提高冷冻水产品品质的新型速冻技术研究进展

张虹虹，苏江鹏，张俨，徐杰，郑欧阳，周结倩，孙钦秀，刘书成

（广东海洋大学食品科技学院，广东 湛江 524088）

水产品因其营养价值高，滋味鲜美，口感丰富而深受广大消费者的喜爱，在我国农产品贸易中占据着重要的位置。但由于新鲜的水产品自身水分含量较高，肌肉组织细嫩，易受到微生物和内源性酶的影响[1]，其新鲜度会很快下降，不易贮藏，导致腐败变质。因此，水产品的保藏技术成为支撑水产品产业发展的重中之重，为更好地保藏储运水产品，人们尝试了许多保藏方法。其中，冷冻贮藏具有安全性高、应用性好的特点[2]，被认为是实用有效的贮藏方法之一。但在传统的冷冻降温过程中，由于降温速度较慢，细胞内的水分在渗透压作用下，会逐渐向细胞外扩散，最终细胞内组织液浓度过高，会造成细胞损伤，造成冻品肌肉蛋白的结构改变[3]，同时，在细胞外形成大而不规则的冰晶，破坏肌肉的组织结构，导致水产品营养价值和经济价值下降[4]。因此，近年来国内外学者为有效提升降温速度、改善冻品品质，对利用新型速冻技术手段来辅助冻结食品过程进行了大量研究，包括磁场、电场、超声、高压等辅助冷冻技术。本文对这些新型冷冻技术的原理及其应用进行了综述，以期为水产品冷冻技术的发展提供参考。

1 磁场辅助冷冻技术

1.1 磁场辅助冷冻机理

磁场辅助冷冻技术是近年来新兴的速冻技术，其主要是在冷冻食品介质的周围施加磁场，实现食品的速冻。关于磁场可以加速冷冻速度的机理目前尚无明确的定论，科学家目前主要有以下几种推测：磁场可以降低食品中水的表面张力[5-6]，进而影响其形成冰晶的速度[7-9]；此外，磁场可以影响水中的氢键，改变水的摩擦系数，影响冷冻过程中的传质传热速度，进而改变冷冻速率[10]；研究者还发现磁场作用可以降低水的过冷度，缩短水的相变过程，促进小冰晶的形成[11-12]。通过改变水的表面张力、氢键以及降低过冷度，磁场速冻可以形成较小冰晶，减少冰晶对细胞的损伤，从而达到改善冻品品质的目的。

1.2 磁场辅助冷冻技术在水产品中的应用

磁场辅助冷冻技术是近年来发展的冷冻技术，目前，磁场辅助冷冻技术的研究主要集中在果蔬上，在水产品中的应用研究相对缺乏，主要涉及的是水产食品蟹棒和鱼类。

Otero等[11]分别使用了静磁场和振荡磁场的商用电磁冷冻机在-25℃条件下冷冻蟹棒，并与传统鼓风冷冻冰箱进行比较。结果发现，贮藏12个月后，磁场冷冻与鼓风冷冻的冷冻蟹棒样品品质没有显著差异。但是，该研究使用的磁场强度范围较小（<2 mT，6 Hz～59 Hz），并不能客观地说明磁场的效用。虽然磁场辅助冷冻技术在冷冻蟹棒贮藏中效果不明显，但是研究者发现将磁场辅助冷冻技术应用到鱼类样品的冷冻中可以有效改善冷冻鱼的品质。

娄耀郏等[12-13]在冷冻鲤鱼过程中叠加0～11 Gs静磁场，他们发现虽然弱磁场辅助延缓了冷冻进程，但显著地加快了相变阶段的速度，这对改善冻品品质起到了积极作用。当温度下降到-18℃时，磁场的影响几乎可以忽略不计。但该研究磁场范围较窄，所以如何应用在实际生产中的工业化冷冻其他鱼类水产品中，还需要深入研究。Okuda等[14]使用0.1 mT～0.8 mT脉冲磁场对鲭鱼片进行冷冻处理，研究发现在快速冻结过程中，振荡磁场缩短了冻结时间，抑制了冰晶对其肌肉组织的损伤，改善了冻品品质。

目前，磁场辅助冷冻技术的相关研究包括了静磁场和振荡磁场辅助冷冻，所用磁场范围各异，故磁场辅助冷冻技术在水产品上的应用还有待深入研究。

2 电场辅助冷冻技术

2.1 电场辅助冷冻机理

电场辅助冷冻技术的主要依据是诱导水分子发生极化作用，降低水分子的自由能，从而影响水分子冻结成冰[15]。在改善冰晶形成的机理上，电场的作用主要分为3个方面，一是加速冰晶晶核的形成，二是抑制大分子冰晶形成，三是优化冰晶冻结的形态及分布。在加速冰晶晶核生成上，脉冲电场改变细胞或组织的渗透性，加快传质和传热速度，使冰晶沿着电场方向形成晶核[16]，促进了冰晶成核。在抑制大分子冰晶形成上，静电场通过降低过冷度对大冰晶生成起到抑制作用[17]。在冰晶的形态及分布上，由于传质传热速度的加快，冰晶生长的速度快于水分迁移的速度，因此在细胞内外形成了细小、圆整、均匀的冰晶[18-20]。

2.2 电场辅助冷冻技术在水产品中的应用

电场可分为静电场和振荡电场，其中，静电场被广泛应用于食品冷冻领域。根据电压大小又可以将静电场分为高压静电场及低压静电场，高压静电场具有显著的生物电磁效应，耗能低，设备和运转投资小，但其在食品领域的应用还处于数据研究阶段[21]，一般以畜禽肉为主[17，22-23]，在水产品的应用鲜见报道。与此同时，高压静电场虽效果显著，但高强度的电压可能会引起安全隐患，而低压静电场通过空间放电在冷藏库内形成负离子氛围，避免了物料与放电板的直接接触，安全性明显提升，同时也能发挥保鲜效果。目前低压静电场辅助冷冻在水产品中的应用较广，其在鱼、虾和蟹类等食品保鲜中都有应用，且最佳冷冻电场强度较为稳定（3 kV左右）。

张家玮等[24]使用3 kV，50 Hz低压静电场在-4℃条件下微冻处理带鱼，发现与未做电场处理的样品相比，电场冷冻处理后的带鱼的新鲜度更高，肌肉组织破坏程度低，品质提升，货架期延长了7 d以上。王杏娣等[25]使用3 kV，50 Hz低压静电场在-4℃条件下微冻竹节虾，结果发现静电场微冻可以延缓酶和微生物对肌肉组织的损害，延缓脂肪氧化，改善肌肉的弹性等质构特性。他认为电场处理抑制了大冰晶的产生，从而减少冰晶对肌肉微观组织的破坏。该条件下，竹节虾在贮藏28 d后仍保持可食状态。李苑等[26]使用3 kV低压电场微冻三疣梭子蟹，发现静电场微冻可以抑制蟹肉腐败和微生物的生长。此外，相比于没有叠加静电场的三疣梭子蟹，电场处理对蟹肉的微观结构破坏较小，相较于普通微冻的三疣梭子蟹，静电场冷冻可以将蟹的贮藏期由24 d延长至30 d。

现有静电场辅助冷冻技术在水产品的冷藏保鲜[27-28]和微冻保鲜领域已经有了较为广泛的应用，同时，将静电场与气调保鲜等较为成熟的技术结合也获得较好效果[29]。但是，在-18℃或更低的温度下冻结水产品进行冷冻贮藏的研究鲜见报道，电场辅助冷冻技术在水产品上的应用还需要进一步探索。

3 超声辅助冷冻技术

3.1 超声辅助冷冻机理

超声波辅助冷冻机理主要是诱导冰晶成核，促进冰晶的重结晶，加速传质传热从而加快冷冻速度。超声波在介质传播过程中可以形成空化气泡，空化气泡可以作为初始晶核，促进晶核的生成[30]。此外，超声波还可以产生微射流效应，打碎已形成的大的冰晶，生成的小冰晶又可以作为晶核，促进冰晶的重结晶[31]。超声波产生的空化效应还可以造成局部扰动，加速传质传热，加速冷冻进程。因此，超声辅助冷冻可以加速冷冻进程，促进冷冻食品中细小而均匀的冰晶形成，减少冰晶对食品组织结构的破坏。

3.2 超声波辅助冷冻在水产品中的应用

超声波速冻起初在水果蔬菜中应用较多，近年来，研究者发现超声波辅助冷冻在水产品的鱼和虾中的应用也起到了较好的效果。

Sun等[32]使用超声波辅助冷冻鲤鱼，发现超声波辅助冷冻在不同程度上加速了鲤鱼的冷冻进程，其中超声功率175 W处理过的鲤鱼冰晶更小，降低了不易流动水和自由水的流动性，降低了解冻损失和蒸煮损失。同时，Sun等[33]还研究了不同超声功率辅助冷冻对鲤鱼肌原纤维功能特性的影响，发现超声处理可以抑制冷冻导致的鲤鱼凝胶特性的下降。

向迎春等[34]对比了传统空气冷冻、浸渍冷冻和超声辅助冷冻对中国对虾冷冻速度和品质的影响。研究发现使用频率为45 kHz，功率为180 W的超声辅助冻结中国对虾，可以减少对虾通过最大冰晶生成带的时间。在冰晶形成上，超声辅助冷冻也有明显优势，形成的冰晶小，直径最小值低至46.81μm，形状趋圆。冻结后，中国对虾的持水力和感官品质均优于其他冷冻组[35]。

超声波辅助冷冻技术在水产品中的应用虽然仍处于起步阶段，但研究结果都证明其可以加快冷冻速度，改善水产品品质，人们也逐渐将超声冷冻技术投入水产品的实际生产应用中[36]。

4 高压冷冻技术

4.1 高压冷冻技术机理

高压冷冻技术可分为高压辅助冷冻、高压转移冷冻和高压诱导冷冻。由于改善冷冻效果显著，高压转移冷冻是目前高压冷冻技术的研究热点之一。它的机理是将水产品置于高压条件下冷却，当温度达到略高于该压力条件下的冰点温度时，瞬间释放压力，这时水产品的相变温度快速提升，进而迅速加大了相变温度和水产品温度的直接温度差，瞬时产生大量细小且均匀的冰晶，实现了真正速冻，减少了因细胞组织机械损失而出现的品质变差[37]。

4.2 高压冷冻技术在水产品中的应用

在高压冷冻技术中，高压辅助冷冻技术和高压诱导冷冻技术研究较少，而高压转移冷冻技术目前较为成熟，在水产品中的应用也较为广泛，在鱼、虾、贝类中皆有应用，且最佳的高压转移冷冻条件均小于200 MPa，较为稳定。

高压冷冻技术在鱼类产品中的应用颇多，如大菱鲆、大西洋鲑鱼、大黄鱼等。Chevalier等[38]比较了传统鼓风冷冻和140 MPa高压冷冻对大菱鲆品质的影响，发现与传统的鼓风冷冻相比，高压转移冻结的大菱鲆样品形成了更小更均匀的冰晶，由此显著减小了解冻的汁液损失和蒸煮损失，提高了冻品品质。Zhu等[39]用100 MPa（-8.4 ℃）、150 MPa（-14 ℃）和 200 MPa（-20 ℃）的高压转移冷冻技术冷冻大西洋鲑鱼，除了与在-3℃条件下的常规空气冷冻相比较，还比较了-20℃乙二醇的浸渍冷冻，结果发现高压转移冷冻优势明显，组织中的肌肉纤维保持效果最佳。刘永固等[40]对比了高压转移冷冻和传统的鼓风冷冻对大黄鱼品质的影响，发现145 MPa冷冻的大黄鱼，其肌肉组织中的冰晶更加细小，肌肉弹性及咀嚼性与新鲜样品更为接近。刘永固等[40]认为压力超过200 MPa后，蛋白质容易发生不可逆变性，改变肌肉组织质地和结构，因此过高的压力辅助冷冻并不能改善冷冻食品的品质。

高压冷冻除了在鱼类样品冷冻中有应用，其在斑节对虾、刀额新对虾和南美白对虾等虾类样品冷冻中也得到了广泛的应用。Su等[41]研究对比了高压转移冻结和传统的鼓风冷冻方法对斑节对虾的品质影响，发现200 MPa高压冷冻显著地缩短了水的相变时间，获得了细小、规则、分布均匀的冰晶。该学者认为较小冰晶的形成是由于高压转移冻结在高压下产生了较大的过冷度，同样他也发现过高的压力会对蛋白质产生不利影响。程丽娜[42]使用超高压（300 MPa～500 MPa）和高压（100 MPa～200 MPa）处理刀额新对虾，同样发现高压使冰晶细小且均匀分布，但是过高压力容易导致蛋白质变性，从而导致虾肉持水性的下降，因此200 MPa为最佳处理条件。李秀霞等[43]则是在-18℃冷冻前使用超高压500 MPa对南美白对虾分别进行5、10、20 min处理，结果表明，保压时间5 min和10 min为适宜的处理条件，处理后南美白对虾黑变的情况有所改善，色泽和外观相较于未处理的对虾有明显的改善，同时肌肉组织也较为致密，提升了冻品品质。

除了鱼和虾，高压冷冻技术在贝类冷冻中也有应用。Hong等[44]使用0.1 MPa～200 MPa高压转移冷冻技术冻结鲍鱼，研究发现最佳条件150 MPa能够有效地抑制冷冻导致的鲍鱼品质下降。

高压转移冷冻技术在水产品中的研究应用已较为成熟，施加200 MPa以下压力不仅可以使冻结过程中生成的冰晶细小且分布均匀，还不至于因为高压导致蛋白质严重变性，使得冻品品质保持最佳状态。诸多研究表明高压可以优化冷冻过程中生成的冰晶形态及分布，但是，如何在较高的压力下降低蛋白质变性造成的影响，还有待进一步研究。

5 总结与展望

目前水产品市场前景开阔，为保证水产品的供应量充足，水产品的保藏技术也需要不断优化。在上述介绍的几种冷冻新技术中，主要是通过加快冻结速度，减小冰晶带来的机械损失来提高冻品品质。其中，磁场辅助冷冻技术研究较少，冷冻机理也存在争议，仍需要继续深入研究。电场辅助冷冻的主要研究则是在低压静电场条件下进行冷冻，囊括了鱼类、虾类、蟹类、贝类等，不同水产品在不同场景下应选择适宜的保藏方式。而超声辅助冷冻技术的研究机理及应用较多，主要还是针对鱼类和虾类，蟹类和贝类的应用研究较少。高压转移冷冻技术的应用研究也相对成熟，但如何突破超高压对蛋白质变性的影响制约还有待继续探索。在这些应用研究中，实现商业化的关键还在于参数的确定和成本的控制。与此同时，可以将诸多新技术结合起来，不断明确技术的适用场景及优化使用效果，提高水产品的品质，将我国丰富水产资源的经济效益最大化。