水-冰-水动态变化引起冷冻肉类食品品质变化机理及控制技术研究进展

芮李彤，刘 畅，夏秀芳*

（东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

随着生活节奏加快、人民生活水平提高，特别在现代冷冻技术升级后，冷冻肉类食品以其货架期长、快捷、方便等特点已成为主流消费食品之一。低温冻藏不仅可以抑制微生物生命活动，还能降低分解脂肪或蛋白质的酶的活性[1]，当食品中心温度达到-18 ℃时，其中80%以上的水分会通过成核和晶体生长来转化为冰晶[2]。冷冻肉类食品在食用前要进行解冻，解冻是冻结的逆过程，涉及冻结肉中冰晶融化成水并被肉吸收而恢复到冻结前的新鲜状态的变化过程[3]。但在实际冷冻过程中，肌肉细胞外的水分因为温度降低形成大量冰晶，当液态水向正在生长的晶体扩散时，会造成组织间的冰晶愈长愈大，从而对肌肉组织细胞造成不可逆转的破坏并失去活性[4]，当温度回升时，冰再融化成水，但此时组织中水分的含量和分布早已发生改变。

低温冻藏可有效延长肉类食品的货架期，但冻融过程中肉类食品品质发生了明显变化：肉色变暗[5]，质地变硬[6]，多汁性下降[7]；保水性下降，解冻损失和滴水损失增加[8-10]；风味物质流失，苦味增强[2]，鲜味减弱[11]；蛋白质发生降解、聚集和结构恶化，蛋白质凝胶性下降[1]，肌纤维收缩，肌束间间隙增大[6]，微观结构被破坏[12]；蛋白质和脂质氧化，羰基含量[13]和硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substance，TBARS）值[14]增加，巯基含量下降[13]；冰晶形成和重结晶导致食品中水分发生重新分布，蛋白质二级结构被破坏[14]等。低温冻藏和解冻的实质是肉中80%的水分发生水-冰-水两次相变的过程，肉中的水分充斥在肌细胞内部和周围，形成了肉中富含水分而看不到水分的致密大理石样纹理。前期研究结果发现蛋白质结构与冷冻肉品质密切相关，结合基本的冷冻损伤机理，可推测水的相变引起肌原纤维蛋白结构变化，导致肉品质发生变化，即水的相变是因，肉品质变化是果。目前以水-冰-水变化揭示肉类食品劣变机理的相关研究报道较少。

本文综述冰晶的形成和生长过程，及在不同温度和过饱和度下冰晶的形态，分析冻融引起肌肉中发生水-冰-水动态变化的过程以及其对肉类食品关键组分破坏的机理，并且总结目前一些新兴冷冻技术，更全面地揭示冻融过程中水-冰-水演变过程导致肌肉品质劣变的本质，以期为降低冷冻肉类食品品质劣变和研发新型冷冻技术提供理论指导和研究方向，对推动我国冷冻肉产业的健康发展具有一定的意义。

1 水形成冰的过程及冰晶增长

在水的冻结过程中，结晶经过以下3 个阶段：1）水分迅速冷却以消除显热，这导致水分温度低于其相变温度（0 ℃）并进入过冷状态，此时温度与凝固点的差值称为过冷度（ΔTs）；2）在特定的过冷度下，温度突然升高，结晶潜热释放，溶液中开始形成晶核或微小的晶格结构；3）在实现初始成核后，结晶进入下一阶段，已有晶核开始生长并伴随有新的晶核形成，随着冻结时间的延长将会发生重结晶，直到达到环境施加的最终温度。

1.1 冰晶的成核

首先水分子相互碰撞和聚集形成无定形团簇，无定形团簇再进一步碰撞和结合时形成微小的晶格，达到临界体积后便能形成稳定的“晶核”。冰晶成核是一个随机过程，受杂质、样品体积、表面积和粗糙度等因素的影响，分为均相成核和异相成核两种，在一个体系内各处的成核几率均相同称为均相成核，异相成核则是指水在尘埃、容器表面及其他异相表面等处形成晶核[15]。利用差示扫描量热技术，通过评估热流信息可以区分均相成核和异相成核。

1.2 冰晶的生长和重结晶

实际在饱和溶液中，晶核处于一种形成-溶解-再形成的动态平衡之中，只有达到一定的过饱和度以后，才能形成热力学稳定的临界核，临界核可以作为后续冰晶生长的平台[16]。水分子扩散到晶核表面并有序聚集成可见尺寸的晶体，冰晶开始从晶核向不同方向迅速扩展生长，一般在平行于基面的方向上生长，垂直于基面的方向上生长十分缓慢[17]。影响冰晶生长速率的因素有两个：传热和传质。在大多数高水分食物中存在大量的水和溶质分子，但是除了在冻结的后期，这些分子传向或远离晶体的质量并不影响冰晶生长速率。因此，在冷冻过程中，控制结晶的主要参数是传热速率，影响晶体生长速率的关键变量是过冷度。晶体生长速率（G/（℃/min））与过冷度（ΔTs/（℃））之间的关系是：G＝βΔTsn（β和n为常数）[17]。

重结晶为在保持总晶体质量不变的情况下，整个晶体系统的表面自由能降低，各相之间的化学势趋于平衡，冰晶的平均尺寸增大，数量减少，取向、大小和完整性等特性发生变化的过程[18]。图1展示了发生重结晶的3 种途径：积聚、迁移和表面等渗。积聚是指相邻区域的晶体合并形成较大的晶体，主要发生在重结晶的早期阶段；迁移则发生在后面的过程中，由于受温度下降的影响很大，小冰晶融化产生的液体聚集在一起流向大冰晶并重新结晶，最终导致小冰晶的消失；若存在形状不规则的冰晶，则会发生表面等渗现象，即在晶体质量不变的情况下形状的改变，晶体表面变得更光滑、更锋利并且达到热力学稳定状态。

图1 冰晶发生重结晶的3 种途径[17]Fig.1 Three ways of recrystallization of ice crystals[17]

1.3 冰晶的形态

低温下水分状态的变化可能受冷冻方法和速率、贮存温度和时间等多种因素的影响，快速冷冻会产生高速率的热质传递、低渗透压以及最少的水分迁移，在肌肉细胞内产生大量的细小冰晶，从而对微观结构的破坏较小，而缓慢冷冻往往会导致大块冰晶生长并刺破肌肉细胞。

冻结温度和过饱和度（该温度时物质的溶液饱和浓度）决定着冰晶的形态，形态不同对肌肉组织破坏程度不同，在低过饱和度下，形成的晶核大而少[19]，而且形成的冰晶形貌可能呈如图2所示的针状或盘状，但最终会因为结晶过程中所释放的潜热不能被迅速传递出去而发展成树枝状冰晶，其棱角锋利，易造成细胞结构损伤[20]。在食品中最主要的冰晶形状是六角形结晶单元或规则枝晶[21]。

图2 不同冻结温度和过饱和度下冰晶的形态[22]Fig.2 Morphology of ice crystals at different freezing temperatures and degrees of supersaturation[22]

2 冻融过程引起肌肉中水-冰-水动态变化

新鲜肉中水分质量分数为75%、蛋白质量分数为18%，最主要的蛋白是肌原纤维蛋白，水分主要存在于肌原纤维的粗丝与细丝之中、肌原纤维间、肌纤维与肌内膜之间、肌纤维与肌束间的空隙中。肉中水分按其与蛋白质结合紧密程度分为自由水、不易流动水和结合水（图3）。

图3 肌肉中的水分种类和分布Fig.3 Types and distribution of water in muscle

每个水分子除与其相邻水分子之间形成氢键外，还与蛋白质分子发生偶极子相互作用即水化作用，形成水化层。当新鲜肉放置在-18 ℃贮藏时，外层的自由水和不易流动水依次变成冰晶，而结合水基本不变（图4）；随着冻结时间的延长，与蛋白质紧密结合的结合水逐渐向肌内膜外转移[23]，与膜外的冰晶结合，导致冰晶数量增多、体积增大，还会发生重结晶现象，破坏肌纤维，而留在肌内膜内的水多在膜边缘聚集，从而使原生质不均匀地分布在肌纤维内；解冻后，由冰晶引起的细胞内外的裂缝仍然存在，即使肌肉纤维由于水的流入而重新膨胀，也无法恢复到原来的体积[17]。

图4 水-冰-水动态变化过程引起肌肉蛋白质水、冰变化及分布情况[24]Fig.4 Changes and distribution of water and ice in muscle during water-ice-water dynamic change[24]

3 水-冰-水动态变化对肌肉品质的影响及其机理

在冻融期间，肉制品经过低温冷冻-长时间冻藏-解冻复温到室温的过程，肉中柔性水的分布以及刚性冰的取向、大小和形状不断发生变化，对冷冻肉中细胞膜和组织结构造成机械损伤，解冻时大量汁液流失[25]，一些水溶性营养成分如可溶性蛋白、水溶性维生素以及氨基酸等成分都会随之丧失[26]，最终导致冷冻肉品质劣变（保水性降低[27]、肉色变暗[7]、质地变硬和异味产生[11]）、微观结构被破坏（肌纤维收缩，肌束间隙增大，Z线错位、弱化或消失并出现线粒体空泡化现象[28]）、肌原纤维蛋白氧化损伤（羰基含量升高[29]、总巯基含量[7]和Ca2+-ATP酶活性[30]降低）、脂肪氧化加剧（过氧化物值、TBARS值、酸价和自由基信号强度升高[31]），并且蛋白质的一级结构[32]和空间结构[33]都发生显著变化，从而降低了产品的营养价值和商业价值。

3.1 水-冰-水动态变化对肌肉感官品质的影响及其机理

无论是保水性的降低、脂肪的氧化，还是蛋白质的变性，最终体现在冷冻肉制品上最直观的表现是冷冻肉感官品质的变化，这也是影响消费者购买欲望最直接的原因。如脂肪氧化酸败生成醛、酮类小分子化合物，影响肉制品的风味；肌红蛋白氧化生成高铁肌红蛋白，使肉制品失去诱人的鲜红色泽；肌原纤维蛋白氧化和冷冻变性使其失去在肉体系中的功能性质，表现为肉制品组织软塌[34]。

3.1.1 水-冰-水动态变化对肌肉色泽的影响及其机理

对于消费者来说，色泽是其评判肉和肉制品品质优劣的最直观标准。水-冰-水动态变化过程会导致冷冻肉制品黄度b*值升高[35]，亮度L*值和红度a*值下降[5]，表现为肉色变暗[7]。在冷冻过程中，肌肉组织中发生的生化反应及耐冷微生物分泌的水溶性或脂溶性色素导致肉品色泽随着贮藏时间延长逐渐发生劣变。肉品所含肌红蛋白在冷冻过程中接触空气中的氧气发生氧合作用，生成氧合肌红蛋白和高铁肌红蛋白，Fe3+含量迅速增加，表面逐渐呈现红棕色。在冷冻条件下，高铁肌红蛋白还原酶的活性随着蛋白质变性程度增大而降低，使高铁肌红蛋白浓度升高，而且解冻时肌红蛋白和血红蛋白会伴随着渗出物流失，红度下降。

此外，细胞膜上高不饱和脂肪酸氧化生成的自由基与蛋白质中胺类物质发生反应，可能会导致黄色色素生成[36]。在冻融期间肉的超微结构变化以及冰晶的重组使得水从细胞内空间迁移到细胞外空间，这导致大量水分流失并增加了细胞内溶质的浓度[37]，造成肉表面光反射率的变化，从而增加了肉制品的L*值[25]。

3.1.2 水-冰-水动态变化对肌肉质构的影响及其机理

肉制品的硬度、弹性和嫩度等质构特性是消费者评价肉制品品质好坏的重要依据之一[26]。冻融过程中，冰晶的形成和消失使细胞膜和组织结构不断受到机械损伤，肌原纤维蛋白变性加重，肉制品硬度[11]和弹性[38]下降，组织软塌[34]。此外，冻融后肌肉细胞失水、纤维束排列分散杂乱、间隙增大，也会导致剪切力增大。冷冻肉在冻融期间质构特性变化如表1所示。

表1 冷冻肉在水-冰-水动态变化期间质构特性的变化Table 1 Changes in texture properties of frozen meat during waterice-water dynamic change

3.1.3 水-冰-水动态变化对肌肉风味的影响及其机理

肉制品在冻融过程中，由于挥发性脂肪酸氧化和蛋白质变性而产生异味，蛋白质次级键发生变化甚至断裂，降解为氨基酸，导致冷冻肉制品苦味氨基酸含量增加，而呈鲜甜味的氨基酸总含量呈下降趋势，精氨酸作为肉品中重要的增味氨基酸，含量也逐渐降低[11]。而且伴随着肉特征滋味和鲜味的逐渐减弱，风味化合物的含量会随冷冻贮藏时间推移而波动变化[40]。

冷冻过程中冰晶的形成及其在细胞中的体积增大也会导致解冻后风味物质的大量流失，而快速冻结中形成的细小冰晶在减少异味核苷酸、三甲胺、生物胺和苦味相关游离脂肪酸含量方面表现出更好的效果，并在贮藏期间更易保持与鲜味相关的游离氨基酸和肌苷单磷酸的含量，这说明抑制冰晶生长可以使冷冻肉制品具有更好的细胞完整性，在一定程度上减缓了生化反应的发生[41]，保持了肉品原有的风味。

3.2 水-冰-水动态变化对肌肉微观结构的影响及其机理

新鲜的肉制品肌肉组织均匀，肌纤维排列紧密有序，肌束膜清晰可见，肌肉组织横断面为细密的点阵集合，从纵切面可以看到整条肌纤维和肌原纤维整齐排列[26]。随着冻藏时间的延长，肌纤维内/间形成的冰晶数量增多，体积变大，附近的肌纤维受到挤压，肌节出现扭曲变形，组织结构弱化，原来排列致密的肌纤维变得结构松散，横截面呈不同的形状，肌束膜和肌内膜破裂，肌肉组织的完整性遭到破坏，而且随着肌纤维直径和面积的减小，细胞间隙所占比例增大，线粒体肿胀并空泡化、肌节缩短，Z线和M线出现错位、断裂、消失[26]。在解冻后，冰晶融化，从肌肉组织中流出汁液，导致肌纤维边界模糊、排列紊乱，部分蛋白溃散、偏聚、断开，从而影响肉制品的纹理和结构[42]。

3.3 水-冰-水动态变化对肌肉保水性的影响及其机理

在冻藏过程中，冰晶的生长效应对肌纤维造成的机械损伤使细胞破裂成大量的小片段，胞外间隙增大，水的流动性随之增强，自由水的损失增加。在解冻时，由于无法被肌肉全部吸收，部分冰晶融化成水后会流失，一些营养物质如蛋白质、无机盐和维生素也会随着水分流出[22]，最终导致冷冻肉制品的保水性下降[29]、解冻损失和蒸煮损失增加[13]。

蛋白质表面的水合作用和肌纤维晶格的毛细管效应也会影响体系的水分状态和保水效果。肌肉蛋白质表面同时存在疏水基团和亲水基团，冻融加速了蛋白质氧化，表现为分子间二硫键的形成以及肽主链的断裂，部分蛋白分子内部的疏水性的脂肪族与芳香族氨基酸侧链基团暴露[43]，使肌原纤维蛋白结构和交联程度发生变化，从而导致肌纤维之间间距的改变和蛋白质功能的降低，蛋白质的功能与其捕水能力息息相关，因此保水性降低[44]。此外，肌肉中的水分也能通过肌纤维晶格产生的毛细管作用力保持，蛋白氧化会导致肌球蛋白、肌动蛋白发生交联或变性，造成肌束收缩，对肌肉中毛细管作用力造成影响，最终影响肌肉保水性[45]。

3.4 水-冰-水动态变化对冷冻肉氧化稳定性的影响及其机理

脂质和蛋白质在赋予肉品品质特性方面起着不可替代的作用，如血红素蛋白决定肉的色泽，脂质对肉品风味具有重要的影响，在肌肉蛋白质中含量最高的盐溶性的肌原纤维蛋白赋予肉品质构特性。在水-冰-水动态变化过程中，冷冻肉制品自身的组织结构遭到了破坏，肉中原本的抗氧化系统逐渐崩溃，加上相关酶的作用，脂质和蛋白质氧化变性是除微生物外引起肉品品质劣变的最主要因素[46]。

3.4.1 水-冰-水动态变化对冷冻肉脂肪的影响及其机理

在冻融过程中，肉中饱和脂肪酸含量增加，而不饱和脂肪酸含量下降[47]，这是因为肉制品中富含性质活泼的不饱和脂肪酸如油酸和亚油酸，在冻融期间容易发生氧化。冻结时肌肉组织细胞外形成的冰晶不仅会破坏肌肉细胞膜和细胞器，损伤的肌细胞还会释放出大量内源酶（脂肪酶、蛋白酶和核酸酶）及促氧化剂（血红素、氧化酶和自由基），快速启动脂肪氧化，由此产生的自由基和脂质氢过氧化物会进一步分解成二次氧化产物，如戊醛、己醛、异呋喃和丙二醛，增加产品腐败腥味并导致冷冻肉变色[48]，而且还会产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的潜在前体或催化剂，进一步引起肉类品质的劣变[49]。

解冻时释放的线粒体和溶酶体脂肪酶会进入到肌浆中，在促氧化剂的作用下造成脂肪酸与酶类的直接接触，加速了脂肪氧化[5]。此外，在冰转化为水的过程中，冰晶融化，水分流失，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。

肉体系脂肪氧化程度可用过氧化值（peroxide value，PV）和TBARS值来判断，PV和TBARS值分别反映脂肪初级和次级氧化产物的量。在水-冰-水的动态变化过程中，冰晶的消融使得冷冻肉制品中脂肪氧化加剧，造成TBARS值升高[14,26]，而PV出现升高[50]或先升高后下降[51]等氧化酸败的趋势，这主要取决于脂质氢过氧化物的分解速率。

3.4.2 水-冰-水动态变化对冷冻肉中蛋白质的影响及其机理

蛋白质作为构成细胞的有机大分子，是生命活动的主要承担者，它影响着肌肉组织的形态及品质变化。在水-冰-水动态变化过程中，蛋白质周围的环境发生了剧烈的变化，包括温度、冷冻浓度和pH值改变以及冰晶的消融，不同的胁迫会导致蛋白质结构特性的改变。

3.4.2.1 蛋白质氧化

图5展示了肉及其制品中蛋白质氧化的机制和结果，在水-冰-水动态变化中，活性物质可直接促进蛋白质氧化，与肉制品在冻结时冰晶的形成对脂质氧化的影响相同，损伤的肌细胞释放出的促氧化剂增加了蛋白质氧化的程度和速率，当ROS攻击蛋白质时，通过非共价和共价分子间键形成蛋白质聚集，进而造成蛋白质氨基酸侧链的氧化修饰和蛋白骨架的损伤[7]，蛋白骨架的损伤主要包括裂解和交联聚合，最终会形成分子内及分子间的二硫键交联。此外，脂肪氧化产生的自由基和氢过氧化物也能间接促进蛋白质氧化，其表面疏水性随着脂肪氧化程度的加剧而升高[24]，并伴随着特殊气味物质的生成[49]。

图5 冷冻肉制品中蛋白质氧化的机制和结果[51-52]Fig.5 Mechanism and results of protein oxidation in meat and its products[51-52]

3.4.2.2 蛋白质构象改变

冻融促进肌纤维收缩，肌原纤维蛋白分子逐渐展开并形成较大的蛋白质聚集，使蛋白质的空间结构发生改变[53]，破坏了蛋白质的结构完整性。反映蛋白质构象整齐程度的α-螺旋和β-折叠含量降低，而反映蛋白质构象松散程度的无规卷曲和β-转角含量却增加[54]，说明蛋白质二级结构由规则变得松散，稳定性降低。冰晶形成导致肌肉蛋白的物理和化学环境改变，产生了二硫键和疏水键等，从而导致蛋白质和水分子间的作用力减弱，表面疏水性提高，蛋白质溶解度下降，Ca2+-ATP酶活力降低[30]，电泳条带变浅、聚集或消失[38]。

蛋白质中赖氨酸残基的游离氨基（—NH2）在加工和储存过程中很容易被取代，这进一步反映了肌原纤维蛋白质一级结构的变化，游离胺含量的降低是由于—NH2与羰基发生反应，而羰基是由脂肪和蛋白质氧化协同作用产生的自由基脱氨而形成的[32]。此外，冻融导致蛋白质去折叠化并使作为蛋白质三级结构一部分的色氨酸残基暴露到亲水溶剂中，蛋白质三级结构稳定性降低[33]。

若对肉制品进行慢速冻结，由于质子集中在未冻结的水中，导致结构蛋白附近的pH值降低，也会引发蛋白质的变性，与此同时，肌肉细胞外的水分子形成较大的冰晶，导致产品的肌肉组织发生横向收缩；相反，快速冷冻过程中形成的较小冰晶能够捕获质子，使得蛋白质变性的程度降低[55]，α-螺旋和β-折叠含量也要比慢速冷冻过程中降低得少[54]。

4 提升冷冻肉类食品品质的新技术

快速冷冻会形成更多、更小的冰晶，能够将对细胞结构的损伤降到最低，然而这种冷冻方法也存在着一些缺点：总冷却成本较高、易受环境影响、一些产品易开裂甚至在直接暴露于极端低温时粉碎。因此，一些可以在降低成本和功耗的同时最大限度地提高冷冻食品质量的技术油然而生，如超声波辅助冻结技术、高压冻结技术、电场辅助冻结技术、磁场辅助冻结技术和添加抗冻剂等[56]。

4.1 超声波辅助冻结

低频高能超声波是指能量高于1 W/cm2而频率在16～100 kHz的超声波，在食品级冻结及解冻方面应用广泛。超声波产生的空化效应可诱导冰晶成核，存在于液体中的微小气泡在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，导致空化气泡体积越来越大，当它们达到临界尺寸时空化气泡破裂，产生能量，将预先存在的冰晶破碎成较小的尺寸，再次充当初级核，将树突状冰晶转变为不同类型的柱状，对细胞和组织结构的损伤较小，改善冻结肉类品质[57]。

超声波的空化效应和机械效应可以加速介质的流动，提升传热传质的效率，缩短冻结时间，使冰晶分布均匀，有效降低了肌原纤维蛋白的氧化程度[58]和冷冻肉的冻融损失和蒸煮损失[59]，提高了嫩度并延缓了蛋白质氧化[60]。由于超声波通过介质时会产生热量，因此在实际应用中需要研究适用于不同种类、质量及尺寸产品的超声功率和持续时间，扩大超声波辅助冻结技术在食品冻藏中的应用范围。

4.2 高压冻结

水的相变温度随着压力的变化而变化，在高压冻结过程中会形成不同种类的冰，因此高压冻结可分为压力转移冻结、压力辅助冻结和压力诱导冻结。压力转移冻结是将压力增加至210 MPa，水的冰点降至-20 ℃，在该过程中，食品在高压条件下冷却到过冷状态，然后迅速释放压力，由于此时食品过冷度较高，水会经历剧烈的相变，导致瞬间冻结，从而促使小冰晶的形成，减小对冷冻肉的组织损伤[61]。在解冻过程中，高压的施加使得冻结样品与周围环境的温差增大，从而使驱动力和解冻速率增大，因此，该技术在食品冷冻中应用较为广泛。但是高压冷冻实验研究对设备的依赖程度较高，不仅需要快速有效地使高压腔冷却到低温状态（如-15 ℃），还需精准地实时测量实验过程中压力腔的温度变化，以保证样品不提前冻结并在卸压时得到足够高的过冷度。

4.3 电场辅助冻结

静电场主要通过影响冰晶的成核率来辅助冻结，当外加电场作用于水时，水分子将发生极化并且偶极矩会沿着电场方向重新定向，沿电场方向的水分子需要克服的位能束缚小，更易与冰晶的晶格结构结合，完成相变[62]。这一效应降低了体系的吉布斯自由能，为结晶达到热力学稳定状态提供了动力，促进了冰晶成核，通过最大冰晶生成带的速度加快，从而产生均匀分布的细小冰晶，有助于保持肌肉组织完整和肌纤维密集排列[63]，使冷冻肉的微观结构得到改善。随着静电场强度的增加，冷冻肉的滴水损失减小，并且对肉的颜色和硬度没有显著影响[64]。

4.4 磁场辅助冻结

抗磁材料和水分子在磁场作用下容易产生额外的磁偶极矩并且干扰原有规律的热运动，影响了水分子的缔合，水分子团簇数量增加，较大的水分子团簇受到洛伦兹力的作用会旋转变向，氢键稳定性降低，因此分裂成多个具有较强团簇间氢键的小团簇[65]，样品中水分子之间的连接变得更加紧密，使得水体大量结晶时难以形成大冰晶，导致初始成核温度降低，加快了相变阶段的进程[62]。

磁场下肉品的肌肉结构更清晰，肌纤维间排列更紧密有序，对冻藏期间肉品的色泽、气味、质地等感官品质具有改善效果[65]。但目前实验所用的磁场范围较小，且每组实验的重复次数较少，易降低实验准确性，因此在以后的研究过程中需要扩大磁场范围，增加平行实验次数以获得更加一致的结果。

4.5 添加抗冻剂

抗冻剂是一类加入到其他液体（一般为水）中以降低其冰点、提高抗冻能力的物质，它也具有溶解冰晶和阻止冰晶长大的作用。常用的抗冻剂主要有糖类抗冻剂以及抗冻蛋白。

4.5.1 抗冻蛋白

抗冻蛋白（antifreeze proteins，AFPs）又称为冰结构蛋白，广泛存在于鱼类、昆虫、细菌和植物中。它在不影响溶液熔点的情况下，可以通过非依数的形式来降低其冰点，从而表现出热滞（thermal hysteresis，TH）活性[66]；还能够不可逆地吸附在冰晶表面，动态地改变其构象，从而抑制冰晶的进一步生长和重结晶，呈现出抑制冰重结晶（ice recrystallization inhibitors，IRI）活性。

IRI活性和TH活性被认为是影响冷冻食品新鲜度和口感的重要因素，拥有IRI活性可以提高颜色稳定性，减少在冻融过程中肉品水分流失、微观结构被破坏[67]的现象；拥有TH活性可以使AFPs与冰晶表面结合并改变冰晶的表面曲率，抑制冰晶的生长，从而降低蛋白质的变性程度[35]。但是抗冻蛋白在提取、纯化和合成时成本较高、不易产业化，目前为止还没有得到广泛推广。

4.5.2 糖类抗冻剂

添加糖类抗冻剂是延缓冷冻食品劣变、保持食品品质的有效手段，这归因于糖类抗冻剂的保水作用和抗氧化作用。糖类抗冻剂一方面是通过羟基与食品中的水分以氢键连接，促进自由水向结合水转化，提高保水性[68]并有效抑制冰晶的生成；另一方面是通过清除自由基、螯合金属离子等方式抑制脂肪和蛋白质氧化，提高肌球蛋白的水结合能力[69]和Ca2+-ATP酶活性并且抑制了羰基的形成[70]。表2列举了冷冻肉类食品中用作抗冻剂的一些天然多糖。目前，应用于冷冻肉制品的糖类抗冻剂种类较少，应该进一步研究，充分发挥糖类抗冻剂的良好性能以扩大其在冷冻肉制品中的应用范围。

表2 冷冻肉类食品中用作抗冻剂的天然多糖Table 2 Natural polysaccharides used as antifreeze in frozen meat

5 结 语

新鲜肉的冷冻-解冻过程，同样也是其内部的柔性水和刚性冰相互转变的过程，水形成冰后体积增大，对肌细胞造成机械损伤，当细胞内水分渗到细胞外，又会引起溶质损伤，破坏细胞膜结构完整性，随着贮藏时间延长，重结晶的冰晶会加重对肌肉结构的破坏，显著影响了冷冻肉制品的品质，使口感变差、营养成分流失，甚至产生致癌毒素等。因此，真正影响食品稳定性的不是水分含量或水分活度，而是水分迁移的状态，在冷冻食品冻藏过程中，水状态对食品品质和稳定性具有重要意义。

虽然结晶是一个自发的过程，难以控制，但如今超声波、高压、电场和磁场以及生物蛋白辅助冷冻技术的应用，在生成细小而均匀分布的冰晶和提高冷冻食品品质方面表现出了巨大潜力。然而，只有深入了解这些技术的机理和优化工艺参数，才能尽早实现商业化应用，这仍需大量的工作。与此同时，若是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，通过各种技术的联合使用对水-冰-水动态变化过程产生不同的影响，以实现所需的晶体微观结构和形貌，将会有效提高冷冻肉制品的品质，使冷冻食品行业受益。