微冻保鲜技术研究进展

蔡青文谢 晶

CAI Qing－wen1，2XIE Jing1，2

（1.上海水产品加工与保藏工程中心，上海 201306；2.上海海洋大学食品学院，上海 201306）

微生物的生长繁殖是影响食品保质期的主要因素，目前主要通过降低温度来抑制微生物繁殖生长、减缓生化降解来延长食品保质期，冷藏、冻藏和冰藏是常用的食品保鲜方式。冷藏技术即贮藏温度控制在0～4℃范围内，因为4℃时大多数病原菌不能生长［1］，酶的活性也有所降低，微生物生长繁殖也得到抑制，但冷藏能耗大、成本高，保质期也较短，对于新鲜水产品一般保质期为一周。冻藏是在－18℃及以下的温度贮藏食品，在此温度下几乎所有微生物都不能生长和繁殖；因此，贮藏时间比较长，但食品达到冻藏温度所需的时间长，其内部大部分水分冻结生成大小不一的冰晶，易使蛋白质变性，破坏质构；食品解冻后，质构劣化，细胞易脱水，形成汁液流失，严重影响食品原有的风味。冰藏则是通过不断加冰的方式使食品温度降低，一般维持在冰温，由于贮藏过程中冰易融化，使食品温度波动较大，食品容易劣变；而微冻则是在较衡定的温度下贮藏，且温度较冰温略低。微冻是贮藏温度控制在生物体冰点（冻结点）及冰点以下1～2℃的温度带的保鲜技术，且微冻时样品表面会有一层冻结层，故又称为部分冷冻（partial freezing）和过冷却冷藏（deep chilling），能有效延长食品的保质期，是一般冷藏保质期的1.4～4.0倍［2］，虽比冻藏保质期短，但是能更好地维持食品的品质［3－5］。为更好的维持食品的品质，获得较新鲜食品，微冻保鲜技术及其在食品中的应用一直是低温保鲜（4℃以下的贮藏方式）研究领域的热点。

1 微冻技术原理

早在1920年，Le Danois［6］就描述了微冻的过程。1963年加拿大研究出微冻保鲜系统并在渔船上使用，随后英国、德国、日本等国开始重视微冻保鲜技术的研究。20世纪70年代后期日本已对三文鱼、虾、沙丁鱼等贮存于－3℃的条件下进行微冻保鲜［7－9］。近年来，中国也对鲢鱼［10］、猪肉［11］、虾［12］、牡蛎［13］、鲤鱼［14］、罗非鱼［15］等食品原料进行了微冻保鲜研究。微冻保鲜的原理是利用低温抑制微生物的生长繁殖和酶的活性。在微冻条件下，微生物细胞内水分会发生部分冻结，影响细胞液浓度，改变微生物细胞的生化反应，使其繁殖生长受到抑制，酶的活性降低，有些细菌甚至死亡，从而起到维持食品鲜度、延长食品保质期的作用。由于不同食品水分含量不同，冰点也不同，其微冻贮藏温度也不同。在实际应用中，需据不同的产品的冰点来设置微冻温度。据大量研究结果显示，水产品冰点一般在－1～－2.5℃，其微冻温度一般为－3～－5℃［16］；肉制品如猪肉冰点为－1℃，其微冻温度一般为－2℃［12］；果蔬如草莓冰点为 －0.8～－1.2℃，其微冻温度一般为－2℃［16－18］。

2 微冻保鲜技术

2.1 水产品常用的微冻技术

常用的微冻保鲜方法一般有冰盐混合微冻法、冷风微冻法、低温盐水微冻法，一般用于渔货物保鲜。渔船微冻保鲜的装置一般由制冷压缩机、驱动柴油机、卧式冷凝器、贮液器、热交换器、汽液分离器、干燥过滤器、半鼓风冻结器等组成，仪器的具体型号需根据微冻量（kg／次）、微冻时间（h／次）、渔获物的初温和终温、设计舱温、微冻方式等因素来确定［19］。

2.1.1 冰盐混合微冻 冰盐混合微冻即通过冰盐混合物的吸热效应来降低温度，当盐混入碎冰中时，同时会出现两种吸热反应：冰融化吸热和盐溶解吸热，因而短时间内可吸收大量的热，达到降温目的。此方法通常使用食盐和冰混合，混合物的温度可通过控制食盐的质量浓度来调节，盐水的质量浓度越高，冻结温度就越低。当食盐的质量浓度为3%时，冻结温度可达到－3℃；浓度为29%时，冻结温度可达到－21℃。但若食盐加入过多，就会渗入食品中，导致食品偏咸，影响食品原有风味。为达到最好的微冻效果，应确保冰盐混合均匀。另外，在冰盐微冻过程中，由于冰融化速度快，在冰融化后，冰水吸热，会使食品温度回升。因此，在冰盐微冻过程中需要适时适量补充冰和盐，达到稳定温度的目的。冰盐微冻法能很好的维持食品鲜度，保藏期长，但食品略有咸味，耗冰盐量大，一般适合水产品加工原料保鲜［20］。

2.1.2 冷风微冻 即用制冷机冷却的风吹向食品，使食品表面的温度达到一定的温度后，再转入恒温舱中保存。例如，渔获物的贮藏温度一般为－3℃，可先用冷风处理使其表面的温度达到－3℃，渔获物中心温度达到－1～－2℃后转入－3℃的舱温中保藏即可［21］。冷风微冻法能较好地维持食品鲜度、色泽及外观。

2.1.3 低温盐水浸渍微冻 低温盐水微冻体系由盐水微冻舱、保温舱和制冷系统三部分组成。由于盐水传热系数大，为空气的30倍，因此盐水微冻冷却速度比空气快，其冷却温度为－3～－5℃，食盐的质量浓度控制在10%左右。具体工艺要求［20］：先配制成质量浓度约为10%的食盐水（水即为海水），使用制冷机使盐水温度降到－5℃，把渔获物放入盐水中浸渍冷却至体表温度－5℃时（此时鱼体内温度为－2～－3℃），再转移到－3℃的保温舱中保藏。低温盐水微冻工艺中需考虑盐的种类、盐水浓度、浸泡时间、盐水温度，其中盐水浓度最关键。若浓度过高，便会使渔获物偏咸，同时盐溶性的肌球蛋白也会析出［22］，影响食品风味和商业价值。低温盐水浸渍微冻也能很好的维持食品鲜度，保鲜期长；但商品色泽暗，有咸味，外观差，一般用于加工原料的保鲜。

2.2 常用的微冻设备

微冻设备的选择也会影响食品品质，需根据不同材质的食品选择适宜的微冻设备。常见的设备有低温冷冻机、冲击式冷冻机、机械冰柜。机械冰柜使用一个循环制冷体系，通过与空气进行热量交换来达到降温的目的，通常用于冷冻食品，运营成本较低温冷冻机低。低温冷冻机只需要制冷制罐和一个喷雾装置，其采用的制冷剂为液氮或固态二氧化碳，比传统的空气冷冻所需时间短，但其操作成本较高，一般用于价格昂贵的食品［23］。冲击式冷冻机是一个分区域的冰冻室，且每个区域的温度是独立可控的。在每个区域的冲击速率是不一样的，都是独立可调的，食品在相邻区域的入口冻结，然后通过调整获得最大的空气速度，产生最大传热系数，从而获得适宜的冷却速率［24］。因此具有制冷速度快，能迅速达到工艺温度的特点，且制冷介质为压缩空气，无污染，操作简单，维修也方便。

3 微冻对食品品质的影响

影响食品品质的因素有很多，如温度、微生物生长、脂肪氧化、蛋白质变性等都会影响食品的风味和营养价值，判断食品品质好坏的指标有微生物指标、理化指标、感官指标。微生物指标主要为细菌总数，理化指标包括K值、T－VBN值、pH值、TBA值等，感官指标主要通过颜色、气味、肉制品的肌肉松弛程度或者弹性来综合判定；食品的品质也需通过这些指标进行综合评定。

3.1 微生物指标的变化

在微冻温度下，大部分微生物会失去活力或者受到抑制。Duun等［25］研究发现，真空包装处理的猪排微冻（－2℃）贮藏111d的细菌总数仅为6.13lg CFU／g，而冷藏13d细菌总数已经高达8.7lg CFU／g。宋华静等［11］对鲜猪肉微冻保鲜的初步研究发现鲜猪肉经微冻贮藏30d后细菌总数为4.02lg CFU／g，仍小于初始值，且细菌总数呈先降低后增长的趋势，曹荣等［12］微冻（－3℃）保鲜太平洋牡蛎的研究中也发现了同样的规律。Duun等［2］对鳕鱼片微冻保鲜（－2.2℃）进行了研究，发现鳕鱼微冻贮藏6周期间细菌总数仅在5.2～5.8lg CFU／g内，而冰藏第1天时细菌总数就达到5.4lg CFU／g，且在贮藏22d后就超过了极限值（6.7lg CFU／g），细菌总数高达7.2lg CFU／g。

3.2 T－VBN值和K值变化

微冻贮藏过程中，T－VBN值、K值虽都呈增加的趋势，但是，大量试验研究［26－28］表明微冻能有效维持较低的T－VBN值、K值，一般情况下T－VBN值、K值越低，其鲜度越好。草鱼微冻（－3℃）贮藏第30天时，其T－VBN值仅为12.75mg／100g，仍在一级鲜度内；而冷藏（4℃）第6天时，T－VBN值已高达12.84mg／100g，已超过一级鲜度；微冻贮藏到第25天时的K值仅为37.05%，冷藏第4天时K值已增至41.22%［26］。车虾在微冻贮藏2d后其K值只上升至2.2%，第3天升至7.6%；而冷藏条件下第2天和第3天K值分别高达7.3%和15.5%［27］。研究［28］还发现微冻贮藏车虾较冷藏更能有效维持虾尾部的色泽，更好的维持虾的品质。三文鱼片微冻贮藏9d后的硬度、蛋白质的溶解性与冷冻贮藏2d的一样，表明微冻能更好的维持食品品质［29］。

3.3 汁液流失及冰晶形成的影响

微冻除了能通过降低细菌总数、K值、T－VBN值等指标维持食品品质外，研究还发现微冻能有效减少汁液流失。Duy等［30］在对微冻贮藏三文鱼片的研究中得出了同样的结论。微冻处理过程中，食品中的水分也会发生部分冻结，形成冰晶，冰结晶首先在细胞之间产生，当温度逐渐降低至细胞内溶液的冰点时，冰结晶会在细胞内生成，由于细胞内外压力不均衡，产生胀力，破坏原生质和细胞膜，对细胞组织造成机械损伤，引起汁液流失，影响食品品质［31］。Bahuaud等［31］研究了微冻贮藏（－1.5℃）中鲑鱼的质构、组织蛋白酶活性、肌肉组织、汁液流失等的变化，发现微冻加速了肌原纤维的分裂和溶菌酶释放组织蛋白酶－L和组织蛋白酶－B，在微冻处理6h后有一半的组织蛋白酶的活力已丧失，而对照组（冰藏）酶活力仍然很稳定，在随后的微冻贮藏过程中（28d），组织蛋白酶－L和组织蛋白酶－B的活力一直比对照组要低，表明微冻促使肌肉结构降解，与对照组相比更易影响溶酶体的活性；而且，贮藏1个星期后，微冻下的汁液损失比对照组（冰藏）高，这些对食品品质的影响都是不利的。Bahuaud等［32］分析认为三文鱼片微冻过程在其表面和内部生成了冰晶，且冰晶的尺寸足以对细胞造成机械损伤，才导致了蛋白质变性。Kaale等［33］对真空包装的三文鱼片在微冻贮藏（－1.7℃±0.3℃）过程的表层、中层、中心位置的冰晶进行了研究，微冻贮藏1d后中层和中心位置冰晶的尺寸分别为（153±8），（318±4）μm，中心冰晶的尺寸是表层的3倍；当微冻温度达到平衡时，没有温度梯度存在的情况下，细胞内中心位置的冰晶在随后的贮藏过程中并没有显著增长，表明微冻温度波动极易促进冰晶的生成。而冰晶形成的位置和大小、形状都会直接影响到食品的品质，为达到更好的保鲜效果应根据食品的种类、性质控制好微冻的时间、温度，避免冰晶大量生成，这也是微冻保鲜技术需解决的关键点。

但当冰晶尺寸小于肌肉纤维间的尺寸时，食品中少量冰晶的生成还是有益的。由于冰具有高的潜热（335kJ／kg），可作为蓄冷剂，吸收周围的热量，短暂维持食品贮藏温度［34］；另外，冷冻速度和冷冻方法的不同，对产生冰晶的大小以及分布会有不同的影响。冻结速度快，食品中的水分形成无数针状的冰晶，而且数量多，主要分布在细胞外；冻结速度慢的，食品中的水分形成的冰晶则呈少数柱状或者块颗状的大冰晶，冰晶大部分在食品细胞间形成［35］。而细胞内与细胞间生成的冰晶越小，对细胞的机械损伤越轻，汁液流失也会减少，可以较好地保存食品的营养成分［36，37］。因此，控制好微冻温度的衡定、速率、时间是解决冰晶问题的关键，这就需通过进一步的研究设计出能够精确控制温度区域的制冷设备。

3.4 食品保质期的影响

食品保质期是衡量食品质量与安全的一个重要指标，其定义为预示在任何标签上规定的条件下保证食品质量的日期。在此期间，食品完全适用于销售并符合标签上或者产品标准中所规定的质量［38］。食品的化学组成、加工方式、贮藏方法与条件都会影响到食品的保质期。水产品和肉类中水分含量高、富含蛋白质，为微生物生长繁殖提供了一个良好的培养基，因此极易腐败变质。微冻保鲜技术利用低温可有效抑制微生物的生长繁殖，达到延长食品保质期的作用。目前，已经有很多研究证明了这一点。

胡素梅等［14］研究了鲤鱼在冷藏（4℃）和微冻（－3℃）的条件下品质的变化，微冻条件下的保质期为30d，而冷藏条件下只有8d，为冷藏的2.75倍。李卫东等［39］研究了微冻条件下贮藏南美白对虾，发现随着贮藏时间的延长细菌总数一直呈较小幅度的增加，其保质期可达26d，而凌萍华等［40］研究了冰温对南美白对虾品质的影响，发现冰温贮藏保质期仅有8d。微冻技术使用在肉类和果蔬保鲜中也有同样的效果，彭涛等［41］将猪肉分别贮藏在－2，4，－18℃的条件下，通过比较分析感官指标和生化指标发现微冻较冷藏更能有效抑制微生物生长繁殖，且微冻贮藏15d后仍处于一级鲜度，其有效保质期可达27d，冷藏条件下仅有4d。草莓贮藏在（－2±0.2）℃温度范围内，其新鲜度可保持60d［17］。

为优化微冻保鲜工艺，更好的维持食品品质，延长食品保质期，研究者已将气调、真空、保鲜剂等保鲜技术结合应用在微冻保鲜中，并取得了很好的保鲜效果。真空包装的三文鱼片在－1.4℃和－3.6℃的条件下，其保质期可延长到冻藏的2倍，一般冻藏的三文鱼片保质期为17～21d［42］。齐自元等［43］采用两种保鲜剂配方：M1［4－己基间苯二酚（4－HR）0.05g／L＋壳聚糖1.5g／L＋乳酸链球菌素（nisin）0.2g／L］和 M2［4－己基间苯二酚（4－HR）0.05g／L＋ 酪蛋白酸钠1.5g／L＋聚丙烯酸钠 0.5g／L＋乳酸链球菌素 （nisin）0.2g／L］分别对南美白对虾进行涂膜后微冻（－3℃）贮藏，发现M1和M2处理组均可以将南美白对虾的货架期延长至30d左右，是对照组（仅微冻贮藏）的2倍。Fernández等［44］研究也证明了 MAP（90%CO2，g／p＝2.5；g／p为气体和产品的体积比）＋微冻保鲜技术与对照组（MAP，－1.5℃）相比能使三文鱼片的保质期由11d延长至22d。

4 问题及展望

微冻保鲜技术虽然在水产品中得到广泛应用，但仍存在一些影响食品品质的问题：

（1）微冻过程中，形成冰晶的大小、位置、形状都会影响食品的品质，因此，食品进行微冻保鲜时，除关注其对感官、生化、微生物等指标的影响外，还需考虑食品微冻处理的时间、温度、降温速率，以减少冰晶生成，防止过大冰晶的产生，为此需精准控制微冻温度，提高了制冷设备的要求。目前，中国虽已初步形成了较完善的冷藏链，但微冻物流还未形成，食品在加工、贮藏、运输、分销和零售、直到消费者手中的过程中，由于部分环节温度波动，未达到微冻温度要求，导致食品品质发生劣变。因此，微冻技术使用过程中的控温环节是解决食品劣变的关键，也是有效抑制微生物生长必要条件。

（2）为了推进微冻保鲜技术更好的工业化应用，更多的技术应结合使用来分析冰晶形成机制，如磁共振（MR）、近红外线（NIR）等。

（3）微冻技术与其他保鲜技术的结合也需根据不同产品的需要，通过大量试验研究来达到最理想的保鲜效果。

总之，微冻技术利用低温来抑制微生物的生长，同时微冻过程中食品中的水分只有5%～30%的发生冻结，较冷冻贮藏减少了细胞液浓度的增加和盐融效应的发生，减少了蛋白质降解，可以很好的维持食品品质，保持其鲜度，正迎合了人们对新鲜食品的需求，因此，具有广阔的商业和发展前景。

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