水產品冷凍品質影響因素*

崔自成 黃東* 趙日晶 位興華

（西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安 710061）

速凍食品的起源可以追溯到1928年的美國，當今社會，隨著飲食習慣的變化以及生活節奏的加快，速凍食品越來越受到廣大消費者的青睞。隨著消費的需要以及食品速凍技術的發展，速凍食品逐漸實現了工業化，目前我國速凍食品產量達到千萬噸級別，并保持增長趨勢。目前國內外沒有明確的速凍食品定義，但速凍食品通常是指在低溫環境下食品通過最大冰晶生成帶的時間小于30 min，使其中心溫度達到-18 ℃，并在運輸、儲藏過程中使中心溫度保持在-18 ℃。冷凍過程中形成的冰晶大小對于食物解凍之后的品質有著很大影響，而通過最大冰晶生成帶的時間長短，即凍結速度對于冰晶大小有著決定性的影響。本文介紹了幾種常用的凍結方法，分析了不同冷凍速率對于水產品品質指標（K 值、TVB-N、TBA、Ca2+-ATPase 活性、鹽溶性蛋白含量、持水力、質構特性和細胞微觀結構）的影響，并總結了冰晶大小對冷凍水產品品質的影響。

1 凍結方法

食品的凍結方法可以分為直接凍結和間接凍結，其區分的依據是是否與冷卻介質直接接觸。直接凍結方式主要有浸漬凍結和噴淋凍結，間接凍結方式主要有鼓風凍結和接觸凍結。直接凍結方式常用的冷卻介質有酒精、液氮、二氧化碳等。鼓風凍結利用鼓風機帶動較高速度的冷空氣流動吹拂食品,將食品物料冷卻凍結。接觸速凍又稱平板速凍，是通過空心平板中冷媒（氟利昂、鹽水等）的相變蒸發與放在各層平板間的食品充分接觸，進行熱交換，使食品凍結。不同凍結方式的對比分析結果見表1。

表1 不同凍結方式總結與分析

食品凍結技術多種多樣，而速凍技術能夠使凍結速度更快，用時更短，從而更好地保持食品原有的口感并減少營養價值的損失。速凍技術在食品冷凍貯藏領域占據十分重要的位置。隨著冷凍市場的發展，發展能耗低、性價比高、結構簡單的速凍設備及技術顯得更為重要。

2 冷凍速率對水產品品質的影響

水產品冷凍后的品質評價指標較多，但主要可以分為理化指標、保水性及水分狀態、質構特性以及細胞微觀結構等。冰晶的大小形狀對這些品質評價指標有著重要的影響。本部分內容主要分析不同冷卻速率對食品品質的影響，常用理化指標的定義及意義總結見表2。

表2 食品品質指標總結

文獻通過試驗研究了不同凍結方式下水產品（帶魚、大鯢、小黃魚、大黃魚、銀鯧魚、紅蝦等）中TBA 指標隨著貯藏時間的變化，結果表明，隨著時間的變化，TBA 值也逐漸上升，并且冷卻速度較快TBA 值上升的速率較慢，這是因為凍結速率越慢，生成的冰晶尺寸越大，對細胞造成的機械損傷越重，導致暴露在空氣中的損傷面積越大，增加了氧化程度。K 值、TVB-N 值的變化趨勢和TBA 一致，說明冷卻速度越快，食品品質更好。隨著貯藏時間的延長，不同凍結方式的鹽溶性蛋白含量均呈下降的趨勢，并且凍結速率越快，下降趨勢越慢，原因可能是由于這些蛋白質的部分核苷結合物被水解后形成白色冰晶體而析出，導致肌肉運動細胞球蛋白分子之間相互結合形成非共價核苷鍵進而相互形成超大和小分子的不可溶性蛋白凝集，使肌肉運動細胞球蛋白溶解性明顯下降。Ca2+-ATPase 的活性隨著貯藏時間的增加，活性呈下降趨勢，并且冷凍速率越快，下降趨勢越緩慢。表明冷凍速率越快，食品品質越好。解凍損失率和蒸煮損失率是來描述食品持水力的2 個重要指標，食品解凍損失率隨著貯藏時間的增加而增加，并且冷凍速率越快，解凍損失率越小，其原因也和冰晶對肌肉細胞的機械破壞有關，較大的冰晶對細胞損害較大，失水率較高。而不同冷卻方式下的蒸煮損失率變化不是很大。有些特殊情況下食物冷卻速率過快可能會導致食品本體表面與食物中心之間存在較大溫差，膨脹壓力隨之變大，造成食物低溫斷裂，破壞了食物細胞的基本結構和形態完整性，增加了體內水分的均勻流動性，在高溫加熱作用下，水分流失過多。總的來說，隨著貯藏時間的增加，食品的持水性下降。Boonsumrej 認為在凍結過程中，持水力下降有兩方面的因素影響，一是肌肉細胞組織遭到機械破壞，具體表現為細胞膜的破壞和細胞間隙的擴大，在冷凍后的細胞微觀結構中可以明顯看到這一現象，細胞破壞導致細胞體液的流失；二是冷凍后的蛋白質結構發生變化，使蛋白質分子無法重新與融化的冰晶相結合。硬度、彈性、咀嚼性和恢復性等質構特性的影響因素較為復雜，但都隨著貯藏時間的增加，質構特性指標都會變差，快速冷凍相較慢速冷凍來說，質構特性的指標會好一些。

相對于以上的品質指標，細胞的微觀結構能夠更形象更直觀地展現不同冷卻速率對食品品質的影響。結果顯示，相對于新鮮樣品，經過凍結的樣品都會出現組織間隙變大以及不同程度的碎裂變形。冷卻速率較快的樣品細胞微觀結構更接近新鮮樣品，原因是冷卻速率快形成的冰晶小，形狀規則，對細胞造成的機械損傷小，因此可以更好地保持細胞組織結構。

3 冰晶對水產品品質的影響

通常把食品溫度隨時間變化的線性稱為食品凍結曲線（圖略）。食品凍結曲線可以分為5 個階段，即預冷區、相變區、溶質結晶區、共晶凝固區、冷卻區。首先隨著溫度降到冰點以下，食品發生過冷現象，隨著相變過程中溶質濃度增加，水以冰晶形式被去除。食品在凍結過程中，會經過一個最大冰晶生成帶（-1 ℃～-5 ℃），食品物料中冰晶尺寸的主要影響因素是通過最大冰晶帶的時間及冷凍速率，時間越短，晶核的生長時間越短，形成的冰晶尺寸也越小，對細胞產生的機械破壞程度越低，而較大的冰晶會對食品細胞造成很大損害。

對于速凍食品來講，食品通過最大冰晶生成帶的時間在30 min 以內，并保持食品中心溫度在-18 ℃以下，冰晶尺寸大小不能超過100μm。食品凍結速度與冰晶大小及形狀的關系如表3 所示。冰晶的形成過程主要包括，驅動力的產生、成核、冰晶生長、重結晶。凍結速率、凍結溫度、貯藏溫度都會影響冰晶的生長過程。橋本加奈子等用不同溫度（-20 ℃、-30 ℃、-60 ℃）冷凍魚片，結果表明凍結溫度越低，失水量越少，魚片品質越好，主要原因是凍結溫度越低，產生的冰晶越小。這與周俊鵬的試驗結論一致。在冷凍食品中，冰晶往往不穩定，在數量、大小和形狀上反復發生變化，稱為重結晶。重結晶的結果是平均晶體尺寸增加，導致更粗的微觀結構并造成食品質量損失。綜上所述，快速冷凍形成的冰晶尺寸較小，對細胞的破壞更小，能夠更好地保持食品原有的新鮮程度和減少營養損失。因此，速凍方法對提高食品品質尤為重要。

表3 食品凍結速度與冰晶大小及形狀的關系

冰晶的大小對食品品質有著重大影響，可以通過控制冰晶大小來提高食品品質。目前主要從以下3 個方面來控制冰晶的大小：控制冰晶的形狀和生長；控制冰晶的成核；抑制重結晶。

使用抗凍蛋白（AFP）來控制冰晶形狀和增長是最近的研究進展。抗凍蛋白可以降低食品冷凍的冰點，抑制冰晶的生長。Wang 等在冰激凌制作過程中添加抗凍蛋白，研究結果表明，抗凍蛋白能夠使得冰晶更加細小均勻，使冰激凌口感更加爽滑，減少了顆粒感。在綿羊和牛的肌肉細胞中也能得到同樣結論。控制冰晶形成的另一種方法是使用冰成核劑（INA）誘導冰晶異質成核。存在于動物組織和微生物中的INA 能夠影響冷凍食品的形態特征和結冰模式。如果表面的分子結構與冰晶晶格尺寸相匹配，則在該位置發生成核的可能性更大。這與降低過冷度有關，從而縮短冷凍時間并提高冰晶生成效率。除了加入抗凍蛋白和冰成核劑等化學方法之外，還采用疊加電場、磁場和超聲波等物理方法輔助冷凍以減小冰晶尺寸。Islam 等使用超聲波（300 W，20 kHz）輔助蘑菇凍結，結果顯示，冰晶尺寸有了很明顯的降低，大大提高冷凍蘑菇品質。超聲波輔助冷凍的原理是當液體受到高強度的聲波作用時，會出現交替的高壓和低壓循環，在低壓循環中，產生小真空泡，在高壓循環中，氣泡崩潰，這種現象被稱為空化現象，在空化過程中形成的氣泡可以促進冰晶成核。當磁場應用于食品冷凍中時，會推遲冰晶成核并促進過冷，過冷會抑制冰晶的生成。然而Otero 等發現相比空氣鼓風凍結，電磁場在凍結中并沒有顯著影響。展曦鳴，研究了低頻電磁場對純水凍結過程的影響，也得出相應的結論，即在極低頻電磁場的作用下，純水過冷度雖然會有略微的增加，但是對冷凍時間以及冰晶尺寸和形態的影響微乎其微。有文獻指出電場能夠增加冰晶的成核溫度，改善食品品質，是一種具有發展前景的食品冷凍方式。

4 結語

在現如今快節奏的生活方式下，速凍食品越來越受到消費者的青睞，也隨著消費者對更加健康的生活方式的追求，對于冷凍食品品質的要求也越來越高。因此對于研究更加高效、健康、安全的冷凍方式以及冰晶控制方法顯得尤為的重要。