这篇综述探讨了气体辅助冷冻对食物细胞内外冰晶形成的影响，以及当前辅助气体所面临的挑战和限制。此外，它还探索了氢气作为一种替代冷冻气体的潜力。此外，它还研究了氢作为替代传统低温剂如二氧化碳和氙气的潜力。与这些传统气体不同，在低温保存中利用氢气可以加速冷冻过程，以防止冰晶的形成，同时减少氧化应激。氢是一种环保气体，符合食品工业当前可持续和环保制造技术的趋势。然而，在使用氢气的应用程序中，还存在着几个挑战。例如，氢的独特的物理化学性质提出了关于其溶解度、安全性和储存能力的问题。氢辅助冷冻的机理有待进一步研究。它包括检查氢键的变化，食物冷冻过程中氢的存在，以及氢与细胞内外小分子的化学和物理相互作用。为了使氢辅助冷冻在制备冷冻产品时更有效，这些问题需要解决。综上所述，氢气在通过冷冻来保存食品方面具有巨大的潜力。然而，还需要进一步的研究来阐明氢辅助冷冻背后的基本思想。有趣的是，目前的冷冻技术主要关注于冰晶的形成所造成的机械和氧化损伤。研究氢气与其他冷冻过程的潜在协同作用对于最大限度地减少冷应激引起的氧化损伤和最大限度地保持食品质量是至关重要的。因此，通过了解氢辅助冷冻对食品保存的细微差别和潜在好处，它应该成为未来研究项目的首要任务。它将更好的重点是增强其集成与复杂的方法，以获得最好的保存结果。

冷冻通过抑制微生物的生长和酶的活性来保持食物的原始营养价值和感官品质，从而延长食品的保质期。冷冻是一种广泛应用的有效食品保存技术，但在冷冻过程中形成的冰晶形态显著影响最终产品的质量。在冷冻过程中形成的大而不规则的冰晶可能会破裂细胞，导致肌肉损伤和营养损失。此外，这些冰晶还会不可逆转地破坏食物。因此，在随后的冷冻储存期间可能会出现蛋白质变质、脂肪氧化等进一步恶化，影响最终产品的质量。然而，需要注意的是，冷冻和冷藏食品的质量不仅取决于冰晶的形状，还取决于冷应激引起的氧化反应。最近的研究显示，冷应激会破坏膜结构和染色质，从而影响产品的最终质量。这些研究还强调了在冷冻和冷冻储存过程中尽量减少冷应激引起的影响的重要性。为了解决这些问题，已经提出了各种新的冷冻技术，如超声波辅助冷冻、磁场辅助冷冻和气体辅助冷冻。其中，气体辅助冷冻已被证明可以促进冰晶的成核和增加过冷度，通过加速冷冻速率。它缩短了冷冻时间并形成许多较小的冰晶。因此，冷冻的有害影响得到缓解，冰晶生长的进展被延迟。

研究发现，食物中预先存在的气泡（如超声波空化产生的气泡）促进了冰晶的结晶并加速了冰晶的冷冻过程。这些研究表明，气体辅助冷冻已成为一种有前景的技术，可以提高冷冻产品的质量并最小化冷冻造成的损害。目前，只有二氧化碳和氙气被用作辅助冷冻的气体，其他气体辅助冷冻的报道有限。然而，二氧化碳和氙气是非极性分子，不会引发细胞内的生化变化，使气体辅助冷冻成为一种非常有效的技术。为了进一步减轻由冷应激引起的氧化反应，有必要加入抗氧化剂或还原性气体。氢气具有独特的生理特性，包括抗氧化、抗炎和抗凋亡作用，吸引了各个学科领域众多研究人员的关注。

在食品行业，氢气作为还原剂在包括中国、日本、美国和欧洲在内的各个国家和地区用于保持食物的原始品质。例如，一些学者提出了配备氢气发生器的冰箱的想法，其主要功能是排除氧气并保持食物新鲜。2017年，Kim等人提供了一个带有氢气发生器的冰箱来保持蔬菜、谷物和肉类的新鲜度。2018年，Daiji提供了一种冰箱和食物储存设备，使用高安全性氢气水延缓储存室中储存的食物新鲜度的恶化。2019年，Shibata等人发明了一种低氧浓度冰箱以保持食物新鲜度。他们在冰箱中配置了一个水箱，并通过电化学反应产生氢气与储存室中的氧气结合，从而降低氧气浓度。2022年，Yang等人公开了一种氢气保鲜柜。与传统保鲜柜相比，通过冷空气和氢气的共同作用，保鲜柜对新鲜食物的效果得到了显著提高。同年，Bai发明了一种配备电解富氢水的冰箱以提高水果的保存效果。氢气的其他特性，如高扩散性、更好的导热性和出色的散热能力尚未得到充分突出。此外，由于其独特的特性，氢气有可能直接干扰细胞的氧化还原反应并增强活细胞的抗氧化能力。这导致由冷冻引起的氧化损伤显著减少。因此，氢气辅助低温保存技术的关键在于最大限度地发挥氢气的独特特性。本综述概述了氢气作为一种新兴气体的介绍、其机制以及目前气体辅助冷冻的研究现状，以解决传统冷冻气体遇到的问题。通过总结氢气使用的技术性障碍，为未来氢气辅助食品冷冻研究提供理论基础和指导。

节选部分

影响细胞内外冰晶的形成

成核和生长代表了冰晶形成的两个不同阶段。冰晶化过程被分为这些阶段，其中成核是关键阶段。在成核之后，生长阶段由粒子扩散到临界核表面以及它们有序地组装到正在生长的晶体上所控制。冰晶的形成是一个复杂的过程，涉及到物质的转移。

气体辅助冷冻的挑战

研究人员一致认为，冷冻产品的质量主要取决于几个关键因素，包括冰晶的形态和分布、蛋白质降解以及其他相关变量。最近的研究表明，氧化稳定性在冷冻系统中的重要性作为食品质量的另一个关键因素。虽然冷冻过程阻止了食物基质中的大多数生化反应，但仍有可能...

在医疗领域的应用 在生物医学领域，氢气传统上被认为是一种不影响人体生理功能的生物学惰性气体。Ohsawa等人提出，氢气有可能特异性地和优先地减弱羟基自由基（-OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO−）的有害影响。众所周知，氢气有可能通过严重损伤有害细胞而保留其他...

氢气辅助冷冻应用中的挑战

尽管氢气辅助冷冻技术具有潜力，但仍有几个挑战需要解决，特别是在其安全性、储存和溶解性方面。鉴于氢气气体的高爆炸性，其安全性问题尤为重要，这主要由其点火点和燃烧性质决定。氢气气体在空气中的爆轰和可燃极限范围显著广泛，从18.3%到59%，4%到75%。

结论和展望

本综述研究了气体辅助冷冻对食物细胞内外冰晶形成的影响，以及当前辅助气体所面临的挑战和限制。此外，它还探讨了氢气作为替代冷冻气体的潜力。另外，它调查了氢气作为传统低温制冷剂如二氧化碳和氙气的替代品的可能性。与传统气体不同，在低温保存中使用氢气可能会加速...

Application of hydrogen-assisted freezing technology: Promises and challenges - ScienceDirect