《食品科学》：广东省农业科学院余元善研究员等：3种速冻技术在竹笋冻结应用中的适宜性分析

竹笋，作为禾本科竹亚属植物竹子的可食用嫩芽，以其鲜嫩的质地和独特的风味而深受人们的喜爱。同时，它还具备抗氧化、降血脂、抗肥胖、抗高血压、抗炎等多种生物活性，是极具食用价值和经济价值的林产品。

近年来，冷冻果蔬因其出色的保藏效果和较长的保藏时间而备受青睐。新型的速冻技术如浸渍速冻技术、液氮喷雾速冻技术以及压力转移冻结技术等能够使细胞性食品快速穿过最大冰晶生成带，形成更小的冰晶，减少对细胞的损伤，从而最大限度地保持果蔬“新鲜度”。

广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所的范振梅、余元善*以及云南省农业科学院农产品加工研究所的申挥等人以不同品种新鲜竹笋为对象，采用浸渍速冻技术、液氮喷雾速冻技术和压力转移速冻技术分别对竹笋进行速冻处理，分析不同速冻技术对竹笋的冻结特性、品质变化、水分迁移规律及微观结构变化的影响，探讨竹笋在不同速冻技术下的适用性，以期为提升冷冻竹笋品质、选择合适的速冻技术并推动其应用提供理论支持。

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冻结曲线及冻结参数

在常压条件下，各竹笋在冰箱冷冻（RF）、浸渍速冻（IF）和液氮喷雾速冻（LNF）条件下的冻结曲线如图2所示，3种竹笋冻结曲线与绝大多数食品一样，遵循食品冻结温度下降过程的一般规律，包括3 个阶段：第1阶段是快速降温阶段，此阶段竹笋释放出显热，温度迅速下降。第2阶段是相变阶段，竹笋内部的水发生相变，形成冰晶体。在此过程中，会释放出大量相变潜热，导致温度降至冰点后略有回升，这一现象称为“过冷”。由于原料的差异性，不同物料在冻结过程中的过冷现象各有差异。如图2a、b所示，‘甜龙笋’和‘马蹄笋’过冷现象不明显，而图2c的‘毛竹鞭笋’则呈现出明显的过冷现象。这可能由于‘甜龙笋’块和‘马蹄笋’块经过去壳去皮切分处理后内外结构更为均一，热量释放更为迅速；而‘毛竹鞭笋’切分后仍保留部分组织外皮，导致其内部热量向外传递较慢。第3阶段被称为回火阶段，此时样品内外温差小，降温速度加快，直至竹笋温度降至冻结终温。

在压力转移速冻（PSF）过程中，由于设备条件限制，无法直接测得样品的温度变化曲线，根据原料在PSF条件下降温的热力学原理，并参考先前研究，可得到PSF过程中的压力和温度变化趋势，如图2d所示。在恒定200 MPa时，竹笋样品中心温度逐渐降低至-18 ℃，此时虽然温度已降至极低，但样品中的水分仍未完全冻结。当设备迅速释放压力后，竹笋中心温度发生突变，大量冰晶迅速生成并释放出结晶潜热，使得样品温度迅速回升至常压条件下的相变点。随后，温度曲线进入相对平稳的平台区域，最后完成整个冻结过程。

表1展示了3种竹笋在不同速冻技术下的关键冷冻参数。最大冰晶生成带，即食品内部80%以上水分结冰的温度范围（-1～-5 ℃），对保持冷冻食品品质至关重要。缩短在此温度范围的冷冻时间有助于减少食品损伤。由表1可知，3 个品种的竹笋在不同速冻技术下

T

p 呈现相同的变化趋势：LNF最短，IF次之，RF最长。相较于RF冷冻，IF使得‘甜龙笋’‘马蹄笋’和‘毛竹鞭笋’Tp分别缩短了124.49、60.79 min和76.09 min，FR分别提升了5.71、1.92 倍和1.90 倍。而LNF冷冻效果更显著，相较于RF冷冻，3种竹笋

T

p 分别减少了129.97、66.82 min和102.41 min，FR分别达到了RF的12.43、3.92 倍和7.50 倍。这表明IF和LNF技术均能有效缩短3种竹笋的

T

p ，大幅提高FR。

2

不同速冻技术对3种竹笋汁液损失率和硬度的影响

如图3a所示，3种竹笋的汁液损失率变化趋势一致。其中，PSF组的汁液损失率最高，‘甜龙笋’‘马蹄笋’和‘毛竹鞭笋’的汁液损失率分别为10.47%、8.48%和6.12%。其次是RF组，最低的是IF和LNF组，这两组不同样品的汁液损失率无显著差异（

P

＞0.05），其中LNF组竹笋样品的汁液损失率均小于2%。在冻结食品中，冻结方式、冰晶形态与大小、解冻速率及物料结构和含水量等因素均可能影响汁液损失率。本研究中，竹笋样品在PSF速冻技术冻结下比缓慢冷冻RF的汁液损失率还要高，原因可能是200 MPa的压力使得竹笋样品被挤压变形，汁液渗出，这与Li Dongmei等研究结果一致。IF和LNF技术冻结的竹笋样品汁液损失率低，可能是显著缩短了穿过最大冰晶带的时间（

P

＜0.05），形成细小冰晶，减少了细胞机械损伤，进而增强了持水能力。

硬度是评价果蔬品质的关键指标之一。如图3b所示，3种竹笋在不同速冻技术下的硬度变化总体趋势一致，经过3种速冻技术处理后的竹笋样品其硬度维持效果均优于缓慢冷冻。其中，LNF组的竹笋硬度维持得最好，硬度比RF组提高47.26%～65.02%，PSF组次之。与新鲜样品相比，‘甜龙笋’RF组的硬度下降82.41%；LNF组下降17.4%；PSF组下降29.86%；IF组下降52.72%。这表明速冻技术在保持竹笋品质方面具有显著优势。

3

不同速冻技术对3种竹笋色泽的影响

如图4所示，3种竹笋在RF缓慢冻结时色差变化最为显著，亮度明显降低，视觉上呈现出类似蒸煮过的状态。这可能是由于冷冻和解冻过程中组织受损、水分迁移，导致游离水增多。类似现象也在冷冻后的哈密瓜、花椰菜中有所报道。对于不同速冻条件下的竹笋，色差值表现各异，如图4a所示。在‘甜龙笋’中，PSF组的

L

*值仅比鲜样低4.29，达到80.32。IF组与RF组相比，

L

*值无显著差异（

P

＞0.05）。而LNF组样品

L

*值仅次于PSF组。在图4b中，‘马蹄笋’冷冻后

L

*值显著降低（

P

＜0.05），由高到低顺序为PSF＞LNF＞IF＞RF，较鲜样降低了17.90～25.80。同样，冷冻后‘马蹄笋’的

a

*值和

b

*值显著降低（

P

＜0.05）。相比之下，‘毛竹鞭笋’冷冻后的色差变化较小，尤其在LNF组中，其

L

*值与新鲜样品无显著差异（

P

＞0.05）（图4c）。影响冷冻竹笋颜色变化的主要因素可能包括：冷冻过程冰晶对细胞结构的破坏，使得解冻时氧化酶和底物更容易接触并发生酶促褐变；解冻过程中汁液流失导致的水溶性色素流失。这些因素共同作用，使得冷冻后的竹笋在色泽上发生了一定程度的改变。

4

不同速冻技术对3种竹笋PPO、POD和PAL活力的影响

PPO、POD和PAL是影响竹笋褐变和木质化的关键酶。如图5a所示，‘甜龙笋’和‘马蹄笋’在4种冻结的方式下的PPO活力总体无显著差异（

P

＞0.05），‘毛竹鞭笋’的PPO活力在压力转移冻结方式下较鲜样有所降低，从8.13 U/（g·min）降至6.01 U/（g·min），3 个品种的竹笋冻结前后PPO活力变化较小。关于冻藏后果蔬PPO活力的变化情况，现有观点普遍认为由于PPO常与组织内囊体膜结合在一起，呈结合态，在冷冻过程中冰晶生成使细胞结构受损，PPO则被大量释放到细胞基质中，呈游离态，当其与环境接触，就会引起酶活力变化。然而本研究中3种竹笋在不同速冻技术下的PPO活力变化差异小，一方面可能是竹笋样品经过密封包装后冷冻，隔绝了空气中的氧气，在解冻时，PPO与氧接触有限，催化反应削弱；另一方面可能是PPO在低温条件下有一定的稳定性，受冷冻或者解冻的影响相对较小。

如图5b所示，3种竹笋在不同速冻技术下呈现一致的变化趋势。在常压条件下，冷冻竹笋的POD活力较新鲜样品有所增强。然而随着冷冻过程中穿过最大冰晶生成带时间缩短和冻结速率的提升，POD活力逐渐减小。这表明IF和LNF技术能够减少细胞损伤，从而抑制POD活力。值得注意的是，尽管未施加压力的IF组竹笋POD活力仍然高于新鲜样品，但在200 MPa压力的PSF冷冻下，3种竹笋的POD活力却显著降低，‘甜龙笋’‘马蹄笋’和‘毛竹鞭笋’的POD活力比各自新鲜样品分别低37.62%、45.24%和27.76%，这一结果与3种竹笋在色泽上的变化一致。推测其原因可能是在压力的作用下导致POD分子空间构象发生改变，进而减弱酶活力。

如图5c所示，在RF、IF和LNF冷冻方式下，‘甜龙笋’和‘马蹄笋’的PAL活力与新鲜样品相比无显著差异（

P

＞0.05），说明常压条件下冷冻对这两种竹笋的PAL活力影响较小。然而，在PSF冷冻下，3种竹笋的PAL活力均显著降低（

P

＜0.05），这与POD活力变化趋势一致，‘甜龙笋’‘马蹄笋’和‘毛竹鞭笋’的PAL活力比鲜样分别降低了53.26%、27.05%和80.86%。这一结果进一步支持了压力对酶活力的影响可能是通过改变酶分子的空间构象从而实现的猜测。

5

不同速冻技术对3种竹笋氨基酸组分的影响

竹笋营养丰富，氨基酸种类及含量是其贮藏过程中营养品质变化关注的重点。如图6所示，不同速冻技术处理对3种竹笋的总氨基酸含量产生了相似的影响趋势。总体而言，经过速冻处理后，竹笋的总氨基酸含量均有所降低，其中‘甜龙笋’和‘马蹄笋’的损失程度从高到低的顺序为PSF＞RF＞IF＞LNF，这与Liu Ying等的研究结果类似，将双孢菇冷冻后，双孢菇的总氨基酸含量降低了39.84%。4 组冷冻样品中，PSF组总氨基酸损失严重，‘毛竹鞭笋’‘甜龙笋’‘马蹄笋’的总氨基酸损失率分别为37.93%、50.84%和26.30%。这种损失可能由多方面的原因造成，外部原因可能是PSF技术导致了更大的汁液损失率，从而使氨基酸随着汁液损失而减少；内部原因则可能是与蛋白质在冷冻过程中发生脱硫、脱氨和异构化反应有关，这些反应会导致氨基酸的降解和转化。‘毛竹鞭笋’‘甜龙笋’和‘马蹄笋’的LNF处理组比RF处理组损失率分别降低了7.88%、38.91%和11.68%，这表明提高样品的冻结速度有助于减少冷冻竹笋的氨基酸损失，这与Jiang Shenjuan等的研究结果一致，通过比较-20 ℃与-30 ℃冻结下平菇的氨基酸含量变化，发现-30 ℃的冻结速率更快，平菇的氨基酸保持率更高。

由图6可以发现，3种竹笋中的氨基酸主要以鲜味氨基酸（如天冬氨酸和谷氨酸）为主，‘甜龙笋’‘马蹄笋’和‘毛竹鞭笋’含量分别为527.39、332.91 mg/100 g和799.71 mg/100 g，分别占总氨基酸含量的30.18%、34.01%和27.09%。然而，经过冷冻处理后，这些鲜味氨基酸的损失趋势与总氨基酸含量损失趋势基本一致。具体而言，不同品种竹笋在天冬氨酸和谷氨酸的损失率上有所差异。‘毛竹鞭笋’以天冬氨酸的损失最为严重，损失率在34.50%～48.19%之间。而‘甜龙笋’和‘马蹄笋’以谷氨酸的损失为主，损失率分别在16.13%～74.84%和3.62%～32.93%之间。这些结果表明冻融过程会导致鲜味氨基酸的损失，从而降低竹笋的鲜味品质，这与Jiang Qiyong等的结果一致。

6

不同速冻技术对3种竹笋水分分布的影响

通过低场核磁共振仪的测定，可以了解到氢质子的T2和其对应峰面积，这能有效反映被测样品中的水分状态和含量。T2可表征样品中的水迁移率与组织的结合程度：T2越短代表样品中的水迁移率越低，与组织结合越紧密；T2越长代表样品中的水与组织结合程度越低，水的迁移率越高。根据T2可将水分状态大致划分为3 类：结合水T2b（0～10 ms）、不易流动水T21（10～100 ms）以及自由水T22（100～1 000 ms）。由图7可知，3种竹笋冻结后，其内部水发生了迁移，与组织结合程度减弱，具体表现结合水占比的降低，同时不易流动水和自由水的占比升高。在不同冻结方式下，竹笋的水分分布变化趋势均保持一致。在4 组样品中，水分与组织结合的紧密程度呈现出LNF＞IF＞PSF＞RF的顺序。其中，‘甜龙笋’在LNF冻结后，水分分布变化最小，仍保留有部分结合水。然而，经过RF、IF和PSF冻结后，‘甜龙笋’结合水全部转化成了不易流动水和自由水，并且IF组和LNF组的自由水占比显著低于RF组和PSF组（

P

＜0.05）。对于‘马蹄笋’和‘毛竹鞭笋’，冻结后已不存在结合水，与新鲜样品相比，其水的流动性显著增加（

P

＜0.05）。在4 组冷冻样品中，LNF组的自由水占比最低，而RF组最高。这可能是由于不同冻结速率对冰晶大小的影响不同，进而导致了竹笋组织细胞完整性的差异，使得水分迁移程度有所不同。此外，值得关注的是，尽管IF和PSF组的冷冻媒介温度相同，但各竹笋在IF组的样品自由水含量却低于PSF组。这可能因为PSF组在200 MPa的压力条件下，竹笋样品受到压力的机械损伤比仅由冰晶对竹笋样品造成的损伤更为严重，从而导致了更大程度的水分迁移。

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不同速冻技术对3种竹笋微观结构的影响

冻结过程中，水生成的冰晶对果蔬结构的破坏是影响冻结果蔬品质的关键因素。竹笋作为禾本科竹亚属植物竹子的可食用嫩芽，因其独特的维管束结构而与其他蔬菜有所区别。维管束在植物体内负责水和营养物质的运输，而其中的导管则是水分运输的主要通道。因此，可以合理推测竹笋在冻结后其组织结构的变化主要集中在维管束上。从图8可以清晰观察到，新鲜竹笋的维管束结构完整，组织间紧密连接，导管边界光滑且呈椭圆形。然而，冻结后维管束结构发生了不同程度的变化。通过对比RF组、IF组和LNF组的微观结构，在常压条件下，随着冻结速率的提升，竹笋维管束结构的损伤逐渐减小。其中，RF组的结构破坏最为明显，导管变形，维管束两侧结构坍塌，导管间的组织也遭到了严重破坏。相比之下，LNF冻结的竹笋结构维持最好，维管束结构完整，导管边界仍可辨识，虽然与新鲜竹笋相比略显粗糙，但已是最趋近新鲜竹笋的样品组。在4 组冷冻样品中，PSF组竹笋的微观结构变化最大，‘甜龙笋’和‘马蹄笋’的维管束结构出现开裂和无规则坍塌，而‘毛竹鞭笋’的维管束结构变化相对较小，但其维管束鞘却出现了破损。这可能是毛竹鞭笋的维管束结构更为坚固，因此受机械力影响较小。

以上结果在微观结构层面上揭示了冻结后样品产生解冻损失、水分迁移的原因。理论上，PSF技术应该能够通过形成微小均匀的冰晶核保持解物料冻后的品质。事实上，已有研究利用PSF技术成功冷冻了猪肉和枸杞，并取得了良好的效果。然而，在本研究中，PSF技术却成了对微观结构破坏最大的速冻方式。这可能是因为在200 MPa的PSF冻结条件下，压力对竹笋样品的损伤远远超过了冻结过程中形成的冰晶大小对竹笋的损伤。综上所述，在IF、LNF和PSF速冻技术中，PSF技术并不适用于竹笋的冻结，而LNF则被证明是3种竹笋的最适宜冻结方式。

结论

竹笋在不同速冻技术下的冻结特性及品质变化显著，冷冻后的竹笋均出现不同程度的损伤。-20 ℃冰箱缓慢冷冻的冻结速率最慢，竹笋品质最差。而采用压力转移速冻技术冻结的竹笋虽然在维持竹笋的色泽和抑制PPO、POD和PAL活力方面表现优越，但由于竹笋其维管束结构发生坍塌，引发严重的汁液损失和水分迁移问题，因此该技术不适宜竹笋的冻结。相比之下，利用-80 ℃液氮喷雾速冻技术的冷冻速率最快，其中‘甜龙笋’‘马蹄笋’和‘毛竹鞭笋’冻结速率分别是缓慢冷冻的12.43、3.92 倍和7.5 倍。在这种速冻条件下，竹笋体内的自由水占比最低，水分与组织结合最为紧密，从微观结构上看，其状态最趋近于新鲜样品。因此，-80 ℃液氮喷雾速冻技术被证明是最适宜应用在竹笋冻结的冷冻技术。本研究仅从部分指标对竹笋的速冻效果进行了评价，未来可以深入研究速冻技术对竹笋营养成分、风味物质等其他品质指标的影响，并将不同速冻技术之间进行组合和优化，从而降低速冻技术在竹笋速冻中的应用投入与产出比。

第一

作者

范振梅 研究生

华南农业大学与广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所2021级联合培养硕士研究生。在校期间曾获华南农业大学一等学业奖学金，研究方向为农产品贮藏与加工，在《Journal of Food Engineering》期刊发表论文1 篇，《现代食品科技》期刊发表论文1 篇。

通信

作者

余元善 研究员

现任广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所果蔬加工研究室主任。主要从事热带亚热带特色水果加工关键技术与装备研究,聚焦荔枝、菠萝、桑葚、蓝莓以及青梅李等特色水果加工过程中化学生物学基础、水果产地高效加工共性关键技术和装备、水果梯次加工及高值化利用新技术开展原始创新与集成创新研究。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等国家和省市级项目20 项；获科技成果奖12 项，其中广东省科技进步一等奖2 项（排名第1、3）、中国产学研合作创新成果一等奖1 项（排名第4）、神农中华农业科技二等奖2 项（排名第3、4）、广东省科技进步三等奖1 项（排名第3）、广东省农业科技推广一等奖5 项（排名1、2、2、4、5），茂名市科学技术一等奖1项（排名第3）；申请发明专利30 件，获授权16 件；发表论文160 篇，其中SCI论文48 篇。

本文《3种速冻技术在竹笋冻结应用中的适宜性分析》来源于《食品科学》2024年45卷第24期212-221。作者：范振梅，申 挥，胡腾根，程丽娜，于丽娟，徐玉娟，吴继军，余元善*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240529-256。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：农梦琪；责任编辑：张睿梅。点击下方 阅读原文 即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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