冻融黄鳍金枪鱼（*Thunnus albacares*）的非平衡界面热力学：冰表面张力与水分传输驱动力

《Journal of Food Engineering》：Non-equilibrium interfacial thermodynamics of freeze–thawed yellowfin tuna ( Thunnus albacares): Ice surface tension and water-transport driving forces

　　

•基于非平衡热力学框架描述冻融劣化过程。
•水分分配将冻结热力学与解冻时的滴水损失联系起来。
•冰的表面张力和化学势驱动水分再分配。
•冻结期间储存的弹性能量决定了随后解冻行为。
•滴水损失由液体耗尽和液体保持能力增强所控制。

引言

冷冻海产品构成了一个热力学上复杂的非平衡系统，其中冰晶、未冻结水、蛋白质、脂质和溶解溶质以亚稳态共存，并在冷冻储存过程中持续演化。冰/水界面处发生的物理化学相互作用支配着水分迁移、冰晶生长和结构稳定性，使得界面热力学成为理解冷冻生物组织品质劣化的基本框架（Castro-Giráldez等，2014）。

由于其高度易腐性，金枪鱼通常在捕捞后不久即被冷冻，以保持其商业品质并延长保质期。金枪鱼肌肉具有高度有序的肌节架构、低结缔组织含量、高含水量以及死后即刻的较高代谢活性（Mileti?等，2019）。因此，肌肉在死后转变为肉的过程中伴随着快速的生物化学和结构变化，包括ATP（三磷酸腺苷）耗竭、pH值演变、蛋白质变性以及持水力逐步丧失（Dara等，2021）。这些转变在冷冻储存期间持续进行，并强烈影响组织对反复冻融循环的响应（Konno，2017）。在高价值海产品之中，黄鳍金枪鱼（Thunnus albacares）因其高含水量和肌肉高度有序的层级结构而特别容易受到冻结损伤。金枪鱼肌肉由优先定向的肌纤维束组成，嵌入在内肌膜和肌束膜等结缔组织中，从而导致具有方向依赖性的力学性能和水分传输路径。沿纤维轴方向，胶原蛋白质的内肌膜和肌束膜以适用于生理收缩-舒张循环的构型包裹肌动蛋白-肌球蛋白束，赋予组织相对较大的弹性机械能储存能力而不导致结构失效。然而，垂直于纤维轴方向，这种压缩能力则有限得多，因为组织必须在抵抗压缩的同时保持收缩装置的线性排列。因此，当冰晶生长产生的机械力沿横向方向作用时，相较于弹性适应，结构破裂更为可能；而沿纵向方向作用的力则更容易以可逆弹性应变的形式被吸收。这种层级组织决定了冻结和解冻过程中水分如何再分配，影响冰晶成核和生长，并最终支配冷冻储存过程中肌肉完整性的保持。

在冻结过程中，水经历从液相到固相的相变，形成冰晶（在大气条件下为Ih型），同时逐渐浓缩剩余未冻结相中的溶质，通常称为冻浓缩基质。冰-水界面的形成产生了化学势、渗透压和界面自由能的局部梯度，这些梯度成为支配细胞内和细胞外之间水分运输的驱动力（Castro-Giráldez等，2014）。

由于生物组织中的冻结很少在热力学平衡下发生，冻基质通过耦合的非平衡现象持续演化，包括低温浓缩、冰重结晶、细胞脱水以及界面失稳。反复的冻融循环通过增强水分迁移和促进冰晶的生长与聚并来放大这些过程，导致肌肉纤维的机械破坏、滴水损失增加、蛋白质失稳和组织功能逐步劣化（Cuibus等，2014）。

分隔冰晶与未冻结冻浓缩基质的界面区域构成了支配冻结状态演化驱动力的热力学边界。界面自由能、表面张力和分子迁移率的变化调节着水分运输、冰晶生长动力学和重结晶现象，最终决定冷冻组织的结构稳定性。冻浓缩基质的物理化学性质强烈受温度和组成的影响，特别是通过水分子与肌原纤维蛋白（如肌球蛋白和肌动蛋白）之间的相互作用。冻融诱导的蛋白质变性降低了水结合能力，改变了肌肉基质的层级组织，并修改了控制界面水分运输的热力学驱动力（Konno，2017）。因此，冷冻金枪鱼的行为不能仅通过传统品质指标来完全理解，而需要综合分析热转变、水分迁移率、蛋白质结构变化和界面热力学。

在可用于研究这些耦合过程的实验技术中，差示扫描量热法（DSC）通过表征支配冷冻海产品体系内部分子迁移率的热转变，提供了研究这些耦合现象的有力方法。最大冻浓缩相的玻璃化转变温度（Tg'）和最大冻浓缩基质的起始熔融温度（Tm'）等参数定义了与冷冻储存期间分子扩散、冰重结晶动力学和结构稳定性相关的关键迁移率阈值（Mahato等，2019）。此外，对应于肌原纤维蛋白的变性吸热峰提供了冻融应力诱导的构象变化信息，而含水量、pH值和滴水损失等物理化学参数则通过反映反复冻融循环过程中的水分再分配和结构劣化来补充这些信息。

从这一视角出发，冻结不应仅被解释为相变过程，而应被视为一个能量转化过程，在此过程中化学能、界面能和机械能在组织内持续交换、积累和耗散。

基于质量和能量守恒的热力学模型长期以来被用于食品工程中描述热量和物质传递并预测食品加工过程的演化。这些方法为模拟许多工程操作提供了可靠工具，在这些操作中传输现象可以通过全局平衡和构型关系来表示。然而，生物组织构成了远为复杂的系统，其中传输过程固有地与相变、机械变形和物理化学转变相耦合。

在这些条件下，非平衡热力学提供了一个特别合适的框架，因为它通过相应的热力学驱动力来描述不可逆过程。尽管如此，此类模型的预测能力取决于其逐步纳入生物组织固有复杂性的能力。与理想化的工程系统不同，生物基质表现出异质性的微观结构，其中多种传输驱动力共存、相互作用，并随着组织的演化而持续重新分配其相对贡献。因此，现代热力学模型应尽量减少不必要的简化假设，并逐步纳入所有物理相关的不可逆机制及其相关传输驱动力，以提供对生物行为的真实描述。

遵循这一理念，我们的研究团队逐步开发了用于渗透脱水、盐渍、干燥、冻结、微波辅助干燥和控释过程的非平衡热力学模型，证明了发生在生物组织中的耦合不可逆现象可以在统一的热力学框架内得到成功解释（Castro-Giráldez等，2014；Chuquizuta等，2025；Cuibus等，2014；Frutaz等，2025；Talens等，2016；Tomas-Egea等，2021、2022；Traffano-Schiffo等，2016；Velázquez-Varela等，2014）。

在这一进展过程中，每个后续模型都纳入了额外的不可逆机制，逐步降低简化水平并改善了对生物系统的物理表征。

与此同时，其他研究小组也已成功地将热力学原理应用于鱼类系统，主要涉及干燥过程中的热量和物质传递、不同压力条件下的冻结以及冷冻肌肉中水的物理化学状态（Ishai等，2021；Khan等，2021；N?stase等，2017）。尽管这些研究显著推进了鱼类保存的热力学描述，但导致反复冻融循环中结构劣化的不同不可逆传输驱动力的相对贡献尚未被确立。

因此，本研究的目标是建立一个机理性非平衡热力学框架，能够区分、量化并整合支配冻融劣化的化学、界面和机械传输驱动力的相对贡献。特别地，该模型引入了冰晶生长产生的机械功，并评估其在组织内储存的弹性应变能与通过结构损伤耗散的不可逆能之间的分配。这种分配既决定了组织的永久性劣化，也决定了解冻过程中释放的机械传输驱动力，从而确立了各能量组分对连续冻融循环后解冻组织最终结构和热力学状态的贡献。

章节摘要

原材料

商业超低温黄鳍金枪鱼（Thunnus albacares）被用作原材料。独立真空包装的切片背肉从ABORDO零售店购买（ABORDO Congelados，西班牙瓦伦西亚地区）。根据产品标签，唯一成分为黄鳍金枪鱼，捕捞于中西太平洋（FAO渔区71），使用延绳钓（ trolling ）渔具，声明产地为印度尼西亚。

产品以225克包装供应（净重，无冰衣）。

结果与讨论

结果按照冻融过程的物理顺序呈现。首先通过DSC测量确立冻浓缩相的热力学状态，然后是冰微观结构和肌原纤维蛋白稳定性的演化。最后将这些实验观察整合到所提出的非平衡热力学模型中，该模型描述了冰晶生长、水分运输和滴水损失。

结论

本研究引入了一个非平衡热力学模型，在金枪鱼冻融研究中首次机理性地将组织破裂与机械能的储存和释放（由于弹性组织）相耦合，并明确地将支配冻结过程的驱动机制与支配解冻过程的驱动机制区分开来。热表征将最大冻浓缩相的玻璃化转变定位在Tg' = ?65.7 °C，起始熔融温度定位在Tm' = ?20.8 °C。

CRediT作者贡献声明

Pedro J. Fito：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿、监督、形式分析、概念化。Alejandra Lagos-Soto：写作 – 初稿、调查研究。Rafael Gadea-Girones：监督、资金获取。Ricardo J. Colom：软件、资源。Jose M. Monzo：调查研究。Angel Tebar-Ruiz：调查研究。Marta Castro-Giraldez：监督、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了瓦伦西亚自治区通过"可巩固研究小组计划"（CIAICO/2024/119）的支持，项目名称为"人工智能和射频分光光度法冷冻金枪鱼品质分类器"。

Pedro J. Fito | Alejandra Lagos-Soto | Rafael Gadea-Girones | Ricardo J. Colom | Jose M. Monzo | Angel Tebar-Ruiz | Marta Castro-Giraldez