肉类是人类饮食和营养供应中的关键组成部分，其持水能力（WHC）直接影响肉制品的质地、感官品质和消费者接受度（Leroy等人，2023年）。肉类通常通过冷冻来实现长期储存或运输。然而，冷冻过程中形成的冰晶会破坏肌肉组织，导致解冻时出现滴水损失、质地变差和风味下降（Mao等人，2024年）。2024年全球冷冻肉市场价值约为945亿美元，预计到2030年将达到1157.6亿美元，复合年增长率为3.1%，这一增长得益于冷链物流的扩展和对高质量产品的需求（Grand View Research，2024年）。在冷冻过程中保持微观结构的完整性和食用品质仍是食品加工中的关键挑战，如果能够解决这一问题，将提高消费者满意度，促进全球食品资源的有效利用，并支持行业的可持续发展。
科学界普遍认为，冰晶的大小、形态和分布是影响冷冻肉质量的主要因素。较大的不规则冰晶会刺破细胞膜，破坏肌纤维，导致水分迁移和蛋白质变性，从而降低感官价值和经济价值（Xie等人，2023年）。传统的冷冻技术（如空气冷冻或浸渍冷冻）会导致肌肉纤维受到机械损伤，增加质量损失，并降低WHC、质地和营养价值（Cheng等人，2024年）。目前的策略主要集中在通过加速冷冻速率来形成较小的冰晶（例如液氮或浸渍法），或者通过电场、压力变化、等容或超声波辅助冷冻等跨学科创新来调节冰晶的形态，以实现均匀性和减少伸长（Kuang等人，2023年；Mao、Hu等人，2024年；Lin、Yang等人，2025年；Lu等人，2022年；Zhao等人，2021年）。然而，这些技术在肉类产业中的广泛应用面临诸多障碍，包括设备复杂性、高能耗、成本限制和潜在风险（Hu等人，2025年）。
此外，由于肉类是一种天然的各向异性生物材料，其质量不仅受冰晶大小和位置的影响，还受纤维结构限制的冰晶生长方向的影响；然而，现有方法忽视了冰晶生长方向与肌肉纤维方向的对齐问题，从而在定向控制以最小化损伤方面存在知识空白。Mousavi等人（2007年）首次报告称，无论是在动物组织还是植物组织中，纤维方向都会显著影响冰晶的形状，这在胡萝卜组织不同深度观察到的冰晶形态差异中得到了体现。Ishiguro和Horimizu（2008年）发现冰晶沿着肌肉纤维生长，在肉中形成棒状结构。Kobayashi等人（2015年）证明金枪鱼肉中的冰晶更倾向于沿着肌肉纤维生长，形成延长的结构。这些研究表明定向冷冻在调节冰晶形态方面具有潜力。定向冷冻起源于材料科学中的冰模板或冷冻铸造技术，通过控制热流来诱导溶剂（如水）沿特定轴结晶。这在解冻或升华后会产生排列有序的多孔结构（Joukhdar等人，2021年）。在食品科学中，它被用于制造各向异性的可食用凝胶，以创造创新的质地（De Henau等人，2024年）。Zhou等人（2025年）结合NaCl介导的低温交联和定向冷冻技术，制备了基于明胶的大孔微载体，作为培养肉的支架。然而，目前还没有研究探索定向冷冻与肌肉纤维方向的对齐及其与微观结构损伤之间的联系。
因此，本研究旨在证明通过使热流与肌肉纤维方向对齐可以调节冰晶形态，从而最小化冷冻损伤。我们开发了一种基于佩尔帖效应的定向冷冻系统，以精确控制相对于鸡肌肉纤维方向的热流。具体目标包括：（1）比较纵向冷冻（LF，热流与肌肉纤维平行）、横向冷冻（TF，热流与肌肉纤维垂直）和常规冷冻（CF，热流随机）对WHC指标的影响；（2）评估定向冷冻方法如何调节肌肉组织中的冰晶形态、大小和分布；（3）阐明冰晶与肌肉纤维微观结构损伤之间的相互作用机制。本研究提供了一种用于肉类和各向异性食品保存的冷冻原型策略，无需外加场或添加剂，提高了效率和感官品质，支持食品产业向可持续发展的转变。
