冰箱環(huán)境下高壓靜電場(chǎng)對(duì)于肉類冷凍效果的影響

江峰 任猛 胡海梅

摘 要：冰箱中肉類冷凍效果主要受到存儲(chǔ)溫度的影響，現(xiàn)有冰箱冷凍存儲(chǔ)溫度（-18～-24 ℃）難以實(shí)現(xiàn)理想的存儲(chǔ)效果。為解決此問題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了冰箱冷凍溫度下不同電場(chǎng)處理（0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1）對(duì)純水降溫曲線的影響，并通過(guò)食材驗(yàn)證冷凍保鮮效果。結(jié)果表明，高壓靜電場(chǎng)處理后，水的過(guò)冷度以及凍結(jié)速度明顯改變，且電場(chǎng)處理后的食材，汁液流失率更低。

關(guān)鍵詞：高壓靜電場(chǎng)；凍結(jié)速度；過(guò)冷度；冰箱

Effect of High Voltage Electrostatic Field on the Freezing Effect of Meat in Refrigerator Environment

JIANG Feng， REN Meng， HU Haimei

（Changhong Meiling Co.， Ltd.， Hefei 230001， China）

Abstract： The freezing effect of meat in refrigerators is mainly influenced by the storage temperature， and the existing refrigerator freezing storage temperature （-18～-24 ℃） is difficult to achieve the ideal storage effect. To solve this problem， the effects of different electric field treatments （0 kV·cm-1， 3 kV·cm-1， 6 kV·cm-1， 9 kV·cm-1） on the cooling curve of pure water at refrigerator freezing temperature were analyzed experimentally， and the freezing and preservation effects were verified by food ingredients. The results showed that the supercooling degree of water as well as the freezing rate were significantly changed after the high-voltage electrostatic field treatment， and the juice loss rate was lower for the food ingredients treated with the electric field.

Keyword： high voltage electrostatic field; freezing speed; supercooling degree; refrigerator

肉類在冷凍過(guò)程中受冰晶形態(tài)和數(shù)量影響，品質(zhì)會(huì)有所下降。水達(dá)到一定凍結(jié)條件會(huì)產(chǎn)生冰晶，不同條件下，冰晶形態(tài)存在差異，導(dǎo)致細(xì)胞或組織受損程度不同。例如，在緩慢冷凍條件下，肉類細(xì)胞外水分先形成冰晶，細(xì)胞內(nèi)外壓差導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的水分不斷向胞外轉(zhuǎn)移[1]，水分加入晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致冰晶不斷生長(zhǎng)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到擠壓或刺破，導(dǎo)致解凍后細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失，肉的品質(zhì)下降[2]?？焖倮鋬鰲l件下，細(xì)胞內(nèi)外自由水可同步產(chǎn)生冰晶[3]，水快速穿過(guò)最大冰晶生成帶，此時(shí)冰晶尺寸更為圓潤(rùn)，冰晶數(shù)量相對(duì)更多，冰晶對(duì)于細(xì)胞傷害更小，更有利于保持肉的品質(zhì)。肉在凍結(jié)過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷二次降溫以及平臺(tái)期，其中第一次降溫是溫度達(dá)到冰點(diǎn)并持續(xù)降低到過(guò)冷點(diǎn)后升溫到凍結(jié)溫度的過(guò)程。該過(guò)程中，水分達(dá)到冰點(diǎn)，但缺乏成核條件，導(dǎo)致水分保持液態(tài)不凍結(jié)，溫度繼續(xù)降低到過(guò)冷點(diǎn)時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)，溫度繼續(xù)降低液態(tài)水會(huì)釋放大量潛熱形成冰晶，同時(shí)肉的溫度會(huì)上升到冰點(diǎn)溫度，此時(shí)達(dá)到平臺(tái)期。平臺(tái)期肉的溫度基本維持在冰點(diǎn)溫度，此時(shí)肉中的水分不斷形成冰晶，也是冰晶不斷生長(zhǎng)的過(guò)程。當(dāng)冰晶不再生長(zhǎng)時(shí)，肉的溫度繼續(xù)下降到環(huán)境溫度。其中，主要是冰晶形成和生長(zhǎng)階段影響肉的品質(zhì)。

目前冰箱中食材冷凍主要通過(guò)速凍方式實(shí)現(xiàn)凍結(jié)速率的提升，保證水分快速通過(guò)最大冰晶生成帶，實(shí)現(xiàn)肉品質(zhì)保證。然而冰箱速凍溫度相對(duì)較高，冰晶形成數(shù)量較少，尺寸較大，無(wú)法滿足胞內(nèi)冰晶大量形成的條件。高壓靜電場(chǎng)能夠改變水的凍結(jié)速率和凍結(jié)效果[4]，在高壓靜電場(chǎng)條件下，水分子自由移動(dòng)受到束縛，電場(chǎng)促進(jìn)水分子定向排列[5]，結(jié)合形成一定大小的分子簇（晶核形成條件），加速水的降溫過(guò)程，在相對(duì)較高的溫度下實(shí)現(xiàn)水由液態(tài)轉(zhuǎn)向固態(tài)。本文以冰箱為載體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究高壓靜電場(chǎng)對(duì)水、肉冷凍過(guò)程的影響，確定高壓靜電場(chǎng)冷凍保鮮適宜作用條件，為后期冰箱冷凍保鮮能力的提升提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

純水、新鮮豬里脊肉。

冷藏冷凍箱（BCD-520WUP9B）、電子天平（ME104，梅特勒-托利多儀器有限公司）、電場(chǎng)模塊（包括升壓裝置、電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)裝置、電場(chǎng)釋放裝置等）、溫度檢測(cè)設(shè)備等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）電場(chǎng)強(qiáng)度。高壓靜電場(chǎng)有效作用強(qiáng)度高，然而受限于目前材料介電性能，放電板在高壓下（大于kV·cm-1級(jí)別）極易被擊穿。因此結(jié)合前期的調(diào)研結(jié)果，實(shí)驗(yàn)研究將電場(chǎng)強(qiáng)度控制在1～9 kV·cm-1，電場(chǎng)強(qiáng)度按照0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1共4個(gè)水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)置2組平行樣品。

（2）實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)在冰箱冷凍室進(jìn)行，環(huán)境溫度為25 ℃，冰箱冷凍溫度為-32 ℃，冷藏溫度為4 ℃，為避免化霜溫度沖擊影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)在化霜結(jié)束后進(jìn)行。同時(shí)為避免穩(wěn)態(tài)下溫度波動(dòng)較大影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)調(diào)整冰箱開停機(jī)參數(shù)控制冰箱溫度波動(dòng)在±1 ℃范圍內(nèi)。

（3）測(cè)試指標(biāo)。①降溫曲線。檢測(cè)繪制純水從初始狀態(tài)降低到完全凍結(jié)過(guò)程的曲線（考慮到肉不同位置之間成分存在較大的差異，為避免誤差，選用純水作為測(cè)試對(duì)象）。②汁液流失率。測(cè)量樣品初始重量m1以及解凍后重量m2（去除血水），根據(jù)解凍前后的差值計(jì)算汁液損失率，汁液損失率=（m1-m2）/m1×100%。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

①冰箱冷凍溫度設(shè)置為-32 ℃（冷藏溫度設(shè)置為4℃），待運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)，將電場(chǎng)釋放裝置放置于冰箱冷凍室，放電板保持平行放置（放電板之間形成勻強(qiáng)電場(chǎng)）；②將新鮮的豬里脊去除表面筋膜，按照相似外觀尺寸和重量進(jìn)行分割處理，擦拭掉分割后鮮肉表面血水，稱重并拍照記錄外觀；③將純水（外觀無(wú)明顯差異）、豬里脊樣品放置在放電板之間，純水中心處提前插入熱電偶，用于監(jiān)測(cè)純水的溫度變化；④待豬里脊肉樣品完全凍結(jié)后，取出樣品，將樣品放置在冰箱冷藏環(huán)境下（冷藏?zé)o電場(chǎng)及其他附加技術(shù)）進(jìn)行解凍處理，待完全解凍后計(jì)算汁液流失率。注意事項(xiàng)：為避免肉的風(fēng)干影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解凍過(guò)程應(yīng)放置在密封袋內(nèi)進(jìn)行；為規(guī)避安全隱患，實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)穿戴耐高壓絕緣手套及其他相關(guān)設(shè)備。

2 結(jié)果與分析

2.1 電場(chǎng)對(duì)純水降溫曲線的影響

水的降溫曲線直接體現(xiàn)水的降溫過(guò)程，可從降溫曲線中觀測(cè)出水凍結(jié)過(guò)程的相關(guān)參數(shù)（冰點(diǎn)溫度、過(guò)冷點(diǎn)、凍結(jié)速率等）[6]。其中過(guò)冷點(diǎn)、凍結(jié)速率是影響冰晶形態(tài)和數(shù)量的重要參數(shù)，可根據(jù)過(guò)冷點(diǎn)和凍結(jié)速率推測(cè)出冰晶狀態(tài)[7]。水是食品凍結(jié)過(guò)程品質(zhì)的主要影響因素，因此可以根據(jù)水的降溫曲線間接推測(cè)出食品凍結(jié)過(guò)程變化，包括冰晶數(shù)量和形態(tài)、細(xì)胞組織狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)不同電場(chǎng)強(qiáng)度條件下純水的溫度變化，繪制純水溫度變化曲線，如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，純水在不同靜電場(chǎng)強(qiáng)度下降溫曲線存在差異，其中電場(chǎng)條件下水的降溫速度差異不明顯，對(duì)比無(wú)電場(chǎng)條件，電場(chǎng)處理后降溫速度（冰晶形成之前）相對(duì)更快，而不同電場(chǎng)處理的樣品凍結(jié)速度無(wú)明顯差異（以達(dá)到冰點(diǎn)溫度為例，9 kV·cm-1電場(chǎng)對(duì)比3 kV·cm-1，降溫速度僅快2%左右，對(duì)比空白對(duì)照組，降溫速度高出近10%）。電場(chǎng)對(duì)于過(guò)冷度影響明顯，電場(chǎng)強(qiáng)度與過(guò)冷度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，在電場(chǎng)強(qiáng)度為9 kV·cm-1條件下，過(guò)冷度達(dá)到最小，接近5 ℃；在電場(chǎng)強(qiáng)度為3 kV·cm-1條件下時(shí)，過(guò)冷度為11.7 ℃；無(wú)電場(chǎng)條件下，過(guò)冷度最大，達(dá)到15 ℃。同時(shí)，不同處理?xiàng)l件下的樣品平臺(tái)期也存在明顯差異，0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1條件下純水平臺(tái)期分別為1.7 min、2.0 min、2.6 min、

3.1 min，說(shuō)明電場(chǎng)處理增加了肉的平臺(tái)期時(shí)間。但結(jié)合第一次降溫過(guò)程時(shí)間分析可知，電場(chǎng)處理后肉的凍結(jié)時(shí)間（常溫到平臺(tái)期結(jié)束時(shí)間）縮短。純水完全凍結(jié)后（第二次降溫過(guò)程），電場(chǎng)強(qiáng)度與凍結(jié)速率未發(fā)現(xiàn)明顯差異。

2.2 電場(chǎng)對(duì)豬里脊肉汁液流失率的影響

食品凍結(jié)-解凍后的品質(zhì)主要受冰晶數(shù)量和形態(tài)影響（排除電場(chǎng)對(duì)于干耗可能存在的影響），電場(chǎng)處理效果直觀體現(xiàn)在汁液流失率指標(biāo)上[8]，通過(guò)測(cè)試汁液流失率可間接推斷冰晶形態(tài)和數(shù)量，可作為判斷食品的營(yíng)養(yǎng)流失和品質(zhì)變化的依據(jù)[9]。實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)試豬里脊肉不同電場(chǎng)處理下凍結(jié)-解凍后汁液流失率，驗(yàn)證電場(chǎng)對(duì)純水凍結(jié)過(guò)程的影響，并作為分析電場(chǎng)對(duì)食品凍結(jié)過(guò)程影響的依據(jù)，測(cè)試結(jié)果見表1。

不同電場(chǎng)處理組的豬里脊肉樣品外觀存在差異，但不明顯。有、無(wú)電場(chǎng)處理樣品外觀差異較明顯，無(wú)電場(chǎng)條件下樣品色澤更為暗淡，且肉質(zhì)更為松散，回彈性較差；電場(chǎng)組樣品色澤鮮亮，肉質(zhì)回彈性較好。汁液流失率的測(cè)試數(shù)據(jù)也反映出，9 kV·cm-1、6 kV·cm-1電場(chǎng)處理?xiàng)l件下的樣品汁液流失率更低，但整體差異不大；電場(chǎng)組與無(wú)電場(chǎng)樣品汁液流失差異較大，無(wú)電場(chǎng)汁液流失率達(dá)到5.14%，較9 kV·cm-1、6 kV·cm-1、3 kV·cm-1電場(chǎng)處理組樣品分別高出近87%、83%、56%。

3 結(jié)論與討論

高壓靜電場(chǎng)處理能夠改變水分降溫速率和過(guò)冷度（提升降溫速率、降低過(guò)冷度），進(jìn)而影響食品的凍結(jié)狀態(tài)，且當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到9 kV·cm-1（電場(chǎng)在1～

9 kV·cm-1），效果最為明顯。高壓靜電場(chǎng)通過(guò)釋放定向電場(chǎng)使水分子偶極矩定向排列，減少分子的自由運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)），促進(jìn)水分子快速成簇，達(dá)到晶核形成條件[10]。同時(shí)在較低的存儲(chǔ)溫度下，促使自由水不斷加入冰晶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)較高的降溫速率，更快地穿過(guò)最大冰晶生成帶。然而有研究指出，較低的過(guò)冷度不易形成數(shù)量更多且尺寸更小的冰晶[11]，可能的原因是高壓靜電場(chǎng)促進(jìn)水分子定向移動(dòng)結(jié)合成簇，在更低相變潛熱釋放的條件下，電場(chǎng)提供的能量相對(duì)更大，更容易形成更多更圓潤(rùn)的冰晶[12]。

目前高壓靜電場(chǎng)技術(shù)對(duì)于冷藏、冷凍保鮮效果影響的研究已取得一定的成果，但尚未形成完整成熟的理論，且作用機(jī)理仍存在一定爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。同時(shí)技術(shù)上存在著較大的難題，包括：①現(xiàn)有材料的介電性能難以承受高壓靜電場(chǎng)，導(dǎo)致放電板模組開發(fā)應(yīng)用難度大；②冰箱的存儲(chǔ)溫度相對(duì)較高，現(xiàn)有冰箱冷凍食材降溫速度在1～2 ℃·min-1，此條件難以實(shí)現(xiàn)食材快速降溫，導(dǎo)致過(guò)冷現(xiàn)象難以發(fā)生；③冰箱中相對(duì)濕度較高，高壓靜電場(chǎng)的應(yīng)用存在較大安全隱患。機(jī)理上的不明確以及技術(shù)上的難題均限制了高壓靜電技術(shù)在冰箱產(chǎn)品中的應(yīng)用與推廣，技術(shù)應(yīng)用和推廣任重而道遠(yuǎn)。

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