APPS | 水產(chǎn)品在液氮速凍過程中的品質(zhì)變化研究進(jìn)展

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Abstract

冷凍是一種常見的食品保藏技術(shù)，通過抑制微生物和酶活性來延長食品貨架期。在各種冷凍方法中，液氮速凍以其超快的凍結(jié)速率而著稱，這對于保持極易腐敗的水產(chǎn)品的品質(zhì)至關(guān)重要。然而，目前缺乏一個(gè)將液氮速凍的物理優(yōu)勢與品質(zhì)保持的潛在生化機(jī)制聯(lián)系起來的綜合框架。本綜述通過比較浸漬冷凍、冷氣循環(huán)冷凍和噴淋冷凍等主要液氮速凍方法的工作原理、優(yōu)勢與局限性，系統(tǒng)性地彌補(bǔ)了這一知識(shí)缺口。本文隨后詳細(xì)闡述了液氮速凍對各種水產(chǎn)品品質(zhì)參數(shù)已得到定量證實(shí)的益處。本綜述一個(gè)關(guān)鍵性的獨(dú)特貢獻(xiàn)在于提出了鐵死亡，一種鐵依賴性、脂質(zhì)過氧化驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞死亡途徑，作為一種新穎且合理的機(jī)制假說，用以解釋液氮速凍所抑制的品質(zhì)劣變。此外，本綜述探討了液氮速凍與預(yù)處理相結(jié)合的協(xié)同潛力。最后，我們對該領(lǐng)域內(nèi)的智能化過程控制與可持續(xù)發(fā)展提供了前瞻性展望。本研究不僅整合了現(xiàn)有知識(shí)，還提供了一個(gè)新的理論視角（鐵死亡）和一個(gè)實(shí)用框架（復(fù)合技術(shù)），以指導(dǎo)高質(zhì)量冷凍水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的未來研究與創(chuàng)新。

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Introduction

水產(chǎn)品是全球范圍內(nèi)優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的重要來源。近年來，由于疫情爆發(fā)，人們更傾向于在雜貨店購買冷凍魚制品，以便在家中儲(chǔ)存非易腐食品，從而增加了對冷凍魚制品的需求。因其獨(dú)特的生活環(huán)境，魚類、甲殼類和軟體動(dòng)物等水產(chǎn)品的肌肉及其他可食用部分富含蛋白質(zhì)、脂肪、多種維生素和無機(jī)鹽。一般而言，魚、蝦和蟹肉含有15%～22%的粗蛋白，而貝類的蛋白質(zhì)含量相對較低，為8%～15%，具體含量因種類和季節(jié)而異。因此，水產(chǎn)品貨架期較短，其品質(zhì)變化主要由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化與降解引起。魚類在捕撈、運(yùn)輸、加工和儲(chǔ)存過程中易受蛋白酶作用和微生物污染，這會(huì)導(dǎo)致水產(chǎn)品表面變色、發(fā)霉、出現(xiàn)異物等，影響其市場價(jià)值和食品安全，并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。例如，魚類極易腐敗變質(zhì)，腐敗蛋白質(zhì)中的結(jié)構(gòu)蛋白可被微生物中的蛋白酶水解為肽和氨基酸，從而導(dǎo)致魚的質(zhì)構(gòu)、水分分布、顏色和持水性等理化性質(zhì)發(fā)生變化。微生物群落會(huì)根據(jù)水產(chǎn)品的種類、加工操作和儲(chǔ)存條件而發(fā)生顯著變化；因此，為了抑制微生物酶的活性并最大限度地減少不良化學(xué)反應(yīng)，冷凍通常是首選的保藏方法。如圖1所示，微生物作用于魚體蛋白質(zhì)，分解后的氨基酸經(jīng)歷轉(zhuǎn)氨、脫氨和脫羧代謝，產(chǎn)生α-酮酸、氨和多種生物胺等反應(yīng)。含硫氨基酸、支鏈氨基酸和芳香族氨基酸的微生物分解是研究的重點(diǎn)，因?yàn)檫@些物質(zhì)與產(chǎn)生具有異味的揮發(fā)性有機(jī)化合物有關(guān)。

圖1 腐敗微生物誘導(dǎo)的魚類蛋白質(zhì)降解過程

甲殼類動(dòng)物由于體型小、通常未經(jīng)去除內(nèi)臟處理，且含有高含量的非蛋白氮化合物、多不飽和脂肪酸及黑色素，因此貨架期極短。此外，死亡后發(fā)生的自溶、黑變、脂肪氧化和微生物腐敗等變化，加速了甲殼類水產(chǎn)品品質(zhì)的下降并縮短了其貨架期。貝類在加工和儲(chǔ)存過程中脂質(zhì)的變化是產(chǎn)生異味和品質(zhì)劣化的主要原因之一。貝類含有高比例的不飽和脂肪酸，這些脂肪酸在后續(xù)加工過程中會(huì)因氧化而發(fā)生變化。一些學(xué)者將磷脂的水解歸因于游離脂肪酸的增加，而另一些學(xué)者則認(rèn)為多不飽和脂肪酸的氧化或中性脂質(zhì)的水解導(dǎo)致了脂質(zhì)劣變。

為保持水產(chǎn)品品質(zhì)，常選擇低溫凍藏。蛋白質(zhì)和脂肪的氧化程度、肌肉組織結(jié)構(gòu)、顏色與質(zhì)構(gòu)以及水分流失會(huì)因不同的冷凍技術(shù)、操作和凍結(jié)處理速度而異。傳統(tǒng)的冷凍方法，如空氣凍結(jié)和浸漬凍結(jié)，通常會(huì)產(chǎn)生較大的冰晶，從而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致解凍過程中的品質(zhì)損失。本研究比較了當(dāng)前常見的液氮速凍方法，并介紹了魚類、蝦類、貝類及藻類在凍結(jié)過程中的品質(zhì)變化。對草魚、烏賊和太平洋牡蠣的研究比較表明，液氮速凍技術(shù)能產(chǎn)生更小的冰晶，并且冷凍食品的干耗率更低。

此外，本文簡要討論了將液氮速凍與其他保鮮方法結(jié)合以提升水產(chǎn)品品質(zhì)的途徑，總結(jié)了液氮速凍的優(yōu)勢，并展望了未來的研究方向。

02

常見的液氮冷凍方法

液氮冷凍原理

液氮冷凍之所以能夠?qū)崿F(xiàn)快速凍結(jié)并生成細(xì)小冰晶以減少食品品質(zhì)劣變，其核心原理源于其極低的溫度特性，這使得其能夠?qū)崿F(xiàn)高效傳熱、精確調(diào)控冰晶成核與生長動(dòng)力學(xué)，并具備在特定條件下實(shí)現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變的潛力。首先，液氮（常壓下沸點(diǎn)為－196 °C）與食品樣品（初始溫度通常在0～25 °C）之間近200～220 °C的巨大溫差，賦予了極高的熱流密度。在216 °C的溫度梯度下，每千克液氮相變汽化可吸收199 kJ的潛熱，同時(shí)伴隨著216 kJ/kg的顯熱交換，總吸熱能力達(dá)到415 kJ/kg。這顯著縮短了樣品通過關(guān)鍵“最大冰晶生成帶”的時(shí)間。例如，經(jīng)液氮冷凍的河鱸僅需12秒即可通過該區(qū)域，遠(yuǎn)快于浸漬冷凍的1.3 min和空氣凍結(jié)的12 min。通常，當(dāng)熱中心溫度處于0～－5 °C范圍時(shí)，食品中約80%的水分可凍結(jié)成冰。因此，該溫度范圍被稱為最大冰晶生成帶（臨界區(qū)），樣品在此臨界區(qū)內(nèi)停留的時(shí)間決定了冰晶的分布和大小。

其次，液氮冷凍技術(shù)通過超快速冷卻創(chuàng)造出高度過冷狀態(tài)，從而誘導(dǎo)大量、均勻的成核，形成細(xì)小且分布均勻的冰晶。在純水中實(shí)現(xiàn)均勻成核需要顯著的過冷度，而液氮提供的超低溫環(huán)境恰好滿足了這一要求。此外，相關(guān)公式表明冰晶尺寸與冷卻速率成反比，即冷卻速率越快，形成的冰晶越小。因此，液氮冷凍不僅能有效提高成核密度，還能顯著抑制冰晶生長，最終改善冷凍產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)和品質(zhì)。例如，經(jīng)液氮冷凍處理的河鱸，其內(nèi)部冰晶等效直徑僅為（12.30±0.33）μm，是浸漬冷凍組的67%，空氣凍結(jié)組的15.6%，且冰晶面積占比顯著更低，為（7.61 ± 2.81）%。

再者，食品體系在玻璃態(tài)下具有高度穩(wěn)定性。液氮速凍可能使食品體系通過極端冷卻快速繞過冰晶生成帶，直接轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)。這能有效抑制冰晶生長，促進(jìn)形成更細(xì)小、更均勻的冰晶結(jié)構(gòu)，并避免傳統(tǒng)冰晶對細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成的機(jī)械損傷。

常見的液氮冷凍方法

冷凍是最常見的食品保藏方法之一。隨著全球生活水平的不斷提高，消費(fèi)者追求更高質(zhì)量的食品，因此新型低溫食品加工方法應(yīng)運(yùn)而生。然而，傳統(tǒng)冷凍技術(shù)存在凍結(jié)時(shí)間長、營養(yǎng)成分損失和色澤變化等問題，且所用制冷劑會(huì)加劇臭氧層消耗和溫室效應(yīng)。液氮速凍是一種利用液氮吸收食品潛熱和顯熱以實(shí)現(xiàn)高效傳熱的技術(shù)；此外，氮?dú)馐且环N低成本且儲(chǔ)量豐富的資源。液氮是空氣液化的副產(chǎn)品，冷凍處理后排放到空氣中對環(huán)境無影響，且安全性也大大提高，使其成為一種理想的制冷劑。

國際上關(guān)于液氮噴淋技術(shù)的研究主要集中于噴霧特性、傳熱及冷卻能力。研究重點(diǎn)主要是液氮制冷速凍的熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)分析、其能耗與冷凍能力的分析，以及對液氮流態(tài)化系統(tǒng)冷凍性能的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究。近年來，食品工業(yè)中各種液氮制冷設(shè)備得到了大力推廣和應(yīng)用。液氮的使用方法大致可分為三種：液氮浸漬凍結(jié)、液氮冷氣循環(huán)冷凍和液氮噴淋冷凍。

液氮浸漬凍結(jié)

液氮溫度極低，通常為－196 °C，能夠快速冷凍或冷卻食品。這種凍結(jié)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是使用具有高熱導(dǎo)率的液體作為傳熱介質(zhì)。圖2A展示了該裝置的示意圖，其工作原理是樣品與制冷劑直接接觸。這種直接接觸能夠?qū)崿F(xiàn)快速熱交換和凍結(jié)。需要指出的是，浸漬凍結(jié)技術(shù)細(xì)分為直接浸漬凍結(jié)技術(shù)和間接浸漬凍結(jié)技術(shù)。與直接浸漬凍結(jié)技術(shù)相比，間接浸漬凍結(jié)技術(shù)的凍結(jié)效率較低，但其優(yōu)點(diǎn)在于無需計(jì)算制冷劑載體與凍結(jié)物之間的物質(zhì)交換，提高了制冷劑載體的選擇性和食品的安全性。這些操作和安全上的優(yōu)勢使得間接浸漬凍結(jié)技術(shù)在工業(yè)實(shí)踐中更具成本效益，應(yīng)用也更廣泛。

圖2 常見液氮冷凍設(shè)備工作流程示意圖

然而，與此同時(shí)，在使用液氮浸漬方法時(shí)需要格外注意安全，避免與液氮直接接觸，并防止蒸發(fā)的氣體對人體造成傷害。

液氮冷氣循環(huán)冷凍

液氮冷氣循環(huán)冷凍利用液氮極低的沸點(diǎn)（約－196 °C）實(shí)現(xiàn)快速傳熱。在此過程中，存儲(chǔ)在專用容器中的液氮通過管道輸送至冷凍單元。液氮通過噴射器或噴嘴進(jìn)入冷凍設(shè)備后，一旦接觸到溫度較高的食品便立即汽化，從而迅速降低溫度，實(shí)現(xiàn)快速冷卻。這種從液態(tài)到氣態(tài)的相變吸收了大量的潛熱，導(dǎo)致溫度急劇下降。產(chǎn)生的低溫氮?dú)怆S后在產(chǎn)品周圍循環(huán)流動(dòng)，確保均勻的傳熱和溫度分布。液氮冷氣循環(huán)冷凍設(shè)備的示意圖見圖2B。

對鯰魚魚片的研究表明，與傳統(tǒng)鼓風(fēng)冷凍相比，該方法可實(shí)現(xiàn)更高的凍結(jié)速率和顯著更短的凍結(jié)時(shí)間。低溫氮?dú)饪稍诶鋬鍪覂?nèi)循環(huán)，進(jìn)一步提高傳熱效率和溫度均勻性。

盡管冷氣循環(huán)冷凍可控性更強(qiáng)，但在魚蝦冷凍過程中易發(fā)生干耗和重量減輕。

液氮噴淋冷凍

液氮噴淋冷凍通過噴射器將液氮噴灑至食品表面，使其迅速蒸發(fā)以吸收熱量并降低溫度。圖2C展示了該設(shè)備的示意圖。目前，該技術(shù)已在金鯧魚、三疣梭子蟹和克氏原螯蝦的儲(chǔ)藏與運(yùn)輸中得到應(yīng)用。噴淋方式可通過上方或多角度噴灑，充分覆蓋食品表面。液氮噴淋冷凍可通過調(diào)節(jié)噴淋時(shí)長和頻率來控制。可根據(jù)食品特性和需求調(diào)整噴淋時(shí)間，以達(dá)到理想的冷凍效果。目前已有相關(guān)研究通過設(shè)置不同的冷凍溫度，探討液氮冷凍對太平洋牡蠣品質(zhì)和風(fēng)味的影響。由于液氮迅速蒸發(fā)，液氮噴淋冷凍可避免食品表面形成大冰晶，并減輕冷凍過程中冰晶造成的損傷程度。液氮噴淋冷凍產(chǎn)生的細(xì)小細(xì)胞內(nèi)冰晶能夠最大限度地減少對肌肉纖維的損傷。

然而，當(dāng)使用液氮冷凍處理甲殼較厚的梭子蟹時(shí)，甲殼容易破裂，影響銷售。這種破裂的主要物理原因是熱應(yīng)力，由快速冷卻的甲殼與冷卻較慢的內(nèi)層組織之間收縮不均所產(chǎn)生。這一挑戰(zhàn)可以有效解決。例如，在冷凍前涂覆一層水冰衣可起到保護(hù)屏障的作用，減緩初始冷卻速率并使應(yīng)力分布更均勻，從而防止破裂。除了包冰衣外，壓力轉(zhuǎn)移冷凍等先進(jìn)技術(shù)也有望通過促進(jìn)產(chǎn)品整體更均勻的凍結(jié)來解決這種“機(jī)械損傷”，從而最大限度地減少破壞性熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

目前，仍需研究如何利用液氮速凍技術(shù)來降低水產(chǎn)品品質(zhì)的變化。

液氮冷凍的挑戰(zhàn)與局限

在食品工業(yè)中使用液氮進(jìn)行冷凍，對于保持產(chǎn)品質(zhì)量具有顯著優(yōu)勢；然而，其工業(yè)應(yīng)用需要仔細(xì)考量成本、可擴(kuò)展性、法規(guī)合規(guī)性、能源需求以及安全規(guī)范。液氮速凍系統(tǒng)的初始投資通常低于機(jī)械冷凍系統(tǒng)，因?yàn)樗鼰o需大型壓縮機(jī)機(jī)組。然而，由于持續(xù)的液氮消耗，其運(yùn)營成本可能仍然較高，這取決于供應(yīng)量和使用規(guī)模。此外，食品加工中使用的液氮必須是食品級的，以確保消費(fèi)者安全。工作場所的安全同樣至關(guān)重要，因?yàn)椴划?dāng)處理液氮可能導(dǎo)致低溫灼傷，并在密閉空間中造成窒息風(fēng)險(xiǎn)。

除了經(jīng)濟(jì)和安全方面的考量，液氮速凍的效果對某些特定的食品基質(zhì)存在局限。對于動(dòng)物源性產(chǎn)品，研究表明將其應(yīng)用于雞蛋可能導(dǎo)致質(zhì)構(gòu)、流變性和顏色特性發(fā)生顯著的負(fù)面改變。對于植物基產(chǎn)品，結(jié)果各異；例如在甜菜根和藍(lán)莓中，可能導(dǎo)致多酚和抗壞血酸的損失。對于一些高價(jià)值產(chǎn)品（如冬蟲夏草），雖然液氮速凍可以提高品質(zhì)，但高昂的初始成本和能耗阻礙了該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向規(guī)模化生產(chǎn)的推廣。在水產(chǎn)品領(lǐng)域，盡管效益顯著，但極快的冷卻速率可能引起熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致某些種類（如尼羅羅非魚）的肌肉纖維開裂或斷裂。

03

液氮冷凍對水產(chǎn)品品質(zhì)的影響

富含蛋白質(zhì)的水產(chǎn)品在冷凍和貯藏過程中易發(fā)生氧化。脂質(zhì)變化、肌紅蛋白及其他促氧化劑會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，增加蛋白質(zhì)表面疏水性及氧化敏感性。源自蛋白質(zhì)的活性氮物種、氫原子以及活性氧可導(dǎo)致肌肉蛋白發(fā)生氧化應(yīng)激，引起必需氨基酸發(fā)生不可逆的改變，從而降低營養(yǎng)價(jià)值。這在蛋白質(zhì)攝入量較低的地區(qū)尤為值得關(guān)注。此外，蛋白質(zhì)氧化會(huì)導(dǎo)致氨基酸消化率和生物利用度下降，可能使某些氨基酸不能充分用于蛋白質(zhì)合成。有研究報(bào)道，氧化酪蛋白可誘導(dǎo)小鼠肝、腎組織纖維化。

冷藏可延長水產(chǎn)品的貨架期，但在貯藏期間其品質(zhì)不可避免地發(fā)生變化。冷凍通過形成冰晶破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并釋放催化脂質(zhì)氧化的物質(zhì)。對暗紋東方鲀和斑點(diǎn)叉尾鮰的研究表明，液氮速凍能產(chǎn)生更小的冰晶直徑，減少細(xì)胞損傷，從而更好地保持品質(zhì)。

在冷凍和貯藏過程中，自由基、冰晶和酶會(huì)氧化脂質(zhì)，改變其外觀、風(fēng)味、營養(yǎng)價(jià)值和貨架期。冷凍過程中會(huì)發(fā)生干耗。脫水會(huì)使肌肉組織中的表面脂質(zhì)暴露，導(dǎo)致脂質(zhì)氧化，產(chǎn)生哈敗味及色澤變化。脂肪含量高的水產(chǎn)品易失去新鮮度和顏色，直接或間接影響品質(zhì)。液氮速凍通過迅速降低溫度、縮短冰晶形成所需時(shí)間以及最小化細(xì)胞損傷來緩解這些問題。這種快速冷凍技術(shù)還能限制蛋白質(zhì)和脂質(zhì)暴露于氧化環(huán)境的時(shí)間，從而保持水產(chǎn)品的營養(yǎng)和感官品質(zhì)。

富含不飽和脂肪酸和蛋白質(zhì)的水產(chǎn)品存在鐵死亡的風(fēng)險(xiǎn)，這是一種由鐵依賴性脂質(zhì)過氧化物和活性氧驅(qū)動(dòng)的新型程序性細(xì)胞死亡形式。其致死途徑不同于細(xì)胞凋亡等途徑。鐵死亡途徑依賴于谷胱甘肽過氧化物酶4（圖3A）。抑制劑Erastin通過抑制System Xc?對半胱氨酸的攝取，RAS選擇性致死化合物3則通過抑制GPX4的活性來誘導(dǎo)鐵死亡。圖3B展示了鐵驅(qū)動(dòng)的脂質(zhì)過氧化死亡途徑。進(jìn)入不穩(wěn)定鐵池的鐵離子主要以Fe2?形式存在，其通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基。這兩條途徑共同作用，導(dǎo)致過氧化物積累，從而引發(fā)鐵死亡。

圖3 GPX4依賴性鐵死亡及鐵驅(qū)動(dòng)脂質(zhì)過氧化鐵死亡機(jī)制示意圖

液氮速凍在調(diào)節(jié)鐵死亡中的潛在作用值得進(jìn)一步研究。快速冷卻可能有助于限制表征鐵死亡的活性氧爆發(fā)和脂質(zhì)過氧化。探究該機(jī)制是否有助于保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和減少質(zhì)量損失，是未來一個(gè)有前景的研究方向。

線粒體膜電位及各種呼吸酶的變化會(huì)影響線粒體活性氧的產(chǎn)生。一項(xiàng)關(guān)于冷藏牛肉的研究揭示了三天后線粒體鐵死亡的形態(tài)學(xué)特征。這些發(fā)現(xiàn)為一個(gè)新假說奠定了基礎(chǔ)：液氮速凍可能通過迅速降低溫度來減輕線粒體氧化應(yīng)激，從而減少活性氧積累，并可能延緩鐵死亡的發(fā)生，這反過來有助于維持水產(chǎn)品的完整性。

然而，這一提出的關(guān)聯(lián)目前仍是推測性的，并凸顯了若干關(guān)鍵的知識(shí)缺口。最重要的是，目前缺乏冷凍-解凍后水產(chǎn)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡的直接證據(jù)。尚不清楚鐵死亡的標(biāo)志性事件，如GPX4失活、谷胱甘肽耗竭以及磷脂氫過氧化物的積累，是否由冷凍和解凍過程直接觸發(fā)。

為彌補(bǔ)這些缺口并驗(yàn)證該假說，提出以下有針對性的實(shí)驗(yàn)方案：

1）生物標(biāo)志物檢測：定量分析經(jīng)不同冷凍方法處理的水產(chǎn)肌肉組織中關(guān)鍵的鐵死亡生物標(biāo)志物。這包括測定GPX4活性和蛋白表達(dá)、還原型與氧化型谷胱甘肽比值，以及特定的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物。

2）線粒體功能障礙分析：通過熒光探針直接評估冷凍樣品的線粒體完整性和活性氧生成，并監(jiān)測線粒體膜電位的變化。

3）抑制劑研究：在冷凍或解凍過程中使用特定的鐵死亡抑制劑（如Ferrostatin-1）。若經(jīng)抑制劑處理的組別其品質(zhì)損失（如脂質(zhì)氧化）顯著減輕，則為鐵死亡在冷凍誘導(dǎo)的品質(zhì)劣變中的作用提供有力的因果證據(jù)。

魚類

在魚類貯藏期間，重結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致冰晶增大（圖4），這可能對肌肉結(jié)構(gòu)造成物理損傷，而凍藏過程中的溫度波動(dòng)會(huì)加速這一進(jìn)程。嚴(yán)重的蛋白質(zhì)變性阻礙肌肉細(xì)胞在解凍時(shí)完全恢復(fù)，從而導(dǎo)致肌肉結(jié)構(gòu)變形。凍結(jié)使魚體體積膨脹，肌肉結(jié)構(gòu)因冰晶而扭曲變形。如圖4所示，在未凍結(jié)狀態(tài)下，水保持液態(tài)，肌球蛋白頭部與肌動(dòng)蛋白絲結(jié)合形成剛性交聯(lián)。在凍結(jié)狀態(tài)下，緩慢的凍結(jié)速率導(dǎo)致大的細(xì)胞外冰晶形成，擠壓肌纖維并使肌球蛋白頭部扭曲變形。與其他方法（如空氣凍結(jié)）相比，液氮速凍具有“理論優(yōu)勢”，能夠減小冰晶尺寸、最小化機(jī)械損傷并保持肌肉完整性。

圖4 魚類在冷凍過程中細(xì)胞結(jié)晶、重結(jié)晶及肌肉蛋白含量的變化

快速液氮冷凍也能減輕與氧化相關(guān)的品質(zhì)損失。肌紅蛋白氧化會(huì)加深蛋白質(zhì)色澤、降低肌原纖維蛋白的凝膠特性、減少肉的嫩度或增加剪切力，并因肌原纖維受損而降低持水性。在魚類冷凍過程中，硫代巴比妥酸反應(yīng)物增加，并通過形成冰晶和釋放脂質(zhì)氧化物來損傷細(xì)胞膜。由于冷藏過程中自由水含量降低，細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度增加，脂質(zhì)氧化劑的濃度也隨之升高。反復(fù)的凍融循環(huán)也會(huì)損傷細(xì)胞，釋放磷脂酶和脂氧合酶，從而加速脂質(zhì)氧化。脂質(zhì)氧化過程會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)性醛類，如丙二醛和4-羥基壬烯醛，它們是產(chǎn)生異味的關(guān)鍵因素。脂質(zhì)氧化不僅影響消化率，還會(huì)與蛋白質(zhì)氧化相互作用，導(dǎo)致復(fù)雜的品質(zhì)劣變，如圖5所示。在魚類中，肌紅蛋白氧化和脂質(zhì)氧化相互關(guān)聯(lián)并相互影響。肌球蛋白是另一種易于與脂質(zhì)形成復(fù)合物的蛋白質(zhì)。亞油酸氫過氧化物對肌原纖維結(jié)構(gòu)具有高度破壞性，會(huì)導(dǎo)致肌球蛋白沉淀和變性。死后肌肉中磷酸丙糖的缺乏以及厭氧條件導(dǎo)致抗氧化劑耗竭，從而引發(fā)氧化。

圖5 脂質(zhì)與氨基酸及其產(chǎn)物之間可能的主要相互作用途徑

液氮速凍通過迅速降低溫度，抑制了這些氧化過程，從而保持了魚類蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的品質(zhì)。對帶魚、彭澤鯽和金鯧魚的研究表明，適宜的液氮冷凍溫度具有較強(qiáng)的抑制蛋白質(zhì)和脂質(zhì)氧化的能力，能形成均勻的冰晶，減少機(jī)械損傷，并有效抑制蛋白質(zhì)的變性與降解。

蝦類

水分和蛋白質(zhì)是蝦的主要成分，蛋白質(zhì)或水分狀態(tài)的任何變化都會(huì)影響蝦的品質(zhì)。蝦死亡后，其消化腺釋放絲氨酸蛋白酶，在分解肌肉蛋白的同時(shí)激活多酚氧化酶的活性，導(dǎo)致蝦體黑變。冷凍后，蝦的肌纖維受損，肌纖維間距增大，蝦肌原纖維蛋白發(fā)生降解，肌肉軟化。冷凍期間，肌原纖維蛋白Ca2?-ATPase活性喪失以及提取的肌原纖維表面疏水性增加，也證實(shí)了蝦蛋白的變性。在緩慢低溫冷凍過程中，大部分鹽離子被排斥在冰晶之外，從而增加了未凍結(jié)水中的鹽濃度，導(dǎo)致更顯著的蛋白質(zhì)變性。相比之下，在液氮速凍過程中，鹽離子被包埋于細(xì)小的冰晶中。這種包埋作用緩解了局部鹽濃度的升高，有助于減少肌原纖維蛋白變性，更好地保持肌肉完整性。

與傳統(tǒng)冷凍方法相比，蝦的快速冷凍能產(chǎn)生更細(xì)小、更致密的冰晶，具有更好的細(xì)胞完整性、更低的解凍和蒸煮損失、更高的持水性，并且在冷凍處理后顏色更接近新鮮蝦。快速的液氮冷凍能有效抑制蛋白質(zhì)降解和脂質(zhì)氧化，在整個(gè)貯藏過程中維持蝦的品質(zhì)。

貝類

貝類，如牡蠣，是濾食性貝類，容易富集微生物，因此貨架期相對較短。在貯藏過程中，貝類會(huì)發(fā)生汁液流失，主要來自消化腺、性腺及其周圍外套膜區(qū)域，并且其閉殼肌數(shù)量會(huì)增加。整個(gè)牡蠣的初始pH值約為6.55，在冷凍過程中會(huì)升高。pH值的升高表明蛋白質(zhì)和其他含氮物質(zhì)在微生物和酶的作用下分解為揮發(fā)性堿基、胺和三甲胺，導(dǎo)致pH上升。此外，還會(huì)發(fā)生脂肪和蛋白質(zhì)的氧化，總揮發(fā)性鹽基氮水平增加。

為了盡可能地保證貝類的營養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味和色澤，液氮冷凍是目前的研究熱點(diǎn)。液氮瞬間汽化和快速冷凍的特性可導(dǎo)致細(xì)小冰晶的形成。與空氣凍結(jié)和浸漬凍結(jié)等緩慢冷凍方法相比，該方法能延緩貝類在低溫貯藏期間的品質(zhì)變化，對肌肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成的損傷更小，持水性良好，肌肉質(zhì)構(gòu)相對完整。這對于在低溫貯藏期間保持貝類的營養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味和色澤至關(guān)重要。

藻類

低廉的成本、可持續(xù)性以及富含多糖和不飽和脂肪酸的特性，使藻類成為生產(chǎn)多種生物制品的有效工具。藻類提取物被廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品和可降解薄膜制備等領(lǐng)域。然而，其細(xì)胞和生物化學(xué)的多樣性使得冷凍保存變得復(fù)雜。由于藻類中存在在凍融過程中可能導(dǎo)致細(xì)胞損傷的生物學(xué)機(jī)制，且目前對不同藻類物種的形態(tài)和生化特性了解不足，尚未開發(fā)出通用的冷凍保存方法。

目前，對于大多數(shù)形態(tài)不復(fù)雜的小型藻類，可采用兩步冷凍方案：在藻類培養(yǎng)物中添加可穿透細(xì)胞的冷凍保護(hù)劑，并將培養(yǎng)物冷卻至指定的零下溫度，以促進(jìn)樣品脫水/冷凍脫水；隨后，將其快速冷卻至最終儲(chǔ)存溫度。然而，加壓低溫氮?dú)饧夹g(shù)的最新進(jìn)展，已為鈍頂節(jié)旋藻（螺旋藻）等藻類展示了更優(yōu)的保存效果。與傳統(tǒng)冷凍方法相比，該技術(shù)不僅通過壓力下的快速冷卻最大程度地減少了細(xì)胞破碎和形態(tài)損傷，還通過減少氧介導(dǎo)的氧化顯著保留了藻藍(lán)蛋白和抗氧化劑等生物活性化合物。例如，在6 bar壓力下應(yīng)用該技術(shù)，儲(chǔ)存98天后藻藍(lán)蛋白含量提高了50%，并保持了更高的抗氧化活性。因此，結(jié)合壓力的液氮速凍技術(shù)為在長期冷凍保存期間保持藻類的結(jié)構(gòu)完整性、營養(yǎng)價(jià)值和功能特性提供了一種前景廣闊的方法。

04

不同預(yù)處理對液氮速凍過程的影響

為提升液氮速凍的效果，常采用多種預(yù)處理來應(yīng)對特定挑戰(zhàn)、優(yōu)化保藏效果。這些預(yù)處理與快速冷凍過程產(chǎn)生協(xié)同作用，從而改善產(chǎn)品品質(zhì)并延長貨架期。

覆冰衣處理

當(dāng)使用液氮處理甲殼較厚的梭子蟹時(shí)，甲殼存在破裂的可能，而覆冰衣梭子蟹的品質(zhì)保持優(yōu)于未覆冰衣樣品。這可能是由于冷凍形成的冰衣層排除了氧氣接觸和微生物感染的影響。常見的做法通常是將大黃魚和凡納濱對蝦等水產(chǎn)品浸漬或噴淋冷水以形成薄冰層。通過有效隔絕空氣，抑制微生物繁殖以及水產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)和色澤的劣變。

滲透脫水預(yù)處理

使用海藻多糖或氨基葡萄糖進(jìn)行滲透脫水預(yù)處理可以延緩微生物生長并降低魚制品的品質(zhì)損失。水分遷移的驅(qū)動(dòng)力源于食品與周圍溶液之間的滲透壓差。據(jù)報(bào)道，滲透脫水通過減少初始載菌量并延緩微生物生長，具有延長魚片貨架期的潛力。在此背景下，滲透處理結(jié)合液氮冷凍貯藏可能會(huì)延長水產(chǎn)品的貨架期。

腌制處理

腌制是保藏食品品質(zhì)和延長貨架期的傳統(tǒng)方法，特別適用于保存易腐敗的魚類。經(jīng)適當(dāng)鹽處理后，金槍魚在凍融后組織微觀結(jié)構(gòu)更容易恢復(fù)。一方面，當(dāng)達(dá)到最佳食鹽含量時(shí)，由于結(jié)締組織降解以及肌原纖維蛋白與鹽離子結(jié)合而溶解，水產(chǎn)品的持水性得到改善。另一方面，高濃度的鹽離子也可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集和變性，從而降低水產(chǎn)品品質(zhì)。因此，冷凍前使用的食鹽條件可能會(huì)影響冰晶形態(tài)，進(jìn)而影響解凍后組織和肉的微觀結(jié)構(gòu)與品質(zhì)。然而，該方法針對不同魚種、貯藏條件、貯藏期等因素尚需進(jìn)一步研究。

隔氧處理與磁場輔助

使用隔氧手段（包裝、應(yīng)用真空和抗氧化劑）也能更有效地抑制魚組織中脂質(zhì)的氧化，而磁場和靜磁輔助冷凍也已應(yīng)用于水產(chǎn)品的冷凍處理。后續(xù)研究可探討將這些方法與液氮速凍結(jié)合使用。

不同的預(yù)處理通過解決特定挑戰(zhàn)（如甲殼破裂、微生物生長和氧化損傷）顯著影響了液氮速凍的效果。覆冰衣處理創(chuàng)建物理屏障以保護(hù)產(chǎn)品，而滲透和腌制預(yù)處理則降低了水分含量和微生物負(fù)載。隔氧處理和磁場輔助通過最大限度地減少氧化和優(yōu)化冰晶形成，進(jìn)一步增強(qiáng)了冷凍過程。將這些預(yù)處理與液氮速凍相結(jié)合，可以顯著提高水產(chǎn)品的保藏品質(zhì)和貨架期。

復(fù)合冷凍技術(shù)未來研究方向

基于現(xiàn)有文獻(xiàn)證據(jù)，結(jié)合預(yù)處理與液氮速凍的協(xié)同潛力，本綜述提出一個(gè)結(jié)構(gòu)化研究議程，旨在系統(tǒng)探索這些復(fù)合技術(shù)，以克服單一技術(shù)的局限。

首要任務(wù)是闡明內(nèi)在的協(xié)同機(jī)制。未來研究應(yīng)聚焦于分析不同預(yù)處理如何與液氮速凍過程相互作用。核心科學(xué)問題包括：磁場如何影響冰晶的成核與生長？功能性添加劑如何在接觸液氮極低溫時(shí)維持其活性并發(fā)揮作用？解答這些問題需要將宏觀品質(zhì)測量與微觀機(jī)理分析相結(jié)合。

因此，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與定量評估至關(guān)重要。研究必須超越簡單的技術(shù)組合。應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（如響應(yīng)面法）系統(tǒng)地控制磁場參數(shù)（強(qiáng)度、頻率、施加時(shí)機(jī)）和功能性添加劑（種類、濃度）。復(fù)合技術(shù)對抗品質(zhì)劣化的效果，應(yīng)針對持水性、硫代巴比妥酸反應(yīng)物、總揮發(fā)性鹽基氮、質(zhì)構(gòu)和感官評分等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行量化。在此過程中，應(yīng)綜合運(yùn)用多種分析技術(shù)，例如低場核磁共振分析水分分布、掃描電子顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)損傷、以及傅里葉變換紅外光譜等技術(shù)監(jiān)測蛋白質(zhì)構(gòu)象變化，以準(zhǔn)確評估并確認(rèn)協(xié)同效應(yīng)的存在及其程度。

最后，任何優(yōu)化后的復(fù)合方案都必須經(jīng)過嚴(yán)格的貨架期驗(yàn)證，并評估其工業(yè)化應(yīng)用的可行性，包括成本、能耗及環(huán)境足跡，以衡量其從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的潛力。

05

Outlook

當(dāng)前，液氮冷凍技術(shù)在水產(chǎn)品冷凍領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，但仍有待進(jìn)一步完善之處。一項(xiàng)對烏鱧的研究顯示，液氮冷凍速率較高，但形成的細(xì)小冰晶融化較快。也有報(bào)道指出，單純的液氮速凍可能導(dǎo)致蟹殼開裂，影響商品外觀。該研究領(lǐng)域仍面臨一些挑戰(zhàn)，本綜述通過圖6總結(jié)了液氮速凍技術(shù)在水產(chǎn)品保藏方面的未來展望。

圖6 液氮速凍技術(shù)展望

1）智能化冷凍過程控制：未來系統(tǒng)應(yīng)從靜態(tài)冷凍方案轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制。通過將在線傳感器（如用于監(jiān)測溫度和失重）與人工智能技術(shù)相結(jié)合，可自動(dòng)調(diào)節(jié)冷凍參數(shù)。確定適宜的冷凍條件，能夠?qū)崿F(xiàn)特定水產(chǎn)品在品質(zhì)與特性保持上的最佳效果。

2）解析深層生物與物理機(jī)制：在細(xì)胞和分子層面更深入地理解生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)變化至關(guān)重要。未來研究應(yīng)運(yùn)用多組學(xué)技術(shù)（如蛋白質(zhì)組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)）系統(tǒng)性地描繪蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的降解路徑。此外，還需闡明冰晶動(dòng)力學(xué)、大分子穩(wěn)定性與微生物活性之間復(fù)雜的相互作用。這些基礎(chǔ)認(rèn)知是開發(fā)針對性品質(zhì)保持干預(yù)措施的關(guān)鍵。

3）協(xié)同復(fù)合冷凍技術(shù)：應(yīng)探索將液氮冷凍與其他保鮮技術(shù)（如脈沖電場或氣調(diào)包裝）相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。這些復(fù)合方法可構(gòu)建多重屏障以對抗品質(zhì)劣變和微生物生長，從而在貨架期和感官特性上實(shí)現(xiàn)整體提升。

4）綠色與可持續(xù)性替代方案：雖然液氮性質(zhì)惰性且為副產(chǎn)品，但其生產(chǎn)能耗高。未來研究應(yīng)開發(fā)并評估具體的替代方案。首先，通過先進(jìn)的絕熱技術(shù)和廢氣冷能回收來提高液氮速凍效率，可直接減少消耗和成本。其次，縮短液氮冷凍隧道長度，是在保持產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)減少冷凍劑消耗的實(shí)用途徑。最后，對于冷凍要求并非極端的應(yīng)用場景，采用天然制冷劑（如CO?）的復(fù)疊系統(tǒng)是一個(gè)可行的選擇。

5）以消費(fèi)者為中心的創(chuàng)新：在產(chǎn)品生產(chǎn)中必須考慮公眾接受度，食品加工企業(yè)需通過創(chuàng)新技術(shù)方法改進(jìn)生產(chǎn)工藝以提升品質(zhì)。為建立消費(fèi)者信任，該行業(yè)可開發(fā)快速、無損的檢測技術(shù)（如高光譜成像），用以鑒別冷凍方法并確保品質(zhì)。

06

Summary

本綜述系統(tǒng)闡述了液氮速凍相較于傳統(tǒng)方法在保藏水產(chǎn)品方面的顯著優(yōu)勢。對不同水產(chǎn)品的系統(tǒng)分析證實(shí)，液氮速凍的超快速凍結(jié)速率是形成細(xì)小細(xì)胞內(nèi)冰晶的關(guān)鍵，這已通過冷凍微觀結(jié)構(gòu)測量得到直接驗(yàn)證，并間接地體現(xiàn)于更優(yōu)的品質(zhì)參數(shù)上。這一微觀結(jié)構(gòu)特征直接導(dǎo)致了細(xì)胞和肌肉纖維機(jī)械損傷的最小化，從而有效減輕了汁液流失、質(zhì)構(gòu)軟化和蛋白質(zhì)變性。

除總結(jié)現(xiàn)有知識(shí)外，本綜述還提出了若干前瞻性觀點(diǎn)。本研究引入了一個(gè)新穎且合理的假說，即鐵死亡抑制是液氮速凍在細(xì)胞層面發(fā)揮品質(zhì)保持作用的潛在機(jī)制。此外，本研究還概述了一個(gè)戰(zhàn)略性研究議程，強(qiáng)調(diào)智能化過程控制、協(xié)同復(fù)合技術(shù)（如磁場與液氮速凍結(jié)合）以及可持續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是未來探索中最具前景的方向。

對于食品工業(yè)而言，采用液氮速凍技術(shù)意味著能夠提供更優(yōu)質(zhì)的冷凍水產(chǎn)品，其在感官和營養(yǎng)屬性上更接近新鮮狀態(tài)。克服當(dāng)前在成本和能耗方面的挑戰(zhàn)，將對其廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。最終，向液氮速凍這類精準(zhǔn)冷凍技術(shù)的過渡，代表了水產(chǎn)品行業(yè)減少浪費(fèi)、提升產(chǎn)品價(jià)值并滿足消費(fèi)者對優(yōu)質(zhì)、便捷、營養(yǎng)食品日益增長需求的關(guān)鍵路徑。

Changes in the quality of aquatic products during liquid nitrogen quick-freezing: a review

Xiaoyu Zheng1, Haohao Shi2*, Ruoshu Li1, Lipin Chen2*, Zhaojie Li1*, Changhu Xue1

1 College of Food Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao, 266003, China

2 College of Food Science and Technology, Hainan University, Haikou, 570228, China

*Corresponding author.

Abstract

Freezing is a common preservation technique that extends the shelf-life of food by inhibiting microbial and enzymatic activity. Among the various methods, liquid nitrogen quick-freezing (LNQF) stands out for its ultra-rapid freezing rate, which is pivotal for preserving the quality of highly perishable aquatic products. However, a comprehensive framework linking the physical advantages of LNQF to the underlying biochemical mechanisms of quality preservation is lacking. This review systematically bridges this gap by comparing the operational principles, advantages, and limitations of predominant LNQF methods, including immersion freezing, cold gas cycle freezing, and spray freezing. This study then meticulously details the quantitatively demonstrated benefits of LNQF on the quality parameters of various aquatic products. A key distinct contribution of this review is the proposal of ferroptosis, an iron dependent, lipid peroxidation-driven cell death pathway, as a novel and plausible mechanistic hypothesis to explain the quality degradation inhibited by LNQF. Furthermore, this review explores the synergistic potential of combining LNQF with pretreatment. Finally, we provide a critical outlook on intelligent process control and sustainable development within the field. This work not only synthesizes current knowledge but also provides a new theoretical lens (ferroptosis) and a practical framework (hybrid techniques) to guide future research and innovation in the high-quality frozen aquatic product industry.

Reference:

Zheng, X., Shi, H., Li, R. et al. Changes in the quality of aquatic products during liquid nitrogen quick-freezing: a review. Agric. Prod. Process. Sto.2, 11 (2026). https://doi.org/10.1007/s44462-025-00047-z

翻譯：林安琪（實(shí)習(xí)）

編輯：梁安琪；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片來源：攝圖網(wǎng)

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