水產品微凍貯藏過程中冰晶形成與品質特性研究進展

孫康婷，潘 創，陳勝軍,3,4，胡 曉,3,4，鄧建朝，李春生

水產品微凍貯藏過程中冰晶形成與品質特性研究進展

孫康婷1,2，潘 創1，陳勝軍1,3,4，胡 曉1,3,4，鄧建朝1，李春生1

（1. 中國水產科學研究院南海水產研究所// 農業農村部水產品加工重點實驗室// 國家水產品加工技術研發中心，廣東 廣州 510300；2. 廣東海洋大學食品學院，廣東 湛江 524088；3. 三亞熱帶水產研究院，海南 三亞 572000；4. 海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心，大連工業大學，遼寧 大連 116034）

【】綜述微凍貯藏過程中冰晶的形成對水產品品質的影響和控制冰晶形成的方法。在闡述微凍保鮮技術和冰晶形成的基礎上，綜述水產品貯藏過程中冰晶對其水分、蛋白質、脂肪、質構、色澤等品質的影響，簡要介紹高壓冷凍、超聲波輔助冷凍、滲透脫水冷凍、電場輔助冷凍等控制冰晶形成大小的方法。水產品采用微凍貯藏有保持新鮮度、保持質量和延長保質期等優點。冰晶的大小與重結晶對水產品的質量影響較大，需要聯合其他技術降低微凍貯藏中冰晶對水產品品質的影響。

水產品；微凍貯藏；冰晶；品質變化

水產品含有蛋白質、脂肪、糖類等多種營養成分，被營養學家高度推薦[1]。然而，水產品在內源酶作用下發生肌肉蛋白和結締組織蛋白的水解，在微生物的代謝活動下肌肉腐敗，最終變質[2]。微凍保鮮技術通過在貯藏過程中部分水形成冰晶來保存食物。在微凍過程中，水產品中的一部分水分轉化成冰晶，抑制微生物生長，減緩蛋白質降解，降低脂肪氧化酶活性，并有助于延長水產品保質期[3]。冷藏食品保質期較短（幾天或幾周），冷凍食品保質期較長（幾個月或幾年），微凍食品保質期比冷凍食品短得多，但比冷藏食品保質期長[4]。

然而，水產品中大冰晶的形成和不均勻分布會對水產品細胞和組織結構造成不可逆的損傷，導致水產品質量下降，如解凍后會導致水分含量、蛋白質、脂肪、質構、色澤等方面的變化[5-8]。凍結速率是影響冰晶生長的主要因素，從而影響冰晶的大小和形態以及它們在食物中的分布狀態；凍結溫度和溫度波動也對冰晶的生長產生影響[9]。所以，對于微凍貯藏中冰晶的形成要加以控制，以使冰晶的生成起到降低微生物生長速度，減少水產品貯藏過程中品質劣變，延長貨架期的正面作用。本研究在介紹微凍保鮮的原理及研究進展的基礎上，綜述微凍貯藏過程中產生的冰晶對水產品品質的影響，研究冰晶的生成機理及控制方法，以期為研究冰晶與品質之間的關系及微凍貯藏水產品品質的改進等方面提供有益參考。

1 微凍保鮮技術及冰晶的形成

1.1 微凍保鮮技術

微凍保鮮是在生物體冰點和冰點以下1 ～ 2 ℃之間的溫度[10]，利用貯藏過程中產生部分冰晶來延長保質期的技術[11]。水產品在微凍貯藏時表面形成1 ～ 3 mm的冰層，形成的冰從水產品內部吸收熱量，使得在貯藏和運輸中水產品內外的溫度最終達到平衡[12]。

近年來，微凍保鮮技術在羅非魚（）、凡納濱對蝦（）、石斑魚（spp.）、鲇（）等水產品以及各種魚糜加工產品中具有良好的保鮮效果。Duun等[13]研究大西洋鮭()在-1.4、-3.6、-40 ℃和冰藏四個不同貯藏條件下的品質、質構和微觀結構變化，結果顯示在-1.4 ～ -3.6 ℃低溫條件下微凍貯存可大幅度延長鮭魚保質期。高昕等[14]研究發現，在微凍（-3 ℃）條件下測定鱸（）的新鮮度、質地、感官評價等指標，其貨架期與冷藏樣品相比延長20 d。闕婷婷等[15]對烏鱧（）持水性、質構、組織結構等的研究表明，相對于其他三種低溫冷凍預處理方法，微凍貯藏的品質明顯能更好保持。在較短貯藏期內，微凍貯藏比冷凍儲存貯藏更有效，能有效保持魚肉品質及其組織結構的完整性。

微凍保鮮技術成為一種新型保鮮方法并得到廣泛應用，主要是因為它具有以下優點：1）溫度范圍能抑制微生物生長，降低酶活性，減少生化反應和延長保質期；2）冰晶形成的數量少，對細胞損傷低，蛋白質的冷凍變性程度降低；3）縮短解凍時間，降低水產品汁液的流失率，更大程度上保留水產品原有口感和風味；4）能耗低，生產成本相對較低[16]。但是，該技術也存在一些問題，微凍食品的質量主要與冰晶的性質有關，如大小、位置(即細胞外和細胞內)和微凍過程中的形態等，必須嚴格控制溫度才能達到理想的保鮮效果[17]。

1.2 冰晶的形成

冰晶的形成是一種重要的物理現象，通過水在相變階段轉化為冰，是決定微凍貯藏過程食品質量的關鍵因素[18-19]。冰晶的形成過程分為4個階段，即成核驅動力、成核、冰晶生長、重結晶。過冷狀態為冰晶的產生提供驅動力，當液體溫度降至冰點以下時會產生成核驅動力[20]。成核驅動力是控制冰晶成核以及冰晶大小和數量的重要參數。冷卻速度快時，成核驅動力大，成核速度增大，晶核數增多，最終生成大量小冰晶。小冰晶可以保持細胞的完整性，減少解凍時汁液流失[21]。

Hartel等[21]將成核過程描述為晶體的產生，它引發驅動力，克服結晶的能量障礙，形成穩定的核。成核可以兩種不同的方式發生：1）初級成核，從溶液中自發形成的核被稱為初級成核；2）次級成核，包括從已經形成的晶體或晶體碎片中形成核。冰晶成核是微凍過程優化的關鍵參數。然而，冰的成核是自發的、隨機的，受雜質、粗糙度、表面特性等多種因素的影響，故一般很難監測和控制[22]。一旦晶核形成，基于結晶的驅動力，晶體開始迅速生長。在微凍產品內部，由于水蒸汽氣壓差的存在，使得水蒸汽不斷從高壓向低壓處運動，水蒸汽附著并凍結在大冰晶上，使冰晶逐漸增大，而小冰晶持續減少直到它們消失[23]。成核和晶體生長是結晶的兩個主要過程，它們的相互作用決定冰晶的特性。

初始晶體形成后在數量、大小、方向和其他晶體方面的任何變化都稱為重結晶[24]。重結晶過程中，在總晶體質量保持不變的情況下，晶體尺寸和形狀變化（同質再結晶），或以犧牲小晶體為代價的大晶體生長（遷移重結晶），或兩個晶體結合形成一個單晶（增長）。同質再結晶描述了在未凍結溶液中緊密接觸的兩個晶體之間的物理聚結，導致一個更大的晶體[25]。

在微凍貯藏和其他冷凍方式中，冰晶的形成過程一樣，但不同的凍結溫度會影響冰晶的大小。隨著凍結溫度下降，凍結速率會加快，冰晶通過最大冰晶形成帶的時間減少，產生小而均勻的冰晶[9]。Kono等[26]用不同的凍結速率研究冰晶對鮭()品質的研究發現，同一貯藏時間快速冷凍樣品形成的冰晶比正常冷凍樣品形成冰晶小，因為快速冷凍樣品通過最大冰晶形成帶的時間比正常冷凍樣品短。Chen等[27]在微凍（-3 ℃）和凍藏（-20 ℃）條件下對凡納濱對蝦()硬度、彈性、膠著性和咀嚼性指標的研究表明，微凍貯藏比凍藏的值下降慢，表明微凍條件下不會形成大量的冰晶，破壞肌原纖維。

2 冰晶對水產品品質的影響

2.1 冰晶對水分的影響

水分含量是評價水產品質量的重要指標之一。在微凍過程中，液態水的減少最能體現冰晶的形成，常用液滴損失和持水性等指標來評估肌肉中的水分含量[28]。

液滴損失反映水產品肌肉組織結構在貯藏過程中被冰晶或者內源酶破壞的現象。液滴損失不僅影響水產品多汁性、風味、外觀和質地，降低消費者的購買欲望，而且隨著水產品按重量出售，還會產生經濟影響[29]。Cyprian等[30]證明，采用微凍（-1 ℃）的氣調包裝（體積分數50% CO2∶50% N2）可顯著減少新鮮羅非魚（）魚片在貯藏過程中的液滴損失。此外，在貯藏期間溫度的波動會導致冰晶融化和重結晶，增加儲存過程中肌纖維分離或斷裂的數量，最終導致解凍后的液滴損失[29]。

在微凍貯藏過程中，冰晶尺寸的增加可能會通過物理作用破壞細胞壁而造成機械損傷，這可能會導致液滴損失的增加、持水力的減弱以及與細胞壁結構損傷相關的其他質量參數的變化[31]。另外，由于細胞中肌原纖維蛋白質變性，冰晶融化的水無法與蛋白分子重組并分離，從而導致汁液損失，表現為持水能力下降[32]。欒蘭蘭[33]對帶魚（）反復凍融四次之后，在-3 ℃貯藏的帶魚肌肉持水力下降19.71%。

2.2 冰晶對蛋白質的影響

在水產品肌肉組織中，蛋白質是最為重要的成分之一，生命體的形成和生命活動的完成都有蛋白質參與其中。水產品中的蛋白質在微凍貯藏過程發生變性會影響品質。冰晶的形成很大程度上導致水產品肌肉蛋白質變性。冰晶會破壞細胞膜，損壞細胞組織結構。微凍貯藏中水產品內部會形成大小不一的冰晶，從而加速蛋白質變性[34]。

鹽溶性肌原纖維蛋白在肌肉組織蛋白中含量最高，約占總蛋白的65% ～ 75%，蛋白質變性程度經常根據肌原纖維蛋白的變化來評估[35]。蛋白質變性將導致總巰基含量減少，二硫鍵含量增加，減弱Ca2+-ATPase活性，并降低肌原纖維表面疏水性等[36]。Chen等[27]研究在-3 ℃凡納濱對蝦()的蛋白質特性，貯藏4周后總巰基質量摩爾濃度低于10 μmol/g，下降率達52.97%；Ca2+-ATPase活性從0.220降至0.088 U/mg，下降率達60%。

2.3 冰晶對脂肪的影響

微凍過程中，只有部分水分凍結成冰抑制水產品組織活動，但還有部分水未被凍結，水產品肌肉中仍然會發生一系列生理生化反應，如脂質氧化[37]。脂肪的氧化降解導致水產品產生異味，縮短水產品保質期[38]。

硫代巴比妥酸（TBA）反應物質是二次脂質氧化的產物，與水產品的感官評價密切相關，TBA在整個貯藏過程中不斷增加，并且隨著貯藏溫度降低，TBA增加速度變得越來越慢[36]。張家瑋等[39]將新鮮帶魚（）在-3 ℃貯藏28 d, 在0 d時TBA為0.38 mg/100g，隨貯藏時間延長，28 d時TBA達到1.78 mg/100g。

2.4 冰晶對質構的影響

質構變化與品質息息相關，質構是評價水產品品質的一項重要指標[38]。水產品肌肉質地的軟化可能與水產品的種類、年齡和大小、脂肪含量和分布、肌肉蛋白質的數量和性質以及保存和加工技術等幾個參數有關[40]。

冰晶的形成對水產品的質構有負面影響，解凍后水產品的硬度、膠著性和回復性會降低。劉歡等[41]對微凍貯藏條件下大鯢（）肌肉的質構進行研究，結果顯示貯藏30 d后硬度下降40%，膠著性下降42%，咀嚼性下降40%，回復性下降35%。郭麗等[42]在微凍貯藏過程中對鯽（）質構的研究表明，鯽魚肉的硬度、咀嚼度、黏性和剪切力均呈下降趨勢，下降原因可能是冰晶的生成導致細胞間組織間隙增大，組織結構發生變化。

2.5 冰晶對色澤的影響

色澤是影響消費者選購水產品最重要的視覺特性之一，是人們在購買水產品時最直接的感官評價因素。水產品在低溫貯藏時由于冰晶的形成導致蛋白質變化、脂肪氧化、水分含量降低都會導致色澤發生變化。

郭麗等[42]對微凍鯽（）色度進行研究，隨著貯藏時間的延長，*值一直處于較平穩狀態，*值的變化呈先上升后下降趨勢，鯽（）魚肉*值呈逐漸升高趨勢。譚明堂[43]對大王烏賊（）-5 ℃的白度值研究發現，隨著貯藏時間的延長，白度呈先上升后下降趨勢。白度值顯著增加，與微凍貯藏中冰晶的產生有關，其表面游離水增加，以及光在水產品上反射增強，導致白度值增加。而白度值下降一方面是貯藏過程中含水量下降造成的，另一方面可能與脂質氧化有關。

3 控制冰晶形成的方法

冰晶的特性，包括大小、分布和形狀，對冷凍食品的質量有著重要影響。均勻分布在細胞內外的細小晶體，由于組織損傷較小能更好地保持食品質量。而細胞外的大冰晶，在解凍后會對組織造成嚴重損害，并導致食物質量變差[44-45]。因此，控制結晶以在微凍食品中獲得所需的結晶屬性，不僅對微凍貯藏過程中食品的質量和貨架期控制至關重要，而且對微凍相關工藝的正確設計和開發也至關重要[26]。

為更好地控制結晶過程、保證水產品質量和延長保質期，一些新型冷凍技術，如高壓冷凍、超聲波輔助冷凍、滲透脫水冷凍、電場輔助冷凍等已經被用于減輕與冰晶形成相關的負面影響及其對食品質量的影響。高壓冷凍是通過控制溫度或壓力來實現食品內部水冰相變的過程。液態水的冰點在受到外部施加的壓力時降至0 ℃以下，壓力一旦釋放，過冷度的程度更高，冰核形成的速度增加，促進小冰晶的形成[46]。超聲波輔助冷凍是在一定強度的超聲波作用下，水產品內部組織液中會出現空化氣泡從而促進晶核的形成，破碎較大的冰晶[47]。滲透脫水冷凍是指食品在進行冷凍處理前，先通過脫水獲得理想的水分含量，從而減少汁液流失[32]。電場的引入可在冷卻過程中抑制水分子的成核，從而降低冰晶的生長速率[46]。在食品低溫貯藏中，添加抗凍蛋白也可更好地控制冰晶的形成。抗凍蛋白是一種可與冰晶結合以改變冰晶生長狀態并抑制重結晶的蛋白，能降低溶液冰點而不改變熔點，具有熱滯活性、抑制冰重結晶性、修飾冰晶形態等三個特性[47]。

4 展望

微凍貯藏有保持新鮮度、保持質量和延長保質期等優點。冰晶的大小與重結晶對水產品的質量影響較大，需要聯合其他技術降低微凍貯藏中冰晶對水產品品質的影響。未來微凍過程中建立水產品“冰晶-品質”評價模型是一個需更多關注的領域。從動態機制上研究冰晶形成對于品質的變化，將有助于控制微凍貯藏水產品質量與安全。

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Research Progress on Formation and Properties of Ice Crystals During Partial Freezing Storage of Aquatic Products

SUN Kang-ting1,2, PAN Chuang1, CHEN Sheng-jun1,3,4, HU Xiao1,3,4, DENG Jian-chao1, LI Chun-sheng1

（1.,////,,510300,; 2.,,524088,; 3.,572000,; 4.,,116034,）

【】The effects of ice crystal formation on aquatic product quality during partial freezing storage and the methods to control ice crystal formation were reviewed. 【】Based on the introduction of the partial freezing principle and the formation mechanism of ice crystals, this paper summarized the effects of ice crystals on water, protein, fat, texture, color and other quality indexes of aquatic products during partial freezing. The methods of controlling the size of ice crystal by high pressure freezing ultrasonic assisted freezing osmosis dehydration assisted freezing electric field were elaborated. 【】Partial freezing storage of aquatic products has the advantages of preserving freshness, quality and extending shelf life. The formation and recrystallization of ice crystals have adverse effects on aquatic product quality, so it is necessary to combine with other technologies to reduce the effects of ice crystals on aquatic product quality.

aquatic products; partial freezing storage; ice crystals; quality change

TS254. 4

A

1673-9159（2021）06-0147-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2021.06.018

孫康婷，潘創，陳勝軍，等. 水產品微凍貯藏過程中冰晶形成與品質特性研究進展[J]. 廣東海洋大學學報，2021，41（6）：147-152.

2021-06-22

三亞崖州灣科技城管理局2020年度科技計劃項目（SKJC-2020-02-013）；廣東省現代農業產業技術體系創新團隊建設專項（2021KJ151）；中國水產科學研究院基本科研業務費專項（2020TD69）

孫康婷（1996―），女，碩士研究生，研究方向為水產品加工與質量安全。E-mail: 752012112@qq.com

陳勝軍（1973―），男，博士，研究員，研究方向為水產品加工與質量安全。E-mail: chenshengjun@scsfri.ac.cn