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定容冷凍，“凍”住最新鮮

2021-12-02 12:06:18 來源：光明日報(bào)

定容冷凍，“凍”住最新鮮

冷凍，是我們最熟知的食品保存技術(shù)，也是我們每天都在使用的方法。但冷凍的問題也不少，例如冷凍之后食品口感下降、質(zhì)構(gòu)破壞和某些營養(yǎng)成分丟失等。那么，有沒有一種技術(shù)，既能讓食品長期保存，又能極大程度地保持口感和營養(yǎng)呢？有的，那就是定容冷凍。這是一種原本用于生物和醫(yī)藥制品保存的新方法，但人們發(fā)現(xiàn)，在食品保存方面，它也大有可為。

冷凍中的大學(xué)問

低溫能降低生物體內(nèi)生化反應(yīng)速率，延長生物活性時(shí)間，是我們保存包括食物和生物材料的最主要方法。傳統(tǒng)的低溫冷凍保存過程是在定壓(常壓，1個(gè)大氣壓)條件下進(jìn)行的，食品細(xì)胞不可避免地會(huì)遭受冷凍損傷，影響冷凍后的品質(zhì)。

而生物材料大部分成分是水，同時(shí)水在常壓下會(huì)在0℃及以下溫度發(fā)生凍結(jié)。地球上的絕大部分生物生活在1個(gè)大氣壓下，因此在常壓下生物材料會(huì)在0℃及以下發(fā)生凍結(jié)，這是常規(guī)定壓冷凍方法的基本原理。

然而常規(guī)冷凍方法通常會(huì)導(dǎo)致生物體發(fā)生一系列不可逆轉(zhuǎn)的變化，從而降低生物體活性。傳統(tǒng)冷凍方法帶來的效果與冷凍速率密切相關(guān)——雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可行的方法(如慢速冷凍、快速冷凍、玻璃化等)對細(xì)胞進(jìn)行低溫保存，但是對于宏觀的組織和器官而言，由于生物體內(nèi)部熱阻的存在使得傳熱速率較慢，無法實(shí)現(xiàn)玻璃化，導(dǎo)致組織遭受不可逆轉(zhuǎn)的冰晶損傷和濃度損傷，這是目前生物冷凍技術(shù)的最大瓶頸。

為了降低冷凍過程的細(xì)胞損傷，科學(xué)家們提出添加冷凍保護(hù)劑(如甘油、DMSO等)來進(jìn)行冷凍保存，然而冷凍保護(hù)劑存在三個(gè)顯著問題：一是冷凍保護(hù)劑具有毒性；二是解凍過程中冰晶反玻璃化會(huì)帶來冷凍損傷；三是目前冷凍保護(hù)劑大多應(yīng)用于于細(xì)胞的冷凍過程，很難適用于組織器官的保存。因此有必要開發(fā)新的冷凍方法來對組織器官進(jìn)行保存，同時(shí)避免冷凍保護(hù)劑毒性和冷凍損傷。

為了解決這個(gè)問題，近年來科學(xué)家們相繼發(fā)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(shù)。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(xué)家Moor首次提出了這個(gè)概念，后來日本京都大學(xué)教授林力丸等人于1990年將其應(yīng)用到食品保存領(lǐng)域。超高壓冷凍首先要在常溫下對液體施加高壓，然后對其降溫到0℃以下(此時(shí)水仍以液體形式存在)，最后瞬間釋放壓力，使得液體水快速結(jié)晶，形成排列規(guī)則、體積小的胞內(nèi)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(jìn)行保存。近年來學(xué)者利用超高壓冷凍技術(shù)對三文魚、豬肝和黑鱸魚等進(jìn)行了冷凍保存的研究，結(jié)果表明超高壓冷凍能顯著減小冷凍損傷。

然而在實(shí)際生物冷凍應(yīng)用中，超高壓冷凍技術(shù)也存在問題——食品凍結(jié)后內(nèi)部細(xì)小冰晶不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致冷凍損傷，同時(shí)超高壓冷凍設(shè)備的加工成本高、操作流程也比較復(fù)雜。

過冷保存。過冷是指將生物材料的溫度降低至其凝固點(diǎn)以下而不形成冰晶(過冷態(tài))，因此不存在冰晶損傷，可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)保存。但該方法最大問題是過冷液體并不穩(wěn)定，從而限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用。

定容冷凍保存。為了避免冷凍損傷，使樣品以穩(wěn)定的過冷態(tài)保存，美國加州大學(xué)伯克利分校的Rubinsky教授于2005年提出了定容冷凍(或稱“等容冷凍”)的熱力學(xué)概念。該技術(shù)一開始主要是針對醫(yī)學(xué)上器官和生物體的保存，后來逐漸發(fā)展應(yīng)用到了食品低溫保存領(lǐng)域。

在定容冷凍過程中，系統(tǒng)體積始終保持恒定。隨著等容腔體內(nèi)水成核結(jié)冰，系統(tǒng)內(nèi)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(diǎn)溫度。由于系統(tǒng)內(nèi)生物樣品及其周邊液體始終處于過冷液態(tài)，不存在冰晶損傷，因此可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)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(wěn)定的低溫過冷態(tài)保存生物材料，具有沒有冰晶損傷和濃度損傷的優(yōu)點(diǎn)，可以完好保存細(xì)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(jié)冰溫度并不總是0℃。比如，壓力的升高會(huì)導(dǎo)致水溶液凝固點(diǎn)的降低。當(dāng)壓力升高至210MPa時(shí)，純水可以在-22℃以上溫度保持液態(tài)。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(nèi)裝滿液體，然后將被保存的生物樣品浸泡在腔體內(nèi)的液體中；然后，對冷凍腔體進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度降到0℃以下時(shí)，液體會(huì)在特定位置(通常遠(yuǎn)離細(xì)胞或器官)逐漸結(jié)冰；隨著溫度的降低，腔體內(nèi)液冰層逐漸增多；最終，腔體內(nèi)液體和固體狀態(tài)達(dá)到共存平衡狀態(tài)，生物樣品以低溫過冷態(tài)長期保存。

這樣的方法，有助于解決常壓冷凍帶來的問題——冰晶損傷和細(xì)胞內(nèi)外濃度損傷。相關(guān)理論研究結(jié)果表明，與常壓系統(tǒng)相比，定容系統(tǒng)的固液相變界面更為穩(wěn)定，可以減小與樹枝狀晶體形成有關(guān)的其他機(jī)械損傷，因此定容系統(tǒng)可應(yīng)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(yī)學(xué)上保存器官和生物體而開發(fā)出來。因此，它在組織器官和生物體的保存實(shí)驗(yàn)中，顯示出了極大的優(yōu)勢。

例如，科學(xué)家們用定容冷凍方法來保存大鼠心臟，結(jié)果表明，與采用常規(guī)0℃冰塊中低溫保存的心臟相比，在-4℃定容系統(tǒng)中冷凍的大鼠心臟組織的組織損傷較小，間質(zhì)水腫更小；同時(shí)定容冷凍可以防止心臟保存后血管通透性增加，其生理性能會(huì)較好。在胰島細(xì)胞的保存實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，胰島細(xì)胞可以在-3℃定容條件下冷凍保存數(shù)天，所保存的胰島沒有出現(xiàn)細(xì)胞簇的解離，形態(tài)完整性也保持良好。在線蟲的保存實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，采用-5℃條件下的定容冷凍方法保存后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(yī)學(xué)應(yīng)用上突出的潛在價(jià)值。但大家沒有想到的是，在隨后的研究中，定容冷凍在食品保存中也顯示出極大的潛力。

對食品并不友好的冰箱冷凍

就我們的日常生活而言，冷鏈對于食品保鮮至關(guān)重要，冷凍則是食品冷鏈中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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

冰箱等應(yīng)用傳統(tǒng)冷凍方法的設(shè)備的發(fā)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(zhì)量。但令人頭疼的是，傳統(tǒng)冷凍方法在延長食品保質(zhì)期的同時(shí)，也帶來了其他問題。

比如，冷凍后的食物口感不好。大家可能都會(huì)遇到這樣的問題：當(dāng)用冰箱冷凍保存葡萄時(shí)，會(huì)嚴(yán)重破壞葡萄的細(xì)胞組織，解凍后葡萄出現(xiàn)褐變、變軟，同時(shí)腐敗速度加劇。保存草莓也會(huì)遇到這樣的問題，解凍后的草莓變軟、出水嚴(yán)重，同時(shí)腐敗加劇，貨架期變短。

這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的食品冷凍是在“定壓”(常壓)條件下進(jìn)行的，食品一般在冰箱或者速凍機(jī)內(nèi)完成凍結(jié)。但我們都知道，放入冰箱中的食物并不會(huì)馬上就被凍住，需要一定的時(shí)間。這是因?yàn)槭称分袩嶙璧拇嬖?，使得對食品降溫的速率較慢，無法實(shí)現(xiàn)玻璃化——這是一種介于液態(tài)與固態(tài)之間的狀態(tài)，在這個(gè)形態(tài)下，細(xì)胞結(jié)構(gòu)不會(huì)受到破壞。

無法實(shí)現(xiàn)玻璃化的結(jié)果就導(dǎo)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(jié)構(gòu)，使口感大打折扣。雖然食品速凍技術(shù)從某種程度上可以減小這種冷凍損傷，但其品質(zhì)降低的問題仍然嚴(yán)重。

兩大優(yōu)勢讓定容冷凍勝出

那么，定容冷凍有哪些優(yōu)勢呢？咱們細(xì)細(xì)說說它最大的兩個(gè)優(yōu)勢。

優(yōu)勢一：提高食品品質(zhì)。

解凍后食品好不好吃，這可是判斷一種冷凍方法是不是好的關(guān)鍵因素。我們采用三種食材進(jìn)行了對比。

首先進(jìn)行的測試是馬鈴薯。薯?xiàng)l是深受廣大消費(fèi)者喜愛的食品，馬鈴薯是制作薯?xiàng)l的原料，但是加工或者切塊切條后的馬鈴薯很容易變質(zhì)。中科院理化所和美國加州大學(xué)的科研人員發(fā)現(xiàn)，采用定容冷凍保存切塊后的馬鈴薯，可以較大程度保證馬鈴薯不變色，并維持高硬度，其品質(zhì)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)液氮速凍方法。

第二項(xiàng)測試則是櫻桃。美國農(nóng)業(yè)部的研究人員利用定容冷凍方法對新鮮櫻桃進(jìn)行了保存，他們發(fā)現(xiàn)，與定壓冷凍相比，定容冷凍減少了櫻桃失水率，并更好地保留了冷凍櫻桃的顏色、質(zhì)地、質(zhì)構(gòu)和抗氧化劑含量。

最后進(jìn)行的測試是番茄。美國農(nóng)業(yè)部的科學(xué)家分別運(yùn)用定容冷凍、10℃冷藏、快速冷凍和定壓冷凍對番茄進(jìn)行冷凍，保存4周后解凍發(fā)現(xiàn)，定容冷凍可保持新鮮番茄的質(zhì)量、體積、顏色、營養(yǎng)成分(抗壞血酸、番茄紅素和酚類)和抗氧化活性，質(zhì)構(gòu)破壞最小，品質(zhì)最高。

這是因?yàn)槎ㄈ堇鋬霰４媸抢枚ㄈ萸惑w內(nèi)冰膨脹所產(chǎn)生的壓力，來降低食品的凝固點(diǎn)溫度。因此，在定容過程中，食品始終以過冷態(tài)保存，不存在冰晶損傷，從而保證了食品品質(zhì)。

優(yōu)勢二：降低冷鏈運(yùn)行成本，更加環(huán)保。

其實(shí)，除了提高食品品質(zhì)以外，定容冷凍還有一項(xiàng)不容忽視的優(yōu)勢——環(huán)保。

可能大多數(shù)人不太清楚，冷鏈運(yùn)作成本高昂，是碳排放的“大戶”。根據(jù)估計(jì)，僅食品冷藏產(chǎn)業(yè)所消耗的電量就占全球年用電量的4%，相當(dāng)于排放6.54×108噸的二氧化碳，帶來直接經(jīng)濟(jì)成本約1200億美元。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所和美國加州大學(xué)的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，由于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(shè)備運(yùn)行能耗，減少碳排放。經(jīng)過測算，若在全球范圍內(nèi)采用定容冷凍保存食品，每年可以減少多達(dá)65億千瓦時(shí)的能源消耗，同時(shí)減少與發(fā)電相關(guān)的碳排放46億公斤，這相當(dāng)于馬路上減少約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(fā)揮了先鋒模范作用了。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(zhì)，還可以減少冷鏈在運(yùn)行過程中的能量消耗，節(jié)能減排。

定容冷凍通過過冷態(tài)保存，可克服傳統(tǒng)常壓冷凍過程帶來的機(jī)械損傷和溶液損傷，也成為低溫領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)領(lǐng)域。目前定容條件下的低溫保存還存在一些未知領(lǐng)域，比如，當(dāng)生物或生物處于0℃以下定容過冷態(tài)時(shí)的細(xì)胞活性、生化反應(yīng)、生命活動(dòng)和保存時(shí)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(hù)液和冷凍溫度的耦合關(guān)系，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(chǎn)生的高壓對被保存的物料有一定負(fù)面作用，操作流程較復(fù)雜等。希望隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些缺陷都能夠進(jìn)一步被克服。

科學(xué)謎題仍在，但定容冷凍技術(shù)已經(jīng)逐步走出實(shí)驗(yàn)室、走向市場——一些食品企業(yè)和生物公司已開始嘗試將該技術(shù)應(yīng)用到食品、藥品和器官等生物材料的保存。隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信定容冷凍必會(huì)進(jìn)一步造福人類。

(作者：趙遠(yuǎn)恒，系中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所博士)

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