《食品科学》：东北农业大学陈倩教授等：原料肉冻藏品质劣变机制及其改善策略

肉类产品因富含优质蛋白、微量元素等人体所需营养物质，成为了人们日常膳食的重要组成部分。冷冻冷藏是实现原料肉长时间贮藏的一种常规方式，然而原料肉在冻结、冷藏和解冻过程中，由于冰晶的形成与生长，造成持水能力降低，色泽、质构等品质劣变。

东北农业大学食品学院的刘嘉琪、王慧平、陈倩*等对原料肉在冷冻、冻藏及解冻过程中的品质劣变机制进行了综述，并阐述了新型冷冻方式、添加抗冻保护剂、采用合适的包装材料和新型解冻技术等改善原料肉品质的方法。

01

原料肉在冷冻及冻藏过程中品质劣变及机制

1.1 品质劣变

原料肉在冷冻、冻藏过程中，其组织间产生的冰晶破坏了肌肉结构，导致其中蛋白质和脂质发生变性，而冰晶的产生和蛋白质及脂质变性使原料肉的持水能力下降，色泽和质构等品质发生劣变。

1.1.1 持水能力下降

肌肉中的水分包括结合水、不易流动水和自由水，其中不易流动水主要存在于肌细胞中，占肌肉中总水分的80%～85%，对肉的持水能力起到决定性作用。肌肉结构在冷冻、冻藏及解冻过程中发生的变化如图1所示。在冷冻速率较快时，原料肉的肌肉结构受到机械损伤相对较小；而较慢的冷冻速率会导致肌肉结构间隙中形成的冰晶体积增大，从而使原料肉肌肉细胞损伤加重。在冻藏期间，因保藏不当而出现的温度波动能够造成原料肉肌纤维中结合水积聚迁移，冰晶出现重结晶现象，进而增加原料肉所受机械损伤。经过解冻后，肌细胞表面会随着冰晶融化而出现微小孔洞，这些孔洞使肌肉中的自由水流失速度加快，进一步降低肌肉持水能力。此外，原料肉的持水能力也会受到肌原纤维蛋白性质的影响，蛋白质变性的过程中可能会出现肌纤维间隙变小的现象，使肌肉的持水能力受到影响，进而使原料肉的持水能力下降。

1.1.2 色泽劣变

原料肉在冻藏过程中颜色的劣变主要是因其所含肌红蛋白被氧化成高铁肌红蛋白以及不饱和脂肪酸在氧的作用下生成氢过氧化物。随着冷冻的进行，肌肉细胞因冰晶的形成而遭到破坏，肌肉表面的肌红蛋白逐渐被空气氧化，使得原料肉表面色泽发生劣变。随着冻藏时间的延长，肌肉表面细小冰晶升华，形成一层活性较高的表层，在该表层中脂质和蛋白质的氧化反应更为强烈，使原料肉的表面呈褐色。原料肉解冻后，冰晶融化，而蛋白质和脂质由于肌肉组织被冰晶破坏而与氧气接触面积增大，进一步加快了色泽的劣变。

1.1.3 质构劣变

在冷冻过程中，原料肉肌原纤维中冰晶体积不断增大，破坏了肌原纤维蛋白结构，在电子显微镜下显示为粗丝和细丝排列紊乱，肌节结构模糊甚至消失，且蛋白质内部疏水结构暴露，使得蛋白质的亲水性降低，而蛋白质的聚集和破坏现象导致肌纤维结构受到损伤，Z线和M线发生扭曲甚至断裂，从而降低了原料肉的硬度。此外，冰晶的生长还破坏了溶酶体，从而使组织蛋白质酶被释放到肌质中水解蛋白质，这一过程能够进一步提高原料肉的嫩度，并降低其弹性，进而降低其咀嚼性。

1.2 劣变机制

原料肉在冷冻、冻藏过程中，其品质发生的劣变通常是蛋白质和脂质受氧气和低温的影响而发生品质变化造成的，因此在改善冻藏方式时应以优化原料肉品质为标准，以尽量减少冻藏过程对原料肉质量的负面影响。

1.2.1 蛋白质变性

原料肉中的蛋白质在冷冻和冻藏过程中因低温、自由基影响和冰晶破坏等因素发生各种物理化学变化，进而导致冷冻变性和氧化变性，其中冷冻变性的机理如图2所示。在冷冻过程中，肌肉细胞间隙的水分子冷冻形成冰晶，使蛋白质暴露于高离子浓度溶质中，从而使蛋白质结构发生改变，尤其是其所含α-螺旋结构聚集发生变性；随着冻藏的进行，冰晶的不断生长破坏了蛋白质的结构，而其内部的非极性残基与水相互作用，导致蛋白质氢键的减少，从而使α-螺旋结构进一步减少，导致蛋白质二级结构不稳定，极易错误折叠，使蛋白质发生不可逆变性。此外，巯基是组成蛋白质三级结构的重要化学键，其在蛋白质结构受到破坏时易接触氧气被氧化为二硫键，二硫键的形成也使得蛋白质结构进一步受到破坏。而二级和三级结构的破坏均能够引起原料肉中蛋白质发生冷冻变性。蛋白质的氧化变性包括羰基的形成和巯基的氧化。由于冰晶的形成和生长破坏了存在于细胞中的线粒体和溶酶体，其中的自由基被释放并与蛋白质接触，和残基易被修饰的氨基酸发生反应，使蛋白质羰基化。此外，肌红蛋白中的铁离子被氧化后能够促进蛋白质的羰基化，所以肌红蛋白含量较高的原料肉在冻藏过程中更易氧化。

1.2.2 脂质氧化

在冷冻过程中，冰晶的形成破坏了肌细胞结构，使得肌细胞释放大量内源酶和自由基，它们分别通过内源脂肪氧合酶酶促反应和自由基链式反应促使脂类发生氧化。另外，随着冻藏时间的延长，肌肉表面的冰晶升华，导致原料肉所含脂质与空气的接触面积增大，从而使表层肌肉中脂类发生强烈的氧化。脂质氧化产生的自由基、过氧化物和超氧化物又进一步促进蛋白质发生氧化（图3），进而导致原料肉出现异味及变色现象。此外，脂肪在冻藏过程中会发生降解，产生游离脂肪酸，从而降低原料肉的pH值，破坏其酸碱平衡，进一步降低冻肉的品质。

02

原料肉冻藏品质的改善策略

随着人们对食品安全与品质越来越重视，改善原料肉冻藏品质的技术也不断发展，目前改善策略主要包括新型冷冻技术、抗冻保护剂、新型包装技术和新型解冻技术等。不同改善策略的作用机理及优缺点如表1所示。

2.1 新型冷冻技术

目前原料肉的冷冻方式较多，主要包括空气冷冻、直接接触冷冻和间接接触冷冻。然而传统冷冻技术多为慢速冷冻，在冷冻过程中原料肉中形成大且不规则的冰晶，对肌细胞造成严重的机械损伤。近年来，一些新型快速冷冻技术如高压冷冻、电磁辅助冷冻和超声辅助冷冻技术等被广泛开发和应用。

2.1.1 高压冷冻

高压冷冻技术是通过水膨胀后迅速结晶以及压力释放后介质温度的降低实现原料肉的快速冻结，使原料肉中形成体积小且分布均匀的冰晶。根据冷冻过程中水的相图受压力影响的差别，高压冷冻可以分为高压辅助冷冻、高压转移冷冻和高压诱导冷冻，具体冷冻方法及水在冷冻过程中的相变如表2和图4所示。由于高压诱导冷冻对设备和使用压力要求较高，故而高压辅助和高压转移冷冻技术的应用相对较多，而高压转移冷冻相比高压辅助冷冻的优势在于冻结过程中过冷性较好，相变时间相对较短，从而使得微小冰晶在原料肉中分布均匀。所以在高压冷冻技术中，高压转移技术对于原料肉在冻结过程中品质提升的效果最佳。Choi等以乙醇为压力传递介质，研究了不同压力对高压冷冻猪肉品质的影响，发现100 MPa处理48.2 min时猪肉品质最佳。

2.1.2 电磁辅助冷冻

以电磁场技术为基础形成的电场辅助冷冻（静电场/脉冲电场）、电磁波辅助冷冻（射频/微波）和磁场辅助冷冻（静磁场/振荡磁场）通过扰动原料肉中小分子的状态起到提高原料肉冻藏品质的作用。

电磁波通过与流动态的水分子相互作用，能够改变水分子结构并增强其扩散能力，从而减小形成冰晶的体积，进而提高原料肉的品质。用于辅助肉冷冻的电磁波分别是微波（300 MHz～300 GHz）和射频（300 kHz～300 MHz）两种频段不同的电磁波，Xanthakis等通过改变微波影响的时间占比调节微波功率（0%、40%、50%和60%），发现不同功率微波辅助冷冻对猪里脊的影响如图5所示。射频是无线电波的高频频段，Anese等最早将射频作用于辅助猪里脊肉冷冻中，并将射频辅助冷冻样品与普通冷冻方式的样品作对比，如图6所示，研究发现经射频辅助冷冻的猪肉细胞受冰晶破坏相比于低温冷冻更小。此外，Xanthakis等还发现，不同种类原料肉的最适辅助冷冻微波的作用时间和功率也有所不同。目前，对于不同的原料肉冷冻时所选用的最适电磁波的作用参数仍待进一步探究。

磁场辅助冷冻能够通过影响肉中水分子、蛋白质、自由基和离子改善原料肉品质。马国骄发现经磁场处理的猪、牛后腿肉中水分子冰点下降，相变时间缩短，且1 mT交变磁场条件时原料肉品质最好。Hu Rui等比较了高压电场和静磁场技术辅助猪里脊肉冷冻，发现经磁场辅助冻结的猪肉冷冻时间缩短了37.81%，解冻损失也有所减少。而磁场辅助冷冻对于不同原料肉的效果由于其结构差异也有所不同，目前，关于不同种类原料肉的最适辅助磁场仍需进一步的探究完善，才可用于工业实践生产中。表3总结了电磁场辅助冷冻技术在原料肉冷冻中的应用进展。

2.1.3 超声辅助冷冻

超声辅助冷冻是一种通过使用频率高于20 kHz的声波作用于液体介质产生空化效应，进而辅助原料肉形成冰晶的新型技术。如图7所示，超声通过液体介质赋予原料肉中的水分负压并破坏其结构，使其产生气泡并不断变大，进而在低温条件下形成冰核。声波分为高频低能超声（频率100 kHz～1 MHz、强度＜1 W/m 2 ）和低频高能超声（频率20～100 kHz、强度10～1 000 W/m 2 ）Zhang Chao等对比了常规冷冻方法和超声辅助冷冻技术对鸡胸肉的蛋白质结构影响，发现采用适当频率的超声辅助冷冻有利于减少冷冻损失，而较长的超声辐照时间会产生热量，不利于冰晶的成核。超声辅助冷冻技术在原料肉冷冻领域中具有巨大的应用前景，且尚待与其他新型辅助冷冻技术结合使用，以实现工业化生产。

2.2 抗冻保护剂

抗冻保护剂可降低食品冰点、减缓冰晶生成，进而提升冷冻食品抗冻能力和食用品质，因其具有良好的安全性和简易的使用方法而被广泛应用于原料肉的冷冻保藏中。抗冻保护剂主要包含糖类、蛋白类、盐类、多酚类及氨基酸类等。

2.2.1 糖类抗冻保护剂

糖类（果糖、蔗糖、麦芽糖、山梨醇、低聚糖等）是最早发现并应用最广的抗冻保护剂，添加至食品中时具有保水、增稠、抗氧化及促进乳化等作用。糖类抗冻保护剂通过其醛基与蛋白质结合或其游离羟基与水分子结合，能够抑制原料肉中蛋白质的氧化变性并减缓冰晶的形成速率，从而提高原料肉品质。随着低糖理念的发展，各种低糖低热的糖类，如海藻糖和木糖等被广泛关注并应用于原料肉的冻藏。海藻糖的结构使其能够与水分子结合得更紧密，且其甜度和热量均显著低于蔗糖，具有较好的应用前景。海藻糖可通过与肌原纤维蛋白相互作用，减少猪后腿肉的解冻损失。此外，海藻糖是由葡萄糖分子通过α-α-1-1糖苷键构成的非还原性糖，结构较为稳定，因此相较于其他糖类抗冻保护剂，海藻糖具有更强的抗冻能力。

2.2.2 蛋白类抗冻保护剂

蛋白类抗冻保护剂主要由抗冻蛋白和蛋白衍生物两类保护剂组成，它们是利用抗冻蛋白的“热滞活性”降低原料肉中水分子的冰点并修饰冰晶形态，进而降低原料肉品质在冻藏过程中所受的影响。自Chen Liangbiao等首次在鱼类血液中发现抗冻蛋白后，人们相继从昆虫、植物和微生物中提取出具有相同功能的蛋白质，其中由于鱼类抗冻蛋白发现较早，目前已广泛应用于原料肉的冻藏；植物抗冻蛋白能够修饰冰晶形态，可以有效抑制重结晶；昆虫类抗冻蛋白相比于植物和鱼类而言，具有更强的抗冻活性；微生物抗冻蛋白有较强的抑制重结晶能力。

由于天然的蛋白类抗冻物质提取技术不成熟，无法进行大规模工业化生产，因此开发人工抗冻蛋白显得尤为重要。蛋白衍生物抗冻剂是一类应用较为广泛的人工抗冻剂，它是由特异性酶辅助蛋白质水解所得到的多肽。分别在鱼皮、猪皮和牛皮中水解得到相应抗冻肽，它们具有和抗冻蛋白类似的功能。抗冻蛋白水解物相比于其他抗冻保护剂具有可人工干涉产量及营养成分等优点，然而蛋白水解的过程中会产生具有苦味的产物，可能在应用于原料肉时造成负面的感官影响。因此，对于蛋白水解抗冻肽的开发还有待进一步研究。

2.2.3 盐类抗冻保护剂

盐类抗冻保护剂包括三聚磷酸盐、焦磷酸盐及六偏磷酸盐等复合磷酸盐类物质。磷酸盐主要通过3 种方式提高原料肉品质：一是提高原料肉的离子强度，使肌原纤维空间结构的水容量增大、蛋白质表面的水分子层更加稳定而增加结合水含量，从而减缓蛋白质冷冻变性并提高原料肉的持水能力；二是中和原料肉的酸性物质，由于磷酸盐是弱碱性的缓冲物质，加入到原料肉中有助于原料肉在冻藏过程中维持中性的pH值，防止蛋白质因酸度过强而出现变性；三是促进肌原纤维的破坏，磷酸盐能够通过促进肌动球蛋白的解离，从而提高持水能力较强的肌球蛋白的含量。磷酸盐作为抗冻保护剂具有价格低廉、使用简便等优点，并可以较大程度地提升肉的保水性。然而其抗冻能力相较于糖类抗冻剂较弱，且高盐浓度会影响蛋白质的凝胶特性，因此磷酸盐常与糖类抗冻剂复配使用，协同提高原料肉在冻藏过程中的抗冻能力。

2.2.4 多酚类抗冻保护剂

多酚类物质作为抗冻保护剂能够通过减缓蛋白质变性和脂肪氧化提高原料肉的品质。其抗冻机理图如图8所示，由于多酚类物质含有大量羟基，故其能够与蛋白质交联，提高蛋白质稳定性；并将自由水转化为结合水，从而减缓冰晶的生成，进而延缓并减少蛋白质的冷冻变性；另外，多酚所含羟基还能够通过清除自由基、捕获羰基并螯合金属离子等方式抑制原料肉中的蛋白质和脂肪氧化，多酚类物质抑制脂类及蛋白氧化的潜在途径如图9所示。此外，相关研究表明，茶多酚可能引起肌原纤维蛋白中氢键的形成，提高α-螺旋含量，从而提高蛋白质的稳定性。

2.2.5 氨基酸类抗冻保护剂

氨基酸的抗冻作用以及其对于肉制品品质的改善效果已被广泛研究。Ma Jianfan等研究了18 种天然氨基酸的抗冻能力，发现赖氨酸和精氨酸等疏水性较强的脂肪族氨基酸可抑制重结晶，甲硫氨酸可以降低水的冰点，从而抑制原料肉中水的结晶。另外，Xu Peng等发现赖氨酸和精氨酸能够通过螯合亚铁离子和清除自由基抑制肉制品中的氧化反应，提高肉的冻藏品质。目前，将精氨酸和赖氨酸作为抗冻保护剂用于原料肉冻藏品质保护的研究较少，尚待进一步研究。

2.3 新型包装技术

采用适当的包装技术是维持原料肉品质最简单的方法，适当的包装能够阻隔氧气和水蒸气渗透，影响原料肉传热速率从而减缓其在冻藏过程中品质的下降。传统的包装方式主要包括透氧包装和真空包装等，近年来，随着包装材料及包装技术的发展，气调包装和涂膜包装等新型包装技术被广泛用于原料肉的冻藏。

2.3.1 气调包装

气调包装是一种通过调节添加混合保护性气体（O2、CO2及N2等），从而抑制微生物生长、提高原料肉品质的包装方式。Wang Fangfang等分别采用不同气体组分（50% O2+30% CO2+20% N2、60% O2+40% N2、80% O2+20% CO2、0.4% CO+30% CO2+69.6% N2）对羊肉进行气调包装并冻藏，发现60% O2+40% N2气调包装的护色效果最好。Al等利用真空和不同气体混合组（15% O2+15% N2+70% CO2、30% N2+70% CO2、50% O2+50% N2、30% O2+70% CO2以及丁香精油组）包装鸡腿肉并冻藏，发现15% O2+15% N2+70% CO2、30% N2+70% CO2和丁香精油组鸡肉的冻藏损失最小。目前气调包装主要应用于原料肉的冷藏，在冻藏过程中的应用尚待进一步研究。

2.3.2 涂膜包装

涂膜包装是一种将成膜性物质涂在原料肉表面，形成具有防止微生物入侵能力的膜，进而提高原料肉品质的包装方法。涂膜包装通常在成膜基质中加入天然抗菌材料，以提高原料肉贮藏品质，表4总结了涂膜包装在原料肉冻藏中的应用进展。其中可食性包装膜是颇具代表性的一类涂膜包装。这类膜具有良好的阻水、阻氧能力以及良好的力学特性，并且可以食用，在原料肉冻藏领域中拥有广阔的发展前景。

2.4 新型解冻技术

在原料肉品质改善方法中，解冻和冷冻同样重要。由于经解冻处理的原料肉会出现营养流失和感官品质下降等现象，为减少解冻造成的损失，应采用合适的方法对原料肉进行解冻。而传统的解冻方式普遍具有效率较低和损耗较大等缺点。随着科技水平的提升，近年来微波解冻、超声解冻和电场辅助解冻等新型解冻技术也逐渐用于原料肉的解冻。

2.4.1 微波解冻技术

微波解冻是一种利用区间频率的电磁波作用于原料肉所含的水分子，使其运动摩擦产热，进而加速解冻过程的方法。然而，微波解冻由于受热不均等问题可能对原料肉品质有一定影响。冯钰敏等使用不同微波功率解冻鸭腿肉，结果发现700 W功率的微波处理对原料肉的持水能力、组织结构和感官品质的影响较大。Wang Bo等发现功率为800 W的微波解冻对于猪背最长肌中凝胶蛋白的影响较为显著。因此，近年来学者们开始将微波解冻和其他解冻方式结合使用以减少对肉品质的影响。

2.4.2 超声解冻技术

超声解冻主要利用热效应、机械效应和空化效应等产生热量并使其集中于原料肉的冷冻区域，以提高原料肉的解冻速率。Wang Bo等研究发现，相比于常规解冻方式，在500 W的超声作用下解冻猪背最长肌的效率更高，且肌肉凝胶品质更好。杜鹏飞等分别采用120、180、240、300 W超声辅助解冻羊背最长肌，结果发现随着超声强度的增加，羊肉的汁液损失率、pH值和亮度均显著下降，240 W超声辅助解冻羊肉时解冻速率较高且对于品质影响最小。因此，针对不同种类的原料肉应采取不同功率的超声进行处理。

2.4.3 高压静电场解冻技术

高压静电场解冻是指将原料肉置于-3～0 ℃环境中，在原料肉解冻过程中施加高压静电场从而提高解冻速率的方式。其机理是使氢键断裂、冰晶分裂从而加快解冻；同时，高压静电场能够产生离子风，从而产生更多带电粒子，提高原料肉的传热系数，进而增强其吸热能力，提高解冻速率。尚柯等研究发现，静电场解冻能提高冻藏牛肉解冻速率、减缓肌原纤维蛋白的变性并提升原料肉品质。然而，由于高压静电场耗能过多且具有一定安全隐患，目前对于高压静电场的应用尚少，对于高压静电场设备的改进及其在食品领域的应用仍待进一步研究。

03

结 语

冷冻冷藏是原料肉贮藏最为常用的手段，但在冷冻冷藏过程中原料肉易发生品质劣变，从而造成经济损失。本文概述了因蛋白质变性和脂肪氧化导致的原料肉品质劣变现象及机制，综述了基于新型冷冻技术、抗冻保护剂、新型包装技术和新型解冻技术，通过影响冰晶的形成及改善蛋白质和脂质在冷冻和冻藏过程中所受影响来实现原料肉冷冻品质提升的方法。尽管目前提高原料肉冻藏品质的新兴技术层出不穷，但新型技术大多处于研究发展阶段，尚待进一步研究。目前已有多个实验证实了几种新型技术对于不同种类原料肉品质改善具有明显的效果，然而实验室对于这些技术的机理以及工艺仍需进一步的理解和掌握，才能将新型技术进行商业化和工业化生产。此外，多种新型技术的联合应用在原料肉冷冻和冻藏领域中具有较大应用前景，能够赋予新兴技术更大的改善原料肉品质的潜力。

本文《原料肉冻藏品质劣变机制及其改善策略》来源于《食品科学》2024年45卷8期321-330页. 作者：刘嘉琪，王慧平，张鑫，孔保华，陈倩. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230627-210. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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