采用压汞法研究不同冷冻羊肉冰晶结构特征

李文采，田寒友，白 京，王 辉，邹 昊，乔晓玲

采用压汞法研究不同冷冻羊肉冰晶结构特征

李文采，田寒友，白 京，王 辉，邹 昊，乔晓玲※

（1. 中国肉类食品综合研究中心，北京 100068；2. 北京食品科学研究院，北京 100068；3. 肉类加工技术北京市重点实验室，北京 100068）

为研究不同冷冻羊肉冰晶结构特征，该文以空气冷冻和液浸冷冻2种不同冷冻方式以及冻贮3和90 d不同时间的冷冻羊肉为研究对象，采用真空冷冻干燥法将冷冻羊肉体内冰晶升华，用压汞法对冰晶升华留下的孔隙结构进行测定，并观察解冻复温后肌肉微观组织结构。研究结果表明，压汞法可有效测定冷冻羊肉冰晶升华后留下的孔隙分布特征，以此来表征冰晶结构特征。通过比较空气冷冻和液浸冷冻后冻贮不同时间羊肉的孔隙结构以及解冻复温后肌纤维组织结构变化特点，发现不同冷冻羊肉冰晶升华后孔隙分布特征存在差异，空气冷冻后冻贮3和90 d以及液浸冷冻后冻贮3和90 d的冷冻羊肉最大累计进汞量分别为2.16±0.08、2.33±0.07、1.76±0.01和2.29±0.05 mL/g，孔隙平均直径为10.09±0.30、25.73±0.91、3.21±0.46和14.45±0.64m，存在显著差异（<0.05），迂曲度分别为2.27±0.05、3.88±0.05、3.15±0.08和4.41±0.16，存在显著差异(<0.05)。该研究结果可为压汞法在冷冻肉冰晶结构参数的测定应用中提供一定的理论依据。

冷冻；冰晶；孔隙结构；压汞法；液浸冷冻；冷冻羊肉

0 引 言

羊肉极易受微生物的侵染而发生腐败，食品工业中常将热鲜羊肉或冷鲜羊肉在−18 ℃以下冷冻保存防止腐败。空气冷冻是目前应用最为广泛的一种冷冻方法，该方法冷冻时间长，肌肉细胞内部水分易形成较大冰晶，导致细胞体积严重扩张，破坏细胞结构的完整性[1]，对肉的品质及其加工制品产生不良影响。液浸冷冻是近年来快速发展的一种冷冻加工技术，该方法采用液体冷却剂作为传热介质，冷却剂成分主要包括醇类、糖类、盐类以及抗冻蛋白[2]。在低温条件下液体冷却剂与样品直接或间接接触，由于液体介质的热系数较高，在样品浸入液体冷却剂后，样品表层瞬间冻结，样品快速通过最大冰晶生成带，冷冻速率大大提高，在细胞内形成细小冰晶，避免细胞组织的损伤[3]，从而有效保持了食品的营养成分，解冻后的食品基本能保持原有的色、香、味[4]。液浸冷冻具有冷冻速率高、能耗低、对产品质量影响较小等优点，具有可观的发展前景[5]。近年来，液浸冷冻技术在肉类品质提升中也逐渐得到了应用研究，董佳等[6]分析比较了液体浸渍冷冻和传统空气冷冻处理后的鲟鱼在贮藏期的品质变化，结果表明液体浸渍冷冻能更好地保持鲟鱼原有的品质；冯宪超等[7]通过对比普通冻结工艺与快速冷冻工艺对牛肉品质和组织结构的影响，发现快速冷冻工艺能极大降低牛肉中冰晶大小，使牛肉的组织结构保持良好状态；程玉平等[8]研究微冻液快速冷冻与常规冷冻2种冷冻处理对猪背最长肌加工成调理猪肉饼品质的影响，结果表明采用微冻液快速冷冻能显著提高调理猪肉饼的出品率，降低真空贮藏损失，降低脂质过氧化值，降低调理猪肉饼的硬度、弹性、胶黏性和回复性。冷冻肉中冰晶的大小、结构和分布都直接影响肉品质以及解冻后加工肉制品的质量。

目前，针对冰晶的观察手段主要包括直接法和间接法。直接法是在低于0 ℃的温度下直接观察所形成的冰晶，如低温显微镜法[9]、低温电子显微镜法[10]和共聚焦激光扫描显微镜法[11]等。然而，直接法对设备要求较高。间接法主要包括冷冻替代法、冷冻切片法和冷冻干燥法。冷冻替代法通过观察冰晶升华后留下冰晶痕迹或周边组织状态达到间接观察冰晶的目的，操作耗时较长，且时常发生过分固定或固定不足等问题[12-13]。冷冻切片法作为冷冻样品常用的切片方法，从20世纪至今仍被广泛使用，该方法通过包埋剂包埋，然后冰冻切片机切片，固定染色观察，不需要脱水等步骤，一般24 h之内就能完成，但是该方法无法对冰晶的整体特性进行描述，且有些冰晶连为一体，结构较为复杂，使用软件测量分析时，边界易混淆，不易勾勒出准确轮廓，再加上人为因素会导致冰晶结构参数的计算发生不同程度的偏差[14]。因此，快速可靠的冰晶观察方法已成为该研究领域的热点。冷冻干燥法通过冰晶升华研究冰晶留下的孔隙，亦为一种测定冰晶的常见方法，如Zhu等[12]将明胶凝胶和琼脂凝胶进行冷冻干燥，然后通过显微镜观察冰晶图像。近年来，一种基于Washburn方程的压汞法逐渐应用于食品研究，如陈三强等[15]应用压汞法对冻干牛肉和冻干火鸡的孔隙结构分布特征进行了定量表征和描述，效果较好。压汞法是在不同压强下将汞压入样品中，测定并记录压强与对应的进汞量的变化关系，从而测出样品的孔隙结构特征，该项技术测试简便，试验过程中仅需要记录汞压强和汞体积变化量，借助内置的数据处理程序包就能计算出孔径大小、孔隙率等参数，操作简便，结果可靠。此前压汞法主要应用于砂岩[16-17]、软硬煤及煤岩[18-19]、FCC催化剂[20]、水泥[21]、陶瓷[22]等方面的检测，目前还未见这种方法用于观察冷冻肉中冰晶的报道。

将冷冻肉进行真空冷冻干燥，冰晶升华后肌肉内留有孔隙，这些孔隙与原冰晶存在的空间对应一致[23]。本研究以空气冷冻和液浸冷冻后冻贮不同时间的羊肉为试验原料，采用真空冷冻干燥法将冷冻羊肉体内的冰晶升华，通过压汞法对冰晶留下的孔隙结构进行测定，对孔径和孔容等参数进行分析，结合冷冻切片冰晶显微图对冷冻羊肉体内冰晶大小、结构和分布情况进行间接表征，为压汞法测定冰晶结构特征的应用研究提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜羊肉购于宁夏盐池县鑫海食品有限公司，部位为背最长肌；液浸速冻液（包括醇类、糖类、盐类以及抗冻蛋白）购于南京中丰益生物技术有限公司。所有有机试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

SSN-11E USB专业型温度记录仪，深圳宇问加壹传感系统有限公司；FD-1C-50真空冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；AutoPore Ⅳ 9500高性能全自动压汞仪，美国麦克默瑞提克公司；RS62K6000WW/SC冰箱，苏州三星电子有限公司；ZEISS PrimoStar显微镜，北京瑞科中仪科技有限公司；液体制冷设备 南京中丰益生物技术有限公司。

1.3 试验内容与方法

1.3.1 样品处理方法及分组

将羊肉样品（长8 cm×宽4 cm×高2 cm）用包装材料真空包装后随机分成4组，其中2组放置−20 ℃冷库中进行冷冻，当样品中心温度达(−20±2) ℃时，将其转移至−20 ℃冰箱中，分别冻贮3和90 d，记为N1和N2，作为空气冷冻组。另外2组直接浸入−20 ℃速冻液（液体制冷设备放置于25 ℃）中，当样品中心温度达(−20±2) ℃时，将其转移至−20 ℃冰箱中，分别冻贮3和90 d，记为N3和N4，作为液浸冷冻组。每个处理有3个平行样品。

1.3.2 中心温度的测定

取一个样品，将SSN-11E USB专业型温度记录仪的探头插入肉块中心位置，打开开始按钮，实时记录羊肉在冷冻过程中中心温度变化。

1.3.3 肌肉组织中冰晶形态观察

参照苏光明等[14]的方法稍作修改，整个操作过程在−20 ℃环境条件下进行，以避免样品冰晶在操作过程中发生融化，在样品中心部位取样（操作时间要求小于1 min），沿着肌肉纤维的方向切取长度约为10 mm，横截面约为5 mm×5 mm的小肉块，用Carnoy 溶液固定，4 ℃下静置20 h后用无水乙醇脱水。将样品取出后沥干，浸没于体积分数为100%的正丁醇静置3 h（重复2次），再将样品用体积分数为100%的正丁醇浸没静置12 h。将脱水后的样品浸没于甲苯中静置30 min（重复3次），沥干浸没于57 ℃的熔融石蜡，静置1 h（重复3次）。将肉块放置于模具中，横截面朝上，立即用熔融的石蜡进行固定，冷却至室温后对石蜡中固定的样品进行横向切片，样品切片水平放置于载玻片上，浸于体积分数为100%的甲苯溶液10 min，取出后沥干再浸没于无水乙醇10 min，再将载玻片浸没于体积分数为50%乙醇溶液中并静置10 min，最后于蒸馏水中静置10 min完成再水化。用质量分数为0.5%苏木素-伊红染色3 min，取出并浸没于无水乙醇清洗10 min，再用甲苯浸没10 min。最后滴适量封固剂至载玻片上的样品处，并用盖玻片覆盖密封，用ZEISS PrimoStar显微镜拍照观察。

1.3.4 显微结构分析

固定后的样品用光学显微镜观察，经过适当放大后照相保存图片。采用截面积、当量直径、圆度和拉伸度4个参数来分析冷冻处理中肌纤维内形成的冰晶结构特征。

当量直径（）是具有相同截面积的冰晶体对应的圆的直径，如式（1）所示。

式中为当量直径，m；为冰晶的截面积，m2。

圆度（）表示冰晶截面接近于圆的程度，见式（2）

R

=4

p

A

/

P

2

（2）

式中为冰晶的截面积，m2；为冰晶的截面周长，m。圆度的值介于0～1之间：当圆度为1时，表示冰晶体的截面为圆，值越大表示冰晶截面越圆，规则性越好。

拉伸度（）的定义为冰晶截面长轴长与短轴长的比值，如式（3）所示。

式中为冰晶截面长轴长，m；为冰晶截面短轴长，m。当拉伸度为1时，冰晶截面呈圆形或者正方形，当拉伸度逐渐增大，冰晶被拉伸变形的程度越大，越不规则。

每个处理样品，选取不少于80个有效冰晶进行分析。

1.3.5 冰晶图片数据分析

图片中的冰晶用Image Pro Plus（media cybernetics, inc., USA）软件进行测定；采用SPSS Statistic 18.0（SPSS，USA）对截面积、当量直径、圆度和拉伸度等数据进行单因素方差分析及Ducan’s检验（<0.05），数据结果表示为平均值±标准差。

1.3.6 解冻复温后肌肉纤维结构观察

将冷冻羊肉从−20 ℃冰箱取出，打开外包装袋，放置于解冻台上，在环境温度为(25±2)℃，相对湿度为70%±2%的条件下进行空气解冻复温，当羊肉中心温度升至(4±1)℃时，即解冻复温完成。参照马纪兵等[24]的方法，在解冻复温后的羊肉中心部位取样，沿着肌肉纤维的方向切取长度约为10 mm，横截面约为3 mm×3 mm的两块肉作为样品，将其用体积分数为10%甲醛溶液浸泡48 h，用水冲洗，体积分数为70%酒精脱水12 h，将组织放入透明剂二甲苯中浸渍20 min后组织包埋，修片，进行纵向切片，用质量分数为0.5%苏木素-伊红染色3 min，中性树胶封片，用ZEISS PrimoStar显微镜拍照观察。

1.3.7 孔隙特性分析

1）真空冷冻干燥条件

参照陈三强等[15]的方法，在冷冻温度（−20 ℃）条件下将冷冻羊肉沿垂直纤维方向切片，大小为10 mm× 10 mm×10 mm，然后在真空冷冻干燥机上进行真空冷冻干燥。干燥条件为：预冻结至−30 ℃，保持15 min；随后降低干燥室压力，并维持在100 MPa；采用辐射加热方式，搁板温度为60 ℃，在干燥过程中冷阱温度保持−40 ℃以下。

2）压汞仪条件

真空冷冻干燥完成后，采用AutoPore Ⅳ 9500高性能全自动压汞仪对样品进行压汞试验，测试分为低压和高压2个阶段。首先进行低压试验，压强范围为3.5～344.7 kPa，孔径分析范围为3.6～360m，在低压测试过程中汞液注满测试管，完成后将测试管从低压站取出进行高压测试，高压测试过程中最大压强为413 760 kPa，孔径分析直径最小为3 nm。

3）数据分析

采用压汞仪自带AutoPore Ⅳ 9500 V1.09分析软件对样品累计进汞量、孔隙平均直径、微分孔体积以及迂曲度（渗流通道的实际长度与穿过渗流介质的宏观距离的比值）等数据进行计算分析。

2 结果与分析

2.1 不同冷冻羊肉冷冻效果

由图1和表1所示，空气冷冻和液浸冷冻羊肉的中心温度从4 ℃降至(−20±2)℃所需时间分别为549.5和80.5 min，空气冷冻时间约是液浸冷冻时间的6.8倍，液浸冷冻曲线较为陡峭。冷冻阶段划分为3个阶段：初步预冷阶段（4 ℃降至−1 ℃）、相变阶段（冰晶形成，−1 ℃降至−5 ℃）和低温冷却阶段（−5 ℃降至（−20±2） ℃）。由表1可知，初步预冷阶段，空气冷冻和液浸冷冻所用时间分别为44.5和12.0 min；当温度低至0 ℃时，肌肉内部水分开始转变为冰晶体，空气冷冻和液浸冷冻羊肉中心温度通过最大冰晶生成区（−1 ℃至−5 ℃）的时间分别为279.5和27.5 min，空气冷冻所用时间约是液浸冷冻所用时间的10.2倍。低温冷却阶段过程中，空气冷冻低温冷却经历了225.5 min才完成，而液浸冷冻仅持续了41.0 min，液浸冷冻效率明显高于空气冷冻效率。造成该现象的原因可能是液浸冷冻提高了样品与载冷剂的热交换速率，提高了单位时间内分子热交换量和分子温度差，从而提高了冷冻速率[6]。

图1 羊肉冷冻过程中中心温度变化情况

表1 不同冷冻条件下羊肉冷冻所用时间

2.2 冰晶形态观察

图2是不同冷冻羊肉冰晶显微图。

图2 不同冷冻羊肉冰晶显微图（100 ×）（横切面）

由图2可以观察到，空气冷冻后冻贮3 d时，肌肉组织中冰晶主要形成于肌纤维之间，且肌纤维内形成少量较小冰晶，个别纤维处也形成了较大体积的冰晶；冻贮90 d时，冰晶体积增大，对肌纤维造成积压，肌纤维出现明显的断裂现象；液浸冷冻后冻贮3 d的羊肉，肌纤维内形成大量相对规则且分布集中的冰晶，这与李侠等[25]使用快速低压静电场冻结牛肉中冰晶分布结果一致；冻贮90 d时，冰晶体积增大。

通常情况下，冰晶微观结构特征采用截面积、当量直径、圆度和拉伸度来表示，以此判断冷冻肉的品质[14]。表2是经过统计分析后的不同冷冻羊肉冰晶微观特征指标。由表2可以看出，空气冷冻后冻贮3 d时，肌纤维截面积为（1 978.12±1 092.27）m2，标准偏差较大，说明此时肌纤维的均匀性受到严重破坏；空气冷冻后冻贮90 d时肌肉组织中冰晶截面积为（2 076.15±1 756.22）m2，大于冻贮3 d时肌纤维的截面积，因此空气冷冻后冻贮90 d时冰晶的形成对羊肉肌纤维构成了严重的损伤，且标准偏差为1 756.22m2，说明不同冰晶之间的差异较大，空气冷冻后冻贮难以保证冷冻羊肉的品质稳定性。本试验得到的结果与苏光明等[14]的虾样品结果一致。

表2 不同冷冻处理后羊肉肌纤维和冰晶微观特征

注：每列样品之间的差异用字母a~b表示（<0.05）。N1为空气冷冻后冻贮3 d，N2为空气冷冻后冻贮90 d，N3为液浸冷冻后冻贮3 d，N4为液浸冷冻后冻贮90 d，下同。

Note: For each column, the letters a~b represent the groups that had significant (<0.05) difference between each other. N1 is frozen and stored for 3 days after air freezing, N2 is frozen and stored for 90 days after air freezing, N3 is frozen and stored for 3 days after immersion freezing, N4 is frozen and stored for 90 days after immersion freezing, the same as below.

由表2可以观察出：液浸冷冻羊肉冻贮3和90 d时，体内冰晶截面积分别为555.41和637.63m2，显著低于空气冷冻后冻贮3 d时羊肉的肌纤维截面积和冻贮90 d时羊肉的冰晶截面积（<0.05），但相同冷冻处理之间无显著差异（>0.05）。液浸冷冻羊肉冻贮3和90 d时，圆度分别为0.67±0.14和0.74±0.13，且液浸冷冻后冻贮90 d的圆度显著大于空气冷冻后冻贮90 d的冰晶圆度（<0.05），液浸冷冻后随着冻贮之间的延长，冰晶圆度显著增大（<0.05）；液浸冷冻羊肉冻贮3和90 d时，拉伸度分别为2.47±0.78和1.92±0.61，均比空气冷冻后冻贮90 d的冰晶拉伸度小，液浸冷冻后随着冻贮时间的延长，冰晶拉伸度显著减小（<0.05）。综上可知，与空气冷冻相比，液浸冷冻羊肉体内形成的冰晶尺寸更小更规则。液浸冷冻时通过最大冰晶生成区的时间短，冰层向内伸展的速度比水分移动速度要快，所以形成的冰晶就比较细小[26]。

图3为不同冷冻羊肉冰晶（或肌纤维）当量直径的累计分布。由图3可知，空气冷冻羊肉冻贮3和90 d时，肌纤维和冰晶当量直径分布范围分别为6.99～94.68和4.79～96.81m，空气冷冻后冻贮90 d形成的冰晶累计分布曲线跨度较大，与空气冷冻后冻贮3 d的肌纤维当量直径累计分布跨度一致；液浸冷冻后冻贮3和90 d时，冰晶当量直径分布范围分别为9.30～61.68和8.52～63.75m，冰晶当量直径的累计分布相对集中，曲线较陡。

图3 不同冷冻羊肉冰晶累积分布图

2.3 解冻复温后的肌纤维形态观察

图4为冷冻羊肉解冻复温后肌纤维微观特征图，由图4可以观察到，解冻复温后，空气冷冻后冻贮3或90 d的羊肉，肌纤维较细，断裂严重，肌纤维之间的间隙较大。与空气冷冻相比，液浸冷冻后冻贮3 d的羊肉肌纤维结构较为完整，肌纤维间的间隙相对较小；而液浸冷冻后冻贮90 d的羊肉肌纤维断裂较为严重。造成这种现象的原因可能是空气冷冻速率缓慢或长时间冻贮过程中细小冰晶发生重结晶，肌纤维间形成个头较大的冰晶体[27]，此时肌纤维内压大，肌纤维发生较大程度的变形，当达到肌纤维的屈服极限时，肌纤维结构便发生不可逆变化，解冻复温后，肌纤维很难恢复原有的状态[28]。

图4 不同冷冻羊肉解冻后肌纤维图（100×）（纵切面）

2.4 不同冷冻羊肉的孔隙特性

2.4.1 累计进汞量

图5为进汞压强的变化引起的进入孔隙中汞的总体积占样品总质量的大小变化。由图5可看出，所有样品进汞曲线形状近似于Γ形。在进汞阶段，汞最先进入孔径较大的孔隙，随着压强的增大，汞先进入小孔径孔隙，当汞进入孔径较小的孔隙或充满连通孔隙时，累计进汞量几乎不再随着压强的继续增大而发生变化[18]。N1、N2、N3和N4的最大累计进汞量分别为2.16±0.08、2.33±0.07、1.76±0.01和2.29±0.05 mL/g，不同冷冻羊肉具有不同的最大累计进汞量，即肌肉组织中形成冰晶体积：N3

图5 不同冷冻羊肉进汞曲线

2.4.2 孔径分布特征

本文以孔径对冷冻羊肉冰晶升华后留下的孔隙进行分类，定义大孔、中孔、小孔和微孔的孔径分别为

>10 000，1 000<≤10 000，100<≤1 000和≤100 nm。微分孔体积代表单位质量样品中孔隙体积随孔径大小的变化率，其值越大说明该孔径对应的孔隙数量越多；在某一孔径范围内，微分孔体积曲线越平滑说明该孔径范围内孔径大小分布越均匀[29]。

由图6a可以看出，空气冷冻羊肉中大孔（>10 000 nm）孔隙数量较多，空气冷冻后冻贮3 d的羊肉中孔径在33 300 nm左右的孔隙数量最多，但其他孔径（<30 286和>45 521 nm）处空气冷冻后冻贮90 d的羊肉中孔隙数量较多，说明空气冷冻后冻贮3 d时羊肉肌纤维内存有个别数量较多的粒径为33 300 nm的冰晶体，但整体而言，空气冷冻后冻贮90 d的羊肉中形成的冰晶数量较多；液浸冷冻后冻贮90 d的羊肉与冻贮3 d的羊肉相比，微分孔体积大，该孔径范围内的孔隙数量多，说明随着冻贮时间的延长，液浸冷冻羊肉中形成数量较多的大粒径冰晶。不同冷冻方式下，冻贮90 d的羊肉微分孔体积曲线均比冻贮3 d的平滑，说明长时间冻贮，冰晶粒径大小分布变得均匀，这与2.2节中随着冻贮时间延长，冰晶圆度增大、拉伸度减小和冰晶变均匀的趋势一致。

由图6b可以观察到，液浸冷冻羊肉较空气冷冻羊肉中孔（1 000<≤10 000 nm）微分孔体积大，说明液浸冷冻后冻贮的羊肉在该粒径范围内的冰晶数量多；由图6c可以观察到，与空气冷冻相比，液浸冷冻后冻贮的羊肉体内孔径范围在100<≤1 000 nm的孔隙数量多；空气冷冻后冻贮90 d的羊肉中只有少量在230～285 nm以及680～920 nm孔径范围内的孔隙；由图6d可以观察到，只有冻贮3 d的羊肉内存有少量微孔（≤100 nm）孔径大小的孔隙。

总体而言，不同冷冻羊肉中以大孔径和中孔径孔隙为主，即1～100m的孔隙，图3中冰晶当量直径范围为4.79～96.81m，这与图3中当量直径的分布范围大体一致，但压汞法测定的孔径分布相对较广，可能原因是人为测定时易忽略较小冰晶的测量，从而导致与实际直径范围的差异。随着冻贮时间的延长，羊肉大孔径和小孔径孔隙数量均有所增加，造成这种现象的原因可能是在冻贮过程中，由于冷藏设备温度波动而导致部分小冰晶融化，融化后的冰水又在低温下发生再结晶现象，此时再结晶的冰晶更容易被旁边的冰晶吸收，形成较大冰晶[30]，晶体结构和大小得到重新分布，从而使得冰晶分布变得更加均匀。

N1、N2、N3和N4的孔隙平均直径分别为10.09±0.30、25.73±0.91、3.21±0.46和14.45±0.64m，不同样品之间差异显著（<0.05）。与表2中当量直径相比，压汞法测得孔隙平均直径相对较小，可能原因是冷冻切片冰晶测定时由于受到冰晶图片数量限制以及测量误差的存在，数据会整体偏大，而压汞法的测定对象是具有一定体积的样品，测定时汞通过样品中所有孔隙，最终结果是按所有孔隙的平均值计算得出，所以数据呈现整体偏小，但是整体趋势一致。

图6 孔隙分布

2.4.3 迂曲度

迂曲度是反映流体流动迂回曲折程度的一个重要指标，其值越大说明中孔和小孔径孔隙数量越多或孔隙连通性越好。图7为不同冷冻羊肉真空冷冻干燥后体内留有孔隙的迂曲度，冷冻羊肉真空冷冻干燥后形成多孔空间结构，汞在多孔介质中的流动并不是直线前行，而是迂回曲折地往前流动。由图7可以看出，N1、N2、N3和N4的迂曲度之间存在显著差异（<0.05），分别为2.27±0.05、3.88±0.05、3.15±0.08和4.41±0.16，相同冷冻方式的羊肉，冻贮时间越长，孔隙迂曲度越大；与空气冷冻羊肉相比，液浸冷冻后冻贮90 d的羊肉孔隙迂曲度最大，说明液浸冷冻后冻贮90 d的羊肉体内小体积冰晶数量最多且结构最为复杂。

注：样品之间的差异用字母a~d表示（P<0.05）。

3 结 论

本研究以空气冷冻和液浸冷冻羊肉为研究对象，分析了不同冷冻羊肉解冻复温后肌纤维结构特点，基于压汞法研究了冰晶微观结构特征，与截面积、当量直径、圆度和拉伸度进行了对比，可有效间接测定冰晶结构特征，主要结论如下：

1）解冻复温后，只有液浸冷冻后冻贮3 d的羊肉肌纤维结构保持较为完整。

2）空气冷冻后分别冻贮3和90 d（N1，N2）和液浸冷冻后分别冻贮3和90 d（N3，N4）的羊肉最大累计进汞量分别为2.16±0.08、2.33±0.07、1.76±0.01和2.29±0.05 mL/g，不同冷冻羊肉具有不同的最大累计进汞量，说明不同冷冻羊肉体内形成冰晶总体积不同。

3）不同冷冻羊肉中以大孔径和中孔径孔隙为主；空气冷冻后分别冻贮3和90 d（N1，N2）和液浸冷冻后分别冻贮3和90 d（N3，N4）的羊肉孔隙平均直径分别为10.09±0.30、25.73±0.91、3.21±0.46和14.45±0.64m，差异显著（<0.05）。

4）空气冷冻后（N1，N2）和液浸冷冻后（N3，N4）分别冻贮3和90 d的羊肉迂曲度之间存在显著差异（<0.05），分别为2.27±0.05、3.88±0.05、3.15±0.08和4.41±0.16，相同冷冻方式的羊肉，冻贮时间越长，迂曲度越大。

压汞时产生的压强可能会对样品产生一定的冲击，样品变形，导致试验数据产生误差，但是从试验结果来看，进汞曲线、孔隙分布以及迂曲度的变化趋势与冷冻切片冰晶分析结果变化趋势基本吻合，所以压汞时产生的压强对样品产生的影响可忽略不计。

本试验只设置了3和90 d两个时间点，缺少对其他时间段样品的测定，没有确定出在保证肌纤维完整性的前提下液浸冷冻后冻贮时间的最大值。因此，后期的主要工作是通过设置多个检测时间点，增加样本量，不仅可以确定出最佳冻贮时间，还可以由此建立不同冷冻羊肉中冰晶参数变化模型，为羊肉的冷冻方式和冻贮时间的判定提供理论依据和数据支持。

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Investigation of ice crystal structure characteristics of different frozen lamb by using mercury intrusion

Li Wencai, Tian Hanyou, Bai Jing, Wang Hui, Zou Hao, Qiao Xiaoling※

(1.,100068,; 2.,100068,; 3.,100068,)

In order to prove the feasibility of measuring the structure of ice crystal based on mercury intrusion, in this study, fresh lamb were either stored for 3 and 90 days after air freezing or stored for 3 and 90 days after immersion freezing. Ice crystal formed in the frozen meat wasare characterized as indicators for selectingof optimalthe fitness of the freezing methods and storing time on lamb., Ttherefore, the drop rate of central temperature during freezing, the characteristics of ice crystals, and the morphology of muscle fibers were recorded during different freezing processes and different frozen and stored times, and the microstructures of ice crystals formed were analyzed for cross-section area, equivalent diameter, roundness and elongation, ice size, shape, and location., Tthese factors were evaluated and compared with cumulative intrusion, distribution of pores and tortuosity that were measured by mercury intrusion. The mean (±standard deviation) cross-section area of ice crystals were 2 076.15±1 756.22, 555.41±526.72, 637.63±556.58m2for the lamb samples subjected to stored 90 days after air freezing and stored for 3 and 90 days after immersion freezing, respectively. Aas compared with the muscle fibers (1 978.12±1 092.27m2) that stored 3 days after air freezing. The roundness of the ice crystals formed in frozen lamb that stored 90 days after air freezing and stored for 3 and 90 days after immersion freezing was 0.65±0.17, 2.47±0.78 and 1.92±0.61, respectively, while the roundness of the frozen lamb that stored for 3 days was 0.73±0.14. The elongation of the ice crystals formed in frozen lamb that frozen and stored 90 days after air freezing and stored for 3 and 90 days after immersion freezing was 2.70±1.39, 2.47±0.78 and 1.92±0.61, respectively, while the roundness of the frozen mutton that stored for 3 days was 1.95±0.70. Air freezing, which finished the ice formation process within 549.5 min, created larger and irregular ice crystals, which resulted in severe and irreversible damage to lamb muscles. Immersion freezing produced smaller ice crystals than air freezing and finished the freezing process at a higher speed within 80.5 min. The quick process and short storage created finer ice crystals than long storage and air freezing, while the integrity of muscle fibers remained intact relatively. Because the pores left in the muscle that correspond to the space of the original ice crystals, therefore, the cumulative intrusion, aperture of pores, log differential intrusion and tortuosity of mutton samples were also recorded during different freezing processes after vacuum and freeze-drying. The mean (±standard deviation) maximum cumulative intrusion of pores were 2.16±0.08, 2.33±0.07, 1.76±0.01, 2.29±0.05 mL/g for the mutton samples subjected to be stored for 3 and 90 days after air freezing and stored for 3 and 90 days after immersion freezing, respectively. The distribution of pores showed that the large pores and middle holes were the main pores among different frozen muttons, and the frozen lamb samples that were stored long time have more large pores, middle holes and small holes than the frozen lamb samples that were stored short time. The average aperture dimension of pores were 10.09, 25.73, 3.21 and 14.45m for the mutton samples subjected to be stored for 3 and 90 days after air freezing and stored for 3 and 90 days after immersion freezing, respectively. The tortuosity of pores were 2.27±0.05, 3.88±0.05, 3.15±0.08 and 4.41±0.16 for the lamb samples subjected to be stored for 3 and 90 days after air freezing and stored for 3 and 90 days after immersion freezing, respectively. The variation trend of maximum cumulative intrusion, distribution of pores and tortuosity were basically consistent with analysis of ice crystals of freeze-sectioning. Results achieved in this research provide mercury intrusion is a useful technical support for ice crystals.

freezing; ice crystal; pore structure; mercury intrusion; immersion freezing; frozen lamb

李文采，田寒友，白 京，王 辉，邹 昊，乔晓玲. 采用压汞法研究不同冷冻羊肉冰晶结构特征[J]. 农业工程学报，2019，35(20)：280－287.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.034 http://www.tcsae.org

Li Wencai, Tian Hanyou, Bai Jing, Wang Hui, Zou Hao, Qiao Xiaoling. Investigation of ice crystal structure characteristics of different frozen lamb by using mercury intrusion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(20): 280－287. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.034 http://www.tcsae.org

2019-07-02

2019-08-31

宁夏回族自治区重点研发计划重大科技项目（2017BY068）；丰台科技新星计划项目（KJXX201710）

李文采，工程师，研究方向为肉品品质检测技术。Email：1090360622@qq.com

乔晓玲，教授级高工，研究方向为肉制品加工技术。Email：cmrcsen@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.034

TS254.4

A

1002-6819(2019)-20-0280-08