冷凍水產品冷鏈流通過程中品質變化 及調控技術研究進展

韓昕苑，樊震宇，從嬌嬌，姜晴晴，王錫昌*

（上海海洋大學食品學院，上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心， 農業農村部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室，上海 201306）

我國水域面積廣闊，水產品資源豐富。2019年全國水產品總產量達6 480.36萬 t，按當年市場行情計算，2019年全國漁業經濟總產值為26 406.50億 元，總產量 及總經濟價值近5 年來均呈持續上升的趨勢[1]。水產品因其豐富的營養及獨特的風味而深受消費者喜愛。水產品中富含蛋白質（15%～20%）及人體必需氨基酸，雖脂肪 含量低（低于5%），但富含對大腦生長有益的高度不飽和脂肪酸，長期食用對人體健康十分有益[2-4]；此外，水產品還具有肉質細膩、熱量低、消化率高等特點，因此成為新時代餐桌上的食用佳品。

冷凍是目前調節水產品在不同季節和不同區域滿足消費者需求的重要手段，2019年全國冷凍水產品達 1 532.27萬 t，占水產品總產量的23.64%[1]。然而現今國內冷鏈技術管理尚不完善，冷凍水產品在長途運輸、貯藏及銷售過程中，環境中溫度的波動造成冷凍水產品出現反復凍融現象。凍融會直接導致冷凍水產品肌肉中的冰晶發生重結晶現象，冰晶的大小和形態發生變化，細微的冰晶會依附于大冰晶形成更大的冰晶，冰晶生長過程中水分的遷移會奪走與蛋白質表面結合的水，蛋白質之間相互作用增強和二硫鍵的暴露造成蛋白質聚集變性，溶解度下降[5]，冰晶體積的變化也會造成細胞膜破裂，促進氧化物質釋放（血紅素鐵離子）可加劇脂肪氧化[6]， 且在凍融后冰晶升華，肌肉產生海綿狀孔隙，脂肪與空氣接觸面增大也會加劇脂肪氧化，同時冰晶的生長會給肌肉肌纖維帶來不可逆的機械損傷，使肌肉組織結構遭到破壞，從而引起解凍時大量的汁液流失、肌肉質構變差、色澤變暗、風味變差、營養流失等一系列品質劣化現象，最終導致水產品食用品質下降[7-10]。為了改善這種劣變，可采用新型凍結方式、減少冷鏈流通過程中溫度的波動、通過添加物減緩凍融帶來的品質變化，也可以采用不同的解凍方式以改善解凍后水產品的品質。

本文綜述了冷鏈流通過程中不同程度的溫度波動（未發生完全凍融）以及反復凍融對冷凍水產品肌肉品質的影響（包括新鮮度的變化、感官品質的變化、風味物質的變化），并分析了冷凍水產品冷鏈流通過程中的品質劣化機理，最后總結了一些改善冷凍水產品品質的新技術，以期為冷凍水產品流通、貯藏過程中的品質研究提供參考。

1 冷凍水產品冷鏈流通過程中的品質變化

冷凍水產品在冷鏈流通過程中會受環境的影響發生溫度波動，而溫度波動會造成水產品的凍融現象，水產品的中心溫度由凍藏溫度-20 ℃升溫至中心溫度為4 ℃稱為一次完整的凍融過程[11]；在實際的冷鏈流通過程中并不一定會發生多次完整的凍融，也可能僅僅有小范圍少次數的溫度波動。所以研究過程中，一部分學者模擬水產品在冷鏈流通過程中溫度的波動，并研究其對水產品肌肉品質造成的影響[12-14]，另一部分學者將溫度波動極限化，研究反復凍融對水產品肌肉品質的影響。

1.1 溫度波動對冷凍水產品品質的影響

國內外對冷鏈流通過程中水產品品質變化的研究主要集中在模擬冷鏈流通過程中的環境溫度波動對冷凍水產品品質的影響，表1列舉了不同程度的溫度波動對冷凍水產品品質的影響。大部分研究集中在發生溫度波動時水產品微生物指標和新鮮度指標的變化上，可得出結論：溫度波動會導致水產品的總揮發性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量和菌落總數均顯著增大，溫度波動范圍越大，水產品品質劣變越明顯[12,14]； 也有一部分研究測定了溫度波動過程中理化指標的變化，其中持水力等指標均顯著變化[13-14]；有研究發現溫度波動使蛋白嚴重降解，但這種劣化需經歷6 次及以上的溫度波動才會顯著[13]，這可以歸結于冰晶的不同程度生長[15]。

表1 不同程度的溫度波動對冷凍水產品品質的影響Table 1 Effects of different degrees of temperature fluctuation on the quality of frozen aquatic products

1.2 反復凍融對冷凍水產品品質的影響

大部分的學者在研究過程中會將冷鏈流通過程中的溫度波動極限化，直接探究反復凍融對冷凍水產品品質的影響，可使溫度波動對冷凍水產品品質的影響放大，從而更直觀、更明顯地觀測其品質的變化。

色澤是最能直觀影響消費者接受度和購買欲的品質指標之一。根據表2可以發現，大部分情況下隨著凍融次數的增加，亮度L*值和白度呈顯著降低的趨勢，即反復凍融導致水產品肌肉顏色變暗且白度下降，肌肉汁液流失和肌原纖維保水性下降，會改變肌肉的光學特性[16]。b*值隨凍融次數的增加呈顯著升高的趨勢，這說明水產品的肌肉在反復凍融過程中越來越趨近于黃色，這與肌肉的脂質氧化有關[25]。

表2 反復凍融對冷凍水產品品質的影響Table 2 Effects of repeated freezing-thawing cycles on the quality of frozen aquatic products

質構一般通過觸覺感知，消費者可能用手觸摸生鮮水產品的肌肉，也可能用口腔和牙齒觸碰熟制水產品的肌肉。根據表2可以發現，在反復凍融過程中，水產品肌肉的硬度和彈性均呈降低的趨勢，這是由于反復凍融過程中細胞內外冰晶發生重結晶現象，肌肉組織結構遭到破壞，因此呈現松散、軟爛的狀態[26-27]。

汁液損失是冷凍水產品在解凍過程及食用過程的重要品質之一，主要反映為解凍損失和蒸煮損失，而通常通過離心損失率來側面反映肌肉組織的持水能力。根據表2可以發現，隨著凍融次數的增加，水產品肌肉的解凍損失率、蒸煮損失率以及離心損失率均顯著上升，這是由于反復凍融過程中冰重結晶形成的大冰晶會破壞肌肉組織[27]，同時蛋白質在反復凍融過程中會發生交聯和 聚集[28]，其性狀發生改變，無法更好地與水結合，束縛水的能力減弱；因此不易流動水向自由水遷移，汁液損失逐漸增加。

通過反復凍融過程中的K值[17]和TVB-N含量[20]可直觀評價魚肉的新鮮度，通過TBARS值[20,24]可直觀評價魚肉脂肪變性程度，TVB-N含量、K值、TBARS值增加即表明經歷反復凍融后的冷凍水產品品質下降。

2 冷凍水產品冷鏈流通過程中品質劣化機理

水產品在冷鏈流通過程中溫度波動引起的反復凍融會導致其品質發生劣化，營養成分流失，這一劣變過程是由于多種因素疊加共同造成的。其中最為重要的原因可歸納總結為冰晶重結晶、蛋白質變性、脂肪氧化。

2.1 冰晶重結晶

在凍藏或冷鏈流通過程中，由于環境溫度的波動，凍結的水產品會發生反復凍融的現象，溫度升高冰晶發生融化，溫度降低時融化的冰晶再次凍結，這一現象稱為冰晶的重結晶。重結晶的過程中，細微的冰晶消失，聚集成大的冰晶，或附著到大的冰晶上形成更大的冰晶，冰晶數量減少，但個體尺寸增大，稱為冰晶的生長[29]。

如圖1所示，冰晶的生長一般分為3 種形式：積聚、遷移和表面等滲。發生最多的形式是遷移，在溫度波動過程中，溫度稍升高造成小冰晶融化，當溫度再次降低時， 融化的小冰晶會重新依附到大冰晶上形成更大的冰晶，這就是冰晶的遷移；而溫度波動更劇烈，甚至發生徹底反復凍融的過程中，兩個體積相近的冰晶同時發生融化再聚集到一起的形式即為冰晶的積聚；在表面等滲過程中，冰晶會從原有的圓形變成其他尖銳的不規則形狀。冰晶生長過程中水分的遷移會奪走與蛋白質表面結合的水，從而使蛋白質功能基團暴露，發生蛋白質聚集變性，同時冰晶的生長過程中體積變大、形狀變尖銳，擠壓蛋白質分子從而破壞其結構[30]，造成肌肉纖維不可逆的機械損傷，解凍時引起大量汁液流失，肌肉的感官和食用品質下降，并且隨著凍融次數的增加，冰晶尺寸會進一步增大，對肌肉纖維的損傷加劇，使肉的品質顯著變差。

圖1 重結晶的3 種機制（積聚、遷移、表面等滲）[8]Fig.1 Three mechanisms of recrystallization (accretion, migration, and surface isomass)[8]

梁紅等[31]采用電子計算機斷層掃描后構建肌肉3D圖像的方法觀察-18 ℃、-18 ℃升溫1 ℃再降溫1 ℃、 -18 ℃升溫5 ℃再降溫5 ℃、-18 ℃升溫10 ℃再降溫10 ℃ 4 組的冰晶形態及孔隙率。結果表明，隨著溫度波動范圍的遞增，冰晶尺寸增大且數量減少，并形成較大的孔隙。Ullah等[32]探究了溫度波動對冰晶生長的影響，結果表明隨著溫度波動范圍的增加，孔隙間合并幾率增加，冰晶的個體體積也隨之增大。

2.2 蛋白變性

水產品由于蛋白含量豐富而廣受喜愛，因此討論水產品中蛋白質氧化變性與冷凍貯藏的相關性有重要意義。受溫度影響，冷凍會直接造成水產品肌肉蛋白變性，冷凍過程中，肌肉蛋白質受物化因素影響，內部高度規律的空間結構發生改變，蛋白質與水相作用力發生變化，蛋白質二級結構遭到破壞，造成蛋白變性；當溫度波動致使蛋白經歷反復凍融時，冰晶的變化和脫水縮合會對蛋白質天然纖維結構（破壞肌原纖維蛋白的完整性、改變肌球蛋白空間構象）造成不可逆的機械損傷，進而影響鹽溶蛋白的含量、蛋白的凝膠特性、保水性等，結合水與肌肉中大分子蛋白骨架脫離，轉化為自由水，造成蛋白變性[33-35]。

冷藏期間蛋白受其他因素影響會間接造成氧化變性，如脂質氧化誘導蛋白變性，有研究顯示脂質氧化后產生的過氧化物及自由基（COO·、CO·等）會誘導蛋白氧化[36]。也有研究表明血紅蛋白會誘導蛋白變性，主要表現在高鐵肌紅蛋白中Fe3+過多積累可與過氧化物反應，促使自由基向肌球蛋白傳遞、擴散，使得氨基酸側鏈易受到攻擊，進而導致蛋白變性。蛋白質氧化會引起氨基酸側鏈的破壞、肌原纖維蛋白分子間的聚合，使蛋白質空間構象、三維結構均發生變化，從而出現凝膠能力降低、保水力下降、色澤發暗等蛋白氧化現象[37]。

Srinivasan等[38]研究了對蝦在凍融循環過程中的肌肉電泳變化情況，結果顯示經過多次連續的凍融循環，鮮蝦肌肉中肌球蛋白、肌動蛋白和大多數其他肌原纖維蛋白的含量均逐漸減少，這表明隨著凍融次數的增加，肌肉中蛋白質的變性會加劇，從而直接導致肌肉品質劣變。Zhang Yuemei等[39]研究發現凍融循環過程中肌原纖維蛋白的持水能力降低，表面疏水性增加，表明肌原纖維蛋白發生變性，色氨酸光譜分析結果顯示新鮮樣品和反復凍融樣品的汁液之間有明顯的熒光光譜差異，表明肌漿蛋白質發生變性。Cao Minjie等[40]以紅鯛魚片為原料進行研究，發現在凍融循環過程中紅鯛魚蛋白質的二級和三級結構均發生改變，通過顯微鏡觀察微觀結構發現紅鯛魚肌肉組織被明顯破壞，從而導致蛋白質分子束縛水的相互作用逐漸減弱，最終造成不易流動水含量降低，自由水含量增加。

2.3 脂肪氧化

脂肪氧化是導致冷藏期間水產品品質劣變的主要因素之一，脂肪氧合酶最適反應溫度為40 ℃，因此低溫貯藏期間脂肪氧化主要為脂質自氧化[41]，而脂質氧化中間產物能夠導致蛋白質聚合，終產物丙二醛能夠導致蛋白質交聯，同時氧化產生的1-戊烯-3-醇、丙醛、己醛、 2-丙酮、3-羥基-2-丙酮等醛酮類揮發性物質會增加水產品腐敗腥味[42]。溫度波動造成的反復凍融首先使冰晶生長體積變大，進而造成細胞膜破裂，促氧化物質釋放（血紅素鐵離子）可加劇脂肪氧化[6]，且在凍融后冰晶升華，肌肉產生海綿狀孔隙，脂肪與空氣接觸面增大，更加劇了脂肪氧化，進而誘導蛋白氧化變質[36,43]，加速水產品品質劣化。

Boonsumrej等[44]的研究結果顯示，隨著凍融次數的增加，蝦肉的TBARS值增大，說明反復凍融會導致脂肪氧化反應的加劇。Wang Hang等[45]的研究中同樣發現反復凍融冷凍鯉魚的硫代巴比妥酸值增大，水分損失也隨之增加，這說明反復凍融會導致冷凍鯉魚脂質氧化加速并對肌肉組織造成機械損傷，從而導致鯉魚保水性降低。

有研究表明，脂質過氧化的終產物可能會導致蛋白質氧化變性[46]，這就會產生一種劣變的加成效應， 例如Wang Lin等[47]發現添加過量的脂質過氧化產物（濃度高于5 mmol/L）氧化亞油酸時，可導致蛋白質鍵斷裂，從而導致凝膠結構崩潰。朱迎春等[48]研究表明，反復凍融過程中脂肪含量的增加會加速蛋白質的氧化，蛋白質氧化指數（羰基含量、總巰基含量等）與凍融循環和脂肪含量均顯著相關。這說明脂肪氧化可促進蛋白氧化變性，因此改善冷鏈流通過程中冷凍水產品品質的調控技術需考慮到脂質氧化。

3 改善冷鏈流通過程中冷凍水產品品質的調控新技術

綜上所述，在冷凍水產品貯藏、運輸、流通及消費的過程中，溫度波動導致的反復凍融使得水產品的品質發生劣變，為了改善這種現象，可通過以下幾種方法：1）采用新型食品凍結方式；2）減少冷鏈流通過程中溫度的波動；3）通過添加物減緩凍融帶來的品質變化；4）采用不同的解凍方式以改善解凍后水產品的品質。

食品凍結的方式根據熱交換介質的不同包括空氣式、浸漬式、平板式凍結法等，采用新的凍結方式可以改善在凍結過程中肌肉細胞內外冰晶的形態。液氮凍結具有凍結速度極快、得率高、氮氣化學性質穩定、不與其他物質發生化學反應、能更好地維持產品質量和營養價值的特點；超低溫凍結速度是傳統速凍的幾十倍，具有性能穩定可靠等優點，能有效維持水產品的水分、色澤以及原有口感。白妍等[49]研究發現液氮凍結可以降低冰晶對小黃魚肌肉纖維的損傷，抑制肌肉蛋白變性，從而保持其質構特性及微觀結構。鞏濤碩等[50]研究發現，相比于普通的凍結方式，超低溫凍結可以使得金鯧魚的肌原纖維間隙更小，冰晶形態細小且分散均勻，品質保持良好。Sun Qinxiu等[51]研究發現超聲波輔助浸沒冷凍可以降低鯉魚的解凍損失和蒸煮損失，適當的超聲功率還可以降低不易流動水向自由水的遷移率，使魚肉品質可以得到更好的保持。

減少冷鏈流通過程中的溫度波動主要依靠適宜的冷鏈物流體系，使水產品在貯藏、運輸和銷售過程中始終處于恒定的低溫狀態，最大限度地保障其營養價值和食用品質[52]。冷鏈流通過程中可以采用恒溫冰箱貯藏，采用冷鏈低溫車運輸，并在貯藏、運輸和銷售過程中盡量減少冰箱或冷鏈低溫車廂的開合，避免冷凍水產品與空氣接觸，采用多點溫度采集儀實時監測不同流通過程中的溫度變化[53]，然而這些方法成本很高，應用率較低。

最為有效也是目前研究最為熱門的方法就是通過添加物減緩溫度波動對水產品品質帶來的變化，一般采用涂膜、浸泡、噴淋等形式。大量研究表明，添加抗凍劑可有效減輕冷凍貯藏時的蛋白質變性[54-57]。抗凍劑可以提升細胞在冰凍脅迫下抗結冰能力，減緩小冰晶相互結合的 速率，修飾冰晶形態，阻止大冰晶的形成，抑制反復凍融造成的重結晶[58]。圖2是抗凍劑對天然肌動球蛋白中冰晶生長的影響示意圖[59]。抗凍劑中含有親水基團，可以與水相結合使部分自由水轉化為結合水，保證了凍結過程中水的穩定性。并且抗凍劑中還存在能與蛋白質結合的游離基團（例如—OH或—COOH），在蛋白質表面形成了一層保護膜，緩解水產品在凍藏過程中蛋白質分子間次級鍵與二硫鍵的聚集，減少蛋白溶解性的降低，抑制Ca2+-ATPase的活性以及延緩表面疏水基團和巰基的迅速暴露[60]。抗凍劑作用于天然肌球蛋白， 使其冷凍過程中孔隙減小，因此形成細微的冰晶而不是大冰晶[59]。

圖2 抗凍劑對天然肌動球蛋白中冰晶生長的效果示意圖[59]Fig.2 Schematic diagram for the effect of anti-freezing agents on the growth of ice crystals in natural actomyosin[59]

目前應用較為廣泛的抗凍劑分為鹽類、糖類、蛋白質水解物、抗凍肽4 類。研究者們將不同添加物添加到不同的冷凍水產品中，以改善冷鏈流通過程中冷凍水產品的品質，具體研究內容見表3。一般通過鹽類、糖類或抗氧化物質進行單獨或復配處理對水產品進行浸泡、涂膜或噴淋，可以起到抑制冰晶生長、保護肌原纖維蛋白、緩解脂質氧化等作用，從而降低汁液損失、改善色澤、維持質構特性等，有效延長水產品的保質期。

表3 不同添加物對冷凍水產品品質的影響Table 3 Effects of different food additives on the quality of frozen aquatic products

續表3

采用不同新型解凍方式可以從縮短解凍時間及阻礙水產品與空氣接觸等方面改善水產品解凍后的品質。牛改改等[69]研究發現，微波解凍相較于超聲波解凍、流水解凍、冷藏解凍、靜水解凍，近江牡蠣肉解凍后品質最優、解凍時間最短、新鮮度最好、感官評分最高，是一種理想的新型解凍方式。Li Χiuxia等[70]研究發現，低頻超聲解凍顯著縮短了解凍時間并降低了解凍損失，且低頻條件下對肌肉組織破壞作用較小，從而改善了冷凍魷魚解凍后的品質。

4 結 語

水產品在冷鏈流通過程中由于溫度波動導致的反復凍融對水產品的各方面品質均有不同程度的影響，目前國內外對于這方面的研究并不十分深入，冷鏈流通過程與品質變化關系并未完全探明，因此關于冷鏈流通過程中的溫度波動造成的完全凍融或不完全凍融對水產品品質的影響相關機制還需要更深入、系統的研究。

根據大量的數據建立水產品冷鏈流通過程中品質監測體系模型，可以通過水產品在冷鏈運輸終點的品質反向推測水產品在貯藏、流通過程中經歷了幾次凍融或不完全凍融，從而判斷商品價值，并對冷鏈流通過程的溫度波動加以控制，或者添加新型復配天然抗凍劑，從而改善水產品冷鏈流通過程中品質的劣變。