低壓靜電場對冷凍豬肉冰晶生長影響的試驗研究

劉 蕊，閆琳婧，趙明博，蔣名保，于翹溪，甄 仌，苗卿華，蘇格毅

（哈爾濱商業(yè)大學能源與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引言

目前，由于受各種習俗和肉的風味、價格等影響，我國成為世界上最大的豬肉生產國和消費國，對豬肉的需求遠大于其他國家，并且豬肉的需求量自改革開放以來逐年攀升，近幾年豬肉需求量為5 600～5 800 萬t。面對如此大的需求量，貯藏、流通和銷售的保鮮方式對豬肉品質的影響很大。目前應用最廣泛的食品保鮮技術之一是冷凍保鮮，冷凍保鮮是指將食品中心溫度降低至-15 ℃以下，使產品體內大部分水分凍結，并在-18 ℃以下貯藏、流通和銷售的技術[1]。傳統(tǒng)的冷凍保鮮在保持豬肉品質上有著不可磨滅的貢獻，但是這種保鮮方法也有著其自身的缺點，在凍結過程中，冰晶的生長會對豬肉的細胞和結構造成破壞，導致細胞的破裂和損傷，使得豬肉出現(xiàn)汁液流失率增大、營養(yǎng)成分發(fā)生變化等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象導致豬肉的品質下降。同時，也有大量的資料表明，食品凍結的過程會影響解凍過程的汁液流失現(xiàn)象。為解決出現(xiàn)的相關問題, 學者們都是以提高冷凍食品質量為主要的目標，在傳統(tǒng)冷凍技術的基礎上引入電場、超高壓、超聲波等物理場，來改善冷凍及解凍過程對食品品質造成的品質下降的現(xiàn)象[2]。

謝晶等人[3]以新鮮豬肉為研究對象，研究高壓直流電場強對其凍結、解凍過程的影響，考查凍結和解凍曲線。研究發(fā)現(xiàn)，高壓直流電場場強對肉凍結過程，以后的無電場解凍過程及凍肉在電場下解凍過程都有一定影響。E Xanthakis 等人[4]探討靜電場對豬肉冷凍中冰晶生長的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著靜電場的增加，冰晶的平均等效圓直徑明顯減少，從而降低對肉類微觀結構的損害。M Dalvi-Isfahan 等人[5]研究靜電場處理對冷凍羊肉品質的影響，在5.8×104V/m電場下肉類樣品冰晶的平均尺寸與傳統(tǒng)的冷凍相比減少了60%。隨著靜電場強度的增加，滴水損失減小。電場對肉的顏色和硬度沒有顯著影響。

李俠[6]采用牛背最長肌作為試驗材料，探究與靜電場下自然凍結- 解凍肉樣凍結- 解凍過程中的品質變化。有研究表明，牛肉在凍結過程中通過最大冰晶生成帶時間較短，組織中的冰晶較對照組體積小、數(shù)目多、分布均勻。肉樣解凍速度較快，解凍后肉色更新鮮，咀嚼性、嫩度較高，解凍汁液流失率、汁液中蛋白含量及蒸煮損失率均顯著降低；掃描、透射電鏡結果表明，肉樣解凍后肌肉微觀結構遭破壞程度較輕，肌纖維束排列相對緊密。Guoliang Jia 等人[7]探討了高壓靜電場對豬里脊肉凍結特性、品質的影響，研究了豬肉樣品在直流電場下的凍結，發(fā)現(xiàn)肉的凝固點和相變時間隨電壓增加而變化。10 kV 電壓處理的豬里脊橫截面冰晶總面積比無高壓靜電場時小得多。微觀結構觀察表明，在保持豬肉品質方面，10 kV 靜電場輔助冷凍優(yōu)于無高壓靜電場冷凍。

李一飛[8]研究認為，高壓靜電場輔助瓊脂糖凝膠冷凍可顯著降低樣品過冷度，提高凍結速率，獲得數(shù)目眾多、粒徑細小、分布均勻的冰晶，對凝膠的質構略有改善，但無法抵消冷凍和解凍對樣品結構的破壞。馬堅[9]研究了高壓靜電場對新鮮牛里脊肉在凍結和解凍過程中保鮮效果的提升作用，探索高壓靜電場對牛里脊肉的凍結、解凍曲線和微觀的肌纖維細胞的影響。有研究認為，高壓靜電場可以明顯加快牛里脊肉塊的凍結和解凍速度，其主要表現(xiàn)為快速通過最大冰晶生成帶。

魏國平[10]研究了DENBA+靜電場技術對豬肉凍結、解凍速率、豬肉嫩度和蛋白質氧化等品質變化，以及冷藏豬肉菌落總數(shù)的影響。有研究表明，DENBA+ 靜電場處理可以提高豬肉凍結速率，使解凍時間減少50%，揮發(fā)性鹽基氮、脂肪氧化速率和嫩度降低，蛋白質氧化速率增加，電場處理可以減少冷藏豬肉菌落總數(shù)。闞苗等人[11]利用凍藏對豬肉進行保鮮，通過靜電場處理，測定豬肉汁液流失率及揮發(fā)性鹽基氮的變化，研究靜電場結合凍藏技術對豬肉的保鮮效果。結果表明，凍藏條件下，靜電場處理的豬肉的汁液流失率在貯藏后期保持在較低水平，TVB-N 值在一定程度上減緩。總體上，靜電場結合凍藏技術可延長豬肉的保質期。

近年來，靜電場在食品冷凍及解凍方面的研究逐漸增多，但研究者對高壓靜電場的研究較多，較少關注低壓靜電場的影響。研究低壓靜電場對豬肉凍結和解凍的影響，靜電場情況下豬肉中的冰晶生長，試驗用靜電場處理肉塊，觀察其相變平臺，凍結時間、解凍速度、肉樣的汁液流失率、pH 值等參數(shù)，結合靜電場對液態(tài)水和冰晶的影響機理，對于靜電場對豬肉產生的上述影響作出初步的機理分析。這些工作對于分析冰晶對豬肉細胞的損傷以及對于尋求避免冰晶對豬肉損傷的方法具有重要意義，為使用靜電場技術在豬肉加工方面應用提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

哈爾濱商業(yè)大學能建學院LHS-2A 型速凍箱、低壓靜電放電板（4 000V，50 Hz）、BRESSER MicroSet 40x-1600x 型顯微鏡、ZJ-32A 型溫度巡檢儀、德東數(shù)字pH 計、SF-400 型電子秤等。

1.2 原料與分組

試驗選購的肉樣為哈爾濱市松北區(qū)億晟龍超市金鑼牌新鮮精五花，這種豬五花肥瘦均勻、肉質細膩、色澤紅潤、帶有結締組織，且肉樣無肉眼可見破損。在切分時，注意肉樣的紋理和大小，盡量平行于肉的紋理切分，切分時肉樣的大小形狀保持一致。

將切分好的肉樣分成4 組，每組2 塊肉，做對照試驗，肉樣的形狀及大小相同（每塊肉樣約160 g），4 組分別為：A 組有靜電場凍結，常溫下無靜電場解凍；B 組有靜電場凍結，常溫下有靜電場解凍；C組無靜電場凍結，常溫下無靜電場解凍；D 組無靜電場凍結，常溫下有靜電場解凍（常溫均為22 ℃室溫）。

1.3 凍結- 解凍曲線試驗

低壓靜電場裝置由1 臺主機和1 塊放電板組成，放電板放置在速凍機中，放電板和主機相連，主機通電后即可在速凍機內產生低壓靜電場環(huán)境。A 組、B 組的肉樣在凍結時存在低壓靜電場，C 組、D 組的肉樣在凍結時不存在低壓靜電場。試驗時將熱電偶感溫探頭插入各個試驗組肉樣的幾何中心記錄中心溫度，等到速凍機的溫度達到-23 ℃時，將肉樣放入速凍機中，需注意的是在存在靜電場的試驗組中，肉樣與放電板之間的距離均相同。隨后每隔5 min 記錄一次溫度巡檢儀上的溫度，當試驗組的肉樣中心溫度達到-15 ℃時，將肉樣迅速取出，放置在常溫環(huán)境中進行解凍，當肉樣的中心溫度達到5 ℃時認為解凍完成，同樣，解凍時B 組、D 組放置在靜電場環(huán)境中解凍，A 組、C 組放置在無靜電場環(huán)境中解凍，將所得的數(shù)據(jù)分別繪制成凍結曲線和解凍曲線。

1.4 凍結后冰晶觀察試驗

進行凍結試驗的同時，設置一個小試驗組，這一小試驗組與正常各個試驗組的試驗條件相同，設置這一小試驗組的目的是為了觀察凍結后的冰晶的形態(tài)。在凍結時會將載玻片、蓋玻片等工具與小試驗組一同放入速凍箱進行凍結，這樣可以減小溫差對凍結后冰晶形態(tài)的影響。觀察冰晶時將電子顯微鏡目鏡連接電腦，需要將凍結完成的小試驗組肉樣立刻切片觀察，否則冰晶會融化、消失，將看到的冰晶進行拍照，分析冰晶變化的機理。

1.5 色澤

通過肉眼觀察，將凍結后的肉樣與鮮肉進行對比，發(fā)現(xiàn)凍結后的肉樣顏色變淺，而解凍后肉樣的顏色比鮮肉更深。

1.6 汁液流失率

豬五花解凍后的汁液流失率是通過測量肉樣凍結前的質量m1（kg） 和肉樣解凍后的的質量m2（kg）進行計算。汁液流失率的計算公式如下

1.7 pH 值

取5 g 肉樣后切碎，放入盛有50 mL 自來水的燒杯中；為了實現(xiàn)乳化的效果，用玻璃棒先快速攪拌5 min，將均質樣品靜置10 min，再測量pH 值，待到pH 計的數(shù)值穩(wěn)定時讀取pH 值。

1.8 數(shù)據(jù)處理

利用Matlab 軟件的分析功能工具庫對試驗過程記錄的數(shù)據(jù)進行處理。

2 結果與分析

2.1 有無靜電場凍結曲線的分析

豬肉冷凍試驗見圖1。

圖1 豬肉冷凍試驗

肉樣1、肉樣2 為有靜電場凍結，肉樣3、肉樣4 為無靜電場凍結。每組試驗組有2 塊肉樣。

現(xiàn)對豬五花測定凍結曲線，將溫度巡檢儀的感溫探頭插入食物中心，每隔5 min 記錄一次溫度巡檢儀上的數(shù)據(jù)，凍結時間為185 min，將所得的數(shù)據(jù)繪制成凍結曲線。凍結曲線反映了試驗組肉樣最先出現(xiàn)相變平臺的溫度和時間、相變時間。相變時間按照文獻[12]所提出的方法來計算，試驗組豬五花開始形成冰核作為相變時間的起始時間，以過冷點之后的食品溫度為參考點，溫度下降到-5 ℃時為相變完成時刻。由圖1 可知，豬五花凍結的初始溫度為16 ℃，隨著時間的變化，豬五花的中心溫度不斷下降。有靜電場凍結的試驗組在第55 min 和第50 min時出現(xiàn)相變平臺，無靜電場凍結的試驗組都是在第40 min 時出現(xiàn)相變平臺，并且無靜電場凍結試驗組出現(xiàn)相變平臺的溫度更低。用食品的相變持續(xù)時間來反映食品凍結速度的快慢，食品相變的持續(xù)時間也就是食品凍結過程通過最大冰結晶生成帶的時間，有靜電場凍結的試驗組1 和試驗組2 的相變時間分別為31 min 和40 min，無靜電場凍結的試驗組3 和試驗組4 的相變時間分別為70 min 和80 min。

通過對比曲線，可得出3 點結論：①有靜電場凍結時出現(xiàn)相變平臺溫度更高；②有靜電場凍結出現(xiàn)相變時間更晚；③有靜電場凍結試驗組的相變平臺維持時間更短，通過最大冰結晶生成帶的時間更短，凍結速度更快。

靜電場對食品的冷凍過程的影響主要體現(xiàn)在冰核的形成和冰晶的生長。一般認為，冰核的形成是因為在溫度不斷降低的過程中，一些水分子的熱運動減弱，這些水分子逐漸聚集在一起，形成大的水分子簇，水分子簇進一步形成冰核，水分子將產生沿電場方向的定向，這種定向有助于水分子聚集成水分子簇，進而形成冰核，靜電場對冰核形成的影響體現(xiàn)在使水的過冷點上升上。而在冰晶生長的過程中，外加電場起到了抑制冰晶生長的作用[13]。所以，有靜電場凍結的試驗組更容易產生冰核，有靜電場凍結的試驗組的相變平臺初始溫度高于無靜電場試驗組的相變平臺的初始溫度。而有靜電場試驗組凍結速度快的原因可能是由于水分子聚集，導致冰核形成的數(shù)量多，生成的冰晶多而小，雖然靜電場會抑制冰晶的生長，但是冰核數(shù)量足夠多，冰核數(shù)量對冰晶的影響大于靜電場抑制冰晶生長的作用，總的趨勢是有靜電場試驗組凍結速度快于無靜電場試驗組的速度，機理還需要后續(xù)的試驗證明。

2.2 有靜電場凍結的解凍曲線分析

豬肉解凍試驗見圖2。

圖2 豬肉解凍試驗

A 組為有靜電場凍結- 無靜電場解凍，B 組為有靜電場凍結- 有靜電場解凍。每組試驗組有2 塊肉樣在解凍的過程中，每隔5 min 記錄一次各個試驗組肉樣的溫度，在常溫22 ℃（室溫） 的情況下解凍250 min，解凍曲線反映了試驗組肉樣解凍速度。A組肉樣A1 和A2 的解凍時間分別為167 min 和159 min，B 組肉樣 B1 和 B2 的解凍時間分別為 203 min 和216 min。通過對比發(fā)現(xiàn)加入靜電場解凍的試驗組，其解凍時間長于無靜電場解凍的試驗組。由此可見，加入靜電場進行解凍會增加解凍時間，降低試驗組肉樣的解凍速率。

2.3 無靜電場凍結的解凍曲線分析

豬肉解凍試驗見圖3。

圖3 豬肉解凍試驗

C 組為無靜電場凍結- 無靜電場解凍，D 組為無靜電場凍結- 有靜電場解凍。每個試驗組同樣有2 塊肉樣。C 組肉樣C1 和C2 的解凍時間分別為193 min和206 min，D 組肉樣D1 和D2 的解凍時間分別為184 min 和221 min。通過對比發(fā)現(xiàn)，加入靜電場試驗組和不加入靜電場試驗組的解凍時間相差不多，沒有明顯規(guī)律。由此可知，經過無靜電場凍結后的肉樣，再加入靜電場解凍后，靜電場對其解凍時間沒有明顯影響。

2.4 汁液流失率的分析

肉類在凍結- 解凍過程之后往往會伴隨著汁液流失的現(xiàn)象發(fā)生，而汁液流失現(xiàn)象的產生是因冷凍損傷造成的細胞膜的破裂，之前有學者提出冷凍損傷是由于胞內冰晶的形成和溶液中不斷形成的冰晶而造成的“溶液損傷”[14]，其本質是細胞的機械性損傷。后來有學者深入研究，發(fā)現(xiàn)這種機械損傷主要來源于冰晶的生長[15]。冰晶過大就會刺破細胞膜，造成細胞膜的破裂，導致大量蛋白質流失，使豬肉的品質下降。

試驗后肉樣汁液流失率見圖4。

圖4 試驗后肉樣汁液流失率

在有靜電場凍結的前提下，無靜電場解凍的A 組的汁液流失率分別為1.32%和1.23%，有靜電場解凍的B 組的汁液流失率分別為2.37%和1.92%。無靜電場解凍的汁液流失率顯著低于有靜電場解凍的汁液流失率。這表明在解凍時附加靜電場不利于豬肉的解凍，加入靜電場后反而還增加了汁液流失率。

試驗后肉樣汁液流失率見圖5。

圖5 試驗后肉樣汁液流失率

在解凍條件都不加電場時，有靜電場凍結的A組的汁液流失率分別為1.32%和1.23%，而無靜電場凍結的C 組的汁液流失利率分別為1.83%和1.77%，表明附加靜電場進行凍結時，在一定程度上減少了冰晶刺破細胞膜的可能，蛋白質流失少，減少了汁液流失率，保證了豬肉的品質。

2.5 pH 值的分析

試驗后肉樣pH 值見圖6。

圖6 試驗后肉樣pH 值

由圖6 可知，各個試驗組的pH 值相差不大，說明靜電場處理對豬肉的pH 值沒有顯著影響。在后續(xù)的研究中，可改進測量pH 值的方法或適當延長試驗等操作來更好地測量pH 值。

2.6 顯微鏡下觀察的冰晶形態(tài)

有靜電場凍結的冰晶形態(tài)見圖7，無靜電場凍結的冰晶形態(tài)見圖8。

由圖7 可知，在凍結過程中加入靜電場生成的冰晶多而小，且圓潤；圖8 中是不加入靜電場條件下凍結之后生成的冰晶，冰晶少而大，且呈尖刺狀。從2 張圖片的冰晶對比可以發(fā)現(xiàn)，靜電場對冰晶的生長有很大的影響，利用靜電場對冰晶生長的影響，可以有效減少豬肉細胞的機械損傷，減少汁液流失，因而研究靜電場對于冰晶生長的影響具有重要的意義。

圖7 有靜電場凍結的冰晶形態(tài)

圖8 無靜電場凍結的冰晶形態(tài)

3 結論

為了改善在凍結- 解凍過程后豬肉的品質，研究了附加靜電場的凍結和解凍過程。試驗表明，是否加靜電場凍結和解凍會對豬肉品質造成不同程度的影響。

（1） 有靜電場凍結時出現(xiàn)相變平臺溫度更高，出現(xiàn)相變時間更晚，相變平臺維持時間更短，通過最大冰結晶生成帶的時間更短，凍結速度更快，冰晶小而多，在一定程度上減小了冰晶對細胞膜的破壞程度，有利于保持豬肉細胞的完整性，減少細胞內營養(yǎng)成分的流失。

（2） 有靜電場凍結- 無靜電場解凍后汁液流失率更小，凍結及解凍過程均有電場汁液流失率最大，最不利于豬肉品質的改善，因此凍結及解凍過程一直有電場并不利于改善豬肉品質。

（3） 靜電場輔助凍結及解凍在一定程度上能夠改善豬肉品質，為今后豬肉冷加工和儲存提供一定的參考價值，改善豬肉品質，從而延長貨架期，但對于靜電場對豬肉冰晶生長的作用機理仍有待更進一步深入研究。