現(xiàn)代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023, Vol.39, No.10

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不同冷凍方式對(duì)芒果塊凍結(jié)特性和品質(zhì)的影響

李鏡浩 1,2，張?jiān)姺f 3

，程麗娜 2*，余元善 2

，彭健 2

，李璐 2

，安可婧 2

，肖更生 1*

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東廣州 510631）

（2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

室，廣東廣州 510610）（3.廣東藥科大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，廣東中山 528400）

摘要：探究了芒果塊在液氮噴霧速凍（Liquid Nitrogen Spray Freezing，LNF-40~-100 ℃）下的冷凍特性及品質(zhì)變化規(guī)律，并以冰柜

凍結(jié)（Refrigerator Freezing，RF-20 ℃）、浸漬冷凍（Normal Immersion Freezing，IF-20 ℃）作對(duì)比。結(jié)果表明：芒果的最大凍結(jié)濃縮狀態(tài)

的凍結(jié)終點(diǎn)溫度（T'm）為-17.98 ℃，放熱焓?H=-236.8 J/g；凍結(jié)速率（Freezing Rate，r）為 0.14~1.40 /min ℃ ，其中 LNF-100 ℃的 r 較

其他組分別提高了 900%~7.63%；換熱系數(shù)比值（d）較 RF-20 ℃組提高了 4.6 倍；冷凍總時(shí)間和穿過最大冰晶生成帶時(shí)間較 RF-20 ℃、

IF-20 ℃組分別縮短了 9 042、4 657 s，5 475、870 s；色澤也接近新鮮芒果；硬度保留率為 83.12%；汁液流失率為 2.75%；總酚、抗氧

化活性、Vc 保留率達(dá)到 90%以上；胞外多糖增加了 0.44 mg/g；冷凍前后的菌落總數(shù)降低 0.84 lg CFU/g；Pearson 分析出不同冷凍方

式對(duì)芒果塊品質(zhì)影響，?E、汁液流失率、總酚、Vc 可作為有效評(píng)價(jià)的依據(jù)；聚類分析（Cluster Analysis，CA）證實(shí) LNF-100 ℃能顯著

降低芒果塊冷凍過程中質(zhì)量劣化。本研究為高品質(zhì)、高效率冷凍芒果發(fā)展提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：芒果塊；液氮噴霧速凍；凍結(jié)效率；凍結(jié)品質(zhì)

文章編號(hào)：1673-9078(2023)10-160-169 DOI: 10.13982/j.mfst.1673-9078.2023.10.1195

Effects of Different Freezing Methods on the Freezing Characteristics and

Quality of Mango Chunks

LI Jinghao1,2, ZHANG Shiying3

, CHENG Lina2*, YU Yuanshan2

, PENG Jian2

, LI Lu2

, AN Kejing2

,

XIAO Gengsheng1*

(1.College of Food Science and Technology, Zhongkai University of Agricultural and Engineering, Guangzhou 510631,

China) (2.Sericultural & Agri-Food Research Institute Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of

Functional Foods, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Guangdong Key Laboratory of Agricultural Products

Processing, Guangzhou 510610, China)

(3.School of Food Science, Guangdong Pharmaceutical University, Zhongshan 510631, China)

Abstract: The freezing characteristics and quality changes of mango chunks under liquid nitrogen spray freezing (LNF-40~-100 ℃) were

investigated, and comparisons were made with those under refrigerator freezing (RF-20 ℃), and normal immersion freezing (IF-20 ℃). The results

show that the temperature for the maximum freez concentration of the mango was -17.98 , the exothermic enthalpy ℃ ?H was -236.8 J/g, and

the freezing rate (r) was 0.14~1.40 /min. Among them, the r of LNF ℃ -100 ℃ increased by 900%~7.63% compared with other groups; the ratio of

引文格式：

李鏡浩,張?jiān)姺f,程麗娜,等.不同冷凍方式對(duì)芒果塊凍結(jié)特性和品質(zhì)的影響[J].現(xiàn)代食品科技,2023,39(10):160-169

LI Jinghao, ZHANG Shiying, CHENG Lina, et al. Effects of different freezing methods on the freezing characteristics and quality of

mango chunks [J]. Modern Food Science and Technology, 2023, 39(10): 160-169

收稿日期：2022-09-20

基金項(xiàng)目：廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（2019A1515110559）；廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院“十四五”農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)學(xué)科團(tuán)隊(duì)（202109TD）；廣州市青年科技人才

托舉項(xiàng)目資助（QT20220101055）；廣東省農(nóng)業(yè)科技發(fā)展及資源環(huán)境保護(hù)管理項(xiàng)目（2022KJ108）；廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技人才引進(jìn)專項(xiàng)資金項(xiàng)目

（R2020YJ-YB2001）；廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年導(dǎo)師項(xiàng)目（R2020QD-031）；廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（2022KJ117）

作者簡(jiǎn)介：李鏡浩（1999-），男，碩士研究生，研究方向：食品加工與安全，E-mail：214016387@qq.com

通訊作者：程麗娜（1990-），女，博士，副研究員，研究方向：果蔬精深加工，E-mail：cheng.lina@mail.scut.edu.cn；共同通訊作者：肖更生（1965-），男，碩

士，教授，研究方向：果蔬精深加工，E-mail：guoshuxgs@163.com

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heat transfer coefficient (d) increased by 4.6 times compared with the RF-20 ℃ group; Compared with the RF-20 ℃ and IF-20 ℃ groups, the total

freezing time and the time across the maximum ice crystal formation zone were shortened by 9 042 s and 4 657 s, and 5 475 s and 870 s,

respectively; The color of the mango chunks was also close to that of fresh mango; The firmness retention rate was 83.12%; Water loss was

2.75%; More than 90% of the total phenolic content, antioxidant activity and Vc were retained; The content of exopolysaccharide increased by

0.44 mg/g; The total colony counts before and after freezing decreased by 0.84 lg CFU/g; Pearson's correlation analysis revealed the effects of

different freezing methods on the quality of mango blocks, ?E, water loss, total phenolic content, and Vc content can be used as the basis for

effective evaluation; Cluster analysis (CA) confirmed that LNF-100 ℃ can significantly reduce the quality deterioration of mango chunks during

freezing. This study provides theoretical basis and technical guidance for the development of high-quality frozen mangoes obtained by a highly

efficient freezing process.

Key words: mango chunks; liquid nitrogen spray quick freezing; freezing efficiency; freezing quality

凱特芒果原產(chǎn)于美國(guó)佛州，以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、遲熟

著稱，海南引進(jìn)此品種，并廣泛種植。新鮮芒果中含

有大量糖分和水分，但極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，貯藏期較

短，在流通過程中造成了巨大浪費(fèi)，嚴(yán)重影響了芒果

產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的冰柜凍結(jié)（Refrigerator Freezing，

RF），形成的冰晶大，對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的損傷，解

凍后汁液流失嚴(yán)重，口感下降，嚴(yán)重影響高品質(zhì)冷凍

芒果的發(fā)展，無法滿足當(dāng)代消費(fèi)者對(duì)健康營(yíng)養(yǎng)的需求。

直接浸漬冷凍（Normal Immersion Freezing，IF）是以

防凍液作為傳熱介質(zhì)，使食物快速冷凍的凍結(jié)方式。

該技術(shù)可以降低能耗、干耗以及冷凍成本、加快凍結(jié)

速度、提高產(chǎn)品質(zhì)量，但易出現(xiàn)冷凍液質(zhì)量下降、溶

質(zhì)被食物吸收等問題[2]。液氮噴霧速凍（Liquid

Nitrogen Spray Freezing，LNF）是一種新型快速的冷

凍保鮮技術(shù)，其具有高凍結(jié)速率和蒸發(fā)潛熱等特點(diǎn)，

且能在 1 h 內(nèi)迅速降溫至-100 ℃，促使食品組織形成

細(xì)小的細(xì)胞冰晶，從而提高了冷凍食品的品質(zhì)及附加

值，此外，液氮穩(wěn)定無污染，能較好地保持食品原有

的風(fēng)味，被廣泛用于果蔬、肉制品、水產(chǎn)品及各種預(yù)

制食品中[3,4]。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)冷凍芒果品質(zhì)的研究，主要集中

在單一技術(shù)對(duì)芒果冷凍-解凍品質(zhì)分析。何全光等[5]研

究不同品種芒果塊液氮速凍-解凍后質(zhì)構(gòu)特性比較，發(fā)

現(xiàn)不同品種之間品質(zhì)差異較大；Zhao 等[6]用常規(guī)冷凍

柜冷凍（-20 ℃）以探究滲透脫水預(yù)處理對(duì)芒果品質(zhì)

改善；張瑜[7]探究了玻璃態(tài)貯藏（-55 ℃，狀態(tài)/相轉(zhuǎn)

變）對(duì)冷凍芒果品質(zhì)的影響；Sirirak 等[8]研究了乳酸

鈣、蔗糖注入前處理對(duì)冷凍（-20 ℃）芒果品質(zhì)的影

響；Kannika 等[9]采用冷凍柜的方式，探究了不同品種

和成熟階段對(duì)芒果冷凍品質(zhì)的影響。目前，結(jié)合芒果

的冷凍傳熱特性以及品質(zhì)變化，探究不同凍結(jié)速率的

液氮噴霧速凍在芒果凍結(jié)上的適宜性及可靠性的研究

報(bào)告較少，且國(guó)內(nèi)工業(yè)化液氨噴霧速凍設(shè)備成熟，應(yīng)

用范圍不斷擴(kuò)大，液氮成本逐漸下降，速凍芒果塊產(chǎn)

品市場(chǎng)需求大，消費(fèi)者對(duì)品質(zhì)日益增加，該技術(shù)可為

新茶飲、烘焙、糕點(diǎn)等產(chǎn)品提供優(yōu)質(zhì)芒果原料。因此，

本研究可以更加突出、全面的表征新型液氮噴霧冷凍

技術(shù)應(yīng)用于芒果加工中巨大潛力，為芒果速凍行業(yè)提

供進(jìn)一步的理論支持與技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 主要原料與試劑

原料：選用無機(jī)械損傷，無病蟲害及無腐爛的 8

成熟的新鮮凱特芒果。

試劑：無水乙醇、甲醇、福林酚、濃鹽酸、碳酸

鈉、草酸、三氯化鐵、鐵氰化鉀、磷酸氫二鈉、磷酸

二氫鈉、苯酚、濃硫酸，福晨（天津）化學(xué)試劑有限

公司；葡萄糖、水溶性維生素 E（Trolox）、沒食子酸，

上海源葉生物科技有限公司。

1.1.2 儀器和設(shè)備

Cary Eclipse 熒光分光光度計(jì)，美國(guó) Varian 公司；

DJL-QF 液氮噴霧速凍機(jī)，深圳市德捷力冷凍科技有

限公司；UV1800 紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；

TA XTPlus 質(zhì)構(gòu)儀，英國(guó) Stable Micro System 公司；

HWS-24 電熱恒溫水浴鍋，上海一恒科學(xué)儀器有限公

司；真空包裝機(jī)，上海瑞相包裝機(jī)械有限公司；

UltraScan VIS色度儀，美國(guó)Hunter Lab公司；CR22GⅢ

高速冷凍離心機(jī)，日本日立公司；DSC214 差示掃描

量熱儀，德國(guó) NETZSCH 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原料前處理及包裝

新鮮凱特芒果去皮、去核，切成 2 cm×2 cm×2 cm

的芒果塊，備用。將切好的芒果塊放入大小為 13 cm×

19 cm 真空包裝袋中，每袋 6 粒，3 粒芒果塊為一列，

排成兩列，真空包裝，4 ℃預(yù)冷，待冰柜凍結(jié)、浸漬

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冷凍及液氮噴霧速凍。

1.2.2 冷凍預(yù)處理方式

液氮噴霧速凍機(jī)分別設(shè)置處理溫度為-40、-60、

-80、-100 ℃，冷凍終點(diǎn)為芒果核心溫度達(dá)-20 ℃；同

時(shí)以浸漬冷凍（-20 ℃，50%乙醇為冷媒）與冰柜凍結(jié)

（-20 ℃）作為對(duì)比。凍結(jié)芒果在 25 ℃自然解凍 3 h，

測(cè)定品質(zhì)變化指標(biāo)，確定最佳凍結(jié)處理模式。

1.3 各指標(biāo)檢測(cè)方法

1.3.1 差示掃描量熱儀（Differential Scanning

Calorimeter，DSC）測(cè)定

實(shí)驗(yàn)方法具體參考 Zhao 等[10]，含可凍結(jié)水樣品

測(cè)定，稱 10 mg 芒果樣品，壓封在鋁盒中，從室溫以

5 /min ℃ 的速度降至-90 ℃，保持 10 min，然后再以

5 /min ℃ 的速度從-90 ℃升至 40 ℃，確定凍結(jié)終點(diǎn)（或

者是冰晶熔解溫度）T'm。

1.3.2 汁液流失率（Water Loss，WL)

汁液流失率測(cè)定時(shí)，為了防止水分凝結(jié)，將樣品

保存在密封真空袋中，室溫解凍 3 h。計(jì)算公式 1 如下。

100% 0 thawed

0

W -W WL =

W

× （1）

式中：

WL——為汁液流失率，%；

W0——冷凍前芒果塊的重量 W0，g；

Wthawed——解凍后芒果塊的重量 Wthawed，g。

1.3.3 凍結(jié)曲線與凍結(jié)效率表征

采用 T 型熱電偶（T 型，Omega Engineering Inc.，

CT，USA）插入樣品幾何中心，并連接到數(shù)據(jù)記錄器

（TC-08，Omega Engineering Inc. CT，USA），監(jiān)測(cè)芒

果塊在冷凍過程中的溫度。數(shù)據(jù)采集儀每隔 1 秒記錄

一次從初始溫度（4 ℃）到冷凍終溫（-20 ℃）所需

的時(shí)間數(shù)據(jù)。

凍結(jié)速率（Freezing Rate，r）、最大冰晶生成帶

時(shí)間（Zone of Maximum Ice Crystal Formation，Ti）兩

個(gè)指標(biāo)計(jì)算式 2、3 分別為：

r=（T0-Tf）/T （2）

Ti=Tc-Tif （3）

式中：

r——凍結(jié)速率；

T——總凍結(jié)時(shí)間，s；

T0——芒果塊的初始溫度，℃；

Tf——芒果塊的凍結(jié)結(jié)束最終溫度，℃；

Ti——最大冰晶生成帶時(shí)間，s；

Tc——芒果塊核心溫度達(dá)到最大冰晶帶拐點(diǎn)溫度的凍結(jié)

時(shí)間，s；

Tif——初始凍結(jié)點(diǎn)的凍結(jié)時(shí)間，s。

在冷凍過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文假設(shè)冷凍室

中芒果塊表面與換熱介質(zhì)的溫差恒定，在有限空間內(nèi)

進(jìn)行自然對(duì)流，只計(jì)算芒果塊與換熱介質(zhì)之間的對(duì)流

換熱系數(shù)（h），公式如下：

h Nu

l

λ = （4）

1/3 Nu Gr = ×× 0.061 ( Pr) （5）

3

2

ga tl Gr

v

Δ = （6）

Pr

k

μCp = （7）

式中：

h——芒果塊與換熱介質(zhì)之間的對(duì)流換熱系數(shù)；

L——芒果塊的特征尺寸；

λ——芒果塊的導(dǎo)熱系數(shù)；

Cp——傳熱介質(zhì)的比熱容（kJ·kg-1·K-1）；

μ——傳熱的氣動(dòng)粘度（10-5pa s）；

a——體積變化系數(shù)（絕對(duì)溫度的倒數(shù)）；

G——重力加速度；

?t——溫差（初始溫度 4 ℃與處理溫度之差）。

根據(jù)上式，RF 與 LNF 處理組間換熱系數(shù)之比[11]

可計(jì)算為：

( )

( )

i

j

a t d

a

μCp

t Cp μ

Δ = Δ

（8）

式中：

i 和 j——處理；

i——LNF?40~?100 ℃；

j——RF?20 ℃。

從氣體物質(zhì)性質(zhì)表中查詢不同溫度下空氣和氮

氣的 Cp、μ。LNF-40~-100 ℃的 d 值分別計(jì)算得出為 1.860、

2.752、3.675、4.632。

1.3.4 色差測(cè)定

采用色度儀 UltraScan VIS 的鏡面反射模式測(cè)得

不同速凍處理后樣品的 L*、a*、b*；?E 為兩點(diǎn)之間

的變化值，使用公式 10 獲得變化值。

* *2 * *2 * *2 Δ ? +? +? E aa bb LL =( ) ( ) ( ) 00 0 （9）

式中：

?E——兩點(diǎn)之間的變化值；

a*

、b*

、L*

——冷凍后的測(cè)定值，

a0

*

、b0

*

、L0

*

——冷凍前的初始值。

色度 c 通過 Angell 等[12]定義，色度值 c 越高，人

類感知的顏色強(qiáng)度也就越高。

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*2 *2 c= a +b （10）

1.3.5 硬度（Hardness）測(cè)定

采用 TA XTPlus 型質(zhì)構(gòu)儀對(duì)樣品堅(jiān)實(shí)性進(jìn)行測(cè)

定。測(cè)試過程中選用壓縮模式，并采用 P10 圓柱形平

底探頭對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程參數(shù)設(shè)定為：

測(cè)試前速度 5.00 mm/s，測(cè)試速度 1.00 mm/s，測(cè)試后

速度 5.00 mm/s，觸發(fā)力為 5.00 g，壓縮變形程度為

30%，以最大峰值作為樣品的硬度指標(biāo)。

1.3.6 總酚（Total Phenols）測(cè)定

參考 Chloe 等[13]方法，計(jì)算結(jié)果以不同濃度的沒

食子酸當(dāng)量表示。

1.3.7 胞外多糖（Polysaccharide）測(cè)定

參考吳倩等[14]的方法進(jìn)行胞外多糖的測(cè)定，計(jì)算

結(jié)果以葡萄糖當(dāng)量表示。

1.3.8 抗氧化活性測(cè)定

DPPH自由基清除能力測(cè)定方法參考Daniele等[15]

方法，以 Trolox 為標(biāo)準(zhǔn)品，測(cè)定不同質(zhì)量濃度的 Trolox

對(duì) DPPH 自由基的清除率，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。樣品清除

DPPH 自由基能力以（mg/kg）表示。

鐵還原能力（ Ferric Reducing Antioxidant

Potential，F(xiàn)RAP）的測(cè)定參考 Yeap 等[16]的方法，以

Trolox 為標(biāo)準(zhǔn)品，樣品的鐵還原能力用 Trolox 的當(dāng)量

來表示（mmol/kg）。

1.3.9 Vc 測(cè)定

采用熒光法測(cè)定。計(jì)算結(jié)果以不同濃度的 Vc 標(biāo)

準(zhǔn)品計(jì)算含量。

1.3.10 菌落總數(shù)（Total Colony）測(cè)定

根據(jù)GB 4789.2-2016《食品安全法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微

生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)測(cè)定》，測(cè)定冷凍前后的菌落總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

以上所有測(cè)定指標(biāo)均作 3~6 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)

果值以?x±s 表示。采用 Excel 和 SPSS 23.0、Origin 8.5

作統(tǒng)計(jì)分析、繪圖，最后將理化指標(biāo)數(shù)據(jù)先進(jìn)行

Pearson 相關(guān)性分析以及 R 語言（R X64 4.1.2）層次聚

類熱圖分析（CA）。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍結(jié)特性

2.1.1 芒果塊熱特性分析

圖 1 為新鮮芒果塊 DSC 熱特性曲線，新鮮凱特芒

果塊濕基含水率為（0.80 g 水/g，F(xiàn)W），其玻璃化轉(zhuǎn)

變的起始、中點(diǎn)、終點(diǎn)溫度均未檢測(cè)到，這與趙金紅

等[17]研究含水量大于0.71 g/g的臺(tái)農(nóng)芒果Tg檢測(cè)結(jié)果

類似，而 Zhao 等[10]通過冷凍干燥降低水分活度，發(fā)

現(xiàn)凱特芒果的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為-54.6 ℃，得出

不同水分含量的芒果特征玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有顯著性差

異。此外，觀察到樣品在放熱峰的熱焓值為 236.8 J/g，

A 點(diǎn)（-17.98 ℃）和 C 點(diǎn)（-13.10 ℃）分別對(duì)應(yīng)于焓

變峰終點(diǎn)溫度和起始溫度，B 點(diǎn)（-13.60 ℃）則為新

鮮芒果塊的焓變峰峰值溫度。T'm 是具有最大凍結(jié)濃

縮狀態(tài)的凍結(jié)終點(diǎn)溫度，在該條件下所有可能的凍結(jié)

水轉(zhuǎn)化為冰，當(dāng)溫度高于 T'm（-17.98 ℃）時(shí)，芒果

基質(zhì)將由于冰的融化而增塑，這種情況可能導(dǎo)致部分

芒果基質(zhì)凍結(jié)濃縮，不適合芒果的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

圖 1 芒果塊 DSC 曲線分析

Fig.1 DSC curve analysis of mango chunks

2.1.2 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊冷凍特性的

影響

圖 2a 顯示，芒果的凍結(jié)曲線符合一般冷凍曲線特

征，可分為三個(gè)階段，初始冷卻階段（感熱區(qū)）、潛熱

區(qū)（也稱熱阻區(qū)）、淬火階段[18]。其中潛熱區(qū)為了將

果肉中大部分自由水轉(zhuǎn)化為冰，需要除去更多的熱量，

大多數(shù)冰晶的形成也在這一區(qū)域。三種凍結(jié)方式中，

液氮噴霧速凍的凍結(jié)曲線比冰柜凍結(jié)、浸漬凍結(jié)的凍

結(jié)曲線斜率更陡，這主要是樣品與環(huán)境溫差及較高的

傳熱速率導(dǎo)致。三種凍結(jié)方式的冷凍曲線，在凍結(jié)初

期溫度快速下降，這與芒果向介質(zhì)的傳熱損失相對(duì)應(yīng)。

冰柜凍結(jié)的潛熱階段比浸漬冷凍和液氮噴霧速凍的潛

熱段更長(zhǎng)，LNF-100 ℃凍結(jié)總時(shí)間僅為冰柜凍結(jié)和浸漬

凍結(jié)的 1/10 和 1/6，這歸因于液氮?dú)饣菜賻ё叽罅?/p>

熱量，傳熱速度快。雖然，浸漬冷凍的冷媒（φ=50%

乙醇）增大傳熱接觸面積，迅速降溫，但傳熱系數(shù)遠(yuǎn)

遠(yuǎn)小于液氮，具有一定局限性。在冰柜凍結(jié)中，其傳

熱介質(zhì)為空氣，George 等[19]研究表明，相同傳熱介質(zhì)

的風(fēng)式冷凍柜的傳熱系數(shù)在 15 W/m2

K 和 30 W/m2

K

之間，僅僅是液氮速凍（100 W/m2

K）的 1/3。

圖 2b 為不同冷凍方式處理芒果塊的總凍結(jié)時(shí)間

（T）和最大冰晶帶形成時(shí)間（Ti），各處理組差異性

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顯著：RF-20 ℃＞IF-20 ℃＞LNF-40 ℃＞LNF-60 ℃＞LNF-80 ℃

＞LNF-100 ℃。穿過最大冰晶生成帶時(shí)間（Tif~Tc）的長(zhǎng)

短直接影響冰晶的大小、分布和冷凍食品的品質(zhì)[20]。

液氮噴霧速凍組中隨著環(huán)境溫度的降低，冷凍時(shí)間明

顯縮短，其中 LNF-100 ℃冷凍時(shí)間和最大冰晶形成帶時(shí)

間僅為 1 022、230 s，較 RF-20 ℃、IF-20 ℃組分別縮短了

9 040、4 657，5 475、870 s。食品冷凍所需的總時(shí)間和

通過最大冰晶生成帶時(shí)間越短，形成的冰晶越小，對(duì)

細(xì)胞的損傷較小，故 LNF-100 ℃最能保持芒果塊的品質(zhì)。

芒果冷凍特性的關(guān)鍵表征指標(biāo)如表 1 所示，液氮

噴霧速凍組具有較大范圍 r，其中 LNF-100 ℃與其他處理

組相比顯著性提高 900%~7.63%；在芒果的凍結(jié)過程

中，較高的 r，能形成較大的晶體成核速率，當(dāng)冰晶的

成核速率超過了冰的生長(zhǎng)速率，就會(huì)形成大量微尺寸

的冰晶，均勻地分布在食物基質(zhì)中，從而降低不規(guī)則、

粗大冰晶對(duì)芒果組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響；比較計(jì)算

RF 組和 LNF 組的芒果塊表面與換熱介質(zhì)的換熱系數(shù)

之比，發(fā)現(xiàn)以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)的 LNF-40~-100 ℃處理組是以空

氣為介質(zhì)的 RF-20處理組 1.8~4.6 倍，在相同的介質(zhì)中，

較低的凍結(jié)溫度導(dǎo)致較高的換熱系數(shù)，這反映了較高

的換熱速率。Cheng 等[11]探究換熱介質(zhì)和換熱速率對(duì)板

栗凍結(jié)特性、顏色和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)較大 r、

d 和較小 Ti 的 LNF-80 ℃和 LNF-100 ℃能最大限度地降低

凍存過程中的質(zhì)量劣化。

圖 2 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊冷凍曲線（a）、冷凍和通過最

大冰晶生成帶時(shí)間（b）的影響

Fig.2 The effect of different freezing methods on the freezing

curve (a), freezing time and the maximum ice crystal formation

zone time (b) of mango chunks

注：不同小寫字母表示具有顯著性差異（P<0.05）。下同。

表 1 不同冷凍方式芒果塊凍結(jié)效率指標(biāo)

Table 1 Freezing efficiency indexes of mango chunks under different freezing methods

樣品組 RF-20 ℃ IF-20 ℃ LNF-40 ℃ LNF-60 ℃ LNF-80 ℃ LNF-100 ℃

r/( /min) ℃ 0.14±0.02f

0.22±0.02e 0.45±0.05d 0.73±0.04c 1.31±0.03b 1.40±0.03a

注：重復(fù)次數(shù) n=3，同一列不同字母表示有顯著性差異（P<0.05）。

2.2 物理指標(biāo)

2.2.1 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊硬度、汁液

流失率的影響

硬度是判斷芒果塊質(zhì)構(gòu)特性的關(guān)鍵指標(biāo)。如圖 3

所示，芒果塊經(jīng)過冷凍后其硬度均有顯著下降，由大

到小可排序?yàn)?CK＞LNF-100 ℃＞LNF-80 ℃＞LNF-60 ℃＞

LNF-40 ℃＞IF-20 ℃＞RF-20 ℃，其中 LNF 較傳統(tǒng) RF、IF

更能維持本身的硬度結(jié)構(gòu)，且隨著冷凍的環(huán)境溫度降

低，芒果表現(xiàn)出更高的硬度值，其中 LNF-100 ℃組芒果

質(zhì)地保留率達(dá)到 83.12%，與新鮮組最為接近。各組硬

度變化趨勢(shì)與通過最大冰晶帶形成時(shí)間類似，造成這

種差異性原因是傳統(tǒng)冷凍形成的大冰晶對(duì)芒果細(xì)胞壁

完整性破壞較嚴(yán)重，冷凍-解凍過程中，冰晶的消長(zhǎng)使

芒果細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，細(xì)胞膜、胞質(zhì)層和細(xì)胞

壁之間出現(xiàn)破裂，內(nèi)容物隨組織液流出，導(dǎo)致芒果果

肉組織變軟，硬度下降嚴(yán)重[21]。因此芒果塊進(jìn)行液氮

噴霧速凍時(shí)，由凍結(jié)相變（液態(tài)-固態(tài)）所產(chǎn)生的機(jī)械

損傷相對(duì)較小，在-20 ~ ℃ -100 ℃環(huán)溫內(nèi)，溫度越低，

硬度保護(hù)效果越好。

圖 3 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊硬度、汁液流失率的影響

Fig.3 Effects of different freezing methods on mango chunks

hardness andwater loss

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表 2 不同冷凍方式對(duì)芒果塊色差的影響

Table 2 Effects of different freezing methods on the color difference of mango kernels

樣品組 L* a* b* ?E c

CK 56.64±0.18e

-0.86±0.06f

41.37±4.00d

- 41.37±1.34d

RF-20 ℃ 68.20±0.79ab -0.55±0.03e

49.54±0.96a

14.15±1.17a

49.54±2.20a

IF-20 ℃ 70.03±0.52a

0.21±0.04d

45.00±2.92c

13.91±1.33a

45.00±3.25c

LNF-40 ℃ 66.35±0.73b

1.54±0.06a

47.23±0.71b

11.52±0.52b

47.25±1.95b

LNF-60 ℃ 64.76±1.54c

1.09±0.07c

46.66±0.92b

9.88±0.79c

46.67±1.44b

LNF-80 ℃ 64.67±1.24c

1.42±0.03b

44.15±1.07c

9.81±0.83c

44.17±0.89c

LNF-100 ℃ 59.75±0.47d

1.69±0.08a

45.38±1.48c

5.67±0.93d

45.41±1.55c

注：重復(fù)次數(shù) n=3，同一列不同字母表示有顯著性差異（P<0.05）。

汁液流失率被認(rèn)為是描述冷凍樣品品質(zhì)變化的重

要指標(biāo)之一。圖 3 中冰柜凍結(jié)和浸漬冷凍芒果塊汁液

流失率分別為 8.40%、6.18%，這是因?yàn)槔鋬鰷囟雀摺?/p>

傳熱系數(shù)低，對(duì)應(yīng)冷凍速率慢，產(chǎn)生的冰晶粗大而量

少，容易刺破細(xì)胞，產(chǎn)生不可逆的損傷；其次，在解

凍過程中，樣品內(nèi)部的冰晶會(huì)逐步轉(zhuǎn)移到水中，一定

數(shù)量的水可以被細(xì)胞吸收和保存，未被吸收的水會(huì)從

細(xì)胞中滲出，導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)流失嚴(yán)重。LNF 組明顯優(yōu)

于 RF-20 ℃、IF-20 ℃組，尤其是 LNF-100 ℃效果最佳，與

RF-20 ℃組相比 WL 顯著降低 6.33%，這是因?yàn)殡S著冷

凍溫度的降低，傳熱傳質(zhì)速率增加，冷凍速率快，形

成的冰晶細(xì)小且主要分布在胞內(nèi)，避免了細(xì)胞被過大

胞內(nèi)冰晶刺破以及細(xì)胞間隙被過大的冰晶擠壓[22]。

2.2.2 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊色澤的影響

水果顏色外觀通常決定其是否可被接受，顏色變

化成為關(guān)鍵的質(zhì)量屬性之一。如表 2 所示，LNF-100 ℃

處理組的效果最好，即較低環(huán)境溫度處理芒果塊，可

以降低凍結(jié)過程中冰晶對(duì)其細(xì)胞膜的機(jī)械損傷，減少

解凍后的顏色變化。而 RF-20 ℃和 IF-20 ℃組?E 較大，

色澤與新鮮芒果差異顯著，L*值顯著高于對(duì)照組，可

能是因?yàn)樗謸p失造成了芒果塊表面水分密度增

大[23]，因?yàn)槊⒐刂饕ㄈ~綠素、類胡蘿卜素、

花青苷和黃酮類等物質(zhì)，汁液流失過程會(huì)帶走部分的

水溶性色素，以及解凍過程中多酚和 Vc 被氧化分解，

綜合導(dǎo)致?E、色度值 c 較高。吳煒俊等[24]在對(duì)荔枝

進(jìn)行-40 ℃到-100 ℃的液氮噴霧速凍研究中發(fā)現(xiàn)，隨

著冷凍溫度降低，對(duì)應(yīng)的?E 越小。

2.3 生物活性成分

2.3.1 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊胞外多糖、

總酚、Vc 的影響

如圖 4，新鮮芒果塊胞外多糖含量為 1.91 mg/g，

經(jīng)過 RF-20 ℃、IF-20 ℃和 LNF-40~-100 ℃處理的芒果塊多糖

含量都出現(xiàn)顯著性增加，這可能是由于冰晶的形成，

導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)承受不同程度的機(jī)械壓力，有助于多糖的

滲出，致使多糖得率提高，尤其是慢凍形成的胞內(nèi)胞

間大冰晶，致使細(xì)胞分離、破裂等，進(jìn)一步促進(jìn)多糖

的溶出。這與陳玉芳等[25]在冷凍法提取刺麒麟菜多糖

的研究結(jié)論一致；而水溶性多糖與汁液流失率的變化

趨勢(shì)不一致，這主要是由于隨汁液流失損失的多糖僅

為總多糖含量的小部分，而冷凍促進(jìn)多糖提取的效果

非常顯著，對(duì)所測(cè)的胞外多糖含量起到?jīng)Q定性作用。

因此，冰柜凍結(jié)、浸漬冷凍組的多糖含量較 CK 組高，

而 LNF-100 ℃與 CK 組相比只增加 0.44 mg/g。綜上，

-40 ℃到-100 ℃環(huán)境溫度的 LNF 處理更能保留芒果塊

的品質(zhì)。

芒果塊總酚經(jīng)過不同冷凍方式處理后均出現(xiàn)不同

程度的降低，如圖 4 所示。由大到小可排序?yàn)?CK＞

LNF-100 ℃ ＞LNF-80 ℃ ＞LNF-60 ℃≈LNF-40 ℃≈IF-20 ℃≈

RF-20 ℃，結(jié)果顯示，在液氮噴霧速凍組中，隨著環(huán)境

溫度下降，其總酚含量上升，LNF-80 ℃和 LNF-100 ℃與

新鮮處理組無顯著性差異，其他處理組相比 CK 組有

顯著性降低，這可能是因?yàn)槎喾友趸冈诘蜏鼗蛘呃?/p>

凍的情況下仍具有一定的活性，室溫解凍過程中容易

引起酚類物質(zhì)發(fā)生一系列的氧化酶促反應(yīng)，導(dǎo)致抗氧

化活性降低。隨著環(huán)境溫度逐漸降低，多酚氧化酶與

細(xì)胞器的結(jié)合保持較好，從而其活性受到更強(qiáng)抑制，

避免了總酚的損失[26]。綜上，液氮冷凍溫度在-80 ℃

或-100 ℃對(duì)芒果塊總酚的保護(hù)效果最好。

如圖 4 所示，冰柜凍結(jié)、浸漬冷凍、不同環(huán)境溫

度的液氮噴霧速凍對(duì)芒果 Vc 含量具有顯著性差異。

由大到小可排序?yàn)?CK＞LNF-100 ℃ ＞LNF-80 ℃ ＞

LNF-60 ℃＞LNF-40 ℃＞IF-20 ℃＞RF-20 ℃，可以看出

LNF-100 ℃對(duì)于保留芒果塊的 Vc 含量的效果最好，且

能抑制 Vc 的氧化分解，含量也顯著高于 RF-20 ℃、

IF-20 ℃組 26.75%、17.33%。這可能是由于 LNF-100 ℃具

備相對(duì)較快的冷凍速率，汁液流失少，對(duì)細(xì)胞保護(hù)作

用強(qiáng)。因此，-100 ℃液氮噴霧速凍處理可能是保持冷

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凍芒果 Vc 最適宜的模式。王遠(yuǎn)等[27]研究發(fā)現(xiàn)，液氮

凍結(jié)的蓮藕片的 Vc 損失比普通冰箱凍結(jié)蓮藕片低，

這是因?yàn)槁齼鲂纬傻谋л^大，使得樣品的細(xì)胞結(jié)構(gòu)

被破壞，從而導(dǎo)致樣品的汁液以及 Vc 的流失。

圖 4 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊多糖、總酚、Vc 的影響

Fig.4 Effects of different freezing methods on polysaccharides,

total phenolic and Vc of mango chunks

2.3.2 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊抗氧化活性

的影響

如圖 5 所示，芒果塊 DPPH 自由基清除能力和

FRAP 還原能力經(jīng)過冷凍后的變化趨勢(shì)類似，其中

RF-20 ℃、IF-20 ℃、LNF-40 ℃相比 CK 組有顯著性差異，

這可能是細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)被冰晶破壞，導(dǎo)致解凍過程中

一些水溶性酚類流失；此外，PPO 在植物細(xì)胞中有可

溶態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種存在形式：可溶態(tài)的 PPO 主要游離

在細(xì)胞液中，膜結(jié)合態(tài)的 PPO 存在于葉綠體和線粒體

等細(xì)胞器內(nèi)。在冷凍過程中大冰晶對(duì)細(xì)胞器產(chǎn)生一定

損傷，膜結(jié)合態(tài) PPO 的釋放，導(dǎo)致酶活性增加，從而

跟酚類物質(zhì)發(fā)生氧化酶促反應(yīng)，引起抗氧化活性的降

低；而更低溫度的液氮噴霧速凍會(huì)抑制多酚氧化酶活

性，其中就表現(xiàn)為 LNF-100 ℃組保持芒果塊的抗氧化活

性保留效果最佳，這與上述的總酚、Vc 變化類似，故

LNF-100 ℃處理的芒果塊表現(xiàn)出抗氧化活性較強(qiáng)。楊瑾

莉等[28]探究液氮噴霧速凍火龍果的總酚、Vc 與 DPPH

自由基清除能力、FRAP 鐵還原能力的變化趨勢(shì)一致。

圖 5 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊抗氧化活性的影響

Fig.5 Effects of different freezing methods on the antioxidant

capacity of mango chunks

2.4 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊菌落總數(shù)的

影響

圖 6 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊菌落總數(shù)的影響

Fig.6 Effects of different freezing methods on the total number

of mango chunks

如圖 6 所示，芒果塊經(jīng)過不同冷凍處理菌落總數(shù)

皆比未處理組菌落總數(shù)低，說明冷凍處理有降低芒果

塊菌落總數(shù)的作用。CK、RF-20 ℃、IF-20 ℃和各溫度的

液氮噴霧速凍組的菌落總數(shù)分別為 4.40、3.95、3.91、

3.90、3.81、3.77、3.56 lg CFU/g。由此可知，冷凍處

理對(duì)芒果塊微生物的生長(zhǎng)繁殖有顯著的抑制效果，其

原因可能是冰晶生長(zhǎng)對(duì)微生物細(xì)胞膜具有破壞作用；

其次，冰柜凍結(jié)和浸漬冷凍處理后仍有部分嗜冷微生

物以較低的活性存活下來，所以當(dāng)芒果塊解凍升溫后，

它們又會(huì)恢復(fù)生命力。而液氮噴霧速凍組中

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LNF-40 ℃~-100 ℃的菌落總數(shù)較 CK 組和傳統(tǒng)冷凍組少，

這可能是更低的處理溫度會(huì)使微生物的蛋白質(zhì)凍結(jié)變

性，溫度的回升不會(huì)使其活性得到恢復(fù)[28]。

2.5 不同冷凍方式處理下芒果塊各指標(biāo)間

Pearson 相關(guān)性分析

圖 7 展示了不同冷凍方式下芒果塊室溫解凍后各

指標(biāo)間的 Pearson 相關(guān)性分析。R 為正值時(shí)，在 0.8~1，

代表極顯著正相關(guān)；0.6~0.8 顯著正相關(guān)；0.2~0.4 弱

顯著相關(guān)；0~0.2 極弱相關(guān)或無相關(guān)，R 為負(fù)值，代表

相反意義；色澤變化值?E 與硬度、汁液流失率、生物

活性成分都呈極顯著正相關(guān)，與色度 c 和胞外多糖含

量呈顯著正相關(guān)。汁液流失率與胞外多糖、總酚、抗

氧化活性、Vc 都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，這與不同冷凍方

式對(duì)解凍后芒果塊品質(zhì)變化有一定的關(guān)聯(lián)，因?yàn)椴煌?/p>

冷凍方式處理過的芒果塊通過最大冰晶生成區(qū)所耗費(fèi)

時(shí)間不同，該區(qū)域內(nèi)冰晶的大小、分布均勻度顯著影

響細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，從而決定了解凍后汁液損失以

及營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)流失情況?？偡雍恳约?Vc 含量與

抗氧化活性變化有顯著相關(guān)性，這也解釋了前兩者含

量高時(shí)，LNF-100 ℃其抗氧化能力較強(qiáng)原因。因此，在

分析不同冷凍方式對(duì)室溫解凍后芒果塊主要品質(zhì)影響

時(shí)，其色澤?E 和汁液流失率、總酚、Vc 含量能作為

有效評(píng)價(jià)的依據(jù)。

2.6 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊聚類熱圖分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，且直觀的分類觀察

芒果塊品質(zhì)變化趨勢(shì)，對(duì)不同冷凍方式處理的芒果塊

進(jìn)行同一高維數(shù)據(jù)（理化指標(biāo)）聚類分析（CA），該

聚類分析可以忽略樣本類別，將最接近的數(shù)據(jù)組合在

一起。但由于不同變量的單位不同，在進(jìn)行 CA 之前，

首先要對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行 z-core 標(biāo)準(zhǔn)化處理，即統(tǒng)一無

量綱化，從而使不同變量具有可比性。R 語言繪制的

層次聚類熱圖（Heatmap）是由變量值和聚類結(jié)果的

樹狀圖組成，不同的色塊代表對(duì)應(yīng)變量的不同值，以

色標(biāo)為參考，如圖 8 所示。CA 中樹狀圖將 7 組芒果

塊聚類為 2 大組，其中 CK、LNF-80 ℃、LNF-100 ℃聚為

一大組，LNF-40 ℃、LNF-60 ℃、RF-20 ℃、IF-20 ℃聚為另

一大組，從分組中顯示 CK、LNF-80 ℃、LNF-100 ℃數(shù)據(jù)

相似性較高，尤其是 Vc、多酚、清楚自由基 DPPH

能力、FRAP 鐵還原能力等，綜合證實(shí) LNF-100 ℃處理

對(duì)芒果品質(zhì)影響較小，能最大限度地降低冷凍過程中

質(zhì)量劣化，進(jìn)一步支撐實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)論。

圖 7 不同冷凍方式處理下芒果塊各指標(biāo)間 Pearson 相關(guān)系數(shù)圖

Fig.7 Pearson correlation coefficient diagram of mango chunks under different freezing methods

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圖 8 不同冷凍方式處理對(duì)芒果塊理化指標(biāo)聚類熱圖的影響

Fig.8 The effect of different freezing methods on the clustering

heat map of mango chunks physicochemical indexes

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了不同冷凍方式（冰柜凍結(jié)、浸漬冷

凍、液氮噴霧速凍）處理對(duì)芒果塊凍結(jié)特性和品質(zhì)的

影響，發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)冷凍處理，液氮噴霧速凍 LNF-100 ℃

組的芒果塊凍結(jié)速率更高，傳熱速率和傳熱介質(zhì)共同

影響凍結(jié)特性和質(zhì)量，但前者的作用大于后者。除此

之外，冷凍總時(shí)間和穿過最大冰晶生成帶時(shí)間較

RF-20 ℃、IF-20 ℃組分別縮短了 89.96%、95.29%，84.27%、

79.09%，且形成的冰晶更細(xì)小、均勻，對(duì)芒果塊細(xì)胞

結(jié)構(gòu)破壞更輕微，汁液流失率低，因此能保持樣品的

理化品質(zhì)（總酚、Vc、抗氧化活性保留率達(dá)到 90%以

上）。Pearson 分析表明可從色澤?E 和汁液流失率、總

酚、Vc 等指標(biāo)進(jìn)行不同冷凍方式對(duì)芒果塊品質(zhì)影響的

有效評(píng)價(jià)；從熱圖上看出，LNF-80 ℃和 LNF-100 ℃是并

列在一類，證明兩者對(duì)芒果塊品質(zhì)影響較小，能夠最

大限度地降低冷凍過程中質(zhì)量劣化。本文現(xiàn)只研究了

不同冷凍方式處理前后芒果塊凍結(jié)特性和品質(zhì)變化情

況，后續(xù)可進(jìn)一步深入到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度貯藏液氮噴

霧速凍芒果塊樣品，以及結(jié)合新型凍品解凍方式對(duì)其

品質(zhì)變化規(guī)律解析，這為液氮噴霧速凍技術(shù)在芒果塊

深度凍藏加工提供理論支撐和技術(shù)參考。

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