邱爽，李學(xué)鵬，*，王金廂，儀淑敏，勵建榮，李婷婷，牟偉麗，黃建聯(lián)，丁浩宸

（1.渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧錦州121013；2.大連民族大學(xué)，生命科學(xué)學(xué)院，遼寧大連116600；3.蓬萊京魯漁業(yè)有限公司，山東煙臺265600；4.遼寧安井食品有限公司，遼寧鞍山361003）

凍藏在低溫抑制食品中微生物的生長和酶活性的同時可以降低食品中的水分活度，是保證食品質(zhì)量并延長其貨架期的主要方法之一，廣泛用于畜禽肉類、水產(chǎn)品、米面制品、果蔬類等易腐食品的生產(chǎn)、運輸和貯藏，在食品工業(yè)中占有重要的地位。冷凍過程包括3 個階段，即將產(chǎn)品冷卻至其凝固點的預(yù)冷階段、去除結(jié)晶潛熱的相變階段以及將產(chǎn)品冷凍至儲存溫度的終了階段[1]。其中，晶核形成（成核）與冰晶的形態(tài)、尺寸與分布密切相關(guān)，被認(rèn)為是優(yōu)化冷凍工藝過程的重要因素。另外，結(jié)晶發(fā)生在冷凍過程的相變階段，同樣是決定冷凍過程的效率和冷凍食品質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。一般而言，結(jié)晶過程分為兩個階段，即成核階段和晶體生長階段，這兩個階段共同決定了晶體的形態(tài)、尺寸與分布[2]。冰核在一定的溫度范圍內(nèi)自發(fā)且隨機地生成，并受雜質(zhì)、表面粗糙度等難以被監(jiān)測和控制的因素影響。因其發(fā)生的概率性與過程的不可重復(fù)性，精確地預(yù)測和控制成核溫度與結(jié)晶過程是非常困難的。眾所周知，在冷凍食品時，不均勻的胞外冰晶的形成會對食品的微觀結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損傷，導(dǎo)致解凍后的食品色澤、風(fēng)味和質(zhì)地發(fā)生改變，如組織褐變、組織軟化和持水力下降等[3]。相反，形成在細(xì)胞內(nèi)的均勻的冰晶使食品組織受到的損傷較小，因此可以使食品更好地進(jìn)行保存。

目前，食品的商業(yè)冷凍主要采用傳統(tǒng)的冷凍方法，如空氣冷凍法、接觸冰冷凍法、浸沒冷凍法等[4]。然而，這些方法存在冷凍效率低、冷凍食品質(zhì)量差等問題。近年來，食品冷凍技術(shù)發(fā)展迅速，為了提高冷凍食品的質(zhì)量，滿足人們對高質(zhì)量的冷凍食品的需求，涌現(xiàn)出了幾種新型冷凍技術(shù)，包括高壓冷凍技術(shù)、微波輔助冷凍技術(shù)、射頻輔助冷凍技術(shù)和超聲波輔助冷凍技術(shù)等。它們通過控制食品冷凍過程中冰晶的生長和分布，使食品的微觀結(jié)構(gòu)避免受到損傷，同時可以提高傳熱和傳質(zhì)速率，從而縮短食品的凍結(jié)時間，提高冷凍食品的質(zhì)量[5-6]。作為一種新興的技術(shù)，超聲波輔助冷凍在食品加工領(lǐng)域備受關(guān)注。超聲波是一種以超出人類聽覺閾值（20 Hz～20 000 Hz）的頻率振蕩的聲波，根據(jù)應(yīng)用的強度和頻率，可以將超聲波分為高頻低強度超聲波（＞100 kHz）和低頻高強度超聲波（20 kHz～100 kHz）[7]。前者主要應(yīng)用于食品的無損分析[8]，后者又稱為功率超聲，可應(yīng)用于食品加工過程中的乳化、提取、干燥和冷凍[9-10]等。盡管超聲波輔助冷凍是一種相對較新的食品冷凍技術(shù)，很多研究已經(jīng)證明其對食品冷凍過程的控制和冷凍食品的保藏有顯著影響。超聲波可以使結(jié)晶過程的概率性與隨機性轉(zhuǎn)化為可操作與可重復(fù)性，從而提高冷凍食品的質(zhì)量。本文綜述了超聲波輔助冷凍機制、影響成核的因素及其在食品中研究和應(yīng)用的最新進(jìn)展，旨在為超聲波輔助冷凍技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 超聲波輔助冷凍機制與影響因素

1.1 超聲波輔助冷凍機制

超聲波作為一種輔助冷凍的手段，能有效地控制凍結(jié)過程中樣品組織內(nèi)晶核的形成與晶體的生長。目前已經(jīng)報道的超聲波輔助冷凍機制主要有誘導(dǎo)成核、強化二次成核、抑制冰晶生長以及增強傳熱傳質(zhì)機制。

1.1.1 誘導(dǎo)成核

當(dāng)液體中通入超聲波時，由于聲波的傳輸，會使液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體中逸出，形成大量的小氣泡，即空化泡。超聲波的空化效應(yīng)是指存在于液體中的空化泡在聲波的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時發(fā)生的生長和崩潰的動力學(xué)過程。這些氣泡在超聲波縱向傳輸形成的負(fù)壓區(qū)生長，而在正壓區(qū)迅速閉合，從而在交替的正負(fù)壓強下受到壓縮和拉伸[11]。超聲波在液體中傳播時引起的空化效應(yīng)見圖1。

圖1 超聲波空化效應(yīng)Fig.1 Ultrasound cavitation

空化泡被壓縮直至崩潰的一瞬間會產(chǎn)生局部瞬時高壓（＞5 GPa），從而導(dǎo)致高過冷度。其中，形成的高過冷度可以作為瞬時成核的驅(qū)動力[12]。另外，這些空化泡只要達(dá)到臨界的核心尺寸，就可以作為冰核的核心[13]。根據(jù)空化泡是否破裂，空化效應(yīng)可以分為穩(wěn)定空化效應(yīng)和瞬時空化效應(yīng)。穩(wěn)定空化效應(yīng)產(chǎn)生的空化泡不會立即崩潰，其運動引起的微流也可以作為凍結(jié)過程中成核的驅(qū)動力[14]。一些研究證明，微流同樣可以提高傳熱速率[2，12，15]。此外，由空化泡產(chǎn)生的壓力梯度導(dǎo)致的分子分離也是誘導(dǎo)冷凍過程中成核的機制之一?？栈菰诒罎⒌乃查g產(chǎn)生的壓力梯度可以有效地分離液體中的物質(zhì)，從而提高成核速率。目前，超聲波輔助冷凍誘導(dǎo)成核的確切機制尚未形成統(tǒng)一的理論，可能是各種機制共同作用的結(jié)果，有待于進(jìn)一步研究。

1.1.2 強化二次成核

在冷凍過程中施加超聲波時，空化效應(yīng)產(chǎn)生的空化泡不僅可以作為冰核的核心，提高成核速率，并且其爆破瞬間引起的爆破力還可以強化二次成核。超聲波對二次成核的強化作用見圖2。

圖2 超聲波對二次成核的強化作用Fig.2 Strengthening effect of ultrasonic on secondary nucleation

二次成核是指已經(jīng)存在的晶體被外力作用后碎裂成晶體碎片，其可以作為二次成核的晶核，從而誘導(dǎo)更多的冰晶生成，進(jìn)一步保證了冰晶細(xì)小而均勻地分布在組織內(nèi)[4]。研究表明，超聲波輔助冷凍過程中具有強化二次成核作用。圖2 顯示了15%蔗糖溶液中施加超聲波作用17.38 s 后，已經(jīng)存在的冰晶碎裂成了許多細(xì)小的碎冰晶，這些碎冰晶可以重新分散在溶液中并作為二次成核的晶核，從而加快了冷凍速率[15]。

1.1.3 抑制冰晶生長

冰晶的生長是繼晶核形成后另一個影響結(jié)晶過程的重要因素，同樣與過冷度有密切關(guān)系。超聲波對冰晶生長的影響具有兩面性：一方面，超聲波的空化與微流作用產(chǎn)生的機械效應(yīng)會為傳熱傳質(zhì)過程提供驅(qū)動力，從而加快冰晶的生長速率；另一方面，由超聲波產(chǎn)生的熱效應(yīng)會抑制冰晶的生長[16-17]。此外，微流機制會使不規(guī)則的冰晶破裂，阻礙冰晶繼續(xù)生長。

1.1.4 增強傳熱傳質(zhì)

超聲波不僅可以作為輔助冷凍過程成核、抑制冰晶生長的工具，其產(chǎn)生的機械效應(yīng)還可以增強傳熱傳質(zhì)過程，提高冷凍速率。研究證明，當(dāng)超聲波穿過樣品時，會引起組織基質(zhì)快速交替的壓縮和拉伸，這種現(xiàn)象可以保持孔隙暢通無阻，從而促進(jìn)傳質(zhì)過程[18-19]。

1.2 超聲波輔助冷凍效果的影響因素

超聲波可以通過不同的機制來改善冷凍過程。然而，作為冷凍過程的重要階段，成核的過程受到超聲波的顯著影響[1]。影響超聲波誘導(dǎo)成核和冷凍效果的因素有很多，如超聲波的作用參數(shù)、載冷劑的特性以及樣品的屬性等。

1.2.1 超聲波的作用參數(shù)

過冷是指將樣品的溫度降低到凍結(jié)點以下而不凍結(jié)的現(xiàn)象。過冷度的大小與冷凍速度密切相關(guān)，過冷度越大，形核率的增加比晶核生長的速度越快，從而可以獲得更細(xì)小的冰晶。有研究表明超聲波的應(yīng)用功率與溫度對成核過程有顯著影響。Zhang 等[12]對超聲功率與形核率之間關(guān)系的研究結(jié)果表明，在超冷水中施加超聲波會生成大量的樹枝狀冰晶。另外，不同溫度下的超聲波會產(chǎn)生不同的過冷度，并受溫度的影響而下降[20]。

1.2.2 載冷劑的特性

一般來說，在超聲波輔助冷凍過程中，樣品都浸沒在載冷劑中，因此，超聲波輔助冷凍技術(shù)可以被看作是一種特殊的浸沒式冷凍技術(shù)。載冷劑對于耗散冷凍過程中產(chǎn)生的熱量有重要的意義，因此，載冷劑需要具備導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱大、化學(xué)穩(wěn)定性好、有一定的蓄冷能力等特點。目前，超聲波輔助冷凍過程中常使用的載冷劑有乙二醇、酒精、CaCl2鹽溶液等[4]。不同的載冷劑具有不同的散熱效果及不同的使用限制條件。如Kiani 等[21]報道，載冷劑的特性會顯著影響傳熱與結(jié)晶過程。

1.2.3 樣品的屬性

應(yīng)用超聲波輔助冷凍的樣品一般可分為流體樣品與固體樣品。如前所述，超聲波引起的空化泡的運動會產(chǎn)生微流，從而加快冷凍速率，但是微流僅能在流體樣品中產(chǎn)生。因此，流體樣品相對來說比固體樣品具有更高的凍結(jié)速率。Kiani 等[2]比較了超聲波輔助冷凍對液體樣品和固體樣品冷凍過程的區(qū)別，結(jié)果表明，由于微流的存在，超聲波能夠更有效地觸發(fā)液體樣品中的成核，從而加快了液體樣品冷凍過程中的傳熱速率。

2 超聲波輔助冷凍技術(shù)在食品中的研究進(jìn)展

冰晶的尺寸與分布是評估冷凍食品質(zhì)量的重要參數(shù)，冰晶細(xì)小而均勻地分布有利于提高冷凍食品的質(zhì)量。超聲波作為一種操控冷凍過程中成核的工具，已被廣泛地應(yīng)用于食品的冷凍研究中。本文采用詞頻分析法對Web of Science 數(shù)據(jù)庫和中國知網(wǎng)期刊數(shù)據(jù)庫中2008-2018 年間的食品科學(xué)與工程領(lǐng)域超聲波輔助冷凍研究相關(guān)論文進(jìn)行了檢索和高頻關(guān)鍵詞分析（高頻關(guān)鍵詞在一定程度上可以反映出某一領(lǐng)域的研究熱點及發(fā)展趨勢），結(jié)果見圖3。超聲波輔助冷凍技術(shù)方面的研究熱點主要集中在成核、冰晶、品質(zhì)、過冷度、微觀結(jié)構(gòu)等方面，研究對象主要集中在果蔬類、肉類、面點類食品，水產(chǎn)品方面的研究明顯偏弱。

圖3 2008-2018 年食品科學(xué)與工程領(lǐng)域超聲波輔助冷凍論文高頻關(guān)鍵詞分析Fig.3 High-frequency keyword analysis of ultrasonic-assisted freezing papers in food science and engineering in 2008-2018

2.1 果蔬類食品

冷凍處理會降低果蔬的呼吸作用與氧化速度，從而延長果蔬的保質(zhì)期。然而，如果在冷凍的過程中產(chǎn)生較大的冰晶，會對果蔬的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等組織造成機械損傷，導(dǎo)致汁液損失嚴(yán)重，影響果蔬的品質(zhì)。超聲波技術(shù)在改善果蔬冷凍過程中的應(yīng)用已得到了廣泛的研究。Xu 等[8]發(fā)現(xiàn)超聲波能夠有效地誘導(dǎo)蘿卜樣品的成核，并且超聲持續(xù)時間和強度均顯著影響成核溫度。在超聲時間7 s，超聲功率0.26 W/cm 時得到成核溫度與超聲溫度之間擬合良好的線性方程。Sun 等[22]觀察了超聲波輔助冷凍（25 kHz，15.85 W）對馬鈴薯組織微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，與浸漬冷凍相比，超聲波輔助冷凍在馬鈴薯組織中產(chǎn)生了細(xì)小均勻的冰晶，保持了微觀結(jié)構(gòu)完整性，縮短了冷凍時間。同時，由于更高空化強度的產(chǎn)生，提高超聲功率可以提高傳熱速率，然而當(dāng)過高的超聲功率在介質(zhì)中傳播時，會將聲能轉(zhuǎn)換成熱能，導(dǎo)致傳熱和冷凍速率降低。Xin 等[23]的研究證明了超聲波輔助冷凍能較好地保持西蘭花的顯微結(jié)構(gòu)和硬度，與傳統(tǒng)的冷凍方法相比，滴水損失顯著減少。這是由于適當(dāng)?shù)某暪β试黾恿死鋬鏊俣?，使冰晶?xì)小而均勻地分布在組織內(nèi)。Islam 等[24]研究了超聲波輔助冷凍對蘑菇冷凍質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，超聲波的應(yīng)用（0.39 W/cm，20 kHz）顯著降低了解凍過程中的滴水損失。然而，組織內(nèi)水分含量的減少導(dǎo)致冷凍后蘑菇彈性降低，并且由于超聲引起空化和微流，蘑菇中多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和過氧化物酶（peroxidase，POD）的活性顯著降低。Cheng等[25]在對草莓樣品凍結(jié)和成核的研究結(jié)果中顯示，超聲波的應(yīng)用可以使樣品在較低的過冷度下引發(fā)成核，并且超聲溫度與草莓過冷度之間呈線性關(guān)系。因此，適當(dāng)?shù)某暡囟群统暪β实膽?yīng)用可以有效地控制易腐爛的水果的成核和冷凍過程。然而，果蔬含有不同含量的空氣、碳水化合物和其他一些可以充當(dāng)冰核的成分，復(fù)雜的系統(tǒng)導(dǎo)致了不同的成核溫度[8]。Miano等[26]研究了超聲波在甜瓜塊和低水分活度食品中增強傳質(zhì)的過程，發(fā)現(xiàn)在水分活度不同的樣品中，增強傳質(zhì)過程的效應(yīng)有所差異，空化作用作為直接效應(yīng)在甜瓜塊內(nèi)產(chǎn)生了微通道以促進(jìn)傳質(zhì)，而微流作為間接效應(yīng)增強了低水分活度食品中的傳質(zhì)過程。

2.2 肉類食品

研究表明，功率超聲處理會誘導(dǎo)食物蛋白質(zhì)的修飾，從而改善功能特性，如溶解度、乳化作用及凝膠特性等[26]。肉類含有豐富的蛋白質(zhì)，因此很容易受到超聲波的影響。一般來說，超聲波可以在肉類組織中通過破壞肌肉細(xì)胞的完整性和促進(jìn)酶促反應(yīng)這兩種方式來發(fā)揮作用。超聲波在肉類制品的加工過程中應(yīng)用較多，如改善肉的嫩度、加速肉的成熟過程、提高持水性和抑制微生物的生長等[27]。此外，超聲波在肉類的解凍中應(yīng)用較廣泛，可以通過減少滴水損失來提高產(chǎn)品的質(zhì)量[28]。然而，對于超聲波輔助冷凍肉和肉類制品的研究較少。Zhang 等[29]研究了在超聲波輔助冷凍過程中，應(yīng)用不同的超聲功率對豬背最長肌冷凍速率和質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，施加180 W 的超聲功率效果最好，顯著降低了冰晶的尺寸，使其在組織內(nèi)的分布更均勻，同時降低了結(jié)合水和游離水的流動性。然而，功率超聲處理對樣品解凍后的a*、b*值沒有顯著影響，這可能是因為樣品解凍后肌紅蛋白恢復(fù)了其天然構(gòu)象并恢復(fù)了顏色。基于以上的研究，Zhang 等[30]繼續(xù)研究了在最優(yōu)的超聲條件下，超聲波輔助冷凍在貯藏期間對豬背最長肌微觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、水分分布等變化的影響。結(jié)果證明，與空氣冷凍和浸漬冷凍相比，經(jīng)超聲波輔助冷凍后的樣品，其冰晶分布均勻，解凍損失與蒸煮損失顯著降低，減少了水分遷移，同時脂質(zhì)氧化得到了有效的控制。

2.3 水產(chǎn)品

冷凍是水產(chǎn)品常用的保藏方法之一，可以最大程度地維持水產(chǎn)品的新鮮度。然而，冷凍方式對水產(chǎn)品的質(zhì)量有至關(guān)重要的影響。空氣鼓風(fēng)凍結(jié)仍然是目前應(yīng)用最廣泛的凍結(jié)方式，但會在水產(chǎn)品內(nèi)形成較大的冰晶，冰晶的生長不僅會對肌肉纖維和細(xì)胞造成破壞[31]，還會導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，造成解凍后汁液損失嚴(yán)重，品質(zhì)下降。同時，傳統(tǒng)冷凍方式存在能耗大、溫度易波動等缺點。因此，有待于研究應(yīng)用新型冷凍技術(shù)使冰晶細(xì)小均勻地分布，減小冰晶對水產(chǎn)品內(nèi)部組織的損傷，維持水產(chǎn)品質(zhì)量。向迎春等[32]研究了超聲輔助凍結(jié)中國對蝦的冰晶狀態(tài)與水分變化，發(fā)現(xiàn)只需130 s即可通過最大冰晶生成帶，且與傳統(tǒng)冷凍方式相比，凍結(jié)速率快，對組織的破壞程度最小。Sun 等[33]的研究結(jié)果顯示，超聲波輔助冷凍與傳統(tǒng)冷凍方式相比，能減少凍藏過程中冰晶對鯉魚肌肉組織的損害，使其組織具有最小的冰晶直徑，顯著降低了結(jié)合水與游離水的流動性，從而降低了解凍損失。同時，超聲波輔助冷凍處理后的鯉魚肌肉組織具有更高的蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性，并減少了凍藏期間樣品中TVB-N 的形成。Sun 等[34]隨后證明了超聲波輔助冷凍功率的不同對鯉魚的冷凍速率及質(zhì)量有較大影響，在適當(dāng)?shù)某暪β剩?75 W）下，可以顯著降低樣品冷凍時間，提高凍品質(zhì)量。而施加較高的超聲功率時，由于空化泡的破裂產(chǎn)生高溫和高壓，反而降低了冷凍速率。同時，施加適當(dāng)?shù)某暪β?，可以有效地保持蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其熱穩(wěn)定性，較高的超聲功率會破壞局部氨基酸序列或分子間相互作用，從而破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性[35]。Gao等[36]研究了在超聲波輔助冷凍草魚魚糜過程中添加水溶性大豆多糖對凍藏過程中魚糜質(zhì)量變化的影響。結(jié)果表明，水溶性大豆多糖與超聲波輔助冷凍發(fā)生了協(xié)同作用，可同時用于防止魚糜中Ca2+-ATPase 活性的降低。當(dāng)使用300 W 功率進(jìn)行超聲冷凍處理時，可以顯著提高魚糜冷凍效率，同時改善冷凍魚糜質(zhì)量。然而，超聲波輔助冷凍在水產(chǎn)品上的應(yīng)用研究較少，需進(jìn)一步拓展和深入。

2.4 面類食品

在面包、饅頭、糕點等食品的運輸與加工過程中，常在半成品階段把面團(tuán)凍藏一段時間，待需要時再解凍進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)加工，直至成品。冷凍面團(tuán)的質(zhì)量直接影響了后續(xù)的加工過程，因此，已有研究將超聲波應(yīng)用于面團(tuán)的冷凍過程中。Hu 等[37]在25 kHz 與5 種不同超聲功率水平下研究了超聲波對冷凍面團(tuán)質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)超聲功率在288 W 或360 W時，凍結(jié)總時間縮短了11%以上。并且，在冷凍面團(tuán)內(nèi)部形成了大量細(xì)小的冰晶，改善了面團(tuán)的質(zhì)量。此外，Song 等[38]在超聲輔助冷凍濕面筋過程中發(fā)現(xiàn)，超聲空化作用促進(jìn)了濕面筋中冰的初級和次級成核，使其內(nèi)部形成了細(xì)小且均勻的冰晶，有利于減小面筋網(wǎng)絡(luò)的裂化，改善冷凍濕面筋的質(zhì)量。

3 結(jié)論與展望

作為一種新型的食品冷凍技術(shù)，超聲波輔助冷凍能夠有效地提高傳熱傳質(zhì)效率、控制成核與結(jié)晶過程，提高冰晶的質(zhì)量和數(shù)量，提高冷凍速度的同時降低冷凍對食品組織結(jié)構(gòu)的損傷，改善冷凍食品品質(zhì)。其空化效應(yīng)與微流效應(yīng)能較好地保持食品的微觀結(jié)構(gòu)，具有提高冷凍食品持水性和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、修飾食品質(zhì)構(gòu)等優(yōu)點。因此，超聲波輔助冷凍技術(shù)在食品冷凍研究和應(yīng)用中有著廣闊的應(yīng)用前景。但另一方面，超聲波輔助冷凍技術(shù)的一些基礎(chǔ)性研究尚有待完善，超聲波輔助冷凍的機理尚未形成統(tǒng)一的理論，超聲波與其他技術(shù)聯(lián)合使用時的相互作用機理、對復(fù)雜體系中的成核及冰晶生長方面的影響機制等都有待進(jìn)一步研究。此外，超聲波輔助冷凍技術(shù)目前并不是一種成熟的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，盡管已有一些商業(yè)設(shè)備開始使用，但發(fā)展規(guī)模不大，目前仍主要處于實驗室研究階段，因此，與其相關(guān)的應(yīng)用程序和工業(yè)設(shè)備也亟待開發(fā)和推廣。