冷凍和解凍技術在水產品中的應用研究進展

張亞瑾 焦 陽,3

(1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海海洋大學食品熱處理技術工程研究中心，上海 201306；3.國家淡水水產品加工技術研發中心〔上海〕，上海 201306)

水產品富含優質蛋白質、不飽和脂肪酸以及維生素等營養成分，是人體蛋白質的主要來源[1-3]。在運輸和貯藏過程中，水產品會因處理不當而導致品質劣變，營養價值降低。水產品的冷凍保鮮包括冷凍、冷藏和解凍，其中凍結和解凍是其運輸和生產過程中的重要環節[4]。

凍結過程中由于低溫抑制了水產品及微生物中大部分酶活性，且水分呈冰晶狀態，降低了生化反應速率，從而很好地保持了水產品品質并延長了其貯藏時間[5]。冰晶的形成包括成核和冰晶生長兩個階段，成核是指足夠數量的分子在三維空間中結合形成一個熱力學穩定的聚合體，即臨界核，其提供了適合晶體生長的表面，而冰晶生長階段是粒子擴散到臨界核表面并有序地聚集到生長晶體上的過程[6]。成核和結晶過程之間的相互作用決定了冰晶體大小、分布和形態等特征，對冷凍食品的質量和冷凍過程的效果有很大影響，因此需要控制冰晶的形成[6-7]。凍結速率較低時，會產生較大的冰晶體；快速凍結會產生小的冰晶體均勻分布在細胞組織中，因此為了保持冷凍食品的凍結品質，應嚴格控制凍結速率[8]。傳統的冷凍、解凍方法包括空氣冷凍、接觸冷凍、水解凍、空氣解凍、低溫庫解凍等，其會對水產品品質造成不同程度的影響，如破壞肌原纖維的完整性及肉質的嫩度、促進脂肪氧化和微量元素損失等。近年來，為提高冷凍水產品品質，新型冷凍、解凍技術如壓力輔助冷凍解凍技術[9-10]、超聲波輔助冷凍解凍技術[11-12]、電磁場輔助冷凍解凍技術[3,13]、歐姆解凍技術[14]等被研發并廣泛應用。新型冷凍技術通過提高冷凍、解凍速率，控制冰晶體大小，降低冰晶體對細胞的機械損傷。與傳統的解凍方法相比，新型解凍技術避免了解凍介質直接與水產品接觸，降低了微生物污染，此外，還可以更加高效地解凍冰晶，保持水產品的營養成分和品質。

文章擬闡述傳統和新型冷凍、解凍方法的作用原理與優缺點，總結傳統和新型冷凍、解凍技術在水產品應用中的研究進展，并提出新型冷凍、解凍技術中存在的問題，旨在為水產食品工業發展提供依據。

1 冷凍技術

冷凍技術在水產品中的應用可以延長水產品的貯藏時間[12]。目前應用于食品的冷凍技術較多，主要分為傳統凍結方法和新型物理場輔助凍結方法，傳統的冷凍技術主要分為空氣凍結法、間接接觸凍結法和直接接觸凍結法；新型物理場輔助凍結技術主要分為壓力輔助凍結法、超聲波輔助凍結法、電場輔助凍結法和磁場輔助凍結法。而冷凍過程可分為3個階段：① 預冷階段，使物料從初溫降低到冰點溫度；② 相變階段，物料中大部分水轉化為冰晶；③ 繼續凍結階段，使物料達到目標溫度。

1.1 傳統冷凍技術

1.1.1 空氣凍結法 空氣凍結法是通過靜止空氣自然對流或者強制對流的方式與食品進行熱交換，使食品凍結。根據凍結裝置的不同可以分為管道式鼓風凍結和隧道式送風凍結[15]。彭歡歡等[16]研究-20 ℃冰箱慢速冷凍和快速冷凍對斑點叉尾鮰魚品質的影響，結果表明冷凍速率越小，形成的冰晶數量越少且體積較大，慢速冷凍會促進蛋白變性。以空氣為介質凍結物料在食品工業中應用較為普遍，但是空氣中的微生物會附于產品表面，由于空氣的導熱性較差，導致凍結時間較長，而且空氣的溫度波動較大，會造成水產品中的水分形成較大冰晶，對水產品的細胞造成損害，降低食品品質。

1.1.2 間接接觸凍結法 間接接觸凍結法是將水產品置于制冷劑或載冷劑已冷卻的板、盤、帶等載冷器上，通過熱交換的方式凍結產品，其中平板凍結較為常見。周俊鵬等[17]研究了-30 ℃平板凍結、-80 ℃冰箱凍結和-80 ℃ 液氮凍結對鮰魚、鱸魚、鱖魚品質的影響，結果表明-30 ℃平板凍結對3種魚的解凍損失最大，且自由水含量增加。間接接觸法接觸壁面的導熱性比空氣的好，相同凍結溫度下其凍結速率較空氣快，成本低、操作方便，但是難以控制凍結后食品的形狀。

1.1.3 直接接觸凍結法 直接接觸凍結法是載冷劑通過噴淋或浸漬的方式與物料直接接觸，以熱交換的方式凍結產品，常見的接觸介質有鹽水和液氮。王雪松等[18]研究表明，鹽漬凍結可以提高凍結速率，但是由于凍結介質與魚體直接接觸，導致蛋白質變性和脂肪氧化程度較高。直接接觸凍結法速率快、能耗低，冷凍介質的導熱系數大，但是對于浸漬冷凍法，冷凍液性能不佳以及傳熱極限等問題制約該技術在水產品中的應用，應提高低溫冷凍液的綜合性能[19]。該凍結方法適用于貼體包裝水產品的凍結，且要保證冷凍液的安全無污染。

1.2 物理場輔助凍結

由于傳統凍結方法存在凍結時間長、冰晶體積大，會對水產品的組織細胞造成機械損傷，不能很好地保持產品的品質，而物理場輔助凍結技術的研發可以很好地解決這些問題。物理場輔助凍結方法應用于水產品，可以縮短凍結時間，提高凍結速率，減小冰晶體積，更好地提高產品品質。常見的物理場輔助凍結法如表1所示。

1.2.1 高壓輔助凍結法 高壓輔助凍結法一般是在200～400 MPa下對食品進行冷凍處理，主要包括高壓凍結法、高壓輔助凍結法和壓力位移輔助凍結法。由圖1可知，當壓力<200 MPa時，冰點溫度隨壓力的升高而下降；當壓力>600 MPa時，冰點溫度>0 ℃，且隨壓力的增加而升高；當壓力>210 MPa，溫度稍高于-20 ℃時，水轉化為體積比冰型Ⅰ更小的冰型 Ⅲ，減少了對細胞組織的損傷；當溫度<-25 ℃，壓力為250～330 MPa時，冰型由Ⅲ轉化為體積更小的冰型Ⅱ，可能是在壓力逐漸增大的情況下，溶液擴散形成更小的冰晶體[22]。Cheng等[23]研究表明，200 MPa 壓力可以有效減少肌動球蛋白的變性，300 MPa壓力是影響肌動球蛋白變性的關鍵點，壓力>300 MPa會促進肌動球蛋白變性。崔燕等[24]研究表明，壓力為300 MPa時會促進蝦殼脫落，隨著壓力的增大，肌原纖維蛋白的破壞程度增加，Ca2+-ATPase活性下降。超高壓輔助冷凍水產品不僅能抑制水產品的蛋白質分解，還能減少冷藏初期的微生物負荷，有效抑制微生物生長[9]。Hurtado等[25]對鱈魚進行超高壓處理(200 MPa，7 ℃，5 min，3次循環)，結果表明微生物減少了一個數量級，相同條件下，400 MPa處理的微生物減少了兩個數量級，但表面有熟化現象。該技術設備成本高，未研發出適合工業生產的連續和半連續工業規模的壓力輔助冷凍設備是影響高壓輔助冷凍技術應用于食品工業的主要原因，同時壓力輔助過程中產生的熱效應影響食品品質等。

圖1 高壓凍結和解凍過程中的水相變化[8]Figure 1 Water phase changes during high pressure freezing and thawing

1.2.2 超聲波輔助凍結法 食品工業生產中應用的超聲波頻率為2×104～2×109MHz。超聲波產生的空化氣泡能促進水產品凍結過程中初級冰晶的形成，空化氣泡破裂產生的微射流，可促進大冰晶破碎成體積更小、分布更均勻的冰晶，改善冰晶對食品品質的影響[26]。Shi等[27]研究表明，0.38 W/cm2超聲波體系可以減少草魚的凍結時間，保持肌原纖維結構，減少解凍損失，并對蛋白質羰基含量無顯著性影響，隨著超聲功率的增加，草魚肌原纖維結構及品質會遭到不同程度的破壞。Sun等[11]研究表明，經175 W超聲輔助浸泡的凍結速率最快，效果最優；經超聲輔助凍結的鯉魚的持水性比傳統凍結方式下的更高，冰晶尺寸減小，提高了魚肉品質。超聲輔助凍結應用于水產品凍結方面的較少，其應用于水果[28]和蔬菜[29]方面的較多。超聲波輔助凍結法雖然可以促進冰晶分布更均勻，顆粒更小，但是聲強控制不當可能會破壞食品品質。此外，超聲處理時間也是影響冷凍成核過程的重要因素之一，處理時間過長會導致生熱，不利于冰的成核。因此，需研究適用于不同種類、重量及尺寸水產品的超聲功率，擴大超聲解凍技術在水產品中的應用范圍。

1.2.3 微波輔助凍結法 微波是一種波長為0.3～300.0 GHz 的電磁波。微波應用于凍結的原理為磁波誘導水分子偶極旋轉產生摩擦熱，摩擦熱在冰晶的成核與生長過程中導致冰晶瞬間反復融化和再生，從而阻礙冰晶體的生長[30]。冰晶尺寸越小，對細胞造成的機械損傷越小，有利于保持細胞完整性和凍結水產品品質[31]。Jackson等[32]研究發現，在乙二醇溶液的玻璃化過程中持續使用微波(2.45 GHz和1 000 W)輔助冷凍可以抑制冰晶形成。Xanthakis等[33]研究表明，微波功率為3 W的微波輔助冷凍使鱈魚組織細胞中冰晶尺寸明顯減小，且在微波處理過程中，溫度的振蕩可能導致冰晶的瞬時反復融化和再結晶，抑制了冰晶的生長。此外，脈沖微波(2.45 GHz)輔助冷凍法在豬里脊[30]中形成了更小的冰晶，并降低了過冷度，且由于微波生熱，凍結速率隨微波功率的增加而降低。目前，有關微波輔助凍結水產品的研究較少，后續可以擴大微波在水產品凍結的應用范圍，開發針對不同物料的微波輔助凍結參數，通過對物料進行品質分析，探索微波輔助冷凍法對水產品品質的影響。

1.2.4 射頻輔助凍結法 射頻是一種波長為0.3～300.0 MHz 的電磁波，其在電極之間產生交變電場，水和食品中的帶電離子不斷地向兩極重新定向(如圖2所示)。射頻應用于冷凍食品中，其原理與微波相似，誘導水分子偶極旋轉，降低冰點，促進冰晶和更多成核位點的形成，并將初始冰晶分解成小冰晶[21,34-35]。射頻輔助凍結的凍結速率優于微波輔助凍結，可能是因為射頻可以更好地促進冰晶成核[36]。Hafezparast等[36]利用射頻輔助冷凍虹鱒魚(其射頻輔助冷凍裝置如圖3所示)，研究表明射頻輔助冷凍法的凍結速率與傳統鼓風凍結法的相當，但是射頻輔助冷凍法可以有效減小冰晶尺寸，當電極間距為2 cm時，形成的冰晶尺寸約為對照組的75%，其顏色、質構與新鮮樣品相似。目前，射頻輔助冷凍法僅在實驗室研究中取得了較好的效果，尚未拓展到食品工業應用中，后續可探索射頻輔助凍結中試放大的可行性，并擴大其對水產食品的應用范圍，對工業應用提供更多的理論依據。

2 解凍技術

冷凍水產品在進一步加工前需先進行解凍，食品工業中冷凍水產品的解凍終溫一般為-2～-5 ℃，此溫度下，解凍后的水產品便于切割或進一步深加工利用[38-40]。由于水產品中含有大量不飽和脂肪酸，不適當的解凍方法會造成水產品脂肪氧化、水分流失、蛋白質氧化以及微生物污染等問題[41-42]。為保證冷凍水產品解凍后能保持較好的品質，應根據水產品的種類、凍結前后物料的狀態和解凍后的用途采用較優的解凍方法。解凍技術一般分為傳統解凍技術和新型解凍技術，新型解凍技術主要有超聲波解凍法、高壓靜電場解凍法、歐姆解凍法、微波解凍法和射頻解凍法(表2)。

圖2 射頻加熱機理[34]Figure 2 Mechanism of RF heating

1.下極板 2.聚四氟乙烯板 3.樣品 4.上極板 5.射頻腔 6.氣流 7.冰箱內表面 8.射頻發生器圖3 射頻輔助冷凍虹鱒魚的試驗裝置[37]Figure 3 Experimental setup for radio frequency assisted frozen rainbow trout

2.1 傳統解凍法

2.1.1 空氣解凍法 空氣解凍在食品工業和生活中比較常見，一般在15 ℃、相對濕度90%～95%下進行[43]。通過空氣對流傳熱，使凍結食品由外向內逐漸解凍。常見的空氣解凍主要為靜止空氣解凍、流動空氣解凍和加壓流動空氣解凍[44]。該方法操作簡單、成本低，但是由于其解凍時間長，凍結食品的水分容易揮發，汁液流失比較嚴重，空氣中的微生物會接觸食品表面，從而降低食品的營養價值[45]。

2.1.2 水解凍法 水解凍法的解凍速率較空氣解凍法的快，對水產品品質影響較小，但是解凍后水產品汁液流失嚴重，微生物容易污染食品表面，適合于解凍有包裝的凍結食品。余文暉等[46]采用4種解凍方法(空氣解凍、靜水解凍、流水解凍和微波解凍)解凍金槍魚，結果表明，靜水解凍可以保持金槍魚的品質，具體表現為解凍后魚肉蛋白質變性不明顯，且持水力較高，解凍損失較低，有良好的質構特性。水解凍時，水溫不宜超過18 ℃，且水解凍適合于帶包裝的厚度較小的冷凍水產品的解凍，避免水與待解凍物料直接接觸產生交叉污染。

2.2 新型物理場解凍法

2.2.1 超聲波輔助解凍 超聲波解凍的原理主要是利用其熱效應，使介質內部溫度升高，解凍迅速且溫度分布較均勻，這主要由于超聲波在凍融邊界附近迅速衰減，將超聲波在介質中產生的振動能量轉化為熱能，從而達到解凍的目的[12,47]。Kissam等[48]采用超聲波(1 500 Hz，60 W)水浸解凍對魚塊進行解凍，與水浸解凍相比，其解凍時間縮短了71%，但兩種解凍方法對魚塊品質的影響無顯著性差異。Mingtang等[49]使用超聲結合微波和超聲結合遠紅外的方法解凍黑鱸魚，并測定了蛋白質的聚集及其二級結構，結果表明，兩種方法均可以保持蛋白質的穩定性和凝膠性，并改善魚肉品質。Lu等[50]研究了超聲波結合微波和超聲波結合紅外解凍紅姑魚，發現兩種方法均可抑制蛋白質的變性和水分遷移。超聲輔助解凍技術雖然是一種新穎有效的技術，但其功耗高、局部加熱、穿透性差等問題仍然存在[51]。

2.2.2 高壓靜電場解凍法 高壓靜電場產生的微能量能加速凍結食品的冰層結構氫鍵斷裂，使冰晶粒徑減小，促進冰晶過渡到水的狀態，以達到加速解凍速率的目的[52]。Mousakhani等[53]在電極間隙為3.0，4.5，6.0 cm，電壓為4.5～14.0 kV下解凍金槍魚，發現高壓電場解凍可以顯著提高金槍魚的解凍速率，抑制微生物生長，并降低總揮發性鹽基氮含量，但是魚的顏色、質構、蛋白質的溶解度降低。Li等[54]研究表明，高壓靜電場不僅可以有效縮短鯉魚的解凍時間，提高魚肉的持水力和降低微生物數量，還可以提高AMP-脫氨酶活性。唐夢等[55]研究表明，3.8 kV 高壓靜電場的解凍速率為空氣的1.59倍，而且較好地保持了金槍魚的品質。高壓靜電場解凍技術的解凍速率快，能較大程度保持水產品的品質，但是由于解凍環境濕度大，電壓較高的情況下，空氣可能會被擊穿，存在一定的安全隱患，后續需深入探究不同電壓和電極間隙等條件對不同類型水產品的解凍速率、蛋白質以及微生物的影響。

2.2.3 歐姆解凍 歐姆解凍又稱電阻解凍，其解凍原理為電流通過冷凍食品形成電阻，電能在食品內部瞬間轉化為熱能，從而快速解凍冷凍食品[14,56]。Miao等[57]發現魚糜的解凍速率隨電極溶液濃度的增加而線性增加，由于歐姆解凍速率較快，從而抑制解凍過程中重結晶生成，并且經歐姆解凍后的魚糜凝膠比傳統解凍方法的更強。Liu等[58]研究表明，水分含量高和脂肪含量低的金槍魚部位電導率最高，解凍速率最快，且沿肌肉紋理平行放置電極和肌肉膜的去除會提升其電導率，加快金槍魚的解凍速率。歐姆解凍應用于冷凍水產品中，由于電極直接與樣品接觸，可能會對食品造成污染，對于非均質的食品解凍，由于食品內部電阻不同會造成解凍不均勻現象。目前，有關歐姆解凍在水產品中的應用尚且較少，后續可以將歐姆解凍應用于較薄的片狀或塊狀的水產品中。

表2 新型物理場解凍法原理及評價Table 2 Principles and evaluation of new physical field thawing method

2.2.4 微波解凍法 微波解凍的原理是食品內部偶極子在交變電磁場的作用下不斷轉動，摩擦產生熱量，可顯著提高其解凍速率[59]。Baygar等[60]研究表明，經微波解凍多次凍融的鱸魚，其pH、揮發性鹽基氮(TVB-N)、三甲胺(TMA-N)、硫代巴比妥酸值(TBA)值升高，粗蛋白和粗脂肪含量降低，魚鰭、魚尾等部位有熟化現象，建議不宜采用微波解凍反復凍融的整條魚。微波解凍存在溫度分布不均勻的問題，由于在解凍過程中，魚的尾和鰭部位肉質薄，其介電損耗常數在解凍過程中會急劇增加，吸收更多熱量，而未解凍的部位吸收的熱量較少，造成邊角過熱[61-62]。宦海珍等[63]研究表明，500 W微波對魷魚的保水性及顏色的影響最小，微波解凍速率顯著優于冷藏解凍，但是不利于秘魯魷魚品質保持。Zhang等[64]研發了915 MHz中頻微波解凍系統的數值模擬模型，并分析了其加熱特性。后續應優化適當的數字模擬模型，以解決微波加熱不均勻的問題。

2.2.5 射頻解凍法 射頻解凍原理與微波解凍的相同，射頻的電磁波頻率低于微波，其穿透深度較大，解凍速度快，均勻性相對較好，可較好地保持水產品品質。Llave等[39]研究表明，當解凍終溫為-3～1 ℃時，金槍魚的冰晶開始融化成水，介電常數增大，與傳統解凍方法相比，其解凍速率減小了3倍，且溫度分布均勻。王亞盛[65]研究了27.12 MHz射頻體系解凍鲅魚，結果表明解凍后的鲅魚色澤和質構較好，解凍速率較快且溫度分布較為均勻，這是由于射頻穿透深度遠大于鲅魚塊厚度，提高了樣品的溫度分布均勻性。Koray等[66]采用射頻解凍1.5 kg 蝦塊，發現射頻解凍蝦塊溫度分布均勻，當極板間距為15 cm，射頻時間為7 min時，蝦塊中心溫度由-22 ℃升至-3 ℃。Bedane等[67]研究表明在傳送帶條件下解凍食品物料可以提高溫度分布均勻性。Llave等[68]建立了金槍魚射頻解凍的數學模型，使用13.56 MHz的平行板射頻系統測試模擬結果，通過建立數學模型，發現上電極尺寸與樣品表面尺寸接近時，解凍均勻性最佳。He等[69]研究表明解凍樣品為圓柱狀時，可減少邊角效應，提高解凍均勻性。射頻解凍適用于體積較大的塊狀水產食品，對于不規則水產食品的解凍可以通過改善樣品形狀[13]以及解凍環繞介質等方法提高射頻解凍均勻性，并進一步研究水產品解凍后的理化性質。此外，通過建立數學模型，減小研究成本和試驗中的誤差，促進射頻技術更好地應用于水產品解凍中。

3 結論及展望

為防止腐敗，冷凍水產品的加工、貯藏、運輸、銷售過程中都應保持在溫度較低的環境中。將新型冷凍解凍技術應用于冷凍水產品冷鏈中，擴大新型冷凍解凍技術的應用范圍，可以在銷售前最大程度保持水產品的品質。傳統的冷凍、解凍技術成熟，但處理時間長，水產品品質受到了較大程度的影響。新型冷凍、解凍技術的應用可以較大程度保持水產品的品質，但仍存在一些固有的問題，如成本較高、對不同種類的水產品普適性較差以及不能實現大批量生產等問題。因此需要更深入地研究其機理，針對不同種類、形態、組分的水產品，優化新型凍結、解凍技術及工藝，并使用多重聯合冷凍、解凍技術，擴大新技術在水產品中的應用范圍。研究過程中應深入對凍結、解凍后的水產品進行理化品質分析，探究新型冷凍、解凍技術對水產品品質的影響。此外，需進一步研發適合工業使用的凍結、解凍設備，減小處理空間并提升產量，實現新型凍結、解凍技術在食品工業中的大規模生產。