《食品科學(xué)》：武漢輕工大學(xué)廖鄂博士等：冰點(diǎn)預(yù)冷-變速液氮凍結(jié)對(duì)生鮮黃鱔片品質(zhì)的影響及凍結(jié)能耗特性評(píng)價(jià)

黃鱔（Monopterus albus）隸屬于合鰓目合鰓科黃鱔屬，是我國(guó)主要的名優(yōu)溫?zé)釒УB(yǎng)殖品種之一。其主產(chǎn)區(qū)集中于湖北、江西、安徽、湖南等長(zhǎng)江中下游地區(qū)，2024年全國(guó)總產(chǎn)量達(dá)35.52萬(wàn)?t。黃鱔肉質(zhì)細(xì)膩，營(yíng)養(yǎng)豐富，具有高水分（80%左右）、高蛋白（18%～20%）和低脂肪（＜2%）的特性，貯藏過(guò)程中易發(fā)生品質(zhì)劣變，甚至腐敗變質(zhì)，故生鮮黃鱔常采用低溫保鮮技術(shù)。黃鱔體表、鰓部及腸道常攜帶的嗜溫性微生物（包括Pseudomonas和Aeromonas）在冷藏條件（0～4?℃）下仍保持較高的代謝活性，會(huì)分解組織內(nèi)蛋白質(zhì)和脂肪，導(dǎo)致肉質(zhì)腐敗并產(chǎn)生異味。研究表明，在3～4?℃冷藏條件下，黃鱔片的保質(zhì)期通常不超過(guò)8?d，難以滿足產(chǎn)品的長(zhǎng)距離運(yùn)輸與跨區(qū)域流通的需求，成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

冷凍保鮮（≤-18?℃）能有效抑制內(nèi)源酶活性和腐敗微生物的生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)生鮮水產(chǎn)品的長(zhǎng)期貯藏；同時(shí)，大量研究證實(shí)，淡水魚(yú)蝦的冷凍保藏品質(zhì)還與凍結(jié)速度、凍藏溫度等因素密切相關(guān)。其中，凍結(jié)速率對(duì)冰晶形成影響顯著，即樣品通過(guò)最大冰晶生成帶（-1～-5?℃）的速率越快，形成的冰晶越細(xì)小均勻，產(chǎn)品解凍后的品質(zhì)通常越好。液氮速凍作為一種凍結(jié)溫度極低、傳熱效率高的快速凍結(jié)技術(shù)，能使水產(chǎn)品迅速通過(guò)最大冰晶生成帶，形成細(xì)小均勻的冰晶，降低肌纖維損傷，被廣泛應(yīng)用于高價(jià)值水產(chǎn)品的凍結(jié)過(guò)程。Lv?Ying等采用液氮凍結(jié)處理墨魚(yú)發(fā)現(xiàn)，相較于冰柜凍結(jié)（FF）、鹽水浸漬冷凍、平板冷凍及隧道式連續(xù)冷凍，其通過(guò)最大冰晶生成帶的時(shí)間分別縮短99.09%、97.77%、95.65%和93.12%，且表現(xiàn)出最高的巰基含量（0.37?mmol/g）和最低程度的無(wú)規(guī)卷曲。Zhang?Jie等采用液氮凍結(jié)處理鱸魚(yú)發(fā)現(xiàn)，其冰晶等效直徑（（12.30±0.33）μm）和冰晶面積比（（7.61±2.81）%）較空氣凍結(jié)和浸漬凍結(jié)處理組樣品分別顯著下降84.37%、76.66%和70.57%、41.78%，表明液氮處理可有效抑制冰晶對(duì)組織結(jié)構(gòu)的破壞。然而，現(xiàn)有液氮速凍工藝仍面臨液氮蒸發(fā)損失大、能耗成本高、溫度場(chǎng)分布不均導(dǎo)致樣品表面凍裂等問(wèn)題，阻礙了其廣泛應(yīng)用。

目前，已有研究針Mao?Yuxiao等采用-100?℃液氮凍結(jié)處理大黃魚(yú)，發(fā)現(xiàn)樣品冰晶截面積和解凍損失率分別僅為27?μm2、1.58%，較-20?℃和-60?℃液氮凍結(jié)組分別降低89.24%、79.23%和34.71%、31.30%。然而，現(xiàn)有研究通常僅關(guān)注不同液氮速凍溫度對(duì)凍結(jié)對(duì)象品質(zhì)的影響，從能耗成本角度優(yōu)化液氮速凍工藝的研究還相對(duì)匱乏，本團(tuán)隊(duì)前期工作報(bào)道了采用冰柜預(yù)冷結(jié)合變溫液氮速凍（4?℃→ -80?℃→-50?℃）處理預(yù)制調(diào)理黃鱔的研究；凍結(jié)溫度條件的選擇仍較大程度依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)判斷，鮮有研究基于凍結(jié)速率與品質(zhì)的定量關(guān)系精確篩選凍結(jié)條件，變速液氮凍結(jié)（V-LNF）對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)的影響及節(jié)能降耗潛力亦鮮見(jiàn)報(bào)道。

武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院的劉娜、王雙琳、廖鄂*等以生鮮黃鱔片為研究對(duì)象，基于多梯度液氮凍結(jié)溫度（-50、-60、-70、-80、-90、-100、 -110、-120?℃）條件下的凍結(jié)曲線，擬合凍結(jié)溫度-速率關(guān)系，并據(jù)此研究不同液氮凍結(jié)速率（6、9、12?℃/min）對(duì)黃鱔片持水力（水分含量、持水率、解凍損失率）、水分狀態(tài)、質(zhì)構(gòu)特性、冰晶形態(tài)及肌肉組織微觀結(jié)構(gòu)等的影響，篩選較優(yōu)凍結(jié)速率；結(jié)合差示掃描量熱（DSC）法精準(zhǔn)定位冰點(diǎn)，開(kāi)發(fā)“冰點(diǎn)預(yù)冷+高速降溫+低速平衡”的三段式液氮速凍技術(shù)（預(yù)冷至冰點(diǎn)→高速率凍結(jié)通過(guò)最大冰晶生成帶→低速率凍結(jié)至終溫）；探究其對(duì)生鮮黃鱔片品質(zhì)的影響，并開(kāi)展能耗特性評(píng)價(jià)，揭示該技術(shù)的品質(zhì)提升及節(jié)能降耗潛力，以期為生鮮黃鱔的高效液氮速凍保鮮技術(shù)開(kāi)發(fā)奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1 不同液氮凍結(jié)溫度對(duì)生鮮黃鱔片凍結(jié)曲線的影響及凍結(jié)速率擬合

不同液氮中心溫度變化及凍結(jié)曲線如圖1和表2所示，隨著液氮凍結(jié)溫度的降低，溫度變化曲線形態(tài)變得更為陡峭，黃鱔片通過(guò)最大冰晶生成帶的時(shí)間呈逐漸縮短的趨勢(shì)。不同液氮凍結(jié)溫度（-50、-60、-70、 -80、-90、-100、-110、-120?℃）處理的黃鱔片中心溫度從-1～-5?℃的時(shí)間分別為65、55、35、26、20、16、13、11?s；其中，-120?℃液氮凍結(jié)樣品通過(guò)最大冰晶生成帶時(shí)間僅為-50?℃液氮凍結(jié)的16.92%。此外，依據(jù)式（1），可得到各液氮凍結(jié)溫度梯度對(duì)應(yīng)的凍結(jié)速率分別為3.69（-50?℃）、4.36（-60?℃）、6.85（-70?℃）、9.23（-80?℃）、12.00（-90?℃）、15.00（-100?℃）、18.46（-110?℃）、21.82?℃/min（-120?℃），由此擬合液氮凍結(jié)溫度-速率曲線方程為y＝-3.668?6x-43.082（R2＝0.981），表明液氮凍結(jié)溫度與凍結(jié)速率間存在線性關(guān)系。

2 不同液氮凍結(jié)溫度對(duì)生鮮黃鱔片持水力的影響

如圖2所示，當(dāng)液氮凍結(jié)溫度在-50～-80?℃時(shí)，隨著凍結(jié)溫度的降低，黃鱔片水分含量和持水率整體呈顯著升高的趨勢(shì)（P＜0.05），而解凍損失率呈顯著降低的趨勢(shì)（P＜0.05）。這可能是由于液氮速凍溫度降低使魚(yú)肉中的水分快速凍結(jié)并形成細(xì)小冰晶，減少了對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞；同時(shí)，低溫抑制了蛋白質(zhì)變性，使其維持較好的持水能力，樣品解凍損失較小。當(dāng)液氮凍結(jié)溫度降至-90?℃后，隨著溫度的持續(xù)降低，各組樣品的水分含量、持水率、解凍損失率水平則基本保持穩(wěn)定，分別為76.51～78.91?g/100?g、78.43%～78.49%、10.56%～11.45%，無(wú)顯著差異（P＞0.05）。這可能是在低于-80?℃的凍結(jié)溫度下，樣品表面絕大部分水分（超過(guò)95%）已經(jīng)結(jié)冰，未結(jié)冰的自由水含量極低，凍結(jié)溫度繼續(xù)降低對(duì)水的整體狀態(tài)影響不顯著。同時(shí)，當(dāng)絕大部分水分在低溫下結(jié)冰形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，冰晶對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，細(xì)胞內(nèi)束縛水和部分結(jié)合水被固定在相對(duì)穩(wěn)定的冰晶-細(xì)胞體系中，使得樣品保持水分的能力不再因溫度的進(jìn)一步降低而顯著改變。因此，從節(jié)能角度綜合考慮選擇生鮮黃鱔片較佳液氮凍結(jié)溫度為-80?℃。

3 不同液氮凍結(jié)速率對(duì)生鮮黃鱔片水分狀態(tài)的影響

為明確凍結(jié)速率與品質(zhì)的定量關(guān)系并精確篩選凍結(jié)速率條件，采用不同凍結(jié)速率處理生鮮黃鱔片，可為相關(guān)理論研究與規(guī)模化應(yīng)用提供關(guān)鍵參數(shù)依據(jù)。由2.2節(jié)可知，-80?℃液氮凍結(jié)溫度能較好地維持生鮮黃鱔片品質(zhì)，代入凍結(jié)溫度-速率曲線方程中可知液氮凍結(jié)速率為9.23?℃/min（方便實(shí)際工藝操作取整9?℃/min）。低場(chǎng)核磁共振可以探究不同凍結(jié)速率對(duì)黃鱔片水分分布的影響，如圖3A所示，其中魚(yú)肉中水分分成3?種狀態(tài)，包括結(jié)合水（T21，0～10?ms）、不易流動(dòng)水（T22，60～200?ms）、自由水（T23，600～1?000?ms），T21、T22、T23?3?個(gè)峰面積之比分別代表3?種水分狀態(tài)的占比，即P21、P22、P23。不同液氮凍結(jié)速率對(duì)黃鱔各組水分占比的影響如圖3B所示。隨著凍結(jié)速率從6?℃/min提升至9?℃/min，P21減少19.00%（P＜0.05），P22增長(zhǎng)1.40% （P＜0.05），這表明適當(dāng)提高液氮凍結(jié)速率（9?℃/min）可能使黃鱔肌纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)中的不易流動(dòng)水更好地保存，較少的不易流動(dòng)水轉(zhuǎn)化為自由水。當(dāng)凍結(jié)速率達(dá)到12?℃/min時(shí)，與9?℃/min相比P21、P22、P23無(wú)顯著差異（P＞0.05），表明過(guò)快的凍結(jié)速率使水分子被迅速固定，無(wú)法充分遷移，因此各組水分占比維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 不同液氮凍結(jié)速率對(duì)生鮮黃鱔片質(zhì)構(gòu)特性的影響

如表3所示，當(dāng)凍結(jié)速率由6?℃/min增加到9?℃/min，樣品的硬度、咀嚼性和回復(fù)性分別增長(zhǎng)39.44%、264.90%和23.08%（P＜0.05），彈性顯著降低24.13%（P＜0.05）；而當(dāng)凍結(jié)速率繼續(xù)增加至12?℃/min時(shí)，樣品的硬度、彈性和回復(fù)性基本保持穩(wěn)定（P＞0.05）。楊金生等對(duì)梭子蟹的液氮凍結(jié)研究中也發(fā)現(xiàn)，隨著凍結(jié)溫度的降低（-24?℃→-80?℃），硬度和彈性并未出現(xiàn)顯著變化（P＞0.05）。此外，凍結(jié)速率12?℃/min條件下樣品的咀嚼性相較于9?℃/min處理顯著下降21.23%（P＜0.05），這可能是因?yàn)檩^高凍結(jié)速率條件下較強(qiáng)表面應(yīng)力帶來(lái)的開(kāi)裂導(dǎo)致黃鱔肉硬度降低、細(xì)胞間凝聚力降低、肌肉彈性減小等綜合作用的結(jié)果。

5 不同液氮凍結(jié)速率對(duì)生鮮黃鱔片冰晶形態(tài)和肌肉組織微觀結(jié)構(gòu)的影響

如圖4A所示，粉紅色代表肌肉纖維，白色代表冰晶。由圖4A1、A2可知，凍結(jié)速率由6?℃/min增加到 9?℃/min時(shí)，冰晶間隙逐漸減小，肌肉纖維結(jié)合更緊密。Kono等采用不同凍結(jié)速率（0.026、0.757?℃/min）處理鮭魚(yú)片，發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)速率加快，冷凍鮭魚(yú)片表層冰晶直徑呈指數(shù)遞減，冰晶面積減小，形態(tài)更完整。圖4A3顯示了液氮凍結(jié)速率為12?℃/min時(shí)的冰晶形態(tài)，相較于9?℃/min而言，組織間冰晶間隙略有增大，小冰晶依附于大冰晶，使冰晶面積逐漸增大，但組織纖維相對(duì)完好無(wú)損傷；這可能是由于過(guò)快的凍結(jié)速率（12?℃/min）導(dǎo)致體系溫度迅速降低，水分子沒(méi)有足夠時(shí)間進(jìn)行有序排列，導(dǎo)致大量晶核瞬間形成，并在肌肉組織有限的空間內(nèi)生長(zhǎng)形成大量細(xì)小冰晶，使冰晶面積有所增大。Ren?Yanmei等采用不同液氮凍結(jié)溫度處理三疣梭子蟹發(fā)現(xiàn)，-80?℃和-100?℃處理組的樣品相較于-120?℃處理組細(xì)胞緊密相連，表明過(guò)低的溫度和過(guò)快的凍結(jié)速率可能對(duì)肌肉組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖4B顯示了不同液氮凍結(jié)速率對(duì)黃鱔肌肉組織微觀結(jié)構(gòu)（橫截面）的影響。當(dāng)凍結(jié)速率由6?℃/min增加到9?℃/min時(shí)，黃鱔肌肉纖維表面平整度增加，肌纖維間隙變小且凹陷和孔洞逐漸減小；這可能是液氮凍結(jié)速率的提升能促進(jìn)細(xì)小冰晶形成，減輕了對(duì)細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的機(jī)械損傷。然而，當(dāng)凍結(jié)速率提升至 12?℃/min時(shí)，黃鱔肌肉纖維面的孔洞明顯增大，表明過(guò)快的凍結(jié)速率可能導(dǎo)致肌肉纖維周?chē)谋L(zhǎng)速度過(guò)快，肌肉組織內(nèi)產(chǎn)生明顯的由“溫度梯度”帶來(lái)的“應(yīng)力差”，導(dǎo)致纖維表面的損傷。

6 生鮮黃鱔片凍結(jié)點(diǎn)分析

采用DSC定位生鮮黃鱔片冰點(diǎn)，樣品在降溫及升溫程序中熱流隨溫度變化情況如圖5所示。圖5A表明，在降溫過(guò)程（25?℃→-45?℃）中，理論上樣品凍結(jié)點(diǎn)通過(guò)外推降溫曲線起始溫度確定，然而降溫導(dǎo)致熱流急劇變化，樣品中的水分結(jié)晶的過(guò)程可能受到多種因素干擾，導(dǎo)致結(jié)晶不完全，無(wú)法準(zhǔn)確判斷凍結(jié)溫度；在升溫過(guò)程（-45?℃→40?℃）中，理論上冰點(diǎn)為晶體完全熔化溫度，當(dāng)熱流快速上升后又回落時(shí)，樣品迅速吸收熱量發(fā)生相變產(chǎn)生相變峰值溫度，因此將相變峰值溫度作為黃鱔片的冰點(diǎn)。分析樣品升溫相變區(qū)間發(fā)現(xiàn)，樣品凍結(jié)區(qū)間為-2.94～-0.88?℃，峰值溫度為-1.36?℃，由此確定生鮮黃鱔片冰點(diǎn)為-1.36?℃（圖5B）。

7 不同凍結(jié)方式對(duì)生鮮黃鱔片持水力的影響

C-LNF、V-LNF、PC-V-LNF處理組樣品的水分含量相較于FF處理組分別提升7.87%、10.90%和10.26%（P＜0.05）（圖6A），持水率分別提升11.36%、11.79%和13.39%（P＜0.05）（圖6B）；同時(shí)，各處理組樣品的解凍損失率分別為13.77%、12.28%、12.53%，較FF組（19.02%）分別降低了27.60%、35.43%和34.12%（P＜0.05）（圖6C），表明FF條件下較低的凍結(jié)速率（0.38?℃/min）使樣品中水分緩慢通過(guò)最大冰晶生成帶，導(dǎo)致了細(xì)胞間及細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大冰晶，破壞了細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和完整性，增加了水分的流動(dòng)性，從而降低了持水能力。此外，PC-V-LNF組樣品的持水率和解凍損失率相較于C-LNF、V-LNF組樣品均無(wú)顯著差異（P＞0.05），反映液氮凍結(jié)對(duì)樣品持水力有較好的維持能力。

8 不同凍結(jié)方式對(duì)生鮮黃鱔片水分狀態(tài)的影響

如圖7所示，C-LNF、V-LNF、PC-V-LNF處理組樣品的P22相較于FF組分別顯著提升1.99%、2.18%、2.65%（P＜0.05）；FF組的P23（2.53%）顯著高于C-LNF、V-LNF、PC-V-LNF（P＜0.05）；這與2.7節(jié)中觀察到的PC-V-LNF持水率提升13.39%以及解凍損失率降低34.12%的結(jié)果高度吻合。表明PC-V-LNF通過(guò)形成更細(xì)小的冰晶，更好地維持了肌肉組織的微觀結(jié)構(gòu)，從而將更多水分穩(wěn)固在不易流動(dòng)的凝膠網(wǎng)絡(luò)中，這可能是其持水能力顯著增強(qiáng)、汁液損失顯著減少的關(guān)鍵原因。此外，由于FF速率緩慢，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外產(chǎn)生的大冰晶使水分從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外，使不易流動(dòng)水含量降低，自由水含量增加。C-LNF、V-LNF、PC-V-LNF組間的P21、P22、P23均無(wú)顯著差異（P＞0.05），表明液氮速凍對(duì)樣品中水分狀態(tài)較強(qiáng)的維持能力，與2.7節(jié)持水力分析結(jié)果一致。

9 不同凍結(jié)方式對(duì)生鮮黃鱔片質(zhì)構(gòu)特性的影響

如表4所示，C-LNF、V-LNF、PC-V-LNF組樣品的硬度、彈性、咀嚼性、內(nèi)聚性和回復(fù)性均顯著高于FF組（P＜0.05），這可能是由于凍結(jié)速率的提高使細(xì)胞內(nèi)外形成的冰晶更細(xì)小，對(duì)肌肉細(xì)胞的破壞程度低，組織結(jié)構(gòu)完整，故硬度較高；此外，F(xiàn)F通常溫度波動(dòng)較大，易引起冰晶重結(jié)晶導(dǎo)致細(xì)胞和組織損傷，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分流失嚴(yán)重，使肌肉組織彈性減弱。C-LNF、V-LNF、PC-V-LNF組樣品的硬度、彈性、咀嚼性和回復(fù)性均無(wú)顯著性差異（P＞0.05），表明PC-V-LNF處理也能較好地維持黃鱔質(zhì)構(gòu)特性。

10 不同凍結(jié)方式對(duì)生鮮黃鱔片冰晶形態(tài)和肌肉組織微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖8A顯示了不同凍結(jié)工藝對(duì)黃鱔冰晶形態(tài)的影響。相較于液氮凍結(jié)處理組（C-LNF、V-LNF和PC-V-LNF），F(xiàn)F組樣品的組織冰晶間隙更大且出現(xiàn)明顯破裂（圖8A1），表明FF較慢的凍結(jié)速率（0.38?℃/min）會(huì)使通過(guò)最大冰晶生成帶的時(shí)間延長(zhǎng)，形成大量不規(guī)則冰晶，引起組織間隙相對(duì)較大。Yang?Zuomiao等也觀察到相較于-95?℃液氮處理，慢速冷凍（-35?℃）處理的金鯧魚(yú)肉細(xì)胞存在較大間隙。觀察圖8A2～A4可知，V-LNF、PC-V-LNF組樣品冰晶間隙相較于C-LNF處理更小，表明凍結(jié)速率能影響冰晶生長(zhǎng)過(guò)程，V-LNF、PC-V-LNF凍結(jié)處理首先采用較快的凍結(jié)速率促使水分子快速形成較多晶核，后續(xù)降低速率減緩晶核生長(zhǎng)速度，最終形成尺寸小且分布均勻的冰晶，減小冰晶間隙。其中PC-V-LNF組樣品中冰晶之間的肌肉纖維排列最為緊密，只有輕微的破裂；這可能是因?yàn)楸c(diǎn)預(yù)冷過(guò)程可使黃鱔溫度緩慢降至接近冰點(diǎn)，物料內(nèi)部會(huì)形成眾多細(xì)小的晶核，在隨后的液氮速凍過(guò)程中能高效快速地細(xì)化冰晶，使形成的冰晶尺寸更加細(xì)小均勻。

圖8B顯示了不同凍結(jié)方式黃鱔的肌纖維微觀結(jié)構(gòu)（橫截面）。觀察圖8B1可知，F(xiàn)F組樣品中肌肉纖維斷裂嚴(yán)重，凹陷和孔洞明顯，肌肉組織損傷程度高，與冰晶形態(tài)觀察結(jié)果一致。與FF組樣品相比，C-LNF、V-LNF、PC-V-LNF組樣品中肌纖維排列更加有序平整且凹陷與孔洞減小，明顯降低了肌纖維損傷。潘揚(yáng)等研究預(yù)冷-變溫液氮（-80?℃→-50?℃）速凍處理預(yù)制調(diào)理黃鱔也發(fā)現(xiàn)，相較于FF，變溫液氮速凍的黃鱔肌纖維微觀結(jié)構(gòu)更加完整。觀察圖8B2～B4發(fā)現(xiàn)，3?組液氮凍結(jié)處理無(wú)明顯差異，表明C-LNF、V-LNF、PC-V-LNF處理對(duì)肌纖維結(jié)構(gòu)的影響程度都較小。

11 工藝成本核算

11.1 不同液氮凍結(jié)方式液氮消耗量核算

生鮮黃鱔片約500?g/盒，黃鱔在凍結(jié)點(diǎn)上下的比熱容分別為Cp1＝3.18?kJ/（kg·℃）和Cp2＝1.67?kJ/（kg·℃）。原料初始溫度T初始以25?℃計(jì)，凍結(jié)點(diǎn)溫度T凍結(jié)點(diǎn)為-1.36?℃（記錄凍結(jié)期間產(chǎn)品中心溫度確定），階段終點(diǎn)中心溫度T階段終點(diǎn)為-5?℃，終點(diǎn)中心溫度T終點(diǎn)為-18?℃，C-LNF處理速率9?℃/min（-76.1?℃）、V-LNF?9?℃/min→4?℃/min（-57.8?℃）。凍結(jié)1?t黃鱔（mt）的熱量（25?℃→-18?℃）計(jì)算過(guò)程如下：

1）顯熱釋放階段1（Q1，25?℃→-1.36?℃）：Q1＝Cp1×mt×|T凍結(jié)點(diǎn)-T初始|＝3.18×1?000×|-1.36-25|＝83?824.8?kJ；2）潛熱釋放階段（Q2，-1.36?℃）：樣品水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω＝76.6%；凍結(jié)率w/%＝（1-T凍結(jié)點(diǎn)/T終點(diǎn)）×100＝[1-（-1.36/-18）]×100＝92.44%；水凍結(jié)成冰釋放潛熱r為335?kJ/kg；凍結(jié)點(diǎn)處需放出潛熱（Q2）：Q2＝mt×ω×r×w＝1?000×76.6%×335×92.44%＝237?210?kJ；3）：顯熱釋放階段2（Q3，-1.36?℃→-5?℃）：Q3＝Cp2×mt×|T階段終點(diǎn)-T凍結(jié)點(diǎn)|＝1.67×1?000×|-5-（-1.36）|＝6?078.8?kJ；4）：顯熱釋放階段3（Q4，-5?℃→-18?℃）：Q4＝Cp2×mt×|T終點(diǎn)-T階段終點(diǎn)|＝1.67×1?000×|-18-（-5）|＝21?710?kJ。故凍結(jié)1?t黃鱔共放出總熱量Q總＝Q1+Q2+Q3+Q4＝348?823.6?kJ，基于Q總估算3?種工藝液氮消耗量。

C-LNF：氮?dú)饷芏圈褳?.25?kg/m3，比熱容C氮?dú)猓?.04?kJ/（kg·℃），需要氮?dú)怏w積V氮?dú)猓絈總/[C氮?dú)狻力训獨(dú)猓═凍結(jié)終點(diǎn)-T液氮）]＝348?823.6/[1.04×1.25×（-18）-（-76.1）]＝4?618.35?m3。考慮到液氮在管道輸送過(guò)程中的汽化損失及柜門(mén)啟閉操作導(dǎo)致的泄漏損失，設(shè)定其實(shí)際利用率λ＝90%；同時(shí)，液氮密度ρ液氮＝810?kg/m3。此時(shí)，實(shí)際耗液氮量為VC-LNF＝（ρ氮?dú)狻罺氮?dú)?ρ液氮）/λ＝（1.25×4?618.35/810）/90%＝7.92?m3，即7?920?L。

同理，V-LNF：耗液氮量為V1＝83?824.8/[1.04×1.25×（-1.36）-（-76.1）]＝862.73?m3、V2＝243?288.8/[1.04×1.25×（-5）-（-76.1）]＝2?632.14?m3、V3＝21?710/[1.04×1.25×（-18）-（-57.8）]＝419.60?m3，液氮消耗總量V氮?dú)猓絍1+V2+V3＝862.73+2?632.14+419.60＝3?914.47?m3，實(shí)際耗液氮量為VV-LNF＝（ρ氮?dú)狻罺氮?dú)?ρ液氮）/λ＝（1.25×3?914.47/810）/90%＝6.712?m3，即6?712?L。

PC-V-LNF：25?℃→-1.36?℃采用冰柜預(yù)冷，液氮消耗量為0?L；-1.36?℃→-5?℃與-5?℃→-18?℃階段同V-LNF處理組計(jì)算相同，分別放出243?288.8、21?710?kJ熱量，故液氮消耗量為V氮?dú)猓?+2?632.14+419.60＝3?051.74?m3，實(shí)際耗液氮量為VPC-V-LNF＝（ρ氮?dú)狻罺氮?dú)?ρ液氮）/λ＝（1.25×3?051.74/810）/90%＝5.233?m3，即5?233?L。因此，綜合計(jì)算分析，PC-V-LNF分別較C-LNF、V-LNF液氮消耗降低33.93%、22.04%。

11.2 不同液氮凍結(jié)方式耗電量核算

BCD-228WTGPM型冰柜額定功率為0.02?kW，單批生產(chǎn)能力150?盒，單批處理時(shí)間0.44?h，完成1?t產(chǎn)品所需批次數(shù)為 N ＝2?000/150≈13.33；SD-G-100型液氮速凍柜額定功率為6?kW，單批生產(chǎn)能力50?盒，完成1?t產(chǎn)品所需批次數(shù)為 N ＝2?000/50＝40。不同工藝的耗電量如下： E C-LNF ＝ P × t × N ＝6×0.07×40＝16.8?kW·h；同理，V-LNF、PC-V-LNF耗電量分別為 E V-LNF ＝14.4?kW·h、 E PC-V-LNF ＝ E 冰柜 + E 液氮 ＝0.12+2.4＝2.52?kW·h。結(jié)果表明PC-V-LNF分別較C-LNF、V-LNF電耗降低85.0%、82.5%。

11.3 不同液氮凍結(jié)方式經(jīng)費(fèi)核算

以液氮年均單價(jià)0.9?元/L、電費(fèi)單價(jià)0.8?元/（kW·h） 為核算基準(zhǔn)，對(duì)C-LNF、V-LNF及PC-V-LNF3種方式的凍結(jié)成本進(jìn)行計(jì)算。采用C-LNF處理1?t產(chǎn)品所需費(fèi)用為：0.9×7?920+0.8×16.8＝7?141.44?元；同理V-LNF：0.9×6?712+0.8×14.4＝6?052.32?元；PC-V-LNF：0.9×5?233+0.8×2.52＝4?711.72?元。對(duì)比可知，V-LNF較C-LNF可降低經(jīng)費(fèi)成本1?089.12?元（降幅15.25%）；經(jīng)預(yù)冷過(guò)程后，PC-V-LNF較C-LNF、V-LNF總成本降低34.02%、22.15%。

液氮消耗量/耗電量及費(fèi)用匯總見(jiàn)表5。

結(jié) 論

本研究表明，液氮凍結(jié)溫度與速率存在顯著線性關(guān)聯(lián)（y＝-3.668?6x-43.082，R2＝0.981），篩選出凍結(jié)速率9?℃/min為較優(yōu)凍結(jié)條件，該速率下黃鱔片的持水率提升至78.43%，解凍損失率降至11.45%，肌纖維結(jié)構(gòu)損傷較小，過(guò)快（12?℃/min）或過(guò)慢（6?℃/min）速率均會(huì)導(dǎo)致冰晶損傷加劇或持水力顯著下降。通過(guò)DSC分析精準(zhǔn)定位冰點(diǎn)（-1.36?℃），開(kāi)發(fā)PC-V-LNF技術(shù)（-1.36?℃→9?℃/min→4?℃/min）。較FF，PC-V-LNF處理生鮮黃鱔片的水分含量提升了10.26%，持水率提升了13.39%，解凍損失率降低了34.12%（P＜0.05），肌纖維結(jié)構(gòu)更完整；與C-LNF、V-LNF處理樣品相比，PC-V-LNF組持水力、水分狀態(tài)、硬度、彈性、咀嚼性和回復(fù)性及肌纖維完整性均無(wú)顯著差異（P＞0.05），表明PC-V-LNF同樣具有較佳品質(zhì)保持能力。此外，能耗特性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示PC-V-LNF分別較C-LNF、V-LNF降低液氮消耗33.93%、22.04%，降低電耗85.0%、82.5%，總成本降低34.02%、22.15%。本研究結(jié)果表明，PC-V-LNF技術(shù)可在保障生鮮黃鱔液氮凍結(jié)品質(zhì)的同時(shí)顯著降低能耗成本，為水產(chǎn)品高效液氮速凍技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

引文格式：

劉娜, 王雙琳, 廖鄂, 等. 冰點(diǎn)預(yù)冷-變速液氮凍結(jié)對(duì)生鮮黃鱔片品質(zhì)的影響及凍結(jié)能耗特性評(píng)價(jià)[J]. 食品科學(xué), 2026, 47(7): 251-261. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250916-128.

LIU Na, WANG Shuanglin, LIAO E, et al. Effect of freezing-point precooling followed by variable-rate liquid nitrogen freezing on the quality of fresh Monopterus albus slices and evaluation of freezing energy consumption characteristics[J].Food Science, 2026, 47(7): 251-261. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250916-128.

實(shí)習(xí)編輯：魏雨諾；責(zé)任編輯：張睿梅。點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來(lái)源于文章原文及攝圖網(wǎng)

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