武汉轻工大学陈季旺教授、路洪艳讲师：液氮速冻在水产品中的应用进展_

武汉轻工大学食品科学与工程学院、农产品加工与转化湖北省重点实验室的黄博超（第一作者）和陈季旺教授、路洪艳讲师（共同通信）等全面阐述了（liquid nitrogen quick-freezing，LNF）的作用机制，LNF对水生动物产品风味、质地、色泽等品质的影响，以及应用于水生动物产品的LNF装置。此外，还提出了未来的前景和研究方向，包括优化冷冻过程、了解冷冻过程对营养价值的影响以及考虑可持续性和能源消耗。

Introduction

水产动物产品是指从淡水和海水中获取的动物产品，如鱼类、贝类、虾类等。这些产品以其优质的蛋白质含量、必需脂肪酸以及丰富的维生素、矿物质和其他重要营养素为特征，具有显著的营养和经济意义，对人类营养和全球粮食供应具有重要意义。蛋白质是一种不可或缺的宏量营养素，对促进组织生长、促进修复过程和维持整体组织健康至关重要，从而有助于延长寿命。就可食用鲜重而言，水生动物产品的蛋白质含量（平均17.3%）高于大多数陆生肉类（平均13.8%）。同时，水产动物产品中含有浓度最高的长链ω-3多不饱和脂肪酸，包括二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）。ω-3脂肪酸通过改善脂质（增加高密度脂蛋白胆固醇，同时降低氧化低密度脂蛋白胆固醇水平）、调节花生四烯酸代谢以产生称为前列腺素I3的血管扩张剂，以及调节血压和心率，从而发挥心脏保护作用。从鱼类中提取的ω-3脂肪酸EPA和DHA对婴儿发育、心血管疾病、癌症和多种精神疾病都有积极的影响。此外，它们在体质量管理和轻度阿尔茨海默氏症患者的认知功能方面有很好的效果，并且在缓解各种精神疾病如抑郁症、注意力缺陷多动障碍和痴呆方面显示出潜力。适量食用鱼类与心脏病易感性降低相关，这一点在日本的特殊健康基准（包括预期寿命和心血管疾病患病率）中很明显。这些观察结果强调了水生动物产品对增进人类福祉的有益影响。

水产品作为重要的出口商品，对促进当地经济繁荣和就业稳定发挥着重要作用。2020年，全球水生动物产量为1.778亿t，略低于2018年创纪录的1.789亿t。此外，在全球水生动物产量中，捕捞渔业贡献了9030万t（51%），而水产养殖产量贡献了8750万t（49%）。在总产量中，63%（1.119亿t）来自海洋资源（70%来自捕捞渔业，30%来自水产养殖），37%（6590万t）来自内陆水域（83%来自水产养殖，17%来自捕捞渔业）。2020年，全球水产动物产品首次销售总额估计达到4060亿美元，其中捕捞渔业贡献了1410亿美元，水产养殖贡献了2650亿美元。除水生动物外，2020年藻类产量达3600万t（湿重），其中97%来自主要在海洋环境中的水产养殖（联合国粮食及农业组织（粮农组织））。

表1世界渔业和水产养殖生产、利用和贸易（粮农组织2022年）

然而，由于其固有的质量属性，新鲜水生动物产品的易腐性使其在供应链中容易腐败。这种易感性不仅催化了产品质量的恶化，还会产生潜在的食品安全隐患。原因是新鲜水产动物产品固有的蛋白质和脂质成分容易受到酶降解和微生物增殖的影响，从而导致它们在供应链的整个贮藏和运输过程中逐渐恶化。这容易导致新鲜水产动物产品质量的恶化。

普通冷冻保存是一种用于保存水产动物产品的技术，利用冷却设备降低这些产品的核心温度。随后，将产品内水的下降冻结，随后将产品温度降低到－18℃或低于。常用的冷冻方法有空气冷冻法和平板冷冻法。空气冷冻是一种传统的冷冻方法，将食物暴露在低温空气中。在此过程中，空气通过自然对流或借助小功率风扇进行流动。温度下降是通过周围空气吸收食物表面的热量来实现的。在空气冷冻过程中，食物表面的水分逐渐蒸发，形成冰层，从而达到冷冻的目的。当利用自然或增强的冷空气对流保存食物时，会受到低传热系数的影响。因此，空气冷冻过程常具有冷冻时间长、能耗高的特点。平面冷冻是一种常见的冷冻方法，将食物放在一个平面上。扁平冷冻的机理是通过传导和对流传热来降低食物的温度。冷空气与食物表面交换热量，导致结冰。

在常见的冷冻过程中，大部分自由水会转化为冰晶，通过限制自由水的可用性，有效地抑制了化学和酶的反应以及微生物的生长。然而，较大冰晶的形成会导致肌肉微结构恶化和蛋白质特性改变，导致营养价值降低和感觉属性下降。Jiang等观察到草鱼在冷冻过程中可能会发生脱水和肌肉组织结构的变化。此外，冷冻水产动物产品在冷冻贮藏过程中可能会发生质量退化，表现为变色、脱水、质地硬化、营养价值丧失和口感改变。导致质量恶化的主要因素是冷冻率低。传统冷冻方法的特点是冷冻速度慢，促进细胞间隙内形成大的、形状不规则的冰晶，导致细胞损伤、肌肉组织的机械性损伤和不良的化学反应，如脂质氧化和蛋白质变性。Cai等发现较慢的冷冻速率导致海鲈鱼（Lateolabrax japonica）鱼片的硬度较低。导致质量下降的第二个因素是温度波动。温度的波动可能导致小冰晶的融化和再冻结，导致它们聚集成更大的晶体，这种现象被称为再结晶。这一过程会导致冰晶在贮藏期间随着时间的推移逐渐增大。反复冻融循环导致不可逆的理化变化，包括结构损伤、营养成分降解和颜色改变。Javadian等发现冷冻虹鳟鱼在冻融过程中有显著的质量损失。导致质量恶化的第三个因素是微生物的存在。冷冻水产动物产品并不能完全消除细菌和寄生虫，它们的生长被暂时抑制。然而，Javadian等发现，在冷冻保存期间能够存活的残留微生物群可能会在解冻后增殖，可能导致解冻后的虹鳟鱼的微生物腐败。在冷冻和贮藏期间不适当的卫生习惯和处理程序可能会使这些微生物再次增殖，造成潜在的食品安全问题。许多研究者针对这些问题开发了LNF、高压冷冻、射频辅助冷冻和超声辅助冷冻等新技术，以控制结晶，提高冷冻效率，提高冷冻水产动物产品的质量。

与传统的冷冻方法相比，LNF技术具有几个优点，包括高效的传热、快速的冷冻速率、形成一致的小冰晶、保存高质量的食品以及环境的可持续性。LNF使用专门的设备冷冻食品，保持温度范围通常在－50～－110℃。冷冻过程在食物内达到－18℃的核心温度时被认为是完全的。在冷冻过程中，食品与液氮的密切接触，使部分水分玻璃化，降低了传热阻力，降低了冷冻食品的温度。此外，液氮作为一种惰性物质，不会与食物发生化学反应，因此能更大程度地保持食物的质量。有研究报道LNF可以降低鲶鱼和无名河豚在冻存期间的水流动性和滴水损失。LNF对新鲜巴尔沙鱼的机械损伤最小，新鲜度和品质保证为。这些成果为推进现代化速冻技术在工业生产中的应用提供了理论基础。Diao等发现，与空气冷冻相比，LNF保留了草鱼肌肉的持水能力，并且观察到更多更小、规则的细胞内冰晶。LNF处理对红桶鱼在冻存过程中的保鲜和延缓其变质过程具有积极的作用。Teng等指出，LNF河鲈鱼片在质地上更接近新鲜鱼片。微生物是质量安全评价的关键因素，在保障水产品安全中发挥着至关重要的作用。经LNF处理的小龙虾（克氏原螯虾）表现出快速的冷却速率，使其能够有效地清除多种微生物，包括在传统冷冻方法中可能仍然存活的嗜冷微生物。此外，存在于微生物中的胞内物质是它们生长的有利培养基，但LNF的快速冻结过程限制了它们的释放，最终导致这些微生物的死亡。因此，在技术和经济条件允许的情况下，利用LNF提高冷冻水产品的质量是更为有效的。

LNF因其独特的低耐热性特性，展现出了极其快速的冷冻速率。这种高速冷冻过程导致冰晶的形成变得非常迅速且均匀，冰晶相对较小。LNF之所以能达到这样的效果，是因为它能够有效地穿过食品在冷冻过程中经历的最大冰晶生成带，这意味着在冷冻初期就能迅速形成大量、细小且分布均匀的冰晶。这一过程不仅减少了冰晶对细胞结构的机械压力，还避免了因冰晶生长过大而导致的组织破坏和汁液流失。此外，LNF表现出的异常高冷冻速率还加速了液氮从液态向气态的相变过程。这一相变过程伴随着大量的热量吸收，从而帮助迅速从食物中移除热量。这种高效的热量移除机制加速了食品内部的整体传热过程，使得食品能够更快、更均匀地达到所需的冷冻温度。

图1水产动物产品冷冻曲线

根据目前的研究结果来看，液氮速冻技术广泛应用于多种水生动物产品，液氮速冻技术对水生动物产品颜色、硬度、剪切力、水分含量、肌肉形态特性以及脂质氧化和蛋白质变性等都有积极的影响。

Conclusion

与传统的冷冻方法相比，具有极快冷冻速率的LNF技术有效减少了大冰晶的形成。LNF对水生动物产品颜色、硬度、剪切力、含水量、肌肉形态特性以及脂质氧化和蛋白质变性等都有积极的影响。液氮浸泡冷冻和液氮喷雾冷冻作为应用于水生动物产品的液氮冷冻方法应用的效果也十分显著。总而言之，LNF代表了水生动物产品冷冻贮藏的重大进步，在质量方面具有许多优势。但是，仍然存在许多限制和约束。随着研究和创新的不断，LNF冷冻有潜力成为水生动物行业中非常重要的冷冻方法。

Abstract

Aquatic animal products are rich in protein, lipids, and moisture and are often stored at frozen temperature. However, aquatic animal products are prone to deterioration caused by ice crystal formation, lipid oxidation and protein denaturation. Quick freezing is crucial for preserving the quality of aquatic animal products by preventing the formation of large ice crystals. Liquid nitrogen quick-freezing (LNF) provides a fast-freezing rate, minimal ice crystal formation, preservation of product texture and nutritional properties, shelf-life extension, energy efficiency, and quality and safety improving. This review comprehensively illustrates the mechanism of LNF, the impact of LNF on qualities of aquatic animal products including flavor, texture, color, and nutrition. Additionally, LNF devices applied on aquatic animal products are also discussed. Furthermore, future prospects and research directions are suggested, including optimizing freezing processes, understanding the impact on nutritional value and considering sustainability and energy consumption. However, challenges such as freezing damage, cost considerations, and quality control issues for LNF application need to be addressed.

作者介绍

陈季旺教授

武汉轻工大学食品科学与工程学院

陈季旺，博士，武汉轻工大学食品科学与工程学院二级教授、博士研究生导师，“武汉英才”计划培育支持专项现代农业领域人才，武汉市东西湖区“爱岗敬业”楷模。国家小龙虾加工技术研发分中心（潜江）主任，湖北仙桃黄鳝加工乡村振兴科技创新示范基地常务副主任，湖北允泰坊食品有限公司、湖北小龙虾产业控股集团有限公司专家工作站首席专家，武汉轻工大学畜禽水产制品加工与质量控制研究科技创新团队负责人，湖北省优秀科技特派员，武汉市优秀科技特派员；中国水产学会水产品加工与综合利用专业委员会委员，中国水产流通与加工协会小龙虾产业分会特聘专家，湖北省特色水产品（小龙虾、黄鳝）产业链加工专家委员会委员，湖北省食品科学技术学会常务理事；Food Science of Animal Products、《食品安全质量检测学报》《武汉轻工大学学报》编委；2011—2013年美国田纳西大学（University of Tennessee）访问学者。主要从事畜禽水产制品绿色加工与质量控制、食品营养与安全等方面的研究工作。主持“十三五”国家重点研发计划重点专项课题、国家自然科学基金面上项目等国家级项目4项，省部级项目及企业横向合作课题20余项。以第一作者或通信作者发表研究论文100余篇，SCI/EI收录50余篇；主编专著1本，主译专著1本，参与出版专著3本；鉴定科技成果6项，申请国家发明专利23件，授权8件，6件专利转让给相关企业。获教育部科学技术进步奖二等奖、湖北省科学技术进步奖二等奖、武汉轻工大学首届优秀研究生导师、丰益全球研发中心“益海嘉里”青年教师奖等多项奖励。长期担任国际国内30余种学术期刊审稿人。

路洪艳讲师

武汉轻工大学食品科学与工程学院

路洪艳，工学博士，讲师。主要从事食品品质形成机理及调控研究，在生物学方面具有良好的研究基础，已在Postharvest Biology & Technology、Plant Science、Scientia Horticulturae、Food & Bioprocess Technology、International Journal of Food Science & Technology和农业工程学报等期刊发表学术论文10余篇，参与国家自然科学基金2项。