定容冷凍,“凍”住最新鮮

2021年12月02日09:58

原標題:定容冷凍,“凍”住最新鮮 來源:光明日報

定容冷凍,“凍”住最新鮮

  冷凍,是我們最熟知的食品保存技術,也是我們每天都在使用的方法。但冷凍的問題也不少,例如冷凍之後食品口感下降、質構破壞和某些營養成分丟失等。那麼,有沒有一種技術,既能讓食品長期保存,又能極大程度地保持口感和營養呢?有的,那就是定容冷凍。這是一種原本用於生物和醫藥製品保存的新方法,但人們發現,在食品保存方面,它也大有可為。

冷凍中的大學問

  低溫能降低生物體內生化反應速率,延長生物活性時間,是我們保存包括食物和生物材料的最主要方法。傳統的低溫冷凍保存過程是在定壓(常壓,1個大氣壓)條件下進行的,食品細胞不可避免地會遭受冷凍損傷,影響冷凍後的品質。

  而生物材料大部分成分是水,同時水在常壓下會在0℃及以下溫度發生凍結。地球上的絕大部分生物生活在1個大氣壓下,因此在常壓下生物材料會在0℃及以下發生凍結,這是常規定壓冷凍方法的基本原理。

  然而常規冷凍方法通常會導致生物體發生一系列不可逆轉的變化,從而降低生物體活性。傳統冷凍方法帶來的效果與冷凍速率密切相關——雖然目前已經發現可行的方法(如慢速冷凍、快速冷凍、玻璃化等)對細胞進行低溫保存,但是對於宏觀的組織和器官而言,由於生物體內部熱阻的存在使得傳熱速率較慢,無法實現玻璃化,導致組織遭受不可逆轉的冰晶損傷和濃度損傷,這是目前生物冷凍技術的最大瓶頸。

  為了降低冷凍過程的細胞損傷,科學家們提出添加冷凍保護劑(如甘油、DMSO等)來進行冷凍保存,然而冷凍保護劑存在三個顯著問題:一是冷凍保護劑具有毒性;二是解凍過程中冰晶反玻璃化會帶來冷凍損傷;三是目前冷凍保護劑大多應用於於細胞的冷凍過程,很難適用於組織器官的保存。因此有必要開發新的冷凍方法來對組織器官進行保存,同時避免冷凍保護劑毒性和冷凍損傷。

  為瞭解決這個問題,近年來科學家們相繼發展出了超高壓冷凍保存、過冷保存和定容冷凍等低溫保存技術。下面,我們簡單地介紹一下這幾種冷凍方法。

  超高壓冷凍保存。1968年,科學家Moor首次提出了這個概念,後來日本京都大學教授林力丸等人於1990年將其應用到食品保存領域。超高壓冷凍首先要在常溫下對液體施加高壓,然後對其降溫到0℃以下(此時水仍以液體形式存在),最後瞬間釋放壓力,使得液體水快速結晶,形成排列規則、體積小的胞內冰,減少冰晶對組織的破壞。

  超高壓冷凍可以對不同的生物進行保存。近年來學者利用超高壓冷凍技術對三文魚、豬肝和黑鱸魚等進行了冷凍保存的研究,結果表明超高壓冷凍能顯著減小冷凍損傷。

  然而在實際生物冷凍應用中,超高壓冷凍技術也存在問題——食品凍結後內部細小冰晶不穩定會導致冷凍損傷,同時超高壓冷凍設備的加工成本高、操作流程也比較複雜。

  過冷保存。過冷是指將生物材料的溫度降低至其凝固點以下而不形成冰晶(過冷態),因此不存在冰晶損傷,可以實現高品質保存。但該方法最大問題是過冷液體並不穩定,從而限制了該方法的實際應用。

  定容冷凍保存。為了避免冷凍損傷,使樣品以穩定的過冷態保存,美國加州大學伯克利分校的Rubinsky教授於2005年提出了定容冷凍(或稱“等容冷凍”)的熱力學概念。該技術一開始主要是針對醫學上器官和生物體的保存,後來逐漸發展應用到了食品低溫保存領域。

  在定容冷凍過程中,系統體積始終保持恒定。隨著等容腔體內水成核結冰,系統內的壓力逐漸升高,從而降低了被保存的生物樣品及其周邊液體的凝固點溫度。由於系統內生物樣品及其周邊液體始終處於過冷液態,不存在冰晶損傷,因此可以實現高品質低溫保存。

  通過上面的描述可以看出,與常壓冷凍、超高壓冷凍和過冷保存等方法相比,定容冷凍直接以穩定的低溫過冷態保存生物材料,具有沒有冰晶損傷和濃度損傷的優點,可以完好保存細胞和組織。

具有極大臨床潛力的定容冷凍

  我們知道,在不同條件下,純水的結冰溫度並不總是0℃。比如,壓力的升高會導致水溶液凝固點的降低。當壓力升高至210MPa時,純水可以在-22℃以上溫度保持液態。定容冷凍就是利用了這一特性,其操作流程為:

  首先,在等容冷凍的腔體內裝滿液體,然後將被保存的生物樣品浸泡在腔體內的液體中;然後,對冷凍腔體進行降溫,當溫度降到0℃以下時,液體會在特定位置(通常遠離細胞或器官)逐漸結冰;隨著溫度的降低,腔體內液冰層逐漸增多;最終,腔體內液體和固體狀態達到共存平衡狀態,生物樣品以低溫過冷態長期保存。

  這樣的方法,有助於解決常壓冷凍帶來的問題——冰晶損傷和細胞內外濃度損傷。相關理論研究結果表明,與常壓系統相比,定容系統的固液相變界面更為穩定,可以減小與樹枝狀晶體形成有關的其他機械損傷,因此定容系統可應用到生物冷凍保存過程中。

  如前所述,定容冷凍原本是為了醫學上保存器官和生物體而開發出來。因此,它在組織器官和生物體的保存實驗中,顯示出了極大的優勢。

  例如,科學家們用定容冷凍方法來保存大鼠心臟,結果表明,與採用常規0℃冰塊中低溫保存的心臟相比,在-4℃定容系統中冷凍的大鼠心臟組織的組織損傷較小,間質水腫更小;同時定容冷凍可以防止心臟保存後血管通透性增加,其生理性能會較好。在胰島細胞的保存實驗中,科學家發現,胰島細胞可以在-3℃定容條件下冷凍保存數天,所保存的胰島沒有出現細胞簇的解離,形態完整性也保持良好。在線蟲的保存實驗中,科學家也發現,採用-5℃條件下的定容冷凍方法保存後的線蟲依然能夠存活。

  這些研究都突顯了定容冷凍在臨床醫學應用上突出的潛在價值。但大家沒有想到的是,在隨後的研究中,定容冷凍在食品保存中也顯示出極大的潛力。

對食品並不友好的冰箱冷凍

  就我們的日常生活而言,冷鏈對於食品保鮮至關重要,冷凍則是食品冷鏈中的一個關鍵環節。

  當溫度降低時,食品中的生理化學變化和微生物的繁殖可以得到有效抑製,從而減緩食品的生命活動和腐壞速度,以維持食品品質,延長新鮮食品的保存期。

  冰箱等應用傳統冷凍方法的設備的發明,極大地延長了食品的保存期,極大地提升了人類的生活質量。但令人頭疼的是,傳統冷凍方法在延長食品保質期的同時,也帶來了其他問題。

  比如,冷凍後的食物口感不好。大家可能都會遇到這樣的問題:當用冰箱冷凍保存葡萄時,會嚴重破壞葡萄的細胞組織,解凍後葡萄出現褐變、變軟,同時腐敗速度加劇。保存草莓也會遇到這樣的問題,解凍後的草莓變軟、出水嚴重,同時腐敗加劇,貨架期變短。

  這是因為傳統的食品冷凍是在“定壓”(常壓)條件下進行的,食品一般在冰箱或者速凍機內完成凍結。但我們都知道,放入冰箱中的食物並不會馬上就被凍住,需要一定的時間。這是因為食品中熱阻的存在,使得對食品降溫的速率較慢,無法實現玻璃化——這是一種介於液態與固態之間的狀態,在這個形態下,細胞結構不會受到破壞。

  無法實現玻璃化的結果就導致冷凍生成的冰晶對食品的組織造成一定損傷,從而破壞食品結構,使口感大減價扣。雖然食品速凍技術從某種程度上可以減小這種冷凍損傷,但其品質降低的問題仍然嚴重。

兩大優勢讓定容冷凍勝出

  那麼,定容冷凍有哪些優勢呢?咱們細細說說它最大的兩個優勢。

  優勢一:提高食品品質。

  解凍後食品好不好吃,這可是判斷一種冷凍方法是不是好的關鍵因素。我們採用三種食材進行了對比。

  首先進行的測試是馬鈴薯。薯條是深受廣大消費者喜愛的食品,馬鈴薯是製作薯條的原料,但是加工或者切塊切條後的馬鈴薯很容易變質。中科院理化所和美國加州大學的科研人員發現,採用定容冷凍保存切塊後的馬鈴薯,可以較大程度保證馬鈴薯不變色,並維持高硬度,其品質顯著優於傳統液氮速凍方法。

  第二項測試則是櫻桃。美國農業部的研究人員利用定容冷凍方法對新鮮櫻桃進行了保存,他們發現,與定壓冷凍相比,定容冷凍減少了櫻桃失水率,並更好地保留了冷凍櫻桃的顏色、質地、質構和抗氧化劑含量。

  最後進行的測試是番茄。美國農業部的科學家分別運用定容冷凍、10℃冷藏、快速冷凍和定壓冷凍對番茄進行冷凍,保存4周後解凍發現,定容冷凍可保持新鮮番茄的質量、體積、顏色、營養成分(抗壞血酸、番茄紅素和酚類)和抗氧化活性,質構破壞最小,品質最高。

  這是因為定容冷凍保存是利用定容腔體內冰膨脹所產生的壓力,來降低食品的凝固點溫度。因此,在定容過程中,食品始終以過冷態保存,不存在冰晶損傷,從而保證了食品品質。

  優勢二:降低冷鏈運行成本,更加環保。

  其實,除了提高食品品質以外,定容冷凍還有一項不容忽視的優勢——環保。

  可能大多數人不太清楚,冷鏈運作成本高昂,是碳排放的“大戶”。根據估計,僅食品冷藏產業所消耗的電量就占全球年用電量的4%,相當於排放6.54×108噸的二氧化碳,帶來直接經濟成本約1200億美元。

  中國科學院理化技術研究所和美國加州大學的科研人員研究發現,由於在定容冷凍保存過程中,食品本身不存在相變,因此可以有效降低設備運行能耗,減少碳排放。經過測算,若在全球範圍內採用定容冷凍保存食品,每年可以減少多達65億千瓦時的能源消耗,同時減少與發電相關的碳排放46億公斤,這相當於馬路上減少約100萬輛汽車的排放量。在碳中和的路上,食品定容冷凍可以說是充分發揮了先鋒模範作用了。這樣看來,使用定容冷凍保存食品,不僅可以避免冰晶對食品帶來的損傷,從而提高食品品質,還可以減少冷鏈在運行過程中的能量消耗,節能減排。

  定容冷凍通過過冷態保存,可克服傳統常壓冷凍過程帶來的機械損傷和溶液損傷,也成為低溫領域研究的焦點領域。目前定容條件下的低溫保存還存在一些未知領域,比如,當生物或生物處於0℃以下定容過冷態時的細胞活性、生化反應、生命活動和保存時間情況如何?針對宏觀生物或生物材料,能不能深入研究不同濃度保護液和冷凍溫度的耦合關係,從而徹底消除定容冷凍帶來的壓力和滲透壓影響?

  然而定容冷凍也不是完美的,仍然存在一些問題,例如冷凍本身產生的高壓對被保存的物料有一定負面作用,操作流程較複雜等。希望隨著科學技術的發展,這些缺陷都能夠進一步被克服。

  科學謎題仍在,但定容冷凍技術已經逐步走出實驗室、走向市場——一些食品企業和生物公司已開始嚐試將該技術應用到食品、藥品和器官等生物材料的保存。隨著技術的進步,相信定容冷凍必會進一步造福人類。

(作者:趙遠恒,系中國科學院理化技術研究所博士)

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