家用冰箱保鮮技術研究進展

姬翔 劉港帥 李泓利 賈雯 胡海梅 田慧琴 傅達奇

1.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院 北京 100083；2.長虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

冰箱通過低溫抑制食品的腐壞變質進程，但單純的低溫條件往往并不能達到良好的保鮮效果，許多有害微生物在低溫環(huán)境中仍然會繼續(xù)生長繁殖，食品對單一低溫條件存在不適應性，這都使得食品的品質和安全性出現隱患。隨著時代的發(fā)展，人們的健康意識逐步提升，冰箱作為家庭健康生活中的重要一環(huán)，人們對冰箱的保鮮效果[1]提出了更高的要求。目前，健康成為人們選擇冰箱時首要關注的方面[2-3]，其次大容量、多分區(qū)和智能冰箱也深得消費者的青睞。在這個不斷發(fā)展的時代，冰箱企業(yè)應當回歸冰箱保鮮的本質，加快冰箱保鮮技術的創(chuàng)新與研發(fā)，提供更加健康、智能的保鮮方案，才能在市場上站穩(wěn)腳跟[4]。

科技的發(fā)展為冰箱保鮮領域帶來眾多新技術。通過文獻收集與市場調研，本文分類總結了現有的家用冰箱保鮮技術，旨在為今后研發(fā)冰箱保鮮技術與消費者選購冰箱提供方向與參考。

2 冰箱制冷方式對冰箱保鮮性能的影響

目前，冰箱主要有兩種制冷方式[5]：直冷式與風冷式。直冷式冰箱采用冷凝器直接降低冰箱內溫度，并通過冰箱內冷空氣的自然循環(huán)使冰箱內溫度趨于平衡，這樣有利于食品的保濕保鮮，但是降溫速度慢，容易造成箱內溫度不均勻，且箱內容易結霜。風冷式冰箱則是通過電風扇強制內部冷空氣循環(huán)，制冷速度快，箱內溫度均勻，不容易結霜，但是由于箱內空氣流速較快，容易造成食品的風干。

直冷式與風冷式各有優(yōu)缺點，冰箱企業(yè)研發(fā)新產品時應該結合冰箱使用的實際情況去選擇合適的冰箱制冷方式。也有一些冰箱企業(yè)生產出直冷、風冷雙制冷方式的冰箱，可以利用各自的優(yōu)點達到最優(yōu)的食品保鮮方式。目前市場上也出現了各分區(qū)獨立制冷的冰箱，例如海信“食神”系列中式對開門冰箱，冷藏室、冷凍室、變溫室均采用獨立制冷，使冰箱各區(qū)域獲得適合不同種類食品的制冷效果和保鮮性能。

3 冰箱保鮮技術現狀

3.1 傳統(tǒng)冰箱保鮮技術

3.1.1 基于精準控溫的保鮮技術

冰箱通過降低食品周圍環(huán)境的溫度，從而減緩食品中各種酶的生物化學反應，并抑制食品表面、內部微生物的生命活動，以此來達到食品保鮮的目的[6]。

精準控制溫度的高低、波動范圍以及降溫速度是精準控溫的三個主要方面。溫度越低，并不意味著保鮮效果就越好，不適宜的冷藏溫度會導致果蔬類食品發(fā)生冷害[7]，并且過低的冷凍溫度會導致食品內部形成較大冰晶，從而刺破細胞，在解凍時造成大量營養(yǎng)成分流失，造成食品質量的嚴重損傷[8]。同時，冰箱內部溫度的大范圍波動也會導致食品內部形成較大冰晶，對食品品質造成損傷。其次，冰箱降溫速度的快慢也與食品的保鮮效果密切相關[9-10]，食品在低溫貯藏的過程中，如果冰箱可以做到讓食品中心溫度迅速越過最大冰晶生成區(qū)（使食品中近80%的水分凍結成冰的溫度范圍，通常為-1℃至-5℃），則可使食品內部的冰晶分布最大程度上接近于食品原有水分的分布，此時對食品內部細胞不會造成較大傷害[11-12]。綜上所述，冰箱對其內部溫度的控制，對食品保鮮起到至關重要的作用。

冰箱內部溫度的改變主要通過變頻器改變電源頻率來實現，為達到精準控溫的三個主要方面，就要求冰箱企業(yè)要深入研究冰箱變頻技術。長虹美菱股份有限公司自主研發(fā)出的“0.1度變頻”技術，在快速降溫的同時，可以實現0.1℃精準控溫。

其次，為了減少因過低的貯藏溫度對食品品質造成的損傷，許多冰箱制造企業(yè)推出了“零度保鮮”、“微凍保鮮[13]”技術，即讓冰箱保藏室的溫度穩(wěn)定在0℃附近，在這個溫度下，可以達到“冰水共存”的狀態(tài)。溫度控制在0℃附近，可以在有效抑制微生物生長與減緩食品腐敗變質的基礎上，最大程度保持食品的原始風味與口感。2019年美的集團推出的“微晶”系列冰箱[14]，其微晶保鮮艙可以將溫度維持在0℃附近，將新鮮牛肉放入微晶保鮮艙存放24小時后拿出，經食品專業(yè)技術人員評判，牛肉仍保持非常新鮮的狀態(tài)。魯禮明等[15]研究表明，豬肉在-3℃至-4℃貯藏時，可以實現長達18天的保鮮期。格力電器在2019年推出的“肉類保鮮行家”晶弘魔法冰箱[16]，可以實現-3℃嫩凍、-5℃瞬凍、-33℃深凍的多層次肉類保鮮需求，并且搭配晶弘的瞬凍技術，在最短的時間內達到指定溫度，最大程度上降低食品品質損失。2017年博世公司推出的“維他保鮮”系列冰箱，設立獨立“零度維他保鮮+”室，采用精準電腦控制，使溫度處于接近但不低于0℃的狀態(tài)[17]。松下電器的大部分冰箱產品，也都搭配了-3℃微凍功能，使用食材時無需解凍，可以在較長時間內保持食品新鮮。

冰箱對其內部溫度的控制是冰箱最重要的保鮮基礎。冰箱企業(yè)應當做好精準控溫技術，使冰箱內部溫度迅速達到指定溫度，且不會產生較大波動。

3.1.2 基于分區(qū)貯藏的保鮮技術

由于每種食品都有其特有的最適貯藏溫度區(qū)間與濕度區(qū)間，同時為了避免生熟食品交叉污染以及不同食品之間相互串味，分區(qū)貯藏可以更好地滿足人們精準化儲存不同種類食品的需求，因此，多分區(qū)大容量冰箱開始走進市場[18]，并獲得了越來越多消費者的青睞。分區(qū)貯藏的關鍵在于多循環(huán)制冷系統(tǒng)，較早時期的冰箱采用單循環(huán)系統(tǒng)，即只有一套制冷系統(tǒng)，各貯藏區(qū)間溫度不可單獨控制，而多循環(huán)系統(tǒng)可以實現多溫多控，各貯藏空間單獨制冷，之間不受干擾，為食品的分區(qū)貯藏提供了良好的條件。

目前市場上推出了許多基于多分區(qū)貯藏，精準化保鮮的冰箱。2017年，海爾集團公司在中國家電及消費電子博覽會（AWE）上發(fā)布的“全空間保鮮”系列冰箱[19]，能夠解決濕度控制、食材串味等冰箱保鮮技術難題，冷藏室搭配精控干濕分區(qū)貯藏技術，劃分為多個適應不同種類食品的存儲空間，多種送風模式互相配合，實現對不同食品的精準化保鮮。海爾集團公司的其他產品，如2016年推出的“變頻四門冰箱”（BCD-345WDGFU1）冰箱也實現了多分區(qū)“干濕精儲”，其保鮮抽屜可以做到三檔濕度調節(jié)，滿足不同食品的保鮮需求。海信家電集團股份有限公司在2018年推出的“食神”系列冰箱，內部貯藏區(qū)域劃分精細，不同貯藏空間的濕度與溫度可獨立精準控制，為不同種類的食品提供適宜的貯藏條件。長虹美菱股份有限公司在2021年最新發(fā)布“M鮮生二代全面薄冰箱”（BCD-656WQ3M/481WQ3M），冷藏室配置“全密封熟食貯藏盒”，實現對食品全密封、異味隔絕、殺菌的保鮮效果，并且，冰箱內部還搭載“暖藏變溫室”，單間室實現-20℃至20℃的變溫區(qū)間，進一步解決了食品多元化保鮮問題。

多門多分區(qū)貯藏已經成為冰箱發(fā)展中的一種主要趨勢?；诙喾謪^(qū)貯藏的保鮮技術有著很大的發(fā)展前景，其實現了不同食品對應不同貯藏條件的精準化保鮮，同時，還可以有效解決食品串味問題，更好地維護食品的感官和營養(yǎng)品質。

3.1.3 基于氣體控制的保鮮技術

食品貯藏環(huán)境中的氣體組成對食品的保鮮效果具有重要影響。影響食品腐敗的兩個最主要因素是食品本身的氧化反應與微生物的繁殖。而通過調節(jié)食品貯藏環(huán)境中的氣體組成，可以有效抑制微生物生長繁殖[20]與食品本身的各種生物化學反應，從而延長食品的保鮮時長。在冰箱中基于氣體控制的保鮮技術大致分為氣調保鮮與真空保鮮。

氣調保鮮技術的核心在于，通過氣體發(fā)生和消減設備，在一個封閉的體系內得到不同于正常大氣組成的氣體環(huán)境，比如提升二氧化碳氣體、氮氣含量，降低氧氣含量，配合低溫冷藏，從而抑制食品本身與微生物的生化反應。郭慧媛等[21-22]研究了冰箱氣調貯藏對水果和肉類的影響，結果表明，相比于傳統(tǒng)冰箱（無氣調功能），在氣調冰箱（氧氣含量18%～18.5%）中貯藏的果蔬，失重率顯著降低，并且維生素C和花青素的保留率顯著提高，有效維持了果蔬的品質；貯藏的肉類，汁液流失率、揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）含量、硫代巴比妥酸反應物（TBARs）值和菌落總數顯著降低，延緩了其在冷藏過程中的品質劣變。在2017年的AWE上，卡薩帝冰箱推出“F+自由嵌入”系列冰箱，通過“MSA氣調儲鮮技術”降低冰箱內氧氣含量，有效延長了食品的保鮮時間。

真空保鮮技術是運用真空泵將一個貯藏空間的空氣抽出，形成極低的氧氣分壓，在極大程度上抑制了微生物的生長繁殖以及食品本身的生理代謝與氧化反應。闞苗等[23]運用可移動式真空保鮮容器與冰箱結合，研究了真空減壓技術對生菜和葡萄在貯藏期間的保鮮效果，結果表明，真空減壓技術能有效降低生菜和葡萄在貯藏期間的失重率，減少維生素C的損失，可以有效延緩生菜和葡萄在貯藏期間的品質劣變。海信家電集團股份有限公司提出“真空才是真保鮮”，其在2020年推出的“真空保鮮”系列冰箱，搭載“真空頭等艙”，可以在艙內實現0.8個大氣壓的真空冰溫環(huán)境，可有效延緩食品營養(yǎng)流失，并減少食品受潮霉變以及細菌的滋生。然而，在較低的環(huán)境溫度下，當環(huán)境壓力低于水的三相點壓力時，容易使冰直接升華成水蒸氣，造成食品的水分流失。研發(fā)部門在研發(fā)真空保鮮技術時，應當優(yōu)化真空壓力條件，在能夠達到食品保鮮效果的同時，減少食品的脫水問題。

3.2 新型冰箱保鮮技術

3.2.1 電、磁場保鮮技術

電、磁場保鮮技術主要通過冰箱內部搭載高壓靜電場裝置、永磁體等來實現。張武杰等[24]研究發(fā)現，在果蔬貯藏的過程中，外加磁場可以降低果蔬的失水率，并且可以有效減少維生素C和Fe的損失。任猛等[25]認為，外加磁場可以影響果蔬內部帶電離子的運動，從而抑制代謝酶的活性，進而降低果蔬的生理代謝速率。曲曉雷等[26]認為在冷藏條件下，較高的磁場強度可以在耗能較低的情況下更好地殺滅微生物，并且在冷凍條件下，靜磁場可以有效防止大冰晶的形成，減少細胞損傷，有效提升冰箱的保鮮性能。王屋梁等[27]、鐘明等[28]、費玲等[29]人的研究也都證實了適宜的外加電場或磁場對食品有著一定程度的保鮮效果。

目前市場上也出現了一些運用電、磁場保鮮技術的冰箱，如美的集團在2020年推出的“果潤維C冰箱”（BCD-503WSPZM），配備“果潤磁力鮮”保鮮技術，研發(fā)團隊證實該磁力保鮮技術可以有效防止果蔬水分流失，充分維持維生素C含量，抑制細菌增長，并且可以鈍化果蔬內部酶活性，更好地保持果蔬的貯藏品質。

綜上所述，電、磁場保鮮技術是一種便于操作、環(huán)境友好的新型無接觸食品保鮮方式[30]，而探索出適合每類食材的最佳電、磁場強度范圍，以及電、磁場強度的智能化控制則是未來電、磁場冰箱保鮮技術研發(fā)過程中應當重點關注的問題。

3.2.2 光照保鮮技術

采后果蔬在光照條件下仍會進行光合作用，積累營養(yǎng)物質[31]，許多研究表明，光照對采后果蔬的品質維持有著正向的調控作用，可通過采后補光的方法來維持果蔬的新鮮度[32]。傳統(tǒng)光源，如鎢燈、白熾燈等有著耗電量和散熱量較大等嚴重缺點，并不適合于果蔬的采后保鮮。但隨著半導體光照技術的成熟，LED[33]逐漸引起了研究人員的關注，LED燈是一種半導體發(fā)光器件，具有散發(fā)熱量少、耗電低、易于控制等諸多優(yōu)點[34]。Huang等人[35]研究表明，藍色發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）照射可以促進香蕉的成熟，此外，LED光照還促進了香蕉果實中抗壞血酸、總酚和總糖含量的積累，有效提升了香蕉果實的營養(yǎng)品質。MA等人[36]研究發(fā)現，紅色LED光照顯著延緩了采后西蘭花中抗壞血酸（AsA）的降解，可有效延緩西蘭花的采后衰老并保持其貯藏品質。Nájera等人[37]研究表明，通過LED光的照射，可以促進采后番茄果實中番茄紅素的積累，提高番茄的商業(yè)價值，另外，與白色LED光相比，LED光中的紅光與遠紅光的比值（R:FR）越高，則更有利于提升番茄紅素的含量及果實的硬度。

目前，通過在冰箱內部增加LED等各種光源發(fā)生設備的光照保鮮技術[38]已成功應用于市場，但是研發(fā)人員還應當針對不同種類的果蔬食材，在光照波長、光照強度、光照周期等技術參數上做進一步的細化。容聲冰箱在2020年推出的“WILL冰鮮箱”（BCD-558WKK1FPG），其中配備了“SUPL多頻光照養(yǎng)鮮”技術，開創(chuàng)了“放在冰箱里，繼續(xù)長七天”的食品冰箱貯藏保鮮新理念。

另外有研究表明短波藍光LED[39]以及短波紫外線（UV-C）有著很好的滅菌效果[40]。在Ghate等人[41]的研究中，認為藍色LED光（460 nm）對鮮切菠蘿片上的沙門氏菌生長有潛在的抑制作用。周偉[42]研究發(fā)現，低劑量的UV-C照射可以有效維持上海青在采后貯藏過程中的葉綠素、可溶性固形物、還原糖含量，使其保持較好的感官品質，同時他認為低劑量的UV-C照射可以誘導果蔬產生抗菌物質，并延緩其衰老過程。美的集團在2019年推出的“果凈”系列冰箱[43]，內部搭載了“果蔬凈鮮倉”存儲空間，倉內配有美的獨家研發(fā)的“太空深紫外光除農殘技術”，通過UV-C照射，實現92%的農殘降解率。伊萊特斯在2020年推出的一款“法式多門冰箱”（EHE5209GD），內部搭載凈味呼吸燈，可以實現去除冰箱內部異味、保持冰箱內部空氣清新的功能。

3.2.3 等離子體保鮮技術

等離子體是一個宏觀體系，由許多帶電離子組成，被視為物質的“第四態(tài)”。等離子體是由氣體放電產生的[44]，放電過程中產生的物質，如活性氧離子等，與細菌等微生物中的蛋白質、核酸類物質發(fā)生化學反應，從而殺滅各類微生物，有效提高食品品質并延長保質期[45]。

汪闖等[46]使用微弧等離子體發(fā)生器，在冰箱冷藏室的環(huán)境下進行除菌實驗，結果表明等離子體除菌效果達到90%以上。Starek等[47]研究表明，用低溫等離子體處理番茄汁后，顯著降低了好氧細菌菌落總數、酵母菌和霉菌的菌落總數，有效延長了番茄汁的貨架期。張勇等[48]用低溫等離子體處理鮮切西蘭花，與對照組相比，經過低溫等離子體處理的鮮切西蘭花表面細菌數量顯著降低，有效延緩了貯藏期間鮮切西蘭花的衰老與品質劣變。

目前，通過在冰箱內部加設等離子體發(fā)生器的等離子體保鮮技術已經在冰箱市場上得到應用，容聲冰箱（BCD-268YM、BCD-268PMB）、美的冰箱（BCD-630WKGPZV）、伊萊特斯冰箱（ESE4218GAN、ESE5319GAN、ESE6208GB）等冰箱產品都運用了等離子體保鮮技術。東芝公司在2008年研發(fā)了自身專利產品——光等離子發(fā)生器，通過光等離子電極的放電釋放紫外線、臭氧、負離子，實現高效的殺菌效果從而延長果蔬的保鮮時間，同時具有顯著的除味效果，此技術搭載在東芝公司GR-C203SE、GR-C232SE、GRC246SE型號的冰箱上。

等離子體保鮮技術在冰箱中可以同時實現保鮮、除菌、凈味的效果，其在冰箱保鮮技術研發(fā)中具有良好的應用潛力。在今后的研發(fā)過程中，應當進一步優(yōu)化其工作條件和在冰箱中的嵌入方式。

3.3 冰箱企業(yè)獨特的冰箱保鮮技術

目前，有很多冰箱企業(yè)都推出了獨家的冰箱保鮮技術，如松下電器研發(fā)的新一代弱酸性健康離子納諾怡（nanoe），是一種納米級的帶電水離子，與自然負離子相比，更加適合在家庭環(huán)境中使用。該微粒的發(fā)生技術由Panasonic電工株式會社與廣島大學大學院工學研究科于2003年共同研發(fā)。研發(fā)實驗結果表明，納諾怡技術具有除菌、除味、保濕等多種功效，日常的家用電器都可以搭載此技術。松下電器將此技術搭載在冰箱中，可以起到明顯的除菌、除味等對食品的保鮮功效。海爾集團在2014年推出的T.ABT健康殺菌技術，創(chuàng)新式地采用純天然碧璽石除菌凈化技術，該技術主要是利用碧璽石釋放的負離子，配以納米銀離子，抑制細菌的生長與食品中的酶活力，打造綠色天然、健康安全的無菌儲鮮環(huán)境。長虹美菱股份有限公司研發(fā)的“水分子激活保鮮技術”運用三個“力”（共振力、裂變力、穿透力），使食品中的水分子振動，從而實現快速降溫、保護食品細胞、抑菌等功能，達到良好的食品保鮮效果，隨著此技術的誕生，美菱于2019年2月發(fā)布了“M鮮生”系列冰箱[49]。

3.4 冰箱保鮮技術智能化

隨著5G信息技術時代的到來，人工智能[50]、物聯網、傳感器[51]等技術不斷發(fā)展，全行業(yè)智能化已發(fā)展成為一種趨勢。冰箱行業(yè)發(fā)展至今，在智能化方面也取得了一定的進展。

冰箱的智能化應該體現“食品保鮮”的本質，美的公司表示“人機交互的智能新時代已經來臨”，美的智能冰箱搭載AI智能控濕技術，通過借助控濕艙中的各種傳感器，智能匹配不同食品所需要的不同濕度，充分滿足了消費者的精準化個性保鮮。

2018年，海爾智家展示了“食聯生態(tài)”智能平臺，以智慧冰箱為核心，為用戶定制健康美食解決方案[52]，其推出的“風冷變頻十字對開門冰箱”（BCD-658WDIBU1）搭配智能人感交互，實現智慧食品管理、營養(yǎng)菜譜推薦、一鍵網購食品。海爾集團旗下的高端家電品牌卡薩帝在2019年推出的“物聯網雙屏冰箱”（BCD-659WISSU1），實現全面生態(tài)管理家庭飲食，并搭配AI技術，主動識別用戶身份，檢測健康數據，專屬定制一周營養(yǎng)膳食計劃。

目前智能化家電往往是單一、獨立的，獨立的產品有其獨立的控制平臺，未來企業(yè)可以聯合第三方平臺，讓不同品牌、品類的家電實現“云云互聯”[53]，可以用一個智能化平臺完成不同品牌家電的智能控制，形成一體化的“智能家電”。冰箱作為家電中的主力產品，在“智能家電”中扮演了極其重要的角色。冰箱的智能化應當以食品的保鮮作為出發(fā)點，搭配各種智能化配件，與物聯網技術聯合起來，加強人機交互[54]，站在消費者的角度上設計智能化產品。

4 結束語

隨著IEC冰箱保鮮國際標準的制定，客觀評價冰箱的保鮮性能成為可能，但是由于各國各地區(qū)的氣候環(huán)境、飲食習慣等有著很大的不同，并不能只依靠一個統(tǒng)一的國際標準來衡量冰箱的保鮮性能。目前，國內QB/T 5510-2020《家用冰箱保鮮性能試驗方法》行業(yè)標準已處于發(fā)布公示階段，此行業(yè)標準與國際標準接軌，并充分考慮中國特色[55]。各種冰箱保鮮標準的完善，為冰箱企業(yè)研發(fā)新型保鮮技術提供了很好的參考標準[56]。

在冰箱保鮮技術的不斷升級換代中，研發(fā)部門應該始終以安全健康為出發(fā)點，做好市場調研，站在消費者的角度設計產品。隨著生活質量的不斷提高，人們需要貯藏在冰箱中的食品數量與種類增多，消費者更加需要大容量以及擁有多種分類存儲空間的冰箱，因此，對食品的精準化保鮮已成為冰箱保鮮技術的主流發(fā)展趨勢。冰箱保鮮技術在今后的發(fā)展中，應當在做好冰箱溫度精準控制的基礎上，搭配眾多先進保鮮技術與人工智能技術，努力讓冰箱實現更加人性化與智能化的保鮮效果。同時，還應該探索出每類食品的最適保鮮方式[57]，指導消費者在合適的環(huán)境下貯藏食品[58]，實現冰箱對食品保鮮效果的最大化。

本文通過文獻收集與市場調研，綜述各類傳統(tǒng)冰箱保鮮技術與新型冰箱保鮮技術，旨在為未來家用冰箱保鮮技術的智能化研發(fā)和消費者的冰箱購買選擇上提供依據與指導。