專利名稱：凍結方法
技術領域：
本發(fā)明涉及食品、內(nèi)臟器官、組織片、動物細胞、微生物等的凍結方法。
背景技術：
在對動物細胞等低含水率物質(zhì)的被凍結物進行凍結時，被凍結物內(nèi)部出現(xiàn)的冰晶核(ice seeds)會成長成尺寸較大的冰晶，被凍結物的細胞膜因此受到損傷，從而導致在解凍時從損傷的細胞流出水分。該流出的水分(drip)中含有細胞內(nèi)液，在解凍時產(chǎn)生的失水量會對被凍結物的凍結質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。被凍結物的凍結速度越快，越能夠抑制冰晶尺寸的增大。因此，一般在與環(huán)境溫度的溫度差較大的-50°C以下的低溫區(qū)對被凍結物進行急速冷卻。然而，由于在低溫區(qū)進行冷卻需要消耗大量的電力，從節(jié)約能源的觀點來看并不理想。因此，專利文獻I中公開了如下的技術:通過在收藏庫中將食品在_7°C的溫度下預冷而使之處于過冷卻狀態(tài)后，向該收藏庫中送入冷氣并進行急速冷卻，使該食品從過冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)閮鼋Y。而專利文獻2中公開有以下一種技術:向冷凍庫等庫內(nèi)噴射液化二氧化碳氣體，利用該氣化潛熱進行急速冷卻而不用使庫內(nèi)溫度發(fā)生變化，從而對保存在庫內(nèi)的食品等進行凍結?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本專利公告第4253775號公報專利文獻2:日本公開文獻實開昭51 - 50444號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明解決的技術問題但是，在專利文獻I公開的凍結方法中，形成僅對食品的表層進行凍結的部分凍結，難以在長期保鮮的基礎上進行保存。本發(fā)明鑒于上述問題，其目的在于提供一種在可靠地進行凍結的基礎上，能夠?qū)崿F(xiàn)減少被凍結物在解凍時發(fā)生的失水量的凍結方法。解決技術問題的技術手段本發(fā)明的凍結方法的特征在于，在以離開密封容器壁面的方式配置被凍結物的狀態(tài)下，在_16°C以下的自然對流中冷卻所述被凍結物，經(jīng)過過冷卻后對該被凍結物進行凍結。根據(jù)本發(fā)明的凍結方法，由于被凍結物被配置為離開壁面，因此被凍結物周圍受氣體包圍，絕熱性增加，過冷度增大。而且，由于是在低溫的自然對流的狀態(tài)下對被凍結物進行凍結的，能夠?qū)^冷卻解除后的凝固潛熱短時間吸熱，從而能夠?qū)崿F(xiàn)被凍結物在解凍時產(chǎn)生較少失水量的高質(zhì)量冷凍。
另外，在本發(fā)明的凍結方法中，優(yōu)選從室溫開始對被凍結物及其周圍的氣體進行冷卻。在這種情況下，通過從室溫開始對環(huán)境氣體進行冷卻，與預先對環(huán)境氣體進行冷卻的情形相比，能夠使被凍結物的初期冷卻速度變慢，并增大過冷度。此外，在本發(fā)明的凍結方法中，優(yōu)選為在充滿構成分子由三個以上原子組成的多原子分子氣體或包含多原子分子氣體的以下氣體的密封容器中對被凍結物進行凍結，所述氣體是指:以使容器內(nèi)的氣體的熱容量比同分子數(shù)的干燥空氣的熱容量大的方式含有所述多原子分子氣體。在這種情況下，覆蓋被凍結物周圍的氣體是構成分子由三個以上原子組成的多原子分子氣體、或以容器內(nèi)的氣體的熱容量比同分子數(shù)的干燥空氣的熱容量大的方式含有所述多原子分子氣體的一種氣體，這種氣體的熱容量比作為空氣主成分的由兩個原子構成的氮分子或氧分子的熱容量要大一摩爾(摩爾比熱容)。如果溫度差或初期壓力相同，則熱傳導率由在自然對流中與被凍結物接觸的流體的比熱容確定。所述多原子分子氣體的熱傳導率比空氣的大。因此，在過冷卻狀態(tài)解除后，與將空氣作為環(huán)境氣體的情況相比，能夠提高熱傳導率，并加快被凍結物的凍結速度。此外，因凍結速度加快，潛熱釋放的時間變短，處于因凝固潛熱引起的凍結溫度在零度附近的時間縮短。所以，能夠減輕在被凍結物的內(nèi)部產(chǎn)生的冰晶核成長為尺寸較大的冰晶而導致被凍結物的細胞膜受到的損傷的程度。因此，能夠降低被凍結物在解凍時產(chǎn)生的失水量。另外，需要使用與被凍結物相比、容積足夠大的密閉容器。所以，被凍結物優(yōu)選為體積較小的組織片、動物細胞、微生物等研究用試料等。但是，在采用能夠充分確保冷凍室容積的冷凍倉庫等時，也能夠?qū)κ称返润w積大的被凍結物進行凍結。此外，為了實現(xiàn)過冷卻狀態(tài)能夠達到被凍結物中心部為止的程度，期望初期冷卻速度較為緩慢，而在過冷卻解除后以盡可能快的速度進行冷卻，因此能夠在短時間內(nèi)對凝固潛熱進行吸熱，從而實現(xiàn)良好的冷凍。所以，在本發(fā)明的凍結方法中，優(yōu)選通過在自然對流的狀態(tài)下對被凍結物進行過冷卻后，在強制對流的狀態(tài)下對所述被凍結物進行凍結，從而提高凍結時的冷卻速度。


圖1是表示試料凍結后的解凍時的失水率的圖。圖2是表示試料凍結后的解凍時的失水率與環(huán)境氣體的恒壓摩爾比熱容之間關系的圖。圖3是表示試料凍結后的解凍時的失水率的圖。圖4是表示試料凍結后的解凍時的失水率的圖。圖5是表示試料凍結后的解凍時的失水率的圖。圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的凍結器具的示意圖。圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的另一凍結器具的示意圖。
具體實施方式
(凍結原理)被凍結物在凍結時的損傷包括:損傷程度與吸熱速度成正比例增長的開裂造成的損傷以及與吸熱速度成反比變小的冰晶尺寸的增大而造成的損傷。在不考慮被凍結物的保存以及解凍而只研究被凍結物的凍結的情況下，可以認為凍結時的損傷是上述兩種損傷程度之和。被凍結物在凍結時的開裂是指被凍結物的外層部分發(fā)生皸裂或產(chǎn)生變形的損傷。開裂是由于從表層開始吸熱而最早凍結的外層部分因內(nèi)部凍結時的膨脹而導致的。被凍結物上冰晶尺寸增長導致的損傷是由于被凍結物內(nèi)部出現(xiàn)的冰晶核成長而使得被凍結物中出現(xiàn)的冰晶的尺寸增大導致的。在被凍結物是含水率較低(65% 85%)、厚度較薄的動物細胞等的情況下，開裂導致的損傷程度較輕，被凍結物上的冰晶尺寸增大導致的損傷是凍結時被凍結物損傷的主要原因。另一方面，被凍結物是含水率較高(超過90%)的單細胞微生物等的情況下，開裂導致的損傷成為被凍結物損傷的主要原因。冰晶尺寸的增大可以通過以下方式來抑制:對被凍結物進行急速冷卻，使得被凍結物因凝固潛熱而處于(TC附近的凍結溫度的時間縮短。因此，提高凍結速度進行凍結是非常重要的。然而，在低溫區(qū)進行冷卻時，由于需要消耗大量的電力，因此從節(jié)約能源的觀點來看并不理想。另外，在經(jīng)由過冷卻過程進行凍結時，通過增大過冷度對被冷卻動物的內(nèi)部進行過冷卻，能夠縮短過冷卻解除后凝固潛熱釋放時間，從而能夠進行高質(zhì)量的冷凍。由于為了縮短凝固潛熱的釋放時間，接觸制冷劑的熱容量越大熱傳導率越高，所以優(yōu)選熱容量大的制冷劑。特別是在經(jīng)由過冷卻過程對少量的被凍結物進行凍結時，通過將環(huán)境氣體的熱容量控制得較大，能夠加快凝固潛熱的吸熱速度。其理由如下:如果溫度差和初期壓力相同，則熱傳導率由自然對流中與被凍結物接觸的流體的比熱容量決定，所以，通過將接觸制冷劑的熱容量控制得較大，就能夠加快被凍結物的凍結速度。具體而言，例如通過吊掛被凍結物，將其放置在網(wǎng)狀的棚架上，從而使得形成被凍結物幾乎整體處于被這種氣體包圍的狀態(tài)的凍結環(huán)境。此外，當采用構成分子是3個以上原子的多原子分子氣體時，其摩爾比熱比空氣的大。作為這種氣體，例如可以舉出二氧化碳氣體、水蒸氣、氯氟烴(chlorofluorocarbon /CFC)、甲燒(methane )、乙燒(ethane )、丙燒(propane )、丁燒(butane )等氣體。 這樣，在被凍結物的周圍混合摩爾比熱比空氣大的氣體來包圍該被凍結物，在產(chǎn)生自然對流的同時在過冷卻溫度區(qū)域?qū)Ρ粌鼋Y物進行冷凍。另外，能夠經(jīng)由過冷卻過程的凍結溫度區(qū)大約為-10°c -40°c。因此，以不與密封容器內(nèi)的壁面發(fā)生接觸的方式吊掛被凍結物，混合二氧化碳氣體等比熱容量較大的氣體并密封，將該被凍結物放入處于所述溫度區(qū)的冷凍室內(nèi)進行冷卻。另外，由于密封容器內(nèi)的環(huán)境氣體的熱容量是被凍結物與環(huán)境氣體之間的溫度差和環(huán)境氣體的摩爾比熱以及摩爾數(shù)的乘積，所以如果氣體相同，溫度差越大則熱容量越大。但是，如果溫度差過大，則初期的冷卻速度上升，過冷度下降。所以，存在合適的溫度范圍。當冷凍庫內(nèi)溫度在-1o°c以上時，則溫度差較小，熱容量不足而導致失水較多。另外，當冷凍庫內(nèi)溫度在-30°C以下時，初期冷卻速度過快，過冷度下降，失水增多。所以，庫內(nèi)溫度的合適溫度區(qū)大約是在-15 °C -25 °C的范圍內(nèi)。因此，在-15 °C -25°C的低溫條件下，在自然對流的狀態(tài)下自然解除過冷卻，被凍結物就不會發(fā)生開裂，而且能夠縮短凝固潛熱的釋放時間。所以，庫內(nèi)溫度優(yōu)選設定在-15°C -25°C的范圍內(nèi)。(評估方法)在現(xiàn)有技術中，通過凍結或解凍的被凍結物的品質(zhì)通過測定凍結解除時的失水量、解凍解除后的彈性值、凍結時的冰晶尺寸的方法或感官檢驗來進行評估。但是，在使用這些測定方法或檢驗方法時，會因為被凍結物的部位不同而使得評估值差異較大，在評估精度和再現(xiàn)性方面存在問題。因此，在被凍結的被凍結物的品質(zhì)上不存在太大差異時，則難以區(qū)別凍結優(yōu)劣，妨礙了新的凍結方法的開發(fā)。因此,本申請的發(fā)明人首先使用高野豆腐(freeze-dried koya bean curd)作為動物細胞等低含水率物質(zhì)的試樣，開發(fā)出通過測定解凍時的失水量來評估凍結質(zhì)量的一種方法。作為低含水率被凍結物的試樣，使用將高野豆腐的粉末混合到重量百分比1.5%的瓊脂水溶液中成型后的試料。高野豆腐也被稱作凍豆腐，是將豆腐凍結干燥后的一種保鮮食品。該試料的含水率約為80%，與含水率為65% 85%的魚貝類及獸肉等肉類的含水率較為相近。具體來講，用擦菜板將高野豆腐磨碎成粉末狀。然后，將相對于沸騰后的重量百分比1.5%的瓊脂水溶液的水重量的重量百分比是7%的高野豆腐粉末混合到該瓊脂水溶液中，攪拌5分鐘后放入容器中，并用冰水冷卻容器，使內(nèi)容物凝固。然后，在除去容器內(nèi)冷凝的水滴后，使用內(nèi)徑12_的圓筒形模具進行脫模成型，制得直徑12_、高度10_的圓筒形試料。而且，將該成型后的試料放入到帶拉鏈的塑料袋中，在溫度4°C的環(huán)境下冷藏一天。接著，使用該試料，按以下方式求出失水率。首先，測定凍結前的試料重量Wep，然后不將試料裝入容器或袋子中，在各種條件下實施凍結。接著，在試料處于凍結的狀態(tài)下放入設置有過濾器和滴液容器的離心管(centrifuge tube)中，利用水平式(swing rotor)離心機在220G的重力下離心40分鐘，使其自然解凍。然后，從離心管中取出試料，并測定其重量Wer，再根據(jù)凍結前后的試料重量差，通過公式(I)求出凍結失水率Rer。Rer=IOO X (Wep — ffer) / Wep *..(1)另一方面，在測定凍結前的試料重量Wep后，利用水平式離心機在220G重力下對未凍結的試料實施離心40分鐘。然后，測定離心后的試料重量Wc。并且，根據(jù)試料在離心前后的重量差，通過公式(2)求出離心失水率Re。Rc=IOOX (Wc — Wep) / Wep...(2)最后，根據(jù)公式(3)，并利用凍結失水率Rer和離心失水率Re之間的差求出失水率Re,比較由不同凍結條件導致的失水率Re的差異。Re=Rer — Re...(3)但是，由于制造試料時存在分散性，因此使用同批制造的試料來進行失水率Re的比較。由于在成型后的一天內(nèi)通過密封袋對試料進行冷藏保存，試料表面上的水滴附著在袋子上，同時在袋內(nèi)有一定量的水分蒸發(fā)。所以，能夠?qū)⒄`差控制在較小范圍內(nèi)。而且，由于在實施離心時進行解凍，解凍中發(fā)生的失水能夠被分離，而不會被瓊脂或高野豆腐再吸收。另外，由于使用水平式離心機，能夠在垂直方向上對試料進行壓榨，因而將誤差控制在較小范圍內(nèi)。(評估結果)將試料以不與壁面發(fā)生接觸的方式吊掛在密封容器中，將容積為試料體積500倍的大容積的密封容器內(nèi)的環(huán)境氣體分別設定成以下各氣體，并將密封容器放入_16°C的冷凍庫內(nèi)后，在自然對流的狀態(tài)下，對試料進行凍結。所述作為環(huán)境氣體的各氣體是指:以20%體積比混合了二氧化碳氣體的空氣(Air+C02);飽和了水蒸氣的空氣(Air+H20);放入干燥劑進行了干燥的空氣(Air);以20%體積比混入了氬氣的空氣(Air+Ar)。此外，將各個失水率Re示于圖1中。圖2示出了上述環(huán)境氣體的恒壓摩爾比熱(恒壓摩爾比熱容)與失水率之間的關系。從圖2中可知，Air+C02、Air+H20、Air、Air+Ar的失水率Re依次增大，即恒壓摩爾比熱容越大，失水率Re越大。這個現(xiàn)象可以認為是因為以下原因造成:即，環(huán)境氣體的熱容量越大，被凍結物的凍結速度越快，冰晶的成長得到抑制，冰晶尺寸增大對被凍結物造成的損傷得到減輕。此外，圖3是表示在同容積的密封容器內(nèi)放入兩個試料的情況下與在放入四個試料的情況下的失水率的圖表。從圖3可知，試料放入個數(shù)越少，失水量越少。這說明每個被凍結物的環(huán)境氣體的熱容量越大，失水量越少。另外，圖1及圖2的各環(huán)境氣體的失水率的差較小的原因是因為密封容器內(nèi)的氣體混合比率較低。但是，在失水率的測定上分散性較低，從而充分地暗示了上述傾向。所以可以得知:在大容積的密封容器內(nèi)經(jīng)由過冷卻過程對少量的被凍結物進行凍結的情況下，只要將比空氣的熱容量大的氣體用作環(huán)境氣體，與將空氣用作環(huán)境氣體的情況相比，能夠降低被凍結物在解凍時產(chǎn)生的失水量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)良好的凍結質(zhì)量。接著，以不與密封容器的壁面發(fā)生接觸的方式吊掛試料，分別以空氣作為容器內(nèi)的環(huán)境氣體，將密封容器放入_20°C的冷凍庫內(nèi)，在自然對流的狀態(tài)下對試料進行凍結。這時，密封容器及其內(nèi)部的空氣分別設定成預先降低到-20°C的預冷空氣和常溫下的一般常溫空氣。將兩者的失水率Re示于圖4中。從圖4中可知，預冷至-20°C的空氣與從室溫(+20°C)開始冷卻的情形相比，失水率Re較大。所以可知，在大容積的密封容器內(nèi)對少量的被凍結物進行凍結時，將環(huán)境氣體設定為室溫的情形較為理想。這個結果表明如果試料溫度與環(huán)境溫度之間的差較小，則失水量較少。室溫優(yōu)選設定成+10°C以上。圖5是表示在密封容器內(nèi)以離開密封容器的壁面的方式吊掛試料進行凍結的情況下的失水率和讓試料接觸到密封容器的底面進行凍結的情況下的失水率的圖表。從圖5中可知，離開密封容器的壁面對試料進行冷卻時的失水量較少。該結果表明:試料周圍受環(huán)境氣體包圍時失水量較低，氣體與固體相比具有非常高的絕熱性，并且，初期冷卻速度緩慢的情況更能夠獲得良好的冷凍效果。從圖4和圖5可知，優(yōu)選初期的冷卻速度緩慢、并在過冷卻過程解除后采用快速冷卻。
(凍結器具)如圖6所示，本發(fā)明中的凍結器具I具有以下構成:在密封容器2內(nèi)設置吊棒4，吊掛懸掛體3，該懸掛體3內(nèi)部容納有被凍結物。這里，懸掛體3采用樹脂制的網(wǎng)狀袋或網(wǎng)兜。密封容器2放置到-10°C _20°C的冷凍庫(未示出)內(nèi)冷卻。此外，密封容器2的內(nèi)部空間被隔膜5分割成上下兩部分，這兩個空間彼此隔離。在上部空間中配置懸掛體3。上部空間連接有上部進氣管6，下部空間連接有下部進氣管7。并且，上部進氣管6和下部進氣管7分別通過調(diào)節(jié)器9、10連接有填充了液態(tài)二氧化碳氣體的氣罐8。另外，在上部進氣管6以及下部進氣管7的中途分別設置有進氣閥11、12。此外，上部空間連接有上部排氣管13，下部空間連接有下部排氣管14。上部排氣管13和下部排氣管14的中途分別設置有排氣閥15、16。以下說明使用凍結器具I的凍結方法。首先，將內(nèi)部裝入了諸如細胞或微生物的被凍結物的懸掛體3通過蓋子(未示出)吊掛在密封容器2內(nèi)的吊棒4上。然后，關閉所述蓋子將密封容器2密封。在這個階段，所有的閥11、12、15、16關閉。然后，打開上部排氣閥15，通過上部排氣管13排放上部空間內(nèi)的空氣，同時打開下部進氣閥12，通過下部進氣管7向下部空間內(nèi)供給二氧化碳氣體。在上部空間經(jīng)充分排氣并且下部空間內(nèi)充滿二氧化碳氣體后，關閉上部排氣閥15以及下部進氣閥12。然后，打開下部排氣閥16，通過下部排氣管14排放上部空間內(nèi)的二氧化碳氣體，同時打開上部進氣閥11，通過上部進氣管6向上部空間內(nèi)供給二氧化碳氣體。在下部空間經(jīng)充分排氣、上部空間充滿了二氧化碳氣體并且隔膜5與容器下表面緊密接觸后，關閉下部排氣閥16以及上部進氣閥11。然后，在該狀態(tài)下，將該密封容器2放置到-10°C _20°C的冷凍庫內(nèi)部進行冷卻。通過使用這種凍結器具1，能夠?qū)?nèi)部空間的二氧化碳氣體的濃度控制得非常高。因此，能夠增大密封容器2內(nèi)的環(huán)境氣體的熱容量，能夠以高熱傳導率進行凍結，并且能夠降低解凍時產(chǎn)生的失水量。另外，也可以使用飽和了水蒸氣的室溫空氣來代替二氧化碳氣體。另外，如圖7所示，也可以使用氣密袋21作為本發(fā)明的凍結器具。氣密袋21上設置有氣密拉鏈22。通過閉合氣密拉鏈22，使氣密袋21內(nèi)保持氣密狀態(tài)。此外，在氣密袋21內(nèi)部設置有裝入被凍結物的懸掛體23。懸掛體23采用樹脂制的網(wǎng)狀袋或網(wǎng)兜。另外，在氣密袋21中設置帶閥口 24，用于排放內(nèi)部的氣體以及使內(nèi)部充
滿二氧化碳氣體。使用這樣的氣密袋21，由于起初內(nèi)部殘留的空氣量較少，通過使其內(nèi)部充滿二氧化碳氣體，能夠提高二氧化碳氣體的濃度并予以保持。所以，能夠增大氣密袋21內(nèi)的環(huán)境氣體的熱容量，讓被凍結物經(jīng)由過冷卻來進行凍結，從而能夠降低被凍結物在解凍時的失水量。
權利要求
1.一種凍結方法，其特征在于，在以離開密封容器壁面的方式配置被凍結物的狀態(tài)下，在-16°c以下的自然對流中冷卻所述被凍結物，并且經(jīng)過過冷卻后對所述被凍結物進行凍結。
2.根據(jù)權利要求1所述的凍結方法，其特征在于，從室溫開始對所述被凍結物及所述被凍結物周圍的氣體進行冷卻。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的凍結方法，其特征在于，在充滿構成分子是由三個以上原子組成的多原子分子氣體或以下氣體的密封容器中對被凍結物進行凍結，所述氣體是指:含有所述多原子分子氣體以使得所述密閉容器內(nèi)的氣體的熱容量比同分子數(shù)的干燥空氣的熱容量大。
4.根據(jù)權利要求1至3中任意一項所述的凍結方法，其特征在于，通過自然對流對所述被凍結物進行過冷卻后，通過強制對流對所述被凍結物進行凍結。
全文摘要
本發(fā)明提供一種凍結方法。在以離開密封容器壁面的方式配置被凍結物的狀態(tài)下，在-16℃以下的自然對流中冷卻該被凍結物，并經(jīng)過過冷卻后對該被凍結物進行凍結。這時，優(yōu)選從室溫開始對被凍結物及其周圍的氣體進行冷卻。另外，優(yōu)選使用構成分子是由三個以上原子組成的多原子分子氣體或含有所述多原子分子氣體的氣體來充滿密閉容器，含有所述多原子分子氣體的氣體的熱容量比同分子數(shù)的干燥空氣的熱容量大。
文檔編號F25D3/12GK103097838SQ201180043849
公開日2013年5月8日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權日2010年9月14日
發(fā)明者木野正人, 清水昭夫 申請人:彌通雅貿(mào)易有限公司, 學校法人創(chuàng)價大學