《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：A Review of Emerging Techniques for Assisting and Accelerating Food Freezing Processes
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摘要翻译：快速冷冻对于食品安全、品质和货架期至关重要，同时也有助于提升全球粮食安全。传统的食品冷冻方法（如鼓风冷冻和平板冷冻）存在冷冻速率慢的局限性，导致形成大冰晶，破坏细胞结构并降低产品品质。新兴冷冻技术，包括可实现均匀冷冻的高压冷冻（HPF）、增强成核控制
摘要翻译：快速冷冻对于食品安全、品质和货架期至关重要，同时也有助于提升全球粮食安全。传统的食品冷冻方法（如鼓风冷冻和平板冷冻）存在冷冻速率慢的局限性，导致形成大冰晶，破坏细胞结构并降低产品品质。新兴冷冻技术，包括可实现均匀冷冻的高压冷冻（HPF）、增强成核控制的超声辅助冷冻（UAF）、以降低可冻结水分数而著称的渗透脱水冷冻（ODF）、微波辅助冷冻（MAF）、通过电场调控冰晶成核的电扰动冷冻（EF）以及磁场冷冻（MF），均相比传统冷冻方法提供了更好的改进。这些冷冻技术因能加速冷冻过程、减少冰晶形成、增强加工食品的风味和香气，已成为流行的食品保藏方法。因此，这些新技术可能激励食品企业扩大冷链，但仍需考虑相关因素并克服障碍。能量效率、可持续性以及与将这些技术规模化应用于工业相关的转化挑战是需要重点考虑的方面。本综述展示了传统与新兴冷冻方法的比较、能量效率和可持续性影响评估，以及工业实施中的实际挑战和未来研究方向的讨论。通过应对这些挑战，本综述旨在弥合现有知识差距，并为开发用于高质量、可持续食品保藏的下一代冷冻系统提供更新框架。然而，高昂的启动成本、规模化限制以及阻碍大规模部署的食品安全指南可能妨碍其广泛采用。已建议将混合冷冻系统与人工智能相结合，以改善实时监测并降低能耗。
主体部分总结：
1. 引言
供应链管理概念在食品保藏和分销运营中发挥着重要作用。食品保藏旨在保障食品安全和维持良好品质，对延长货架期、保持感官和营养品质至关重要。冷冻已成为保藏肉类、鱼类、水果和蔬菜等易腐食品风味、质地和营养价值的重要方法，同时延长其货架期。然而，传统冷冻方法（如鼓风冷冻、平板冷冻和低温冷冻）虽然简单有效，但会产生较大冰晶，影响食品细腻质地、导致营养损失，且实现高冷冻速率需要高能量，限制了工业规模化。现有综述多讨论基础冷冻机制或单一新兴技术，缺乏对多种先进技术的系统比较，对冰晶形成机制、能量效率、营养保留、可持续性及工业转化挑战的评估有限。因此，本综述旨在批判性地比较新兴冷冻技术与传统技术，重点关注作用机制、对食品微观结构、品质属性和营养保留的影响，并评估能量效率和可持续性，讨论实际挑战和未来方向。检索了Scopus、Web of Science、PubMed和Google Scholar等数据库，时间范围为2015至2025年。
2. 食品冷冻的基本原理
2.1. 冷冻速率
冷冻速率指食品从初始冻结点降至最终贮藏温度的速度，通常以冷冻前沿移动速度（cm h
-1）表示。慢速冷冻使水分子迁移聚集形成大的细胞外冰晶，破坏细胞膜；快速冷冻则促进高成核率，产生大量细小冰晶，保持细胞完整性。工业上分为慢速冷冻（<0.5 cm/h，家用冰箱）、中速冷冻（0.5–3 cm/h，鼓风冷冻）和快速冷冻（>5 cm/h，低温冷冻）。实验表明，较高冷冻速率能显著减少鱼的肌肉组织微结构损伤并改善力学性能。
2.2. 冰晶大小与分布
冰晶大小和分布主要由成核率和晶体生长动力学决定。快速冷冻产生高成核密度和小冰晶，慢速冷冻则使晶体长大。典型冰晶直径范围：慢速冷冻50–200 μm，鼓风冷冻20–80 μm，低温冷冻<20 μm，高压冷冻<10 μm。大冰晶会机械破坏细胞壁和细胞内结构，导致解冻汁液流失和质地劣化；细小均匀的冰晶能保持植物和肌肉组织的微观结构，维持持水性和感官品质。
2.3. 冰成核与过冷
食品中的水常处于过冷态，在冰点以下仍保持液态。冰成核需要水分子簇克服热力学能垒。过冷度增大通常提高成核速率并影响晶体数量。现代冷冻技术（如超声辅助冷冻、电场辅助冷冻和磁场冷冻）通过调控成核过程，提高冷冻速度并产生更小、分布更均匀的冰晶。
2.4. 冷冻食品的品质指标
常用品质指标包括汁液流失率（2%–12%）、持水性（肌肉食品60%–80%）、质地（剪切力，慢冻肉下降10%–30%）和营养保留（维生素C保留60%–90%）。快速冷冻技术产生较小冰晶，降低汁液流失并提高持水性，同时有利于保护热敏营养素。
3. 冷冻设备及其运行模式
工业冷冻机主要包括隧道式冷冻机、螺旋式冷冻机和鼓风冷冻机。隧道式冷冻机适用于连续高产能冷冻，传送带长20–30 m，每班可冷冻2–5吨，利用?35°C至?50°C冷空气或?196°C液氮实现快速表面固化。螺旋式冷冻机采用螺旋输送系统，在?40°C冷空气中均匀冷冻，每小时处理量可达1000 kg，节省空间。鼓风冷冻机以?40°C、流速高达15 m/s的强制空气循环在2–4小时内降低产品中心温度，减少大冰晶形成。实验室规模方面，可控速率冷冻机（CRF）精确控制降温速率（如1°C/min）以保持冰晶细小；低温冷冻机使用液氮（?196°C）或二氧化碳（?78.5°C）快速冷冻，适合高品质水产品和甜品，但运行成本高。
4. 不同冷冻方法的比较
4.1. 鼓风冷冻
鼓风冷冻通过高速冷空气吹过食品，在12–48小时内降至贮藏温度（如鱼?20°C、牛肉?18°C）。成本较低，适用于肉类和烘焙产品，但冷冻速率较慢，可能形成大冰晶，损害细胞结构。
4.2. 低温冷冻
利用液氮或二氧化碳（?196°C）实现快速冷冻，形成较小冰晶，保持质地、口感和营养。适用于高价值易腐产品（如海鲜、浆果、优质肉），但设备成本和冷冻剂费用较高。
4.3. 浸渍冷冻
将食品浸入冷却的液体介质（乙二醇或盐水）中，利用液体高导热性实现均匀高效传热。传热系数高，冷冻速率优于鼓风冷冻，适合不规则形状或真空包装产品，如海鲜和肉类，减少脱水和氧化。
4.4. 间接接触冷冻
通过制冷剂流经的冷表面接触食品，制冷剂不直接接触食品，环境清洁可控。适用于连续生产线和扁平或包装食品，确保均匀冷冻。新型冷却剂（如甲酸钾溶液）具有较低环境影响和更好安全性。
4.5. 食品中的抗冻蛋白
抗冻蛋白（AFPs）是一类能结合冰晶面、抑制冰晶形成的蛋白质。它们通过热滞（TH）和重结晶抑制（RI）发挥作用。TH是指非胶体性冰点降低而不改变熔点；RI抑制冷冻贮藏中的冰晶生长和聚集。来源包括南极鱼类、黄粉虫和南极细菌等。在肌肉食品中，AFPs减少冰晶生长，降低解冻和蒸煮损失，提高持水性和质地完整性；在冷冻甜点和水果中防止重结晶。然而，AFPs存在生产成本高、工业规模供应有限、活性受食品基质影响等问题。近年研究还探索了多糖类仿生抗冻水凝胶作为替代方案。
4.6. 等容冷冻
等容冷冻是一种在恒容条件下进行的冷冻方法，通过温度降低导致压力升高，抑制冰晶形成。根据热力学原理，等容条件使压力与温度在相变过程中保持热力学平衡，避免冰晶对细胞的机械损伤。研究表明，等容冷冻能保持水果、蔬菜和肌肉食品的质地、颜色和营养成分。例如，葡萄番茄在?2.5°C和25 MPa下保持最佳形态和营养；菠菜在?4°C和29.7 MPa下保持细胞完整；马铃薯在?5°C至?3°C下无明显重量损失和褐变。等容冷冻还能降低能耗，相比传统等压冷冻更具优势。
5. 冷冻过程对不同食品的影响
5.1. 鱼类和海鲜
鱼类肌肉含水量高、蛋白质结构脆弱，慢速冷冻会导致大的细胞外冰晶，造成结构损伤、汁液流失和质地劣化。快速冷冻（如低温冷冻、浸渍冷冻）通过减小冰晶尺寸有效保持感官特性，并抑制酶促和微生物腐败。冷冻还会引起蛋白质氧化变性，导致营养损失。
5.2. 肉类和禽肉
冷冻过程中冰晶可能破坏肌纤维和细胞膜，导致解冻时水分流失，影响多汁性和嫩度。压力辅助冷冻能减小冰晶尺寸，保持结构完整性并提高肉品质。鼓风冷冻广泛使用，但冷冻条件强烈影响冰晶形成、结构损伤和蛋白质稳定性。
5.3. 水果和蔬菜
水果和蔬菜含水量高且脆弱，冷冻影响颜色、风味、硬度和维生素含量。个体速冻（IQF）能最小化细胞内冰晶形成，防止细胞壁损伤和解冻后软烂。快速冷冻比慢速冷冻保留更多抗氧化剂和酚类化合物，减少细胞损伤和水分迁移。
6. 食品冷冻新兴技术
6.1. 高压冷冻（HPF）
HPF在冷冻前对样品施加极高压力的技术，改变水的相变行为，降低冰点，从而快速冷冻而不损伤结构。在肌肉食品中，HPF通过压力位移成核显著减少冷冻损伤，解冻损失降低30%–60%，持水性提高15%–30%，硫代巴比妥酸反应物（TBARS）值降低20%–35%。在水果和蔬菜中，冰晶尺寸减少约60%–80%，维生素C和酚类保留增加20%–40%。挑战包括液氮直接接触造成的莱顿弗罗斯特效应可能损伤样品。
6.2. 超声辅助冷冻（UAF）
超声波频率高于20 kHz，通过空化效应产生局部高温高压、微射流和冲击波，影响冰晶成核过程。UAF促进均匀成核，减小冰晶尺寸，缩短冷冻时间约30%。在肌肉食品中，解冻损失降低20%–50%，蒸煮损失降低8%–13%，持水性提高10%–25%，TBARS值降低25%–40%。在水果和蔬菜中，冰晶尺寸减小40%–70%，维生素C和总酚保留增加15%–35%。超声还能加速冷冻过程，减少微生物生长风险。
6.3. 电扰动冷冻（EF）
电场可改变水分子排列和取向，从而影响冰晶成核、大小和分布。适当强度的电场能促进有序排列和均匀成核，抑制大冰晶形成。电场可稳定过冷状态或按需诱导成核，有利于保持食品质地和减少细胞损伤。该技术已应用于海鲜、肉类和乳制品的冷冻，以及医学细胞冷冻保存。
6.4. 磁场冷冻（MF）
磁场通过影响氢键和水分子取向改变冰晶成核和结晶过程。中等强度磁场可延迟冻结开始，减少大冰晶生长；促进更细小均匀的冰晶。磁场暴露可能增加过冷度，并抑制重结晶。在肌肉食品中，TBARS值降低10%–25%，持水性提高5%–15%，解冻损失降低10%–25%。磁场辅助冷冻已在水果、蔬菜和肌肉食品中显示出改善结构完整性和质量保存的潜力。
6.5. 微波辅助冷冻（MWF或MAF）
MAF通过微波使水分子快速振动，产生体积加热效应，允许从内部和外部同时提取热量，降低热梯度，实现均匀冷冻。微波渗透食品基质，促进均匀冷却和细小冰晶。在肌肉食品（如牛肉）中，解冻损失降低20%–40%，蒸煮损失降低5%–10%，持水性提高10%–20%，TBARS降低20%–35%，剪切力降低15%–25%。在水果和蔬菜中，微结构均匀性提高，维生素和酚类保留增加10%–25%。
6.6. 渗透脱水冷冻（ODF）
ODF是在冷冻前通过渗透脱水部分去除食品中的水分。将食品置于高渗溶液（糖或盐溶液）中，水从食品迁移至溶液，同时溶质可能扩散进入食品。减少可冻结水分数可减小冰晶尺寸，保持微结构完整性，同时缩短冷冻时间并降低能耗。ODF可减少汁液流失，保留水分和营养物质，改善水果（如草莓、苹果、胡萝卜）的硬度和植物化学稳定性，并减少肌肉食品的蛋白质变性和水分迁移。
7. 先进冷冻技术的挑战与前景
先进冷冻技术面临设备成本高、操作复杂和需要专业培训等结构性问题。低温、浸渍和压力辅助冷冻设备昂贵，规模化困难，尤其在低预算地区。此外，还需遵守食品接触材料指南、制冷剂安全法规和碳足迹要求，增加合规成本。未来方向包括整合人工智能（AI）和自动化，用于实时监测产品核心温度、动态控制冷冻速率和预测维护需求。混合冷冻系统（如正渗透-冷冻耦合工艺）可提高水资源回收效率。可持续冷冻方法（如使用可再生能源、低全球变暖潜能制冷剂）日益受到关注。等容冷冻技术和工程化抗冻蛋白、仿生防冻材料也展现出前景。但仍需进一步研究以适应不同食品基质、面向中小企业规模化并协调不同区域法规。跨学科创新是先进冷冻技术未来发展的关键。
