微凍保鮮技術(shù)研究進展

蔡青文謝 晶

CAI Qing－wen1，2XIE Jing1，2

（1.上海水產(chǎn)品加工與保藏工程中心，上海 201306；2.上海海洋大學食品學院，上海 201306）

微生物的生長繁殖是影響食品保質(zhì)期的主要因素，目前主要通過降低溫度來抑制微生物繁殖生長、減緩生化降解來延長食品保質(zhì)期，冷藏、凍藏和冰藏是常用的食品保鮮方式。冷藏技術(shù)即貯藏溫度控制在0～4℃范圍內(nèi)，因為4℃時大多數(shù)病原菌不能生長［1］，酶的活性也有所降低，微生物生長繁殖也得到抑制，但冷藏能耗大、成本高，保質(zhì)期也較短，對于新鮮水產(chǎn)品一般保質(zhì)期為一周。凍藏是在－18℃及以下的溫度貯藏食品，在此溫度下幾乎所有微生物都不能生長和繁殖；因此，貯藏時間比較長，但食品達到凍藏溫度所需的時間長，其內(nèi)部大部分水分凍結(jié)生成大小不一的冰晶，易使蛋白質(zhì)變性，破壞質(zhì)構(gòu)；食品解凍后，質(zhì)構(gòu)劣化，細胞易脫水，形成汁液流失，嚴重影響食品原有的風味。冰藏則是通過不斷加冰的方式使食品溫度降低，一般維持在冰溫，由于貯藏過程中冰易融化，使食品溫度波動較大，食品容易劣變；而微凍則是在較衡定的溫度下貯藏，且溫度較冰溫略低。微凍是貯藏溫度控制在生物體冰點（凍結(jié)點）及冰點以下1～2℃的溫度帶的保鮮技術(shù)，且微凍時樣品表面會有一層凍結(jié)層，故又稱為部分冷凍（partial freezing）和過冷卻冷藏（deep chilling），能有效延長食品的保質(zhì)期，是一般冷藏保質(zhì)期的1.4～4.0倍［2］，雖比凍藏保質(zhì)期短，但是能更好地維持食品的品質(zhì)［3－5］。為更好的維持食品的品質(zhì)，獲得較新鮮食品，微凍保鮮技術(shù)及其在食品中的應(yīng)用一直是低溫保鮮（4℃以下的貯藏方式）研究領(lǐng)域的熱點。

1 微凍技術(shù)原理

早在1920年，Le Danois［6］就描述了微凍的過程。1963年加拿大研究出微凍保鮮系統(tǒng)并在漁船上使用，隨后英國、德國、日本等國開始重視微凍保鮮技術(shù)的研究。20世紀70年代后期日本已對三文魚、蝦、沙丁魚等貯存于－3℃的條件下進行微凍保鮮［7－9］。近年來，中國也對鰱魚［10］、豬肉［11］、蝦［12］、牡蠣［13］、鯉魚［14］、羅非魚［15］等食品原料進行了微凍保鮮研究。微凍保鮮的原理是利用低溫抑制微生物的生長繁殖和酶的活性。在微凍條件下，微生物細胞內(nèi)水分會發(fā)生部分凍結(jié)，影響細胞液濃度，改變微生物細胞的生化反應(yīng)，使其繁殖生長受到抑制，酶的活性降低，有些細菌甚至死亡，從而起到維持食品鮮度、延長食品保質(zhì)期的作用。由于不同食品水分含量不同，冰點也不同，其微凍貯藏溫度也不同。在實際應(yīng)用中，需據(jù)不同的產(chǎn)品的冰點來設(shè)置微凍溫度。據(jù)大量研究結(jié)果顯示，水產(chǎn)品冰點一般在－1～－2.5℃，其微凍溫度一般為－3～－5℃［16］；肉制品如豬肉冰點為－1℃，其微凍溫度一般為－2℃［12］；果蔬如草莓冰點為 －0.8～－1.2℃，其微凍溫度一般為－2℃［16－18］。

2 微凍保鮮技術(shù)

2.1 水產(chǎn)品常用的微凍技術(shù)

常用的微凍保鮮方法一般有冰鹽混合微凍法、冷風微凍法、低溫鹽水微凍法，一般用于漁貨物保鮮。漁船微凍保鮮的裝置一般由制冷壓縮機、驅(qū)動柴油機、臥式冷凝器、貯液器、熱交換器、汽液分離器、干燥過濾器、半鼓風凍結(jié)器等組成，儀器的具體型號需根據(jù)微凍量（kg／次）、微凍時間（h／次）、漁獲物的初溫和終溫、設(shè)計艙溫、微凍方式等因素來確定［19］。

2.1.1 冰鹽混合微凍 冰鹽混合微凍即通過冰鹽混合物的吸熱效應(yīng)來降低溫度，當鹽混入碎冰中時，同時會出現(xiàn)兩種吸熱反應(yīng)：冰融化吸熱和鹽溶解吸熱，因而短時間內(nèi)可吸收大量的熱，達到降溫目的。此方法通常使用食鹽和冰混合，混合物的溫度可通過控制食鹽的質(zhì)量濃度來調(diào)節(jié)，鹽水的質(zhì)量濃度越高，凍結(jié)溫度就越低。當食鹽的質(zhì)量濃度為3%時，凍結(jié)溫度可達到－3℃；濃度為29%時，凍結(jié)溫度可達到－21℃。但若食鹽加入過多，就會滲入食品中，導致食品偏咸，影響食品原有風味。為達到最好的微凍效果，應(yīng)確保冰鹽混合均勻。另外，在冰鹽微凍過程中，由于冰融化速度快，在冰融化后，冰水吸熱，會使食品溫度回升。因此，在冰鹽微凍過程中需要適時適量補充冰和鹽，達到穩(wěn)定溫度的目的。冰鹽微凍法能很好的維持食品鮮度，保藏期長，但食品略有咸味，耗冰鹽量大，一般適合水產(chǎn)品加工原料保鮮［20］。

2.1.2 冷風微凍 即用制冷機冷卻的風吹向食品，使食品表面的溫度達到一定的溫度后，再轉(zhuǎn)入恒溫艙中保存。例如，漁獲物的貯藏溫度一般為－3℃，可先用冷風處理使其表面的溫度達到－3℃，漁獲物中心溫度達到－1～－2℃后轉(zhuǎn)入－3℃的艙溫中保藏即可［21］。冷風微凍法能較好地維持食品鮮度、色澤及外觀。

2.1.3 低溫鹽水浸漬微凍 低溫鹽水微凍體系由鹽水微凍艙、保溫艙和制冷系統(tǒng)三部分組成。由于鹽水傳熱系數(shù)大，為空氣的30倍，因此鹽水微凍冷卻速度比空氣快，其冷卻溫度為－3～－5℃，食鹽的質(zhì)量濃度控制在10%左右。具體工藝要求［20］：先配制成質(zhì)量濃度約為10%的食鹽水（水即為海水），使用制冷機使鹽水溫度降到－5℃，把漁獲物放入鹽水中浸漬冷卻至體表溫度－5℃時（此時魚體內(nèi)溫度為－2～－3℃），再轉(zhuǎn)移到－3℃的保溫艙中保藏。低溫鹽水微凍工藝中需考慮鹽的種類、鹽水濃度、浸泡時間、鹽水溫度，其中鹽水濃度最關(guān)鍵。若濃度過高，便會使?jié)O獲物偏咸，同時鹽溶性的肌球蛋白也會析出［22］，影響食品風味和商業(yè)價值。低溫鹽水浸漬微凍也能很好的維持食品鮮度，保鮮期長；但商品色澤暗，有咸味，外觀差，一般用于加工原料的保鮮。

2.2 常用的微凍設(shè)備

微凍設(shè)備的選擇也會影響食品品質(zhì)，需根據(jù)不同材質(zhì)的食品選擇適宜的微凍設(shè)備。常見的設(shè)備有低溫冷凍機、沖擊式冷凍機、機械冰柜。機械冰柜使用一個循環(huán)制冷體系，通過與空氣進行熱量交換來達到降溫的目的，通常用于冷凍食品，運營成本較低溫冷凍機低。低溫冷凍機只需要制冷制罐和一個噴霧裝置，其采用的制冷劑為液氮或固態(tài)二氧化碳，比傳統(tǒng)的空氣冷凍所需時間短，但其操作成本較高，一般用于價格昂貴的食品［23］。沖擊式冷凍機是一個分區(qū)域的冰凍室，且每個區(qū)域的溫度是獨立可控的。在每個區(qū)域的沖擊速率是不一樣的，都是獨立可調(diào)的，食品在相鄰區(qū)域的入口凍結(jié)，然后通過調(diào)整獲得最大的空氣速度，產(chǎn)生最大傳熱系數(shù)，從而獲得適宜的冷卻速率［24］。因此具有制冷速度快，能迅速達到工藝溫度的特點，且制冷介質(zhì)為壓縮空氣，無污染，操作簡單，維修也方便。

3 微凍對食品品質(zhì)的影響

影響食品品質(zhì)的因素有很多，如溫度、微生物生長、脂肪氧化、蛋白質(zhì)變性等都會影響食品的風味和營養(yǎng)價值，判斷食品品質(zhì)好壞的指標有微生物指標、理化指標、感官指標。微生物指標主要為細菌總數(shù)，理化指標包括K值、T－VBN值、pH值、TBA值等，感官指標主要通過顏色、氣味、肉制品的肌肉松弛程度或者彈性來綜合判定；食品的品質(zhì)也需通過這些指標進行綜合評定。

3.1 微生物指標的變化

在微凍溫度下，大部分微生物會失去活力或者受到抑制。Duun等［25］研究發(fā)現(xiàn)，真空包裝處理的豬排微凍（－2℃）貯藏111d的細菌總數(shù)僅為6.13lg CFU／g，而冷藏13d細菌總數(shù)已經(jīng)高達8.7lg CFU／g。宋華靜等［11］對鮮豬肉微凍保鮮的初步研究發(fā)現(xiàn)鮮豬肉經(jīng)微凍貯藏30d后細菌總數(shù)為4.02lg CFU／g，仍小于初始值，且細菌總數(shù)呈先降低后增長的趨勢，曹榮等［12］微凍（－3℃）保鮮太平洋牡蠣的研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。Duun等［2］對鱈魚片微凍保鮮（－2.2℃）進行了研究，發(fā)現(xiàn)鱈魚微凍貯藏6周期間細菌總數(shù)僅在5.2～5.8lg CFU／g內(nèi)，而冰藏第1天時細菌總數(shù)就達到5.4lg CFU／g，且在貯藏22d后就超過了極限值（6.7lg CFU／g），細菌總數(shù)高達7.2lg CFU／g。

3.2 T－VBN值和K值變化

微凍貯藏過程中，T－VBN值、K值雖都呈增加的趨勢，但是，大量試驗研究［26－28］表明微凍能有效維持較低的T－VBN值、K值，一般情況下T－VBN值、K值越低，其鮮度越好。草魚微凍（－3℃）貯藏第30天時，其T－VBN值僅為12.75mg／100g，仍在一級鮮度內(nèi)；而冷藏（4℃）第6天時，T－VBN值已高達12.84mg／100g，已超過一級鮮度；微凍貯藏到第25天時的K值僅為37.05%，冷藏第4天時K值已增至41.22%［26］。車蝦在微凍貯藏2d后其K值只上升至2.2%，第3天升至7.6%；而冷藏條件下第2天和第3天K值分別高達7.3%和15.5%［27］。研究［28］還發(fā)現(xiàn)微凍貯藏車蝦較冷藏更能有效維持蝦尾部的色澤，更好的維持蝦的品質(zhì)。三文魚片微凍貯藏9d后的硬度、蛋白質(zhì)的溶解性與冷凍貯藏2d的一樣，表明微凍能更好的維持食品品質(zhì)［29］。

3.3 汁液流失及冰晶形成的影響

微凍除了能通過降低細菌總數(shù)、K值、T－VBN值等指標維持食品品質(zhì)外，研究還發(fā)現(xiàn)微凍能有效減少汁液流失。Duy等［30］在對微凍貯藏三文魚片的研究中得出了同樣的結(jié)論。微凍處理過程中，食品中的水分也會發(fā)生部分凍結(jié)，形成冰晶，冰結(jié)晶首先在細胞之間產(chǎn)生，當溫度逐漸降低至細胞內(nèi)溶液的冰點時，冰結(jié)晶會在細胞內(nèi)生成，由于細胞內(nèi)外壓力不均衡，產(chǎn)生脹力，破壞原生質(zhì)和細胞膜，對細胞組織造成機械損傷，引起汁液流失，影響食品品質(zhì)［31］。Bahuaud等［31］研究了微凍貯藏（－1.5℃）中鮭魚的質(zhì)構(gòu)、組織蛋白酶活性、肌肉組織、汁液流失等的變化，發(fā)現(xiàn)微凍加速了肌原纖維的分裂和溶菌酶釋放組織蛋白酶－L和組織蛋白酶－B，在微凍處理6h后有一半的組織蛋白酶的活力已喪失，而對照組（冰藏）酶活力仍然很穩(wěn)定，在隨后的微凍貯藏過程中（28d），組織蛋白酶－L和組織蛋白酶－B的活力一直比對照組要低，表明微凍促使肌肉結(jié)構(gòu)降解，與對照組相比更易影響溶酶體的活性；而且，貯藏1個星期后，微凍下的汁液損失比對照組（冰藏）高，這些對食品品質(zhì)的影響都是不利的。Bahuaud等［32］分析認為三文魚片微凍過程在其表面和內(nèi)部生成了冰晶，且冰晶的尺寸足以對細胞造成機械損傷，才導致了蛋白質(zhì)變性。Kaale等［33］對真空包裝的三文魚片在微凍貯藏（－1.7℃±0.3℃）過程的表層、中層、中心位置的冰晶進行了研究，微凍貯藏1d后中層和中心位置冰晶的尺寸分別為（153±8），（318±4）μm，中心冰晶的尺寸是表層的3倍；當微凍溫度達到平衡時，沒有溫度梯度存在的情況下，細胞內(nèi)中心位置的冰晶在隨后的貯藏過程中并沒有顯著增長，表明微凍溫度波動極易促進冰晶的生成。而冰晶形成的位置和大小、形狀都會直接影響到食品的品質(zhì)，為達到更好的保鮮效果應(yīng)根據(jù)食品的種類、性質(zhì)控制好微凍的時間、溫度，避免冰晶大量生成，這也是微凍保鮮技術(shù)需解決的關(guān)鍵點。

但當冰晶尺寸小于肌肉纖維間的尺寸時，食品中少量冰晶的生成還是有益的。由于冰具有高的潛熱（335kJ／kg），可作為蓄冷劑，吸收周圍的熱量，短暫維持食品貯藏溫度［34］；另外，冷凍速度和冷凍方法的不同，對產(chǎn)生冰晶的大小以及分布會有不同的影響。凍結(jié)速度快，食品中的水分形成無數(shù)針狀的冰晶，而且數(shù)量多，主要分布在細胞外；凍結(jié)速度慢的，食品中的水分形成的冰晶則呈少數(shù)柱狀或者塊顆狀的大冰晶，冰晶大部分在食品細胞間形成［35］。而細胞內(nèi)與細胞間生成的冰晶越小，對細胞的機械損傷越輕，汁液流失也會減少，可以較好地保存食品的營養(yǎng)成分［36，37］。因此，控制好微凍溫度的衡定、速率、時間是解決冰晶問題的關(guān)鍵，這就需通過進一步的研究設(shè)計出能夠精確控制溫度區(qū)域的制冷設(shè)備。

3.4 食品保質(zhì)期的影響

食品保質(zhì)期是衡量食品質(zhì)量與安全的一個重要指標，其定義為預示在任何標簽上規(guī)定的條件下保證食品質(zhì)量的日期。在此期間，食品完全適用于銷售并符合標簽上或者產(chǎn)品標準中所規(guī)定的質(zhì)量［38］。食品的化學組成、加工方式、貯藏方法與條件都會影響到食品的保質(zhì)期。水產(chǎn)品和肉類中水分含量高、富含蛋白質(zhì)，為微生物生長繁殖提供了一個良好的培養(yǎng)基，因此極易腐敗變質(zhì)。微凍保鮮技術(shù)利用低溫可有效抑制微生物的生長繁殖，達到延長食品保質(zhì)期的作用。目前，已經(jīng)有很多研究證明了這一點。

胡素梅等［14］研究了鯉魚在冷藏（4℃）和微凍（－3℃）的條件下品質(zhì)的變化，微凍條件下的保質(zhì)期為30d，而冷藏條件下只有8d，為冷藏的2.75倍。李衛(wèi)東等［39］研究了微凍條件下貯藏南美白對蝦，發(fā)現(xiàn)隨著貯藏時間的延長細菌總數(shù)一直呈較小幅度的增加，其保質(zhì)期可達26d，而凌萍華等［40］研究了冰溫對南美白對蝦品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)冰溫貯藏保質(zhì)期僅有8d。微凍技術(shù)使用在肉類和果蔬保鮮中也有同樣的效果，彭濤等［41］將豬肉分別貯藏在－2，4，－18℃的條件下，通過比較分析感官指標和生化指標發(fā)現(xiàn)微凍較冷藏更能有效抑制微生物生長繁殖，且微凍貯藏15d后仍處于一級鮮度，其有效保質(zhì)期可達27d，冷藏條件下僅有4d。草莓貯藏在（－2±0.2）℃溫度范圍內(nèi)，其新鮮度可保持60d［17］。

為優(yōu)化微凍保鮮工藝，更好的維持食品品質(zhì)，延長食品保質(zhì)期，研究者已將氣調(diào)、真空、保鮮劑等保鮮技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在微凍保鮮中，并取得了很好的保鮮效果。真空包裝的三文魚片在－1.4℃和－3.6℃的條件下，其保質(zhì)期可延長到凍藏的2倍，一般凍藏的三文魚片保質(zhì)期為17～21d［42］。齊自元等［43］采用兩種保鮮劑配方：M1［4－己基間苯二酚（4－HR）0.05g／L＋殼聚糖1.5g／L＋乳酸鏈球菌素（nisin）0.2g／L］和 M2［4－己基間苯二酚（4－HR）0.05g／L＋ 酪蛋白酸鈉1.5g／L＋聚丙烯酸鈉 0.5g／L＋乳酸鏈球菌素 （nisin）0.2g／L］分別對南美白對蝦進行涂膜后微凍（－3℃）貯藏，發(fā)現(xiàn)M1和M2處理組均可以將南美白對蝦的貨架期延長至30d左右，是對照組（僅微凍貯藏）的2倍。Fernández等［44］研究也證明了 MAP（90%CO2，g／p＝2.5；g／p為氣體和產(chǎn)品的體積比）＋微凍保鮮技術(shù)與對照組（MAP，－1.5℃）相比能使三文魚片的保質(zhì)期由11d延長至22d。

4 問題及展望

微凍保鮮技術(shù)雖然在水產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，但仍存在一些影響食品品質(zhì)的問題：

（1）微凍過程中，形成冰晶的大小、位置、形狀都會影響食品的品質(zhì)，因此，食品進行微凍保鮮時，除關(guān)注其對感官、生化、微生物等指標的影響外，還需考慮食品微凍處理的時間、溫度、降溫速率，以減少冰晶生成，防止過大冰晶的產(chǎn)生，為此需精準控制微凍溫度，提高了制冷設(shè)備的要求。目前，中國雖已初步形成了較完善的冷藏鏈，但微凍物流還未形成，食品在加工、貯藏、運輸、分銷和零售、直到消費者手中的過程中，由于部分環(huán)節(jié)溫度波動，未達到微凍溫度要求，導致食品品質(zhì)發(fā)生劣變。因此，微凍技術(shù)使用過程中的控溫環(huán)節(jié)是解決食品劣變的關(guān)鍵，也是有效抑制微生物生長必要條件。

（2）為了推進微凍保鮮技術(shù)更好的工業(yè)化應(yīng)用，更多的技術(shù)應(yīng)結(jié)合使用來分析冰晶形成機制，如磁共振（MR）、近紅外線（NIR）等。

（3）微凍技術(shù)與其他保鮮技術(shù)的結(jié)合也需根據(jù)不同產(chǎn)品的需要，通過大量試驗研究來達到最理想的保鮮效果。

總之，微凍技術(shù)利用低溫來抑制微生物的生長，同時微凍過程中食品中的水分只有5%～30%的發(fā)生凍結(jié)，較冷凍貯藏減少了細胞液濃度的增加和鹽融效應(yīng)的發(fā)生，減少了蛋白質(zhì)降解，可以很好的維持食品品質(zhì)，保持其鮮度，正迎合了人們對新鮮食品的需求，因此，具有廣闊的商業(yè)和發(fā)展前景。

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