高壓靜電場對牛里脊肉凍結和解凍的保鮮研究

馬堅

MA Jian

青島海爾股份有限公司 山東青島 266101

Qingdao Haier Co., Ltd. Qingdao 266101

1 引言

如今，冰箱的保鮮功能越來越受到消費者和冰箱廠家的重視。目前一些保鮮新技術和新模塊，如干濕分儲、氣調貯藏等，與傳統冰箱冷藏環境相結合為消費者提供新的、功能強大的食品保鮮解決方案，很好地提升了用戶的使用體驗。而冷凍（-18℃）是冰箱提供的一種最基礎的食品保存條件，為鮮肉和加工肉食品的長期保存提供了解決途徑。但是傳統冰箱的冷凍室也存在一些弊端，例如鮮肉在凍結過程中經過最大冰晶生成帶的時間過長，以及在冷凍保存過程中的溫度波動會造成解凍時產生大量的汁液損失。由此會導致營養成分損失、肉組織的質構性質變差、肉的嫩度和多汁性變差、凍結燒、重結晶、蛋白質變性、肌原纖維蛋白質的可溶性下降、解凍后肉的顏色變暗等一些列食用品質變差的特征[1]。因此，目前有很多新技術和新模塊的研究，如電場、磁場、微波輻射、高壓處理等，來探索在冷凍保藏過程中和解凍過程中肉和肉制品食用品質提升的方法。

電場處理具有抑制酶活性、殺菌和改變水在凍結過程中冰晶生長狀態的作用。1930年就已經有將脈沖電場用于牛奶保存和殺菌的研究記錄。1953年Schaefer在過冷的云中研究了靜電場對從水蒸汽中析出的冰晶生長的作用[2]。1991和1993年，日本人Tatsukiyo Obtsuki先后在美國和歐洲申請了靜電解凍的方法和專利[3][4]。此專利通過靜電誘導方式產生負電子發生器(negative electron generator by the electrostatic induction method)，在金槍魚肉、牛肉解凍過程中可以使其解凍速度加快1/4～1/3，并可以減少液汁損失，抑制解凍過程中微生物的生長繁殖，從而改善冷凍-解凍后鮮肉和肉制品的食用品質。但是此專利沒有詳細說明電場的性質和場強等詳細參數，以及食品與電極的接觸情況等重要條件。

目前高壓靜電場比較成熟的應用有食醋的催陳、農作物種子的處理、果蔬的保鮮、微生物的抑制等[5]。例如，研究發現高壓靜電場能有效延長番茄的貯藏時間，150kV/m的場強能使番茄的呼吸高峰推遲14天，并且有效保持番茄的硬度。果蔬組織中的酶蛋白分子被水分子包圍，形成其生理活性的微環境。酶蛋白分子通過氫鍵和極性作用與水分子結合，維持其三維結構，從而行使其催化功能和生理功能。水分子是極性分子，自己可以通過氫鍵和極性作用形成大分子團(Cluster)結構，但是這種結構并非固定不變，而是隨著氫鍵的形成與斷裂，水分子之間總是處于一種不停地締合為大分子團和解締為小分子團的動態平衡之中。外加電場可以打破這種動態平衡，使水分子結構發生改變，從而改變在果蔬生理反應中起關鍵作用的酶的活性，進而延緩果蔬的生理代謝過程[6][7][8]。

而高壓靜電場在鮮肉和肉制品的保鮮研究中，大多以豬肉為材料，并且集中在凍結或解凍過程中施加高壓靜電場，分別研究其對凍結和解凍速率的影響；而對其他畜肉產品，以及凍結和解凍過程的綜合研究還較少。這些研究也多集中在對凍結速率和解凍速率的影響上面，而較少關注高壓靜電場對肉品質的影響[9]。因此，本研究以牛里脊肉為實驗材料，研究高壓靜電場對凍結和解凍過程中肉品質的影響；進而優化電場參數，以期為未來研究和在家用冰箱上的實際應用提供基礎。

2 實驗方法與材料

2.1 實驗設備

BCD-435型海爾冰箱；自制高壓靜電場裝置（上電極為針狀電極，4×4針，每針間距2cm；下電極為板狀電極，20×20cm，下極板接地）；JD4000-2型電子天平（沈陽龍騰電子有限公司）；半導體點溫計；冰凍切片機；熒光正置顯微鏡（Scope.A1，Carl Zeiss）。

2.2 實驗材料

新鮮的牛里脊肉購買于青島市市北區合肥路佳世客超市，供應商為科爾沁。每次購買同一品種的牛里脊肉。他們的牛肉一般早晨運送到超市，整個運輸過程采用4℃冷鏈運輸，整個運輸過程中肉無凍結現象發生。

選用外觀新鮮、肉色紅潤、無結締組織的牛里脊肉，切成大約5cm×4cm×3cm（長×寬×高）左右的塊狀（每塊大約60g）。切樣時，注意平行于肌肉纖維進行切割，整個實驗所用肉塊的肌纖維方向基本一致。

2.3 實驗方法

在冰箱冷凍室內設置高壓靜電場裝置，分別在50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m場強和不施加高壓電場的條件下進行凍結測試。

上文所述的肉樣品經過凍結測試后，繼續在-18℃冷凍室凍結至與冰箱冷凍室溫度一致，總凍結時間為48h；接著進行肉的解凍測試，分別在50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m場強和不施加高壓電場的條件下進行解凍測試。解凍測試在冰箱運行的間室內進行，溫度為25℃，相對濕度為50%。

由于普通熱電偶在電場中有顯著且不可修正的誤差，凍結和解凍的溫度曲線通過將半導體點溫計布置于肉的幾何中心點進行測量，每隔10min記錄一次溫度。

圖1 牛里脊肉在不同電場下的凍結速率與無電場下凍結速率的比較

冷凍牛里脊肉在解凍后的汁液損失率通過肉塊冷凍前的質量（M0）與解凍后的質量（M1）進行計算，具體公式如下：汁液損失率（%）= (M0-M1)/M0×100，所有測量都重復進行三次，最終結果為三次結果的平均值。

肉組織和肌纖維的微觀顯示：將肉樣品平行于肌肉纖維切割成0.5cm×0.5cm×1cm的長方體肉柱，迅速置于凍存管中并保存在液氮罐中，冷凍充分后切片，做垂直于肌肉纖維方向的10μm切片，染色。染色后的切片用相差顯微鏡（BX41，Olympus，日本）4倍物鏡下進行觀察、拍照（DP12，Olympus，日本），并保存圖片進行后續分析。

3 實驗結果與分析

3.1 高壓靜電場對牛里脊肉凍結速度的影響

牛里脊肉塊在凍結測試中的全凍結時間大概為4h。圖1總結了高壓靜電場中的凍結速率曲線和無電場下的凍結速率曲線的對比結果。我們可以分析得出三點基本結論：

（1）高壓靜電場可以明顯加快牛里脊肉塊的凍結速度，其主要表現為快速通過最大冰晶生成帶；

（2）不同的電場強度對加快牛里脊肉的凍結速率有著不同的影響程度；

（3）150kV/m的高壓靜電場對牛里脊肉的凍結加速最為明顯。

3.2 高壓靜電場對牛里脊肉解凍速度的影響

牛里脊肉塊完全凍結后（肉中心點達到-18℃）在溫度25℃、相對濕度50%條件下的解凍時間為3h左右。圖2總結了高壓靜電場下的解凍速率曲線和無電場下的解凍速率曲線的對比結果。我們也可以分析得出三點基本結論：

（1）高壓靜電場可以明顯加快牛里脊肉塊的解凍速度，其主要表現為可以快速通過最大冰晶生成帶；

（2）不同的電場強度對牛里脊肉的解凍速率有不同的影響；

（3）100kV/m和150kV/m的高壓靜電場對牛里脊肉的解凍加速作用最為明顯。

3.3 高壓靜電場對牛里脊肉汁液損失率的影響

牛里脊肉塊在場強為50kV/m、100kV/m、150kV/m、200kV/m、250kV/m的電場下和無電場下的凍結-解凍后的汁液損失率如表1所示。可以看出高壓靜電場有減少牛里脊肉汁液損失的作用，但是不同場強對汁液損失減少程度的影響不同。在150kV/m場強下凍結和解凍對減少汁液損失的作用最為明顯；而50kV/m和250kV/m對減少汁液損失的作用有限，250kV/m甚至會增加汁液損失。

3.4 高壓靜電場對凍結-解凍后的牛里脊肉肌纖維結構的影響

圖2 牛里脊肉在不同電場下的解凍速率與無電場下解凍速率的對比

通過微觀層面觀察肌纖維的完整性和肌纖維間的間隙大小可以比較高壓靜電場對肉組織和肌細胞在凍結—解凍過程中的影響。圖3是新鮮的牛里脊肉和冷凍—解凍后的牛里脊肉微觀結構對比。可以看到，新鮮的牛里脊肉肌纖維結構完整、大小均勻、排列規律，肌纖維間的空隙小而均勻整齊，肉組織的整體狀態較好。無電場的肉塊經過凍結—解凍后出現大量細胞聚集的現象，細胞不均勻、大小不均一，細胞間出現大量間隙。加入高壓電場后可部分程度減輕凍結—解凍過程對肉組織和肌細胞的破壞。150kV/m電場作用下，肌細胞間雖然開始出現間隙，但是肌纖維細胞大小仍舊一致、分布均勻、排列規則。這說明，150kV/m電場下，在冷凍過程中快速通過最大冰晶生成帶，形成的冰晶細小、分布均勻、且無銳角；在解凍過程中也可快速通過最大冰晶帶，冰晶均勻融化不對肌纖維細胞造成破壞，因此在汁液損失上對應于較小的損失率。然而不同強度的電場對肉組織和肌細胞完整性的保持并不一致，100kV/m、150kV/m、200kV/m的電場對肉組織和肌細胞完整性有較好的正向作用；但是50kV/m和250kV/m電場對肉組織和肌細胞的完整性貢獻有限。這也對應于在100kV/m、150kV/m、200kV/m電場下產生較小的汁液損失，而在50kV/m和250kV/m電場下有相對較大的汁液損失。

表1 牛里脊肉在不同電場下的汁液損失率與無電場下汁液損失率的對比

4 結論

本文研究了高壓靜電場對牛里脊肉在凍結—解凍過程中肉組織完整性和汁液損失的影響。之前有研究表明板狀電極對肉在解凍過程中通過最大冰晶生成帶的速率無明顯影響，而針狀電極有明顯的加速作用[10]。因此本文設置了針狀電極來研究其產生的高壓靜電場對牛里脊肉在凍結—解凍過程的影響。結論是此電極產生的高壓靜電場可以在凍結—解凍過程中明顯地有助于保持肉組織和肌細胞的完整性，進而明顯減少此過程中產生的汁液損失。

此外，高壓靜電場有明顯的最適場強效應，在本研究中，150kV/m為最優場強，此電場強度可以明顯地達到比較好的效果；而較低（50kV/m）和較高（250kV/m）的場強都無明顯作用。推測150kV/m的場強比較適合于本研究所用的牛里脊肉，對極性的水分子聚合物產生作用，表現為在凍結和解凍過程中加速通過最大冰晶生成帶，從而產生均勻分布的細小冰晶，有助于保持肉組織和肌纖維細胞的完整。

最后，本文只研究了同一場強下的凍結和解凍過程，后續研究可以集中在凍結和解凍過程中不同場強進行組合，例如在150kV/m下凍結，100kV/m下解凍對牛里脊肉的影響。本研究用牛里脊肉做研究材料，原因在于：（1）之前探索電場對肉的凍結、解凍影響的研究中多使用豬里脊肉；（2）牛里脊肉（包括豬里脊肉）一致性相對較好，適宜作為實驗材料。但是消費者在實際消費過程中使用的肉來源于不同部位且種類繁多，本研究所探索的規律是否適用于其他部位的肉和其它種類的肉仍需要進一步探索。

本研究探索了一種可應用于冰箱的鮮肉和肉制品的冷凍—解凍保鮮新技術，并且顯示了極具潛力的實驗結果；然而，此技術要想實際應用于冰箱，仍需解決模塊大小、電磁輻射安全、絕對防止高壓觸電、生產成本等一系列問題。