水产品冷冻品质影响因素*

2022-12-13崔自成黄东赵日晶位兴华

食品工程 2022年1期

崔自成黄东* 赵日晶位兴华

（西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安 710061）

速冻食品的起源可以追溯到1928年的美国，当今社会，随着饮食习惯的变化以及生活节奏的加快，速冻食品越来越受到广大消费者的青睐。随着消费的需要以及食品速冻技术的发展，速冻食品逐渐实现了工业化，目前我国速冻食品产量达到千万吨级别，并保持增长趋势。目前国内外没有明确的速冻食品定义，但速冻食品通常是指在低温环境下食品通过最大冰晶生成带的时间小于30 min，使其中心温度达到-18 ℃，并在运输、储藏过程中使中心温度保持在-18 ℃。冷冻过程中形成的冰晶大小对于食物解冻之后的品质有着很大影响，而通过最大冰晶生成带的时间长短，即冻结速度对于冰晶大小有着决定性的影响。本文介绍了几种常用的冻结方法，分析了不同冷冻速率对于水产品品质指标（K 值、TVB-N、TBA、Ca2+-ATPase 活性、盐溶性蛋白含量、持水力、质构特性和细胞微观结构）的影响，并总结了冰晶大小对冷冻水产品品质的影响。

1 冻结方法

食品的冻结方法可以分为直接冻结和间接冻结，其区分的依据是是否与冷却介质直接接触。直接冻结方式主要有浸渍冻结和喷淋冻结，间接冻结方式主要有鼓风冻结和接触冻结。直接冻结方式常用的冷却介质有酒精、液氮、二氧化碳等。鼓风冻结利用鼓风机带动较高速度的冷空气流动吹拂食品,将食品物料冷却冻结。接触速冻又称平板速冻，是通过空心平板中冷媒（氟利昂、盐水等）的相变蒸发与放在各层平板间的食品充分接触，进行热交换，使食品冻结。不同冻结方式的对比分析结果见表1。

表1 不同冻结方式总结与分析

食品冻结技术多种多样，而速冻技术能够使冻结速度更快，用时更短，从而更好地保持食品原有的口感并减少营养价值的损失。速冻技术在食品冷冻贮藏领域占据十分重要的位置。随着冷冻市场的发展，发展能耗低、性价比高、结构简单的速冻设备及技术显得更为重要。

2 冷冻速率对水产品品质的影响

水产品冷冻后的品质评价指标较多，但主要可以分为理化指标、保水性及水分状态、质构特性以及细胞微观结构等。冰晶的大小形状对这些品质评价指标有着重要的影响。本部分内容主要分析不同冷却速率对食品品质的影响，常用理化指标的定义及意义总结见表2。

表2 食品品质指标总结

文献通过试验研究了不同冻结方式下水产品（带鱼、大鲵、小黄鱼、大黄鱼、银鲳鱼、红虾等）中TBA 指标随着贮藏时间的变化，结果表明，随着时间的变化，TBA 值也逐渐上升，并且冷却速度较快TBA 值上升的速率较慢，这是因为冻结速率越慢，生成的冰晶尺寸越大，对细胞造成的机械损伤越重，导致暴露在空气中的损伤面积越大，增加了氧化程度。K 值、TVB-N 值的变化趋势和TBA 一致，说明冷却速度越快，食品品质更好。随着贮藏时间的延长，不同冻结方式的盐溶性蛋白含量均呈下降的趋势，并且冻结速率越快，下降趋势越慢，原因可能是由于这些蛋白质的部分核苷结合物被水解后形成白色冰晶体而析出，导致肌肉运动细胞球蛋白分子之间相互结合形成非共价核苷键进而相互形成超大和小分子的不可溶性蛋白凝集，使肌肉运动细胞球蛋白溶解性明显下降。Ca2+-ATPase 的活性随着贮藏时间的增加，活性呈下降趋势，并且冷冻速率越快，下降趋势越缓慢。表明冷冻速率越快，食品品质越好。解冻损失率和蒸煮损失率是来描述食品持水力的2 个重要指标，食品解冻损失率随着贮藏时间的增加而增加，并且冷冻速率越快，解冻损失率越小，其原因也和冰晶对肌肉细胞的机械破坏有关，较大的冰晶对细胞损害较大，失水率较高。而不同冷却方式下的蒸煮损失率变化不是很大。有些特殊情况下食物冷却速率过快可能会导致食品本体表面与食物中心之间存在较大温差，膨胀压力随之变大，造成食物低温断裂，破坏了食物细胞的基本结构和形态完整性，增加了体内水分的均匀流动性，在高温加热作用下，水分流失过多。总的来说，随着贮藏时间的增加，食品的持水性下降。Boonsumrej 认为在冻结过程中，持水力下降有两方面的因素影响，一是肌肉细胞组织遭到机械破坏，具体表现为细胞膜的破坏和细胞间隙的扩大，在冷冻后的细胞微观结构中可以明显看到这一现象，细胞破坏导致细胞体液的流失；二是冷冻后的蛋白质结构发生变化，使蛋白质分子无法重新与融化的冰晶相结合。硬度、弹性、咀嚼性和恢复性等质构特性的影响因素较为复杂，但都随着贮藏时间的增加，质构特性指标都会变差，快速冷冻相较慢速冷冻来说，质构特性的指标会好一些。

相对于以上的品质指标，细胞的微观结构能够更形象更直观地展现不同冷却速率对食品品质的影响。结果显示，相对于新鲜样品，经过冻结的样品都会出现组织间隙变大以及不同程度的碎裂变形。冷却速率较快的样品细胞微观结构更接近新鲜样品，原因是冷却速率快形成的冰晶小，形状规则，对细胞造成的机械损伤小，因此可以更好地保持细胞组织结构。

3 冰晶对水产品品质的影响

通常把食品温度随时间变化的线性称为食品冻结曲线（图略）。食品冻结曲线可以分为5 个阶段，即预冷区、相变区、溶质结晶区、共晶凝固区、冷却区。首先随着温度降到冰点以下，食品发生过冷现象，随着相变过程中溶质浓度增加，水以冰晶形式被去除。食品在冻结过程中，会经过一个最大冰晶生成带（-1 ℃～-5 ℃），食品物料中冰晶尺寸的主要影响因素是通过最大冰晶带的时间及冷冻速率，时间越短，晶核的生长时间越短，形成的冰晶尺寸也越小，对细胞产生的机械破坏程度越低，而较大的冰晶会对食品细胞造成很大损害。

对于速冻食品来讲，食品通过最大冰晶生成带的时间在30 min 以内，并保持食品中心温度在-18 ℃以下，冰晶尺寸大小不能超过100μm。食品冻结速度与冰晶大小及形状的关系如表3 所示。冰晶的形成过程主要包括，驱动力的产生、成核、冰晶生长、重结晶。冻结速率、冻结温度、贮藏温度都会影响冰晶的生长过程。桥本加奈子等用不同温度（-20 ℃、-30 ℃、-60 ℃）冷冻鱼片，结果表明冻结温度越低，失水量越少，鱼片品质越好，主要原因是冻结温度越低，产生的冰晶越小。这与周俊鹏的试验结论一致。在冷冻食品中，冰晶往往不稳定，在数量、大小和形状上反复发生变化，称为重结晶。重结晶的结果是平均晶体尺寸增加，导致更粗的微观结构并造成食品质量损失。综上所述，快速冷冻形成的冰晶尺寸较小，对细胞的破坏更小，能够更好地保持食品原有的新鲜程度和减少营养损失。因此，速冻方法对提高食品品质尤为重要。

表3 食品冻结速度与冰晶大小及形状的关系

冰晶的大小对食品品质有着重大影响，可以通过控制冰晶大小来提高食品品质。目前主要从以下3 个方面来控制冰晶的大小：控制冰晶的形状和生长；控制冰晶的成核；抑制重结晶。

使用抗冻蛋白（AFP）来控制冰晶形状和增长是最近的研究进展。抗冻蛋白可以降低食品冷冻的冰点，抑制冰晶的生长。Wang 等在冰激凌制作过程中添加抗冻蛋白，研究结果表明，抗冻蛋白能够使得冰晶更加细小均匀，使冰激凌口感更加爽滑，减少了颗粒感。在绵羊和牛的肌肉细胞中也能得到同样结论。控制冰晶形成的另一种方法是使用冰成核剂（INA）诱导冰晶异质成核。存在于动物组织和微生物中的INA 能够影响冷冻食品的形态特征和结冰模式。如果表面的分子结构与冰晶晶格尺寸相匹配，则在该位置发生成核的可能性更大。这与降低过冷度有关，从而缩短冷冻时间并提高冰晶生成效率。除了加入抗冻蛋白和冰成核剂等化学方法之外，还采用叠加电场、磁场和超声波等物理方法辅助冷冻以减小冰晶尺寸。Islam 等使用超声波（300 W，20 kHz）辅助蘑菇冻结，结果显示，冰晶尺寸有了很明显的降低，大大提高冷冻蘑菇品质。超声波辅助冷冻的原理是当液体受到高强度的声波作用时，会出现交替的高压和低压循环，在低压循环中，产生小真空泡，在高压循环中，气泡崩溃，这种现象被称为空化现象，在空化过程中形成的气泡可以促进冰晶成核。当磁场应用于食品冷冻中时，会推迟冰晶成核并促进过冷，过冷会抑制冰晶的生成。然而Otero 等发现相比空气鼓风冻结，电磁场在冻结中并没有显著影响。展曦鸣，研究了低频电磁场对纯水冻结过程的影响，也得出相应的结论，即在极低频电磁场的作用下，纯水过冷度虽然会有略微的增加，但是对冷冻时间以及冰晶尺寸和形态的影响微乎其微。有文献指出电场能够增加冰晶的成核温度，改善食品品质，是一种具有发展前景的食品冷冻方式。