水产品微冻贮藏过程中冰晶形成与品质特性研究进展

孙康婷，潘 创，陈胜军,3,4，胡 晓,3,4，邓建朝，李春生

水产品微冻贮藏过程中冰晶形成与品质特性研究进展

孙康婷1,2，潘 创1，陈胜军1,3,4，胡 晓1,3,4，邓建朝1，李春生1

（1. 中国水产科学研究院南海水产研究所// 农业农村部水产品加工重点实验室// 国家水产品加工技术研发中心，广东 广州 510300；2. 广东海洋大学食品学院，广东 湛江 524088；3. 三亚热带水产研究院，海南 三亚 572000；4. 海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心，大连工业大学，辽宁 大连 116034）

【】综述微冻贮藏过程中冰晶的形成对水产品品质的影响和控制冰晶形成的方法。在阐述微冻保鲜技术和冰晶形成的基础上，综述水产品贮藏过程中冰晶对其水分、蛋白质、脂肪、质构、色泽等品质的影响，简要介绍高压冷冻、超声波辅助冷冻、渗透脱水冷冻、电场辅助冷冻等控制冰晶形成大小的方法。水产品采用微冻贮藏有保持新鲜度、保持质量和延长保质期等优点。冰晶的大小与重结晶对水产品的质量影响较大，需要联合其他技术降低微冻贮藏中冰晶对水产品品质的影响。

水产品；微冻贮藏；冰晶；品质变化

水产品含有蛋白质、脂肪、糖类等多种营养成分，被营养学家高度推荐[1]。然而，水产品在内源酶作用下发生肌肉蛋白和结缔组织蛋白的水解，在微生物的代谢活动下肌肉腐败，最终变质[2]。微冻保鲜技术通过在贮藏过程中部分水形成冰晶来保存食物。在微冻过程中，水产品中的一部分水分转化成冰晶，抑制微生物生长，减缓蛋白质降解，降低脂肪氧化酶活性，并有助于延长水产品保质期[3]。冷藏食品保质期较短（几天或几周），冷冻食品保质期较长（几个月或几年），微冻食品保质期比冷冻食品短得多，但比冷藏食品保质期长[4]。

然而，水产品中大冰晶的形成和不均匀分布会对水产品细胞和组织结构造成不可逆的损伤，导致水产品质量下降，如解冻后会导致水分含量、蛋白质、脂肪、质构、色泽等方面的变化[5-8]。冻结速率是影响冰晶生长的主要因素，从而影响冰晶的大小和形态以及它们在食物中的分布状态；冻结温度和温度波动也对冰晶的生长产生影响[9]。所以，对于微冻贮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长速度，减少水产品贮藏过程中品质劣变，延长货架期的正面作用。本研究在介绍微冻保鲜的原理及研究进展的基础上，综述微冻贮藏过程中产生的冰晶对水产品品质的影响，研究冰晶的生成机理及控制方法，以期为研究冰晶与品质之间的关系及微冻贮藏水产品品质的改进等方面提供有益参考。

1 微冻保鲜技术及冰晶的形成

1.1 微冻保鲜技术

微冻保鲜是在生物体冰点和冰点以下1 ～ 2 ℃之间的温度[10]，利用贮藏过程中产生部分冰晶来延长保质期的技术[11]。水产品在微冻贮藏时表面形成1 ～ 3 mm的冰层，形成的冰从水产品内部吸收热量，使得在贮藏和运输中水产品内外的温度最终达到平衡[12]。

近年来，微冻保鲜技术在罗非鱼（）、凡纳滨对虾（）、石斑鱼（spp.）、鲇（）等水产品以及各种鱼糜加工产品中具有良好的保鲜效果。Duun等[13]研究大西洋鲑()在-1.4、-3.6、-40 ℃和冰藏四个不同贮藏条件下的品质、质构和微观结构变化，结果显示在-1.4 ～ -3.6 ℃低温条件下微冻贮存可大幅度延长鲑鱼保质期。高昕等[14]研究发现，在微冻（-3 ℃）条件下测定鲈（）的新鲜度、质地、感官评价等指标，其货架期与冷藏样品相比延长20 d。阙婷婷等[15]对乌鳢（）持水性、质构、组织结构等的研究表明，相对于其他三种低温冷冻预处理方法，微冻贮藏的品质明显能更好保持。在较短贮藏期内，微冻贮藏比冷冻储存贮藏更有效，能有效保持鱼肉品质及其组织结构的完整性。

微冻保鲜技术成为一种新型保鲜方法并得到广泛应用，主要是因为它具有以下优点：1）温度范围能抑制微生物生长，降低酶活性，减少生化反应和延长保质期；2）冰晶形成的数量少，对细胞损伤低，蛋白质的冷冻变性程度降低；3）缩短解冻时间，降低水产品汁液的流失率，更大程度上保留水产品原有口感和风味；4）能耗低，生产成本相对较低[16]。但是，该技术也存在一些问题，微冻食品的质量主要与冰晶的性质有关，如大小、位置(即细胞外和细胞内)和微冻过程中的形态等，必须严格控制温度才能达到理想的保鲜效果[17]。

1.2 冰晶的形成

冰晶的形成是一种重要的物理现象，通过水在相变阶段转化为冰，是决定微冻贮藏过程食品质量的关键因素[18-19]。冰晶的形成过程分为4个阶段，即成核驱动力、成核、冰晶生长、重结晶。过冷状态为冰晶的产生提供驱动力，当液体温度降至冰点以下时会产生成核驱动力[20]。成核驱动力是控制冰晶成核以及冰晶大小和数量的重要参数。冷却速度快时，成核驱动力大，成核速度增大，晶核数增多，最终生成大量小冰晶。小冰晶可以保持细胞的完整性，减少解冻时汁液流失[21]。

Hartel等[21]将成核过程描述为晶体的产生，它引发驱动力，克服结晶的能量障碍，形成稳定的核。成核可以两种不同的方式发生：1）初级成核，从溶液中自发形成的核被称为初级成核；2）次级成核，包括从已经形成的晶体或晶体碎片中形成核。冰晶成核是微冻过程优化的关键参数。然而，冰的成核是自发的、随机的，受杂质、粗糙度、表面特性等多种因素的影响，故一般很难监测和控制[22]。一旦晶核形成，基于结晶的驱动力，晶体开始迅速生长。在微冻产品内部，由于水蒸汽气压差的存在，使得水蒸汽不断从高压向低压处运动，水蒸汽附着并冻结在大冰晶上，使冰晶逐渐增大，而小冰晶持续减少直到它们消失[23]。成核和晶体生长是结晶的两个主要过程，它们的相互作用决定冰晶的特性。

初始晶体形成后在数量、大小、方向和其他晶体方面的任何变化都称为重结晶[24]。重结晶过程中，在总晶体质量保持不变的情况下，晶体尺寸和形状变化（同质再结晶），或以牺牲小晶体为代价的大晶体生长（迁移重结晶），或两个晶体结合形成一个单晶（增长）。同质再结晶描述了在未冻结溶液中紧密接触的两个晶体之间的物理聚结，导致一个更大的晶体[25]。

在微冻贮藏和其他冷冻方式中，冰晶的形成过程一样，但不同的冻结温度会影响冰晶的大小。随着冻结温度下降，冻结速率会加快，冰晶通过最大冰晶形成带的时间减少，产生小而均匀的冰晶[9]。Kono等[26]用不同的冻结速率研究冰晶对鲑()品质的研究发现，同一贮藏时间快速冷冻样品形成的冰晶比正常冷冻样品形成冰晶小，因为快速冷冻样品通过最大冰晶形成带的时间比正常冷冻样品短。Chen等[27]在微冻（-3 ℃）和冻藏（-20 ℃）条件下对凡纳滨对虾()硬度、弹性、胶着性和咀嚼性指标的研究表明，微冻贮藏比冻藏的值下降慢，表明微冻条件下不会形成大量的冰晶，破坏肌原纤维。

2 冰晶对水产品品质的影响

2.1 冰晶对水分的影响

水分含量是评价水产品质量的重要指标之一。在微冻过程中，液态水的减少最能体现冰晶的形成，常用液滴损失和持水性等指标来评估肌肉中的水分含量[28]。

液滴损失反映水产品肌肉组织结构在贮藏过程中被冰晶或者内源酶破坏的现象。液滴损失不仅影响水产品多汁性、风味、外观和质地，降低消费者的购买欲望，而且随着水产品按重量出售，还会产生经济影响[29]。Cyprian等[30]证明，采用微冻（-1 ℃）的气调包装（体积分数50% CO2∶50% N2）可显著减少新鲜罗非鱼（）鱼片在贮藏过程中的液滴损失。此外，在贮藏期间温度的波动会导致冰晶融化和重结晶，增加储存过程中肌纤维分离或断裂的数量，最终导致解冻后的液滴损失[29]。

在微冻贮藏过程中，冰晶尺寸的增加可能会通过物理作用破坏细胞壁而造成机械损伤，这可能会导致液滴损失的增加、持水力的减弱以及与细胞壁结构损伤相关的其他质量参数的变化[31]。另外，由于细胞中肌原纤维蛋白质变性，冰晶融化的水无法与蛋白分子重组并分离，从而导致汁液损失，表现为持水能力下降[32]。栾兰兰[33]对带鱼（）反复冻融四次之后，在-3 ℃贮藏的带鱼肌肉持水力下降19.71%。

2.2 冰晶对蛋白质的影响

在水产品肌肉组织中，蛋白质是最为重要的成分之一，生命体的形成和生命活动的完成都有蛋白质参与其中。水产品中的蛋白质在微冻贮藏过程发生变性会影响品质。冰晶的形成很大程度上导致水产品肌肉蛋白质变性。冰晶会破坏细胞膜，损坏细胞组织结构。微冻贮藏中水产品内部会形成大小不一的冰晶，从而加速蛋白质变性[34]。

盐溶性肌原纤维蛋白在肌肉组织蛋白中含量最高，约占总蛋白的65% ～ 75%，蛋白质变性程度经常根据肌原纤维蛋白的变化来评估[35]。蛋白质变性将导致总巯基含量减少，二硫键含量增加，减弱Ca2+-ATPase活性，并降低肌原纤维表面疏水性等[36]。Chen等[27]研究在-3 ℃凡纳滨对虾()的蛋白质特性，贮藏4周后总巯基质量摩尔浓度低于10 μmol/g，下降率达52.97%；Ca2+-ATPase活性从0.220降至0.088 U/mg，下降率达60%。

2.3 冰晶对脂肪的影响

微冻过程中，只有部分水分冻结成冰抑制水产品组织活动，但还有部分水未被冻结，水产品肌肉中仍然会发生一系列生理生化反应，如脂质氧化[37]。脂肪的氧化降解导致水产品产生异味，缩短水产品保质期[38]。

硫代巴比妥酸（TBA）反应物质是二次脂质氧化的产物，与水产品的感官评价密切相关，TBA在整个贮藏过程中不断增加，并且随着贮藏温度降低，TBA增加速度变得越来越慢[36]。张家玮等[39]将新鲜带鱼（）在-3 ℃贮藏28 d, 在0 d时TBA为0.38 mg/100g，随贮藏时间延长，28 d时TBA达到1.78 mg/100g。

2.4 冰晶对质构的影响

质构变化与品质息息相关，质构是评价水产品品质的一项重要指标[38]。水产品肌肉质地的软化可能与水产品的种类、年龄和大小、脂肪含量和分布、肌肉蛋白质的数量和性质以及保存和加工技术等几个参数有关[40]。

冰晶的形成对水产品的质构有负面影响，解冻后水产品的硬度、胶着性和回复性会降低。刘欢等[41]对微冻贮藏条件下大鲵（）肌肉的质构进行研究，结果显示贮藏30 d后硬度下降40%，胶着性下降42%，咀嚼性下降40%，回复性下降35%。郭丽等[42]在微冻贮藏过程中对鲫（）质构的研究表明，鲫鱼肉的硬度、咀嚼度、黏性和剪切力均呈下降趋势，下降原因可能是冰晶的生成导致细胞间组织间隙增大，组织结构发生变化。

2.5 冰晶对色泽的影响

色泽是影响消费者选购水产品最重要的视觉特性之一，是人们在购买水产品时最直接的感官评价因素。水产品在低温贮藏时由于冰晶的形成导致蛋白质变化、脂肪氧化、水分含量降低都会导致色泽发生变化。

郭丽等[42]对微冻鲫（）色度进行研究，随着贮藏时间的延长，*值一直处于较平稳状态，*值的变化呈先上升后下降趋势，鲫（）鱼肉*值呈逐渐升高趋势。谭明堂[43]对大王乌贼（）-5 ℃的白度值研究发现，随着贮藏时间的延长，白度呈先上升后下降趋势。白度值显著增加，与微冻贮藏中冰晶的产生有关，其表面游离水增加，以及光在水产品上反射增强，导致白度值增加。而白度值下降一方面是贮藏过程中含水量下降造成的，另一方面可能与脂质氧化有关。

3 控制冰晶形成的方法

冰晶的特性，包括大小、分布和形状，对冷冻食品的质量有着重要影响。均匀分布在细胞内外的细小晶体，由于组织损伤较小能更好地保持食品质量。而细胞外的大冰晶，在解冻后会对组织造成严重损害，并导致食物质量变差[44-45]。因此，控制结晶以在微冻食品中获得所需的结晶属性，不仅对微冻贮藏过程中食品的质量和货架期控制至关重要，而且对微冻相关工艺的正确设计和开发也至关重要[26]。

为更好地控制结晶过程、保证水产品质量和延长保质期，一些新型冷冻技术，如高压冷冻、超声波辅助冷冻、渗透脱水冷冻、电场辅助冷冻等已经被用于减轻与冰晶形成相关的负面影响及其对食品质量的影响。高压冷冻是通过控制温度或压力来实现食品内部水冰相变的过程。液态水的冰点在受到外部施加的压力时降至0 ℃以下，压力一旦释放，过冷度的程度更高，冰核形成的速度增加，促进小冰晶的形成[46]。超声波辅助冷冻是在一定强度的超声波作用下，水产品内部组织液中会出现空化气泡从而促进晶核的形成，破碎较大的冰晶[47]。渗透脱水冷冻是指食品在进行冷冻处理前，先通过脱水获得理想的水分含量，从而减少汁液流失[32]。电场的引入可在冷却过程中抑制水分子的成核，从而降低冰晶的生长速率[46]。在食品低温贮藏中，添加抗冻蛋白也可更好地控制冰晶的形成。抗冻蛋白是一种可与冰晶结合以改变冰晶生长状态并抑制重结晶的蛋白，能降低溶液冰点而不改变熔点，具有热滞活性、抑制冰重结晶性、修饰冰晶形态等三个特性[47]。

4 展望

微冻贮藏有保持新鲜度、保持质量和延长保质期等优点。冰晶的大小与重结晶对水产品的质量影响较大，需要联合其他技术降低微冻贮藏中冰晶对水产品品质的影响。未来微冻过程中建立水产品“冰晶-品质”评价模型是一个需更多关注的领域。从动态机制上研究冰晶形成对于品质的变化，将有助于控制微冻贮藏水产品质量与安全。

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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

孙康婷，潘创，陈胜军，等. 水产品微冻贮藏过程中冰晶形成与品质特性研究进展[J]. 广东海洋大学学报，2021，41（6）：147-152.

2021-06-22

三亚崖州湾科技城管理局2020年度科技计划项目（SKJC-2020-02-013）；广东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项（2021KJ151）；中国水产科学研究院基本科研业务费专项（2020TD69）

孙康婷（1996―），女，硕士研究生，研究方向为水产品加工与质量安全。E-mail: 752012112@qq.com

陈胜军（1973―），男，博士，研究员，研究方向为水产品加工与质量安全。E-mail: chenshengjun@scsfri.ac.cn