速凍食品加工理論基礎(chǔ)

1、1,速凍食品加工的理論基礎(chǔ),2,速凍食品加工的理論基礎(chǔ),3,試管嬰兒,卵子從母體取出后，培養(yǎng)5-6天形成囊胚，囊胚經(jīng)過玻璃化冷凍后，隨后解凍再進(jìn)行囊胚移植，將使妊娠率達(dá)到60%70%甚至以上。,4,速凍食品加工的理論基礎(chǔ),速凍食品是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的新型食品，由于它具有方便、衛(wèi)生、價(jià)廉質(zhì)優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，故進(jìn)入70年代后迅速發(fā)展，到90年代已成為世界上發(fā)展最迅速的食品產(chǎn)業(yè)之一。,5,食品速凍技術(shù)是目前國際公認(rèn)的食品最佳保藏技術(shù), 食品的低溫玻璃化保存是近十年發(fā)展起來的一門新學(xué)科。由于食品是多相、多組分、非均質(zhì)且是物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的極其復(fù)雜的系統(tǒng), 另外在食品凍結(jié)和貯藏過程中涉及到生物化學(xué)、物

2、理化學(xué)等方面的變化，所以目前從整個(gè)行業(yè)來看，對速凍食品并沒有進(jìn)行很深入很透徹的剖析和研究。,6,玻璃態(tài)及玻璃化轉(zhuǎn)變理論,1966年，White和Cokebread首次講述了含有糖分的食品的玻璃態(tài)及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度問題。主要包括：在各種含水的食品體系中，玻璃態(tài)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與儲(chǔ)藏溫度的差別，對于食品加工、儲(chǔ)藏的安全性與穩(wěn)定性都是十分重要的。 其中，水作為一種增塑劑，對食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度影響很大，食品體系中的含水量越大，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低，在加工與保藏的過程中其玻璃化也越難實(shí)現(xiàn)。以上的有關(guān)食品的玻璃態(tài)及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度問題一直以來被看作是“食品聚合物科學(xué)”的先導(dǎo)。,7,近

3、年來，廣大食品科學(xué)工作者對此也進(jìn)行了大量的研究，基本思想是：食品材料的分子與人工合成聚合物的分子間具有相似性。如果聚合物分子結(jié)構(gòu)變化了，則其宏觀性質(zhì)也將發(fā)生變化，在聚合物科學(xué)中，這種結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系已經(jīng)形成較為完善的理論體系。由此我們根據(jù)食品材料的狀態(tài)，就能預(yù)測其加工及保藏的性質(zhì)。,8,玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)被稱為無定形聚合物的三種力學(xué)狀態(tài)。,9,玻璃態(tài),玻璃態(tài)是指當(dāng)非晶高聚物的溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）時(shí)，高分子鏈段運(yùn)動(dòng)既缺乏足夠的能量以越過內(nèi)旋轉(zhuǎn)所要克服的能量壁壘，又沒有足夠的自由體積，鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，高分子材料失去柔性，成為類似玻璃狀的無定形的固體。表現(xiàn)為高分子構(gòu)象被凍結(jié)，體系與環(huán)境

4、之間由擴(kuò)散控制的物質(zhì)交換及化學(xué)反應(yīng)在動(dòng)力學(xué)上受阻，因而體系具有良好的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性。,10,可以預(yù)見，如果將食品在其玻璃化溫度下保藏，體系中諸如由蛋白質(zhì)、多糖等具有結(jié)構(gòu)功能性大分子的構(gòu)象重排所引起的食品質(zhì)構(gòu)的變化以及風(fēng)味物質(zhì)的散失等現(xiàn)象就會(huì)被抑制，從而大大提高食品質(zhì)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的穩(wěn)定性。,11,當(dāng)處于玻璃態(tài)的物質(zhì)溫度升高至某一個(gè)溫度時(shí)，鏈段的運(yùn)動(dòng)受到激發(fā)，但整個(gè)分子鏈仍處于凍結(jié)狀態(tài)。受到外力作用時(shí)，無定形聚合物表現(xiàn)出很大的形變。外力解除后又能恢復(fù)原來的狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做高彈態(tài)。,12,溫度繼續(xù)升高，不僅鏈段可以運(yùn)動(dòng)，整個(gè)分子鏈都可運(yùn)動(dòng)，無定形聚合物表現(xiàn)出粘性流動(dòng)的狀態(tài)，即粘流態(tài)。,13

5、,隨著溫度的升高，當(dāng)聚合物發(fā)生由玻璃態(tài)向高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)，即玻璃化轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變溫度為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，用Tg表示。,14,目前，國內(nèi)外關(guān)于冷凍食品低溫穩(wěn)定性的研究焦點(diǎn)是未凍結(jié)的冷凍濃縮相的玻璃化轉(zhuǎn)變。冷凍食品中未凍結(jié)水的存在加劇了酶促反應(yīng)和重結(jié)晶現(xiàn)象，縮短了食品的貨架壽命。在較高的冷藏溫度、較大的溫度波動(dòng)和較長的貯存期間下，產(chǎn)品質(zhì)量的下降會(huì)更加嚴(yán)重，尤其是那些含有較多未凍結(jié)水，易形成結(jié)晶的食品。,15,但當(dāng)處于玻璃態(tài)時(shí)，食品體系具有很高的粘度，分子擴(kuò)散速率極低，體系處于亞穩(wěn)態(tài)，對酶促反應(yīng)和重結(jié)晶現(xiàn)象都很穩(wěn)定。因此，可以通過在玻璃化溫度以下貯存食品，或提高食品體系的玻璃化溫度來緩解冷凍食品品質(zhì)的劣變

6、。,16,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定及預(yù)測,要進(jìn)行食品的玻璃化加工與保藏，就要確定食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值，目前準(zhǔn)確的測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常都是非常困難的，而且所得值通常受樣品的組成、樣品的熱歷史、設(shè)備類型等試驗(yàn)條件的影響，目前還沒有一種簡單快捷的方法準(zhǔn)確測定某一種物質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 。,17,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度沒有固定的數(shù)值，往往隨測定方法和條件而變。因此，在標(biāo)出某種材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，必須注明測定的方法和條件。研究者在利用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度對材料性能進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)考慮其測試條件和方法。目前人們大多是測定食品的各個(gè)組成成分的Tg值，然后按照下列方法來確定食品系統(tǒng)的Tg值。Tg=W1Tg1+K W2

7、Tg2/W1+KW2 W1、W2為樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Tg1，Tg2為樣品1和樣品2的玻璃化轉(zhuǎn)變值，K是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。,18,差示掃描量熱法(DSC)測定Tg,DSC是傳統(tǒng)的測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的方法，也是目前被廣泛采用的一種測定食品Tg的方法，DSC用于研究食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變是當(dāng)樣品發(fā)生相變、玻璃化轉(zhuǎn)變和化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)吸收和釋放熱量，補(bǔ)償器就可以測量出如何增加或減少熱流才能保持樣品和參照物溫度一致。,19,差示掃描量熱計(jì),20,在加熱掃描過程中，當(dāng)體系發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)，吸熱曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臺階，此時(shí)的溫度就是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。DSC對食品體系中Tg的測定在研究和實(shí)踐中有非常重要的作用 。,21,目前在食品方

8、面主要是用于研究谷物和淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變。近年來在果蔬保藏、魚肉制品加工保藏，以及蜂蜜制品方面的應(yīng)用也越來越多。這些方面的研究可以為生產(chǎn)實(shí)踐提供更好的加工保藏工藝參數(shù)。但是用DSC也有兩個(gè)不足之處:主要表現(xiàn)在用DSC法測量Tg.時(shí)靈敏度比熱機(jī)械方法小, 表現(xiàn)在DSC曲線上玻璃化轉(zhuǎn)變的臺階較小; 另外在一些復(fù)雜的食品體系中, 會(huì)出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變的DSC曲線上有幾個(gè)突變,可能引起對Tg.的誤判。,22,為了克服這些不足，食品研究人員開始采用一種新的方法，低溫顯微DSC系統(tǒng)測定食品的Tg，該法同時(shí)用低溫顯微的光學(xué)信息和DSC的熱學(xué)信息兩種方法來測定Tg，取得了良好的效果。,23,動(dòng)力機(jī)械分析法(DMA)

9、測定Tg,DMA是在程控溫度和振動(dòng)負(fù)荷下測定物質(zhì)的動(dòng)態(tài)模量和力學(xué)損耗與溫度的關(guān)系的一項(xiàng)技術(shù), 力學(xué)損耗峰對應(yīng)的溫度可看作是物質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。用DMA測定熱固性材料的Tg時(shí)非常靈敏, 因此它是測定熱固性材料玻璃化轉(zhuǎn)變的有效工具, 同時(shí)也被廣泛用于研究食品體系中的玻璃化轉(zhuǎn)變。,24,當(dāng)前DMA在測定食品體系中玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)有著較為廣泛的應(yīng)用。相比于DSC，DMA在測定熱固性食品時(shí)具有較高的靈敏度，但DMA在使用時(shí)也受到一定的限制，由于它測定的樣品必須為可變形的固體樣品， 因而不能用于測定粉末和半固態(tài)樣品。另外，由于DMA對樣品的物理尺寸相當(dāng)敏感，因此為了得到重復(fù)性較好的結(jié)果，必須對樣

10、品進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。,25,動(dòng)力機(jī)械熱分析法(DMTA)測定Tg,DMTA是測定材料在交變應(yīng)力(或應(yīng)變)作用下，作出的應(yīng)力(或應(yīng)變)響應(yīng)隨頻率變化的現(xiàn)代科學(xué)分析方法。它是通過分子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)來表征材料的特性。對樣品施加一個(gè)可變振幅的正弦交變應(yīng)力作用時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)預(yù)選振幅的正弦應(yīng)變，對粘彈性樣品的應(yīng)變會(huì)滯后一定的相位角。,26,食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變在本質(zhì)上講是一個(gè)動(dòng)力過程，因此DMTA能較準(zhǔn)確地測定食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。DMTA在測定食品體系中玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，雖然具有較高的靈敏度，但在使用時(shí)也受到一定的限制，DMTA一般用于測定可變形的固體樣品，對于粉末樣品，必須先將樣品壓制成圓柱狀，此外，

11、DMTA在測試過程中，因?yàn)轫氂休^大的樣品室，樣品會(huì)有較大的水氣損失，影響測定的準(zhǔn)確性。,27,核磁共振法(NMR)測定Tg,NMR是一種通過分析活性核的弛豫特性而測定分子運(yùn)動(dòng)特性的技術(shù)。聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)是分子運(yùn)動(dòng)。聚合物由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)時(shí)，含有質(zhì)子的基團(tuán)運(yùn)動(dòng)頻率增加。質(zhì)子活動(dòng)性的改變可以用NMR測定。用這種方法研究和測定食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變及Tg是非常有效的。,28,雖然食品體系中的Tg通常采用DSC、DMA和DMTA等方法測定，但這些方法對一些具有特殊尺寸和形狀的樣品使用時(shí)受到一定的限制。如以上所述的：DSC使用的樣品量非常少，對那些非均相食品，所取得的樣品可能不具有代表性。DMA

12、和DMTA方法要求樣品為可變形固體樣品，因而不適宜測定粉末和半固態(tài)樣品。因此DSC、DMA和DMTA等方法測定食品體系中的Tg時(shí)，有時(shí)具有一定的困難。NMR可以快速、實(shí)時(shí)、全方位、定量的研究樣品，并對樣品不具侵入和破壞性，靈敏度高，在研究食品的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和Tg中得到了較好的應(yīng)用。,29,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測量方法的發(fā)展趨勢,研究表明，不同的測定技術(shù)只對溶液相應(yīng)的熱、機(jī)械、力、電等性質(zhì)具有敏感性，所以各種不同的儀器在測定食品材料的Tg時(shí)，存在各自的缺點(diǎn)。,30,Reid等人認(rèn)為, 僅僅依靠一種儀器來確定Tg.是不準(zhǔn)確的，最有利的工具是幾種儀器的組合。為此，許多人用兩種或兩種以上的儀器來測定同一溶液

13、的Tg，如Kalickevsky等人用DSC、DMTA和NMR測定了原淀粉、谷朊粉蔗糖混合溶液的Tg值；Sahagian等人用DSC、TMA和NMR測定了黃原膠對凍結(jié)蔗糖溶液的Tg值的影響；Ollett等人用DSC和粘度計(jì)測定了葡萄糖過冷溶融物的Tg值等。這些研究表明，各種不同的儀器在測定食品材料的Tg時(shí)，存在各自的缺點(diǎn)。但把這些技術(shù)結(jié)合起來，就可以從各個(gè)方面反映玻璃化轉(zhuǎn)變這一動(dòng)力過程，測定結(jié)果比單一儀器有較大的改善。,31,因此，今后的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測量方法的發(fā)展趨勢應(yīng)該是考慮將幾種用來測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的設(shè)備聯(lián)合使用以彌補(bǔ)單一的測定方法的不足的方向發(fā)展。,32,玻璃化理論在速凍食品加工保藏中的應(yīng)用展望,冷凍玻璃化加工與保藏食品是保持食品長時(shí)間質(zhì)構(gòu)和化學(xué)組成穩(wěn)定性的有效手段。通過冷凍條件控制和添加劑的合理使用可以改善玻璃化保藏食品的質(zhì)量，達(dá)到理想的保藏效果。另外食品的各種成分對于其體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)產(chǎn)生重要的影響，了解食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與食品中各成分的關(guān)系對于食品加工和貯藏都有極好的指導(dǎo)意義。,33,但食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度