《LWT》：Effects of Shipboard Ultra-Low-Temperature Freezing and Plate Freezing on Quality of Marine-Caught Shrimp Based on Numerical Simulation and Experimental Evaluation
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本研究针对船载冷冻技术在海捕虾保鲜过程中存在的冷冻效率不均、品质劣变等问题，通过CFD数值模拟与实验验证相结合的方法，系统比较了超低温冷冻(ULTF)与平板冷冻(PF)的冷冻动力学特性及其对虾品质的影响。研究发现ULTF可显著缩短最大冰晶生成区(MIFZ)通过时间(43%)，有效抑制蛋白质变性、脂质氧化和挥发性盐基氮(TVB-N)生成，并更好地维持肌肉组织微观结构和持水性。该研究为船载冷冻设备的优化设计和超低温冷冻技术在水产品冷链中的应用提供了重要理论依据。
随着全球人口增长和生活水平提高，消费者对高品质海产品的需求持续增长。冷冻技术作为保持海产品营养和感官品质的关键手段，在水产加工领域扮演着不可或缺的角色。中国作为全球渔业大国，拥有庞大的海洋捕捞和加工能力，冷冻水产品在国内外市场占据重要地位。其中，海捕虾因其富含优质蛋白质而备受青睐，但这类高水分产品在冷冻过程中极易受损，特别是传统的平板冷冻(PF)技术由于冷冻速率较慢，容易导致冰晶对肌肉组织造成机械损伤，进而影响解冻后的质地和风味。
目前，船载冷冻技术在动态复杂的海洋工作环境中面临多重挑战，包括设备空间限制、能耗效率问题以及冷冻不均匀导致的品质差异等。特别是海捕虾这类高水分产品，在常规PF过程中，其细腻的肌肉组织容易遭受冰晶损伤，导致解冻后质地软化和风味丧失。虽然PF能够保证相对均匀的冷冻效果，但其缓慢的冷冻速率是主要缺点。相比之下，超低温冷冻(ULTF)技术采用专门设计的大功率制冷系统和风机，在-45°C或更低的冷空气环境中快速冷冻产品，能够抑制冰晶生长，更好地保持新鲜度和延长货架期。
为了系统评估这两种冷冻技术的效果，浙江海洋大学的研究团队在《LWT》期刊上发表了一项创新性研究。该研究采用计算流体动力学(CFD)数值模拟与实验验证相结合的多尺度方法，全面比较了船载ULTF和PF对海捕虾冷冻效率和贮藏品质的影响。
研究人员运用SpaceClaim建模软件建立了三维瞬态模型，通过CFD技术模拟分析了两种冷冻装置内的热传递过程。同时，通过扫描电子显微镜(SEM)观察肌肉微观结构，并系统测定了pH值、总挥发性盐基氮(TVB-N)、盐溶性蛋白(SSP)、硫代巴比妥酸反应物(TBARS)、持水性(WHC)和质地特性等指标，评估了120天冷冻贮藏期间的产品品质变化。
主要技术方法
研究采用CFD数值模拟构建船载冷冻装置的三维模型，通过温度传感器验证模型准确性。实验以中国温岭沿海捕获的中华管鞭虾为材料，分别进行ULTF(-45°C)和PF(-26°C)处理，随后在-30°C条件下贮藏120天。定期取样分析微观结构(SEM)、理化指标(pH、TVB-N、SSP、TBARS、WHC)和质地特性，所有实验均设三次重复，数据采用SPSS进行统计分析。
4.1 SEM结果
扫描电镜分析显示，ULTF样品在贮藏期间肌肉纤维结构保持更完整。贮藏60天时，ULTF组肌肉纤维仅出现轻微表面粗糙，而PF组已呈现明显表面粗糙、局部开裂和纤维排列紊乱。至120天时，这种结构差异更加显著，表明ULTF能更好地保持肌原纤维完整性，这归因于其快速冷冻形成的细小冰晶减少了肌肉纤维的物理损伤。
4.2 pH值变化
pH值测定结果显示，两组样品在贮藏初期均出现下降，随后呈现上升趋势。在贮藏中后期(40-120天)，ULTF组的pH值始终显著低于PF组(p < 0.05)，表明超低温条件能更有效抑制pH上升，有利于保持产品新鲜度。
4.3 TVB-N变化
总挥发性盐基氮含量随贮藏时间延长而增加，但ULTF组的增长速率显著低于PF组。至120天时，PF组TVB-N值达到20.01 mg/100g，而ULTF组为17.83 mg/100g，两组存在显著差异(p < 0.05)，且均符合国家标准(≤30 mg/100g)要求，证明ULTF能更好地抑制蛋白质降解和挥发性含氮物质的生成。
4.4 SSP变化
盐溶性蛋白含量在贮藏期间呈线性下降趋势，前60天无显著差异，之后PF组下降更为明显。这表明ULTF能更好地延缓蛋白质变性，保持肌肉功能特性。
4.5 TBARS变化
硫代巴比妥酸反应物值随贮藏时间增加而上升，80天后ULTF组值显著低于PF组(p < 0.05)，表明超低温冷冻能更有效抑制脂质氧化反应。
4.6 持水性变化
持水性测定显示，ULTF组在整个贮藏期间均保持较高持水能力，120天时持水性为79.13%，显著高于PF组的72.99%，证明超低温冷冻能有效减少汁液流失。
4.7 质地特性变化
质地分析表明，ULTF组在弹性、硬性和咀嚼性等指标上均优于PF组，显示其能更好地维持虾肉的良好口感特性。
研究结论与意义
本研究通过多尺度方法系统评估了船载ULTF和PF技术对海捕虾品质的影响。CFD模拟清晰揭示了两种冷冻方式的热传递特性，其中ULTF表现出更快的冷冻速率，能将产品中心温度从20°C降至-40°C仅需240分钟，且通过最大冰晶生成区的时间比PF缩短43%。这种快速的冷冻效应导致形成更细小的冰晶，从而更好地保持了肌肉组织的微观结构完整性。
实验结果表明，ULTF在抑制蛋白质变性、延缓脂质氧化、维持持水性和质地特性方面均优于PF。特别是在长期贮藏过程中，ULTF样品表现出更缓慢的品质劣变速率，这为延长海捕虾的货架期提供了技术支撑。
该研究的创新之处在于将工程模拟输出与产品微观结构、理化指标和贮藏品质进行耦合分析，建立了"流场-温度场-冰晶结构-品质属性"之间的关联机制，突破了传统研究仅关注设备性能或单一品质指标的限制。研究成果不仅为船载快速冷冻设备的优化设计提供了理论依据，也凸显了超低温强制对流冷冻技术在延缓海捕虾品质劣变方面的独特优势。
值得注意的是，本研究在静态实验室条件下进行，未考虑海洋波浪动态环境对船载冷冻机的影响，未来研究可进一步模拟这种动态条件下的温度变化，以增强优化设计的实际适用性。总体而言，该研究通过数值模拟技术的应用提高了研究精度和效率，为超低温冷冻技术在水产冷链中的推广应用提供了重要科学依据。
