水を多く含む食品を冷やすと、やがて内部の水が氷になり、食品全体が硬くなります。肉や魚、野菜、果物、炊いた米、スープなど、食品によって凍り方や凍結後の食感は異なりますが、その中心には食品中の水が液体から氷結晶へ変わる現象があります。
食品が凍結するのは、温度が下がることで液体の水より氷の方が安定な状態になり、氷の核が生まれ、その周囲へ水分子が規則的に並んで結晶が成長するからです。ただし食品は純粋な水ではありません。糖、塩、たんぱく質、有機酸などが溶けているため、0℃になった瞬間に食品中の水がすべて凍るわけではありません。
つまり、食品の凍結を理解するには、凝固点、過冷却、氷核生成、氷結晶成長、凍結濃縮、凍結速度を分けて考える必要があります。
食品はなぜ0℃ちょうどで全部凍らないのか？
純水は標準的な圧力条件では0℃付近で液体と氷が平衡になります。しかし食品には、塩、糖、アミノ酸、ミネラルなどさまざまな成分が水に溶けています。
溶質が水に溶けると、水だけのときより凍結しにくくなり、凝固点は低下します。これが凝固点降下です。そのため、食品の初期凍結点は0℃より低いことが一般的です。
さらに、温度を下げても食品中の水が一度にすべて氷になるわけではありません。先に一部の水が凍ると、残った液体部分には糖や塩などの溶質が濃縮されます。すると残りの液体はさらに凍りにくくなります。
このため、食品では温度が下がるにつれて凍結する水の割合が徐々に増えていきます。
凍結は「氷の核」ができるところから始まる
水が氷になるには、水分子が規則正しく並んだ小さな結晶の出発点が必要です。この出発点を氷核と呼び、氷核が生まれる現象を核生成と呼びます。
温度が初期凍結点より少し低くなっても、すぐに氷核ができなければ液体状態が続くことがあります。これが過冷却です。
過冷却状態では、液体のままではありますが、氷になりやすい条件が蓄積されています。何らかのきっかけで核生成が始まると、氷結晶が急速に形成され、潜熱が放出されるため、食品の温度が一時的に上昇することもあります。
食品凍結時の過冷却を調べた国内研究では、過冷却が深い条件ほど細かく均質な氷結晶が生じ、豆腐の解凍後の復元性が高まり、ドリップロスも抑えられる傾向が示されています。
氷核ができた後は結晶が成長する
核生成の後は、その氷核へ周囲の水分子が取り込まれ、氷結晶が成長します。
このとき重要なのが、核がいくつできたかと、それぞれの結晶がどれだけ成長する時間を持ったかです。
多数の氷核が短時間にできれば、水は多くの結晶へ分配されるため、一つ一つの結晶は小さくなりやすくなります。反対に、核が少ない状態でゆっくり凍ると、少数の結晶へ多くの水が集まり、大きな氷結晶ができやすくなります。
この違いが、急速凍結と緩慢凍結で食品の組織損傷に差が出る重要な理由です。
凍結速度が食品の品質を左右するのはなぜ？
凍結速度は、氷結晶の大きさ・数・分布へ強く影響します。
一般に、食品が氷結晶を作りやすい温度帯を短時間で通過すると、比較的小さく多数の氷結晶が形成されやすくなります。反対に、ゆっくり凍結すると、大きな氷結晶が成長しやすくなります。
2019年の食品凍結損傷に関するレビューでは、氷結晶の大きさ、数、形、分布が凍結食品の微細構造と品質に大きく関係し、速い凍結では一般に小さく均一な氷結晶が形成されやすいと整理されています。
とくに肉、魚、野菜、果物のように細胞構造を持つ食品では、大きな氷結晶が細胞膜や組織を物理的に傷つけることがあります。
解凍するとドリップが出るのはなぜ？
肉や魚、豆腐などを凍結してから解凍すると、液体が外へ流れ出ることがあります。これがドリップです。
凍結中に大きな氷結晶ができると、細胞膜やたんぱく質のネットワークが損傷し、水を保持する構造が崩れます。解凍時に氷が水へ戻っても、その水を元の場所へ保持できなければ、外へ流れ出します。
ドリップには水だけでなく、アミノ酸、ミネラル、色素などの水溶性成分が含まれる場合があります。そのため、ドリップの増加は重量減少だけでなく、食感や風味の低下にもつながります。
国内の過冷却凍結研究でも、氷結晶が微細な条件では解凍時のドリップロスが少なくなる結果が示されています。
食品が凍ると、残った液体部分は濃くなる
食品の水が氷になるとき、糖や塩などの多くの溶質は氷結晶の中へほとんど入らず、液体部分に残ります。
そのため、凍結が進むほど凍っていない液体部分では溶質濃度が高くなります。これを凍結濃縮と呼びます。
凍結濃縮によって、残った液体部分の塩濃度や糖濃度、pH、イオン強度などが変化すると、たんぱく質や細胞膜へ負担がかかったり、酵素反応や化学反応の進み方が変わったりすることがあります。
つまり、凍結による品質変化は、氷結晶による物理的な損傷だけでなく、凍っていない部分の組成変化によっても起こります。
食品中の水が全部氷にならないこともある
食品中の水には、比較的自由に移動できる水だけでなく、たんぱく質や糖、多糖、細胞構造などと強く相互作用している水もあります。
温度を十分に下げても、こうした水のすべてが同じように結晶化するわけではありません。また、溶質が濃縮された液体部分は凝固点が大きく低下するため、家庭用冷凍庫の温度でも一部は未凍結のまま残ります。
そのため、冷凍食品は見た目には完全に固まっていても、微視的には氷結晶と濃縮された未凍結相が共存しています。
食品の種類によって凍り方が違うのはなぜ？
食品ごとに水分量、糖や塩の量、たんぱく質、脂質、細胞構造、粘度が異なるため、凍結挙動も変わります。
たとえば糖を多く含む食品は凝固点が低くなり、同じ温度でも凍結する水の割合が少なくなることがあります。塩分が多い食品でも同様です。
肉や魚では筋繊維やたんぱく質が水を保持し、果物や野菜では細胞壁と細胞膜が組織構造を支えています。アイスクリームのような食品では、水だけでなく糖、乳成分、脂肪、空気、多糖などが共存し、氷結晶の大きさや口当たりへ複雑に影響します。
そのため、「何℃なら食品は完全に凍る」と一つの温度で決めることはできません。
凍結すると微生物は死ぬのか？
凍結は微生物の増殖を大きく抑えるため、食品保存に有効です。しかし、凍結は一般に殺菌と同じではありません。
低温では微生物の代謝や増殖がほぼ停止しますが、すべての微生物が死滅するわけではありません。解凍して温度が上がれば、生き残った微生物が再び増殖できる場合があります。
2017年の国内総説でも、冷凍は微生物増殖を抑え長期保存を可能にする一方、凍結・貯蔵・解凍中の物理・化学変化が品質へ影響すると整理されています。
したがって、冷凍食品でも解凍後の温度管理や衛生管理は必要です。
凍結すると化学反応は完全に止まるのか？
低温になると多くの化学反応や酵素反応は遅くなりますが、完全に止まるとは限りません。
凍結食品では、未凍結の濃縮相が残っており、その中では脂質酸化、色素変化、酵素反応などがゆっくり進むことがあります。
また、冷凍保存中に温度が上下すると氷結晶が再配置され、小さな結晶が減って大きな結晶が成長する再結晶化が起こることがあります。
2018年の国内研究では、凍結食品中の再結晶化速度が凍結濃縮相の水の運動性と関係し、低温で水の動きが小さくなるほど再結晶化が抑えられることが示されています。
冷凍庫の温度変動が品質を下げるのはなぜ？
冷凍庫の温度が上がったり下がったりすると、氷結晶の一部が溶けたり再び凍ったりします。
この繰り返しによって、小さな氷結晶が消え、大きな結晶へ水が移動しやすくなります。アイスクリームが長期保存でざらついたり、冷凍肉や野菜の組織損傷が進んだりする原因の一つです。
そのため、冷凍食品では「一度急速に凍らせる」だけでなく、保存・輸送・販売まで低い温度を安定して保つことが重要です。
急速凍結なら必ず高品質になるのか？
多くの食品では、急速凍結によって氷結晶を小さくすることが組織損傷の抑制に役立ちます。しかし、凍結速度だけで最終品質が決まるわけではありません。
食品の種類、厚さ、包装、初期温度、糖や塩の濃度、解凍方法、凍結後の保存温度なども影響します。
また、過冷却の程度や核生成のタイミングによっては、単純に「冷却速度が速いほど小さい結晶」とは言い切れない場合があります。2014年の豆腐を使った研究でも、過冷却解消温度が氷結晶形態とドリップへ影響することが示されています。
したがって、食品冷凍では凍結速度だけでなく、核生成から保存・解凍までを一連の工程として管理する必要があります。
解凍方法も凍結食品の品質を左右する
凍結時に良好な氷結晶を作っても、解凍条件が不適切なら品質が低下することがあります。
解凍中には氷が溶け、水分が食品組織へ戻ります。しかし解凍に長時間かかると、温度上昇した部分で微生物や酵素反応の影響を受けやすくなったり、氷結晶の再結晶化が進んだりすることがあります。
食品の冷凍・解凍技術に関する国内総説でも、最終品質は凍結工程だけでなく、凍結貯蔵と解凍を含めた一連の条件で決まると整理されています。
そのため、製品ごとに推奨される解凍方法を守ることが重要です。
まとめ：食品は水が氷結晶として安定になる条件へ移るため凍結する
食品が凍結するのは、温度が下がることで食品中の水が液体のままより氷結晶として存在する方が安定な条件になり、氷核が生まれ、そこへ水分子が集まって結晶が成長するからです。
ただし食品には糖や塩などが含まれるため、凝固点は0℃より低くなり、凍結中には未凍結部分へ溶質が濃縮されます。また、核生成のタイミングと凍結速度によって氷結晶の大きさ・数・分布が変わり、それが細胞損傷やドリップ、食感へ影響します。
さらに、冷凍保存中の温度変動では再結晶化が進み、解凍条件も最終品質を左右します。
つまり、食品の凍結を理解するには、温度だけでなく、凝固点降下、過冷却、核生成、結晶成長、凍結濃縮、保存温度、解凍までを一つの流れとして見ることが重要です。
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主な参考資料
- 安藤泰雅ほか「食品の冷凍および解凍に関する技術開発の現状と今後の課題」日本食品科学工学会誌、2017年。
- 小林りかほか「食品凍結時の過冷却現象が氷結晶の形態およびドリップロスに及ぼす影響」日本冷凍空調学会論文集、2014年。
- 萩原知明「凍結食品中の氷結晶成長の予測と制御」日本食品工学会誌、2018年。
- Dalvi-Isfahan M. et al. “Review on identification, underlying mechanisms and evaluation of freezing damage.” Journal of Food Engineering, 2019.
- “Measuring and controlling ice crystallization in frozen foods: A review of recent developments.” Trends in Food Science & Technology, 2019.
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