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4.2.2 食品低温冷藏(冻藏)原理

食品按其来源可分为动物性食品与植物性食品两大类。动物性食品包括肉、鱼、禽、 蛋、乳和动物脂肪等,植物性食品包括水果和蔬菜等。

食品的化学成分极其复杂,除水分和挥发性成分外,固形物成分可分为有机物和无机 物两类。有机物中主要有蛋白质、糖类、脂类、维生素及酶等。无机物则有无机盐类和其 他无机物。这些化学成分大部分是人体必需的营养成分,但它们在贮藏期较长的冻藏过 程中要发生变化,以至于影响食品的食用价值和营养价值。因此,研究食品冻藏过程中化 学成分的变化是极为重要的。

据国际制冷学会估计,全世界每年因各种原因所造成腐烂变质的食品占食品年总产 量的45%。解决食品保藏技术,减少食品浪费,提高食品质量,保障人民健康,是目前世 界各国急需解决的问题。目前在众多食品保藏法中,包括冻结和冻藏在内的低温保藏法 应用得最广泛。这是因为低温保藏不仅能抑制微生物和酶类活动,使食品不腐烂变质,而 且还有成本低、保藏质量好等优点。它与其他保藏方法相比,更能保持食品新鲜度、营养 价值和原有风味。所以低温保藏食品的方法越来越受到人们的重视。

新鲜的食品在常温下(20℃左右)存放时,由于附着在食品表面的微生物、食品内所含 酶及非酶的作用下,使食品的色、香、味和营养价值降低。如果久放,会发生腐败或变质, 以致完全不能食用,这种变化叫做食品的变质。引起食品变质的原因主要是微生物作用、 酶作用和非酶作用三类。下面介绍变质过程及冻藏对这些变质因素的抑制作用来阐述食 品的冻藏原理。

4.2.2.1 微生物作用引起的变质及冻藏原理

微生物对食品的破坏作用与食品的种类、成分以及贮藏环境有关。尤其是新鲜的动 物性或植物性食品如肉类、鱼类、蛋类、蔬菜等,由于含水率高,营养丰富,为微生物的繁殖 提供了良好的环境。因此在食品变质的原因中,微生物往往是最主要的。引起食品腐败 的微生物有细菌、酵母和霉菌,其中以细菌引起的变质最为显著。为了很好地保藏食品, 要掌握微生物繁殖和生长的条件,以便更好地采取措施抑制微生物繁殖,保持食品原有的 色、香、味。微生物生长和繁殖的主要条件有水分、温度和营养物。

用低温保藏食品,使食品内部的水分结成冰晶,降低了微生物生命活动和实现生化反 应所必需的液态水的含量,剥夺了微生物生长的第一个条件。

由于微生物种类的不同,其最适温度的界限也不同。根据其最适温度的界限,可将微 生物分为嗜冷性微生物、嗜温性微生物、嗜热性微生物,但不管何种微生物,其最适温度均 在0℃以上,而且大部分腐败细菌属于嗜温性微生物。一般来说,低温只是阻止微生物繁 殖,不能杀死微生物,一旦温度升高,微生物的繁殖也逐渐恢复。在微生物中,细菌对低温 耐力较差,在食品冻结后,部分细菌即死亡,但很少见到细菌死绝的情况。嗜冷性微生物 如霉菌或酵母菌能忍受低温,即使在-8℃的低温下,仍然可发现孢子发芽。个别的致病 菌能忍受极低的温度,甚至在温度为-20~-44.8℃下,也仅起到抑制作用。几种嗜冷性 微生物的最低生长温度见表4-6。降到最低生长温度后,可起到抑制其生长的目的,再 进一步降温时,就会促使微生物的死亡,但在低温下,其死亡速度比在高温下要缓慢得多。 尤其值得注意的是肉毒杆菌和葡萄球菌的耐低温性。据研究,在-16℃下肉毒杆菌能存 活达一年之久;其毒素在-79℃下可保持2个月,在-16℃下可保持14个月。在冷冻蔬 菜中经常发现能产生肠毒素的葡萄球菌,它们对冷冻的抵抗力比一般细菌强,但研究发 现,适当的解冻温度能控制肠毒素的产生。

表4-6 几种微生物的最低生长温度

菌 名 学 名 最低生长

温度/℃

菌 名 学 名 最低生长

温度/℃

肉毒杆菌 Clostridium botulinum Hollond 10左右 大毛霉 Mucor mucedo Bref -2
黑曲菌 Aspergillus niger Van Tiegh 10 乳酸杆菌 Lactcbacillus sp. -4
大肠杆菌 Escherichia coli 2~5 灰绿青霉 Panecillium glaucum Link -5
灰绿曲菌 Aspergillus glacus Link 5 圆酵母 Torula sp. -5~-6
乳粉孢 Oidium lactis Fresenins 2 蔬菜中细菌 Pseudomonas fluoresens Migul -6.7
灰绿葡萄孢 Botrytis cinerea Bers -5 荧光杆菌 Bacterium fluorescens -5~-8.9

除了温度本身,冻结速度对微生物死亡率的影响也不可忽视。食品在冻结前,降温越 迅速,微生物的死亡率越高,这是由于在迅速降温时,微生物细胞对不良的环境条件来不 及适应,导致其死亡,但冻结点以下的冻结过程情况正好相反,即缓冻将导致剩余微生物 的大量死亡,而相比之下冷冻的效果较差。这是因为缓冻会形成大颗粒的冰晶体,对细胞 产生机械性的破坏作用及促进蛋白质变性,导致微生物的死亡率的增加;而冷冻时食品形 成小颗粒的冰晶体对细胞的破坏作用很小,且能及时终止细胞内酶的反应和延缓其胶质 体的变性,因此微生物的死亡率要低得多,一般冷冻食品冻藏前微生物的死亡率仅为原菌 数的50%左右,而在随后的冻藏中,微生物的数量一般总是随着贮藏期的增长而有所减 少,但以贮藏初期减少得最迅速。试验还发现,随着冻藏温度越降低,微生物成活数量反 而增加。

微生物和其他生物一样,也要进行新陈代谢。营养物质中如乳糖、葡萄糖与盐类等简 单物质,直接渗透过微生物细胞膜而进入细胞内,而淀粉、蛋白质、维生素等有机物质,首 先分解成简单物质,然后渗透到微生物细胞内。冻结会使蛋白质变性,因此即使解冻后, 对某些微生物的生长还是能起到抑制作用。

影响微生物生长和繁殖除上述水分、温度、营养物质三个基本条件外,还有其他一些 因素,如pH。大多数细菌在中性或弱碱性的环境中较适宜,霉菌和酵母则在弱酸的环境 中较为适宜。如:在冷冻果蔬前,需进行预处理,可结合保色烫漂,调整pH,以达到控制某 些有害微生物的目的。

4.2.2.2 酶作用引起的变质及冻藏原理

无论是动物性食品或植物性食品,它们本身都含有酶。酶是生物催化剂,可以引起 动、植物体的一系列生化反应,导致食品变质。

酶的活力与温度有关。在0~40℃温度范围内,酶的活力随温度的升高而增大;在 0℃以下酶的活力随温度降低而降低。低温并不能使酶失活,也不能完全抑制酶的作用。 低温下的酶仍能保持部分活力,因而其催化作用实际上也未停止,只是进行得非常缓慢而 已。有些食品在一段时间内会觉察到有不良风味的出现。如脂肪分解酶在-20℃下仍能 引起脂肪的缓慢分解,胰蛋白酶在-30℃下仍有微弱的作用。一般来说,如将食品保持在 -18℃以下的低温,酶的活力会受到很大程度的抑制。因此食品冻结贮藏可以延缓由酶 作用引起的食品变质。冻结贮藏温度应根据酶和食品的种类而定,一般要求在-20℃低 温下贮藏,而对含有不饱和脂肪酸的多脂鱼类及其他食品,则需在-25~-30℃低温下贮 藏,以达到有效抑制酶的作用,防止氧化的目的。为了防止冷冻食品(尤其是冷冻蔬菜)解 冻后酶的重新复活,常常采取冻前短时烫漂使酶彻底灭活的方法。由于过氧化物酶的耐 热性较强,故常以其活性被破坏的程度作为烫漂时间的依据。

4.2.2.3 非酶作用引起的变质及冻藏原理

虽然引起食品变质的化学反应大部分是由于酶的作用,但也有一部分不是与酶直接 有关的化学反应,如油脂的酸败、维生素C氧化和番茄色素氧化等。油脂与空气直接接 触后发生氧化反应,生成醛、酮、酸、内酯、醚等化学物质,并且油脂本身黏度增大,相对密 度增大,出现令人不愉快的油脂酸败味。维生素C很容易被氧化成脱氢维生素C。若脱 氢维生素C继续分解,生成二酮古乐糖酸,则失去维生素C的生理功能。番茄色素是由8 个异戊二烯结合而成,由于其中有较多的共轭双键,故易被空气中氧所氧化。研究表明, 低温结合各种包装对控制这类变化非常有效。

应该指出,无论是细菌、霉菌、酵母等微生物引起的食品变质,或者由酶引起的变质以 及非酶引起的变质,在低温的环境下,可以延缓或减弱它们的作用,但低温并不能完全抑 制它们的作用,因此食品在长期冻藏中,其质量仍然有下降趋势。