用于冷冻组织的方法和设备的制作方法

专利名称：用于冷冻组织的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于冷冻组织、器官和简单的多细胞结构同时对细胞造成的损伤减至最小的方法和设备。
组织是由执行同一功能的同一种细胞构成的结构，例如动物肌肉。一个器官是植物或者动物中形成一个结构和功能单位的多细胞部分，例如所有水果、许多蔬菜、动物心脏、肝脏等。本发明特别涉及组织、器官和简单的多细胞结构的冷冻，其中在冷冻之前存在细胞的完整性，并且在适当的情况下，还可存在生物活性。简单的多细胞结构的实例包括早期发育阶段的昆虫、鱼类和甲壳类动物等。
本发明特别涉及(a)通常在解冻后经过烹调的或者未经烹调被消费的细胞类的食品的冷冻，即通常被称为“冷冻食品”的消费品，包括水果、蔬菜、鱼类、甲壳类动物。
(b)非食品应用的植物组织的冷冻，非食品应用例如包括园艺产品的保存，例如移植的幼苗、花和其它装饰材料。
(c)用于医学和兽医移植的组织和器官的低温贮藏。
(d)用于生物技术和农业的果蝇、地中海果蝇等昆虫的早期发育阶段的低温贮藏，用于水产养殖和环境检验的双壳软体动物和鱼类的幼体阶段的低温贮藏以及用于水产养殖的饲料有机体的低温贮藏。
可通过添加所谓的防冷冻添加剂来改善用于移植或者非食品应用的组织和器官的冷冻效果。这些防冷冻添加剂通常是能够改善细胞在冷冻过程中所遭受的物理应力的可渗透的、非触变的化合物。可通过将组织和器官浸没在一种适合的介质中或者对于有脉管的器官利用灌注使这些化合物被引入到组织和器官中。将这样的防冷冻添加剂用于食品，通常被认为是不能接受的。
组织内的生物细胞包含可被冷冻的液体分隔区域并且包括水溶液。在水溶液中形成冰核并且晶体生长之后，水以冰的形式从系统中被去除，并且剩余未冻结的溶液浓度增大。随着温度的降低，更多的冰形成，减少了浓度进一步增大的剩余未冻结的溶液所占比例。在水溶液中，存在一个冰与浓缩的水溶液共存的大的温度范围，通常称之为“糊状区(mushy zone)”。
在大量的过冷水溶液中形成冰核之后，温度开始升高并且基本上保持在溶液的熔点，这种情况通常被称为“潜热”平稳段(“latent heat”plateau)。在其中的含水分隔区域是连续相(例如悬浮液、凝胶、水乳胶和海绵中的油)的所有系统的冷冻过程中都发现了类似的温度曲线。在这样的系统中，冰核的形成总是出现在正在被冷却的表面处，并且晶体生长在未冻结的材料中进行。
目前已经对细胞悬液的冷冻状态进行大量的研究。在细胞悬液中，大的细胞外分隔区域作为连续相出现并且在细胞外分隔区域内进行的流动过程决定了细胞状态。在冰核形成后，细胞被分隔成剩余的未冻结相，在这种情况下，它们受到逐渐升高的高渗溶液的影响。在“慢”速冷却时，通过水份自细胞的渗漏可使细胞内环境具有足够的时间来保持与细胞外分隔区域之间的平衡。随着冷却速度的增大，保持渗透平衡所需的时间缩短并且细胞逐渐过冷并且增大了在细胞内形成冰的可能性。通常认为，在细胞内形成冰会使细胞受到致命的破坏。在细胞悬液的低温贮藏后的细胞存活与细胞的脱水和避免在细胞内形成冰相关。
在组织中，具有作为连续相存在的小的细胞外分隔区域。组织内的大部分水存在于可被认为是不连续相的各个细胞内，并且即使在组织的“缓慢”冷却的过程中，也不能避免在细胞内形成冰。这种方式对于组织是无法理解的，这是由于利用这种方式，在冷冻过程中存在导致破坏的各种因素，接着表现为细胞死亡或者在解冻时存在不能接受的产品质量。普遍认为，“快速冷却将使成核增生，这会使所形成的冰晶体的数量增加并且伴生物的尺寸减小。慢速冷却会产生较少的冰晶体，并且随着冷却的持续进行会使冰晶体生长到较大的尺寸。前一种方式是优选的，这是由于如果冰晶体能够保持较小的状态，那么对植物组织的伤害是较小的，而较大的冰晶体会破坏植物细胞。冷冻过程越快，组织结构和味道品质会更好”(D.Arthey，In Frozen Food Technology，Blackie，London 1993年，第252页)。
尽管尽可能快地冷冻敏感材料的手段被广泛应用，但是由于缺少高质量的、商业应用的、被冷冻的敏感产品的材料而决定难以成功。实例包括许多水果(诸如草莓、瓜、芒果等)、蔬菜(诸如马铃薯、芦笋等)、鱼类、甲壳类动物、肉类等。多种不希望的特征导致对这些多种材料的冷冻伤害。对于敏感的水果和蔬菜，在细胞水平上出现重大的伤害并且解冻的材料证明膨胀损失(侵蚀)、脱色、出现变味、脱水等。对于利用动物或者鱼肉加工的食品，即肉类和鱼类，在解冻时也会出现变得坚韧的问题。
在组织中的冷冻形态的计算机模拟已经假定组织的水相是连续的并且单个冰前沿蔓延通过该组织。假定，冷冻形态与在大量液体或者凝胶等中所观察的类似，并且被描述为一种“糊状区”模型(见Reid，D.S.In Frozen Food Technology，Blackie，London，1993年，第1-19页，Cleland A.C.In Food Refrigeration Processes，Analysis，Designand Simulation，Elsvier Applied Science，London，1990)。这已经被进一步改善，建议，为了提高产品质量，组织在糊状区中所用的时间应当减至最小，但这实质上是“越快越好”手段的重述。糊状区概念是我们还没有发现完全适合的，但重要的是，它是无法预测的。
特别是，我们发现，当细胞组织(其中细胞大部分是完好的)被冷冻时，各个细胞相互独立地冷冻并且它是很大程度上确定细胞在解冻时的完整性的该成核形态的“模式”。该“模式”包括成核温度、过冷程度(在环境温度和冰核形成温度之间的温度差)、成核温度分布等。这样，我们已经在光低温显微镜的阶段观察苹果组织内的冷冻过程。在较高的温度下，通常为-3℃，可以观察到，冰的冰前沿蔓延通过细胞外流体的膜层。随着温度降低，细胞保持过冷，并且当观察到，细胞内冰核形成发生在组织内的各个细胞内以相互独立地成核。为了完成在组织的所有细胞中的成核，可需要较长的时间。如果该组织被解冻并且被加热以破坏细胞的整体性，接着被再次冷冻，在冷冻伤害的组织中发生冰波形成并且不能观察到独立的细胞冷冻。另外，在取自于其中已经出现重大的自我分解的非常成熟的水果的组织中，也出现类似的冰波蔓延。从中我们能够看出1.通过假定糊状区形态来模拟组织的冷冻形态是不准确的。过去已广泛使用的这种分析方法在严格意义上仅适用于其中的细胞区域化已经由于损伤(烫漂、冷冻)或者自我分解而失去的组织。
2.组织内的温度测量与在组织中的细胞内独立发生的冰核形成是一致的。在低于均质化的材料的潜热平稳段的温度下观察到一种“伪潜热平稳段”。在图6中，该图是为了表示对于苹果的直接温度测量。均质化的苹果组织的潜热平稳段(a)，水溶液的“真实”潜热平稳段是在高于“伪潜热平稳段”(b)的温度下。这是由于一些细胞成核和释放它们的与过冷细胞共存的潜热的“包”之间的平衡导致的。这种结果是不希望的并且不能利用标准的糊状区模拟来预测。
3.细胞的温度基本上保持在“伪潜热平稳段”温度直至所有细胞已经成核，接着可能减少平均温度。
4.组织的细胞包含细胞内细胞器官，并且其中一些，例如线粒体和液泡，被隔膜包围并且以渗透的方式其作用以改变细胞内环境的浓度。在细胞内冰核形成后，细胞内分隔区域的浓度将增大并且细胞器官将暴露在高渗环境下。如果在高的零下温度下出现细胞内成核，那么情况使细胞内细胞器官的渗透收缩发生并且可能在局部收缩的细胞器官内出现冰的形成或者它们被充分脱水以阻止细胞器官内的冰的形成。在低的零下温度下的细胞内成核将导致进行细胞器官内脱水所用时间不够，并且将在充分脱水的细胞器官内形成冰核。在植物组织中，这是液泡收缩和渗透应力的响应，这主要决定是否接着出现细胞损伤。
我们已经发现，在任何组织中，外部条件决定各个细胞的成核形态和“伪潜热平稳段”的特征，以及任何组织存活的“最佳”条件组。不同的组织具有不同的用于使细胞损伤减至最小的最佳外部热通量条件，并且这是由于在细胞尺寸、材料的细胞内成核性能、液泡的尺寸和分布、细胞内溶质含量和各种细胞内细胞器官的尺寸和渗水性方面存在差异。另外，该“最佳”条件指的是，形成既不产生能够导致伤害细胞内器官的成冰或者不会导致能够对组织内的大部分细胞中的细胞器官造成伤害的过度脱水的细胞器官细胞内成核的模式的外部条件组。
通过在这些条件下冷冻组织，我们发现，可有效地减少细胞损伤，在解冻时对液泡的伤害减至最小并且质膜保持其可选择的渗透性。如果这样的组织在相同的条件下被再次冷冻，基本上可获得相同的伪潜热平稳段。
在一个方面，本发明提供一种用于冷冻组织以在解冻时使细胞损伤减至最小的方法，温度降低的速度是这样的，即，(a)潜热温度平稳段是低于冷冻均质组织所需温度的温度，(b)细胞内成核的温度不会导致伤害细胞内器官的成冰，以及(c)冷冻组织可被解冻并且以基本上同一潜热温度平稳段在相同的条件下被再次冷冻。
在另一个方面，本发明提供用于冷冻细胞组织以在解冻时使细胞损伤减至最小的设备，所述设备包括用于接收被冷冻的组织的腔室、用于在所述腔室中提供冷却气体流以接触所述组织的装置、用于感测腔室中的热通量参数的装置以及用于控制冷却气体以保持热通量参数基本上恒定的装置。
在本发明的方法中，在所述冷冻过程中对热通量参数进行监测并且根据需要改变条件以使所述参数基本上在所选择的数值保持恒定。热通量参数可利用局部流温度的知识推出，或者可直接利用一种热通量参数测量计测得。
在环境温度Te下运动的流体和在温度T≠Te的任何物体之间存在对流换热。局部的热通量q″由q″＝h·A(T-Te)给出，其中A是物体的表面积，以及h是局部换热系数，用Wm-2K-1表示。涉及对流的应用通常包括复杂的流体力学，因此难以在理论上模拟。对于包括湍流的情况，这更是复杂。因此，能够测量热通量是重要的，或者在一些情况下测量对流换热系数h。
另一个重要的相关参数是“热通量参数”HF，“热通量参数”HF是由用Wm-2K-1表示的局部换热系数h与用摄氏度表示的所测量的局部流温度Te的在零摄氏度以下的数值的算术乘积的结果限定的。例如，对于50Wm-2K-1的局部换热系数h，在流温度为-50℃时，热通量参数将为2500Wm-2。“热通量参数”是用于冷冻的冷却剂流体(气体或者液体)的换热性能的简单表征。另外，一个物体的热通量参数，如上所述，HF＝-h·Te，也可由HF＝q″/A给出，如果物体的表面温度为0℃。监测热通量参数是控制冷冻的一个重要部分。
一种测量该参数的间接方法是分别测量h和Te。利用任何标准方法可容易地测量温度，诸如利用热电偶或者铂电阻温度计。测量h的标准方法是分析具有高导热性的简单形状物体(诸如铜球)在其被放置在保持恒定温度和对流换热条件的环境下后改变温度时的热历史。该物体的初始温度必须与环境温度具有很大的差异以获得高的精度。简单的所谓“集总的热容”分析表示在这些情况下的温度将是指数函数Tg(t)=ΔTink·ehAmCrt+T∞]]>其中Tx是物体温度(取决于时间)，Ts是(恒定)环境温度，以及ΔTinit是物体和流之间的初始温度差，A是物体的表面积，Cp是其热容以及m是其质量。
但是，该方法限于在物体冷却过程中的恒定的环境温度和恒定的局部换热。如果不是这样的情况，那么利用环境温度的并行同步测量，利用分析或者有限差分模拟在具有适合的边界条件的固体中能够解开相关的传导方程式，从而获得h，但是对于活动的或者“瞬时”监测，这是不适用的。
测量h的另一种可选择的方法是对一个物体进行有规律地再加热并且在每一次再加热后分析测得的冷却曲线。如果再加热和冷却的时间间隔与外部温度或/和换热系数变化的时间相比是较短的，那么接着能够遵循它们的变化。但是，该方法难以使用，这是由于它需要环境的温度测量、物体的温度测量、物体的控制加热和冷却曲线的复杂数学分析。它也不适于“瞬时”监测。
不采用根据环境对物体的温度Te进行分析，这里所述的方法是对保持物体温度恒定所需的热量Q的直接测量。这样做所需的热量等于环境q″的热损失。对于控制在0℃的物体的已知的表面积，接着可利用HF＝q″/A＝Q/A简单地获得“热通量参数”。该测量不取决于环境温度或者局部换热系数是否恒定。对于已知的环境温度，减小局部换热系数h的数值是直截了当的。
保持在0℃的物体的已知的表面积不总是容易测量或者精确计算的。在这种情况下，可利用上述方法所涉及的简单铜球的冷却在一个恒定的温度和换热系数的环境下对该装置进行校准以获得有效的表面积。
热通量测量计将被设置在靠近被冷冻的产品附近以使接触该产品的气体的热通量参数可被评估。例如可通过改变冷却剂气体的温度或者改变将气体引向产品的风扇或者喷嘴的速度和/或方向来改变热通量参数。我们建议，在本发明方法的操作过程中通过改变风扇速度来局部调节热通量参数。
在医用、兽医用或者生物技术应用的冷冻组织或者器官的情况下，可在冷冻之前加入一种防冷冻添加剂。接着，可在任何适合的设备(诸如细颈瓶、小瓶或者袋)中将组织悬浮在低温贮藏剂溶液中，使组织暴露在冷却剂气体流下的进行冷冻。组织或者器官在低温贮藏剂保持平衡后可从低温贮藏剂溶液中取出，进行表面干燥，接着使之直接暴露在冷却剂气体流下的进行冷冻。另外，也可通过浸没在冷冻池中或者灌注冷冻剂来降低组织或者器官的温度。
可以多种方式进行用于冷冻任何具体产品的最佳热通量参数的确定，这些方式主要包括(a)可利用各种条件使一系列产品样本被冷冻，对于每一个样本绘制潜热温度曲线。接着，在解冻后，在相同的外部条件下使样本再次冷冻，并且绘制第二潜热温度曲线。如果该条件是最佳的或者接近最佳，那么两个曲线在相同温度下的平稳段基本上是相同的。当使用其它条件时，第二曲线具有高于第一曲线的温度平稳段。(b)对该过程进行计算机模拟必须将组织内的细胞内成核过程表示为外部条件的函数并且将其与关于各种细胞内细胞器官的渗透形态的另一个表述形式结合。(c)遵循各种冷冻条件对细胞的超微结构进行分析，能够确定细胞内的冰的定位，特别是确定液泡内出现的冰的定位。
对于水果和蔬菜，在收割后细胞新陈代谢持续进行并且对后期收获造成不良影响。通过降低储藏温度或者改变包装氛围可以使产品质量的降低减至最小的程度。另外，有多种手段特别防止对后期收获造成不良影响，通过分等级种植程序和最近常用的改良方法。
许多热带水果或者亚热带水果对后期收获造成不良影响是严重的，例如包括芒果、木瓜等。在温度变化很小或者不明显的气候中，播种主要是散布机构，种子在与地面接触时快速发芽并且不需要过冬休眠结构。这些水果先天容易腐烂并且具有很高的呼吸速度并且线粒体活性与这相关。这样的水果的商业开发存在许多问题，特别是在水果沙拉中使用准备的水果或者备餐时，发现这样的产品在短时间内会软得令人无法接受。可通过激冷或者在无氧的氛围内包装来延长这样的产品的保存期，两种处理方式都需要降低细胞新陈代谢，特别是线粒体活性。
在利用常规的方法冷冻和解冻后，明显会对线粒体系统造成伤害。通常出现呼吸增加的“突发(burst)”或者延长，并且已经证实，这是由于细胞分隔破坏所导致的。
我们发现一种延长产品保存期的方法，其中包括冷冻水果，完整的或者准备的，以便在解冻时不造成对细胞隔膜的功能性损害，特别是质膜和液泡隔膜，同时能够达到破坏线粒体活性的效果。冷冻条件是这样选择的，即，在使线粒体失效或者破碎同时使气体细胞器官渗透脱水(特别是液泡)的温度下形成细胞内冰核。在解冻时，保持细胞的完整性，但呼吸停止并且与新鲜材料相比这样的材料的保存期被延长。
还有在食品卫生和质量因素方面的要求，需要了解食品(特别是肉类和鱼类)是否在先已经被冷冻。目前没有简单的方法来确定是否已经再次冷冻。但是，根据本发明的一个方面，这可以通过检查冷冻放热曲线以看出在先前的冷冻解冻循环中是否已经使组织的整体性被破坏来有效实现。利用直接热电偶测量、热分析(差动扫描热量测定、差动热分析等)，可相对于随后进行的解冻和再次冷冻，测量在一个冷冻循环过程中的组织温度。最好将组织加热到50℃以确保在冷冻之前所有组织的结构被破坏，但是必须注意的是，不能通过蒸发失去水份。或者，可通过均质处理来破坏细胞的超微结构并且在原生的“细胞”材料中的冷冻过程可与均质处理的材料的冷冻过程进行比较。
测量“热通量参数”HF的一种简单方式包括使用一种装置控制由插入在特定的“高散热”电阻器R的散热器中的T形热电偶所给出的温度。该控制器调节用安培表示的通过已知电阻器R的电流I。电功率I2R接着等于物体的热量。对于电阻的面积A进行调节并且显示和/或记录以给出HF的直接测量。
可使用一种“无传感器式(sensorless)温度控制器”将物体保持在预定的温度下，使用一个电阻作为加热器元件和温度传感器。
包括HF测量装置的探头用于将所述装置放置在一个需要进行HF测量的位置处。该探头最好是电阻随温度变化的(RTD)元件并且可被“无传感器式温度控制器”控制，利用RTD元件能够有效地测量温度和加热探头。温度控制器被设定以使探头的RTD元件的电阻保持在所需的数值，对应于需要控制的探头的温度。已知输送的电功率和探头的表面积，可以计算热通量的数值。例如，可通过测量探头电路中的平均电压和电流来获得热通量的数值。该RTD元件可与一个电阻Rp串联以有助于测量电压和电流。
为了更充分地理解本发明，参照附图，其中

图1是带有温度控制器的探头的连接图的一个示例；图2是被保持在气流中的探头的设计形式的一个示例；图3示出了通过图1的电阻Rp测量的典型电压波形；图4是实施本发明的方法的冷却隧道的一个示例的纵向截面图；以及图5是图4的沿线x-x的截面图。
在实现本发明所涉及的方法的一个优选实施例中，通过将探头保持在0℃并且测量提供给探头的功率来确定冷却气体流(温度低于0℃)的热通量参数。在本申请中使用“无传感器式温度控制器”，例如一种MINCOHeaterstat，但也可使用其它装置，来调节控制电路的电阻(Rp+100+Rcables)，100欧姆是PT100在0℃的电阻，Rcables用于补偿Heaterstat和PT100本身之间的接线的最后电阻。
如图2中所示，铂电阻RTD元件(1)插入在钎焊在一起的两层铜箔(2)之间。利用尼龙螺钉(3)和环氧树脂将其固定在管(4)的端部以使通过管的热损失减至最小。利用连接器(5)使该探头与电路相连。
通过测量穿过电阻Rp的电压和确定Heaterstat接通的时间百分比来获得热通量的数值。穿过电阻Rp的电压还可用于检查探头的温度。
在穿过电阻Rp的电压Vp和RTD元件的电阻(这样其温度)之间的关系如下。Vp=V0·Rp(Rp+RRTD+Rcables)]]>通过测量Vp，能够将Heaterstat的设定点调节到所需的数值或者得知探头的温度。通过改变Rp，能够根据需要选择被调节的输出值Vp。例如，利用24伏的供给电压，电阻Rp应该被设定为6.3欧姆并且改变Heaterstat的设定点以获得1.4伏的输出电压Vp。
图3中示出了电压Vp的观察。
通过测量Heaterstat接通时间的比例，用于使探头保持在固定温度而提供给探头的电功率可被计算PRTD=(tonT)·(Vs)2RRTD]]>已知功率消耗的表面积Ap，接着可计算在探头处的温度PRTD/Ap。该表面积可从校准试验中推出以确定上述h。
图4示出了本发明所涉及的用于冷冻食品的设备，它包括绝热壳体4，通常是由不锈钢(为了卫生)制成。壳体4具有入口和出口4a，4b，环形输送器6通过入口和出口4a，4b。在使用中，用于冷冻的食品8被装载到输送器的供料端6a，接着被输送通过壳体4的内部，从输送器的出料端6b排出。
在壳体4内，安装有致冷剂喷射装置的供料组10a和出料组10b，它们分别包括多个喷射棒并且适于独立使用和控制以将一种致冷剂(通常为液氮，但也可使用其它气体-诸如对于冷冻某些产品优选使用二氧化碳或者液体空气-在其临界点温度以下)向内和略微离开输送器6向着风扇12喷射。每一个风扇12由相关的马达14驱动，风扇12被这样设置，即，使其向下吹向输送器6和由输送器6支撑的食品8，有助于致冷剂的蒸发和增强致冷剂和食品之间的换热。设置热电偶16以感测壳体14内的周围温度。
现参见图5，可以看出，风扇12被成对地沿着横过其下方的输送器6的移动方向的方式设置。通量探头18位于每一对风扇12的附近以测量靠近输送器6上的带有食品8的表面的热通量参数。在实施过程中，通量探头18的远端18a被设置在由风扇12吹向食品8的夹带致冷剂的空气流附近或者其中并且适于测量那里的热通量。通量探头18与控制器20(诸如可编程的逻辑控制器)功能性相连(如图5中虚线所示的)，控制器20可以将由通量探头18所显示的在输送器6出的实际热通量数值与预定的热通量参数数值进行比较，并且通过变频器22改变风扇12的速度以使所测量的热通量参数值与所需的数值会聚。将探头18的远端18a设置在输送器6和致冷剂喷射区域的附近将使探头18显示液体致冷剂是否冲击到其上。这是具有优势的，这是由于液体致冷剂冲击到探头18上将建议，液体致冷剂可被收集在壳体4的底部；这不仅是致冷剂的非充分使用，而且如果它们受到致冷剂的冲击，那么还会对食品的冷冻造成不良影响。另外，液体致冷剂的集中在致冷剂为氧和氮的混合物(例如液体空气)的情况下是特别不希望的；这是由于各自的沸点温度不同，液体空气的集中会增大氧的含量，存在出现爆炸的危险。理想的是，当致冷剂从喷射装置排出并且在可能撞击食品8之前时，冷冻剂蒸发。
本领域普通技术人员应该理解的是，当食品8通过壳体4时，使食品8所遭受的热通量参数保持基本上恒定可能需要沿着壳体4的长度方向频繁地改变每一对风扇12的速度。但是，在壳体内进行本发明所涉及的冷冻过程基本上是等温的；因此，仅需要一个热电偶16，并且它与控制器20功能性相连，控制器20可根据由热电偶16所感测的温度起作用以改变被供给到致冷剂喷射装置的喷射组10a，10b的致冷剂的流速。为了方便起见，仅需要一个致冷剂源(未示出)，致冷剂源带有通向致冷剂喷射装置的喷射组10a，10b的供给管线(未示出)、响应于来自控制器20被提供给每一个供给管线的信号的阀装置以启动和控制从喷射装置排出的致冷剂流。由于在壳体4内的热载荷在入口4a是最大的，那里的在致冷剂和食品8之间的温度差最大，因此致冷剂喷射装置的上游组10a通常会排出比在下游组10b排出的更多的致冷剂。因此，尽管下游组10b可仅包括两个与输送器6移动方向对准的两个致冷剂喷射棒以确保热载荷最大的位置处的热通量基本上恒定，但是上游组10a还可包括与图5中所示的平行的第三喷射棒(未示出)并且设置在每一个横向对中的相邻风扇12之间以及适于将致冷剂向外喷向相邻的风扇12。为了使进入入口4a的食品快速达到热通量参数的所需数值，还可提供另一个与输送器移动方向横向设置的喷射棒(未示出)。
在使用中，食品8被装载到输送器6上并且当它们通过壳体4时利用由风扇12将致冷剂吹到其上而使食品8被冷冻。如本领域公知的，温暖的致冷剂(即，已经通过与食品8接触而变暖的致冷剂气体)通过排出导管26在风扇系统28的抽送作用下被排放到大气中。排出导管26和风扇系统28位于壳体4的下游端朝向出口4b；因此，整个致冷剂流的设置与食品移动通过壳体4的方向是同向的。
在实施本发明所涉及的冷冻方法中，该设备的操作如下。根据被冷冻的食品8的类型，可编程的逻辑控制器20对于食品应该在壳体4中驻留的时间(这由输送器6的移动速度来表示)进行编程，使热通量在壳体4内保持基本恒定(在设备2的所有部件已经冷却到一个工作温度后，通过根据食品生产速度改变致冷剂喷射装置的组10a、10b所提供的致冷剂质量流量来使热通量在壳体4内保持基本恒定)，并且使食品8在输送器6的表面处所遭受的热通量参数保持基本上恒定，同时使食品8通过壳体4(如上所述，可通过改变每一对风扇12的操作速度来实现)。食品被装载到输送器6上以在该设备中提供预定的冷冻“载荷”，并且不使将对它们的冷冻产生不利影响的各个物品分层或者遮蔽。
上述设备仅说明了本发明的原理。这样，隧道的尺寸和形状、风扇或者喷嘴的设置和形式或者其它输送所需冷却剂气体流的装置和致冷剂喷射装置对于特定的食品范围可进行适当的改变。在利用本发明所涉及的20英尺乘以2英尺(6.1米乘0.61米)的冷冻隧道中，例如，我们发现一种有效的布置形式，其中包括沿着隧道设置的8对风扇，带有两组致冷剂喷射装置，每一个由专用的致冷剂控制阀控制，第一组位于上游喷嘴横跨第一组四对风扇，第二组位于下游喷嘴横跨其余四对风扇。每一对风扇具有相关的热通量参数探头，以及一个热电偶位于隧道的中部并且可有效地保持等温条件。为了确保该系统尽可能地有效，重要的是，使从导管26排出的气体尽可能地温暖。在实施过程中，这可通过减少被引入到导管26附近的致冷剂量来实现，相邻风扇被制成较难工作和产生较高的局部气体速度的形式以将热通量保持在所需的恒定数值。本领域普通技术人员应该理解的是，对于不同的冷冻装置的设计形式或者不同的产品冷冻可采用不同的布置形式。
权利要求
1.一种用于冷冻作为组织、器官或者简单的多细胞结构的材料以便在解冻时使细胞损伤减至最小的方法，该方法包括在这样选择的外部条件下对所述材料进行冷却，该外部条件选择成，以使(a)潜热温度平稳段低于用于冷冻均质的材料所需温度，并且(b)该冷冻的材料可被解冻并且在相同的条件下被再次冷冻以获得大致同样的潜热温度平稳段。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在阻止细胞器官内形成冰的条件下进行材料内的细胞内冰核形成。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在阻止液泡内形成冰的条件下进行植物材料内的细胞内冰核形成。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，通过使所述材料暴露在受控制的冷却气体流以使所述材料被冷却，以提供基本上恒定的热通量参数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述冷冻过程中对热通量参数进行监测并且根据需要调节冷却气体流以使所述参数基本上保持恒定。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，利用无传感器式温度控制器监测所述热通量参数。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，调节所述冷却气体的速度。
8.如权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于，在分隔式冷冻装置或者隧道式冷冻装置中冷冻该组织。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，以同向流动的结构来使用隧道式冷冻装置。
10.利用上述任何一项权利要求所述的方法来保存生物材料的生物活性或者存活性。
11.如权利要求1至3中任何一项所述的方法，其用于冷冻医用或者兽医用的移植的组织或者器官，其中，在冷冻之前将防冷冻添加剂引入到所述组织或者器官中。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，利用灌注来冷却脉管组织。
13.如权利要求1、2或3所述的方法，其用于冷冻简单的多细胞结构，诸如处于早期发育阶段的昆虫、鱼类、甲壳类动物，其中，在冷冻之前加入防冷冻添加剂。
14.一种用于冷冻细胞组织以便在解冻时使细胞损伤减至最小的设备，所述设备包括用于接收将被冷冻的组织的腔室、用于在所述腔室中提供冷却气体流以接触所述组织的装置、用于感测腔室中的热通量参数的装置，以及用于控制冷却气体以保持热通量参数基本上恒定的装置。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备是分隔式冷冻装置或者隧道式冷冻装置。
16.如权利要求14或15所述的设备，其特征在于，所述设备是以同向流动形式来操作的隧道式冷冻装置。
17.一种如参照附图4或者图5所描述的设备。
18.一种用于检测组织样本是否在先已经被冷冻或者解冻的方法，所述方法包括对所述样本进行冷冻以获得一个温度时间曲线，接着将该温度时间曲线与均质材料的冷冻曲线进行比较。
全文摘要
一种用于冷冻作为组织、器官或者简单的多细胞结构的材料以便在解冻时使细胞损伤减至最小的方法，该方法包括在这样选择的外部条件下对该材料进行冷却，该方法包括在这样选择的外部条件下对该材料进行冷却，该外部条件选择成，以使(a)潜热温度平稳段低于用于冷冻均质的材料所需温度，并且(b)该冷冻的材料可被解冻并且在相同的条件下被再次冷冻以获得大致同样的潜热温度平稳段。
文档编号A23B4/06GK1446045SQ0181384
公开日2003年10月1日 申请日期2001年6月7日 优先权日2000年6月7日
发明者G·J·莫里斯, E·阿克顿 申请人:阿西姆普托特有限公司