高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉凍結(jié)和解凍的保鮮研究

馬堅(jiān)

MA Jian

青島海爾股份有限公司 山東青島 266101

Qingdao Haier Co., Ltd. Qingdao 266101

1 引言

如今，冰箱的保鮮功能越來(lái)越受到消費(fèi)者和冰箱廠家的重視。目前一些保鮮新技術(shù)和新模塊，如干濕分儲(chǔ)、氣調(diào)貯藏等，與傳統(tǒng)冰箱冷藏環(huán)境相結(jié)合為消費(fèi)者提供新的、功能強(qiáng)大的食品保鮮解決方案，很好地提升了用戶的使用體驗(yàn)。而冷凍（-18℃）是冰箱提供的一種最基礎(chǔ)的食品保存條件，為鮮肉和加工肉食品的長(zhǎng)期保存提供了解決途徑。但是傳統(tǒng)冰箱的冷凍室也存在一些弊端，例如鮮肉在凍結(jié)過(guò)程中經(jīng)過(guò)最大冰晶生成帶的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以及在冷凍保存過(guò)程中的溫度波動(dòng)會(huì)造成解凍時(shí)產(chǎn)生大量的汁液損失。由此會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)成分損失、肉組織的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)變差、肉的嫩度和多汁性變差、凍結(jié)燒、重結(jié)晶、蛋白質(zhì)變性、肌原纖維蛋白質(zhì)的可溶性下降、解凍后肉的顏色變暗等一些列食用品質(zhì)變差的特征[1]。因此，目前有很多新技術(shù)和新模塊的研究，如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、微波輻射、高壓處理等，來(lái)探索在冷凍保藏過(guò)程中和解凍過(guò)程中肉和肉制品食用品質(zhì)提升的方法。

電場(chǎng)處理具有抑制酶活性、殺菌和改變水在凍結(jié)過(guò)程中冰晶生長(zhǎng)狀態(tài)的作用。1930年就已經(jīng)有將脈沖電場(chǎng)用于牛奶保存和殺菌的研究記錄。1953年Schaefer在過(guò)冷的云中研究了靜電場(chǎng)對(duì)從水蒸汽中析出的冰晶生長(zhǎng)的作用[2]。1991和1993年，日本人Tatsukiyo Obtsuki先后在美國(guó)和歐洲申請(qǐng)了靜電解凍的方法和專(zhuān)利[3][4]。此專(zhuān)利通過(guò)靜電誘導(dǎo)方式產(chǎn)生負(fù)電子發(fā)生器(negative electron generator by the electrostatic induction method)，在金槍魚(yú)肉、牛肉解凍過(guò)程中可以使其解凍速度加快1/4～1/3，并可以減少液汁損失，抑制解凍過(guò)程中微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而改善冷凍-解凍后鮮肉和肉制品的食用品質(zhì)。但是此專(zhuān)利沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明電場(chǎng)的性質(zhì)和場(chǎng)強(qiáng)等詳細(xì)參數(shù)，以及食品與電極的接觸情況等重要條件。

目前高壓靜電場(chǎng)比較成熟的應(yīng)用有食醋的催陳、農(nóng)作物種子的處理、果蔬的保鮮、微生物的抑制等[5]。例如，研究發(fā)現(xiàn)高壓靜電場(chǎng)能有效延長(zhǎng)番茄的貯藏時(shí)間，150kV/m的場(chǎng)強(qiáng)能使番茄的呼吸高峰推遲14天，并且有效保持番茄的硬度。果蔬組織中的酶蛋白分子被水分子包圍，形成其生理活性的微環(huán)境。酶蛋白分子通過(guò)氫鍵和極性作用與水分子結(jié)合，維持其三維結(jié)構(gòu)，從而行使其催化功能和生理功能。水分子是極性分子，自己可以通過(guò)氫鍵和極性作用形成大分子團(tuán)(Cluster)結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)并非固定不變，而是隨著氫鍵的形成與斷裂，水分子之間總是處于一種不停地締合為大分子團(tuán)和解締為小分子團(tuán)的動(dòng)態(tài)平衡之中。外加電場(chǎng)可以打破這種動(dòng)態(tài)平衡，使水分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變?cè)诠呱矸磻?yīng)中起關(guān)鍵作用的酶的活性，進(jìn)而延緩果蔬的生理代謝過(guò)程[6][7][8]。

而高壓靜電場(chǎng)在鮮肉和肉制品的保鮮研究中，大多以豬肉為材料，并且集中在凍結(jié)或解凍過(guò)程中施加高壓靜電場(chǎng)，分別研究其對(duì)凍結(jié)和解凍速率的影響；而對(duì)其他畜肉產(chǎn)品，以及凍結(jié)和解凍過(guò)程的綜合研究還較少。這些研究也多集中在對(duì)凍結(jié)速率和解凍速率的影響上面，而較少關(guān)注高壓靜電場(chǎng)對(duì)肉品質(zhì)的影響[9]。因此，本研究以牛里脊肉為實(shí)驗(yàn)材料，研究高壓靜電場(chǎng)對(duì)凍結(jié)和解凍過(guò)程中肉品質(zhì)的影響；進(jìn)而優(yōu)化電場(chǎng)參數(shù)，以期為未來(lái)研究和在家用冰箱上的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)方法與材料

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

BCD-435型海爾冰箱；自制高壓靜電場(chǎng)裝置（上電極為針狀電極，4×4針，每針間距2cm；下電極為板狀電極，20×20cm，下極板接地）；JD4000-2型電子天平（沈陽(yáng)龍騰電子有限公司）；半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)；冰凍切片機(jī)；熒光正置顯微鏡（Scope.A1，Carl Zeiss）。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

新鮮的牛里脊肉購(gòu)買(mǎi)于青島市市北區(qū)合肥路佳世客超市，供應(yīng)商為科爾沁。每次購(gòu)買(mǎi)同一品種的牛里脊肉。他們的牛肉一般早晨運(yùn)送到超市，整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程采用4℃冷鏈運(yùn)輸，整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中肉無(wú)凍結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。

選用外觀新鮮、肉色紅潤(rùn)、無(wú)結(jié)締組織的牛里脊肉，切成大約5cm×4cm×3cm（長(zhǎng)×寬×高）左右的塊狀（每塊大約60g）。切樣時(shí)，注意平行于肌肉纖維進(jìn)行切割，整個(gè)實(shí)驗(yàn)所用肉塊的肌纖維方向基本一致。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

在冰箱冷凍室內(nèi)設(shè)置高壓靜電場(chǎng)裝置，分別在50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m場(chǎng)強(qiáng)和不施加高壓電場(chǎng)的條件下進(jìn)行凍結(jié)測(cè)試。

上文所述的肉樣品經(jīng)過(guò)凍結(jié)測(cè)試后，繼續(xù)在-18℃冷凍室凍結(jié)至與冰箱冷凍室溫度一致，總凍結(jié)時(shí)間為48h；接著進(jìn)行肉的解凍測(cè)試，分別在50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m場(chǎng)強(qiáng)和不施加高壓電場(chǎng)的條件下進(jìn)行解凍測(cè)試。解凍測(cè)試在冰箱運(yùn)行的間室內(nèi)進(jìn)行，溫度為25℃，相對(duì)濕度為50%。

由于普通熱電偶在電場(chǎng)中有顯著且不可修正的誤差，凍結(jié)和解凍的溫度曲線通過(guò)將半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)布置于肉的幾何中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每隔10min記錄一次溫度。

圖1 牛里脊肉在不同電場(chǎng)下的凍結(jié)速率與無(wú)電場(chǎng)下凍結(jié)速率的比較

冷凍牛里脊肉在解凍后的汁液損失率通過(guò)肉塊冷凍前的質(zhì)量（M0）與解凍后的質(zhì)量（M1）進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：汁液損失率（%）= (M0-M1)/M0×100，所有測(cè)量都重復(fù)進(jìn)行三次，最終結(jié)果為三次結(jié)果的平均值。

肉組織和肌纖維的微觀顯示：將肉樣品平行于肌肉纖維切割成0.5cm×0.5cm×1cm的長(zhǎng)方體肉柱，迅速置于凍存管中并保存在液氮罐中，冷凍充分后切片，做垂直于肌肉纖維方向的10μm切片，染色。染色后的切片用相差顯微鏡（BX41，Olympus，日本）4倍物鏡下進(jìn)行觀察、拍照（DP12，Olympus，日本），并保存圖片進(jìn)行后續(xù)分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉凍結(jié)速度的影響

牛里脊肉塊在凍結(jié)測(cè)試中的全凍結(jié)時(shí)間大概為4h。圖1總結(jié)了高壓靜電場(chǎng)中的凍結(jié)速率曲線和無(wú)電場(chǎng)下的凍結(jié)速率曲線的對(duì)比結(jié)果。我們可以分析得出三點(diǎn)基本結(jié)論：

（1）高壓靜電場(chǎng)可以明顯加快牛里脊肉塊的凍結(jié)速度，其主要表現(xiàn)為快速通過(guò)最大冰晶生成帶；

（2）不同的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)加快牛里脊肉的凍結(jié)速率有著不同的影響程度；

（3）150kV/m的高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉的凍結(jié)加速最為明顯。

3.2 高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉解凍速度的影響

牛里脊肉塊完全凍結(jié)后（肉中心點(diǎn)達(dá)到-18℃）在溫度25℃、相對(duì)濕度50%條件下的解凍時(shí)間為3h左右。圖2總結(jié)了高壓靜電場(chǎng)下的解凍速率曲線和無(wú)電場(chǎng)下的解凍速率曲線的對(duì)比結(jié)果。我們也可以分析得出三點(diǎn)基本結(jié)論：

（1）高壓靜電場(chǎng)可以明顯加快牛里脊肉塊的解凍速度，其主要表現(xiàn)為可以快速通過(guò)最大冰晶生成帶；

（2）不同的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)牛里脊肉的解凍速率有不同的影響；

（3）100kV/m和150kV/m的高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉的解凍加速作用最為明顯。

3.3 高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉汁液損失率的影響

牛里脊肉塊在場(chǎng)強(qiáng)為50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m的電場(chǎng)下和無(wú)電場(chǎng)下的凍結(jié)-解凍后的汁液損失率如表1所示?？梢钥闯龈邏红o電場(chǎng)有減少牛里脊肉汁液損失的作用，但是不同場(chǎng)強(qiáng)對(duì)汁液損失減少程度的影響不同。在150kV/m場(chǎng)強(qiáng)下凍結(jié)和解凍對(duì)減少汁液損失的作用最為明顯；而50kV/m和250kV/m對(duì)減少汁液損失的作用有限，250kV/m甚至?xí)黾又簱p失。

3.4 高壓靜電場(chǎng)對(duì)凍結(jié)-解凍后的牛里脊肉肌纖維結(jié)構(gòu)的影響

圖2 牛里脊肉在不同電場(chǎng)下的解凍速率與無(wú)電場(chǎng)下解凍速率的對(duì)比

通過(guò)微觀層面觀察肌纖維的完整性和肌纖維間的間隙大小可以比較高壓靜電場(chǎng)對(duì)肉組織和肌細(xì)胞在凍結(jié)—解凍過(guò)程中的影響。圖3是新鮮的牛里脊肉和冷凍—解凍后的牛里脊肉微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比?？梢钥吹剑迈r的牛里脊肉肌纖維結(jié)構(gòu)完整、大小均勻、排列規(guī)律，肌纖維間的空隙小而均勻整齊，肉組織的整體狀態(tài)較好。無(wú)電場(chǎng)的肉塊經(jīng)過(guò)凍結(jié)—解凍后出現(xiàn)大量細(xì)胞聚集的現(xiàn)象，細(xì)胞不均勻、大小不均一，細(xì)胞間出現(xiàn)大量間隙。加入高壓電場(chǎng)后可部分程度減輕凍結(jié)—解凍過(guò)程對(duì)肉組織和肌細(xì)胞的破壞。150kV/m電場(chǎng)作用下，肌細(xì)胞間雖然開(kāi)始出現(xiàn)間隙，但是肌纖維細(xì)胞大小仍舊一致、分布均勻、排列規(guī)則。這說(shuō)明，150kV/m電場(chǎng)下，在冷凍過(guò)程中快速通過(guò)最大冰晶生成帶，形成的冰晶細(xì)小、分布均勻、且無(wú)銳角；在解凍過(guò)程中也可快速通過(guò)最大冰晶帶，冰晶均勻融化不對(duì)肌纖維細(xì)胞造成破壞，因此在汁液損失上對(duì)應(yīng)于較小的損失率。然而不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)肉組織和肌細(xì)胞完整性的保持并不一致，100kV/m、150kV/m、200kV/m的電場(chǎng)對(duì)肉組織和肌細(xì)胞完整性有較好的正向作用；但是50kV/m和250kV/m電場(chǎng)對(duì)肉組織和肌細(xì)胞的完整性貢獻(xiàn)有限。這也對(duì)應(yīng)于在100kV/m、150kV/m、200kV/m電場(chǎng)下產(chǎn)生較小的汁液損失，而在50kV/m和250kV/m電場(chǎng)下有相對(duì)較大的汁液損失。

表1 牛里脊肉在不同電場(chǎng)下的汁液損失率與無(wú)電場(chǎng)下汁液損失率的對(duì)比

4 結(jié)論

本文研究了高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉在凍結(jié)—解凍過(guò)程中肉組織完整性和汁液損失的影響。之前有研究表明板狀電極對(duì)肉在解凍過(guò)程中通過(guò)最大冰晶生成帶的速率無(wú)明顯影響，而針狀電極有明顯的加速作用[10]。因此本文設(shè)置了針狀電極來(lái)研究其產(chǎn)生的高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉在凍結(jié)—解凍過(guò)程的影響。結(jié)論是此電極產(chǎn)生的高壓靜電場(chǎng)可以在凍結(jié)—解凍過(guò)程中明顯地有助于保持肉組織和肌細(xì)胞的完整性，進(jìn)而明顯減少此過(guò)程中產(chǎn)生的汁液損失。

此外，高壓靜電場(chǎng)有明顯的最適場(chǎng)強(qiáng)效應(yīng)，在本研究中，150kV/m為最優(yōu)場(chǎng)強(qiáng)，此電場(chǎng)強(qiáng)度可以明顯地達(dá)到比較好的效果；而較低（50kV/m）和較高（250kV/m）的場(chǎng)強(qiáng)都無(wú)明顯作用。推測(cè)150kV/m的場(chǎng)強(qiáng)比較適合于本研究所用的牛里脊肉，對(duì)極性的水分子聚合物產(chǎn)生作用，表現(xiàn)為在凍結(jié)和解凍過(guò)程中加速通過(guò)最大冰晶生成帶，從而產(chǎn)生均勻分布的細(xì)小冰晶，有助于保持肉組織和肌纖維細(xì)胞的完整。

最后，本文只研究了同一場(chǎng)強(qiáng)下的凍結(jié)和解凍過(guò)程，后續(xù)研究可以集中在凍結(jié)和解凍過(guò)程中不同場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行組合，例如在150kV/m下凍結(jié)，100kV/m下解凍對(duì)牛里脊肉的影響。本研究用牛里脊肉做研究材料，原因在于：（1）之前探索電場(chǎng)對(duì)肉的凍結(jié)、解凍影響的研究中多使用豬里脊肉；（2）牛里脊肉（包括豬里脊肉）一致性相對(duì)較好，適宜作為實(shí)驗(yàn)材料。但是消費(fèi)者在實(shí)際消費(fèi)過(guò)程中使用的肉來(lái)源于不同部位且種類(lèi)繁多，本研究所探索的規(guī)律是否適用于其他部位的肉和其它種類(lèi)的肉仍需要進(jìn)一步探索。

本研究探索了一種可應(yīng)用于冰箱的鮮肉和肉制品的冷凍—解凍保鮮新技術(shù)，并且顯示了極具潛力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；然而，此技術(shù)要想實(shí)際應(yīng)用于冰箱，仍需解決模塊大小、電磁輻射安全、絕對(duì)防止高壓觸電、生產(chǎn)成本等一系列問(wèn)題。