孙聿尧，谢晶,3,4*，王金锋,3

1(上海海洋大学 食品学院，上海，201306)2(上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海，201306) 3(上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海，201306) 4(上海海洋大学 食品科学与工程国家级实验教学示范中心，上海，201306)

随着社会的快速发展，人们对高品质冷冻食品的需求越来越大，因此人们着力于研究冷冻食品的冻藏和解冻。冻藏是将食品保藏在冰点以下的温度，降低各种酶与微生物的影响。解冻则是将处于冰点以下的冷冻食品的冻结状态解除，使它们尽量恢复至冻结前的食品品质。与冻藏过程相比，解冻过程更易使食品的鲜度、口感和营养物质破坏，因此在冷冻食品解冻时更需进行严格的控制。

解冻方式有空气解冻、水解冻、电解冻等。由于食品解冻过程中，酶和微生物的活性会逐渐恢复，因此使解冻后食品的品质接近于冻结前的食品品质是十分重要的，且不同的解冻方式所产生的效果是不同的[1]。

解冻速率和冷冻食品在解冻过程中的品质变化是对解冻方式评价的重要指标。找到一种解冻速率高且对冷冻食品品质破坏小的解冻方式将对食品解冻产生十分积极的影响。

1 传统解冻方式的解冻机制及研究进展

1.1 三种传统解冻方式的解冻机制

1.1.1 空气解冻

空气解冻属于传统解冻方式，该方式主要是将冷冻食品放置于解冻室中，通过对空气的流速、温度、湿度和风向进行调控，实现食品在合适的状态下解冻[2]。解冻室中可利用加热器进行辅助，对冷冻食品进行加热，促进食品与室内热环境的热交换，融化食品内部的冰晶[1]。

空气解冻时间长，食品品质下降较多，且难以将解冻室内状态长期控制在适合解冻的范围内[3]。可以提高空气的流速,缩短空气解冻时间，但在该过程中，食品干耗加剧，会对食品鲜度、风味和口感造成破坏[4]。

1.1.2 水解冻

水解冻主要是在常压状态下利用水对冷冻食品进行解冻，解冻速率较快、食品的质量损失较小[5]。在水流经冷冻食品的表面时，会将食品内所含的可溶性物质带走，降低食品的营养价值[6]。在常温无保护的情况下，与空气解冻相比，对冻鱼水解冻所产生的营养成分损失较大[7]。由于水中会夹杂微生物，对冷冻食品进行水解冻可能会产生微生物污染[8]。在进行水解冻前需先用保鲜膜对冷冻食品进行包裹，这样可以极大地减少食品营养成分的流失，降低微生物的污染[9]。

对食品水解冻时，提高水温可提升解冻速率，但会增加食品内营养物质的流失，因此一般进行水解冻时会将水温控制在0～2 ℃，并在食品外部用保鲜膜进行保护[10]。

1.1.3 电解冻

电解冻主要是将冷冻食品连接在电路中，充当电阻，利用电流产生热能进行加热[11]，实现解冻。冷冻食品的厚度不会影响加热穿透的深度，也不会形成较大的温度梯度，因此解冻比较均匀[12]。利用交变电场产生摩擦生热也可解冻，其中以微波解冻的解冻能力最强[13]。

与空气解冻和水解冻相比，电解冻的控制要求较高，但对于食品内营养价值的保护效果较好。

1.2 传统解冻方式的研究进展

传统解冻方式在食品领域运用广泛，目前不同解冻方式的优化组合以及新技术在解冻中的应用有效提升了解冻效果。蔡娜[14]运用高温高压气体与热水的结合，发明一种食品解冻系统，该系统主要运用水解冻，用空气解冻进行辅助，以此保障解冻的效率与品质。岳雨霞[15]综合运用过滤系统发明了一种防污染的食品解冻装置，该装置运用空气解冻，拥有解冻速率快和防污染性强等诸多优点。谢健华[16]运用水解冻发明了一种新型的食品解冻机，解冻效果优良，且不易造成被解冻食品营养物质的流失。秦润彤等[17]将水解冻与电气设备进行结合，发明了一种可进行实时食品检测用解冻装置，该装置设置了转动电机和解冻筒，解冻效果更好，解冻效率更高。

如表1所示，水解冻的应用较多，而空气解冻和电解冻相对较少，而且不同解冻方式之间的优化组合以及新技术的应用提升了解冻效率，保障了解冻效果。

表1 运用传统解冻方式的装置Table 1 Thawing device by traditional thawing methods

2 超声波解冻

为了进一步提升解冻效果，超声波解冻方式被探索、研究和应用。超声波可单独使用实现解冻，也可与传统解冻方式相结合(多与水解冻进行结合)，从而强化解冻效果[18]。KISSAM等[19]将超声波运用于辅助水浸法，发现在1 500 Hz、60 W的条件下进行鳕鱼的解冻，与单纯的水浸法相比，可将解冻时间缩短71%。

超声波是机械波的一种，根据超声波的频率与所含能量的不同，可以分为高频低能超声波和低频高能超声波[20]。低频高能超声波在食品的解冻、干燥和过滤等多方面均有运用，它的频率低于100 kHz，所含的能量高于1 W/cm2，属于功率超声波[21]。张昕等[22]利用不同强度的低频高能超声波对鸡胸肉进行解冻，发现改变超声波的强度可以提高解冻速率，保持鸡胸肉的新鲜度，并具有杀菌的功效。

2.1 超声波解冻的解冻机制

2.1.1 超声波解冻相关的主要效应

当超声波作用于冷冻食品，会产生一系列的物理与化学反应，其中主要有四大效应，分别为空化效应、机械效应、热效应和自由基效应[23]。空化效应、机械效应和热效应为物理效应，在解冻方面起到主要作用，其中热效应的作用最大，而自由基效应则属于化学效应。

空化效应的原理是超声波通过正负压交替的方式进行传播[24]，在经过冷冻食品表面时产生巨大的负压，使冷冻食品的表面产生微泡，并通过压强的突然降低在冷冻食品上产生高温使微泡内的溶液过饱和，从而使微泡破裂，释放能量[25-26]。在进行解冻的过程中，该效应主要用于辅助热效应，使热量能够更顺利地通过冷冻食品，从而提升解冻的效率。

超声波属于机械波，在振动的同时会产生机械效应，该效应是通过超声波带动冷冻食品的颗粒振动，传播能量，产生搅动，可有效地破坏冷冻食品上的冰晶，加快冷冻食品的解冻速率[27-29]。

热效应是超声波解冻最重要的效应，它伴随着机械效应产生，在超声波带动冷冻食品振动时提升冷冻食品的局部温度，进行加热，实现解冻。冷冻食品振动越剧烈的部分温度越高，因此热效应的强弱与超声波本身的强弱成正比[18]。

对于空化效应，若超声波强度过高，会产生过多微泡，可强化解冻，但会对冷冻食品的表面产生较大的损伤[30]；对于机械效应，若超声波的振动频率过大会破坏冷冻食品内部的纤维及营养构成[31]；对于热效应，超声波控制不当会产生局部过热，破坏食品的口感与营养价值[32]。

2.1.2 超声波解冻的主要机制

超声波解冻运用的主要是热效应，热效应的强弱与超声波强度和作用时间成正比[33-34]。超声波解冻时，能量作用于冰冻组织与解冻组织，冰冻组织中的能量衰减速率较快。超声波产生的热量主要作用于冷冻食品内部的冻结层与解冻层的分界处，调节超声波的频率和强度，可在该处产生较稳定的热效应，使冷冻食品的冻结面稳定地向解冻面推进与转换[35]。

超声波解冻的稳定性较好，通过对超声波的频率与强度调节[36]，可实现较好的解冻效果。为避免产生局部过热，需严格控制超声波发射源的强度和频率，使冷冻食品均匀受热，实现高效、快速地解冻[37]。如表2所示，与传统解冻方式相比，超声波解冻的稳定性更好，对食品的损伤较低，也可以更好地保障食品的品质[38]。董庆利等[39]通过对猪肉的解冻研究发现，与空气解冻和水解冻相比，运用超声波解冻可以更好地控制局部过热和汁液流失。超声波解冻若与传统解冻方式结合，不仅可提高解冻的效率，还可弥补传统解冻方式存在的缺陷[40-41]。

表2 超声波解冻与传统解冻方式在机制上的对比Table 2 Mechanism comparison between ultrasonic thawing and traditional thawing

2.2 超声波解冻的研究进展

2.2.1 超声波解冻技术的研究进展

超声波解冻具有较强的解冻能力，目前人们对超声波解冻进行了广泛的研究。

GAMBUTEANU等[42]采用不同的低强度超声波(25 kHz，0.2～0.4 W/cm2)对无包装的冻猪肉进行解冻研究，发现超声波不会对猪肉的质构及营养成分造成破坏，与空气解冻及水解冻相比，解冻时间会缩短。叶盛英等[43]运用不同强度的超声波进行解冻实验，测定肉汁含量，发现运用34.98 W的超声波解冻可使肉质损失率最低，且冰晶融化用时最短，比19 ℃的空气解冻和18 ℃的水解冻更快。谷小慧[44]利用超声波进行猪肉的解冻实验，研究发现，猪肉的pH值、汁液流失率和细菌总数等指标均优于运用传统解冻方式解冻的猪肉。余力等[45]在伊拉兔肉解冻的研究中，对比超声波解冻、空气解冻和水解冻等多种解冻方式发现，超声波解冻的时间较短，且兔肉的汁液流失率较小。谭明堂等[46]运用空气解冻、静水解冻、流水解冻、微波解冻及超声波解冻对鱿鱼进行解冻处理，发现超声波解冻在质构方面是5种解冻方式中最佳的。刘雪梅等[47]进行草莓解冻实验，发现在解冻时间方面，超声波解冻优于空气解冻和水浴解冻；同时超声波解冻对花色苷的破坏最小，解冻效果优于空气解冻和水浴解冻。综上，超声波解冻在解冻时间和解冻效果上优势突出。

HONG等[48]在4 ℃的水与盐水(质量分数，2%)中分别利用超声波(40 kHz、150 W)对猪肉解冻，发现超声波解冻在盐水中使用，食品的质量损失较少，且具有最低的剪切力。超声波解冻与水解冻结合，可提升解冻的效率[49]。张绍志等[34]以牛肉为研究对象，研究超声波解冻与其他解冻方式的结合，通过对与解冻相关的传热方程进行分析，发现结合使用可以产生更好的解冻效果，可以缩短解冻时间。综上，超声波解冻若与其他解冻方式结合，可提升解冻效率，并获得更好的解冻效果[50]。

MILES等[51]对牛肉、猪肉和鳕鱼的超声波解冻进行研究，发现食品表面容易产生局部过热，其中选用频率为500 Hz、强度为0.5 W/m2的超声波进行解冻，表面局部过热的地方最少，解冻效果最佳。SHORE等[52]研究了超声波的衰减特性，发现已冻结区对超声波的吸收为未冻结区的几十倍，初始冻结点的吸收能力最强，解冻效果最好，且这一衰减程度随着温度的升高而增加，可推导出公式α=Afn(α为衰弱率,f为频率，A、n为与温度成正比的系数)，应当严格控制解冻时的温度，以控制超声波的衰减程度。易见，超声波解冻需严格控制超声波的频率与强度，这2个数值是影响超声波解冻效果最主要的参数；如需进一步加强解冻效果，需对解冻温度进行控制，从而控制超声波的衰减。

如表3所示，总结超声波解冻的研究进展，超声波解冻在解冻速率、汁液流失率等方面优于传统解冻方式；将超声波解冻与传统解冻方式相结合，可以提升解冻效率；频率与强度为超声波解冻最主要的参数，但超声波的衰减程度也会对解冻效果产生影响，需严格控制与衰减程度密切相关的温度。

表3 超声波解冻的研究分析Table 3 Research and analysis of ultrasonic thawing

2.2.2 超声波解冻装置的研究进展

随着超声波解冻研究的推进，各种新型的超声波解冻设备不断涌现。

杜华东等[53]将超声波解冻与冰箱结合，发明了用于冰箱内的超声波解冻设备，能提升解冻的效果、保证食物的安全、减少营养的流失。张绍志等[54]发明了一种超声波列阵装置，利用超声波实现冷冻食品的快速解冻，可以进行自动监测与控制，能够降低食品加工环节的成本。尤信铃等[55]发明了一种水产品用超声波解冻设备，在超声波振动板上方的解冻区域内设置承接网，用于放置水产品，可通过驱动件的带动，使水产品能够在解冻区域内平稳运动，有效地促进了超声波的振动传递，使水产品的解冻更加均匀，若在解冻区域通入热空气，可进一步辅助提升超声波水解冻的效率。杜帅等[56]针对海水鱿鱼，发明了一种超声波海水鱿鱼解冻池，该解冻池拥有解冻速率快、废水回收率高和成本较低等特点。符诚斌[57]发明了一种用于生虾加工的超声波解冻装置，通过内部设置的超声波装置对解冻液进行剧烈振动，加速生虾的解冻。

如表4所示，超声波解冻设备可快速对冷冻食品解冻；部分设备也将超声波解冻与传统解冻方式结合，提升解冻效率；在保证解冻效果的前提下，超声波解冻设备可降低成本。

表4 关于超声波解冻的发明Table 4 Inventions about ultrasonic thawing

3 结论与展望

传统解冻方式有空气解冻、水解冻和电解冻。空气解冻时间较长；水解冻需先进行保护，防止流水带走冷冻食品的可溶性物质；电解冻的控制难度较大且成本较高。

超声波解冻通过空化效应、机械效应及热效应对冷冻食品进行解冻,其主要特点为解冻效率较高及对食品的损伤较低。

频率与强度是影响超声波解冻效果的主要指标，但也需控制解冻温度，减小超声波衰减程度对解冻效果的影响。

超声波解冻可单独使用，与传统解冻方式相比，解冻速率较快、解冻效果较好。若与传统解冻方式结合，可以进一步提升解冻效率，其中，将超声波解冻与水解冻结合的情况居多，该结合方式的解冻效果较好，值得进一步研究。