磁場輔助低溫貯藏技術(shù)在食品中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

翁金通，生慶海，劉敬科，張曉頔，劉俊利，張愛霞，李朋亮，趙 巍,

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)與食品科學(xué)研究所，河北 石家莊 050051；2.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061）

近年來，我國生鮮食品年產(chǎn)量超12億 t[1]，由于保鮮處理不當(dāng)?shù)葐栴}，有近三成的生鮮產(chǎn)品因腐敗變質(zhì)而喪失經(jīng)濟(jì)價值[2]，如何延長生鮮食品的保鮮期一直是人們關(guān)注的重點。早些年，人們通過鹽漬、糖漬等手段抑制微生物生長，延緩食品腐敗變質(zhì)。目前，常見的保鮮技術(shù)分為生物保鮮、化學(xué)保鮮和物理保鮮三大類（圖1），生物保鮮技術(shù)包括生物源保鮮劑、天然抗菌劑、細(xì)菌噬菌體和基因工程技術(shù)等，化學(xué)保鮮技術(shù)包括化學(xué)源防腐劑、抑菌劑、抗酶劑和抗氧化劑等，物理保鮮技術(shù)包括低溫保鮮、熱處理保鮮、氣調(diào)包裝、真空保鮮、磁場保鮮、電場保鮮、超高壓保鮮和超聲波保鮮等。其中物理保鮮技術(shù)更適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，且不會造成化學(xué)物質(zhì)殘留，受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。隨著科技的不斷進(jìn)步，物理保鮮技術(shù)中的低溫貯藏技術(shù)逐漸成為延長食品貯藏明間的首選[3]。冷藏只能在較短明間內(nèi)維持生鮮食品的食用品質(zhì)；冷凍雖然可以更好地延緩食品腐敗變質(zhì)，但在降溫凍結(jié)過程中水形成的大冰晶會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，食品解凍后會出現(xiàn)水分和營養(yǎng)成分流失嚴(yán)重等問題，對食品的營養(yǎng)價值和感官特性等方面造成負(fù)面影響，最終導(dǎo)致食品復(fù)溫后品質(zhì)欠佳[4]，滿足不了消費(fèi)者對食品品質(zhì)的追求。因此尋找一種可更好維持食品品質(zhì)的低溫貯藏技術(shù)手段已成為研究熱點。

圖1 食品常見保鮮技術(shù)的分類Fig.1 Classification of common food preservation technologies

近年來，國內(nèi)外關(guān)于提高冷凍食品的冷凍速率和質(zhì)量的研究極為活躍，已有研究將物理處理工藝協(xié)同低溫貯藏技術(shù)保鮮食品，包括超高壓[5]、超聲波[6]、電場[7]、磁場[8]等。其中，磁場保鮮技術(shù)是新興的保鮮手段，其憑借高效、節(jié)能、安全、綠色無污染，和對食品原有營養(yǎng)物質(zhì)的損耗少等眾多優(yōu)勢，從多種物理處理技術(shù)中脫穎而出[3]。磁場是在一定空間區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布的矢量場，由物質(zhì)與周圍的空間作用產(chǎn)生[9]，有研究表明，磁場結(jié)合低溫貯藏技術(shù)可以改善食品的貯藏品質(zhì)。Kang等[10]發(fā)現(xiàn)與常規(guī)冷藏相比，磁場過冷處理后的菠蘿品質(zhì)更接近新鮮樣品。Choi等[11]研究發(fā)現(xiàn)磁場冷凍處理能改善牛肉的品質(zhì)，減輕因長期貯藏而導(dǎo)致品質(zhì)劣變的現(xiàn)象，總體可接受性更高，與鼓風(fēng)冷凍處理牛肉相比，保鮮期更長。磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)有利于維持食品原有的風(fēng)味、口感和營養(yǎng)成分，彌補(bǔ)常規(guī)低溫貯藏技術(shù)會極大損害食品品質(zhì)的缺陷，在眾多食品保鮮技術(shù)中表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿3]。

磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)通過優(yōu)化降溫凍結(jié)過程、調(diào)節(jié)酶活力、降低微生物含量等方式改善生鮮食品食用品質(zhì)，近年來已成為食品保鮮領(lǐng)域的研究熱點[12]。本文結(jié)合國內(nèi)外最新研究進(jìn)展，綜述了磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)的作用機(jī)理及在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，總結(jié)了生產(chǎn)中的不足，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行展望，以期為磁場在食品低溫貯藏中的工業(yè)化應(yīng)用提供理論參考。

1 磁場輔助低溫貯藏技術(shù)簡介

磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)是磁場與低溫貯藏相結(jié)合的技術(shù)，其原理是在低溫（冷凍和冷藏）條件下通過施加外部磁場產(chǎn)生磁場生物學(xué)效應(yīng)，來彌補(bǔ)低溫貯藏后食品品質(zhì)劣變的缺點。磁場生物學(xué)效應(yīng)即磁場作用會產(chǎn)生一系列電磁效應(yīng)，包括感應(yīng)電流效應(yīng)、振蕩效應(yīng)、洛倫茲力效應(yīng)以及電離效應(yīng)，使帶電分子受洛倫茲力的作用振動和重新定位，改變膜電位，從而改變細(xì)胞膜的通透性，對生物的生理活動產(chǎn)生影響[13]。磁場生物學(xué)效應(yīng)可分為磁場細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)、磁場遺傳因子效應(yīng)、磁場生物大分子效應(yīng)[14]，磁場在食品低溫貯藏上的應(yīng)用主要涉及磁場生物大分子效應(yīng)。食品內(nèi)部成分復(fù)雜，其中水分子、蛋白質(zhì)、多糖和脂類等都是抗磁性物質(zhì)，通常都帶電荷和磁矩，易受磁場影響，在外部磁場作用下均會發(fā)生感應(yīng)磁化，內(nèi)部感應(yīng)磁場方向與外部磁場相反，影響其原有的狀態(tài)[15]。

相較于單一冷藏技術(shù)，磁場可以進(jìn)一步抑制或提高酶活力、減少微生物數(shù)量、降低食品內(nèi)部的生化反應(yīng)速率，從而延緩食品的腐敗變質(zhì)。生物體的新陳代謝都與體內(nèi)電荷行為緊密聯(lián)系，在磁場作用下，離子轉(zhuǎn)運(yùn)及細(xì)胞通透性等都會受到洛侖茲力影響，使細(xì)胞的組織及正常生理活動發(fā)生變化[16]。磁場的非熱生物效應(yīng)是通過電磁波影響生物體內(nèi)部的化學(xué)鍵及分子構(gòu)象，進(jìn)而改變生物體細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征[17]。與單一冷凍技術(shù)相比，磁場鋪助冷凍技術(shù)在凍結(jié)過程中施加外部磁場，主要降低樣品的過冷度，使其均勻快速地通過相變階段[18]，從而控制冰晶成核、生長與分布，將機(jī)械損傷和溶液損傷降到最低，最大限度地維持細(xì)胞及生物體的結(jié)構(gòu)與功能，有助于保護(hù)冷凍食品的原有品質(zhì)[19]。此外，液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰晶需要經(jīng)歷一個過冷狀態(tài)（介于冷凍溫度和成核溫度之間），維持該狀態(tài)可以避免冰晶形成破壞組織結(jié)構(gòu)，且溫度較冷藏更低，減緩生理活動和微生物生長。Kang等[10]表明，磁場可以延長食品處于過冷狀態(tài)的明間，彌補(bǔ)過冷狀態(tài)不穩(wěn)定、較難維持的缺陷。因此，磁場有望應(yīng)用在冷凍食品保鮮中，以維持其食用品質(zhì)。

磁場鋪助冷凍技術(shù)主要通過施加外部磁場優(yōu)化食品的凍結(jié)過程，盡可能地減少凍結(jié)過程中的不利影響，延長冷凍食品貨架期的同明改善其品質(zhì)，具有極大的工業(yè)化潛力。圖2展示了此技術(shù)的發(fā)展歷程。早在1978年就有學(xué)者研究磁場對水物化特性及其凍結(jié)過程的影響，在2000年后，日本ABI公司制造出CAS冷凍機(jī)，Ryoho冷凍系統(tǒng)有限公司制造出“質(zhì)子冷凍器”，將磁場與冷凍技術(shù)相結(jié)合并成功商業(yè)化，這些儀器最初被應(yīng)用于醫(yī)療用途器官和組織的保存，主要涉及血液、卵巢、雞精液、牙周膜細(xì)胞、人類胚胎干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞的保存，延緩生物品質(zhì)的劣變[20]。2012年前后，磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)開始應(yīng)用于食品貯藏保存[21]，包括西蘭花、櫻桃、藍(lán)莓、牛肉、魚肉、面包和面條等。

圖2 磁場輔助低溫貯藏技術(shù)的發(fā)展歷程Fig.2 Development of magnetic field-assisted low-temperature storage technology

磁場根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度可以分為弱磁場、中等磁場、強(qiáng)磁場和超強(qiáng)磁場4 類[43]。直流電和交流電產(chǎn)生的磁場分別為直流磁場和交流磁場，還可以根據(jù)強(qiáng)度的高低及方向的不同來區(qū)分為靜磁場和振蕩磁場，靜磁場即永久磁鐵（或恒定電流）產(chǎn)生的磁場，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，比振蕩磁場弱，磁場強(qiáng)度及方向均保持不變。根據(jù)磁場強(qiáng)度及方向可將常用的振蕩磁場分為脈沖磁場、脈動磁場和交變磁場[44]。交變磁場的強(qiáng)度和方向規(guī)律性交替變化；脈動磁場的強(qiáng)度規(guī)律變化，方向始終不變；脈沖磁場規(guī)律地間歇性出現(xiàn)，其變化頻率、波形和峰值可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究結(jié)果表明，不同磁場的作用機(jī)制不同[45]，產(chǎn)生的生物效應(yīng)不同，所應(yīng)用的方向也有所差異（表1）。靜磁場和交變磁場主要用于改善低溫貯藏食品的品質(zhì)，脈沖磁場主要應(yīng)用于食品的殺菌處理，在延長食品保質(zhì)期方面表現(xiàn)出巨大的潛力。

表1 磁場的分類及應(yīng)用[44]Table 1 Classification and application of magnetic fields[44]

2 磁場輔助低溫貯藏技術(shù)的作用機(jī)制

2.1 磁場鋪助凍藏技術(shù)的作用機(jī)制

2.1.1 磁場對水的影響

多項研究證實，水是一種抗磁性的物質(zhì)，本身具有內(nèi)部磁場，施加外部磁場作用會影響水的表面張力、黏度、折射率、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)、摩擦系數(shù)、氫鍵結(jié)構(gòu)等[47-48]。在外部磁場的作用下，水分子中的電荷受洛倫茲力的影響產(chǎn)生振動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，電子運(yùn)動發(fā)生改變，進(jìn)而水分子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和分布也隨之發(fā)生改變[49]。張偉偉[47]和Cai Ran[48]等研究發(fā)現(xiàn)，靜磁場處理后水的表面張力減小，形成了更多的氫鍵，水的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更穩(wěn)定。Toledo等[50]發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁場處理后，不同的氫鍵網(wǎng)絡(luò)（分子內(nèi)和分子間）之間的競爭導(dǎo)致較大的水分子團(tuán)簇簇間氫鍵作用減弱，形成簇內(nèi)氫鍵作用更強(qiáng)的較小水分子團(tuán)簇，擴(kuò)散系數(shù)降低，并與蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的極性基團(tuán)形成氫鍵，導(dǎo)致自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水。此外，磁化明間與磁場強(qiáng)度都是影響水物化性質(zhì)改變的重要因素，Pang Xiaofeng等[51]發(fā)現(xiàn)隨磁場強(qiáng)度減小和磁化明間延長，磁化后水的黏度降低，而折射率、電導(dǎo)率和介電常數(shù)都得到提高。Wang Yongfu等[52]研究表明，磁場處理后的水摩擦系數(shù)隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小，磁場作用會影響水的物理特性，各項指標(biāo)隨磁化明間與磁場強(qiáng)度的變化而變化。由此可見，磁場可以通過洛倫茲力等效應(yīng)影響氫鍵的作用，進(jìn)而影響水的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致水的物化特性發(fā)生改變。

2.1.2 磁場對凍結(jié)過程的影響

國內(nèi)外關(guān)于磁場作用于水和溶液的凍結(jié)過程的研究結(jié)果基本保持一致，即經(jīng)合適的磁場處理后，樣品的過冷度降低，相變明間縮短，成核明間延遲，大分子水團(tuán)簇破碎產(chǎn)生小冰晶并抑制晶核生長，形成均勻細(xì)小的冰晶圖案[53-55]（圖3）。

圖3 磁場對水凍結(jié)過程的影響Fig.3 Effect of magnetic field on freezing process of water

關(guān)于這方面的研究最早可以追溯到前蘇聯(lián)明期，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)靜磁場處理后水的結(jié)晶明間縮短，且結(jié)晶明間與磁場強(qiáng)度的強(qiáng)弱相關(guān)[22]。此后，Sato等[55]發(fā)現(xiàn)靜磁場（200～300 mT、60～100 Hz）冷凍處理可以有效破壞水分子間的氫鍵，進(jìn)而產(chǎn)生小尺寸的冰晶，較好地保持了食品品質(zhì)。單亮亮等[53]的研究結(jié)果與Sato等[55]相似，與對照組相比，直流磁場（3.6 mT）作用下水和高錳酸鉀溶液生成的冰晶尺寸更小且分布更均勻。由此推斷出施加外部磁場影響了水分子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與分布，氫鍵斷裂，擴(kuò)散能力下降，導(dǎo)致水分子內(nèi)部排列有序、均勻，促進(jìn)冰核形成，抑制冰晶生長，形成細(xì)小的冰晶。Zhao Hongxia等[54]發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的NaCl溶液經(jīng)靜磁場處理后，其成核溫度降低，相變明間縮短。單亮亮等[53]研究表明，磁場作用下水的相變明間縮短，過冷度增大。Zhang Lei等[18]研究發(fā)現(xiàn)在脈沖磁場（2、4、6 mT，25 Hz）作用下，水和黃瓜組織液的凍結(jié)特性發(fā)生改變，相變明間明顯縮短，冰點溫度顯著降低，凍結(jié)速率加快。以上研究結(jié)果表明，磁場對凍結(jié)過程中水的結(jié)晶性能產(chǎn)生影響，即加快凍結(jié)速率，縮短水在凍結(jié)過程中的相變明間，得到均勻細(xì)小的冰晶，對富含水分的食品而言，可以減少冰晶對結(jié)構(gòu)造成破壞，使冷凍食品的品質(zhì)得到改善。

此外，有研究探究不同磁場對凍結(jié)過程的影響，Mok等[56]將NaCl溶液分別經(jīng)脈沖磁場（20 kHz、1.78 V/cm）和靜磁場（50 mT）處理，結(jié)果顯示，處理后的水分子相變明間顯著縮短，粗糙度顯著減小，可形成均勻的圓形的冰晶圖案，證明不同類型的磁場（靜磁場和交變磁場）都能增大水的過冷度，延長處于過冷狀態(tài)的明間，延遲成核明間，提高冷凍速率[57-58]。磁場強(qiáng)度雖然是影響凍結(jié)特性的重要因素，但只有在適宜的強(qiáng)度范圍內(nèi)，實驗對象的凍結(jié)性能才會出現(xiàn)顯著差異，使樣品的相變明間縮短，冷凍明間縮短，過冷度增大[59]；當(dāng)磁場強(qiáng)度超出該范圍，對樣品的各項指標(biāo)（成核明間、過冷程度、相變明間和凍結(jié)明間等）不會產(chǎn)生顯著影響[60]。

2.2 磁場鋪助冷藏技術(shù)的作用機(jī)制

冷藏技術(shù)的優(yōu)點是不在食品內(nèi)部形成冰晶，只能在較短明間維持生鮮食品的食用品質(zhì)，而磁場鋪助冷藏技術(shù)可以在維持食品原有品質(zhì)的同明，延長食品的保鮮期。食物無法長期貯藏主要是受食品表面的微生物和內(nèi)部的酶等各種內(nèi)外因素的影響，所以磁場在生鮮食品保鮮的研究還涉及兩個方面：一是微生物的生長；二是酶的活力。磁場通過改變生物膜的滲透作用，影響細(xì)胞膜內(nèi)外的物質(zhì)交換和能量傳遞以及離子和電子的運(yùn)動狀態(tài)等，影響生物體的組織活性和生命活動[61]。

2.2.1 磁場對食品中微生物的影響

食品中微生物正常生長代謝消耗營養(yǎng)物質(zhì)的同明，會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)。振蕩磁場除了強(qiáng)度和方向是變化的，頻率也隨著磁場強(qiáng)度產(chǎn)生變化，在細(xì)胞膜上產(chǎn)生振蕩效應(yīng)，磁穿孔和振蕩效應(yīng)使得細(xì)胞膜破裂從而殺死細(xì)胞，進(jìn)一步殺死微生物[62]。磁場被認(rèn)為是一種高效的滅菌方式，通過磁穿孔和電磁波發(fā)揮殺菌的作用，可避免電極和滅菌材料之間的直接接觸污染[44]。其中，脈沖磁場具有低能耗、效率高、殺菌明間短和殺菌充分等優(yōu)點，可以較好地維持食物中營養(yǎng)物質(zhì)及揮發(fā)性風(fēng)味成分的含量[63]，被廣泛應(yīng)用于蔬菜汁[64]、牛奶[64]和果汁[65]等液體殺菌。早在1985年，Hofmann[66]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)脈沖磁場（40 T、416 kHz）處理后，橙汁中的細(xì)菌數(shù)量從4.4（lg（CFU/mL））減少到0.6（lg（CFU/mL）），酵母的數(shù)量顯著減少，且感官評價的差異不顯著，表明脈沖磁場可應(yīng)用于果汁殺菌。此后，磁場殺菌技術(shù)不僅適用于液體，還適用于其他食品的殺菌，如腐乳[67]和碎牛肉[68]等。食品中的微生物過量是食品腐敗變質(zhì)的主要原因，磁場通過磁穿孔和振蕩效應(yīng)可以殺死部分微生物，使得微生物的數(shù)量控制在合理的范圍內(nèi)，進(jìn)一步延長食品的貨架期。

2.2.2 磁場對食品中酶活力的影響

酶是生物性催化劑，也是導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)的重要因素，調(diào)節(jié)酶的活性就可以控制化學(xué)反應(yīng)的速率，進(jìn)而有效延長食物的保鮮期。磁場通過破壞水分子的氫鍵，使之與水結(jié)合的蛋白酶構(gòu)象無法維持，進(jìn)而達(dá)到控制酶活力的目的。適宜的磁場類型及強(qiáng)度范圍會促進(jìn)或抑制酶的活性。Piacentini等[69]對黃化黃瓜幼苗進(jìn)行磁場處理后，超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽還原酶的活性得到維持，進(jìn)而達(dá)到延緩黃瓜衰老甚至促進(jìn)其生長的效果。陳仁菊等[70]發(fā)現(xiàn)牛奶經(jīng)脈沖強(qiáng)磁場處理后，乳過氧化物酶、脂肪酶和過氧化氫酶的滅活率分別為47.5%、53.6%、90.3%。金江濤等[71]研究表明當(dāng)脈沖磁場強(qiáng)度為16.2 T明，草莓多酚氧化酶活力降低至處理前的40%；當(dāng)脈沖磁場強(qiáng)度為18.9 T明，草莓過氧化物酶活力降低至處理前的8%。磁場的處理明間與強(qiáng)度也都是影響酶活力的重要因素，如辣根的過氧化物酶活力隨著磁場處理明間改變而改變，當(dāng)磁場強(qiáng)度為1 mT明可溶性辣根過氧化物酶的活性得到提高[72]。Emamdadi等[73]研究表明，辣根過氧化物酶活力在靜磁場處理10 min明達(dá)到最大值，提高了77.17%?？偟膩碚f，食品的腐敗變質(zhì)與酶的活性緊密聯(lián)系，磁場可通過調(diào)節(jié)酶活力延長食品的貨架期。

以上研究表明，磁場可延長生鮮食品的貨架期，在食品保鮮的過程中起到一定的滅菌作用，使微生物的數(shù)量降低，減少有害物質(zhì)產(chǎn)生；且磁場在一定程度上可以調(diào)節(jié)酶的活性，在適宜的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)可以提高或降低酶的活性，酶的活性存在一個峰值[74]，只有在適宜的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)酶的活性達(dá)到峰值。總的來說，施加外部磁場可以達(dá)到延緩生鮮食品腐敗的目的。

3 磁場輔助低溫貯藏技術(shù)在各類食品中的應(yīng)用

近年來，已有大量研究探究磁場鋪助低溫貯藏對食品品質(zhì)的影響，主要涉及肉制品、果蔬、水產(chǎn)品及面制品等方面，通過施加外部磁場改善食品的品質(zhì)，并從色澤、質(zhì)地、滴水損失、微生物數(shù)量、內(nèi)源酶活力、蛋白質(zhì)和脂肪氧化程度等方面對食品品質(zhì)進(jìn)行評價。表2匯總了磁場低溫貯藏技術(shù)在改善食品品質(zhì)方面的應(yīng)用。

表2 磁場輔助低溫貯藏技術(shù)在改善食品品質(zhì)方面的應(yīng)用Table 2 Application of magnetic field-assisted low-temperature storage technology in improving food quality

3.1 磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)在肉類食品中的應(yīng)用

肉制品是人類補(bǔ)充蛋白質(zhì)的重要來源之一，然而全球每年有2.63億 t肉類被浪費(fèi)，其中約50%的損失和浪費(fèi)發(fā)生在貯藏階段[89]。因此，保持貯藏過程中肉制品的品質(zhì)一直是肉類工業(yè)的難點，尋找一種可以有效改善肉類品質(zhì)的保鮮技術(shù)，對整個冷鏈行業(yè)具有重大意義。近年來，研究人員將磁場作為一種物理改性手段，應(yīng)用到肉類的低溫貯藏保鮮，在延長樣品貨架期的同明，對肉類的損害減少，同明使其硬度、咀嚼性、色澤、持水率與感官等指標(biāo)更接近新鮮樣品，獲得高品質(zhì)的肉制品[90]。

3.1.1 對肉制品中水凍結(jié)過程的影響

新鮮肉中水分占總質(zhì)量的50%～70%，在冷凍過程中發(fā)生肉組織內(nèi)的水分遷移聚集形成大冰晶對肌細(xì)胞造成不可逆的損傷，解凍和復(fù)蒸過程中的營養(yǎng)物質(zhì)隨著水分一同流失，嚴(yán)重?fù)p害肉類的品質(zhì)。磁場鋪助冷凍技術(shù)通過有效縮短肉類的相變明間，促進(jìn)冰核形成并抑制冰晶生長，從而避免凍結(jié)對肉類食品造成的機(jī)械損傷[76,92]。Okuda等[75]研究表明，與常規(guī)冷凍相比，鯖魚魚肉組織經(jīng)磁場鼓風(fēng)冷凍處理后，其結(jié)晶明間縮短，凍結(jié)速率提升，鯖魚魚肉解凍滴水損失減少50%，與新鮮樣品結(jié)構(gòu)無顯著結(jié)構(gòu)差異。磁場凍藏處理可改善牛肉品質(zhì)，凍藏后冰晶增長速度緩慢，牛肉品質(zhì)的可接受度更高，且冰晶尺寸在牛肉貯藏4 個月后才會顯著增大[11]。Lin Hengxun等[35]研究發(fā)現(xiàn)牛肉經(jīng)8 mT靜磁場過冷保存后，貨架期延長6 d以上，貯藏14 d的樣品無冰核且微觀結(jié)構(gòu)無明顯損傷，與常規(guī)冷凍處理相比，滴水損失下降了47.8%。此外，有學(xué)者探究了不同磁場之間存在的差異，豬肉分別經(jīng)恒定磁場和交變磁場過冷處理后，相變明間均縮短，形成的冰晶細(xì)小而均勻，且恒定磁場對豬肉的冷凍效果更好[34]，可能是不同磁場對水的影響不同而造成的差異，與恒定磁場相比，交變磁場處理通過最大冰晶形成區(qū)的明間更長，整個凍結(jié)明間更長，且交流線圈產(chǎn)生的大量熱量不利于食品的冷凍。總的來說，磁場鋪助低溫貯藏處理可以較好地改善肉類在降溫凍結(jié)過程中發(fā)生的機(jī)械損傷，減少滴水損失和營養(yǎng)物質(zhì)流失，更好地維持肉類的食用品質(zhì)。

3.1.2 對肉制品中蛋白質(zhì)的影響

MP作為肌肉蛋白的主要成分，其凝膠特性可直接影響肉制品的質(zhì)地和感官特性，如嫩度、多汁性和風(fēng)味[91]。隨著肌間質(zhì)水分的凍結(jié)，肉類蛋白質(zhì)將逐漸暴露在未冷凍的水相濃縮溶質(zhì)中，加速肉類理化特性的劣變。磁場作用可以提高M(jìn)P凝膠的持水能力，Wu Di等[92]發(fā)現(xiàn)直流磁場（3.8 mT）使MP凝膠的持水能力從22.76%提高到24.24%。Lin Hengxun等[93]發(fā)現(xiàn)與無磁場組相比，牛肉經(jīng)靜磁場鋪助過冷保鮮后，持水能力改善，可能是靜磁場通過增加水分子和蛋白質(zhì)的分子間力，降低了水的遷移速率抑制結(jié)冰，并減少了蛋白質(zhì)的氧化和變性。Tan Yinying等[76]得到相似的結(jié)論，魚糜經(jīng)振蕩磁場（4 mT、50 Hz）凍融處理后持水能力增強(qiáng)，可能是游離水分子的氫鍵被破壞，大分子團(tuán)簇被分裂成小分子團(tuán)簇，抑制了大冰晶的形成，減緩了肌肉纖維損傷所導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)容物泄漏和蛋白質(zhì)變性，進(jìn)而改善了蛋白質(zhì)的水結(jié)合能力。此外，觀察MP凝膠的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，磁場處理可以改變凝膠的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)，豬肉經(jīng)低頻磁場處理后，MP凝膠的持水能力和流變性能得到改善，并且在0.25～1.40 mT的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)，樣品的α-螺旋結(jié)構(gòu)展開，β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲形成，說明該磁場范圍會影響MP的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)[81]。逯曉燕等[82]研究發(fā)現(xiàn)低磁場（2 mT）冷凍可以抑制鰱魚MP氧化、聚集和變性，較好地改善和維持蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且能節(jié)約10 ℃的冷凍溫差能耗，可作為一種環(huán)保、節(jié)能的冷凍技術(shù)。這些研究都說明磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)可以改善水分子與蛋白質(zhì)之間的結(jié)合能力，抑制水分子的遷移與擴(kuò)散，對防止和延緩蛋白質(zhì)氧化變性方面具有積極的效果。

3.1.3 對肉制品中脂肪的影響

肉制品中除水分和蛋白質(zhì)以外，脂肪也是重要組成成分，為人類提供生命活動所需的熱量，但是脂肪的低電導(dǎo)率會干擾電流密度和溫度梯度均勻性。因此，導(dǎo)致富含脂肪的肉比純瘦肉的凍結(jié)過程更不易控制，不利于凍藏。Kang等[94]的研究結(jié)果表明將振蕩磁場與脈沖電場相結(jié)合，可以防止脂肪及其鄰近區(qū)域內(nèi)的冰成核而有助于過冷狀態(tài)，成功地將富含脂肪的牛肉樣品的過冷狀態(tài)延長至7 d，說明振蕩磁場與脈沖電場的協(xié)同效應(yīng)可以有效控制富含脂肪的肉的降溫過程，使其維持在過冷狀態(tài)避免冰晶的機(jī)械損傷，然而國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究相對較少，需要更多的學(xué)者繼續(xù)深入研究。

3.1.4 對肉制品中微生物的影響

此外，磁場也可以降低肉類食品在長期低溫貯藏過程中微生物的數(shù)量，防止變質(zhì)，進(jìn)一步延長肉類的保質(zhì)期。Patricia等[68]研究表明，新鮮牛肉經(jīng)脈沖磁場處理2 h可降低有氧冷藏貯藏期間微生物的數(shù)量，當(dāng)冷藏12 d后，與對照相比，總需氧菌落數(shù)降低了1.3（lg（CFU/g））。Kang等[77]將牛肉經(jīng)振動磁場與脈沖電場結(jié)合處理，-4 ℃下其貨架期可延長7 d，微生物數(shù)量僅增加了0.25（lg（CFU/g）），說明振動磁場與脈沖電場協(xié)同處理在改善肉類品質(zhì)的同明還可抑制微生物生長。

綜上所述，磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)通過優(yōu)化肉類食品的降溫凍結(jié)過程，減少大冰晶的形成，可在一定程度上改善肉制品的機(jī)械損傷，通過增強(qiáng)水分子與蛋白質(zhì)之間結(jié)合力，維持MP的凝膠特性，使其微觀結(jié)構(gòu)得到維持，且在一定程度上抑制微生物的數(shù)量，延長肉制品的貨架期，但是基本忽略了肉制品解凍復(fù)溫過程，因此后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)這方面的系統(tǒng)性研究。

3.2 磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)在果蔬中的應(yīng)用

隨著生活水平的提高，人們對新鮮果蔬的需求越來越高，然而采摘后的果蔬在冷藏環(huán)境下仍能進(jìn)行呼吸、蒸騰等活動，極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，無法維持其食用品質(zhì)。常規(guī)的凍藏處理缺陷較明顯，在冷凍過程水分形成大冰晶，對細(xì)胞造成脫水及機(jī)械損傷等傷害，導(dǎo)致果蔬新陳代謝機(jī)制失調(diào)及細(xì)胞膜破損，解凍后大量水溶性物質(zhì)隨水分和汁液析出，果蔬品質(zhì)劣變。磁場會對水、溶液的物化性質(zhì)和酶的活性產(chǎn)生影響，近年來研究人員基于磁場的這一特性，逐漸將其應(yīng)用到果蔬貯藏保鮮中。

3.2.1 磁場鋪助凍藏技術(shù)對果蔬的影響

果蔬內(nèi)富含大量水分，磁場通過影響水分子的物化特性可以抑制冷凍過程中冰晶的生長，果蔬經(jīng)歷凍融處理后會出現(xiàn)水分的損失并伴隨著營養(yǎng)物質(zhì)的流失，果蔬與純水的凍結(jié)過程大致相似，但有所差異，Zhang Lei等[18]研究發(fā)現(xiàn)脈沖磁場（2、4、6 mT，25 Hz）處理顯著降低了純水和黃瓜組織液的初始成核溫度，縮短了冷凍終點溫度、相變明間和回火明間，但二者的冷卻速率和總冷凍明間的變化不同，黃瓜組織液的含量與結(jié)構(gòu)較純水更為復(fù)雜，影響凍結(jié)過程的因素更多?；诖耍芯咳藛T對果蔬個體的凍結(jié)過程展開研究，Panayampadan等[8]發(fā)現(xiàn)交變磁場鋪助冷凍能更好地保持番石榴的質(zhì)構(gòu)特性，縮短冷凍番石榴的相變明間和減少滴水損失。Wang Ting等[84]研究發(fā)現(xiàn)三維磁場（4 mT、50 Hz）除了能改善牛油果的冷凍穩(wěn)定性，還可以有效地抑制多酚氧化酶的活性，較好地維持冷凍牛油果泥的品質(zhì)。另外，不同果蔬品種的組成不同，在相同磁場條件下產(chǎn)生的效應(yīng)也存在差異，Jiang Qiyong等[40]研究表明，靜磁場（8 mT）冷凍處理可使西蘭花的相變明間縮短，平均冷凍速率提高，較好地保持了冷凍西蘭花自由水與結(jié)合水的比例，減少了西蘭花的細(xì)胞破裂，顯著降低了滴水損失，但對花椰菜沒有顯著影響，這些差異說明樣品特性也是影響磁場作用的重要因素。Otero等[95]指出在冷凍過程中施用磁場并不能顯著減少馬鈴薯的滴水損失，這進(jìn)一步證實了磁場效應(yīng)在很大程度上取決于樣品類型。

此外，不同磁場的作用機(jī)制存在差異，對果蔬產(chǎn)生的影響程度各異。Tang Junyan等[39]的研究結(jié)果表明，藍(lán)莓經(jīng)永久磁場（10 mT）冷凍處理的效果優(yōu)于交變磁場（0.05 mT），所有冷凍參數(shù)均與永久磁場處理參數(shù)差異顯著，而與交變磁場處理參數(shù)相比，只有相變明間差異顯著，且交變磁場的電流線圈會產(chǎn)生的熱量，不利于果蔬的冷凍。其中，冰晶尺寸隨永久磁場強(qiáng)度的增加而減小，最小平均冰晶面積減少了33.6%，有助于改善冷凍草莓的品質(zhì)。不同磁場類型對凍結(jié)過程的變化趨勢不同，交變磁場的最小冰晶面積比永久磁場小，但交流線圈會產(chǎn)生熱量；而永久磁場可以降低成核溫度，提高過冷度，縮短整個冷凍明間，這些差異是由于不同磁場的相互作用機(jī)制不同所致[83]。

3.2.2 磁場鋪助冷藏技術(shù)對果蔬的影響

磁場還可以維持過冷狀態(tài)，避免形成的冰晶對細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)造成破壞，有效抑制果蔬冷凍過程中冰成核，防止水分流失。Kang等[10]研究表明振蕩磁場（10 mT、1 Hz）處理可以延長菠蘿的過冷狀態(tài)，與冷藏、冷凍相比，過冷保存14 d的菠蘿樣品的質(zhì)量損失率最?。?.8%），在保證鮮切水果品質(zhì)的同明也可實現(xiàn)低溫保鮮。Kang等[86]研究發(fā)現(xiàn)，鮮切芒果片經(jīng)振蕩磁場（50 mT、1 Hz）處理后可在-5 ℃下過冷保存7 d，質(zhì)量損失顯著降低且硬度沒有顯著變化。

磁場鋪助冷藏除了能維持過冷狀態(tài)，在一定磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)，還能對酶的活性產(chǎn)生影響。Zhao Songsong等[85]研究表明，靜磁場低溫（7 mT、2 ℃）處理使黃瓜組織液中過氧化氫酶和超氧化物歧化酶的活性升高，衰變發(fā)生率和色差分別降低40.2%和10.6%。趙松松等[96]將冷藏技術(shù)與交變磁場相結(jié)合處理香蕉，使其呼吸強(qiáng)度、多酚氧化酶活力與冷害程度均明顯降低。

眾多研究結(jié)果表明，磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)可改善果蔬的冷凍特性，延長果蔬的過冷狀態(tài)，影響酶的活性，維持其原有的質(zhì)構(gòu)特性，在果蔬的保鮮方面具有極大工業(yè)化應(yīng)用前景。然而，大多數(shù)研究都是圍繞單一磁場探究對果蔬低溫貯藏過程的影響，關(guān)于磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)協(xié)同其他技術(shù)對果蔬冷凍品質(zhì)影響的研究鮮有報道。因此，后續(xù)研究應(yīng)根據(jù)磁場對果蔬低溫貯藏品質(zhì)的影響，協(xié)同其他技術(shù)以取得更好的改善效果。

3.3 磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)在面制品中的應(yīng)用

除肉類食品和果蔬外，面制品作為我國傳統(tǒng)的主食，以谷物為原料，具有深厚的飲食文化基礎(chǔ)，可補(bǔ)充人體所需的碳水化合物。面制品不易貯藏，將低溫貯藏技術(shù)應(yīng)用到面團(tuán)制作階段可延長其貨架期，冷凍面團(tuán)經(jīng)簡易操作后便可食用，符合當(dāng)下快節(jié)奏的生活方式，適用于工業(yè)化生產(chǎn)[97]。然而，面制品經(jīng)過融化復(fù)蒸后與新鮮產(chǎn)品的差異較大。因此，面制品的貯藏問題是人們關(guān)注的熱點，近幾年逐漸有學(xué)者將磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)應(yīng)用在面制品保存上。

面筋蛋白是面團(tuán)的主要成分，對支撐面團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到重要作用，與面團(tuán)的流變特性密切相關(guān)。然而，面團(tuán)中水分含量較高，水的分布和狀態(tài)是影響冷凍面團(tuán)品質(zhì)的重要因素，長明間凍藏和頻繁溫度波動會導(dǎo)致面團(tuán)內(nèi)部水分轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ш笥种亟Y(jié)晶，冰晶尺寸過大破壞面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響面制品的口感。另一方面，饅頭、面包等面制品中酵母菌、乳酸菌等微生物的活性也會受到抑制，影響后續(xù)的發(fā)酵過程，進(jìn)而出現(xiàn)風(fēng)味不足、起發(fā)效果不好等問題。磁場可改善冷凍面團(tuán)的凍結(jié)過程，穩(wěn)定面筋蛋白的結(jié)構(gòu)，維持微生物的數(shù)量。Zhou Hongling等[41]的研究結(jié)果表明，靜磁場凍融處理的面團(tuán)保存效果較好，面筋結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，通過最大冰晶形成帶的明間縮短7 min，與常規(guī)冰箱凍融處理的面團(tuán)為對比，凍融10 個周期后，游離二硫化物含量升高，面團(tuán)的融化焓從63.55 J/g下降到56.67 J/g，谷蛋白的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，酵母存活率和充氣能力分別增加了18.18%和42.23%，制作的面包比容增大17.59%，硬度減小30.87%。此外，磁場也可維持熟制品的品質(zhì)，吳陽陽等[42]將熟制面條在磁場強(qiáng)度為1.2 mT的條件下冷凍貯藏12 周，與單一冷凍熟制面條對比，凍結(jié)速率提高，整個凍結(jié)過程縮短4 min，可凍結(jié)水含量降低，結(jié)合水的比例升高，水分?jǐn)U散與冰晶生長均受到抑制，產(chǎn)生小而多的冰晶，降低對蛋白結(jié)構(gòu)的機(jī)械損傷，使其硬度、膠著性、咀嚼性和剪切力升高，蒸煮損失和淀粉老化程度降低。因此，磁場鋪助凍藏技術(shù)可以優(yōu)化面團(tuán)的凍結(jié)過程，抑制水分?jǐn)U散與冰晶生長，維持谷蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在一定程度還能維持微生物的活性，在改善面制品品質(zhì)方面有極大的潛力。然而，關(guān)于磁場對淀粉的影響研究較少，淀粉對面制品的口感及蓬松程度具有重要影響，與面制品的貯藏后的品質(zhì)密切相關(guān)。

現(xiàn)有的研究和嘗試主要集中在水果、蔬菜和肉類，磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)在面制品上的應(yīng)用還比較少，谷物產(chǎn)品與動植物食品在組成和結(jié)構(gòu)上有很大不同，需要更多的學(xué)者在這方面繼續(xù)深入研究。

4 結(jié)語

本文綜述了磁場鋪助低溫貯藏技術(shù)在改善食品貯藏品質(zhì)方面的研究進(jìn)展，分析了該技術(shù)通過優(yōu)化降溫凍結(jié)過程、調(diào)節(jié)酶活力、降低微生物含量等方式維持食品的食用品質(zhì)的機(jī)理。目前，國內(nèi)外大量研究結(jié)果顯示磁場對低溫貯藏食品的品質(zhì)有積極的改善效果，在食品保鮮加工領(lǐng)域中取得一定成果，在食品工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，關(guān)于磁場的研究大多集中在水分子之間的氫鍵上，具體的作用機(jī)理尚不清楚，且實驗研究設(shè)計存在缺陷和不足，需要注意以下幾方面：1）在降溫凍結(jié)過程中施加磁場，由于降溫技術(shù)、磁場特性及食物特性等多因素的干擾，導(dǎo)致不同實驗室間的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行對比和分析，部分實驗的結(jié)論不一致，甚至出現(xiàn)相矛盾的結(jié)果。磁場對食品的影響是多方面、多途徑的，改善貯藏食品的品質(zhì)是多因素共同作用的綜合結(jié)果，然而多因素在不同明期、不同狀態(tài)是不穩(wěn)定的，導(dǎo)致實驗結(jié)果的重復(fù)性、再現(xiàn)性較差，關(guān)于這方面的問題亟待解決。因此有必要先確定降溫技術(shù)手段，再根據(jù)食品的類型與特性對磁場的類型、強(qiáng)度、作用明間等參數(shù)制定標(biāo)準(zhǔn)，以此展開后續(xù)研究，減少其他因素對實驗的干擾，為明確磁場在食品貯藏過程中的作用機(jī)制提供理論支持。2）關(guān)于磁場鋪助低溫貯藏研究主要集中在食品的降溫凍結(jié)及貯藏階段，關(guān)于解凍復(fù)溫過程的研究仍比較少見。解凍復(fù)溫過程也是影響食品品質(zhì)的重要階段，解凍過程會發(fā)生溫度波動，內(nèi)部出現(xiàn)重冰晶現(xiàn)象，對食品結(jié)構(gòu)造成二次冰晶損傷，為得到高品質(zhì)的食品，必須選擇合適的解凍方法，磁場可優(yōu)化樣品的凍結(jié)過程，但針對解凍過程的研究較少，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)磁場在該階段的研究。3）目前許多研究工作局限于實驗室或試點規(guī)模，關(guān)于磁場的工業(yè)化發(fā)展還有很多工作要做，一是磁場在大規(guī)模應(yīng)用中涉及的放大問題；二是需要解決磁場設(shè)備較高的成本問題；三是磁場協(xié)同其他技術(shù)在應(yīng)用中的能耗問題，這些都是未來研究的關(guān)鍵問題。

總的來說，磁場已應(yīng)用于食品的低溫貯藏過程中，在肉制品、果蔬和面制品等方面具有很大的應(yīng)用潛力?，F(xiàn)有的磁場鋪助冷凍以磁場對水過冷程度的影響為主，應(yīng)該加強(qiáng)在其他分子方面的研究。隨著研究人員對磁場作用機(jī)理的研究不斷深入，進(jìn)一步指導(dǎo)磁場在食品保鮮中的應(yīng)用，為新鮮高品質(zhì)食品的供應(yīng)提供保障。