高压静电场解冻技术在食品中的研究进展

唐　梦,岑剑伟,李来好,*,杨贤庆,吴燕燕,郝淑贤,陈胜军

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,国家水产品加工技术研发中心,广东广州 510300; 2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)



高压静电场解冻技术在食品中的研究进展

唐梦1,2,岑剑伟1,李来好1,*,杨贤庆1,吴燕燕1,郝淑贤1,陈胜军1

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,国家水产品加工技术研发中心,广东广州 510300; 2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

随着冷冻食品消费量的不断增加,快速有效的解冻方式也日益受到重视,其中高压静电解冻技术由于其解冻速率快,时间短,营养损失少,设备简单易操作等独特优势在冷冻行业得到快速发展与应用。本文对高压静电场解冻技术的解冻机理以及优缺点进行了分析,介绍了国内外高压静电场解冻技术在果蔬类、冻肉类、水产类及其他食品的研究现状,并对高压静电场解冻技术的发展前景进行展望。

高压静电场,解冻,食品,解冻机理,研究进展

为了长时间的保持食品品质,达到安全流通的需要,冷冻成为世界各国的主要食品加工运输方式之一,然而,冷冻食品都面临着解冻后无法恢复到较佳的新鲜状态的难题。因此,人们致力于研究新的解冻方式[1-3]。

高压静电解冻是将冷冻食品放置于0～-3 ℃左右的低温环境的高压静电场中,利用高压电场微能源所产生的各种效应使食品解冻。高压静电场是利用电子线路产生高频矩形波,变换成输出连续可调的稳定直流高电压,使用时将电源加在两块极板之间,形成高压静电场。解冻对食品的营养价值和品质有着很大的影响,解冻速率较快的解冻方式会导致营养物质损失严重,口感下降;解冻时间太长容易造成微生物污染,汁液流失严重[4-5]。

因此解冻方式在食品加工中至关重要。研究表明,高压静电技术在解冻质量和时间上都优于空气解冻和水解冻[6-7],因此得到了快速应用与发展,成为食品解冻的重要技术方法之一,也是我国食品解冻工艺的一个发展方向。近年来,高压静电场解冻的研究不断增多,然而并没有综述性的文章进行总结,随着研究的不断深入开展,有必要对此进行总结性的概述,全面了解高压静电场解冻的原理、特点及其在食品工业中的应用。

本文综述了高压静电场解冻原理,在解冻过程中水之间的稳态结构的变化,离子风的形成以及产生的负离子效应和臭氧作用;综述了国内外关于高压静电场解冻在不同种类的食品上的研究进展以及高压静电解冻技术的研究前景等。

1　解冻机理

1.1破坏水的稳态结构

水本身并非单纯的液体,而是具有一定构造的物质,于是从水的构造角度开拓了对生物膜研究的新领域[8-9]。经理论分析认为,水是由氢键结合而成的,具有一定极性的水分子团结构的液体,而这种水分子团结构实际上是一种准稳态结构,一般仅能保持10 s左右,这是一个处于在氢键作用下分子聚合和解聚的动态平衡,它的排列和运动状态时时发生变化。因此,当处于高压静电场中,一种微能量的作用使得分子之间的平衡可能被打破,使解聚大于聚合;使得分子团结构以及由此构成的冰层结构随着起关键作用的氢键的崩溃而发生较大的变化,从而达到加速解冻的效果。高压静电场可以加速冰的解冻机理是因为高压静电场产生的微能源可以加速冰层结构中氢键的断裂,使冰以小冰晶的形式存在,再逐步过渡到小分子水的液体状态[10-11]。

1. 2形成离子风

在高压静电场中会存在带电粒子,这些带电粒子因为所带电荷的不同,会产生不同方向的运动,带负电的粒子会向正极板方向运动,带正电的粒子会向负极板方向运动,这样的粒子之间的运动就会形成离子风[11]。由于离子风是由高速运动的带电粒子组成,当这些高速运动的带电粒子打到冰表面时,其携带的能量便会被冰表面的水分子所吸收,进而提高了这些水分子的动能,使它们融化速度加快。同时,这些带电粒子沉积在冰的表面也会提高冰的导热速率,使其能更快的从周围环境中吸收热量,提高其融化速度。白亚乡等[12]对高压静电场解冻的实验结果表明:解冻速度与电极的形状密切相关,其中板电极解冻效果不明显,线电极和针电极能获得较大的解冻速度,主要是因为针电极和线电极有电场强度相对较强的尖端,空气中散存的带电粒子就会在强电场作用下加速运动,与空气分子碰撞又形成新的带电粒子,这样就会产生大量的带电粒子,在电场中形成更多的离子风,从而加速解冻。

1. 3产生负离子效应和臭氧作用

有研究发现,高压静电场可以电离空气生成负离子和臭氧,负离子具有抑制生物组织的新陈代谢、降低其呼吸强度、减慢酶的活性等作用[13];臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应,穿入菌体内部,作用于蛋白质和脂多糖,改变细胞的通透性,从而导致细菌死亡。丹阳和李里特[8]研究了高压静电场臭氧产生能力,研究表明随着电场强度的增加,臭氧的含量也不断增加,并且高压静电场证明所产生的臭氧对细菌有一定的抑制和杀灭作用。

2　高压静电场解冻特点

2.1解冻特点

在常规解冻法中,主要是热交换,热能从食品表面向食品内部扩展,水分子活动缓慢,慢慢由食品表面一层层向内解冻,解冻时间长,组织细胞容易破坏,汁液流失严重,温度差距大,细菌容易繁殖。高压静电场解冻时非热处理物理解冻,高压静电场中的静电力促使水分子活化,水分子因而增加彼此间的摩擦碰撞,振荡加速,由固态冰晶转化成液态水分子保存在食品内部,不破坏组织细胞,汁液流失少,温差小,抗氧化,抑制细菌增生。高压静电场的发展一直有科研人员在探索和研究,有比其他解冻方法更好的优势,也有一些问题和不足。

2.2优点

由于高压静电场解冻的特点和机理,高压静电场解冻具有很多优势:解冻速率快,解冻时间短[6-7,10];解冻的食品主要成分和营养物质损失少,存放时间长[15],高压静电场解冻是非热解冻且解冻均匀,高压静电场又可以改变酶的活性并且产生臭氧和负离子[12-14],可以杀灭和抑制细菌滋生,延长食品的货架期,保持更好的品质;作为物理加工具有无污染和无残留的特点;设备简单,容易操作[5]。

2.3缺点

高压静电场解冻发展至今依然存在问题和缺陷:安全问题有待考究。因为高压静电场中需要较高的电压,还是具有一定的危险性[16-17]。如果环境湿度过大,静电场内空气可能会被击穿,具有一定的安全隐患[5]。并且高压静电场情况下操作具体对人体有无影响还有待研究;日本已经将高压静电冰箱应用于肉类解冻[18],因此高压静电保鲜还是比较安全可靠的,不过对于国内的应用还需要进行更多的研究。

3　国内外研究进展

静电场生物学效应早在18世纪中叶就有发现,近几十年,不断得到科学界的重视,开始进行系统而深入的研究。20世纪60年代,Murr与Sidqway等[19-20]分别研究了电场对植物细胞的伤害和植物呼吸强度的影响;20世纪80年代,张振球等[21]用静电场精选燕麦种子时发现,这项技术提高了种子的发芽率,缩短了发芽时间;1994年,Song[22]等报道了生物膜ATP酶能够从规则的交变电场中吸收自由能并做功。随着近年来的工业发展和技术进步,高压静电技术的应用研究逐渐发展起来。

3.1在果蔬类解冻方面的应用

速冻果蔬类在速冻食品中一直占有很大的市场,我国是果蔬生产和出口大国,与其它国家相比,我国速冻果蔬类在产品价格上占有绝对优势,我国的速冻果蔬绝大部分出口到日本、韩国、新西兰等国家和地区,每年创汇数亿美元。而对于日益追求新鲜果蔬的发展趋势,解冻技术至关重要[23]。

因为果蔬中含有大量水分,因此在解冻时容易失水,导致汁液流失;可溶性糖容易损失,质感变差,营养品质下降。高压静电场解冻果蔬,不仅解冻时间短,且水分得到更好地保持,汁液流失少,可溶性糖等营养成分有更好地保持。谢晶等[24]研究发现,高压静电场的场强对马铃薯的解冻和冻结都有很大的影响,高压静电场在对果蔬的解冻中,场强较低时,高压静电场对解冻是有延缓作用的,当场强的强度增加到一定值之后,高压静电场才对果蔬的解冻有加速作用,并且是随着场强强度的增加,加速作用更加明显;并且不同场强对马铃薯解冻前后的汁液流失和质地特性影响较小;郭衍银等[25]以速冻冬枣为例,研究了高压静电场对解冻冬枣品质的影响。结果表明:选择适宜的电场强度对速度冬枣有明显的加速作用,并且对冬枣的品质也有很好的保持,硬度和保水性都优于对照组,有机酸、可溶性糖和维生素C含量都高于对照组。

3.2在冻肉类解冻方面的应用

高压静电场在冻肉类的应用已经较为成熟,日本已经将高压静电技术应用到肉类的解冻。1991年6月名为 Tatsukiyo Ohsuki的发明者在美国申请的专利“Process for Thawing Foodstuffs”是有关食品静电解冻方法及其装置,提供的实验结果显示:在-3～3 ℃下金枪鱼片、牛肉片的解冻时间仅为同等温度下的1/4～1/3,而且解冻后的产品无明显的汁液流失现象,微生物指标均明显低于对照组的指标[25]。

高压静电场解冻冻肉类,可以缩短时间,增加解冻速率,且可以通过提高电压,降低电极距来缩短解冻时间。先前的研究已经表明,用高压静电场解冻法解冻冷冻猪肉(20 ℃)和鸡肉(-3 ℃)与用空气解冻相比,可以缩短2/3的时间,提高电压,降低电极距可以明显缩短解冻时间[26-29]。谢晶等[23,30]以猪肉为例,研究了高压静电场对解冻的影响。结果表明,猪肉在高压静电场下解冻规律:高压直流电场场强对马铃薯解冻过程的影响是随着电场强度而变化的,场强较低时加电场会延缓解冻,而场强较高时却又能加速解冻,呈现出一个极值的状态;Singh与Song等[21,31]研究发现在相同的温度下,用高压静电场解冻法对冷冻牛肉进行解冻,所需时间是常规方法所用时间的25%～30%。孙芳等[32]对牛肉在高压静电场中的解冻研究发现,高压静电场可以缩短牛肉的解冻时间。因此,在适宜的电场条件下,高压静电对解冻时又存在明显加速的作用。

高压静电解冻冻肉类能更好地保持其品质。研究发现,因为高压静电场能产生臭氧和负离子,因此高压静电解冻可以限制微生物的生长和减少微生物负荷的影响;可以减少样品中的挥发性盐基氮含量[21,31]。从理化指标看,高压静电解冻后的猪肉,新鲜度良好,鲜味物质增加,风味变好,嫩度也有所改善[33]。因为高压静电场产生臭氧附着在肉的表面,使得红紫色的肌红蛋白和分子氧之间形成共价键结合成氧合肌红蛋白使肉色呈鲜红色,从而外观肉色鲜红而且亮度较好[32]。

3.3在冷冻水产品解冻方面的应用

对于水产品而言,因为新鲜水产品肌肉中水分含量高、组织脆弱、天然免疫物质少、不饱和脂肪酸易氧化及可溶性蛋白质含量高,所以比一般的动物肉组织更容易腐败,不易贮藏[34-37]。同时由于多数水产品生命周期的局限性,因此冷冻保鲜是水产品保鲜盒运输的重要方式[38],而解冻过程是决定冷冻保鲜水产品品质的重要因素[39-43]。谢晶等[23]以青鱼为研究对象,研究其在高压静电场中的解冻,研究结果表明,不论是否在高压静电场下冻结,在高压静电场作用下的解冻速率都要高于不加电场解冻,从而证实了高压静电场在水产品解冻过程中的加速作用。Alireza等[44]以金枪鱼为研究对象,分别在三种不同电压和三种不同的电极距下进行解冻,结果表明,高压静电场处理后挥发性氮减少,金枪鱼的新鲜度增加,金枪鱼的各项质构指标都显著增加,蛋白质的溶解度也降低,更多的保留了蛋白质的量,并且解冻速率是对照组空气解冻的1.78倍,提高电压和降低电极距可以缩短解冻时间。

人类对海洋的开发有着无限的潜能,水产品的发展也必然是国家所重视的方面,因此对于易腐败变质的水产品而言,为保证水产品的新鲜度和品质,高压静电解冻在水产品中的发展和应用具有很大的前景。高压静电解冻技术独到的经济优势和理想的应用成果,具有广阔的发展前景和推广价值。

3.4在其他方面的应用

国内外近年来也在高压静电场方面做了很多的研究,除了上述几类食品,高压静电解冻在其他方面也有一些研究和探索。通过对冰在高压静电场中的解冻规律,研究高压静电场解冻的机理;因为含水量的不同,不同的食品在解冻速率上也有所不同,但是随着电场场强的增加,解冻速率都呈加速的趋势。在研究冻豆腐的解冻时,高压静电场可以加速解冻,缩短解冻时间[11];高压静电场还可以解冻鸡蛋,且可明显缩短解冻时间,保持好的品质。高压静电场在其他食品的解冻上实际应用的并不多,需要做更多的研究和推广,使得高压静电场解冻技术得到更为广泛的应用[45]。

4　发展前景

高压静电场技术主要应用于冻肉类,因为食品中的含水量高,氢键作用强,因此,水分子间因氢键结合而形成的动态平衡的稳态结构,容易被高压静电解冻破坏,从而达到显著的缩短解冻时间的效果,目前市场上运用高压静电场解冻技术只是小部分,想要进一步广泛应用于市场,需要进一步的研究与探索。

4.1高压静电场的条件设置

高压静电场解冻的场强强度和电极之间的距离对高压静电场解冻速度有着直接的影响,电场不同的电极也会使得解冻效果不一样,因此高压静电场的条件设置还需进一步研究与完善。

4.2环境中其他因素的影响和物料本身的影响

因为食品的含水量以及其他成分的不同,在解冻过程中,解冻速率和解冻后的品质都会有所区别,解冻环境中其他因素也会影响最后的结果,如环境的温度、湿度等。可以就这些影响因素进行进一步的研究,探索其中的趋势和规律。

4.3高压静电场解冻技术与其他技术的结合

高压静电场技术可以与其他解冻技术、保鲜技术相结合,从而研究发展更有效的方法。

4.4高压静电场设备的研究

由于电场条件的设置和各项因数的影响,高压静电解冻的设备研究也是至关重要,要考虑电极形状的设置和电场强度区间的选择问题,还要考虑到实际应用的问题,小型家用的设备,大型适合大量生产加工需要的设备等等;对物理加工的加工强度、加工量的控制,多针式电场的应用等设备和处理方式的研究工作以及对食品品质的影响研究均有待进一步的研究和探索,改造与研发出适应不同市场需求、简单又节能的设备是高压静电场解冻技术发展的重要方向。

[1]谢晶,华泽钊,李云飞. 非热技术在食品解冻中的应用[J].制冷学报,1999(3):36-40.

[2]邢淑婕,刘开华. 冻结肉解冻技术的研究进展[J]. 肉类工业,2002(9):23-25.

[3]张芳,张俊杰. 冻肉解冻技术发展综述[J]. 肉类工业,2005(4):7-10.

[4]冯晚平,胡娟. 冷冻食品解冻技术研究进展[J]. 农机化研究,2011(10):249-252.

[5]吴连连,李新建. 高压静电场保鲜技术的研究现状[J]. 现代农业科技,2007(3):123-124.

[6]郭海枫,王颉,王强. 高压静电技术在食品加工中的应用[J]. 保鲜与加工,2008(2):1-3.

[7]段欣,薛文通,张惠. 高压静电场处理在食品中的应用研究进展[J]. 食品工业科技,2008(10):297-300.

[8]丹阳. 高压静电场对番茄采后成熟、衰老过程的调控及其机理研究[D]. 北京:中国农业大学,2005.

[9]叶青. 高压静电场保鲜装置改进及对几种呼吸跃变型果实的影响[D]. 北京:中国农业大学,2004.

[10]方胜,李英杰. 高压电场加速食品解冻的探讨[J]. 食品科学,1999(3):26-28.

[11]方胜,李英杰,陆守道,等. 利用高压静电场加速食品解冻的实验研究[J]. 北京轻工业学院学报,1999(4):1-6.

[12]白亚乡,栾忠奇,李新军,等. 高压静电场解冻机理分析[J]. 农业工程学报,2010(4):347-350.

[13]赵永强,李来好,杨贤庆，等. 臭氧在水产品加工中应用综述[J]. 南方水产科学,2013(5):149-154.

[14]江慎华,张伯清,魏宝东. 高压静电场保鲜技术的研究现状[J]. 农产品加工,2004(3):25-26.

[15]李守桂,张海强. 运用高压电场加速食品解冻[J]. 冷饮与速冻食品工业,2002(1):41-42，44.

[16]冯叙桥,王月华,徐方旭. 高压脉冲电场技术在食品质量与安全中的应用进展[J]. 食品与生物技术学报,2013(4):337-346.

[17]刘一鸣. 高压生物静电发生装置的设计与仿真[D]. 哈尔滨:东北农业大学,2014.

[18]Ohsuki T. Process for Thawing Foodstuffs[P]. 1991.

[19]Murr L E. Plant Growth Response in a Simulated Electric Field-environment[J]. Nature,1963(4905):490-491.

[20]Sidaway G H,G F Asprey. Influence of electrostatic fields on plant respiration[J]. International Journal of Biometeorology,1968(4):321-329.

[21]张振球. 静电生物效应的研究与展望[J]. 广西师范大学学报(自然科学版),1990(1):60-65.

[22]Song J,P D Hildebrand. Biological effects of corona discharge on onions in a commercial storage facility[J]. HortTechnology,2000(3):608-612.

[23]张道德,秦文. 高压静电技术在食品保鲜与加工中的研究进展[J]. 农产品加工(学刊),2007(2):46-48.

[24]谢晶,华泽钊. 食品在高压静电场中冻结、解冻的实验研究[J]. 食品科学,2000(11):14-18.

[25]郭衍银,朱艳红,赵向东. 高压静电对速冻冬枣解冻品质的影响[J]. 制冷学报,2009(2):45-48.

[26]He X,R Liu et,S Nirasawa,et al. Effect of high voltage electrostatic field treatment on thawing characteristics and post-thawing quality of frozen pork tenderloin meat[J]. Journal of Food Engineering,2013,115(2):245-250.

[27]He X,R Liu,E Tatsumi,et al. Factors affecting the thawing characteristics and energy consumption of frozen pork tenderloin meat using high-voltage electrostatic field[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies,2014,22:110-115.

[28]Hsieh C-W,W-C Ko. Effect of high-voltage electrostatic field on quality of carrot juice during refrigeration[J]. Food Science and Technology,2008(10):1752-1757.

[29]Hsieh C-W,C-H Lai,W-J Ho,et al. Effect of Thawing and Cold Storage on Frozen Chicken Thigh Meat Quality by High-Voltage Electrostatic Field[J]. Journal of Food Science,2010(4):M193-M197.

[30]谢晶,张源,管伟康,等. 猪肉在高压静电场中的冻结和解冻[J]. 制冷技术,2001(4):25-28.

[31]Singh A,V Orsat,V Raghavan. A Comprehensive Review on Electrohydrodynamic Drying and High-Voltage Electric Field in the Context of Food and Bioprocessing[J]. Drying Technology,2012(16):1812-1820.

[32]孙芳,李培龙,孟繁博,等. 高压静电解冻技术对牛肉品质的影响研究[J]. 中国牛业科学,2011(6):13-17.

[33]方敏,沈月新. 解冻复鲜肉与冷却肉质量的比较[J]. 上海水产大学学报,2000(3):214-218.

[34]徐小怡,宁凌. 我国沿海省份水产品加工产业发展比较[J]. 中国渔业经济,2011(3):145-151.

[35]居占杰,秦琳翔. 中国水产品加工业现状及发展趋势研究[J]. 世界农业,2013(5):138-142,156.

[36]曲菲菲. 我国水产品加工业竞争力及影响因素分析[D].青岛:中国海洋大学,2013.

[37]姜晴晴. 冻融过程中带鱼脂肪和蛋白氧化及其对肌肉品质影响的研究[D]. 无锡:浙江大学,2015.

[38]戚勃,杨贤庆,李来好,等. 琼胶寡糖对冻虾仁和罗非鱼片品质的影响[J]. 南方水产科学,2012(6):72-79.

[39]田超群,王继栋,李来好,等. 水产品保鲜技术研究现状及发展趋势[J]. 农产品加工：创新版,2010(8):17-21,25.

[40]苏永玲,谢晶. 冻结和解冻过程对水产品品质的影响[J].食品工业科技,2011(1):304-308.

[41]高志立,谢晶. 水产品低温保鲜技术的研究进展[J]. 广东农业科学,2012(14):98-101.

[42]张洪臣. 浅谈冻结水产品的解冻[J]. 河北渔业,2013(5):62-65.

[43]郑杭娟,林慧敏. 解冻过程对水产品特性的影响[J]. 食品研究与开发,2014(3):127-129.

[44]Mousakhani-Ganjeh A,N Hamdami,N Soltanizadeh. Impact of high voltage electric field thawing on the quality of frozen tuna fish(Thunnusalbacares)[J]. Journal of Food Engineering,2015,156:39-44.

[45]郭燕茹,顾赛麒,王帅,等. 栅栏技术在水产品加工与贮藏中应用的研究进展[J]. 食品科学,2014(11):339-342.

Research progress of high voltage electrostatic field thawing technology in food

TANG Meng1,2,CEN Jian-wei1,LI Lai-hao1,*,YANG Xian-qing1, WU Yan-yan1,HAO Shu-xian1,CHEN Sheng-jun1

(1.South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences, National Aquatic Product Processing Technology Research and Development Center,Guangzhou 510300,China; 2. College of Food Science & Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

With the increasing consumption of frozen food,more and more attention has been focused on the quick and efficient way of thawing,and high voltage electric field(HVEF)thawing technology in the refrigeration industry has been rapid development and application,because of its speed,time is short,less nutrient loss,the device is easy to operate,and other unique advantages. This paper introduced the principle of high voltage electrostatic field thaw techniques,discuss of the advantages and disadvantages of HVEF thawing techniques,introduced the fruit and vegetable category,frozen meat,aquatic products and other current research status of HVEF thawing technique,take the development prospect of HVEF thawing technique.

high voltage electrostatic field;thawing process;food;thawing mechanism;research progress

2015-09-10

唐梦(1991-),女,硕士研究生,研究方向:食品科学与工程,E-mail:510395089@qq.com。

李来好(1963-),男,博士,研究员,研究方向:水产品加工、水产品质量安全与水产标准,E-mail:laihaoli@163.com。

罗非鱼产业技术体系岗位科学家专项经费(CARS-49);国家支撑计划项(2015BAD17B03);中国水产科学研究院基本科研业务费专项(2015B06YQ01);中国水产科学研究院南海水产研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2014YD06)。

TS205.7

A

1002-0306(2016)10-0373-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.069