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冰核细菌对模拟食品冷冻特性的影响研究

王海鹰  
【摘要】: 食品冷冻耗能较大,冷冻过程中形成的冰晶尺寸大小直接影响冷冻后食品的质量。冰核活性细菌具有在较高温度下形成异质冰晶的能力,可以在一定程度上提高食品冷冻过程中的冰核生成温度、缩短冻结时间、减小冰晶的最终尺寸,有利于减少冷冻过程中的能源消耗,改善冻后食品的质量。但是,由于冰核细菌作为生物添加剂用于食品冷冻的研究涉及细菌生物学、食品工程科学以及热物理等多门学科领域,相关研究受到制约,还存在许多问题。为此,本文以探索食品内成核活性单元数对食品冷冻性质的影响规律为目的,进行了如下实验和理论研究: 1、选取丁香假单胞菌作为冰核细菌,进行了实验室培养,并测量了获得的菌液的冰核浓度。Vali小液滴冻结法-7℃检测得到经培养的两个批次的冰核细菌菌液内的成核活性单元数分别为3.29×10~4 INA/mL和6.9×10~5 INA/mL。 2、实验研究了冷冻温度、样品尺寸以及成核活性单元数对样品冻结特性的影响。通过实验观察到以下现象:冷冻温度越低、样品尺寸越大,则样品过冷度越小;冰核细菌的冰核活性作用的发挥与样品体积和冷冻温度有关,在冷冻温度较低、样品尺寸较大时,添加冰核细菌对食品过冷度和冷冻时间的影响减弱;成核活性单元数的大小不影响食品的初始冻结温度。另外,测得的10%蔗糖溶液、0.9%NaCl溶液和77%Tylose固态模拟食品的过冷度与成核活性单元数的关系可以采用形如ΔT=a-bexp(-kC)的表达式来描述,式中C代表单位体积内的成核活性单元数,a、b和k为常数。从本文实验结果我们可以推测,不同成核活性单元数的样品中蛋白质的聚集程度不同,作为异质成核粒子的聚集冰核蛋白表面积和体积的大小是造成样品过冷度变化的主要原因。 3、实验研究了冰核细菌对77%Tylose样品玻璃化转变温度及熔融潜热的影响。差示扫描量热法(DSC)测试结果表明,未添加冰核细菌的77%Tylose的熔融潜热为203 J/g,玻璃化转变温度为-52.5℃,当样品内成核活性单元数为7.60×10~3 INA/g时,样品的熔融潜热为209 J/g,玻璃化转变温度为-47.0℃,均略有提高。 4、实验研究了冰核细菌对冰晶大小的影响。将样品进行冷冻-干燥处理,然后采用扫描电子显微镜观察,并进行图像分析。在成核活性单元数分别为0、2.53×10~3及7.60×10~3 INA/g时,经冷冻的77%Tylose固态模拟食品内的冰晶平均当量直径分别为25.7、15.8及15.4μm。这说明冰核细菌的添加有利于减小样品内冰晶尺寸,对改善冷冻食品品质有帮助。 5、建立了考虑冰核细菌影响的食品冷冻过程的数学物理模型。该模型选取Succar半经验公式和Pham公式计算模拟食品的密度、比热容及热导率,考虑了通过实验得到的过冷度与成核活性单元数之间的关系。应用该模型对77%Tylose模拟食品(甲基纤维素固体胶冻)的冷冻过程进行了模拟计算,并与实验结果进行了比较,冷冻时间的模拟计算值与实验值间平均偏差小于10%。 6、以微冻保鲜、冷库冻结间冷冻及瘦牛肉丸流态化单体速冻为例,计算了不同冰核细菌添加量对单位时间产量的影响。结果表明,冰核细菌的添加对冷冻时间的影响程度和冷冻条件有关,对于冷冻温度不能太低的情况,冰核细菌的添加有利于冷冻时间的缩短,从而提高单位时间内的产量,提高冷冻加工效率。 本文的研究结果表明,冰核细菌在食品冷冻中的应用效果与多种因素都有关系。添加冰核细菌对食品冷冻时间的影响可以用数学物理模型来进行描述,并通过模拟计算的方式予以预测。冰核细菌能够减小冷冻过程最终形成的冰晶尺寸,具有改善冷冻食品品质的潜在应用前景。


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