食品玻璃化凍結

食品的玻璃化凍結研究在冷凍加工和貯藏套用廣泛，是影響冷凍製品性質和穩定性的重要參數。冷凍加工的食品完全玻璃化轉變主要套用在冷凍乾燥食品、乾制水產品加工方面，食品部分玻璃化轉變研究主要套用在果蔬貯藏、肉製品貯藏、冰激凌貯藏和冷凍方便食品貯藏等方面。

基本介紹

• 中文名：食品玻璃化凍結
• 外文名：Glassy freezing of food
• 屬性：食品凍結
• 優點：安全穩定
• 原理：玻璃化轉變理論
• 套用：冷凍加工及貯藏

轉變理論

1980年美國食品專家Levince和Slade提出了以食品玻璃和玻璃化轉變溫度為核心的“食品聚合物科學”理論，開創了一條食品科學研究的新途徑。“食品聚合物科學”就是“高聚物的轉變與鬆弛”理論在食品加工和貯藏中的套用體現，其基本思想為：食品材料的分子與人工合成聚合物的分子間有著最基本、最普遍的相似性。若聚合物分子結構變化了，則其巨觀性質也將發生較大變化，藉助這種結構一性質的關係理論，可以把食品的結構特性與其巨觀性質聯繫起來，根據食品材料所處的狀態（如含水量、溫度等），來預測其在加工、貯藏過程中的品質、安全性和穩定性。

優點

凍結食品質量下降的主要因素是結晶、再結晶和酶的活性。而結晶、再結晶和酶的活性是受擴散控制的、在某一特徵溫度下發生的特殊物質的結構鬆弛過程，它們在橡膠態和玻璃態分別受WLF和Arrhenius方程的約束。如果凍結食品處於玻璃態及玻璃化轉變溫度下，食品基質牯度高達10Pa·s，引起食品腐敗變質的各種因素能被有效抑制，因而食品就能安全保存。部分玻璃態的草莓進行玻璃化保藏（-75℃）和普通凍藏（-250C）40d後，前者的質地和持水能力明顯比後者好，就部分地說明了低溫玻璃化保存水果的優點。

在凍藏的不同時期，可溶性蛋白質含量、多酚氧化酶和過氧化物酶活性大幅度變化，說明在食品體系中非晶態高聚物的轉變和鬆弛特性具有多重性。T<T'完成的是整鏈主轉變過程，在T小於強時與主轉變相當的各種鬆弛過程能得到有效抑制，只有在T<Tgg（β轉變溫度，Tgg<Tg）以下，包括與側基轉變即次轉變相當的各種鬆弛過程才能得到有效抑制。Mnes等用核磁共振方法證實了食品體系中的玻璃態未凍液仍然具有高度的流動性，這一結果也說明食品玻璃化保存理論需要進一步研究食品原料處於T<Tgg時的理化特性。

套用

對於玻璃態溫度下凍藏食品的研究越來越受到關注。因為果蔬中的含水量很高，所以不能實現完全的玻璃化，此時玻璃態轉化溫度用Tg表示。純水的Tg約為-135℃，而果蔬中高的含水量使得Tg’很低，液態冷卻是否形成玻璃態，主要取決於動力學因素，冷卻速率足夠快，溫度足夠低，都可以形成玻璃態。例如草莓汁液的Tg’為-42.5℃，要想在如此低的溫度下實現玻璃態凍結，成本會相當的大，因此如何提高Tg成了玻璃態凍結食品的最大問題。加入多糖類物質可以提高Tg，如草莓凍結前先放入多糖溶液中浸泡，使Tg增大，容易實現。李淑媛等在獼猴桃中加入麥芽糖，使其可溶性固形物質量分數達20%左右，DSC測量結果顯示，加入麥芽糖後其玻璃態轉變溫度從原來的-86.818℃變為-31.345℃，比不加麥芽糖的新鮮獼猴桃提高了5℃，提高效果明顯。D. Torregginani等人做了大量的研究，他們在草莓汁中添加了不同的可溶性糖，結果發現添加麥芽糖可以將草莓的Tg'提高近10℃。雖然如此，但t’和-18℃相比仍然有差距，若能尋求一種方法可將Tg’提高到-18℃或接近-18℃，將給實際套用過程帶來巨大的經濟效益。

在實際套用中，儘管玻璃態貯藏能從很大程度上保持食品原有品質，但由於食品水分含量一 都較高，食品中的水溶液濃度較小（特別是蔬菜），而且玻璃化轉變是一個非平衡動力過程，實現完全玻璃化，需要高達10K/S左右的冷卻速率。由於食品材料體積較大，傳熱不充分，實現完全的玻璃化轉變幾乎是不可能的，因此部分結晶的食品玻璃態貯藏是真實食品低溫貯藏的最佳可行途徑。

冷凍加工的食品完全玻璃化轉變主要套用在冷凍乾燥食品、乾制水產品加工方面，食品部分玻璃化轉變研究主要套用在果蔬貯藏、肉製品貯藏、冰激凌貯藏和冷凍方便食品貯藏等方面。

在脫水製品中，產品水分含量很低，可以實現完全玻璃態轉變，水作為增塑劑強烈影響著玻璃化溫度Tg。以冷凍乾燥草莓為例，隨著水分子增加其T2迅速下降。初始無水狀態TG。為60℃，當水分增加到3%時，Tg已降至0"C：當水分為10%時，Tg為-25℃．凍乾草莓外觀表現，在無水狀態時，草莓在室溫下處於玻璃態，能保持其外觀形態；隨著水分的上升，Tg迅速下降，當Tg降到室溫以下時，處於室溫下的草莓便從玻璃態轉向高彈態甚至粘流態，網路結構不能支持凍乾草莓的多孔結構，其形態外觀就不能再保持，從而出現皺縮，塌陷等現象。

而乾制水產品水分含量低，可以實現完全玻璃化轉變。而水產品的Tg，與組成水產品的蛋白質、糖類等高分子化合物和低分子化合物的含量有關，Tg又與其相對分子質量有關。對於多組分組成的水產品而言，由於組分間的相互作用，使得玻璃化情況變得十分複雜，尤其是水產品的含水量對Tg的影響較大。一般來說，水分含量增加1%，Tg下降5℃～10℃。此外，由於水產品組織是一個極其複雜的體系，它的玻璃化轉變行為與均質的糖溶液和單一的高分子有較大的差異。這可以通過鰹節和鱈魚肉等不同品種水產品的玻璃化轉變特性來加以說明。

乾鰹節是保存性極好的日本傳統水產品，不加熱時很堅固，而一經加熱就軟化得像橡膠一樣，具備玻璃化食品的特徵，一般鰹節乾的含水量約為15%時，玻璃化轉變溫度為120℃。當鰹節乾吸水膨脹時，最高只能達到20%左右的含水量，水分再多則不被吸收。而鱈魚肉玻璃化轉變溫度與水分的關係，顯示了鱈魚肉與普通高分子化合物不同的情況，即隨著水分的增加，玻璃化轉變溫度是上升的，當含水量為65%時，其轉變溫度為-75℃，並且當含水量為19%時，其轉變溫度達到最低，為-89℃。這與鰹節變化的情況正好相反，這也說明了水產品內部組織結構的複雜性，不同的水產品，其玻璃化轉交情況是不同的。因而，水產品的冷凍玻璃化貯存的研究應針對不同水產品的特點而展開。