水产品是人类优质蛋白的重要来源之一,其味道鲜美、营养丰富、风味独特,深受广大消费者的青睐。当前,我国是全球水产品产量最大的国家,同时也是最大的水产品出口国。《2023年中国渔业统计年鉴》数据显示,2022年全国水产品总产量6 865.91万t,同比增长2.62%,其中,海水产品和淡水产品产量分别为3 459.53万t和3 406.38万t。水产品中富含优质蛋白质,且水分含量高,因此捕捞之后极易在内源酶和微生物的作用下发生腐败变质,导致品质劣变[1]。目前,水产品的保鲜技术也随着人们的饮食多样化而发展起来。联合国粮食及农业组织数据显示,在供人类消费的水产品中,以鲜活和冷藏形式进行销售的水产品占44%,以冷冻形式进行销售的水产品占35%[2]。其中冷冻是使水产品保持较好的品质和延长其保质期的有效方法,在各类水产品中得到广泛应用。然而,水产品在冻结过程中,水产品肌肉组织内部的水分发生冻结会生成大小不一和分布不均的冰晶,较大及不规则的冰晶体会引起细胞体积的膨胀及结构破坏,从而影响水产品的质地、色泽、风味等品质,最终导致产品品质发生劣变[3]。目前,国内外已对冷冻水产品冰晶形成过程及新型冷冻技术进行了广泛的研究和综述。如,罗江美等[4]综述了冰晶对水产品贮藏期间品质变化的影响,从新型冷冻方式及添加外源物质角度总结了水产品贮藏期间冰晶的控制措施;张亚瑾等[5]阐述了传统和新型冷冻方法的作用原理与优缺点及新型冷冻技术在水产品应用中的研究进展;BAO等[6]系统综述了水产品冷冻过程中冰晶形成、冷冻浓缩效应、冻结烧形成的原理及冷冻对蛋白质氧化的影响;TIAN等[7]综述了具有抗蛋白变性、抗脂质氧化及抑制冰晶形成的三功能冷冻保护剂的作用机理及应用。当前,冷冻保鲜技术已进入超低温深冷冻结的全新发展阶段。超低温深冷冻结一般是指冻结速度达到5～100 cm/h且能够使预冻品在30 min内通过最大冰晶生成带(5～-1 ℃),使冻品细胞内外水分形成大量晶核,生成直径小于100 μm、形状规整且分布均匀的冰晶的冻结技术[8-9]。为保持水产品在冻结及冷冻贮藏过程中的品质和新鲜度,降低冷冻过程中冰晶对产品的破坏程度,水产品加工企业常采用超低温深冷冻结技术如液氮喷淋冻结、超声波辅助冻结、液体CO2速冻和不冻液浸渍冻结等对水产品进行快速冷冻处理[10]。基于此,本文聚焦于超低温冻结技术,从“冰晶形成→影响因素→水产品品质→冰晶测定→控制技术”的逻辑链条全面综述了水产品在超低温冻结过程中冰晶的形成机理、影响冰晶生长的因素、超低温冻结过程中冰晶形成对水产品品质的影响以及冰晶的测定和控制技术,旨在为水产品速冻保鲜新技术的研发及提高水产品品质稳定性提供理论依据。
1 水产品冻结过程中冰晶形成
水产品肌肉中的水分存在形式大致可分为3种:a)结合水,它能与蛋白质表面极性基团紧密结合,存在于肌肉的细胞内部,约占5%;b)不易流动水,肌肉中大部分水分(约占85%)是以不易流动水状态存在于密集的肌纤维蛋白网络中,它与肌肉的保水性密切相关;c)自由水,指存在细胞外能自由流动的水分子,这部分水最易流失[11-12]。在冷冻过程中,不易流动水和自由水发生冻结,导致溶质浓度增大,从而影响细胞水平的生化反应,且生成的冰晶会破坏肌肉纤维,细胞之间的结合力因冰晶的形成而降低,蛋白质发生冷变性,在解冻过程中会产生汁液流失现象,使冻品的质地、色泽、风味、营养等品质发生劣变,引起冷冻水产品品质的下降[13-14],因此需要深入研究水产品在冻结过程中的冰晶形成机理及冰晶生长的影响因素。
1.1 冰晶形成的机理
水产品冻结过程与纯水不同,其组分复杂多样,冻结分3个阶段进行:首先是预冷阶段,去除显热并将产品温度降低到初始冰点,去除产品融合潜热并将水变成冰晶,以及继续冷却到冰点以下以将产品温度降低到所需的冷冻贮存温度;在第二阶段,发生冰结晶,由成核和晶体生长的2个连续过程组成,水产品中80%以上的水冻结成冰,出现最大冰晶生成区;而在最后阶段和随后的贮存中,会发生重结晶[14-15]。图1为冰晶的形成机理。
图1 冰晶的形成机理
Fig.1 Formation mechanism of ice crystals
1.1.1 过冷
冻结过程的第一阶段是过冷,当组织中液相温度降低到冰点时,并不会立刻有冰晶核的形成,过冷现象是食品中冰结晶生成的前提条件,指将食品降温至冻结点以下温度,但并未发生冻结的现象,它为冰晶的产生提供驱动力。过冷程度直接关系到冰晶的成核以及冰晶大小和数量。过冷程度越大,相变时间越短,成核速度越快,晶核数增多,最终生成大量小冰晶。由于食品中的成分复杂多样,其水分的冻结点一般在-1～-5 ℃,也被称为最大冰晶生成带[16-17]。
1.1.2 冰晶成核
冰晶成核是一个随机过程,在这个过程中大量分子聚集在一起,形成稳定的聚集体,聚集体作为后续冰晶生长的基础。成核过程分为2个阶段:第一阶段,水分子相互碰撞并聚集形成无定形的团簇体;第二阶段,随着这些无定形团簇体的进一步碰撞,其中的单体聚集成晶格并形成稳定的晶核。成核包括初级成核和二级成核。初级成核是指在没有冰晶体的溶液中形成的晶核,初级成核可以是均相成核(不含固体杂质和晶体)或异相成核(含有固体杂质)。在食品体系中初级成核主要靠异相成核。二级成核是在已有冰晶体存在的溶液中,通过冰晶的碰撞和破坏来形成更多的成核位点。初级成核主要为非均相,有溶质存在,这些溶质有助于提供成核所需的部分能量,因此需要较低的过冷度,使成核更容易发生[15,18]。开始形成稳定冰核时的温度被称为过冷温度。根据传统的成核理论,过冷水可以瞬时转变成稳定的六边形冰,然而,LI等[19]利用分子动力学模拟发现,在成核的起始阶段存在方形冰和六边形冰之间的相变,这也许是一条调节冰晶形成的新途径。
1.1.3 晶体生长
冰晶体的生长本质是质点不断在晶核上堆积,其生长过程是由相变过程中的传热和传质2个因素控制[20]。冰结晶过程中释放潜热,导致固液界面自由能降低,形成过冷度。过冷度是影响晶体生长速度的一个关键因素,是指水的实际温度与固液平衡温度之差[21]。当稳定的晶核形成后,在过冷驱动力的驱动下,水分子沿着临界晶核表面移动,直至到达晶格位置,然后在现有冰晶上聚集成晶体,而溶质分子同时向其他地方扩散,这就是冰晶生长的过程[14-15]。冰晶的成核和生长对水产品的品质影响很大。
1.1.4 重结晶
冻藏过程中小冰晶形成后受到温度波动的影响会发生重结晶,重结晶现象常是指冰晶的形状、大小、数量、分布等特征发生改变的过程[21]。水产品中冰的重结晶过程为:在冻藏初期水分结晶后发生再结晶,小晶体发生迁移后附着在较大的晶体表面形成更稳定的晶体,晶体的平均尺寸增加,晶体的数量减少,整个晶体体系的表面自由能减小,导致微观结构更粗糙和品质下降[18]。积聚、迁移和表面等渗为驱动重结晶的3种机制(图2)。积聚是指相邻区域的晶体融合形成较大的晶体,主要发生在重结晶的初期阶段。迁移再结晶又称为奥斯特瓦尔德成熟,此过程受温度降低的影响很大,小冰晶融化的液体迁移到大冰晶表面并重新结晶,最终导致小冰晶消失,这个过程发生在重结晶后期。在冰晶表面等渗过程中,晶体表面先变光滑再变尖锐,体系趋于平衡状态[15,20,22]。
图2 重结晶的3种机制[9]
Fig.2 Three mechanisms of recrystallization
1.2 冰晶生长的影响因素
1.2.1 成核温度
成核过程中第一个冰晶出现的温度称为成核温度,它与冰晶的大小和分布密切相关。然而,相同类型水产品的成核温度容易受杂质、样品体积和表面积等诸多因素的影响而变化[18]。成核温度通过影响过冷度,进而影响冰晶的成核、生长及形态特征[23]。因此,可以通过控制成核温度高低来改变冰晶的形态。磁场辅助冻结技术可以增大水的过冷度,降低其成核温度,缩短水相变时间,使冰晶更细小均匀。与之不同,电场辅助冻结技术可以通过外加电场控制冰晶大小,静电场能增强结晶过程中的传热和传质,降低过冷度,提高冰晶成核温度,抑制大冰晶的生长[24-26]。
1.2.2 冻结速率
肌肉纤维内外冰晶的大小和分布主要受冻结速率的影响。通过最大冰晶生成带的时间决定冰晶的尺寸大小与分布。时间越短,晶核的生长时间越短、形成的冰晶尺寸较小且分布更均匀,对肌肉纤维结构和细胞造成的破坏越小[13]。在冻结过程中,冰晶首先在细胞外形成,周围非冷冻水中溶质浓度的增加,从而产生水从肌肉纤维内部渗透到外部的压力,这些水分附着在细胞外的冰晶表面[18]。肌原纤维内部或之间的水必须穿过肌膜迁移到肌纤维之间的细胞外空间,然后到达肉表面[26]。因此,缓慢冷冻生成的胞外冰晶已经穿过了肌层,形成的冰晶分布不均匀且大,从而使细胞脱水,解冻后汁液流失严重。LIU等[27]研究发现不冻液的传热效率是空气的10倍以上,加快了鱼体水分结晶成核的速度和冻结过程中潜热的释放,因此-40 ℃不冻液浸渍冻结组鱼体的相变时间比空气冻结组缩短了90%以上,通过最大冰晶形成带时间最短(4.4 min),冻结速率快,形成大量小冰晶。李秀霞等分别采用-20、-40 ℃超声波辅助冷冻(320 W)和-20、-40 ℃低温速冻处理海鲈鱼,其中-40 ℃超声辅助冷冻的冻结速率明显快于其他3个冻结组,主要与超声波的空化效应有关,空化气泡的运动会产生微流,加速了介质的流动和传热传质的效率,降低初次成核的过冷度,促进晶核一次生成,从而加快了冻结速率,生成的冰晶细小均匀,机械损伤较小,分子内部的疏水基团暴露也较少,总巯基含量较其他组高,从而有效降低了海鲈鱼肌原纤维蛋白的氧化程度[28-29]。
1.2.3 冻结温度
冻结温度是冰晶形成的一个关键因素。冻结温度不断下降,冻结速率随之加快,从而快速通过最大冰晶生成区,容易形成小而均匀的冰晶,减小对细胞的破坏。杨作苗[12]采用不同液氮温度(-35、-55、-75、-95、-115 ℃)冻结金鲳鱼,发现鱼肉组织中的孔隙大小在-35～-95 ℃冻结条件下呈逐渐缩小的趋势,主要是因为较低的冷冻介质温度使温差较大,传热效率提高,冰核化速率快于冰晶生长速率,最终形成规则致密的细小冰晶。而在-115 ℃冻结条件下鱼肉组织孔隙扩大,这主要是由于冷冻速度过快,鱼肉的细胞体积变化过快,其内部产生了巨大的压力,破坏了细胞结构并生成了较大的冰晶,使孔隙变大,鱼肉表明有明显的裂纹,不适合鱼类的长期贮存。由此证明-95 ℃能有效减少鱼肉的蛋白二三级结构、溶解度、表面疏水性和浊度变化,Ca2+-ATPase活力、总巯基和活性巯基含量保持效果更好,是控制冰晶大小和保持鱼体微观结构的有效方法。LUO等[30]的研究也证明了此观点,-90 ℃液氮喷雾冷冻组的鱼糜凝胶随着交联度的增加,通过肌原纤维蛋白内谷氨酰胺和赖氨酸之间发生交联,形成的网络结构更均匀稳定,增加了鱼糜凝胶与水的结合力,减少了水分的游离,生成的冰晶的体积显著减小。
1.2.4 温度波动
水产品在冷冻贮藏、运输和销售过程中会发生温度波动,即使是微小温度波动也会引起冻品组织内部的部分冰晶融化,随后水分在大晶体附近重新冻结,导致形成体积更大的冰晶体。温度波动越大,重结晶越严重。重结晶过程中形成的冰晶会加重对肌肉结构的损伤,严重影响细胞的完整性,降低水产品的品质[22]。ZHANG等[31]进行了2组温度波动试验,A组在-18～4 ℃波动,B组在-80～-24 ℃波动。B组由于温度波动更大,冰晶的重结晶更严重,破坏了肌肉细胞和结缔组织的结构,导致肌原纤维的显著分离和分解,蛋白质周围水合物层的破坏和疏水相互作用导致肌肉蛋白质变性。这与孙志利等[32]的研究结果类似,温度波动最大的生成的冰晶也更大,产生机械损伤,加剧了细胞汁液的浓缩,且还会加速产生氧化酶等氧化因子,加快了虾肉蛋白的分解速度。JIANG等[33]也研究发现金枪鱼在反复冻融过程中除了冰晶导致的机械损伤使肉质变软,同时也释放出线粒体、溶解酶、血红素铁等促氧化剂,导致鱼肉的脂肪和蛋白被氧化[22]。
2 冰晶对水产品品质的影响
在水产品冷冻过程中,冰晶的形成会引起冻品微观组织结构的破坏,进而导致冷冻水产品质地、色泽、风味、营养品质的劣变(图3)。
图3 冰晶对水产品品质影响
Fig.3 Effect of ice crystal on aquatic product quality
2.1 冰晶对质构的影响
质构是常被用来评价食品品质的重要指标[34]。在冻结过程中,水分子的排列方式高度有序,每个水分子与相邻的4个水分子通过氢键结合,形成的冰为稳定的四面体,导致冰晶体积膨胀[35]。水产品在冻结过程中,冰晶破坏了肌肉纤维结构和细胞,使细胞内液渗透到细胞外,解冻时汁液流失,肉质软化,影响了水产品的质构。YANG等[36]研究比较了在冻藏中冰晶、内源性蛋白酶与氧化作用对河豚鱼片质地的影响,结果表明冰晶在冷冻鱼软化过程中起主导作用,用液氮冷冻鱼后,细胞内仅产生微小的冰晶,而其他组的冰晶体积较大,微观结构破坏大,品质劣化严重。另外重结晶也会影响水产品的质构,JIANG等[33]研究发现金枪鱼在反复冻融过程中生成的大冰晶,使细胞间隙增大,肌原纤维挤压变形,持水力下降,从而使肉质失去弹性,组织软塌。
2.2 冰晶对色泽的影响
鱼肉的颜色与外观,是消费者食用的重要指标。水产品组织中的水分在冷冻过程中发生结晶,对组织细胞造成一定程度的损伤,肌肉纤维中的肌红蛋白和脂肪发生氧化,影响产品的色泽[37]。大部分水产品肉质呈白色,随着冻结速率的增大,肉组织中的冰晶体积减小,水产品的L*值(黑白色度)增大,a*值(红绿色度)和b*值(黄蓝色度)减小,白度值增大,颜色变化较少。解冻过程中也会因为肉表面的冰晶融化成水对光线的反射作用使得L*值升高[20,34]。苏日耶姆·尼加提等[38]研究发现,与空气冻结组相比,不冻液冻结组鱼块L*值偏高,且-63 ℃冻结组的鱼块L*值显著高于其他组,鱼块的色泽变化程度最低。温度波动也会影响水产品的肌肉色泽。田际源[39]研究发现,温度波动导致的大冰晶破坏了细胞结构,增大了鱼肉中虾青素和类胡萝卜素和O2的接触,进而导致三文鱼氧化变暗。ZHU等[15]也认为大冰晶的挤压作用会导致纤维周围的肌原纤维和结缔组织的破裂,机械损伤为氧气与酶和底物接触提供了更多的机会,从而加快了氧化反应的速率。
2.3 冰晶对脂质的影响
一些富含脂质的鱼类在冻藏过程中会发生氧化,特别是不饱和脂肪酸氧化后会导致鱼肉产生酸败味,降低产品的风味和营养价值。LUO等[40]通过测定硫代巴比妥酸值(thiobarbituric acid,TBA)检测鱼糜脂质氧化,发现液氮浸渍冷冻组的TBA值最小,-18 ℃组的TBA值最大,主要由于冷冻过程中形成的大冰晶对凝胶网络结构的破坏,释放的氧化前体物质与O2接触,促进脂质氧化反应。在冻藏中脂质除了会发生氧化,还容易被脂肪酶水解,TIAN等[7]研究发现在冻藏过程中脂质会在酶的作用下发生水解生成脂肪酸,这些脂肪酸在冰晶的压力下慢慢转移到表面,与O2接触后被氧化,这些氧化产物与蛋白质进一步作用后,会加快水产品的氧化速度。廖锦晗等[41]研究指出-20 ℃冰柜冻结过程中,鱼肉中的冰晶不断增大,细胞的机械损伤较大,导致脂质在脂肪酶催化下发生水解反应,生成甘油和游离脂肪酸,促进腥味物质的产生。因此,在低温贮藏过程中要严格控制温度,尽量减小脂质的氧化,避免鱼肉发生风味的劣变。
2.4 冰晶对蛋白质的影响
冻结过程中,水产品蛋白质发生变性的主要原因是蛋白质冷冻浓缩效应和冰水界面效应,蛋白质冷冻浓缩会影响细胞内溶液的电势,冷冻电势被高度流动的H3O+或OH-中和,改变了pH值和离子强度,导致蛋白质变性,暴露出氨基酸残基,从而增强蛋白质氧化。氧气的溶解度在浓缩效应下也会增加,当冷冻浓缩对空气的影响超过其溶解度,就会形成气泡,使蛋白质变性。此外冰晶生长引发的体积膨胀会导致蛋白质三、四级结构发生改变(图4)。蛋白质的冷变性是由于蛋白质的疏水性能稳定蛋白质结构,在冷冻过程中,疏水基团发生水合作用,蛋白质在低温下不被折叠,埋藏在蛋白质核心的疏水基团暴露,氢键减少,发生冷变性[6]。
图4 冷冻速率对肌肉蛋白的影响
Fig.4 Effect of freezing speed on muscle protein
鱼体在冷冻过程中肌原纤维蛋白常发生结构改变,它的含量变化与肌原纤维蛋白的变性程度有关[42]。通常,测量肌原纤维蛋白的羰基含量作为蛋白质氧化的指标[36]。LUO等[40]测定了鱼糜凝胶中的羰基含量,发现-18 ℃冻结组羰基含量最高,主要是由于冷冻过程中冰晶的生长破坏了蛋白质的空间构象,使氨基酸的蛋白质侧链基团转化为羰基分子,从而导致蛋白质变性。此外,鱼死亡后内源性蛋白酶会促进蛋白质降解,同时改变鱼肉的质构,从而影响鱼肉的品质[7]。YANG等[36]也证实了这一点,在冷冻过程中,由于冰晶的生长,细胞逐渐破裂,组织蛋白酶从溶酶体中迁移到细胞液中,导致活性增加,使蛋白水解。
2.5 冰晶对持水力的影响
水分含量是维持水产品新鲜状态的一项重要指标。鱼体中的水分在冻结过程中由于结晶发生含量和分布的改变,导致产品发生干耗、质地变硬,在解冻后产生汁液损失和蒸煮损失,使产品的口感变得干柴[34]。持水力表示水产品贮藏过程中保持水分的能力,是冷冻产品品质的重要指标[43]。SUN等[44]认为持水力的变化与细胞结构完整性和蛋白质结构变化相关。在冷冻过程中,冰晶的形成导致结合水和蛋白质分离,结合水的流动性增加造成肌原纤维蛋白的部分氢键和离子键解离,以及由机械损伤的蛋白质分子引起的疏水基团的暴露,导致蛋白质侧链聚集和变性,持水力下降,解冻时水分流失严重。类似的结果在LUO等[40]、ZHANG等[43]、邱爽[45]的研究中也得到证实。
3 冰晶的检测及控制技术
3.1 冰晶的检测技术
目前,最常用的冰晶检测方法是光学显微镜和电子显微镜,此外还有部分冰晶检查新技术如激光共聚焦扫描显微镜、X射线、核磁共振成像等也被应用在水产品中的冰晶检测[46]。表1汇总了各检测技术的优缺。
表1 冰晶检测技术的优缺点
Table 1 The advantages and disadvantages of the ice crystal detection technology
检测方法图像优点缺点参考文献普通光学显微镜1)无需复杂的样品制备2)保留完整的彩色信息1)分辨率和放大倍数小2)适用于薄样品[15,47-49]激光共聚焦扫描显微镜1)形成样品的3D光学断层图2)无需固定或切片样品3)能进行动态、实时、非损伤性的检测1)样品需要染色和荧光成像2)分辨率和穿透力受限3)价格较贵[15,48,50-51]原子力显微镜1)可以同时实现2D和3D表面图像2)无需固定或染色3)分辨率高1)成像范围有限2)成像速度慢[15,50,52]扫描电子显微镜1)放大倍数和分辨率高2)应用范围广1)样品需要脱水,前处理复杂2)无法探测到内部结构[46,48,53]透射电子显微镜1)分辨率高2)可检测到内部结构1)电子束的穿透能力有限,只适用于薄样品2)真空条件3)样品制备复杂[48,54-55]冷冻扫描电子显微镜1)分辨率高2)可观察动态过程1)成本高,耗时长2)需要低温设备[15,56]核磁共振成像法1)无损检测技术2)不需要样品前处理3)可以探测不透明样品的内部结构1)采集时间一般较长2)空间分辨率受限制3)三维重建需要大量计算[48,57]X射线计算机断层成像技术1)精确度较高,检测速度快2)无损检测技术3)三维重建1)数据分析复杂2)价格较贵[46,48,58]
3.1.1 光学显微镜
光学显微镜在冷冻食品行业中应用广泛,主要被用来观察样品中冰晶在冻融过程中的结构变化,能保留完整的彩色信息,其优点是无需复杂的样品制备[15]。WANG等[47]利用光学显微镜获得的冰晶横截面面积和分形维数对罗非鱼肉多孔结构进行了量化,建立了基于分形维数的冷冻罗非鱼片质量评价体系。KALITA等[59]利用光学显微镜和X射线激光衍射研究了小水滴在真空中的冻结过程。激光共聚焦扫描显微镜能够形成样品的3D光学断层图,对水产品进行分层扫描可以获得组织的表观形态和二维、三维量化指标等[48],这种方法无需固定或切片样品,但样品要染色和荧光成像[15]。原子力显微镜是一种纳米级的显微技术,可以同时实现2D和3D表面图像,样品不需要涂层,已应用于肌原纤维蛋白在冷冻-解冻过程中的结构变化分析,但原子力显微镜成像范围有限且成像速度慢[15,50]。
3.1.2 电子显微镜
根据成像方法的不同,电子显微镜主要分为扫描电子显微镜和透射电子显微镜2种[15]。扫描电子显微镜分辨率为10～100 nm,放大倍数较大(10～300,000倍),景深是光学显微镜的500倍,前处理比透射电子显微镜更简单[48]。吕美雯[60]利用扫描电子显微镜观察到6%β-环状糊精/卵白蛋白复合抗冻剂处理的鲌鱼肉冰晶数量明显减少,细胞间隙较紧密,孔隙减小。但扫描电子显微镜前处理时样品需要全脱水,电子束会损坏样品,无法探测到内部结构,且仪器价格较高[46]。扫描电子显微镜技术还包括冷冻扫描电子显微镜和环境扫描电子显微镜。冷冻扫描电子显微镜比环境扫描电子显微镜的分辨率高,可以获得更微观的结构[61],但冷冻扫描电子显微镜成本更高,耗时更长[15]。透射电子显微镜是利用短波长的电子束穿透样品获得成像,但电子束的穿透能力有限,只适用于薄样品,需要在真空条件下使用且样品须有代表性[54]。SUN等[44]将虾样品的第二腹节切成3 mm×2 mm×1 mm大小的样本,在扫描电子显微镜下300×放大倍率进行观察。冷冻电子显微镜是一种在低温下观察样品的透射电镜,无需固定或染色[15]。
3.1.3 无损检测技术
核磁共振成像法是一种无损检测技术,不需要样品前处理且可以探测不透明样品的内部结构,但核磁共振辐射强度相对较低,采集时间一般较长,空间分辨率被限制在数百微米[48]。该技术已广泛应用于生物化学、医药和食品等多个领域。LI等[62]利用低场核磁共振和核磁共振成像技术阐明了比目鱼冻融过程中的水分动力学。X射线计算机断层成像技术是一种新型水产品内部微观结构的无损检测方法,在避免样品制备过程中的损伤下完成三维结构的可视化分析和测定,根据样品不同密度引起X射线的吸收和反射,产生X射线对比图像,近似分辨率为0.1～100 μm,测量精确度较高,比传统的显微镜法检测速度更快[46,48]。KOBAYASHI等[58]利用X射线计算机断层成像技术对过冷冻结后的金枪鱼的冰晶结构进行了研究观察。
3.2 冰晶控制技术
目前,对于冷冻过程中晶核和冰晶生长的控制技术主要有物理技术、添加保水剂和抗冻蛋白肽,其中物理技术主要包括超声波辅助冻结、高压辅助冻结、磁场辅助冻结等[15]。
3.2.1 超声波辅助冻结
超声波辅助冻结技术主要是基于空化效应产生空化气泡,空化气泡有助于形成较高的过冷度,特别是在初级成核过程中,通过提供大量的成冰核空间,诱导冰核的形成。此外,空化气泡运动产生的微射流增强了热量的传递,加快了冻结速率[28-29]。该技术在食品保鲜领域具有较大的优势和潜力。SUN等[53]研究表明超声波处理(功率175 W)能够减小冷冻鱼肉的孔径和冰晶尺寸,样品解冻和蒸煮损失率较小。刘宏影[63]的研究进一步证实了SUN等[53]的结果,-40 ℃超声辅助冷冻海鲈鱼生成的冰晶细小均匀致密,鱼体肌肉细胞结构更完整。需要注意的是,超声波辅助冻结过程中,并非功率越高越好,主要是因为功率越高,其产生的热量也会相应增加,从而降低了冻结速率;另一方面,超声功率过高,其产生的微射流搅动作用力也会使水产品的肌肉组织受损[35]。因此,针对不同类别水产品,应结合其产品特点,探究符合实际生产需求的最优超声波辅助冻结工艺条件。
3.2.2 高压辅助冻结
高压辅助冻结是指对物料施加一定的压力使水的冻结点降低,然后迅速释放压力,在常压下对水产品进行冻结使其内部形成细小均匀冰晶的方法[64]。高压辅助冷冻的压力一般为200 MPa,水的冰点在高压状态下会降低,在很低的温度下可以保持不冻状态,压力释放后,大量冰核立即形成并迅速膨胀,形成的冰晶尺寸细小,分布更均匀,最大程度减少了冰晶对细胞的损伤,有利于冷冻食品的保鲜[15]。PREGO等[65]对罐装前鲭鱼分别进行高压预处理(200、400、600 MPa),发现600 MPa高压预处理的样品在冻藏期间质量损失和脂质氧化程度最小。然而,程丽娜[66]研究发现压力越大导致的虾蛋白的变性程度也越大,冰晶体积也较大,使得200 MPa处理的虾肉保水率显著高于300、400、500 MPa处理组。这一结论在LI等[67]研究中得到解释,可能是压力过大超过了细胞耐受性,细胞发生失活,改变细胞膜的特性,使水分流出生成大冰晶。因此,高压辅助冻结处理需针对不同种类的水产品筛选适宜的加工参数,以期在不对水产品造成损伤的前提下获得最佳的品质。同时,由于目前高压辅助冻结设备的制造和使用成本较高,需要在设备创制方面加大研究力度,使高压辅助冻结设备在水产品冷冻领域发挥更大的作用。
3.2.3 磁场辅助冻结
磁场辅助冻结通过增加过冷度,使成核温度降低,缩短相变时间,提高成核速率,从而在冷冻过程中产生小而规则均匀的冰晶[68]。在磁场中,水分子产生额外的磁矩并扰乱原有的规律热运动,从而导致氢键的增加,使水团簇更加稳定和有序[15,67]。LENG等[69]在-40 ℃下,对鲶鱼施加了0、1.7、3.5、7.0、10.7 mT强度的静态磁场,发现磁场处理延长了预冷时间,进而使鲶鱼通过最大冰晶生成带的时间显著缩短。杨冰等[70]对鮰鱼肉进行静磁场辅助冷冻实验,结果发现6 mT磁场辅助冻结的鱼肉中冰晶细小均匀,机械损伤较小,鱼肉蛋白质含有较多的α-螺旋和β-折叠,而β-转角含量最低,表明磁场辅助冻结对蛋白质的二级结构损伤较小。
3.2.4 保水剂
在水产品中添加保水剂,依靠保水剂的强吸水能力,可以增大肌原纤维内部保水空间,提高肌肉的保水性,从而抑制冰晶的形成。保水剂的作用原理和效果与其种类有关。于淑池等[71]和李桂敏等[72]均采用复合无磷保水剂处理鱼肉,发现碱性盐可通过提高水产品pH值,稳定蛋白质空间结构,同时能够抑制Ca2+-ATPase活性,增强鱼肉的持水能力,抑制了冰晶的生长,解冻蒸煮损失率降低。海藻糖和海藻酸盐低聚糖对冷冻的水产品也有一定的保护作用,ZHANG等[43]认为这2种糖通过氢键、疏水和静电相互作用与冰晶结合,影响肌肉蛋白质周围水分子的分布和迁移,抑制了冰晶的生长和重结晶,减轻了肌肉纤维细胞的机械损伤。
3.2.5 抗冻蛋白肽
抗冻蛋白肽能够与冰晶表面发生不可逆的结合,增大冰晶表面曲率,改变冰晶的构象,从而达到抑制冰晶生长的目的,在冻品品质保持方面潜力巨大[73]。在自然界中,抗冻蛋白肽主要来源于植物、昆虫和鱼类。HE等[74]认为抗冻蛋白肽的冰结合面能够促进冰成核,而非冰结合面抑制冰成核,当抗冻蛋白肽存在时,抗冻蛋白肽通过控制界面水来调节冰核,使冰结合面优先结合在冰晶表面,而非冰结合面面向液态水,因此冰晶的进一步生长受到抑制,形成的冰晶细小均匀。史羽瑶等[75]分别采用抗冻蛋白、焦磷酸钠和海藻糖溶液3种抗冻剂对虾夷扇贝闭壳肌进行处理,发现抗冻蛋白组的冰晶细小且呈球状,肌纤维结构较清晰完整,冰晶平均横截面积比空白组减少了65.06%,持水性和质构特性均优于另外2种抗冻剂。
4 展望
近年来水产加工业迅猛发展,冷冻加工和冷链物流作为水产品加工的重要环节,在保持水产品品质和营养方面发挥重要作用。其中,冷冻保鲜技术在水产品加工中占有举足轻重的地位。冷冻保鲜技术不仅能延长产品的货架期,还能在一定程度保持水产品的品质和营养价值。但在低温冻结过程中冰晶的生成是一个自发的现象,控制难度较大,大冰晶形成会破坏细胞结构,导致汁液流失,产生异味及质构劣变和营养损失等。当前,冷冻保鲜技术已进入超低温深冷冻结的全新发展阶段,如液氮喷淋冻结技术、物理场辅助冻结技术(超声波辅助冻结技术、高压辅助冻结技术及磁场辅助冻结技术)等新兴冷冻技术已被研发并广泛使用。此类技术通过诱导形成细小且均匀分布的冰晶来实现更好的冷冻水产品品质。
然而,冷冻保鲜技术仍面临诸多挑战,未来发展应从以下方面思考:a)部分技术仍处于实验阶段,还需要大量的工作来探索机理和优化技术参数,以满足不同水产品类别的保鲜需求,同时应建立不同冷冻技术的共享智能专家库系统,方便企业或渔民随时调取针对特定水产品特定冷冻设备的冷冻工艺参数;b)部分冷冻设备的制造难度大且使用成本高,需要在设备创制方面加大研发力度,使高效冷冻设备及多重联合冷冻设备在水产品冷冻领域发挥更大的作用;c)水产品冻结或贮藏过程中,智能化、高效化、可视化的冰晶检测技术尚缺乏,要加大冰晶动态监控技术研发的力度,实现冰晶的实时监测。
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