水产品速冻保鲜技术研究进展

中国是水产品生产大国，2019年全国水产品总量为6 480.36万t，较2018年增长0.35%[1]。水产品因其独特的生存养殖环境，含有丰富的蛋白质、不饱和脂肪酸、维生素、矿物质等营养成分，可作为陆生食品资源的良好补充，为人类提供优质营养补给。然而，生鲜水产品由于其水分含量高，营养丰富，在储运过程中容易受到外源微生物或内源酶的影响而腐败变质。冷冻技术一直是保持水产品质量和延长其保质期的有效方法。冷冻处理过程中，待处理水产品处于低温条件下，其中催化生化反应的酶活性下降，水的流动性减弱，导致各类生化反应速率减慢，并使大部分微生物的生长受到抑制[2]。

大量研究表明，冻结速率是影响冷冻水产品质量的关键因素。传统的普通冻结，如风冷冻结和平板冻结，应用于导热率低至0.5～1.5 W/(m2·K)的水产品时，冻结速率较低，耗时长，此时冰晶成核的速度比生长速度慢，形成的冰晶体积大、形状不规则、分布不均匀，破坏了肌原纤维的完整性，引起肌肉持水性下降，嫩度降低，最终造成产品品质劣变[3]。而快速冻结时，预冻品冻结速度达到5～20 cm/h，且能够在30 min内通过最大冰晶生成带(-5～-1 ℃)，细胞内外自由水和结合水同时形成大量晶核，生成直径小于100 μm、形状规整且分布均匀的冰晶[4-5]，对细胞组织的损伤最低，最大程度维持了水产品质量。因此，速冻保鲜技术被不断应用到水产品的冷冻保鲜中。

本文阐述了近些年发展较快、应用较多的速冻保鲜技术的作用原理与优缺点，总结了其在水产品应用中的研究进展，展望了水产品速冻保鲜技术的未来发展趋势，旨在为水产食品工业发展提供参考。

1 快速冻结技术

1.1 液氮速冻技术

液氮是一种无色、无味、低黏度，无腐蚀性，化学性质稳定的液体，同时也是一种制冷媒介，因其与产品间存在巨大温差，可释放出极大的冷冻强度，达到快速冻结产品的目的[6]。另外，与传统的制冷剂氟利昂相比，液氮对环境不构成危害，属于环保型产品。该技术最早始于20世纪50年代的美国，至1960年被正式用于速冻食品。液氮速冻技术可以迅速降低食品的中心温度，快速通过最大冰晶生成带，使内部水分在几秒钟内到达玻璃态，有效保持食品品质[7]。液氮速冻技术目前在海水鱼、淡水鱼以及鱼糜制品中均有应用。因其具有安全、无毒、易携带运输等特点，现已被用于船载冻结设备，如船靠岸前预冻金枪鱼[8]等高经济价值水产品。

根据利用液氮的方式，液氮速冻可分为液氮浸渍式冻结、液氮喷淋式冻结和液氮冷气循环式冻结。

1.1.1 液氮浸渍式冻结

液氮浸渍式冻结指将待冻物料直接浸没于液氮中，液氮与待冻物充分接触，巨大温差使液氮在极短时间内迅速挥发带走热量而达到冻结目的的技术。于丽霞[9]比较了普通冰箱直冻、鼓风快速冻结和液氮浸渍冻结对罗氏沼虾冻藏品质的影响，结果表明液氮浸渍冻结能使罗氏沼虾快速通过最大冰晶生成带，形成更小更均匀的冰晶，且该组处理后的罗氏沼虾在贮藏期间无肉质变软的品质劣变问题，货架期较普通冰箱直冻延长8周，较鼓风快速冻结延长4周。前期研究也发现，液氮浸渍冻结能够通过降低大黄鱼菌落总数并改变菌群结构延缓大黄鱼的腐败变质进程[10]，同时，液氮浸渍冻结能够抑制软壳蟹肌肉的二甲胺和肝胰腺的肌苷水平增加，有效缓解蟹肉长期冻藏情况下的质量下降[11]。雷萌萌等[12]采用液氮为冻结冷媒介质对鱼糜制品鱼丸的速冻生产工艺进行优化，发现在单次浸入时间2 s，间隔时间20 s，浸入次数13次，总用时266 s的工艺条件下，鱼丸冻裂率为0，且鱼丸色泽、质构各指标均优于传统冷冻方式。目前，液氮浸渍冻结技术虽然在渔船及水产品加工企业有一定的应用，但应用并不广泛，主要原因是(1)液氮浸渍冻结具有耗量大，成本较高，难以回收利用等缺点；(2)剧烈的热交换容易导致水产品表面机械应力过大而造成龟裂。

1.1.2 液氮喷淋式冻结

液氮喷淋式冻结指液氮经喷嘴变成雾状，而后与食品进行热交换，液氮吸热蒸发变成氮气，氮气又被用来预冷新进入的物料，使之快速冻结的一种方式。该技术充分利用了液氮的显热和潜热，与液氮浸渍冻结相比，提高冻结效率同时降低了液氮耗量。鲁珺[13]发现经-40 ℃液氮喷淋冻结处理的鱼肉在贮藏期间pH、挥发性盐基氮、K值等各指标均显著优于-20 ℃平板冻结组和-18 ℃冰柜冻结组鱼肉，且与新鲜鱼肉的指标值差异较小，鱼肉保鲜效果更好。除了在速冻实体鱼上的应用，液氮喷淋冻结对鱼糜制品的理化性质也有影响。LUO等[14]用不同温度的液氮喷淋冻结交联度不同的“MTGase交联鱼糜凝胶”，发现-90 ℃液氮喷淋处理的凝胶在冷却至最大冰晶生成温度时所需时间较短，且随着温度的降低和交联度的增加，凝胶孔隙变小，结构变致密，但当冻结温度为-90 ℃，交联率为46.70%时，鱼糜呈现最高断裂力(1 063.5±39.7) g。目前，液氮喷淋冻结技术在水产品冻结中展现出巨大的优势。尽管在液氮喷淋冻结三疣梭子蟹时出现了冻裂的情况，但通过预冷样品并进行梯度冻结能有效解决该问题[15]，这为解决液氮速冻致样品低温冻裂问题提供了一种新的思路，也促进了液氮喷淋冻结技术在水产品中的应用发展。

1.1.3 液氮冷气循环式冻结

液氮冷气循环式冻结由液氮冷却循环的冷空气作为载冷剂来冷冻食品。其结合了液氮贮罐与流化态装置，强化了食品与冷风间的热交换，适用于大批量物品的冻结。常用冷气循环式冻结装置包括液氮柜式冻结装置、隧道式冻结装置、旋转式冻结装置等。但其在水产品速冻上的应用较少，可能原因是设备定制成本较高，应用性价比较低。

1.2 液体CO2速冻技术

在温度-56.6～31.1 ℃，压强为0.52～7.38 MPa时，CO2可液化为无色透明的液体，当温度为-56.6 ℃，压强为0.52 MPa时，CO2成为“干冰”。液体CO2从专门设置的喷嘴中喷到食品上立即变成干冰，干冰在常压下吸收大量热量升华，使食品快速均匀降温至冻结点以下而整体冻结，几分钟内即可通过最大冰晶生成带，其间干耗和氧化也会得到有效控制。

RODEZNO等[16]比较了液体CO2低温冻结与空气鼓风冻结后-20 ℃贮藏对鲶鱼鱼片的影响，发现液体CO2冻结处理的鲶鱼片具有更高的冻结速率和能量去除率及更低的冻结损失和脂质氧化程度，贮藏6个月后仍有较好的感官品质。采用液体CO2低温冻结的水产品，在解冻后内部残留的载冷剂自然气化并完全挥发，不会残留在水产品中，且CO2不会改变被冷冻水产品的风味，更不会造成食品安全问题。与液氮冻结相比，液体CO2来源广泛、制造成本低、能耗小。对于无包装的小尺寸食品，液体CO2冻结时间为4～8 min，每kg食品大约耗费CO2 0.5～2.0 kg。但液体CO2工作时压强大(30 ℃时压强达7.2 MPa)，运输和贮藏时需要特殊的容器和工具，且大量排放CO2会造成“温室效应”，给环境带来不利影响[17]，因此需要先克服这些缺点，液体CO2才会在食品速冻领域中得到更广泛的应用。

1.3 物理场辅助冻结技术

1.3.1 高压冻结技术

高压冻结通过控制温度或压力来实现食品内部水-冰相变的过程，液态水的冰点在外部施压时降至0 ℃以下，一旦压力释放即可获得较高的过冷度，从而使冰核形成速度增加，促进微小冰晶的形成[18]。高压冻结过程中的水相变情况如图1所示，水的冰点从0.1 MPa时的0 ℃下降到210 MPa时的-21 ℃。当压强>210 MPa时，水的冰点温度又随压强的升高而升高。当压强>600 MPa时，样品的冻结点可以在0 ℃以上[19]。常压冻结下形成的冰晶一般为Ⅰ型，但在冻结过程中施加一定压力，易形成Ⅲ型冰晶。Ⅲ型冰晶不稳定，常压下容易转化为Ⅰ型冰晶。当我们能够充分控制压强和温度时，Ⅱ型和Ⅴ型冰晶可以形成。冰的密度随压强增加而增加，Ⅲ型、Ⅱ型、Ⅴ型冰晶的密度分别为1.14、1.17、1.23 g/cm3[20]。

图1 高压冻结过程水相及冰型变化情况[26-27]
Fig.1 Changes of water phase and ice type during high pressure freezing 注：橙色棒表示水分子间形成的氢键，红色球表示氧原子， 白色球表示氢原子。不同冰型的特殊结构用蓝色表示， 包括冰型Ⅱ中的“冰纳米管”中的六元环、冰型Ⅲ中的 “四重螺旋”、冰型Ⅳ中的“互穿六元环”。

根据水发生相变形成冰的途径不同，高压冻结通常被分为压力辅助冻结、压力转移冻结和压力诱导冻结[21]。CHENG等[22]研究了压力辅助冻结对对虾天然肌球蛋白变性的影响，发现高压能减少低温对肌球蛋白变性的负面影响，300 MPa是影响肌球蛋白变性的临界点。高压处理对肌球蛋白的三级结构有显著影响，对二级结构影响较小，对一级结构没有影响。SU等[23]利用压力转移冻结分别在100 MPa(-8.4 ℃)、150 MPa(-14 ℃)、200 MPa(-20 ℃)下处理斑节对虾(Penaeus monodon)，发现高压不仅可以缩短冻结时间，还能使虾肉形成小而规则，分布均匀的冰晶。崔燕等[24]采用不同超高压(200～400 MPa，1～5 min)协同冷冻处理南美白对虾，发现当压强>300 MPa，保压时间>3 min处理时，南美白对虾感官、蛋白生化特性等理化指标发生严重劣变，虾仁表现出熟化发红的外观，最后得出300 MPa，1 min协同冷冻处理时辅助脱壳效果最好。高压处理除了能减少低温对水产品结构的负面影响，对降低后续冷冻贮藏及解冻后的汁液损失也有效果。CARTAGENA等[25]研究发现，高压预处理能显著降低冷冻长鳍金枪鱼解冻后的汁液损失，200 MPa处理2 min能使汁液损失降低33.7%，且未产生明显的颜色变化。高压冻结技术冻结效率高，对水产品肌原纤维蛋白结构破坏小，特别适合冻结需要形成小而均匀冰晶的大块食物。但高压处理时参数控制不当会使食品表面出现熟化现象，影响产品外观，因此应用时要注意优化处理参数和控制技术。

1.3.2 电磁波辅助冻结技术

电磁波作用于液态水分子，使之发生定向排列，破坏水分子间原有的氢键，水分子团尺寸变小，加快水中各反应进程，特别是促进了冻结进程，形成尺寸小、大小一致、分布均匀的冰晶[28]。电磁波辅助冻结中应用于水产品中较多的是微波辅助冻结及射频辅助冻结。

1.3.2.1 微波辅助冻结技术

微波辅助冻结利用微波引起水分子偶极旋转摩擦产生热量，摩擦热在冰晶的成核与生长过程中使冰晶瞬间反复融化和再生，从而阻碍冰晶体的生长[29]。XANTHAKIS等[30]对初温5 ℃、质量195～205 g的大西洋鳕鱼块分别在-25 ℃和-32 ℃下进行空气冻结，同时采用不同功率的微波射线进行辅助冻结，发现冷冻过程中应用恒定功率3 W的微波处理可使鳕鱼细胞内形成的冰晶明显减小。除了直接研究微波辅助冻结对水产品冻结过程的影响，也有研究致力于通过建模模拟优化微波辅助冻结。SADOT等[31]利用甲基纤维素凝胶在冻结过程中的热物理和介电性质的变化，建立了微波辅助冻结模型。该模型是基于原始的焓公式，结合冰晶生长所产生的潜热所得到的。利用文献数据进行验证，发现该模型具有较好的模拟功能，数值模拟显示并量化了微波脉冲引起的温度振荡，结果显示冰冻锋面受温度振荡影响较大，因此借助此模型可预判微波辅助冻结将对待冻物产生的可能影响。目前有关微波辅助冻结水产品的研究较少，原因是在实际中难以准确控制微波功率及处理时间，易产生局部过热现象，对冻品的质量产生负面影响。因此，后续研究应集中于如何更好控制微波辅助冻结的各参数上。

1.3.2.2 射频辅助冻结技术

射频是无线电波的高频频段，其频段介于300 KHz～300 MHz。射频辅助冻结技术的原理类似于微波辅助冻结，即射频产生的电磁波可以降低冰点，诱导产生更多的冰核，同时低频电磁波作用于水分子，使水分子偶极矩发生转动，促进水分子团中氢键的断裂，提高水分子的迁移扩散能力，打破结晶面平衡，形成更小的冰晶[32]。MOADAB等[33]应用射频辅助冻结速冻虹鳟鱼片，比较了3种射频脉冲模式和3个电极间隙(2、3、4 cm)处理对冻结解冻后虹鳟鱼片的汁液流失、色差、质构、微观结构等的影响，结果显示，与空气鼓风冻结相比，射频辅助冻结能有效减少虹鳟鱼片汁液损失，所形成的冰晶尺寸显著减小，在最小电极间隙2 cm下形成的冰晶约为空气鼓风冻结鱼片冰晶尺寸的75%，质构、色差与新鲜样品无显著差别。目前，射频辅助冻结时的冷却介质一般采用液氮，这对生产成本提出了极大的挑战，未来可对其他冷却介质进行研究，从而促进射频辅助冻结技术在水产品中的应用发展。

1.3.3 超声波辅助冻结技术

超声波根据应用频率和强度可分为高频低强度超声波(通常>100 kHz)和低频高强度超声波(通常为20～100 kHz)。高频低强度超声波常用于无损分析和食品加工控制，而低频高强度超声波常用于食品加工中的乳化、均质、杀菌、提取、干燥、冷冻等过程[34]。超声波作用产生的空化气泡会促进水产品冻结过程中冰晶的形成，空化气泡破裂会产生微射流，诱导大冰晶破碎成体积小、分布均匀的冰晶，减小冰晶因体积过大而对冻结产品产生的不利影响。

SHI等[35]发现0.38 W/cm2及以上功率密度的超声波辅助冻结能显著缩短草鱼浸渍冻结过程中预冷阶段时间、相变时间和总冻结时间，因此能保护背部肌肉肌纤维结构，减少解冻损失，但对蛋白质羰基含量、总巯基含量及二硫键含量无显著影响。因此提出了应用超声波辅助冻结技术时，所用超声波功率密度不宜超过0.38 W/cm2的建议。SUN等[36]发现超声波能促使鲤鱼冷冻速度大幅提高，且超声功率为175 W时的冰晶孔径最小，低场核磁共振测得的T21与T22弛豫时间最短，表明175 W超声波处理能降低鱼肉水分的迁移，增强鱼肉持水性，改善鱼肉品质。为显著表现出超声波辅助冻结的优点，SUN等[37]探讨比较了超声波辅助冻结、空气冻结、浸渍冻结对鲤鱼肌肉贮藏过程中冰晶尺寸、蛋白质稳定性及理化性质的影响，在6个月的贮藏期间，超声波辅助冻结样品的冰晶最小，解冻损失与蒸煮损失显著低于其他两种处理，固定化水及游离水的迁移率损失最小，蛋白质稳定性最高，TBA及总挥发性盐基氮最小，即超声波辅助冻结能有效抑制鲤鱼冻藏过程中的品质劣变。

研究发现，超声波能够在整个产品中产生空化气泡，从而促进形成更均匀的冰晶晶核，并将冰晶碎片分解为更小的晶体；加速冷却介质中的对流换热，加快冻结过程；灭活一些酶，减少预处理工序[38]。但超声波在传播过程中会发生衰减现象，当将其应用于大批量待冻品中时，其能量损失会加剧，因此保证处理过程中超声功率稳定是一个亟待解决的问题。除此之外，超声功率及处理时间控制不当会显著影响食品冻结的效果，而这两个主要参数又是实际应用中最难把握的因素，因此，后续针对不同种类、重量、尺寸产品的具体超声功率及处理时间的研究还需跟进。

1.4 冲击式速冻技术

冲击式速冻技术是一项利用低温高速射流冲击食品表面使其快速降温的技术。其将一股或多股高速射流(可高达50 m/s)喷射到固体表面来打破食品周围气体的静态表面边界层，使食品表面的气流流速加快，通过该区域的热交换比传统系统更有效，从而产生更快的冻结速度[39]。冲击式速冻技术适用于小尺寸的产品，有研究表明，厚度<20 mm的产品在冲击传热的环境中能最有效的冷冻。为解决冲击冻结设备高速射流冲击导致的换热区域流场不均匀、上下两股冲击射流相对冲击造成动能损失引起冻品冻结率低、装置能效比低等问题，舒志涛[40]以明虾虾仁为研究对象，利用计算机流体力学模拟技术探究了设备中喷嘴结构、载物方式、送风方式和送风速度对虾仁冻结时长及均匀性的影响，结果显示V型条缝喷嘴延伸段长度为10 mm，喷嘴渐缩段与延伸段的夹角为165°，上侧送风速度为15 m/s，下侧送风速度为2 m/s，使用网带载物方式时，对流换热强度最大，虾仁冻结速度最快。因冲击式冻结更适合于小尺寸的商品，所以对于鱼、虾、蟹类厚度较大的产品来说，单用冲击式冻结会使产品内部出现温度梯度，形成大而不均匀的冰晶，降低产品质量。此外，目前冲击式速冻设备专利层出不穷，发明目的重点一般都在解决冻结的均匀性上，后期可考虑将冲击式速冻技术与其他冻结技术联合应用，达到理想效果。

1.5 不冻液冻结技术

不冻液冻结又被称为浸渍冻结，指主要利用盐、醇、糖等组成的二元、三元及多元冷冻液作为载冷剂，与食品直接或间接接触换热，实现其快速冷冻[41]。浸渍冻结所用冻结介质为低温载冷剂，传热系数一般为200～500 W/(m2·K)，是空气冻结的10～25倍，因此传热效率高，冻结速度较快。不冻液冻结过程中，传热与传质同时进行，但传热快于传质。传质表现为在同一温度下，水与冰间存在蒸汽压差，载冷剂中的溶质进入食品，食品中的水分与可溶性物质进入载冷剂中。这是制约不冻液冻结技术发展的主要因素。不冻液冻结的效果关键取决于不冻液的选择。一般有以下要求[42]：首先必须安全无毒无害，导热系数大，黏度小，腐蚀性小；其次冻结点要低，一般需达到-40～-50 ℃；最后，原料来源广泛，成本低。利用不冻液冻结技术冻结水产品的例子如表1所示。

表1 不冻液冻结技术在水产品冷冻中的应用
Table 1 Application of immersion freezing technologies in aquatic products

1.6 其他冻结技术

其他冻结技术主要指通过改变食品本身的特性如添加抗冻蛋白或冰核蛋白来加速冻结。

1.6.1 抗冻蛋白

抗冻蛋白是一类能降低体系冰点，修饰冰晶形态，延缓冷冻后贮藏过程中冰晶重结晶生长的蛋白。其最早于1969年由Devries在南极Mcmurdo海峡的一种Nototheneniid鱼血液中发现，由于抗冻蛋白的存在，鱼的体液在极低温度下也能维持非冰冻状态，从而保证鱼类能在低温环境下正常生存。后续又有研究者从昆虫、植物、真菌及细菌中发现提取到了抗冻蛋白。

抗冻蛋白有3种特性[48](1)热滞活性：抗冻蛋白能以非依数性形式降低水溶液冰点，导致水溶液冰点与熔点间出现差值，该差值即热滞活性；(2)重结晶抑制效应：由于范德华力、疏水相互作用及氢键作用，冰核表面会吸附抗冻蛋白分子，抑制冰晶生长且同时降低冰点，避免冰晶聚集增大；(3)冰晶形态效应：冰晶受抗冻蛋白影响，其正常生长形态改变，由扁圆形变为六角形棱锥，且抗冻蛋白浓度越大，作用时间越久，冰晶形态越趋向针状。抗冻蛋白的热滞活性及冰晶形态随抗冻蛋白的变化情况如图2所示。

图2 热滞活性及冰晶形态随抗冻蛋白变化情况[49]
Fig.2 The variation of thermal hysteresis activity and ice crystal morphology with antifreeze proteins

从鱼类及其副产物鱼皮、鱼鳞等中分离提取得到具有抗冻活性的蛋白，应用于水产品冻结过程，以期延缓冻结产品质量劣化是目前常见的利用抗冻蛋白的方式。年琳玉[50]从鲱鱼中分离纯化得到鲱鱼抗冻蛋白，并发现其与壳聚糖磁性纳米(CS@Fe3O4)结合后对真鲷反复冻融后鱼肉蛋白热稳定性、空间构象稳定性有明显的保护作用。LIN等[51]用风味酶、钙化酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶复合物水解鳙鱼腮蛋白得到的蛋白产物处理鱼糜，结果显示其有较好的抗冻活性和抗氧化性，添加量为2%时效果最为显著。大部分分离提取的抗冻蛋白的分子质量较大，浸泡处理难以使其完全渗透入待冻产品中，因而难以发挥理想效果，且某些来源于真菌或细菌的抗冻蛋白的安全性难以保证，将抗冻蛋白大量应用于生产实践还有很长的路要走。

1.6.2 冰核蛋白

冰核蛋白指能在接近0 ℃下诱导水从液体向固体转变的一种蛋白。该蛋白能够提高冰晶成核温度，降低过冷程度，从而促进形成尺寸微小、形状规则的冰晶，研究者发现抗冻蛋白与冰核蛋白在控制冰晶形态及抑制冰晶重结晶方面有异曲同工之处。能产冰核蛋白的常见冰核活性细菌种类包括假单胞菌属、欧文氏菌属和黄单胞菌属。由此可见，从细菌中提取的冰核蛋白是否安全、无毒、无致病性是影响其能否广泛应用的关键因素。

2 结论与展望

水产品冻结是一个复杂的过程，其包括热量传递、冰晶成核、生长、重结晶及水产品的物理化学性质改变等变化。本文综述了液氮速冻技术、液体CO2速冻技术、物理场辅助冻结技术(高压冻结技术、电磁波辅助冻结技术、超声波辅助冻结技术)、冲击式速冻技术、不冻液冻结技术及包括添加抗冻蛋白及冰核蛋白的其他冻结技术在水产品中的应用。在微观层面，以上技术能促进冰晶快速成核，抑制冰晶生长及重结晶，从而得到尺寸更小、形状更规则、分布更均匀的冰晶，保持水产品更好的微观结构；宏观层面，小且分布均匀的冰晶并未给水产品的细胞造成显著影响，低温又能抑制水产品及微生物中大部分酶的活性，降低了生化反应速率，从而很好地保持了水产品品质并延长了其贮藏时间。但不可否认的是，速冻技术仍然存在一些固有问题，如应用液氮冻结技术时，因液氮温度较低，易引起水产品龟裂，大大降低外表美观度；液体CO2冻结、高压冻结、电磁波辅助冻结技术所需设备生产难度大、成本高；超声波辅助冻结、冲击式冻结技术应用参数难以控制，无法大批量同时生产；不冻液浸渍冻结难以确定最佳冻结液成分；抗冻蛋白、冰核蛋白的安全性难以保证等。

未来可继续研究的方向：(1)解决液氮冻结与液体CO2冻结过程食品低温断裂及液氮与液体CO2的显热回收问题；(2)研发符合生产要求、易控制操作的速冻设备；(3)联合使用多项技术，扩大技术适用范围，提高处理后产品品质。总而言之，食品冻结技术要以提高食品质量和安全性为原则，以达到低能耗低成本为目标，以实现产业化大规模生产为导向，不断提高完善。