淺談CAS冷凍技術

生活科學趣談

冷凍技術革新 食物不再乾乾巴巴 – 股感知識庫發布於2016年3月14日

先來看一則冷凍魚復活的影片

並且回顧一下先前這篇〈一二三木頭人

“日經技術”提及「棲息于寒冷地區的魚和昆蟲等生物的血液、體液內含有抗凍物質」,當環境溫度低於 0℃ 體內的水就會結凍,這種冰凍對於動物細胞往往是致命的。然而細胞外的冰晶其實是可以耐受的,只要細微的冰晶不持續擴大而越過細胞膜在細胞內結凍,組織就不會被破壞。抗凍蛋白就是扮演其中的關鍵角色,藉由其與小冰晶的結合,來阻止冰晶體積的持續生長。

肉類食材傳統上是採用 急速冷凍 的方法來保鮮,因為水分子若凍結得夠快,它們就沒有足夠的時間來排列成較大的晶體,這是目前急冷微晶(微凍結)冰箱的運作原理。就如同中學理化課的硫酸銅長晶實驗,若將之靜置而慢慢冷卻,晶體顆粒會較大;或者是單晶冰糖與台糖特砂晶體大小差異的機制

以牛排而言,目前業界多採用「液體急速冷凍」技術,其與一般的冷凍庫不同,它不是使用冷風而是用酒精等冷媒液(註:乙醇的熔點−114.3 °C)來急速冷凍,將冷媒液保持在−30°C以下,再將食材浸泡其中來達到快速降溫的目的

不過這種技術在肉品解凍後仍會出水,直到能維持食材原有細胞結構的 CAS(Cell Alive System)冷凍技術發明後才獲得大幅的改善

上則影片與 中文維基資料 都宣稱這是「微弱磁場使食品內部的水分子在一定範圍內振動」,不過這篇論文”Electric and magnetic fields in cryopreservation“卻質疑這種論點,作者認為應是振盪的電場才能有效抑製冰的形成。我也認為電磁波才合理,畢竟水分子具有電偶極矩, 在微波爐中的水分子於是能在反覆改變電場方向的電磁波中產生轉動(註:這是振盪電場能使水被加熱的機制)。在低於水的正常凝固點 0°C 的環境下,藉由水分子的轉動來抑制分子間氫鍵的形成,一旦去除電磁波,由於溫度夠低,於是能形成微小冰晶甚至是水的過冷 玻璃態。該論文作者同時也提及「有證據表明存在振盪電場可以抑制結冰並增強過冷的現象」,並發現冰晶域大小的最小化頻率是 50 kHz。

話說回來,雖然無從得知這項技術的原貌(或許是基於商業秘密),但是不必藉由冷凍保護劑即可保護細胞結構的完整這可是一項大發明,因為凍卵還得使用乙二醇、丙二醇和蔗糖等成分來置換細胞內的水分。另外,這項 CAS 冷凍技術也間接促成了 2017年諾貝爾化學獎,以開發一種新的方法來組裝蛋白質,DNA和RNA等生物分子的精確三維圖像。

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