水-冰-水動態(tài)變化引起冷凍肉類食品品質(zhì)變化機理及控制技術研究進展

芮李彤，劉 暢，夏秀芳*

（東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

隨著生活節(jié)奏加快、人民生活水平提高，特別在現(xiàn)代冷凍技術升級后，冷凍肉類食品以其貨架期長、快捷、方便等特點已成為主流消費食品之一。低溫凍藏不僅可以抑制微生物生命活動，還能降低分解脂肪或蛋白質(zhì)的酶的活性[1]，當食品中心溫度達到-18 ℃時，其中80%以上的水分會通過成核和晶體生長來轉化為冰晶[2]。冷凍肉類食品在食用前要進行解凍，解凍是凍結的逆過程，涉及凍結肉中冰晶融化成水并被肉吸收而恢復到凍結前的新鮮狀態(tài)的變化過程[3]。但在實際冷凍過程中，肌肉細胞外的水分因為溫度降低形成大量冰晶，當液態(tài)水向正在生長的晶體擴散時，會造成組織間的冰晶愈長愈大，從而對肌肉組織細胞造成不可逆轉的破壞并失去活性[4]，當溫度回升時，冰再融化成水，但此時組織中水分的含量和分布早已發(fā)生改變。

低溫凍藏可有效延長肉類食品的貨架期，但凍融過程中肉類食品品質(zhì)發(fā)生了明顯變化：肉色變暗[5]，質(zhì)地變硬[6]，多汁性下降[7]；保水性下降，解凍損失和滴水損失增加[8-10]；風味物質(zhì)流失，苦味增強[2]，鮮味減弱[11]；蛋白質(zhì)發(fā)生降解、聚集和結構惡化，蛋白質(zhì)凝膠性下降[1]，肌纖維收縮，肌束間間隙增大[6]，微觀結構被破壞[12]；蛋白質(zhì)和脂質(zhì)氧化，羰基含量[13]和硫代巴比妥酸反應物（thiobarbituric acid reactive substance，TBARS）值[14]增加，巰基含量下降[13]；冰晶形成和重結晶導致食品中水分發(fā)生重新分布，蛋白質(zhì)二級結構被破壞[14]等。低溫凍藏和解凍的實質(zhì)是肉中80%的水分發(fā)生水-冰-水兩次相變的過程，肉中的水分充斥在肌細胞內(nèi)部和周圍，形成了肉中富含水分而看不到水分的致密大理石樣紋理。前期研究結果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)結構與冷凍肉品質(zhì)密切相關，結合基本的冷凍損傷機理，可推測水的相變引起肌原纖維蛋白結構變化，導致肉品質(zhì)發(fā)生變化，即水的相變是因，肉品質(zhì)變化是果。目前以水-冰-水變化揭示肉類食品劣變機理的相關研究報道較少。

本文綜述冰晶的形成和生長過程，及在不同溫度和過飽和度下冰晶的形態(tài)，分析凍融引起肌肉中發(fā)生水-冰-水動態(tài)變化的過程以及其對肉類食品關鍵組分破壞的機理，并且總結目前一些新興冷凍技術，更全面地揭示凍融過程中水-冰-水演變過程導致肌肉品質(zhì)劣變的本質(zhì)，以期為降低冷凍肉類食品品質(zhì)劣變和研發(fā)新型冷凍技術提供理論指導和研究方向，對推動我國冷凍肉產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有一定的意義。

1 水形成冰的過程及冰晶增長

在水的凍結過程中，結晶經(jīng)過以下3 個階段：1）水分迅速冷卻以消除顯熱，這導致水分溫度低于其相變溫度（0 ℃）并進入過冷狀態(tài)，此時溫度與凝固點的差值稱為過冷度（ΔTs）；2）在特定的過冷度下，溫度突然升高，結晶潛熱釋放，溶液中開始形成晶核或微小的晶格結構；3）在實現(xiàn)初始成核后，結晶進入下一階段，已有晶核開始生長并伴隨有新的晶核形成，隨著凍結時間的延長將會發(fā)生重結晶，直到達到環(huán)境施加的最終溫度。

1.1 冰晶的成核

首先水分子相互碰撞和聚集形成無定形團簇，無定形團簇再進一步碰撞和結合時形成微小的晶格，達到臨界體積后便能形成穩(wěn)定的“晶核”。冰晶成核是一個隨機過程，受雜質(zhì)、樣品體積、表面積和粗糙度等因素的影響，分為均相成核和異相成核兩種，在一個體系內(nèi)各處的成核幾率均相同稱為均相成核，異相成核則是指水在塵埃、容器表面及其他異相表面等處形成晶核[15]。利用差示掃描量熱技術，通過評估熱流信息可以區(qū)分均相成核和異相成核。

1.2 冰晶的生長和重結晶

實際在飽和溶液中，晶核處于一種形成-溶解-再形成的動態(tài)平衡之中，只有達到一定的過飽和度以后，才能形成熱力學穩(wěn)定的臨界核，臨界核可以作為后續(xù)冰晶生長的平臺[16]。水分子擴散到晶核表面并有序聚集成可見尺寸的晶體，冰晶開始從晶核向不同方向迅速擴展生長，一般在平行于基面的方向上生長，垂直于基面的方向上生長十分緩慢[17]。影響冰晶生長速率的因素有兩個：傳熱和傳質(zhì)。在大多數(shù)高水分食物中存在大量的水和溶質(zhì)分子，但是除了在凍結的后期，這些分子傳向或遠離晶體的質(zhì)量并不影響冰晶生長速率。因此，在冷凍過程中，控制結晶的主要參數(shù)是傳熱速率，影響晶體生長速率的關鍵變量是過冷度。晶體生長速率（G/（℃/min））與過冷度（ΔTs/（℃））之間的關系是：G＝βΔTsn（β和n為常數(shù)）[17]。

重結晶為在保持總晶體質(zhì)量不變的情況下，整個晶體系統(tǒng)的表面自由能降低，各相之間的化學勢趨于平衡，冰晶的平均尺寸增大，數(shù)量減少，取向、大小和完整性等特性發(fā)生變化的過程[18]。圖1展示了發(fā)生重結晶的3 種途徑：積聚、遷移和表面等滲。積聚是指相鄰區(qū)域的晶體合并形成較大的晶體，主要發(fā)生在重結晶的早期階段；遷移則發(fā)生在后面的過程中，由于受溫度下降的影響很大，小冰晶融化產(chǎn)生的液體聚集在一起流向大冰晶并重新結晶，最終導致小冰晶的消失；若存在形狀不規(guī)則的冰晶，則會發(fā)生表面等滲現(xiàn)象，即在晶體質(zhì)量不變的情況下形狀的改變，晶體表面變得更光滑、更鋒利并且達到熱力學穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 冰晶發(fā)生重結晶的3 種途徑[17]Fig.1 Three ways of recrystallization of ice crystals[17]

1.3 冰晶的形態(tài)

低溫下水分狀態(tài)的變化可能受冷凍方法和速率、貯存溫度和時間等多種因素的影響，快速冷凍會產(chǎn)生高速率的熱質(zhì)傳遞、低滲透壓以及最少的水分遷移，在肌肉細胞內(nèi)產(chǎn)生大量的細小冰晶，從而對微觀結構的破壞較小，而緩慢冷凍往往會導致大塊冰晶生長并刺破肌肉細胞。

凍結溫度和過飽和度（該溫度時物質(zhì)的溶液飽和濃度）決定著冰晶的形態(tài)，形態(tài)不同對肌肉組織破壞程度不同，在低過飽和度下，形成的晶核大而少[19]，而且形成的冰晶形貌可能呈如圖2所示的針狀或盤狀，但最終會因為結晶過程中所釋放的潛熱不能被迅速傳遞出去而發(fā)展成樹枝狀冰晶，其棱角鋒利，易造成細胞結構損傷[20]。在食品中最主要的冰晶形狀是六角形結晶單元或規(guī)則枝晶[21]。

圖2 不同凍結溫度和過飽和度下冰晶的形態(tài)[22]Fig.2 Morphology of ice crystals at different freezing temperatures and degrees of supersaturation[22]

2 凍融過程引起肌肉中水-冰-水動態(tài)變化

新鮮肉中水分質(zhì)量分數(shù)為75%、蛋白質(zhì)量分數(shù)為18%，最主要的蛋白是肌原纖維蛋白，水分主要存在于肌原纖維的粗絲與細絲之中、肌原纖維間、肌纖維與肌內(nèi)膜之間、肌纖維與肌束間的空隙中。肉中水分按其與蛋白質(zhì)結合緊密程度分為自由水、不易流動水和結合水（圖3）。

圖3 肌肉中的水分種類和分布Fig.3 Types and distribution of water in muscle

每個水分子除與其相鄰水分子之間形成氫鍵外，還與蛋白質(zhì)分子發(fā)生偶極子相互作用即水化作用，形成水化層。當新鮮肉放置在-18 ℃貯藏時，外層的自由水和不易流動水依次變成冰晶，而結合水基本不變（圖4）；隨著凍結時間的延長，與蛋白質(zhì)緊密結合的結合水逐漸向肌內(nèi)膜外轉移[23]，與膜外的冰晶結合，導致冰晶數(shù)量增多、體積增大，還會發(fā)生重結晶現(xiàn)象，破壞肌纖維，而留在肌內(nèi)膜內(nèi)的水多在膜邊緣聚集，從而使原生質(zhì)不均勻地分布在肌纖維內(nèi)；解凍后，由冰晶引起的細胞內(nèi)外的裂縫仍然存在，即使肌肉纖維由于水的流入而重新膨脹，也無法恢復到原來的體積[17]。

圖4 水-冰-水動態(tài)變化過程引起肌肉蛋白質(zhì)水、冰變化及分布情況[24]Fig.4 Changes and distribution of water and ice in muscle during water-ice-water dynamic change[24]

3 水-冰-水動態(tài)變化對肌肉品質(zhì)的影響及其機理

在凍融期間，肉制品經(jīng)過低溫冷凍-長時間凍藏-解凍復溫到室溫的過程，肉中柔性水的分布以及剛性冰的取向、大小和形狀不斷發(fā)生變化，對冷凍肉中細胞膜和組織結構造成機械損傷，解凍時大量汁液流失[25]，一些水溶性營養(yǎng)成分如可溶性蛋白、水溶性維生素以及氨基酸等成分都會隨之喪失[26]，最終導致冷凍肉品質(zhì)劣變（保水性降低[27]、肉色變暗[7]、質(zhì)地變硬和異味產(chǎn)生[11]）、微觀結構被破壞（肌纖維收縮，肌束間隙增大，Z線錯位、弱化或消失并出現(xiàn)線粒體空泡化現(xiàn)象[28]）、肌原纖維蛋白氧化損傷（羰基含量升高[29]、總巰基含量[7]和Ca2+-ATP酶活性[30]降低）、脂肪氧化加?。ㄟ^氧化物值、TBARS值、酸價和自由基信號強度升高[31]），并且蛋白質(zhì)的一級結構[32]和空間結構[33]都發(fā)生顯著變化，從而降低了產(chǎn)品的營養(yǎng)價值和商業(yè)價值。

3.1 水-冰-水動態(tài)變化對肌肉感官品質(zhì)的影響及其機理

無論是保水性的降低、脂肪的氧化，還是蛋白質(zhì)的變性，最終體現(xiàn)在冷凍肉制品上最直觀的表現(xiàn)是冷凍肉感官品質(zhì)的變化，這也是影響消費者購買欲望最直接的原因。如脂肪氧化酸敗生成醛、酮類小分子化合物，影響肉制品的風味；肌紅蛋白氧化生成高鐵肌紅蛋白，使肉制品失去誘人的鮮紅色澤；肌原纖維蛋白氧化和冷凍變性使其失去在肉體系中的功能性質(zhì)，表現(xiàn)為肉制品組織軟塌[34]。

3.1.1 水-冰-水動態(tài)變化對肌肉色澤的影響及其機理

對于消費者來說，色澤是其評判肉和肉制品品質(zhì)優(yōu)劣的最直觀標準。水-冰-水動態(tài)變化過程會導致冷凍肉制品黃度b*值升高[35]，亮度L*值和紅度a*值下降[5]，表現(xiàn)為肉色變暗[7]。在冷凍過程中，肌肉組織中發(fā)生的生化反應及耐冷微生物分泌的水溶性或脂溶性色素導致肉品色澤隨著貯藏時間延長逐漸發(fā)生劣變。肉品所含肌紅蛋白在冷凍過程中接觸空氣中的氧氣發(fā)生氧合作用，生成氧合肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白，F(xiàn)e3+含量迅速增加，表面逐漸呈現(xiàn)紅棕色。在冷凍條件下，高鐵肌紅蛋白還原酶的活性隨著蛋白質(zhì)變性程度增大而降低，使高鐵肌紅蛋白濃度升高，而且解凍時肌紅蛋白和血紅蛋白會伴隨著滲出物流失，紅度下降。

此外，細胞膜上高不飽和脂肪酸氧化生成的自由基與蛋白質(zhì)中胺類物質(zhì)發(fā)生反應，可能會導致黃色色素生成[36]。在凍融期間肉的超微結構變化以及冰晶的重組使得水從細胞內(nèi)空間遷移到細胞外空間，這導致大量水分流失并增加了細胞內(nèi)溶質(zhì)的濃度[37]，造成肉表面光反射率的變化，從而增加了肉制品的L*值[25]。

3.1.2 水-冰-水動態(tài)變化對肌肉質(zhì)構的影響及其機理

肉制品的硬度、彈性和嫩度等質(zhì)構特性是消費者評價肉制品品質(zhì)好壞的重要依據(jù)之一[26]。凍融過程中，冰晶的形成和消失使細胞膜和組織結構不斷受到機械損傷，肌原纖維蛋白變性加重，肉制品硬度[11]和彈性[38]下降，組織軟塌[34]。此外，凍融后肌肉細胞失水、纖維束排列分散雜亂、間隙增大，也會導致剪切力增大。冷凍肉在凍融期間質(zhì)構特性變化如表1所示。

表1 冷凍肉在水-冰-水動態(tài)變化期間質(zhì)構特性的變化Table 1 Changes in texture properties of frozen meat during waterice-water dynamic change

3.1.3 水-冰-水動態(tài)變化對肌肉風味的影響及其機理

肉制品在凍融過程中，由于揮發(fā)性脂肪酸氧化和蛋白質(zhì)變性而產(chǎn)生異味，蛋白質(zhì)次級鍵發(fā)生變化甚至斷裂，降解為氨基酸，導致冷凍肉制品苦味氨基酸含量增加，而呈鮮甜味的氨基酸總含量呈下降趨勢，精氨酸作為肉品中重要的增味氨基酸，含量也逐漸降低[11]。而且伴隨著肉特征滋味和鮮味的逐漸減弱，風味化合物的含量會隨冷凍貯藏時間推移而波動變化[40]。

冷凍過程中冰晶的形成及其在細胞中的體積增大也會導致解凍后風味物質(zhì)的大量流失，而快速凍結中形成的細小冰晶在減少異味核苷酸、三甲胺、生物胺和苦味相關游離脂肪酸含量方面表現(xiàn)出更好的效果，并在貯藏期間更易保持與鮮味相關的游離氨基酸和肌苷單磷酸的含量，這說明抑制冰晶生長可以使冷凍肉制品具有更好的細胞完整性，在一定程度上減緩了生化反應的發(fā)生[41]，保持了肉品原有的風味。

3.2 水-冰-水動態(tài)變化對肌肉微觀結構的影響及其機理

新鮮的肉制品肌肉組織均勻，肌纖維排列緊密有序，肌束膜清晰可見，肌肉組織橫斷面為細密的點陣集合，從縱切面可以看到整條肌纖維和肌原纖維整齊排列[26]。隨著凍藏時間的延長，肌纖維內(nèi)/間形成的冰晶數(shù)量增多，體積變大，附近的肌纖維受到擠壓，肌節(jié)出現(xiàn)扭曲變形，組織結構弱化，原來排列致密的肌纖維變得結構松散，橫截面呈不同的形狀，肌束膜和肌內(nèi)膜破裂，肌肉組織的完整性遭到破壞，而且隨著肌纖維直徑和面積的減小，細胞間隙所占比例增大，線粒體腫脹并空泡化、肌節(jié)縮短，Z線和M線出現(xiàn)錯位、斷裂、消失[26]。在解凍后，冰晶融化，從肌肉組織中流出汁液，導致肌纖維邊界模糊、排列紊亂，部分蛋白潰散、偏聚、斷開，從而影響肉制品的紋理和結構[42]。

3.3 水-冰-水動態(tài)變化對肌肉保水性的影響及其機理

在凍藏過程中，冰晶的生長效應對肌纖維造成的機械損傷使細胞破裂成大量的小片段，胞外間隙增大，水的流動性隨之增強，自由水的損失增加。在解凍時，由于無法被肌肉全部吸收，部分冰晶融化成水后會流失，一些營養(yǎng)物質(zhì)如蛋白質(zhì)、無機鹽和維生素也會隨著水分流出[22]，最終導致冷凍肉制品的保水性下降[29]、解凍損失和蒸煮損失增加[13]。

蛋白質(zhì)表面的水合作用和肌纖維晶格的毛細管效應也會影響體系的水分狀態(tài)和保水效果。肌肉蛋白質(zhì)表面同時存在疏水基團和親水基團，凍融加速了蛋白質(zhì)氧化，表現(xiàn)為分子間二硫鍵的形成以及肽主鏈的斷裂，部分蛋白分子內(nèi)部的疏水性的脂肪族與芳香族氨基酸側鏈基團暴露[43]，使肌原纖維蛋白結構和交聯(lián)程度發(fā)生變化，從而導致肌纖維之間間距的改變和蛋白質(zhì)功能的降低，蛋白質(zhì)的功能與其捕水能力息息相關，因此保水性降低[44]。此外，肌肉中的水分也能通過肌纖維晶格產(chǎn)生的毛細管作用力保持，蛋白氧化會導致肌球蛋白、肌動蛋白發(fā)生交聯(lián)或變性，造成肌束收縮，對肌肉中毛細管作用力造成影響，最終影響肌肉保水性[45]。

3.4 水-冰-水動態(tài)變化對冷凍肉氧化穩(wěn)定性的影響及其機理

脂質(zhì)和蛋白質(zhì)在賦予肉品品質(zhì)特性方面起著不可替代的作用，如血紅素蛋白決定肉的色澤，脂質(zhì)對肉品風味具有重要的影響，在肌肉蛋白質(zhì)中含量最高的鹽溶性的肌原纖維蛋白賦予肉品質(zhì)構特性。在水-冰-水動態(tài)變化過程中，冷凍肉制品自身的組織結構遭到了破壞，肉中原本的抗氧化系統(tǒng)逐漸崩潰，加上相關酶的作用，脂質(zhì)和蛋白質(zhì)氧化變性是除微生物外引起肉品品質(zhì)劣變的最主要因素[46]。

3.4.1 水-冰-水動態(tài)變化對冷凍肉脂肪的影響及其機理

在凍融過程中，肉中飽和脂肪酸含量增加，而不飽和脂肪酸含量下降[47]，這是因為肉制品中富含性質(zhì)活潑的不飽和脂肪酸如油酸和亞油酸，在凍融期間容易發(fā)生氧化。凍結時肌肉組織細胞外形成的冰晶不僅會破壞肌肉細胞膜和細胞器，損傷的肌細胞還會釋放出大量內(nèi)源酶（脂肪酶、蛋白酶和核酸酶）及促氧化劑（血紅素、氧化酶和自由基），快速啟動脂肪氧化，由此產(chǎn)生的自由基和脂質(zhì)氫過氧化物會進一步分解成二次氧化產(chǎn)物，如戊醛、己醛、異呋喃和丙二醛，增加產(chǎn)品腐敗腥味并導致冷凍肉變色[48]，而且還會產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的潛在前體或催化劑，進一步引起肉類品質(zhì)的劣變[49]。

解凍時釋放的線粒體和溶酶體脂肪酶會進入到肌漿中，在促氧化劑的作用下造成脂肪酸與酶類的直接接觸，加速了脂肪氧化[5]。此外，在冰轉化為水的過程中，冰晶融化，水分流失，肌肉產(chǎn)生海綿狀孔隙，脂肪與空氣接觸面增大，更加劇了脂肪氧化。

肉體系脂肪氧化程度可用過氧化值（peroxide value，PV）和TBARS值來判斷，PV和TBARS值分別反映脂肪初級和次級氧化產(chǎn)物的量。在水-冰-水的動態(tài)變化過程中，冰晶的消融使得冷凍肉制品中脂肪氧化加劇，造成TBARS值升高[14,26]，而PV出現(xiàn)升高[50]或先升高后下降[51]等氧化酸敗的趨勢，這主要取決于脂質(zhì)氫過氧化物的分解速率。

3.4.2 水-冰-水動態(tài)變化對冷凍肉中蛋白質(zhì)的影響及其機理

蛋白質(zhì)作為構成細胞的有機大分子，是生命活動的主要承擔者，它影響著肌肉組織的形態(tài)及品質(zhì)變化。在水-冰-水動態(tài)變化過程中，蛋白質(zhì)周圍的環(huán)境發(fā)生了劇烈的變化，包括溫度、冷凍濃度和pH值改變以及冰晶的消融，不同的脅迫會導致蛋白質(zhì)結構特性的改變。

3.4.2.1 蛋白質(zhì)氧化

圖5展示了肉及其制品中蛋白質(zhì)氧化的機制和結果，在水-冰-水動態(tài)變化中，活性物質(zhì)可直接促進蛋白質(zhì)氧化，與肉制品在凍結時冰晶的形成對脂質(zhì)氧化的影響相同，損傷的肌細胞釋放出的促氧化劑增加了蛋白質(zhì)氧化的程度和速率，當ROS攻擊蛋白質(zhì)時，通過非共價和共價分子間鍵形成蛋白質(zhì)聚集，進而造成蛋白質(zhì)氨基酸側鏈的氧化修飾和蛋白骨架的損傷[7]，蛋白骨架的損傷主要包括裂解和交聯(lián)聚合，最終會形成分子內(nèi)及分子間的二硫鍵交聯(lián)。此外，脂肪氧化產(chǎn)生的自由基和氫過氧化物也能間接促進蛋白質(zhì)氧化，其表面疏水性隨著脂肪氧化程度的加劇而升高[24]，并伴隨著特殊氣味物質(zhì)的生成[49]。

圖5 冷凍肉制品中蛋白質(zhì)氧化的機制和結果[51-52]Fig.5 Mechanism and results of protein oxidation in meat and its products[51-52]

3.4.2.2 蛋白質(zhì)構象改變

凍融促進肌纖維收縮，肌原纖維蛋白分子逐漸展開并形成較大的蛋白質(zhì)聚集，使蛋白質(zhì)的空間結構發(fā)生改變[53]，破壞了蛋白質(zhì)的結構完整性。反映蛋白質(zhì)構象整齊程度的α-螺旋和β-折疊含量降低，而反映蛋白質(zhì)構象松散程度的無規(guī)卷曲和β-轉角含量卻增加[54]，說明蛋白質(zhì)二級結構由規(guī)則變得松散，穩(wěn)定性降低。冰晶形成導致肌肉蛋白的物理和化學環(huán)境改變，產(chǎn)生了二硫鍵和疏水鍵等，從而導致蛋白質(zhì)和水分子間的作用力減弱，表面疏水性提高，蛋白質(zhì)溶解度下降，Ca2+-ATP酶活力降低[30]，電泳條帶變淺、聚集或消失[38]。

蛋白質(zhì)中賴氨酸殘基的游離氨基（—NH2）在加工和儲存過程中很容易被取代，這進一步反映了肌原纖維蛋白質(zhì)一級結構的變化，游離胺含量的降低是由于—NH2與羰基發(fā)生反應，而羰基是由脂肪和蛋白質(zhì)氧化協(xié)同作用產(chǎn)生的自由基脫氨而形成的[32]。此外，凍融導致蛋白質(zhì)去折疊化并使作為蛋白質(zhì)三級結構一部分的色氨酸殘基暴露到親水溶劑中，蛋白質(zhì)三級結構穩(wěn)定性降低[33]。

若對肉制品進行慢速凍結，由于質(zhì)子集中在未凍結的水中，導致結構蛋白附近的pH值降低，也會引發(fā)蛋白質(zhì)的變性，與此同時，肌肉細胞外的水分子形成較大的冰晶，導致產(chǎn)品的肌肉組織發(fā)生橫向收縮；相反，快速冷凍過程中形成的較小冰晶能夠捕獲質(zhì)子，使得蛋白質(zhì)變性的程度降低[55]，α-螺旋和β-折疊含量也要比慢速冷凍過程中降低得少[54]。

4 提升冷凍肉類食品品質(zhì)的新技術

快速冷凍會形成更多、更小的冰晶，能夠將對細胞結構的損傷降到最低，然而這種冷凍方法也存在著一些缺點：總冷卻成本較高、易受環(huán)境影響、一些產(chǎn)品易開裂甚至在直接暴露于極端低溫時粉碎。因此，一些可以在降低成本和功耗的同時最大限度地提高冷凍食品質(zhì)量的技術油然而生，如超聲波輔助凍結技術、高壓凍結技術、電場輔助凍結技術、磁場輔助凍結技術和添加抗凍劑等[56]。

4.1 超聲波輔助凍結

低頻高能超聲波是指能量高于1 W/cm2而頻率在16～100 kHz的超聲波，在食品級凍結及解凍方面應用廣泛。超聲波產(chǎn)生的空化效應可誘導冰晶成核，存在于液體中的微小氣泡在超聲場的作用下振動、生長并不斷聚集聲場能量，導致空化氣泡體積越來越大，當它們達到臨界尺寸時空化氣泡破裂，產(chǎn)生能量，將預先存在的冰晶破碎成較小的尺寸，再次充當初級核，將樹突狀冰晶轉變?yōu)椴煌愋偷闹鶢?，對細胞和組織結構的損傷較小，改善凍結肉類品質(zhì)[57]。

超聲波的空化效應和機械效應可以加速介質(zhì)的流動，提升傳熱傳質(zhì)的效率，縮短凍結時間，使冰晶分布均勻，有效降低了肌原纖維蛋白的氧化程度[58]和冷凍肉的凍融損失和蒸煮損失[59]，提高了嫩度并延緩了蛋白質(zhì)氧化[60]。由于超聲波通過介質(zhì)時會產(chǎn)生熱量，因此在實際應用中需要研究適用于不同種類、質(zhì)量及尺寸產(chǎn)品的超聲功率和持續(xù)時間，擴大超聲波輔助凍結技術在食品凍藏中的應用范圍。

4.2 高壓凍結

水的相變溫度隨著壓力的變化而變化，在高壓凍結過程中會形成不同種類的冰，因此高壓凍結可分為壓力轉移凍結、壓力輔助凍結和壓力誘導凍結。壓力轉移凍結是將壓力增加至210 MPa，水的冰點降至-20 ℃，在該過程中，食品在高壓條件下冷卻到過冷狀態(tài)，然后迅速釋放壓力，由于此時食品過冷度較高，水會經(jīng)歷劇烈的相變，導致瞬間凍結，從而促使小冰晶的形成，減小對冷凍肉的組織損傷[61]。在解凍過程中，高壓的施加使得凍結樣品與周圍環(huán)境的溫差增大，從而使驅動力和解凍速率增大，因此，該技術在食品冷凍中應用較為廣泛。但是高壓冷凍實驗研究對設備的依賴程度較高，不僅需要快速有效地使高壓腔冷卻到低溫狀態(tài)（如-15 ℃），還需精準地實時測量實驗過程中壓力腔的溫度變化，以保證樣品不提前凍結并在卸壓時得到足夠高的過冷度。

4.3 電場輔助凍結

靜電場主要通過影響冰晶的成核率來輔助凍結，當外加電場作用于水時，水分子將發(fā)生極化并且偶極矩會沿著電場方向重新定向，沿電場方向的水分子需要克服的位能束縛小，更易與冰晶的晶格結構結合，完成相變[62]。這一效應降低了體系的吉布斯自由能，為結晶達到熱力學穩(wěn)定狀態(tài)提供了動力，促進了冰晶成核，通過最大冰晶生成帶的速度加快，從而產(chǎn)生均勻分布的細小冰晶，有助于保持肌肉組織完整和肌纖維密集排列[63]，使冷凍肉的微觀結構得到改善。隨著靜電場強度的增加，冷凍肉的滴水損失減小，并且對肉的顏色和硬度沒有顯著影響[64]。

4.4 磁場輔助凍結

抗磁材料和水分子在磁場作用下容易產(chǎn)生額外的磁偶極矩并且干擾原有規(guī)律的熱運動，影響了水分子的締合，水分子團簇數(shù)量增加，較大的水分子團簇受到洛倫茲力的作用會旋轉變向，氫鍵穩(wěn)定性降低，因此分裂成多個具有較強團簇間氫鍵的小團簇[65]，樣品中水分子之間的連接變得更加緊密，使得水體大量結晶時難以形成大冰晶，導致初始成核溫度降低，加快了相變階段的進程[62]。

磁場下肉品的肌肉結構更清晰，肌纖維間排列更緊密有序，對凍藏期間肉品的色澤、氣味、質(zhì)地等感官品質(zhì)具有改善效果[65]。但目前實驗所用的磁場范圍較小，且每組實驗的重復次數(shù)較少，易降低實驗準確性，因此在以后的研究過程中需要擴大磁場范圍，增加平行實驗次數(shù)以獲得更加一致的結果。

4.5 添加抗凍劑

抗凍劑是一類加入到其他液體（一般為水）中以降低其冰點、提高抗凍能力的物質(zhì)，它也具有溶解冰晶和阻止冰晶長大的作用。常用的抗凍劑主要有糖類抗凍劑以及抗凍蛋白。

4.5.1 抗凍蛋白

抗凍蛋白（antifreeze proteins，AFPs）又稱為冰結構蛋白，廣泛存在于魚類、昆蟲、細菌和植物中。它在不影響溶液熔點的情況下，可以通過非依數(shù)的形式來降低其冰點，從而表現(xiàn)出熱滯（thermal hysteresis，TH）活性[66]；還能夠不可逆地吸附在冰晶表面，動態(tài)地改變其構象，從而抑制冰晶的進一步生長和重結晶，呈現(xiàn)出抑制冰重結晶（ice recrystallization inhibitors，IRI）活性。

IRI活性和TH活性被認為是影響冷凍食品新鮮度和口感的重要因素，擁有IRI活性可以提高顏色穩(wěn)定性，減少在凍融過程中肉品水分流失、微觀結構被破壞[67]的現(xiàn)象；擁有TH活性可以使AFPs與冰晶表面結合并改變冰晶的表面曲率，抑制冰晶的生長，從而降低蛋白質(zhì)的變性程度[35]。但是抗凍蛋白在提取、純化和合成時成本較高、不易產(chǎn)業(yè)化，目前為止還沒有得到廣泛推廣。

4.5.2 糖類抗凍劑

添加糖類抗凍劑是延緩冷凍食品劣變、保持食品品質(zhì)的有效手段，這歸因于糖類抗凍劑的保水作用和抗氧化作用。糖類抗凍劑一方面是通過羥基與食品中的水分以氫鍵連接，促進自由水向結合水轉化，提高保水性[68]并有效抑制冰晶的生成；另一方面是通過清除自由基、螯合金屬離子等方式抑制脂肪和蛋白質(zhì)氧化，提高肌球蛋白的水結合能力[69]和Ca2+-ATP酶活性并且抑制了羰基的形成[70]。表2列舉了冷凍肉類食品中用作抗凍劑的一些天然多糖。目前，應用于冷凍肉制品的糖類抗凍劑種類較少，應該進一步研究，充分發(fā)揮糖類抗凍劑的良好性能以擴大其在冷凍肉制品中的應用范圍。

表2 冷凍肉類食品中用作抗凍劑的天然多糖Table 2 Natural polysaccharides used as antifreeze in frozen meat

5 結 語

新鮮肉的冷凍-解凍過程，同樣也是其內(nèi)部的柔性水和剛性冰相互轉變的過程，水形成冰后體積增大，對肌細胞造成機械損傷，當細胞內(nèi)水分滲到細胞外，又會引起溶質(zhì)損傷，破壞細胞膜結構完整性，隨著貯藏時間延長，重結晶的冰晶會加重對肌肉結構的破壞，顯著影響了冷凍肉制品的品質(zhì)，使口感變差、營養(yǎng)成分流失，甚至產(chǎn)生致癌毒素等。因此，真正影響食品穩(wěn)定性的不是水分含量或水分活度，而是水分遷移的狀態(tài)，在冷凍食品凍藏過程中，水狀態(tài)對食品品質(zhì)和穩(wěn)定性具有重要意義。

雖然結晶是一個自發(fā)的過程，難以控制，但如今超聲波、高壓、電場和磁場以及生物蛋白輔助冷凍技術的應用，在生成細小而均勻分布的冰晶和提高冷凍食品品質(zhì)方面表現(xiàn)出了巨大潛力。然而，只有深入了解這些技術的機理和優(yōu)化工藝參數(shù)，才能盡早實現(xiàn)商業(yè)化應用，這仍需大量的工作。與此同時，若是將諸多新技術結合起來，不斷明確技術的適用場景及優(yōu)化使用效果，通過各種技術的聯(lián)合使用對水-冰-水動態(tài)變化過程產(chǎn)生不同的影響，以實現(xiàn)所需的晶體微觀結構和形貌，將會有效提高冷凍肉制品的品質(zhì)，使冷凍食品行業(yè)受益。