冰箱應用電場保鮮效果的研究

曹 斐 張啟花 任 猛 圣 潔

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

營養(yǎng)價值豐富的肉食食品是人類攝取蛋白的重要來源,含有人體必需的營養(yǎng)成分如氨基酸、鈣、磷、鐵及各種維生素等成分。肉類生產消費過程中,任何不適當?shù)牟僮骱唾A運都可能造成肉類的腐敗變質[1],食用這樣的肉類會危害人類的健康。傳統(tǒng)意義上肉類生產和消費中抑制微生物生長繁殖的重要手段之一就是冷藏或冷凍。然而，冷凍肉在凍藏過程中的品質依然會發(fā)生一定程度的改變，如色澤變差，汁液流失嚴重，蛋白質和脂肪氧化加劇，從而使肉類營養(yǎng)價值降低，造成很大的經濟損失。

家用電冰箱電場保鮮技術機理主要體現(xiàn)在：抑制電子傳遞過程，實現(xiàn)酶活以及細胞膜透性，實現(xiàn)代謝過程的抑制。同時電場可破壞較弱的化學鍵，如維持蛋白結構的氫鍵，進而實現(xiàn)細菌的抑制劑殺滅。最近研究發(fā)現(xiàn)：電場對于不同代謝類型食材保鮮效果影響存在著明顯差異[2,3]。目前中國消費者對生鮮肉的需求已不僅僅滿足量的需求了，由“量”的滿足逐漸向“質”的提高轉變,尤其是注重冷卻肉的安全衛(wèi)生品質[4,5]。在凍結解凍過程中會造成食物品質的腐敗變質，特別是由于水分滲透性的損失，蛋白質變性和物理損傷等都會引起食品在味道顏色方面發(fā)生明顯的變化。凍結和解凍方法在保存冷凍食物品質方面起到了一個非常重要的作用。冷凍肉類中冰晶的大小與分布對冷凍肉在解凍過程中的汁液滲出物的多少以及肉類食品的品質及口感影響很大。

研究交變電場對肉類保存效果，通過實驗的方式對肉類在不同電場下保鮮效果的驗證。主要選取常見肉類之一豬肉來進行實驗研究，在降溫速率的冷凍過程中，施加不同交變電場以觀測對肉類食品水分子保鮮的影響。

1 電場水分子激活原理

水分子激活保鮮技術，即一種頻率為 50～60 Hz 的電場保鮮技術，其保鮮原理可能是產生的空間電場使食品水分子產生同頻共振，降低生物酶的活性，改善生物膜透性，抑制生成三磷酸腺苷，延緩細胞的新陳代謝，延長食品保鮮期，并且促成水分子結合方式改變，使冰晶形態(tài)變小，降低食物細胞組織被破壞程度，減少質量損失和解凍后營養(yǎng)成分的流失。靜電場可以使過冷水中的冰成核，該作用已在冷凍生物學中有效地用于降低冷凍過程中的過冷度，以防止細胞內冰的形成[6,7]。

過冷現(xiàn)象：每一種物質都有其自己的平衡結晶溫度或者稱為理論結晶溫度，但在實際結晶過程中，實際結晶溫度總是低于理論結晶溫度的。理論結晶溫度與實際結晶溫度兩者的溫度差值被稱為過冷度。過冷度與結晶成核大小相關，當過冷度較大的時候，成核率的增加的速度比晶核長大的速度要快，可以獲得更細晶粒，晶粒越小對食品在凍結、存儲、解凍過程中的保鮮效果越好。

2 實驗方法及實驗結果

2.1 實驗場景

實驗設置三個典型的低溫保存研究場景，凍結、存儲、解凍。通過控制冷凍電磁觀測臺（以下簡稱冷臺）的溫度，間接控制樣品溫度。當樣品足夠小，樣品溫度與冷臺溫度基本保持一致。

1）凍結：冷臺以0.67 ℃/min的降溫速率從25 ℃降溫至-18 ℃。模擬食品從室溫環(huán)境被放置到家用電冰箱冷凍室中的場景。

2）存儲：冷臺保持在-18 ℃，并施加一個±2 ℃的溫度波動。模擬食品在家用電冰箱冷凍室中存儲時的溫度波動情況。

3）解凍：冷臺從-18 ℃以最快升溫速率升至25 ℃。模擬食品從家用電冰箱冷凍室拿到室溫環(huán)境中解凍的場景。

2.2 實驗設備（見表1）

2.3 實驗方法

2.3.1 冷凍過程中不同頻率電場對溶液過冷度以及冰核數(shù)量和冰晶尺寸影響的實驗

冷凍肉類食品中形成冰晶的大小與分布對解凍過程中的汁液滲出物以及食品的品質有很大影響。驗證不同電場頻率對溶液凍結溫度的影響以及降溫過程中電場對于冰晶形態(tài)影響。

1）探究不同電場頻率對溶液凍結溫度的影響及冰晶形態(tài)影響分析

實驗樣品：生理鹽水、去離子水、蔗糖溶液。

觀測指標：過冷度，冰核數(shù)量及結晶狀況。

實驗步驟：冷臺設置為存儲溫控程序。使用移液槍取6 μL滴在蓋玻片上，用另一片蓋玻片將其壓緊，放置在兩側貼有銅箔的載玻片上，然后將含有樣品的載玻片放置在冷臺，通過INSTEC冷臺控制溫度，使用信號發(fā)生器生成電壓20 V/頻率50 Hz、電壓為20 V/頻率50 kHz、電壓為20 V/500 kHz以及無電場情況。初始溫度為4 ℃預冷，將溶液以0.67 ℃/min的降溫速率進行冷凍，通過連接顯微鏡的顯示屏觀測溶液的冰晶形態(tài)和成核數(shù)量。

數(shù)據(jù)處理：存儲過程的視頻錄像對照溫度時間圖像，觀察結晶情況。

2）實驗數(shù)據(jù)及實驗圖片

通過上述實驗，將多次測試得到的實驗結果進行數(shù)據(jù)篩選、取均值處理，電場頻率與對應的過冷度數(shù)據(jù)如表2～4所示。

表3 實驗組下濃度為0.5 mol/L的蔗糖溶液的過冷度

通過上述實驗研究，得到結晶過程中冰核形成狀態(tài)如圖1～3所示。

3）實驗結論

由表2～4中可以看出，冷凍過程中同種溶液在外加交變電場條件下相較于無電場條件的過冷度提高；同時，溶液過冷度隨電場頻率升高是先提高后減低，說明過高的電場頻率對溶液過冷度的抑制作用也會減低，其中頻率為50 kHz左右的交變電場過冷度是最好的；50 Hz頻率交變電場中的過冷度表現(xiàn)良好。

由圖1～3實驗結果的顯微圖像中可以看出，冷凍過程中同種溶液在外加交變電場條件下相較于無電場條件的冰晶數(shù)量明顯更多，冰晶尺寸也更小；同時，在生理鹽水和蔗糖溶液中，50 kHz相較50 Hz頻率交變電場中的冰晶數(shù)量更多，冰晶尺寸更小。得到以下的結論：外加交變電場對溶液中水分子的冷凍過程中成核溫度及冰晶尺寸具有明顯抑制作用。同時，由于生理鹽水和蔗糖溶液中含有帶電粒子，可以在電場作用下發(fā)生位移運動，疊加水分子的取向極化，冰晶尺寸在電場作用下的抑制作用相比去離子水更加明顯。交變電場的施加對生理鹽水的冰核形成具有促進作用，其中施加頻率50 kHz電場的效果最為明顯，冰核數(shù)量明顯增加，冰晶的尺寸相對更小。

2.3.2 電場對凍結過程中肉中心溫度影響的實驗。

因為在不同的電場條件下，肉類凍結與解凍過程較大程度地相似，僅以凍結過程為例，進行實驗驗證。

1）電場對凍結肉溫度的影響

將購買的一塊豬里脊肉切成大小，體積約為0.125 cm3，即0.5 cm*0.5 cm*0.5 cm的三塊，將其放置為在有銅箔的載玻片上，附上保鮮膜，減少水分的流失。將熱電偶分別插入肉塊中，對豬里脊肉塊進行預冷處理，通過INSTEC冷臺控制溫度，使用信號發(fā)生器生成電壓為20 V/頻率50 Hz和、電壓為20 V/頻率50 kHz的交變電場和無電場三種情況，放置肉塊以 0.67 ℃/min 降溫至-18 ℃。

2）實驗數(shù)據(jù)

以采集點為橫坐標，以肉塊中心溫度為縱坐標繪制成曲線圖。對比曲線圖之間的差異。三塊樣品在不同電場下溫度曲線如圖4所示。

3）實驗結論

從上述實驗結果的曲線得出，在不施加外部電場的情況下，樣品中心溫度在 0 ℃附近有一個明顯的平臺期，即肉類樣品的最大冰晶生成帶。而在施加電場的樣品中心點，明顯觀測到了相變潛熱的放熱過程。平臺期說明，樣品在由外層到內層緩慢凍結，而用熱電偶觀測到相變潛熱的放熱過程說明樣品內有一定體積溶液的過冷度提高，在同一時刻凍結，這與溶液實驗的結果相符合。

3.3.3 電場對不同時長凍結肉失水影響的實驗。

新鮮的豬里脊肉肌纖維結構比較完整、排列規(guī)律、大小均勻、肌纖維之間的小而均勻整齊，里脊肉組織的整體狀態(tài)較好，顯微鏡下如圖6所示。肉塊經過凍結與解凍過程后出現(xiàn)大量細胞聚集的現(xiàn)象，細胞不均勻，大小不均，細胞之間出現(xiàn)大量間隙。嘗試在凍結與解凍過程中增加電場，來觀察肉內細胞在此過程中的變化情況。

1）探究電場對不同時長凍結肉失水影響

實驗樣品：豬里脊肉。

觀測指標：豬里脊肉肌纖維變化情況。

將購買的一塊豬里脊肉切成體積約為0.125 cm3，即0.5 cm*0.5 cm*0.5 cm的大小，將其放置為在有銅箔的載玻片上，附上保鮮膜，減少水分的流失。如圖5（a）和5（b）所示。

對豬里脊肉塊進行預冷處理，通過冷臺控制溫度，使用信號發(fā)生器生成電壓為20 V、頻率50 kHz的交變電場和無電場兩種情況，放置肉塊以0.67 ℃/min降溫至-18 ℃后，分別冷凍2 h，4 h，6 h。將冷凍后的肉塊和鮮肉放入固定液浸泡18 h后，進行切片、染色、顯微拍照處理。

2）實驗圖片

通過上述實驗研究，圖5（c）為正在冷臺上進行降溫冷凍的豬里脊肉塊過程示意圖。豬里脊肉顯微鏡下的切片如圖6～8所示。

3）實驗結論

從上述實驗結果的切片染色圖中可以看出，圖6圖中鮮肉中的纖維結構完整，排列規(guī)律；經過-18 ℃冷凍后，纖維之間出現(xiàn)空隙，表明冷凍過程中存在組織失水情況，并隨著冷凍時間的增加，纖維的空隙也會隨之變大，即失水變得嚴重如圖7所示；圖8是外加交變電場下豬里脊肉的組織失水情況，在各個時間段均好于無電場條件下的情況。隨冷凍時間的增加，肉類食品的失水會變嚴重；交變電場對肉類凍結過程中的失水情況具有一定的抑制作用；且在同一時間段的抑制作用均好于無電場條件，在 50 kHz 頻率的交變電場條件下對組織失水的抑制作用最為明顯，在此頻率作用下的電場保鮮效果提升更好。

4 結論

實驗結果表明，在家用電冰箱冷凍過程中施加的交變電場較無電場條件下的，肌細胞之間的間隙明顯更小，即冰晶的生長面積較小，汁液損失較小。這說明一定的電場條件可以正向作用于肉類的冷凍保存，有助于其保持肉組織和肌細胞的完整性，有效減少。

微生物作用和酶的催化作用會引起肉類食品腐爛變質的主要原因，這兩種作用的強弱直接與溫度相關，溫度越低，微生物和酶的活性越弱。而肉類食品的冷凍保存質量（嫩度、汁液流失、色澤等）與冷凍過程中的冰晶損傷有關。在宏觀觀察下，驗證了電場對豬肉在冷凍過程中具有明顯提升保鮮的效果。

保鮮是冰箱亙古不變的話題，通過新技術提升冰箱保鮮水平，進而提升產品檔次和溢價能力，既是創(chuàng)新點，又是企業(yè)競爭的焦點。電場保鮮在肉類食品方面的應用是一項較為新穎的綠色方法，能耗低、操作簡便且安全，在提升冰箱保鮮性能方面具有較廣闊的應用前景。后續(xù)將繼續(xù)研究對肉類食品材料凍結過程中出現(xiàn)相變潛熱的溫度范圍等其他理化指標進行驗證。