马坚

MA Jian

青岛海尔股份有限公司 山东青岛 266101

Qingdao Haier Co., Ltd. Qingdao 266101

1 引言

如今，冰箱的保鲜功能越来越受到消费者和冰箱厂家的重视。目前一些保鲜新技术和新模块，如干湿分储、气调贮藏等，与传统冰箱冷藏环境相结合为消费者提供新的、功能强大的食品保鲜解决方案，很好地提升了用户的使用体验。而冷冻（-18℃）是冰箱提供的一种最基础的食品保存条件，为鲜肉和加工肉食品的长期保存提供了解决途径。但是传统冰箱的冷冻室也存在一些弊端，例如鲜肉在冻结过程中经过最大冰晶生成带的时间过长，以及在冷冻保存过程中的温度波动会造成解冻时产生大量的汁液损失。由此会导致营养成分损失、肉组织的质构性质变差、肉的嫩度和多汁性变差、冻结烧、重结晶、蛋白质变性、肌原纤维蛋白质的可溶性下降、解冻后肉的颜色变暗等一些列食用品质变差的特征[1]。因此，目前有很多新技术和新模块的研究，如电场、磁场、微波辐射、高压处理等，来探索在冷冻保藏过程中和解冻过程中肉和肉制品食用品质提升的方法。

电场处理具有抑制酶活性、杀菌和改变水在冻结过程中冰晶生长状态的作用。1930年就已经有将脉冲电场用于牛奶保存和杀菌的研究记录。1953年Schaefer在过冷的云中研究了静电场对从水蒸汽中析出的冰晶生长的作用[2]。1991和1993年，日本人Tatsukiyo Obtsuki先后在美国和欧洲申请了静电解冻的方法和专利[3][4]。此专利通过静电诱导方式产生负电子发生器(negative electron generator by the electrostatic induction method)，在金枪鱼肉、牛肉解冻过程中可以使其解冻速度加快1/4～1/3，并可以减少液汁损失，抑制解冻过程中微生物的生长繁殖，从而改善冷冻-解冻后鲜肉和肉制品的食用品质。但是此专利没有详细说明电场的性质和场强等详细参数，以及食品与电极的接触情况等重要条件。

目前高压静电场比较成熟的应用有食醋的催陈、农作物种子的处理、果蔬的保鲜、微生物的抑制等[5]。例如，研究发现高压静电场能有效延长番茄的贮藏时间，150kV/m的场强能使番茄的呼吸高峰推迟14天，并且有效保持番茄的硬度。果蔬组织中的酶蛋白分子被水分子包围，形成其生理活性的微环境。酶蛋白分子通过氢键和极性作用与水分子结合，维持其三维结构，从而行使其催化功能和生理功能。水分子是极性分子，自己可以通过氢键和极性作用形成大分子团(Cluster)结构，但是这种结构并非固定不变，而是随着氢键的形成与断裂，水分子之间总是处于一种不停地缔合为大分子团和解缔为小分子团的动态平衡之中。外加电场可以打破这种动态平衡，使水分子结构发生改变，从而改变在果蔬生理反应中起关键作用的酶的活性，进而延缓果蔬的生理代谢过程[6][7][8]。

而高压静电场在鲜肉和肉制品的保鲜研究中，大多以猪肉为材料，并且集中在冻结或解冻过程中施加高压静电场，分别研究其对冻结和解冻速率的影响；而对其他畜肉产品，以及冻结和解冻过程的综合研究还较少。这些研究也多集中在对冻结速率和解冻速率的影响上面，而较少关注高压静电场对肉品质的影响[9]。因此，本研究以牛里脊肉为实验材料，研究高压静电场对冻结和解冻过程中肉品质的影响；进而优化电场参数，以期为未来研究和在家用冰箱上的实际应用提供基础。

2 实验方法与材料

2.1 实验设备

BCD-435型海尔冰箱；自制高压静电场装置（上电极为针状电极，4×4针，每针间距2cm；下电极为板状电极，20×20cm，下极板接地）；JD4000-2型电子天平（沈阳龙腾电子有限公司）；半导体点温计；冰冻切片机；荧光正置显微镜（Scope.A1，Carl Zeiss）。

2.2 实验材料

新鲜的牛里脊肉购买于青岛市市北区合肥路佳世客超市，供应商为科尔沁。每次购买同一品种的牛里脊肉。他们的牛肉一般早晨运送到超市，整个运输过程采用4℃冷链运输，整个运输过程中肉无冻结现象发生。

选用外观新鲜、肉色红润、无结缔组织的牛里脊肉，切成大约5cm×4cm×3cm（长×宽×高）左右的块状（每块大约60g）。切样时，注意平行于肌肉纤维进行切割，整个实验所用肉块的肌纤维方向基本一致。

2.3 实验方法

在冰箱冷冻室内设置高压静电场装置，分别在50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m场强和不施加高压电场的条件下进行冻结测试。

上文所述的肉样品经过冻结测试后，继续在-18℃冷冻室冻结至与冰箱冷冻室温度一致，总冻结时间为48h；接着进行肉的解冻测试，分别在50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m场强和不施加高压电场的条件下进行解冻测试。解冻测试在冰箱运行的间室内进行，温度为25℃，相对湿度为50%。

由于普通热电偶在电场中有显著且不可修正的误差，冻结和解冻的温度曲线通过将半导体点温计布置于肉的几何中心点进行测量，每隔10min记录一次温度。

图1 牛里脊肉在不同电场下的冻结速率与无电场下冻结速率的比较

冷冻牛里脊肉在解冻后的汁液损失率通过肉块冷冻前的质量（M0）与解冻后的质量（M1）进行计算，具体公式如下：汁液损失率（%）= (M0-M1)/M0×100，所有测量都重复进行三次，最终结果为三次结果的平均值。

肉组织和肌纤维的微观显示：将肉样品平行于肌肉纤维切割成0.5cm×0.5cm×1cm的长方体肉柱，迅速置于冻存管中并保存在液氮罐中，冷冻充分后切片，做垂直于肌肉纤维方向的10μm切片，染色。染色后的切片用相差显微镜（BX41，Olympus，日本）4倍物镜下进行观察、拍照（DP12，Olympus，日本），并保存图片进行后续分析。

3 实验结果与分析

3.1 高压静电场对牛里脊肉冻结速度的影响

牛里脊肉块在冻结测试中的全冻结时间大概为4h。图1总结了高压静电场中的冻结速率曲线和无电场下的冻结速率曲线的对比结果。我们可以分析得出三点基本结论：

（1）高压静电场可以明显加快牛里脊肉块的冻结速度，其主要表现为快速通过最大冰晶生成带；

（2）不同的电场强度对加快牛里脊肉的冻结速率有着不同的影响程度；

（3）150kV/m的高压静电场对牛里脊肉的冻结加速最为明显。

3.2 高压静电场对牛里脊肉解冻速度的影响

牛里脊肉块完全冻结后（肉中心点达到-18℃）在温度25℃、相对湿度50%条件下的解冻时间为3h左右。图2总结了高压静电场下的解冻速率曲线和无电场下的解冻速率曲线的对比结果。我们也可以分析得出三点基本结论：

（1）高压静电场可以明显加快牛里脊肉块的解冻速度，其主要表现为可以快速通过最大冰晶生成带；

（2）不同的电场强度对牛里脊肉的解冻速率有不同的影响；

（3）100kV/m和150kV/m的高压静电场对牛里脊肉的解冻加速作用最为明显。

3.3 高压静电场对牛里脊肉汁液损失率的影响

牛里脊肉块在场强为50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m的电场下和无电场下的冻结-解冻后的汁液损失率如表1所示。可以看出高压静电场有减少牛里脊肉汁液损失的作用，但是不同场强对汁液损失减少程度的影响不同。在150kV/m场强下冻结和解冻对减少汁液损失的作用最为明显；而50kV/m和250kV/m对减少汁液损失的作用有限，250kV/m甚至会增加汁液损失。

3.4 高压静电场对冻结-解冻后的牛里脊肉肌纤维结构的影响

图2 牛里脊肉在不同电场下的解冻速率与无电场下解冻速率的对比

通过微观层面观察肌纤维的完整性和肌纤维间的间隙大小可以比较高压静电场对肉组织和肌细胞在冻结—解冻过程中的影响。图3是新鲜的牛里脊肉和冷冻—解冻后的牛里脊肉微观结构对比。可以看到，新鲜的牛里脊肉肌纤维结构完整、大小均匀、排列规律，肌纤维间的空隙小而均匀整齐，肉组织的整体状态较好。无电场的肉块经过冻结—解冻后出现大量细胞聚集的现象，细胞不均匀、大小不均一，细胞间出现大量间隙。加入高压电场后可部分程度减轻冻结—解冻过程对肉组织和肌细胞的破坏。150kV/m电场作用下，肌细胞间虽然开始出现间隙，但是肌纤维细胞大小仍旧一致、分布均匀、排列规则。这说明，150kV/m电场下，在冷冻过程中快速通过最大冰晶生成带，形成的冰晶细小、分布均匀、且无锐角；在解冻过程中也可快速通过最大冰晶带，冰晶均匀融化不对肌纤维细胞造成破坏，因此在汁液损失上对应于较小的损失率。然而不同强度的电场对肉组织和肌细胞完整性的保持并不一致，100kV/m、150kV/m、200kV/m的电场对肉组织和肌细胞完整性有较好的正向作用；但是50kV/m和250kV/m电场对肉组织和肌细胞的完整性贡献有限。这也对应于在100kV/m、150kV/m、200kV/m电场下产生较小的汁液损失，而在50kV/m和250kV/m电场下有相对较大的汁液损失。

表1 牛里脊肉在不同电场下的汁液损失率与无电场下汁液损失率的对比

4 结论

本文研究了高压静电场对牛里脊肉在冻结—解冻过程中肉组织完整性和汁液损失的影响。之前有研究表明板状电极对肉在解冻过程中通过最大冰晶生成带的速率无明显影响，而针状电极有明显的加速作用[10]。因此本文设置了针状电极来研究其产生的高压静电场对牛里脊肉在冻结—解冻过程的影响。结论是此电极产生的高压静电场可以在冻结—解冻过程中明显地有助于保持肉组织和肌细胞的完整性，进而明显减少此过程中产生的汁液损失。

此外，高压静电场有明显的最适场强效应，在本研究中，150kV/m为最优场强，此电场强度可以明显地达到比较好的效果；而较低（50kV/m）和较高（250kV/m）的场强都无明显作用。推测150kV/m的场强比较适合于本研究所用的牛里脊肉，对极性的水分子聚合物产生作用，表现为在冻结和解冻过程中加速通过最大冰晶生成带，从而产生均匀分布的细小冰晶，有助于保持肉组织和肌纤维细胞的完整。

最后，本文只研究了同一场强下的冻结和解冻过程，后续研究可以集中在冻结和解冻过程中不同场强进行组合，例如在150kV/m下冻结，100kV/m下解冻对牛里脊肉的影响。本研究用牛里脊肉做研究材料，原因在于：（1）之前探索电场对肉的冻结、解冻影响的研究中多使用猪里脊肉；（2）牛里脊肉（包括猪里脊肉）一致性相对较好，适宜作为实验材料。但是消费者在实际消费过程中使用的肉来源于不同部位且种类繁多，本研究所探索的规律是否适用于其他部位的肉和其它种类的肉仍需要进一步探索。

本研究探索了一种可应用于冰箱的鲜肉和肉制品的冷冻—解冻保鲜新技术，并且显示了极具潜力的实验结果；然而，此技术要想实际应用于冰箱，仍需解决模块大小、电磁辐射安全、绝对防止高压触电、生产成本等一系列问题。