FSAP | 内蒙古农业大学孙文秀教授：实现肌肉食品长效保鲜的不完整冷冻策略：类别、调控、效益和挑战

为更好地理解和参考肌肉食品的不完全冷冻策略，内蒙古农业大学食品科学与工程学院金子纯（第一作者）、孙文秀教授（通信作者）等描述了肌肉食品在冷却过程中水分/冰晶行为演替规律，并在此基础上为肌肉食品的不完全冷冻技术进行系统分类，探讨其对肌肉食品贮藏品质及贮藏期的影响，结合一些重要的调控手段（冷冻保护剂、活性包装、外加物理场等），为肌肉食品冷链加工及运输的未来发展提供有价值的参考。

1 Introduction

数千年来，无论自然、生命、工程和材料领域的科学技术发展如何，低温环境仍然是延长肌肉食品保质期最常见、最方便、最有效的方法，因为低温环境可以直接抑制肌肉食品的腐败和变质因素，如微生物、内源酶和氧化反应等。因此，低温环境已被用作后续所有保鲜方法的介质。一般来说，基于低温环境的保鲜方法主要是指冷藏保鲜（0～4 ℃）和冷冻保鲜（－18 ℃以下），其分别满足肌肉食品短期和长期新鲜度的追求。虽然适当的冷藏有利于肌肉食品宰后成熟和嫩化，但该温度范围却无法长期抑制微生物活性和肌原纤维蛋白（myofibrillar protein，MP）的氧化降解。对于冷冻来说，不可避免的冰结晶也会对肌纤维造成不可逆的机械损伤，导致纤维结构的严重受损和MP的冷冻变性，也会导致持水能力、颜色、嫩度和风味的退化。与此同时，随着世界贸易的发展，新鲜肌肉食品的流通范围和规模不断扩大，传统冷藏和冷冻保鲜的效益已逐渐无法满足人们对食用价值和营养价值的双重追求，这些情况都迫使肌肉食品的保鲜技术实现创新和转型。

冷藏和冷冻之间的温度范围（0～－18 ℃）逐渐被应用于实现不同程度的保鲜要求，这种保鲜技术被命名为不完全冷冻技术。相比于传统冷藏，不完全冷冻温度可以进一步抑制微生物生长。同时，大量冰晶对肌肉结构的负面影响以及冷冻和解冻过程中的巨大能耗也被最小化。如此互补的综合作用极大地提高了肌肉食物在贮藏过程中的品质稳定。事实上，早在1920年就有人提出了类似的概念，如今被应用于牛肉、羊肉、猪肉和鱼类等多种肌肉食品的长期保鲜。在此期间，人们逐渐意识到，不完全冷冻范围内的不同温度对肌肉食物贮藏品质存在显著影响，需要确定最佳的不完全冷冻程度。然而，在探索过程中，不完全冷冻程度的命名和分类已经变得模糊且难以定义，这导致人们无法对相关技术进行准确的掌握和开发。

图1冰晶与其他劣化因素共同引发汁液流失的物理化学机制

2 肌肉食品冷却阶段的水分/冰晶行为变化与不完全冷冻分类

不完全冷冻技术根据肌肉食品在冷却过程中的水分/冰晶行为变化进行分类。在肌肉食品的冷却过程中，中心温度的下降呈现出快速-温和-快速的三阶段趋势。在不同的冷却阶段，肌肉食品的内部水分/冰晶行为也表现出不同的特点。超冷阶段（0 ℃至初始冰点）是肌肉食品中心温度从冷却开始降至冰点的阶段，此阶段不涉及冰晶的形成。相变阶段（初始冰点至相变终点）是肌肉食品中心温度从初始冰点降至相变终点的阶段，是冰晶形成的主要阶段。过冷阶段（相变终点至－18 ℃）是肌肉食品经过相变阶段后剩余的冷冻过程，此阶段冰晶的生长和再结晶继续进行。

基于水分/冰晶行为的变化，不完全冷冻分为四类：超级冷却（0 ℃到冰点）：是指肌肉食品温度低于理论冰点但未结晶的状态，此温度范围内微生物和酶活性进一步受抑制。微冻（冰点到低于冰点2 ℃）：少量表面水分结冰形成冰层，平衡内外温度，稳定贮藏质量，避免外部制冷需求，降低成本。部分冷冻：从微冻下限开始，到相变终点。亚冷冻：从相变温度到－18 ℃。

图2肌肉食品不完全冷冻技术的分类及其理论基础

3 不完全冷冻的调控方法

不完全冷冻的调节方法包括物理场辅助技术、添加冷冻保护剂、抗菌剂和抗氧化剂，以及选择合适的包装方式。物理场辅助技术可以通过影响水分子的定向排列和聚集提高肌肉食品的超冷度。冷冻保护剂如糖基化合物可以增加肌肉食品的玻璃化转变温度（Tg），从而在不完全冷冻范围内实现更长时间的保鲜。适当的包装方式可以减少肌肉食品在不完全冷冻过程中的氧化和微生物污染。如多种包装方式如气调包装、真空包装和活性包装也被用于保鲜，如气调包装可调节暴露量，抑制MP和脂质氧化及微生物生长。

图3磁场诱导肌肉食品过冷效应的作用机制

图4肌肉食品不完全冷冻技术的主要调控手段

4 不完全冷冻对肌肉食品品质的维护

不完全冷冻技术通过抑制微生物活性、酶活性和氧化反应，以及控制冰晶行为，从而延长肌肉食品的新鲜度和保质期。研究表明，与传统冷藏相比，不完全冷冻技术可以将肌肉食品的保质期延长1.4～8 倍。此外，结合冷冻保护剂、抗菌剂、抗氧化剂和适当的包装方式，可以进一步增强不完全冷冻的效果，延长肌肉食品的保质期。

5 Conclusion

根据肌肉食品冷却过程中水分/冰晶行为的变化，本文根据冷却阶段的深入将不完全冷冻技术分为超冷、微冻、部分冷冻和亚冻。除了降低能耗外，亚冻和传统冷冻之间没有明显的区别，这导致更多的研究集中在初始冷却阶段，即超冷、微冻和部分冷冻。作为冷藏和冷冻之间的折衷策略，不完全冷冻技术既可以依靠低温环境抑制肌肉食物中的微生物生长和繁殖，又不会形成大量冰晶破坏肌肉组织。辅以真空包装也可以显著减轻MP/脂质的氧化。不完全冷冻可以抑制低温肉制品的主要品质劣变因素（微生物、氧化、冰晶），从而实现肌肉食品保质期的不同程度的延长。此外，添加冷冻保护剂或其他活性物质、选择合适的包装方式和施加物理场辅助技术可以通过不同的机制进一步提高不完全冷冻的保鲜效益。就物料而言，不完全冷冻在鱼类中的研究最为丰富，在肉类中的研究较少，尤其是羊肉。就时间线而言，肌肉食品的不完全冷冻研究在20年代至今的4 年内突破了前十年的总研究数量，这证实了人们正在日益认可其潜力。总体而言，不完全冷冻技术是一种效益高、可调节、能耗低且有前景的保鲜策略，可满足各种要求，具有应用于肌肉食品低温贮藏和冷链运输的潜能。尽管本文为不完全冷冻做出系统的分类，但几十年来对各种不完全冷冻的研究进展仍不足以满足未来构建现代化冷链物流的需求，精细化、实时化、产业化和数字化是该技术将要面临的挑战。

图5肌肉食品不完全冷冻技术的当前进展和未来前景

Abstract

The modern development of commercial circulation has forced the preservation of muscle foods to achieve technology innovation and transformation. Incomplete freezing is a promising technology for muscle food preservation, which can be used as a compromise strategy between traditional chilling and freezing. It can not only inhibit microorganism and enzymatic activity with a cooler environment, but also avoid the severe drip loss triggered by the generous ice crystals, thus maintaining a stable quality in the storage, transportation and consumption. However, confusing nomenclature and blurred boundary appeared in the related researches is fatal to the standardization system formation and future development. To provide a clear reference, the review describes the moisture/ice-crystal behavior succession during cooling stage of muscle foods, and takes it as guideline to classify incomplete freezing techniques into 4 categories: superchilling (from 0 °C to freezing point), micro-freezing (from freezing point to 2 °C below freezing point), partial freezing (from 2 °C below freezing point to phase-transition endpoint) and sub-freezing (from phase-transition endpoint to –18 °C). As reported, the shelf life of muscle foods could be extended by 1.4–8 times under vaious incomplete freezing compared to traditional chilling. Meaningful regulatory approaches (cryoprotectant, packaging, physical field, etc.) were also highlighted, which could further enhance the practical effects of incomplete freezing by inhibiting vital deterioration factors such as microbial growth, oxidative reactions and ice crystal formation. Finally, refinement, real-time, industrialization and digitization as main challenges were presented to provide valuable references for the future development of muscle food cold chain circulation based on incomplete freezing.

作者介绍

孙文秀 教授

内蒙古农业大学食品科学与工程学院

孙文秀，博士/博士后，教授，博士生导师。阿尔伯塔大学（加拿大）访问学者，中组部、教育部、中科院、科技部派往天津大学“西部之光”访问学者。新世纪321人才，草原英才。内蒙古自治区标准化专家，质量风险评估专家，优质预制菜应用与创新示范技术推广首席专家。土默特右旗甘露子科技小院、金杏科技小院首席专家。赤峰市人才特使。第九届内蒙古农业大学教师技能大赛第一名获得者，内蒙古农业大学教坛新秀。现任内蒙古包头市土默特右旗挂职副旗长、内蒙古农业大学继续教育学院副院长。长期从事食品保鲜与安全控制技术、农畜产品精深加工及高值化利用、预制菜加工工艺开发与品质控制等领域的研究。主持承担国家自然基金2 项，内蒙古自然科学基金项目2 项，内蒙古自治区科技计划项目1 项，内蒙古自治区重点研发和成果转化计划项目1 项，中央引导地方科技发展资金项目1 项，“草原英才”工程专项资金支持科研项目1 项，内蒙古科技厅攻关项目2 项，教育部基金1 项，国家博士后基金1 项，校优秀青年基金1 项，获得省部级科技进步二等奖1 项。获批发明专利10余项，以第一作者、通信作者发表SCI论文30余篇。

金子纯 2023级博士研究生

内蒙古农业大学食品科学与工程学院

金子纯，中共党员，师从孙文秀教授，研究方向为肉品低温冷链加工及贮藏保鲜、肉品功能成分开发及综合利用。在国内外期刊公开发表学术论文5 篇。

文章内容由作者团队提供。

编辑：张庆芬、阎一鸣； 责任编辑：刘莉