冷冻水产品冷链流通过程中品质变化及调控技术研究进展

2021-08-31韩昕苑樊震宇从娇娇姜晴晴王锡昌

食品科学 2021年15期

韩昕苑，樊震宇，从娇娇，姜晴晴，王锡昌*

（上海海洋大学食品学院，上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，农业农村部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室，上海 201306）

我国水域面积广阔，水产品资源丰富。2019年全国水产品总产量达6 480.36万 t，按当年市场行情计算，2019年全国渔业经济总产值为26 406.50亿元，总产量及总经济价值近5 年来均呈持续上升的趋势[1]。水产品因其丰富的营养及独特的风味而深受消费者喜爱。水产品中富含蛋白质（15%～20%）及人体必需氨基酸，虽脂肪含量低（低于5%），但富含对大脑生长有益的高度不饱和脂肪酸，长期食用对人体健康十分有益[2-4]；此外，水产品还具有肉质细腻、热量低、消化率高等特点，因此成为新时代餐桌上的食用佳品。

冷冻是目前调节水产品在不同季节和不同区域满足消费者需求的重要手段，2019年全国冷冻水产品达 1 532.27万 t，占水产品总产量的23.64%[1]。然而现今国内冷链技术管理尚不完善，冷冻水产品在长途运输、贮藏及销售过程中，环境中温度的波动造成冷冻水产品出现反复冻融现象。冻融会直接导致冷冻水产品肌肉中的冰晶发生重结晶现象，冰晶的大小和形态发生变化，细微的冰晶会依附于大冰晶形成更大的冰晶，冰晶生长过程中水分的迁移会夺走与蛋白质表面结合的水，蛋白质之间相互作用增强和二硫键的暴露造成蛋白质聚集变性，溶解度下降[5]，冰晶体积的变化也会造成细胞膜破裂，促进氧化物质释放（血红素铁离子）可加剧脂肪氧化[6]，且在冻融后冰晶升华，肌肉产生海绵状孔隙，脂肪与空气接触面增大也会加剧脂肪氧化，同时冰晶的生长会给肌肉肌纤维带来不可逆的机械损伤，使肌肉组织结构遭到破坏，从而引起解冻时大量的汁液流失、肌肉质构变差、色泽变暗、风味变差、营养流失等一系列品质劣化现象，最终导致水产品食用品质下降[7-10]。为了改善这种劣变，可采用新型冻结方式、减少冷链流通过程中温度的波动、通过添加物减缓冻融带来的品质变化，也可以采用不同的解冻方式以改善解冻后水产品的品质。

本文综述了冷链流通过程中不同程度的温度波动（未发生完全冻融）以及反复冻融对冷冻水产品肌肉品质的影响（包括新鲜度的变化、感官品质的变化、风味物质的变化），并分析了冷冻水产品冷链流通过程中的品质劣化机理，最后总结了一些改善冷冻水产品品质的新技术，以期为冷冻水产品流通、贮藏过程中的品质研究提供参考。

1 冷冻水产品冷链流通过程中的品质变化

冷冻水产品在冷链流通过程中会受环境的影响发生温度波动，而温度波动会造成水产品的冻融现象，水产品的中心温度由冻藏温度-20 ℃升温至中心温度为4 ℃称为一次完整的冻融过程[11]；在实际的冷链流通过程中并不一定会发生多次完整的冻融，也可能仅仅有小范围少次数的温度波动。所以研究过程中，一部分学者模拟水产品在冷链流通过程中温度的波动，并研究其对水产品肌肉品质造成的影响[12-14]，另一部分学者将温度波动极限化，研究反复冻融对水产品肌肉品质的影响。

1.1 温度波动对冷冻水产品品质的影响

国内外对冷链流通过程中水产品品质变化的研究主要集中在模拟冷链流通过程中的环境温度波动对冷冻水产品品质的影响，表1列举了不同程度的温度波动对冷冻水产品品质的影响。大部分研究集中在发生温度波动时水产品微生物指标和新鲜度指标的变化上，可得出结论：温度波动会导致水产品的总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量和菌落总数均显著增大，温度波动范围越大，水产品品质劣变越明显[12,14]；也有一部分研究测定了温度波动过程中理化指标的变化，其中持水力等指标均显著变化[13-14]；有研究发现温度波动使蛋白严重降解，但这种劣化需经历6 次及以上的温度波动才会显著[13]，这可以归结于冰晶的不同程度生长[15]。

表1 不同程度的温度波动对冷冻水产品品质的影响Table 1 Effects of different degrees of temperature fluctuation on the quality of frozen aquatic products

1.2 反复冻融对冷冻水产品品质的影响

大部分的学者在研究过程中会将冷链流通过程中的温度波动极限化，直接探究反复冻融对冷冻水产品品质的影响，可使温度波动对冷冻水产品品质的影响放大，从而更直观、更明显地观测其品质的变化。

色泽是最能直观影响消费者接受度和购买欲的品质指标之一。根据表2可以发现，大部分情况下随着冻融次数的增加，亮度L*值和白度呈显著降低的趋势，即反复冻融导致水产品肌肉颜色变暗且白度下降，肌肉汁液流失和肌原纤维保水性下降，会改变肌肉的光学特性[16]。b*值随冻融次数的增加呈显著升高的趋势，这说明水产品的肌肉在反复冻融过程中越来越趋近于黄色，这与肌肉的脂质氧化有关[25]。

表2 反复冻融对冷冻水产品品质的影响Table 2 Effects of repeated freezing-thawing cycles on the quality of frozen aquatic products

质构一般通过触觉感知，消费者可能用手触摸生鲜水产品的肌肉，也可能用口腔和牙齿触碰熟制水产品的肌肉。根据表2可以发现，在反复冻融过程中，水产品肌肉的硬度和弹性均呈降低的趋势，这是由于反复冻融过程中细胞内外冰晶发生重结晶现象，肌肉组织结构遭到破坏，因此呈现松散、软烂的状态[26-27]。

汁液损失是冷冻水产品在解冻过程及食用过程的重要品质之一，主要反映为解冻损失和蒸煮损失，而通常通过离心损失率来侧面反映肌肉组织的持水能力。根据表2可以发现，随着冻融次数的增加，水产品肌肉的解冻损失率、蒸煮损失率以及离心损失率均显著上升，这是由于反复冻融过程中冰重结晶形成的大冰晶会破坏肌肉组织[27]，同时蛋白质在反复冻融过程中会发生交联和聚集[28]，其性状发生改变，无法更好地与水结合，束缚水的能力减弱；因此不易流动水向自由水迁移，汁液损失逐渐增加。

通过反复冻融过程中的K值[17]和TVB-N含量[20]可直观评价鱼肉的新鲜度，通过TBARS值[20,24]可直观评价鱼肉脂肪变性程度，TVB-N含量、K值、TBARS值增加即表明经历反复冻融后的冷冻水产品品质下降。

2 冷冻水产品冷链流通过程中品质劣化机理

水产品在冷链流通过程中温度波动引起的反复冻融会导致其品质发生劣化，营养成分流失，这一劣变过程是由于多种因素叠加共同造成的。其中最为重要的原因可归纳总结为冰晶重结晶、蛋白质变性、脂肪氧化。

2.1 冰晶重结晶

在冻藏或冷链流通过程中，由于环境温度的波动，冻结的水产品会发生反复冻融的现象，温度升高冰晶发生融化，温度降低时融化的冰晶再次冻结，这一现象称为冰晶的重结晶。重结晶的过程中，细微的冰晶消失，聚集成大的冰晶，或附着到大的冰晶上形成更大的冰晶，冰晶数量减少，但个体尺寸增大，称为冰晶的生长[29]。

如图1所示，冰晶的生长一般分为3 种形式：积聚、迁移和表面等渗。发生最多的形式是迁移，在温度波动过程中，温度稍升高造成小冰晶融化，当温度再次降低时，融化的小冰晶会重新依附到大冰晶上形成更大的冰晶，这就是冰晶的迁移；而温度波动更剧烈，甚至发生彻底反复冻融的过程中，两个体积相近的冰晶同时发生融化再聚集到一起的形式即为冰晶的积聚；在表面等渗过程中，冰晶会从原有的圆形变成其他尖锐的不规则形状。冰晶生长过程中水分的迁移会夺走与蛋白质表面结合的水，从而使蛋白质功能基团暴露，发生蛋白质聚集变性，同时冰晶的生长过程中体积变大、形状变尖锐，挤压蛋白质分子从而破坏其结构[30]，造成肌肉纤维不可逆的机械损伤，解冻时引起大量汁液流失，肌肉的感官和食用品质下降，并且随着冻融次数的增加，冰晶尺寸会进一步增大，对肌肉纤维的损伤加剧，使肉的品质显著变差。

图1 重结晶的3 种机制（积聚、迁移、表面等渗）[8]Fig.1 Three mechanisms of recrystallization (accretion, migration, and surface isomass)[8]

梁红等[31]采用电子计算机断层扫描后构建肌肉3D图像的方法观察-18 ℃、-18 ℃升温1 ℃再降温1 ℃、 -18 ℃升温5 ℃再降温5 ℃、-18 ℃升温10 ℃再降温10 ℃ 4 组的冰晶形态及孔隙率。结果表明，随着温度波动范围的递增，冰晶尺寸增大且数量减少，并形成较大的孔隙。Ullah等[32]探究了温度波动对冰晶生长的影响，结果表明随着温度波动范围的增加，孔隙间合并几率增加，冰晶的个体体积也随之增大。

2.2 蛋白变性

水产品由于蛋白含量丰富而广受喜爱，因此讨论水产品中蛋白质氧化变性与冷冻贮藏的相关性有重要意义。受温度影响，冷冻会直接造成水产品肌肉蛋白变性，冷冻过程中，肌肉蛋白质受物化因素影响，内部高度规律的空间结构发生改变，蛋白质与水相作用力发生变化，蛋白质二级结构遭到破坏，造成蛋白变性；当温度波动致使蛋白经历反复冻融时，冰晶的变化和脱水缩合会对蛋白质天然纤维结构（破坏肌原纤维蛋白的完整性、改变肌球蛋白空间构象）造成不可逆的机械损伤，进而影响盐溶蛋白的含量、蛋白的凝胶特性、保水性等，结合水与肌肉中大分子蛋白骨架脱离，转化为自由水，造成蛋白变性[33-35]。

冷藏期间蛋白受其他因素影响会间接造成氧化变性，如脂质氧化诱导蛋白变性，有研究显示脂质氧化后产生的过氧化物及自由基（COO·、CO·等）会诱导蛋白氧化[36]。也有研究表明血红蛋白会诱导蛋白变性，主要表现在高铁肌红蛋白中Fe3+过多积累可与过氧化物反应，促使自由基向肌球蛋白传递、扩散，使得氨基酸侧链易受到攻击，进而导致蛋白变性。蛋白质氧化会引起氨基酸侧链的破坏、肌原纤维蛋白分子间的聚合，使蛋白质空间构象、三维结构均发生变化，从而出现凝胶能力降低、保水力下降、色泽发暗等蛋白氧化现象[37]。

Srinivasan等[38]研究了对虾在冻融循环过程中的肌肉电泳变化情况，结果显示经过多次连续的冻融循环，鲜虾肌肉中肌球蛋白、肌动蛋白和大多数其他肌原纤维蛋白的含量均逐渐减少，这表明随着冻融次数的增加，肌肉中蛋白质的变性会加剧，从而直接导致肌肉品质劣变。Zhang Yuemei等[39]研究发现冻融循环过程中肌原纤维蛋白的持水能力降低，表面疏水性增加，表明肌原纤维蛋白发生变性，色氨酸光谱分析结果显示新鲜样品和反复冻融样品的汁液之间有明显的荧光光谱差异，表明肌浆蛋白质发生变性。Cao Minjie等[40]以红鲷鱼片为原料进行研究，发现在冻融循环过程中红鲷鱼蛋白质的二级和三级结构均发生改变，通过显微镜观察微观结构发现红鲷鱼肌肉组织被明显破坏，从而导致蛋白质分子束缚水的相互作用逐渐减弱，最终造成不易流动水含量降低，自由水含量增加。

2.3 脂肪氧化

脂肪氧化是导致冷藏期间水产品品质劣变的主要因素之一，脂肪氧合酶最适反应温度为40 ℃，因此低温贮藏期间脂肪氧化主要为脂质自氧化[41]，而脂质氧化中间产物能够导致蛋白质聚合，终产物丙二醛能够导致蛋白质交联，同时氧化产生的1-戊烯-3-醇、丙醛、己醛、 2-丙酮、3-羟基-2-丙酮等醛酮类挥发性物质会增加水产品腐败腥味[42]。温度波动造成的反复冻融首先使冰晶生长体积变大，进而造成细胞膜破裂，促氧化物质释放（血红素铁离子）可加剧脂肪氧化[6]，且在冻融后冰晶升华，肌肉产生海绵状孔隙，脂肪与空气接触面增大，更加剧了脂肪氧化，进而诱导蛋白氧化变质[36,43]，加速水产品品质劣化。

Boonsumrej等[44]的研究结果显示，随着冻融次数的增加，虾肉的TBARS值增大，说明反复冻融会导致脂肪氧化反应的加剧。Wang Hang等[45]的研究中同样发现反复冻融冷冻鲤鱼的硫代巴比妥酸值增大，水分损失也随之增加，这说明反复冻融会导致冷冻鲤鱼脂质氧化加速并对肌肉组织造成机械损伤，从而导致鲤鱼保水性降低。

有研究表明，脂质过氧化的终产物可能会导致蛋白质氧化变性[46]，这就会产生一种劣变的加成效应，例如Wang Lin等[47]发现添加过量的脂质过氧化产物（浓度高于5 mmol/L）氧化亚油酸时，可导致蛋白质键断裂，从而导致凝胶结构崩溃。朱迎春等[48]研究表明，反复冻融过程中脂肪含量的增加会加速蛋白质的氧化，蛋白质氧化指数（羰基含量、总巯基含量等）与冻融循环和脂肪含量均显著相关。这说明脂肪氧化可促进蛋白氧化变性，因此改善冷链流通过程中冷冻水产品品质的调控技术需考虑到脂质氧化。

3 改善冷链流通过程中冷冻水产品品质的调控新技术

综上所述，在冷冻水产品贮藏、运输、流通及消费的过程中，温度波动导致的反复冻融使得水产品的品质发生劣变，为了改善这种现象，可通过以下几种方法：1）采用新型食品冻结方式；2）减少冷链流通过程中温度的波动；3）通过添加物减缓冻融带来的品质变化；4）采用不同的解冻方式以改善解冻后水产品的品质。

食品冻结的方式根据热交换介质的不同包括空气式、浸渍式、平板式冻结法等，采用新的冻结方式可以改善在冻结过程中肌肉细胞内外冰晶的形态。液氮冻结具有冻结速度极快、得率高、氮气化学性质稳定、不与其他物质发生化学反应、能更好地维持产品质量和营养价值的特点；超低温冻结速度是传统速冻的几十倍，具有性能稳定可靠等优点，能有效维持水产品的水分、色泽以及原有口感。白妍等[49]研究发现液氮冻结可以降低冰晶对小黄鱼肌肉纤维的损伤，抑制肌肉蛋白变性，从而保持其质构特性及微观结构。巩涛硕等[50]研究发现，相比于普通的冻结方式，超低温冻结可以使得金鲳鱼的肌原纤维间隙更小，冰晶形态细小且分散均匀，品质保持良好。Sun Qinxiu等[51]研究发现超声波辅助浸没冷冻可以降低鲤鱼的解冻损失和蒸煮损失，适当的超声功率还可以降低不易流动水向自由水的迁移率，使鱼肉品质可以得到更好的保持。

减少冷链流通过程中的温度波动主要依靠适宜的冷链物流体系，使水产品在贮藏、运输和销售过程中始终处于恒定的低温状态，最大限度地保障其营养价值和食用品质[52]。冷链流通过程中可以采用恒温冰箱贮藏，采用冷链低温车运输，并在贮藏、运输和销售过程中尽量减少冰箱或冷链低温车厢的开合，避免冷冻水产品与空气接触，采用多点温度采集仪实时监测不同流通过程中的温度变化[53]，然而这些方法成本很高，应用率较低。

最为有效也是目前研究最为热门的方法就是通过添加物减缓温度波动对水产品品质带来的变化，一般采用涂膜、浸泡、喷淋等形式。大量研究表明，添加抗冻剂可有效减轻冷冻贮藏时的蛋白质变性[54-57]。抗冻剂可以提升细胞在冰冻胁迫下抗结冰能力，减缓小冰晶相互结合的速率，修饰冰晶形态，阻止大冰晶的形成，抑制反复冻融造成的重结晶[58]。图2是抗冻剂对天然肌动球蛋白中冰晶生长的影响示意图[59]。抗冻剂中含有亲水基团，可以与水相结合使部分自由水转化为结合水，保证了冻结过程中水的稳定性。并且抗冻剂中还存在能与蛋白质结合的游离基团（例如—OH或—COOH），在蛋白质表面形成了一层保护膜，缓解水产品在冻藏过程中蛋白质分子间次级键与二硫键的聚集，减少蛋白溶解性的降低，抑制Ca2+-ATPase的活性以及延缓表面疏水基团和巯基的迅速暴露[60]。抗冻剂作用于天然肌球蛋白，使其冷冻过程中孔隙减小，因此形成细微的冰晶而不是大冰晶[59]。

图2 抗冻剂对天然肌动球蛋白中冰晶生长的效果示意图[59]Fig.2 Schematic diagram for the effect of anti-freezing agents on the growth of ice crystals in natural actomyosin[59]

目前应用较为广泛的抗冻剂分为盐类、糖类、蛋白质水解物、抗冻肽4 类。研究者们将不同添加物添加到不同的冷冻水产品中，以改善冷链流通过程中冷冻水产品的品质，具体研究内容见表3。一般通过盐类、糖类或抗氧化物质进行单独或复配处理对水产品进行浸泡、涂膜或喷淋，可以起到抑制冰晶生长、保护肌原纤维蛋白、缓解脂质氧化等作用，从而降低汁液损失、改善色泽、维持质构特性等，有效延长水产品的保质期。

表3 不同添加物对冷冻水产品品质的影响Table 3 Effects of different food additives on the quality of frozen aquatic products

续表3

采用不同新型解冻方式可以从缩短解冻时间及阻碍水产品与空气接触等方面改善水产品解冻后的品质。牛改改等[69]研究发现，微波解冻相较于超声波解冻、流水解冻、冷藏解冻、静水解冻，近江牡蛎肉解冻后品质最优、解冻时间最短、新鲜度最好、感官评分最高，是一种理想的新型解冻方式。Li Χiuxia等[70]研究发现，低频超声解冻显著缩短了解冻时间并降低了解冻损失，且低频条件下对肌肉组织破坏作用较小，从而改善了冷冻鱿鱼解冻后的品质。