【趣味·分享】冰晶与冷冻食品之间的故事- 大数跨境

晶云药物

2022-09-29

冷冻食品的发展

Development of Frozen Food

不知从何时起，我们的冰箱冷冻层就已被各种牌子的速冻水饺、汤圆、手抓饼、冷冻肉填满；超市冷柜里，火锅店里的各种丸子，外卖淘宝上的生鲜冷鲜，更是随处可见各种冷冻食品的身影。下班后，相比于花两个小时买菜、洗菜、炒菜、收拾，我更偏向于一碗只需15分钟就能吃到的美味水饺。不得不说，冷冻食品确实解放了我们的双手，给生活带来了诸多便利。再加上这年头疫情的反复，为求心安，家中冰箱常备菜肉已成趋势。根据国家统计局提供数据，2019年全国规模以上冷冻食品工业企业完成营业收入2.01万亿元，同比增长9.5%，增速分别高出全部规模以上工业、全国食品工业营业收入增速5.7、5.3个百分点，实现较高速增长。据中研普华研究院预测，未来10年我国冷冻食品行业将仍处于成长期，预计复合年均增长率10%左右。

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冷冻保鲜本身是一种效果较好、保存时间较长、成本较低的保鲜方法。但这种方法对食物品质究竟有没有什么影响呢？这是某一天小编回家着急做饭，就用热水解冻冻猪肉，却看到了半袋子血水和一些烂掉的肉纤维而引发的思考，那一顿炒肉吃起来没滋没味儿。再细想起来，冰箱里反复冻过的牛肉也早已失去了最开始的血红色泽。想必大家和我有着相同却又容易被忽视的经历吧？就此，小编充分发挥理科生的天赋，并为大家调查清楚造成这一切的幕后黑手——冰晶。下面，就让我们来听听它的“自辩”吧！

大家好，我是冰晶。我对给大家的食物品质造成了影响表示歉意，请允许我从以下几个方面进行解释。

我的出身—水形成冰晶的机理和过程

冰晶的母体是冰，而冰来自于水的冻结，这是众所周知的常识。可是这其中的原理你们知道吗？形成冰晶的关键步骤是成核。

依据“经典成核理论”，纯过冷水结晶是一个均相成核过程，即依靠自身的原子运动形成晶核。如果过冷水中形成了一个半径为r的细小晶体，该区域的能量将会发生变化，由两部分组成：一定体积的液体转变为固体导致的体积自由能下降；细小晶体表面形成液-固相界面，增加了表面自由能。这两部分对总自由能贡献是相反的:

ΔG = VΔGv + ΔG

= 4πr³·ΔGv/3 + 4πr²σ

ΔGv为单位体积内固液吉布斯自由能之差，在过冷水中，为负值；σ为界面能，恒为正值。当细小晶体出现后，能否长大，取决于其体积增加时体系自由能是否下降。当r较小时，表面自由能占主导，随着r的增大，体系吉布斯自由能上升，这种自发过程会不断减小到消失，晶体溶解；当r较大时，体积自由能占主导，随着r的增大，体系吉布斯自由能下降，这种细小晶体就可以长大，称为晶核。

这样就存在一个临界晶核半径r*，使得ΔG出现一个极大值点，即满足

dΔG/dr = 0, 得r* = -2σ/ΔGv

该极大值点的ΔG，就是过冷水均相结晶的自由能能垒。而该能垒与温度相关，对于纯过冷水来说，低于-40 ℃才容易越过自由能能垒形成均相结晶。但在实际生活中，水结冰是异质成核过程，成核发生在液体和固体边界的接触部位。固液界面能降低成核所需的自由能，过冷度相对较低（结晶成核所需要达到的一个温度差，温度要降低到冰点以下），从而更容易结晶。

一旦成核后，冰晶就要开始生长了。众所周知，一切分子都是在不停运动的，只是水分子在形成冰时，分子热运动是减弱的。但初始形成的晶核并不稳定，容易被其他水分子的热运动分散。只有温度继续降低到一定程度，水分子热运动进一步减弱，才能形成稳定的晶核，它为冰晶生长奠定了基础。水分子移动并有秩序的结合到稳定晶核上，也就让冰晶越长越大。

这里所提到的成核与生长，也是控制结晶过程的关键。控制结晶过程可以从调节晶体成核或生长的角度入手，但通常需要同时控制这两种因素。从总体结果的角度出发，需对每个单元参数(如降温速率、晶种添加、反溶剂添加等)进行评估，以确定最关键工艺参数，进而确定成核或生长哪一个对结晶过程起主导作用。

对于结晶过程的控制，传统观点多关注于成核，因为最初形成的晶核的种类、数量和尺寸至关重要。然而，在生长占主导地位之前有多个因素会影响到晶核产生、成核速率和晶核数量，往往导致成核过程难以控制。因此，基于最终原料物理属性的控制要求，须将结晶工艺的重点从成核控制转向生长控制，其中最关键的控制因素即为过饱和度和晶种。

有些时候真的是我身不由己，大家且听我慢慢道来。

我对食品冻结的影响—速/慢冻解冻食品时冰晶行为

对于冰晶的生长，有一个非常重要的影响因素——降温速率。当缓慢冷却时，因降温至食品中水冰点以下的时间很长，初始水分子形成的晶核，易被其他水分子的热运动分散，导致形成稳定晶核的数量减少。同时漫长的降温过程给予水分子充分的时间集中结合到少量稳定晶核上，于是长成了大冰晶；而当快速冷却时，因温度迅速降至过冷温度，即刻形成了大量稳定晶核。同时水分子没有充分的时间集合，于是只能分散到各稳定晶核上，形成了无数只小小的冰晶。

拿到食品冷冻层面来说，有一个更专业的名词——冻结速度，它是指食物表面与中心温度点间的最短距离，与食品表面达到0 ℃以后食品中心温度降到比食品冻结点低10 ℃所需的时间之比。冻结速度的快慢一般可用食品中心温度下降的时间或冻结层伸延的距离来划分。食品的中心温度从-1 ℃下降至-5 ℃所需的时间（即通过最大冰晶生成区的时间），在30 min以内,属于快速冻结，超过30 min则属于慢速冻结。快速冻结常让冰晶呈现针状杆状，粒子大小在0.5~100 μm之间；慢速冻结则常让冰晶呈现圆柱状或块状，粒子大小在100~1000 μm之间。

一切动植物都是由细胞膜或者细胞壁围绕细胞所构成。水分是各生物体的主要成分。动植物类食品中的水分以两种状态存在于细胞内和细胞间隙：一种会与蛋白质、糖类等物质结合参与细胞构成，称为结合水，它的冰点很低，但含量不高；一种大量存在于细胞内外，称为游离水，可作为介质，自由流动。

在慢速冻结中，相较于细胞内的结合水，细胞间隙中的游离水会最先形成冰晶。一旦冰晶形成后，其周边的溶液浓度会增大，细胞内外形成渗透压差，再加上冰晶对细胞造成的挤压甚至于对细胞壁细胞膜造成的破坏，均会导致细胞内水分不断透过细胞壁细胞膜向胞外扩散并聚集在冰晶周围，使其不断长大，进一步体积膨胀。此时此刻，对细胞的不可逆损伤已经造成了，细胞膜破裂，因水分大量析出细胞外造成盐析作用加强致使蛋白质不可逆变性等等。

这种状况下的食品解冻时，冰晶融化形成的游离态汁液很难再被重新吸收，形成“血水”，里面溶有大量的蛋白质、糖类等营养物质。同时因食品细胞损伤，它也失去了原本的形态、营养和风味。

（表格来源于：张懋平. 速冻食品冰晶体形成特性规律的研究[J]. 制冷, 1993(01):50-56.）

而在快速冻结中，冰晶形成的速度远远快于水的扩散速度，细胞内的结合水、游离水、细胞间隙中的游离水几乎同时冻结成无数个小小的冰晶，体积也不再变大，从而不会造成细胞变形和细胞膜破裂，细胞原生质保持完好。

这样的食品解冻时，冰晶融化形成的游离态汁液有可能被迅速吸收使细胞恢复到原有状态，从而最大程度地保持了食品的色香味和营养。

所以，我也真的不是有意要去破坏人类的食物，你们不要一味的责怪我，而是要去想想办法帮我控制住我的体型，从根本上解决问题呀！

来自我的衷心建议—如何改善冰晶影响食品品质

选择速冻食品

国际上公认，当冷冻食品中心温度快速达到-18 ℃，并在此低温下稳定持续地冷藏保存，能最大限度地保持食品原有色香味及品质。

肯定有很多人存在这种偏见——冷冻肉不如新鲜肉。总有人非得起个大早去菜场挑选最新鲜的肉回来，然后吃不完放冰箱存着。何曾想到，这鲜肉从凌晨屠户宰割到七八点来到你的手中，已经长时间暴露在环境中，繁殖了大量微生物。况且，吃不完的鲜肉还得放在速冻效果赶不上专业设备的冰箱里，进一步造成了品质下降。既然如此，何不从一开始就选择来源有保障的冷冻肉，吃多少解冻多少呢？现在国内的速冻设备已经发展的很完善了，速冻食品的产量也大幅提升。不久的将来，随着冷冻/冷藏工艺的进一步改进，冷冻食品的和新鲜食品的差距将会微乎其微。

如何解冻？

再从解冻的角度来考虑，也可以一定程度上缓解冰晶带来的伤害。最常见的，也是生活中会用到的有自然解冻、水解冻（冷水/热水）、微波解冻。研究人员通过试验调查不同解冻方式对速冻蔬菜、肉类等食物的状态及营养的影响时，发现他们各有利弊。这里提供几种具有现实意义的几种方式供大家参考。

空气解冻

以空气为解冻介质，又叫自然解冻。这种解冻方式的成本低，操作简便，适合于体积较大的肉类；但解冻速率慢，肉表面易变色，有一定程度的汁液流失，还会受灰尘污染，滋生大量微生物。推荐把要解冻的食材提前一天放进冷藏室中低温解冻（冷藏解冻），能减少汁液流失且抑制微生物生长，冷冻肉和馒头面包等很适合这种缓慢解冻方法。若情况紧急，也可将冻肉放置于两个铝盘的隔层进行解冻，增强导热，实现快速解冻。

水解冻

以水为解冻介质，解冻速率要更快于空气解冻。但切记勿用热水解冻食材！这种情况下的食品汁液流失非常多，品质也会大大下降。所以水解冻一定要用冷水，且猪肉等肉类食品尽量不要直接浸泡在水中，最好带上包装，以减少微生物繁殖。但对于冻虾，鳗鱼，金枪鱼等各种水产品而言，在静水中解冻不失为一种好方法，研究者们发现此法解冻速率更为均匀，汁液损失率更低，对肌纤维组织的影响更小，从而最大程度保留了冷冻鱼虾的鲜味儿和营养。同时，你可以向水中加入少许食盐，降低水的冰点，更快解冻的同时保证肉质鲜美。

（eg. 不同解冻方式对金枪鱼组织结构的影响：a：空气解冻，鱼肉组织较长时间暴露在空气中，导致微生物大量繁殖，分解组织蛋白质，从而使其失去原本的致密性而呈现出较大间隙；b：静水解冻，效果最佳；c：流水解冻，与水流直接接触的冰晶先行融化，解冻更快，融化的液相水向低压处的鱼肉组织纤维间隙聚集，增大其间隔，从而使其变松散；d：微波解冻，金枪鱼肌肉纤维间隙最大，结缔组织破坏较为严重，这是因为微波对鱼肉直接进行加热，温度最高，使蛋白质遭到较大程度的破坏。）

微波解冻

微波直接作用于食品内部，使食品内部分子相互碰撞，摩擦产热而解冻，食品表面并不与电极接触，从而避免了微生物污染。但对于其对冷冻食品的品质影响，现有研究仍存在争议，常见于外热内冷、解冻不均匀等问题。在使用此方法时，务必注意微波频率（不超过700 W左右中低功率档，现在市售微波炉也会设置有专门的解冻档），解冻物不要太厚，表面覆盖保鲜膜，立取立解冻立烹饪。鱼虾就尽量别用微波解冻了，冷冻水果倒还是蛮合适的。大量研究表明把冷冻草莓、芒果、玉米等放进低功率档的微波炉中稍微叮个几分钟就能迅速解冻，并能较大程度的维持品质。

（eg. 研究发现，微波解冻玉米，耗时最短，汁液流失最少，结构保持最好，总糖含量最高。）

超声波解冻

（图片来源于淘宝）

不用考虑资金问题的话，或许可以在家里置办一台小型超声仪？因为在目前的研究中，超声波解冻算是常用解冻方法中口碑最好的一个。超声波作用于水产生热效应、机械效应和空化效应，一方面空化效应辅助热效应使热量更顺利地传导到食品内部，另一方面机械效应可有效破坏食品内的冰晶，从而加速解冻达到快速稳定地解冻食品的目的。

结语

当然还有更多高科技解冻方式，以及不同解冻方式联用的方法，这里就不一一讲述了，毕竟我们的目的也就是能快速吃上一盘口味无异于新鲜菜的解冻食品，太过繁琐的步骤有些本末倒置，而且上面这些知识对于日常生活来说也足够了。那么，再去看看冰箱里的冷冻菜，你的解冻思路明朗了吗？

参考文献

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苏州晶云药物科技股份有限公司创立于2010年，致力于建立全球领先的晶型研发，制剂开发和生产服务平台，帮助创新药公司加速从临床前候选化合物到上市药物的转化。晶云药物总部位于苏州工业园区生物医药产业园，在美国新泽西州和加拿大多伦多设有分部。

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