超聲波解凍與傳統解凍方式的比較與競爭力評估

孫聿堯，謝晶,3,4*，王金鋒,3

1(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)2(上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海，201306) 3(上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，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)

隨著社會的快速發展，人們對高品質冷凍食品的需求越來越大，因此人們著力于研究冷凍食品的凍藏和解凍。凍藏是將食品保藏在冰點以下的溫度，降低各種酶與微生物的影響。解凍則是將處于冰點以下的冷凍食品的凍結狀態解除，使它們盡量恢復至凍結前的食品品質。與凍藏過程相比，解凍過程更易使食品的鮮度、口感和營養物質破壞，因此在冷凍食品解凍時更需進行嚴格的控制。

解凍方式有空氣解凍、水解凍、電解凍等。由于食品解凍過程中，酶和微生物的活性會逐漸恢復，因此使解凍后食品的品質接近于凍結前的食品品質是十分重要的，且不同的解凍方式所產生的效果是不同的[1]。

解凍速率和冷凍食品在解凍過程中的品質變化是對解凍方式評價的重要指標。找到一種解凍速率高且對冷凍食品品質破壞小的解凍方式將對食品解凍產生十分積極的影響。

1 傳統解凍方式的解凍機制及研究進展

1.1 三種傳統解凍方式的解凍機制

1.1.1 空氣解凍

空氣解凍屬于傳統解凍方式，該方式主要是將冷凍食品放置于解凍室中，通過對空氣的流速、溫度、濕度和風向進行調控，實現食品在合適的狀態下解凍[2]。解凍室中可利用加熱器進行輔助，對冷凍食品進行加熱，促進食品與室內熱環境的熱交換，融化食品內部的冰晶[1]。

空氣解凍時間長，食品品質下降較多，且難以將解凍室內狀態長期控制在適合解凍的范圍內[3]。可以提高空氣的流速,縮短空氣解凍時間，但在該過程中，食品干耗加劇，會對食品鮮度、風味和口感造成破壞[4]。

1.1.2 水解凍

水解凍主要是在常壓狀態下利用水對冷凍食品進行解凍，解凍速率較快、食品的質量損失較小[5]。在水流經冷凍食品的表面時，會將食品內所含的可溶性物質帶走，降低食品的營養價值[6]。在常溫無保護的情況下，與空氣解凍相比，對凍魚水解凍所產生的營養成分損失較大[7]。由于水中會夾雜微生物，對冷凍食品進行水解凍可能會產生微生物污染[8]。在進行水解凍前需先用保鮮膜對冷凍食品進行包裹，這樣可以極大地減少食品營養成分的流失，降低微生物的污染[9]。

對食品水解凍時，提高水溫可提升解凍速率，但會增加食品內營養物質的流失，因此一般進行水解凍時會將水溫控制在0～2 ℃，并在食品外部用保鮮膜進行保護[10]。

1.1.3 電解凍

電解凍主要是將冷凍食品連接在電路中，充當電阻，利用電流產生熱能進行加熱[11]，實現解凍。冷凍食品的厚度不會影響加熱穿透的深度，也不會形成較大的溫度梯度，因此解凍比較均勻[12]。利用交變電場產生摩擦生熱也可解凍，其中以微波解凍的解凍能力最強[13]。

與空氣解凍和水解凍相比，電解凍的控制要求較高，但對于食品內營養價值的保護效果較好。

1.2 傳統解凍方式的研究進展

傳統解凍方式在食品領域運用廣泛，目前不同解凍方式的優化組合以及新技術在解凍中的應用有效提升了解凍效果。蔡娜[14]運用高溫高壓氣體與熱水的結合，發明一種食品解凍系統，該系統主要運用水解凍，用空氣解凍進行輔助，以此保障解凍的效率與品質。岳雨霞[15]綜合運用過濾系統發明了一種防污染的食品解凍裝置，該裝置運用空氣解凍，擁有解凍速率快和防污染性強等諸多優點。謝健華[16]運用水解凍發明了一種新型的食品解凍機，解凍效果優良，且不易造成被解凍食品營養物質的流失。秦潤彤等[17]將水解凍與電氣設備進行結合，發明了一種可進行實時食品檢測用解凍裝置，該裝置設置了轉動電機和解凍筒，解凍效果更好，解凍效率更高。

如表1所示，水解凍的應用較多，而空氣解凍和電解凍相對較少，而且不同解凍方式之間的優化組合以及新技術的應用提升了解凍效率，保障了解凍效果。

表1 運用傳統解凍方式的裝置Table 1 Thawing device by traditional thawing methods

2 超聲波解凍

為了進一步提升解凍效果，超聲波解凍方式被探索、研究和應用。超聲波可單獨使用實現解凍，也可與傳統解凍方式相結合(多與水解凍進行結合)，從而強化解凍效果[18]。KISSAM等[19]將超聲波運用于輔助水浸法，發現在1 500 Hz、60 W的條件下進行鱈魚的解凍，與單純的水浸法相比，可將解凍時間縮短71%。

超聲波是機械波的一種，根據超聲波的頻率與所含能量的不同，可以分為高頻低能超聲波和低頻高能超聲波[20]。低頻高能超聲波在食品的解凍、干燥和過濾等多方面均有運用，它的頻率低于100 kHz，所含的能量高于1 W/cm2，屬于功率超聲波[21]。張昕等[22]利用不同強度的低頻高能超聲波對雞胸肉進行解凍，發現改變超聲波的強度可以提高解凍速率，保持雞胸肉的新鮮度，并具有殺菌的功效。

2.1 超聲波解凍的解凍機制

2.1.1 超聲波解凍相關的主要效應

當超聲波作用于冷凍食品，會產生一系列的物理與化學反應，其中主要有四大效應，分別為空化效應、機械效應、熱效應和自由基效應[23]。空化效應、機械效應和熱效應為物理效應，在解凍方面起到主要作用，其中熱效應的作用最大，而自由基效應則屬于化學效應。

空化效應的原理是超聲波通過正負壓交替的方式進行傳播[24]，在經過冷凍食品表面時產生巨大的負壓，使冷凍食品的表面產生微泡，并通過壓強的突然降低在冷凍食品上產生高溫使微泡內的溶液過飽和，從而使微泡破裂，釋放能量[25-26]。在進行解凍的過程中，該效應主要用于輔助熱效應，使熱量能夠更順利地通過冷凍食品，從而提升解凍的效率。

超聲波屬于機械波，在振動的同時會產生機械效應，該效應是通過超聲波帶動冷凍食品的顆粒振動，傳播能量，產生攪動，可有效地破壞冷凍食品上的冰晶，加快冷凍食品的解凍速率[27-29]。

熱效應是超聲波解凍最重要的效應，它伴隨著機械效應產生，在超聲波帶動冷凍食品振動時提升冷凍食品的局部溫度，進行加熱，實現解凍。冷凍食品振動越劇烈的部分溫度越高，因此熱效應的強弱與超聲波本身的強弱成正比[18]。

對于空化效應，若超聲波強度過高，會產生過多微泡，可強化解凍，但會對冷凍食品的表面產生較大的損傷[30]；對于機械效應，若超聲波的振動頻率過大會破壞冷凍食品內部的纖維及營養構成[31]；對于熱效應，超聲波控制不當會產生局部過熱，破壞食品的口感與營養價值[32]。

2.1.2 超聲波解凍的主要機制

超聲波解凍運用的主要是熱效應，熱效應的強弱與超聲波強度和作用時間成正比[33-34]。超聲波解凍時，能量作用于冰凍組織與解凍組織，冰凍組織中的能量衰減速率較快。超聲波產生的熱量主要作用于冷凍食品內部的凍結層與解凍層的分界處，調節超聲波的頻率和強度，可在該處產生較穩定的熱效應，使冷凍食品的凍結面穩定地向解凍面推進與轉換[35]。

超聲波解凍的穩定性較好，通過對超聲波的頻率與強度調節[36]，可實現較好的解凍效果。為避免產生局部過熱，需嚴格控制超聲波發射源的強度和頻率，使冷凍食品均勻受熱，實現高效、快速地解凍[37]。如表2所示，與傳統解凍方式相比，超聲波解凍的穩定性更好，對食品的損傷較低，也可以更好地保障食品的品質[38]。董慶利等[39]通過對豬肉的解凍研究發現，與空氣解凍和水解凍相比，運用超聲波解凍可以更好地控制局部過熱和汁液流失。超聲波解凍若與傳統解凍方式結合，不僅可提高解凍的效率，還可彌補傳統解凍方式存在的缺陷[40-41]。

表2 超聲波解凍與傳統解凍方式在機制上的對比Table 2 Mechanism comparison between ultrasonic thawing and traditional thawing

2.2 超聲波解凍的研究進展

2.2.1 超聲波解凍技術的研究進展

超聲波解凍具有較強的解凍能力，目前人們對超聲波解凍進行了廣泛的研究。

GAMBUTEANU等[42]采用不同的低強度超聲波(25 kHz，0.2～0.4 W/cm2)對無包裝的凍豬肉進行解凍研究，發現超聲波不會對豬肉的質構及營養成分造成破壞，與空氣解凍及水解凍相比，解凍時間會縮短。葉盛英等[43]運用不同強度的超聲波進行解凍實驗，測定肉汁含量，發現運用34.98 W的超聲波解凍可使肉質損失率最低，且冰晶融化用時最短，比19 ℃的空氣解凍和18 ℃的水解凍更快。谷小慧[44]利用超聲波進行豬肉的解凍實驗，研究發現，豬肉的pH值、汁液流失率和細菌總數等指標均優于運用傳統解凍方式解凍的豬肉。余力等[45]在伊拉兔肉解凍的研究中，對比超聲波解凍、空氣解凍和水解凍等多種解凍方式發現，超聲波解凍的時間較短，且兔肉的汁液流失率較小。譚明堂等[46]運用空氣解凍、靜水解凍、流水解凍、微波解凍及超聲波解凍對魷魚進行解凍處理，發現超聲波解凍在質構方面是5種解凍方式中最佳的。劉雪梅等[47]進行草莓解凍實驗，發現在解凍時間方面，超聲波解凍優于空氣解凍和水浴解凍；同時超聲波解凍對花色苷的破壞最小，解凍效果優于空氣解凍和水浴解凍。綜上，超聲波解凍在解凍時間和解凍效果上優勢突出。

HONG等[48]在4 ℃的水與鹽水(質量分數，2%)中分別利用超聲波(40 kHz、150 W)對豬肉解凍，發現超聲波解凍在鹽水中使用，食品的質量損失較少，且具有最低的剪切力。超聲波解凍與水解凍結合，可提升解凍的效率[49]。張紹志等[34]以牛肉為研究對象，研究超聲波解凍與其他解凍方式的結合，通過對與解凍相關的傳熱方程進行分析，發現結合使用可以產生更好的解凍效果，可以縮短解凍時間。綜上，超聲波解凍若與其他解凍方式結合，可提升解凍效率，并獲得更好的解凍效果[50]。

MILES等[51]對牛肉、豬肉和鱈魚的超聲波解凍進行研究，發現食品表面容易產生局部過熱，其中選用頻率為500 Hz、強度為0.5 W/m2的超聲波進行解凍，表面局部過熱的地方最少，解凍效果最佳。SHORE等[52]研究了超聲波的衰減特性，發現已凍結區對超聲波的吸收為未凍結區的幾十倍，初始凍結點的吸收能力最強，解凍效果最好，且這一衰減程度隨著溫度的升高而增加，可推導出公式α=Afn(α為衰弱率,f為頻率，A、n為與溫度成正比的系數)，應當嚴格控制解凍時的溫度，以控制超聲波的衰減程度。易見，超聲波解凍需嚴格控制超聲波的頻率與強度，這2個數值是影響超聲波解凍效果最主要的參數；如需進一步加強解凍效果，需對解凍溫度進行控制，從而控制超聲波的衰減。

如表3所示，總結超聲波解凍的研究進展，超聲波解凍在解凍速率、汁液流失率等方面優于傳統解凍方式；將超聲波解凍與傳統解凍方式相結合，可以提升解凍效率；頻率與強度為超聲波解凍最主要的參數，但超聲波的衰減程度也會對解凍效果產生影響，需嚴格控制與衰減程度密切相關的溫度。

表3 超聲波解凍的研究分析Table 3 Research and analysis of ultrasonic thawing

2.2.2 超聲波解凍裝置的研究進展

隨著超聲波解凍研究的推進，各種新型的超聲波解凍設備不斷涌現。

杜華東等[53]將超聲波解凍與冰箱結合，發明了用于冰箱內的超聲波解凍設備，能提升解凍的效果、保證食物的安全、減少營養的流失。張紹志等[54]發明了一種超聲波列陣裝置，利用超聲波實現冷凍食品的快速解凍，可以進行自動監測與控制，能夠降低食品加工環節的成本。尤信鈴等[55]發明了一種水產品用超聲波解凍設備，在超聲波振動板上方的解凍區域內設置承接網，用于放置水產品，可通過驅動件的帶動，使水產品能夠在解凍區域內平穩運動，有效地促進了超聲波的振動傳遞，使水產品的解凍更加均勻，若在解凍區域通入熱空氣，可進一步輔助提升超聲波水解凍的效率。杜帥等[56]針對海水魷魚，發明了一種超聲波海水魷魚解凍池，該解凍池擁有解凍速率快、廢水回收率高和成本較低等特點。符誠斌[57]發明了一種用于生蝦加工的超聲波解凍裝置，通過內部設置的超聲波裝置對解凍液進行劇烈振動，加速生蝦的解凍。

如表4所示，超聲波解凍設備可快速對冷凍食品解凍；部分設備也將超聲波解凍與傳統解凍方式結合，提升解凍效率；在保證解凍效果的前提下，超聲波解凍設備可降低成本。

表4 關于超聲波解凍的發明Table 4 Inventions about ultrasonic thawing

3 結論與展望

傳統解凍方式有空氣解凍、水解凍和電解凍。空氣解凍時間較長；水解凍需先進行保護，防止流水帶走冷凍食品的可溶性物質；電解凍的控制難度較大且成本較高。

超聲波解凍通過空化效應、機械效應及熱效應對冷凍食品進行解凍,其主要特點為解凍效率較高及對食品的損傷較低。

頻率與強度是影響超聲波解凍效果的主要指標，但也需控制解凍溫度，減小超聲波衰減程度對解凍效果的影響。

超聲波解凍可單獨使用，與傳統解凍方式相比，解凍速率較快、解凍效果較好。若與傳統解凍方式結合，可以進一步提升解凍效率，其中，將超聲波解凍與水解凍結合的情況居多，該結合方式的解凍效果較好，值得進一步研究。