超聲波輔助凍結/解凍技術及設備分析

張陳晨，謝晶*,

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

現代社會人們對營養和健康的需求越來越高，因此食品的凍結/解凍過程顯得尤為重要。凍結是指將食品的溫度降低到凍結點以下，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水分[1]，從而實現較長時間保藏食品的目的。解凍是將處于食品凍結點以下的冷凍食品溫度回升、冰晶融化的過程[2]。食品經歷凍結和解凍過程會發生汁液流失、營養下降、口感破壞等問題，因此近年來人們著力于優化食品的凍結和解凍工藝[3]。

傳統凍結方法包括直接接觸凍結、空氣冷凍、間接接觸冷凍法等[4]。這些凍結方法存在凍結速度慢、冰晶損傷等問題[5]而傳統解凍技術有空氣解凍、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，食品工業急需更優良的新型凍結/解凍技術。新型凍結技術包括高壓冷凍、超聲波凍結和均溫凍結法等，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和解凍技術進行了綜述，主要包括超聲波輔助凍結和解凍的機理、優缺點，以及超聲波輔助設備特征和在實際中的應用，旨在為水產品及肉類的高效凍結/解凍技術的研究提供理論參考[8]。

1 超聲波輔助凍結/解凍與傳統技術的比較

1.1 超聲波凍結/解凍技術機理

超聲波作用于食品時會產生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時，整個介質中的聲壓受到正負壓力交替的周期性變化；當超聲波經過冷凍食品表面時，會產生巨大的負壓，從而在食品表面產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；而在凍結過程中空化效應產生的氣泡會成為晶核，有效提高了凍結效率，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生這種效應。超聲波的機械效應是因為超聲波的振動產生，因此超聲波在振動時會促使冷凍食品的質點也隨之振動，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生的化學反應。由于空化氣泡的破裂，液體介質發生了改變從而產生了自由基，因此發生了自由基效應[13]。這4 種效應在超聲波凍結和解凍技術中都各有體現。

在超聲波輔助凍結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量[14]。闞苗[15]發明了一種超聲波輔助凍結冰箱，冷藏室和冷凍室之間設超聲波處理區，超聲波處理區中設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，提高食品冷凍質量。此外，超聲波可以促進食品細胞內外同時結晶，縮短冷凍時間，提高結晶率，從而降低能耗，實現節能減排。在凍結過程中，超聲波只作用于食品的物理表面不發生化學變化，因此凍結食品的安全有保障，適應了食品工業向綠色健康轉變的趨勢[16]。

而超聲波解凍技術主要利用其熱效應[17]。超聲波解凍技術適用于大批量冷凍物料的解凍，具有解凍速度快、解凍均勻等優點。超聲波解凍時，超聲波產生的熱量主要分布在冷凍食品內部的冷凍層與解凍層的界面處，通過調節超聲波的頻率和強度，可以在界面處產生相對穩定的熱效應，從而可使產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]。

雖然目前國內外超聲波輔助凍結/解凍技術的一些研究結果表明：超聲波技術在輔助食品凍結時會通過控制食品內部冰晶大小來降低冷凍損失，超聲波技術在輔助食品解凍時可使食品均勻受熱，實現高效快速地解凍。但目前還只能用上述4 種效應來解釋這些現象，而在凍結/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的機理并沒有完全明確。今后還需要繼續深入研究引起復雜變化的實質，形成科學的理論體系。

1.2 超聲波輔助凍結/解凍與傳統技術的比較

不論是傳統凍結/解凍技術還是超聲波輔助凍結/解凍技術都有其獨特的優缺點。比如在傳統凍結方式中風冷[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、凍結時間短，但食品易龜裂且會存在安全問題；間接接觸凍結[19]的能源消耗低、具有良好的食品質量，但難以控制食品凍結形狀。超聲波凍結[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，提高了食品冷凍質量并且凍結效率高可以彌補傳統凍結方式的一些不足，但超聲波輔助凍結目前基礎性研究待改善。在傳統解凍方式中水解凍[21]的速率快、食品品質好但需設保護措施；電解凍[22-23]的解凍損失低、食品品質好，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、食品品質低；空氣解凍[28]生產成本低、效果較好，但解凍時間較長。而超聲波解凍[26-27]的速率快、品質好以及表面損傷小，同樣可以彌補傳統解凍技術的一些不足，但超聲波輔助解凍的技術還不成熟會出現功耗高、局部過熱等問題。

相比較傳統的凍結/解凍技術，超聲波輔助技術可以有效保證工作效率、提高食品品質。目前研究中超聲波技術與風冷、水解凍結合實驗較多，與其他傳統方法結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的不斷深入探究，超聲波輔助技術很快就會被廣泛使用。

2 超聲波輔助凍結/解凍設備特征分析

2.1 超聲波輔助凍結設備分析

常見的超聲波輔助凍結設備為超聲波輔助凍結冰箱，冰箱的基本組成結構如圖1[29]所示。

與其它超聲波輔助凍結設備相似，超聲波輔助凍結設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，有些設備可自動檢索各項參數而有些設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節輸出功率，超聲波發生器達到作用時間后將關閉，食品將會繼續降溫至冷凍終溫。而此設備特點在于設有超聲波處理區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。

MA 等[30]也對超聲波輔助凍結裝置進行了研究。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、冷卻劑循環系統、制冷循環系統和溫度檢測系統組成。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，因為超聲波共振現象會在平板表面上存在節點，該裝置通常用于冷凍液體樣品。非浸入式設備用于冷凍空氣介質中的固體樣品，無液體冷凍介質的污染問題，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]發明了一種冷凍干燥配套設備，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食品，該設備可以有效地縮短干燥時間，提高冷凍效率。與那些采用傳統冷凍技術凍結設備相比，超聲波輔助凍結設備可以通過處理食品的種類來調整超聲波功率和作用時間，使食品處于最佳冷凍環境下進行冷凍，實現了合理的節能減排[33]。

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

2.2 超聲波輔助解凍設備分析

相對于超聲波輔助凍結設備而言，在超聲波輔助解凍設備的研究更多。其基本組成機構如圖2[34]所示，以循環水作為解凍介質施加超聲波進行冷凍食品解凍。鄢嫣等[34]發明了一種用于魚類解凍的超聲波輔助設備，由于該超聲波輔助解凍設備設置了循環水管因此可以使解凍水在設備內循環使用，超聲波的添加提高了解凍效率，保證食品衛生和安全并減少食品營養損失。杜華東等[35]將超聲波輔助解凍技術與冰箱相結合，可以有效的提高解凍效果從而提高解凍工作效率，保證食品衛生和安全，減少食品營養損失。綜上可知通過在解凍設備中安裝超聲波裝置，有利于通過超聲波震動使解凍介質作用于食品中，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備的研究比超聲波輔助凍結設備要多得多，并且超聲波輔助解凍設備已經在食品行業小規模地應用。但在研究過程中依然存在一些疑問，比如水循環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、分布的關系等進行探索。無論超聲波解凍設備還是超聲波凍結設備，目前大多數設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生的鈍酶滅菌效果，從根本上保證了速凍對蝦的生鮮品質。與此同時，張華等[38]指出若采用超聲波預處理后聯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，減少了凍結過程對面團面筋蛋白結構的破壞，若將超聲波設備與磁場相結合放置在制冷裝置中，是否也能夠提高食品解凍/凍結效率[39]。因此，在進一步對于超聲波輔助凍結/解凍設備研究中，可以考慮將超聲波輔助與其他方式相結合。

圖2 超聲波解凍設備結構[34]

3 超聲波輔助凍結/解凍技術的應用

3.1 超聲波輔助凍結在水產品及肉類的應用

超聲波輔助凍結具有較短的凍結時間，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時間，形成的冰晶均勻且魚片保留原來的纖維結構。因此適當的超聲波輔助可以降低魚片的營養損失，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。結果表明在相同功率（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可以更好地保持大黃魚的質量。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，發現一定超聲功率的超聲波輔助凍結可以加快豬肉的凍結速率，其中180 W 下的超聲波輔助冷凍的時間最短。陳聰等[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。發現使用超聲波輔助凍結的兩組海鱸魚凍結速率更高，且在-40 ℃下超聲波輔助凍結組的凍結時間最短、形成的冰晶更均勻。

綜上可知：超聲波輔助凍結在凍結速率、保鮮效果、安全性等方面優于傳統凍結技術；頻率和作用時間是超聲波凍結最主要的影響因素，同時在適當的溫度和功率下使用超聲波凍結也可有利于食品的凍結。但超聲波輔助凍結技術在實際生產中成本較高，凍結過程中形成冰晶的情況也會對凍結食品的品質產生影響，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構最好，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量的影響最小。ZHANG 等[47]對牛肉進行了不同方式的解凍，發現用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，其中超聲波與水解凍結合是最好的組合，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定的蛋白質結構。

綜上所述：超聲波輔助解凍在解凍效果、解凍時間等方面優于傳統解凍技術，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，但要注意與流水結合會產生局部過熱。

4 總結和展望

本文研究了超聲波輔助凍結/解凍設備特征及其技術應用，分析了超聲波輔助技術優缺點、設備特征等方面，得出如下結論：

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

2）超聲輔助凍結/解凍技術可以更好地保持食品本身的質量，滿足現代食品工業的發展要求；

3）超聲波輔助能夠實現減少食物營養流失、保證食品衛生安全的目標，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化超聲波輔助凍結/解凍技術的功率、頻率和作用時間，并研制高效和適合工業化應用的超聲波輔助速凍/解凍裝置，同時需要繼續探討如何降低新型裝備的成本，實現高效應用。