測試，分別解凍后擦干表面的汁液，測定解凍汁液流失率，測試結果如表4所示。可見，在本文研究的三種條件下，冷凍速率越快，圣女果冷凍解凍后的汁液流失率越小。測試結果再次從側面證明了冷凍溫度越低，水果內部的形態保存也越好。

圖5 三種條件下圣女果冷凍曲線

表3 三種條件下圣女果從0 ℃至-5 ℃所用時間

圖6 三種條件下圣女果冷凍取出狀態圖

圖7 三種條件下圣女果冷凍解凍后狀態圖

2.2.5 圣女果在三種條件下冷凍解凍后的質構分析

圣女果冷凍解凍后放在質構儀平臺上，使用TA/20柱形質構儀探頭下壓測試，TPA質構圖如圖9所示。選取其中的硬度值，如表5所示。其中，因干冰及-30 ℃拉低溫下的圣女果冷凍出現裂痕，導致質構儀探頭下壓時，干冰及-30 ℃拉低溫組的圣女果不能承重。用手按壓感受，形態結構完整性依次為新鮮、干冰組、拉低溫、冷凍組，且干冰組遠遠優于普通冷凍組，如圖10所示。

圖8 三種條件下圣女果冷凍解凍曲線圖

表4 三種條件下的圣女果冷凍解凍汁液流失率

圖9 三種條件下圣女果冷凍解凍后的質構圖

3 結束語

本文通過對草莓及圣女果在不同環境下的冷凍解凍試驗結果進行對比，發現在本文所述的液氮、干冰、冰箱-30 ℃、冰箱-18 ℃四種環境下冷凍，水果均會受到損傷。液氮環境下水果的冷凍速率過快，其在凍結過程中直接發生了斷裂。冰箱冷凍-30 ℃及-18 ℃環境下，水果冷凍解凍后的食用狀態相較于可接受程度較遠。在干冰環境下，水果解凍后無論是感官還是內部的形態結構，保存狀態均遠遠優于冰箱-30 ℃較低溫及冰箱-18℃普通冷凍環境。根據水果冷凍解凍后的形態結構來看，水果冷凍貯藏溫度的選擇，應在不導致水果發生斷裂的前提下越低越好。

表5 三種條件下的圣女果冷凍解凍后的硬度值

圖10 兩種條件下圣女果冷凍解凍后的對比圖