高壓靜電場解凍技術(shù)在肉類及肉制品中的應(yīng)用

臧芳波，呂蒙，付永杰，時若棟，王琳，馮隨，高曉光*

1(河北科技大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊，050018)2(晉州市動物衛(wèi)生監(jiān)督所，河北 石家莊，052260)3(河北雙鴿食品股份有限公司，河北 石家莊，050021)

肉及肉制品中脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分含量豐富，且水分活度較高，因此十分適合微生物生長[1]，進(jìn)而會造成產(chǎn)品品質(zhì)和安全性的下降，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。為保證肉類及其制品的食用品質(zhì)與安全，在肉制品長途運輸及長期儲藏過程中，人們常選用冷凍貯藏實現(xiàn)肉品保鮮。而冷凍肉在加工、消費前需進(jìn)行解凍，傳統(tǒng)解凍方法耗時長，且存在汁液流失、脂質(zhì)氧化、營養(yǎng)價值下降等問題[2]。因此，解凍技術(shù)在肉類工業(yè)中占有十分重要的地位。

高壓靜電場解凍技術(shù)是一種新型非熱加工方法，在交流高壓和直流高壓下均可進(jìn)行。此技術(shù)具有解凍速率高、損失小、耗能低等優(yōu)點，且制品解凍過程中原料內(nèi)外溫差小，可以迅速通過最大冰晶生成帶，能很好地保證肉品品質(zhì)，此技術(shù)正逐漸被應(yīng)用于肉制品保鮮及冷凍解凍方面[3-4]。與微波解凍相比，高壓靜電解凍技術(shù)設(shè)計簡單，能耗低；與傳統(tǒng)解凍方法相比，解凍后的產(chǎn)品很好地保留了營養(yǎng)成分,且具備了優(yōu)良的理化性能[5]。本文主要綜述了高壓靜電場解凍技術(shù)的機(jī)理、特點及其對肉及肉制品品質(zhì)方面的影響，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 高壓靜電場解凍機(jī)理及特點

高壓靜電場解凍是指處于0～3 ℃環(huán)境下的冷凍食品，利用高壓靜電場微能源產(chǎn)生的綜合效應(yīng)進(jìn)行的解凍技術(shù)[6]，具有解凍損失小、解凍速率高等特點。關(guān)于其作用機(jī)理的推測主要集中在以下兩個方面：水分子穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的變化和電暈風(fēng)的產(chǎn)生。

1.1 解凍機(jī)理

1.1.1 水分子穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的變化

水并非單純的液體，而是具有一定構(gòu)造的物質(zhì)[7]。它具有一定的極性水分子團(tuán)結(jié)構(gòu)，處于氫鍵作用下的分子聚合和解散的動態(tài)平衡中。高壓靜電場的微能源作用可能會打破這種動態(tài)平衡，從而使氫鍵斷裂，解散大于聚合；分子團(tuán)結(jié)構(gòu)以及由此構(gòu)成的冰變成小冰晶形態(tài)，并逐漸過渡到小分子水的液體狀態(tài)，最終完成整個解凍過程[8]。

1.1.2 電暈風(fēng)的產(chǎn)生

高壓靜電場中帶正電的粒子會向負(fù)極板方向運動，而帶負(fù)電的粒子運動方向則相反，粒子之間不同方向的運動就會產(chǎn)生離子風(fēng)，即電暈風(fēng)[9]。電暈風(fēng)內(nèi)帶電粒子與空氣發(fā)生碰撞時，空氣會電離成電子和離子。新生成的電子和離子繼續(xù)與其他分子碰撞，就會產(chǎn)生新的帶電粒子[10]。在這個過程中，帶電粒子在物料表面產(chǎn)生湍流和漩渦，增大其傳熱系數(shù)，使其能更快地從周圍環(huán)境中吸收熱量，進(jìn)而提高解凍速率[11-12]。白亞鄉(xiāng)等[13]通過針狀電極下冰加與不加玻璃罩的解凍速度，對比實驗及解凍機(jī)理，認(rèn)為解凍速度增加的主要原因是電暈風(fēng)對冰的沖擊作用。

1.2 高壓靜電場解凍特點

1.2.1 解凍特點

研究發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場解凍具有高效節(jié)能、解凍均勻且損失小等特點，其中最突出的優(yōu)點是解凍損失小、解凍速率高[14]。與空氣解凍相比，在不影響解凍質(zhì)量的情況下，高壓靜電場解凍最多能縮短一半的解凍時間[15]。唐夢等[16]發(fā)現(xiàn)3.8 kV高壓靜電場在5 ℃時的解凍速率是對照組的1.59倍，其主要原因是高壓靜電場下解凍能更快地到達(dá)且迅速通過最大冰晶生成帶，從而加速解凍；在15 ℃時解凍損失為2.5%,顯著低于對照組的3.17%。JIA等[17-18]發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)空氣解凍、水解凍方法相比，高壓靜電解凍能降低冷凍豬肉蛋白質(zhì)氧化變性程度，保持肌原纖維蛋白結(jié)構(gòu)的完整性；肌漿蛋白也沒有發(fā)生明顯的變性，肌漿蛋白中的α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)的破壞程度較小。這些現(xiàn)象表明，采用高壓靜電解凍的豬肉，其色澤、保水性等某些理化指標(biāo)會接近解凍前水平甚至持平。孫芳等[19]發(fā)現(xiàn)高壓靜電解凍的牛肉色澤鮮紅，新鮮度明顯好于對照組。其原因在于高壓靜電場產(chǎn)生的臭氧會附著在肉表面，使得肌紅蛋白與氧分子結(jié)合，生成鮮紅色的氧合肌紅蛋白。

1.2.2 影響因素

目前，眾多國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)高壓靜電場解凍效果與電極形狀及數(shù)量、場強(qiáng)強(qiáng)度和電極板間距有關(guān)。何向麗[20]發(fā)現(xiàn)板狀電極對解凍速率沒有明顯影響，而多針狀電極可節(jié)約1/2的解凍時間，該促解凍效果存在極限值；解凍過程中，與上極板接近處溫度變化較慢，而與下極板接近處溫度變化稍快。AMIRI等[21]將電極板間距和電壓固定，研究電極針數(shù)對牛肉品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，隨著電極針數(shù)的增加，牛肉的解凍損失和氧化程度降低。MOUSAKHANI-GANJEH等[22]發(fā)現(xiàn)，隨著外加電壓的增加和電極間距的減小，金槍魚氧化程度不斷增加，但電壓為10.5 kV時，氧化程度反而隨板間距減小而降低。白亞鄉(xiāng)等[13]發(fā)現(xiàn)高壓靜電場下，冰的解凍速度與電極板間距有一定的相關(guān)性，但非線性相關(guān)，電極間距為10 cm時，相鄰的離子風(fēng)能量恰好全給到冰面，此時解凍速度最快。謝晶等[23-24]發(fā)現(xiàn)高壓靜電場對馬鈴薯和豬肉的解凍效果均隨電場強(qiáng)度而變化，具體表現(xiàn)為：場強(qiáng)較高時加電場會加速解凍，而較低時加電場則會延緩解凍。張源等[25]研究發(fā)現(xiàn),高壓電場產(chǎn)生的臭氧對青魚表面的微生物有一定的抑制作用，但該作用并未隨電場強(qiáng)度增加而有明顯變化。RAHBARI等[4]比較了3種電場強(qiáng)度(150、225和300 kV/m)對冷凍雞胸肉解凍的影響，發(fā)現(xiàn)解凍時間隨場強(qiáng)增大而降低，場強(qiáng)為225 kV/m時，解凍損失最小、肌原纖維和蛋白質(zhì)溶解度最高、蛋白變性程度最低。該實驗表明，適當(dāng)增加電場強(qiáng)度能更好地維持產(chǎn)品品質(zhì)。此外，解凍時間對解凍效果也有一定影響。解凍時間過長，凍品汁液流失，品質(zhì)下降；時間短，就會達(dá)不到解凍要求[26]。BAI等[5]也證實電壓、相鄰兩針頭的距離和電極間距等參數(shù)對解凍速率和能耗的影響也不同。因此，必須通過確定操作條件，優(yōu)化解凍工藝，才能實現(xiàn)更好的解凍效果。

2 高壓靜電場解凍技術(shù)在肉及肉制品中的應(yīng)用

2.1 對解凍時間的影響

由于肉類極易腐敗變質(zhì)，冷凍處理是現(xiàn)代食品工業(yè)保存肉類的最重要的方式之一。在食用之前，特別是在加工之前對冷凍肉進(jìn)行解凍是必不可少的操作過程[27]。然而，在解凍過程中，隨著解凍時間的延長，會伴隨著質(zhì)量損失增加、蛋白質(zhì)變性、顏色改變、微生物生長等品質(zhì)劣化問題，肉類的食用品質(zhì)會受到嚴(yán)重影響[28]。傳統(tǒng)的肉類解凍方法包括自然解凍、清水解凍、真空低溫解凍、溶液浸漬解凍等，上述方法耗時均較長，且肉類質(zhì)量損失相對比較嚴(yán)重[29]。因此，快速且能夠保持原料品質(zhì)的解凍方法受到了學(xué)者們的關(guān)注。OHTSUKI[30]利用高壓靜電場產(chǎn)生的負(fù)電子對樣品進(jìn)行解凍，發(fā)現(xiàn)凍肉中的冰晶能迅速融化成水，同時又被肉片重新吸收，恢復(fù)到凍結(jié)前的狀態(tài)，不僅解凍速度較快，而且能有效保持肉品的新鮮程度。HSIEH等[31]以凍雞大腿為研究對象，在不改變產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，使用高壓靜電場技術(shù)極大地減少了解凍時間。唐樹培等[32]在研究高壓靜電場解凍技術(shù)對羊胴體的影響規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，解凍時間和汁液流失率隨場強(qiáng)的增加而減少，解凍后色澤隨場強(qiáng)增加而更為鮮艷；在最優(yōu)場強(qiáng)1.5 kV/m時，解凍時間可縮短11.1%。SINGH等[33]研究發(fā)現(xiàn),用高壓靜電場在相同溫度下對冷凍牛肉進(jìn)行解凍，所需時間比常規(guī)方法減少70%～75%。孫芳等[19]發(fā)現(xiàn)高壓靜電場不但可以明顯縮短牛肉的解凍時間，并且解凍后的肉品能保持原有的風(fēng)味與新鮮度。ROUAUD等[34]認(rèn)為在靜電場中，移動的電離空氣粒子與不帶電的空氣粒子相互碰撞，產(chǎn)生可感知的風(fēng)的運動，稱為電暈風(fēng)，而電暈風(fēng)可以增強(qiáng)對流傳熱和傳質(zhì)，在解凍肉類的液體部分產(chǎn)生旋渦和湍流，從而縮短解凍時間。大量研究表明，高壓靜電場技術(shù)可以顯著縮短解凍時間，當(dāng)電極間隙一定時，隨著高壓靜電場電壓的增加，肉類融化速率增加；在恒壓條件下，隨著電極間隙的減小，融化速率增加[35]。

2.2 對肉及肉制品品質(zhì)的影響

2.2.1 對微生物生長和貯藏時間的影響

近年來，一些學(xué)者研究了高壓靜電場技術(shù)對冷凍產(chǎn)品解凍質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，利用高壓靜電場解凍可以抑制微生物生長，保持肉類及肉制品解凍后的品質(zhì)，延長貯藏時間[36-37]。HE等[38]研究發(fā)現(xiàn)，與空氣解凍樣品相比，用高壓靜電場技術(shù)解凍的豬肉和兔肉活菌數(shù)均顯著減少，解凍后肉品的新鮮度提高，貯藏時間增加。KO等[39]發(fā)現(xiàn),運用高壓靜電場技術(shù)，能夠有效抑制羅非魚菌落總數(shù)、K值和揮發(fā)性鹽基氮總量的上升，延長其貨架期。LI等[40]采用高壓靜電場解凍技術(shù)對鯉魚肉塊進(jìn)行處理。結(jié)果表明，與其他解凍方法相比，用高壓靜電場進(jìn)行解凍處理后魚肉的微生物污染情況得到改善。電壓為-12 kV時，魚肉初始活菌總數(shù)、氣單胞菌數(shù)、假單胞菌數(shù)和乳酸菌數(shù)(3.11、2.93、2.71和2.91 lg CFU/g)均低于空氣解凍組(3.58、3.15、2.88和3.25 lg CFU/g)。KARACA等[41]發(fā)現(xiàn)隨著電場強(qiáng)度的增大，微生物生長的抑制效果逐漸增加，這可能是由于較高的電場強(qiáng)度能更有效地導(dǎo)致氧的離開和氮的覆蓋，或者是高壓靜電場產(chǎn)生的臭氧與空氣負(fù)離子的相互作用。肉類在解凍過程中極易受到微生物的污染，必須采用合適的措施來優(yōu)化其品質(zhì)，高壓靜電場技術(shù)為控制肉類微生物生長及延長其貯藏時間提供了新的方法[42-43]。

2.2.2 對顏色的影響

肉類和肉制品的顏色是影響消費者接受度的重要屬性[44]。姚薇等[45]發(fā)現(xiàn)解凍冷鮮肉糜時施加高壓靜電場會使其a*值(紅度值)升高、b*值(黃度值)降低，全程電場處理有助于保持肉糜原有的色澤。然而，MOUSAKHANI-GANJEH等[46]將高壓靜電場解凍技術(shù)作用于金槍魚塊時發(fā)現(xiàn)，采用高壓靜電場解凍技術(shù)處理的樣品與空白對照組相比,L*值(亮度值)和b*值顯著增加，并且隨著施加電壓和電極距離的增大，樣品的L*值和b*值增大。唐夢等[16]發(fā)現(xiàn)羅非魚片的高壓靜電場解凍組的L*值低于對照組，推測是由于對照組解凍損失率大，從而導(dǎo)致更高的汁液流失率。汁液流失率越高，羅非魚片表面游離水越多，測定時造成的光反射越強(qiáng)，亮度值越高。JIANG等[47]提出高壓靜電場解凍技術(shù)導(dǎo)致肉類發(fā)生顏色參數(shù)的變化，可能是因為樣品中的脂質(zhì)被高壓靜電場運行過程中,產(chǎn)生的臭氧氧化，樣品表面發(fā)生褐變，表現(xiàn)為b*值的增加?？傊?，高壓靜電場解凍技術(shù)對肉類及肉制品顏色的影響尚未獲得一致的結(jié)論。盡管高壓靜電場會影響產(chǎn)品的顏色，但不會造成顏色劣變。因此，在肉類加工行業(yè)中使用高壓靜電場解凍技術(shù)對產(chǎn)品的顏色影響較小，具有一定的應(yīng)用價值[48]。

2.2.3 對持水性的影響

肉的持水性即“保水性”，與肉的顏色、香氣、嫩度、出品率等密切相關(guān)[49]。運用高壓靜電場解凍技術(shù)，改善和提高肉品持水性一直是國內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注的問題[50]。肌漿蛋白質(zhì)分子所帶的靜電荷與水分子極化基團(tuán)靜電荷之間相互吸引，從而將水分子納入蛋白質(zhì)高分子網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的空間中，使肌肉具有一定的持水性[51]。因此，肌肉蛋白質(zhì)的變化是影響持水性的關(guān)鍵因素，此外，貯存溫度、pH值、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化也可影響肉品的持水性[52]。HSIEH等[53]將雞大腿肉在靜電場強(qiáng)度為100 kV/m的條件下解凍，發(fā)現(xiàn)高壓靜電場能有效降低雞肉1%～3%的蒸煮損失，提高1%～2%的持水性。

豬肉肌原纖維蛋白在凍融循環(huán)過程中會發(fā)生氧化，進(jìn)而導(dǎo)致肉品的持水性、嫩度和營養(yǎng)價值降低。因此，確定高壓靜電場對肌原纖維蛋白氧化程度的影響至關(guān)重要[54]。李銀等[55]通過分析冷凍牛肉解凍過程中蛋白質(zhì)的氧化效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，解凍過程中蛋白質(zhì)容易氧化，引起肌纖維結(jié)構(gòu)改變，從而導(dǎo)致牛肉持水性降低，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)。另外，由于pH值對肉類保水能力的影響較大，探究pH值的變化也尤為重要。一旦pH值達(dá)到了肉類中主要蛋白的等電點，蛋白質(zhì)內(nèi)的極化基團(tuán)就會相互吸引，從而導(dǎo)致該蛋白質(zhì)能夠吸引和保持的水?dāng)?shù)量減少，從而降低持水性[56]。HE等[57]研究發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場對豬里脊肉解凍過程pH值影響較小，蒸煮損失沒有顯著變化，有利于保持肉類良好的持水性。

2.2.4 對肌肉微觀結(jié)構(gòu)的影響

高壓靜電場解凍均勻，對細(xì)胞的損傷小，從而使解凍后肌肉組織結(jié)構(gòu)較為完整。馬堅[58]研究了牛腰大肌的解凍過程，發(fā)現(xiàn)高壓靜電場在保持肉組織和肌細(xì)胞的完整性方面作用明顯，且最佳電場強(qiáng)度為150 kV/m。據(jù)此推測出，在合適的電場強(qiáng)度下(150 kV/m)，極性的水分子聚合物產(chǎn)生作用，表現(xiàn)為在凍結(jié)和解凍過程中加速通過最大冰晶生成帶，從而產(chǎn)生均勻分布的細(xì)小冰晶，以保持肌肉組織和肌纖維細(xì)胞的完整性。唐夢[59]通過光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，羅非魚片高壓靜電場解凍組與對照組相比，肌節(jié)長、無損傷、細(xì)胞間隙小。電鏡掃描結(jié)果進(jìn)一步表明，對照組解凍后肌纖維出現(xiàn)彎曲變形，肌束松散，而高壓靜電場解凍后的肌束排列更為整齊緊密，肌纖維無彎曲。因此，高壓靜電場通過加速氫鍵斷裂直接改變水分子組成狀態(tài)，快速實現(xiàn)解凍，避免了冰晶對細(xì)胞造成一次與二次傷害，對保持肉類及其制品原有的組織結(jié)構(gòu)具有重要意義。

3 總結(jié)與展望

高壓靜電場解凍技術(shù)是一種新型技術(shù)，在肉類及其制品的解凍保鮮應(yīng)用中表現(xiàn)出了良好的工業(yè)應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)解凍技術(shù)相比，高壓靜電場解凍技術(shù)能夠減少微生物污染、減少解凍時間、降低汁液損失、改善持水性，有效保證了肉類的新鮮度并延長了肉類的貯藏期。然而，高壓靜電解凍技術(shù)至今仍存在一些問題。該技術(shù)對環(huán)境濕度要求較高，濕度過大時，空氣可能會被擊穿，存在安全隱患。高壓靜電技術(shù)也因為具有對電極配置和電壓水平的嚴(yán)格要求等問題而沒有得到廣泛應(yīng)用。目前對該技術(shù)的研究主要集中在對解凍速率的影響方面，并沒有對解凍機(jī)理和解凍過程中制品的變化等方面進(jìn)行深入研究。運用高壓靜電場技術(shù)對肉類和肉制品進(jìn)行解凍時，由于肉類種類、部位、操作條件的不同，產(chǎn)生的影響也不同。因此，在今后的研究中，一方面可以更加全面地研究高壓靜電場對不同類型及不同部位肉制品解凍的影響；另一方面深入探索電壓、電極間隙、電極尺寸等條件對融化速率、改善肉質(zhì)和控制微生物生長的影響，進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化工藝參數(shù)以提高解凍速率，減少能耗，保證肉制品的品質(zhì)，確保其所產(chǎn)生的積極影響的高再現(xiàn)性和實際應(yīng)用性。