冰晶生長對冷凍水產品品質影響及新型冷凍方式研究進展

羅江美，趙茜,2,3，趙健茹，孫海濤，邵信儒，王超，曹亞茹，汪靈松，韋鳳舉

（1.通化師范學院食品科學與工程學院，吉林通化 134000）

（2.通化師范學院長白山食用植物資源開發工程中心，吉林通化 134000）

(3.浙江工商大學食品與生物工程學院，浙江杭州 310018）

(4.吉林醫藥學院公共衛生學院，吉林吉林 132013）

我國是水產品大國，2021 年全國水產品總量達6 690.29 萬t，連續多年位居世界首位[1]。冷凍處理能延長水產品貨架期，最大程度保留水產品的鮮度和營養價值，其是迄今為止最常用的水產保鮮方法。然而，水產品在凍藏過程中，由于受冰晶的形成及重結晶影響，品質劣變不可避免[2]。在冷凍過程中，水產品中的水分發生相變轉變成冰晶的過程是實現冷凍的關鍵環節，但也在此階段顯著影響細胞完整性，導致細胞結構受損，造成品質劣變[3]。凍結水產品品質在很大程度上取決于其形成冰晶的體積、尺寸和所處的位置狀態。冷凍及凍藏期間，由于冷凍溫度的波動、貯藏存放時間的長短等因素綜合作用，凍結后的水產品可能會出現反復凍融的情況。隨著凍融次數的增加，冰晶尺寸進一步擴張、產生重結晶，加劇肌纖維的損傷，水產品品質顯著降低[4-6]。因此，分析水產品冷凍過程中冰晶的形成及變化，研究如何控制冰晶的生長及重結晶現象，進而延緩水產品品質降低，是冷凍水產品保鮮的重要內容之一。為了深入研究水產品在冷凍過程中受到冰晶生長所帶來的品質變化及有效的冰晶生長調控手段，本文綜述了冰晶對水產品貯藏期間品質變化的影響，從新型冷凍方式及添加外源物質角度總結了水產品貯藏期間冰晶的控制措施，對冰晶的生長觀測及動力學冷凍數值模擬的未來發展進行了展望，旨在為進一步優化水產品凍結方式、改善冰晶關聯的水產品品質控制提供理論參考。

1 冰晶生長對水產品貯藏期間品質變化的影響

水產品中冰晶的形成過程一般包括冰晶核的形成與晶體的生長兩個過程[7]。冰晶的形成代表樣品中的水分子發生轉為冰的相變，該過程是決定水產品凍藏品質的關鍵。在冷凍過程中，冰晶體的生長具有一定規律。Nakazawa 等[8]研究指出，晶核形成到晶體生長的整個過程（如圖1）是食品冷凍最明顯、最直接的結果，這種不可避免的過程是引起冷凍食品品質劣變、產生汁液流失的主要原因。在迅速冷凍的情況下，樣品中會快速形成大量的晶核，隨著晶核數增多，最終生成大量小冰晶。然而，在緩慢冷凍條件下，形成的晶核數量較少，伴隨冷凍過程的持續深入，最終形成體積較大、形狀不規則的大冰晶，直接影響產品的品質，容易造成顆粒狀的口感和質地[2]。

圖1 冰晶體的生長過程Fig.1 The growth of ice crystals

1.1 冰晶生長對水產品蛋白質冷凍變性的影響

在水產品冷凍的初始階段，隨著冷凍時間的延長，組織中的游離水比結合水先凍結，還未凍結的水分子會慢慢在冰晶上匯合，結合水分子數量降低，產生內部應力，導致蛋白質分子的變性。其中，Qiu 等[10]研究美國紅魚的冷凍過程發現，經過慢速空氣凍結的魚片中冰晶體積較大且形狀不均勻，導致肌原纖維蛋白降解程度大，肌原纖維小片化指數明顯升高；Li 等[11]研究冷凍過程中鯉魚品質變化時得出，冷凍處理導致蛋白質聚集和機械損傷，引起蛋白質氧化和降解現象。尤其在慢速冷凍處理的過程當中，聚集的體積大、形狀不規則的冰晶對細胞結構造成破壞，導致細胞調節功能喪失，解凍以后的結合水和游離水無法回到原來位置，使復水性降低，加劇了水產品蛋白質的變性。

1.2 冰晶生長對水產品脂肪氧化的影響

冷凍過程中，溫度持續下降使部分水分冷凍成冰，但在還未冷凍的水分作用下，肌肉組織會繼續進行生化反應。此外，貯藏期間水產品的溫度波動現象導致冰晶分布和形態發生變化，引起的細胞破裂會釋放血紅素等促氧化物質，進而導致脂肪氧化現象[12]。其中，姜晴晴等[13]研究表明，在反復凍融時，在氧化酶作用下帶魚大冰晶的產生及冰晶再結晶增加了脂肪氧化的概率；Shi 等[14]研究羅非魚冷凍過程中的品質變化指出，冰晶作用下肌肉細胞完整性被破壞，導致脂肪酶、蛋白酶和核酸酶的釋放，加速了脂肪氧化過程；Sun 等[15]研究不同冷凍方式對鯉魚肌肉質量和物理化學性質時也指出，超聲輔助凍結形成的形狀較小、體積較為規則的冰晶對肌肉組織的影響更小，樣品的硫代巴比妥酸值更低。由此可見，冰晶生長對水產品脂肪氧化的影響主要表現在脂肪氧化相關酶系的影響，及促氧化物質的產生。而采取有效措施控制冰晶的生長，能夠從調節酶及促氧化物質等角度為水產品的冷凍保藏工藝及技術方面的深入研究提供理論依據。

1.3 冰晶生長對水產品持水性的影響

在水產品的冷凍貯藏過程中，肌肉組織中的水分以冰晶狀態存在，有效減緩其內部生化反應和微生物活動，但冰晶的生長及重結晶現象會對肌肉組織造成損傷，影響肌肉組織的持水性[16]。其中，Liu等[17]研究指出冰晶的形成破壞了鳙魚魚片細胞膜和細胞器膜的完整性，解凍后引起水分及可溶性物質的損失；Chen 等[18]研究低溫速凍和超聲波輔助冷凍對鱸魚冷凍貯藏品質的影響時指出，-40 ℃超聲輔助冷凍的樣品冰晶更小，持水性更高，顯著減少了解凍和蒸煮損失；Diao 等[19]研究浸沒凍結方法對草魚持水力、冰晶和水分遷移的影響時發現，液體冷凍樣品細胞內冰晶更小、更規則，顯著減少水分在冷凍貯藏過程中的遷移。在快速冷凍的情況下，樣品中會快速形成大量晶核，最終生成大量小冰晶，而緩慢冷凍下形成的晶核數量較少，冰晶體積較大、形狀不規則，直接影響產品的品質，易造成產品顆粒狀的口感和質地。鑒于冰晶生長對持水性的影響，需要在冷凍過程中控制冰晶形成的大小和體積，以最大程度減輕冰晶生長引起的汁液流失及可溶性物質的損失。

1.4 冰晶生長對水產品質構特性的影響

冷凍過程中水產品質構特性的變化主要受冰晶生長及其重結晶過程的影響。冰晶的形成使組織內的水分降低，對組織及細胞產生傷害，細胞間隙增大，因此降低肌肉的彈性，口感變差。其中，Yang等[20]比較冰晶、內源性蛋白酶和氧化作用在暗紋東方鲀魚片凍藏軟化中的影響，結果發現冰晶是造成其魚片肉質軟化的主導性因素；Yang 等[21]觀察暗紋河豚魚片在不同冷凍條件下的結構變化，發現液氮和多元冷凍液處理的樣品橫截面較平整，形成的冰晶更細小均勻，細胞損傷更小，質地特征保持較好；Tan 等[22]研究溫度波動條件對大黃魚魚片冰晶生長和再結晶的影響，指出冷凍處理下樣品中冰晶的生長造成了細胞機械損傷，進而引起了大黃魚肌肉組織結構的改變。凍藏過程中冰晶的大小和分布影響著水產品肌纖維的完整性，組織細胞間隙也會隨著冰晶生長逐步擴大，引起魚片的軟化。因此，對冷凍水產品質構特性的保持，可以從控制冰晶生長過程角度著手，有效抑制冰晶生長及其重結晶過程，以最大程度保持水產品品質。

1.5 冰晶生長對水產品感官特性的影響

由冰晶所導致的組織破壞，冷凍過程中物理及化學性質改變，冰晶生成引起的組織液的溶解度增大，都是導致冷凍水產品色澤加深的重要原因。其中，Kono 等[23]研究冷凍過程中冷凍速度、冰晶大小和鮭魚表面顏色之間的關系，發現凍結速率快，樣品冰晶尺寸的減小，L*值增大，a*值和b*值減小，表面顏色逐漸變淺；Cartagena 等[24]對冷凍貯藏過程中金槍魚質量變化的研究發現，冷凍處理后魚肉的質地和顏色發生明顯變化。除色澤外，冷凍過程的冰晶形成和冰晶生長也影響脂質氧化及多不飽和脂肪酸的降解過程，引起水產品的風味變化。Yu等[25]研究冰晶對冷凍暗紋東方鲀貯藏過程中風味特征的影響指出，細小冰晶減少了魚片中次黃嘌呤、三甲胺和腐胺等產異味化合物的積累，液氮冷凍的細小冰晶對魚片凍藏過程中的風味流失起顯著保持作用。冰晶生長對冷凍水產品色澤、氣味等感官品質產生的不良影響，影響消費者接受度。采取合適的方式控制冰晶生長，延緩水產品蛋白質冷凍變性、脂肪氧化、持水性、質構特性及感官特性的變化逐漸成為水產品冷凍相關研究的重要內容。

2 新型冷凍方式對冰晶生長的調控

水產品在冷凍和凍藏過程中，冰晶的生長導致其品質下降。傳統冰晶控制措施主要包括降低冷凍溫度和提高冷凍速度。隨著溫度的降低，凍結過程中冰晶形成所需時間縮短，更易產生較小且勻稱的晶體。低溫可以抑制酶活性，更利于水產品保持良好的質地性能，可以最大限度地減少營養損失。近年來，隨著機械設備和理論研究的不斷發展與深入，新型輔助凍結技術和外源物質輔助提高水產品品質得到廣泛關注。研究表明物理場輔助凍結方法應用于水產品冷凍，可縮短凍結時間，提高凍結速率，減小冰晶體積，最大限度減少營養損失，更好地保持產品品質[26]。另外，為減少冰晶生長和重結晶對水產品的影響，近年來天然低溫保護劑引起廣泛關注，并被應用于冷凍食品工業中以克服凍害[2]。如天然多糖，其流變學特性和抗氧化活性具有低溫穩定作用，已被證明能抑制冰晶的生長，在保持食品冷凍品質方面潛力巨大[27]。表1 總結了新型冷凍方式的作用機制及對水產品品質的調控效果，可以看出新型輔助凍結方式及添加外源物質主要從促進冰核形成、抑制冰晶體生長及重結晶現象等方面對典型水產品的冷凍品質保持起到了顯著的調控作用，通過上述方法控制凍結期間冰晶的形成和分布對提高冷凍水產品的質量意義重大。

2.1 超聲波輔助凍結法

超聲波產生的空化氣泡能促進水產品凍結過程中初級冰晶的形成，空化氣泡破裂產生的微射流，可促進大冰晶破碎成分布更均勻的小冰晶，減小冰晶對食品品質的影響[28]。其中，Shi 等[29]研究超聲波處理對草魚理化性質及顯微結構的影響發現，超聲處理下冷凍速率更高，冰晶所造成的草魚的機械損傷和解凍損失更??；向迎春等[30]研究了超聲輔助凍結中蝦的冰晶狀態與水分變化，發現超聲作用下樣品只需130 s 即可通過最大冰晶生成帶，且與傳統冷凍方式相比，超聲波輔助凍結冷凍速度更快，并且對組織的破壞力極小。雖然超聲波輔助冷凍法可以促進晶核形成和較小冰晶的均勻分布，但超聲條件如果控制不當仍會影響食品質量。Sun等[31]研究了超聲輔助冷凍對鯉魚凍結時間的影響，發現隨著超聲功率的增加（125、150、175、200、225 W）魚片相變時間先縮短后延長，175 W 超聲處理時的相變時間最短，過高的超聲功率延長了樣品凍結過程通過最大冰晶生成帶的時間，影響了魚肉的品質。此外，超聲波處理時間是影響冷凍過程的一個重要因素，在載冷劑中施加超聲時，部分振動產生的能量被載冷劑持續吸收轉化為熱能，處理時間過長會導致冷凍速率降低[27]。因此，研究適用于不同類型、重量和尺寸的水產品的超聲波功率，并擴大超聲波冷凍技術在水產品中的應用也是超聲波輔助凍結的重要發展方向。

2.2 微波輔助凍結法

微波輔助凍結在冷凍和微波輻射的作用下影響冰晶成核和晶體增長，已被研究指出是減小冰晶尺寸的可能方法。微波應用于凍結的機制是磁波誘導水分子偶極旋轉產生摩擦熱，產生的摩擦熱在冰晶成核和晶體生長過程中導致冰晶瞬間反復融化和再生，從而阻礙冰晶體的進一步生長[32]。Sadot 等[33]研究發現，微波輔助提供的能量是影響冰晶尺寸的關鍵因素，輔助凍結的方式更利于獲得尺寸較小的冰晶。冰晶尺寸越小，對細胞造成的機械損傷越小，更利于保持細胞完整性和凍結水產品品質。Xanthakis等[32]研究指出與微波能量的冷凍輔助相比，傳統冷凍方式形成的冰晶尺寸較大和肌肉微觀結構的損傷較高，而微波輔助凍結下樣品平均冰晶尺寸可降低62%。目前，微波輔助冷凍仍處于研究階段，針對不同水產品原料的微波功率、凍品質量變化的分析對物理場輔助冷凍技術的發展具有重要意義。

2.3 高壓輔助凍結法

超高壓輔助冷凍主要通過調節使用壓力的方式使冰點下降，改變水與冰晶之間的相變轉化，形成細小且均勻分布的胞內冰晶，對保持水產品的質量具有一定優勢[34]。高壓輔助凍結法一般在200～400 MPa 下對食品進行冷凍處理，其中Pita-Calvo 等[35]研究發現鱈魚高壓輔助冷凍處理，對魚片色澤和組織結構起到了較好的保持作用；Su等[36]比較蝦肉在壓力輔助凍結和傳統凍結時冰晶的等效直徑和橫截面積，結果表明相比壓力輔助凍結，傳統凍結處理后冰晶的尺寸更大，紋理外觀的損壞更為嚴重。高壓輔助凍結處理能在水產品中促進形成均勻的冰核，減小冰晶尺寸，然而壓力超過細胞耐受性，則導致高壓下蛋白質、脂質的氧化以及細胞失活[37]。因此，為拓寬高壓輔助凍結技術在水產品冷凍加工中的應用，其作用的壓力大小范圍和施加時間等要素有待深入探討。

2.4 射頻輔助凍結法

射頻輔助凍結在冷凍食品中的運用，能吸引水分子偶極旋轉，使凍結點降低，促使更多冰晶形成，并將最開始的冰晶裂解為多個細小冰晶[38]。其中，Hafezparast-Moadab 等[39]利用射頻輔助冷凍虹鱒魚，發現射頻輔助冷凍法不僅凍結速率很快，且能有效減小冰晶大小，對保持其色澤、質構及新鮮度起到重要作用；Anese 等[38]研究了射頻技術在食品冷凍中的應用前景，射頻低溫樣品的解凍損失遠低于空氣和低溫凍結樣品的解凍損失，更少的細胞間隙和細胞破裂被觀察到，使組織呈現出更好的細胞結構，射頻樣品的冰晶較小，且主要位于細胞內水平。在冷凍過程中借助于控制冰晶行為的物理場輔助技術，已經提出了一些新興的方法來調節冰核和冰晶生長。包括超聲波輔助凍結、微波輔助凍結、高壓輔助凍結、射頻輔助凍結等技術，能夠抑制冰晶生長及重結晶，從而更好地控制冰晶的均勻分布。然而，物理場輔助冷凍技術在水產品冷凍行業的實際應用中，仍需要針對不同類別水產品冷凍關鍵環節、技術因素、設備更新、成本調控等方面不斷改進。

2.5 添加外源物質

除了物理場輔助冷凍外，近年來，抗凍保護劑及重結晶抑制劑的深入研究也對冰晶引起的水產品損傷起到了較好的抑制調控作用。其中，Cao等[40]研究不同添加量和聚合度下菊粉對鰱魚魚糜水分遷移、冰晶形成及凍融穩定性的影響，發現菊粉的添加能夠減小組織中冰晶的生長，并且對保水性能和質構特性起到了較好的保持作用，指出菊粉在冷凍魚糜工業中具有作為冷凍保護劑的潛力；Damodaran 等[41]研究發現魚明膠水解物多肽具有抑制冰晶生長的作用；Zhang 等[42,43]研究發現海藻糖和褐藻膠寡糖能夠抑制蝦體冰晶生長和再結晶，卡拉膠寡糖和低聚木糖也能夠減緩大冰晶對肌肉組織造成的損害；欒蘭蘭[44]研究冷凍帶魚凍藏過程中的品質變化發現，売寡糖作為抗凍劑對冰晶生長的抑制和抗凍保水作用明顯；Tan 等[22]研究指出加入纖維素二糖和羧基化納米纖維素新型冷凍保護劑對冷凍大黃魚的組織結構起到了保護作用。除物理增強冷凍方法外，抗凍蛋白是一種基于生化方法的技術[45]，也有利于提高冷凍食品質量?？箖龅鞍卓梢酝ㄟ^降低冰點、抑制成核等過程控制冰晶的大小，以實現保護冷凍水產品的組織免受冷凍損傷的目的[46]。Nian 等[47]研究發現鯡魚抗凍蛋白與殼聚糖磁性納米的結合可減少冰晶引起的真鯛肌肉組織的機械損傷，減小魚肉的蛋白質和脂質氧化，減小蛋白構象變化?？箖霰Ｗo劑、重結晶抑制劑及抗凍蛋白的研發與應用，能有效抑制冰晶生長和重結晶引起的水產品肌原纖維變性和組織結構破壞，深入的開發及機理研究能對水產品的品質控制產生更為深遠的影響。

3 總結與展望

水產品在冷凍過程中容易受到冰晶生長帶來的機械損傷，主要影響蛋白質、脂質、持水性、質構特性及色澤、氣味等感官品質變化，造成貯藏過程中品質劣變，營養價值降低。為了更好地控制冰晶形成所帶來的品質變化，提高產品的貨架期，需要不斷優化現有凍結方式和開發新型凍結技術。新型輔助冷凍方式包括超聲波、高壓、微波、射頻等輔助或加速冷凍過程形成更小的冰晶體，提高冷凍速度，顯著減小冰晶對水產品造成的損傷，對保持冷凍水產品質量具有一定的潛力。然而，目前這些技術中的大多數仍處于實驗階段，尚需要大量的工作來探索機制，優化技術參數，以實現在冷凍水產品中的工業應用?？箖霰Ｗo劑及重結晶抑制劑在一定程度上能夠抑制冰晶生長和重結晶引起的水產品肌原纖維變性和組織結構破壞，但對于抗凍劑及重結晶抑制劑的作用機理，適宜添加量，新成分研發等方面的研究仍有待深入探索。隨著機械的進步與科技的發展，顯微鏡觀測技術、光譜成像技術、動力學模擬技術的不斷深入與完善，使水產品冰晶的原位檢測、精準預測成為現實。采用動力學模擬預測冰晶結構，輔以顯微鏡、光譜技術檢測，可提供更豐富的冰晶信息，有助于深入了解和調控冰晶形成及重結晶現象，多角度技術融合是未來獲取冰晶信息的重要趨勢。在這些冷凍、檢測及模擬技術的研究中，進行參數的確定和成本的控制也是實現其在水產品行業應用的關鍵。與此同時，諸多新技術、新手段的結合，不斷明確技術的適用場景及優化使用效果，提高水產品的品質，也一定會對冷凍水產品行業發展產生深遠、積極的影響。