直流磁场对洋葱细胞冻结过程的影响

宋健飞 刘 斌 关文强 张德权

(1天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134；2中国农业科学院农产品加工研究所 北京 100193)



直流磁场对洋葱细胞冻结过程的影响

宋健飞1刘 斌1关文强2张德权2

(1天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134；2中国农业科学院农产品加工研究所 北京 100193)

为探究不同场强的直流电磁场对植物组织细胞在冻结相变过程中细胞及冰晶形状和大小的影响，本文取洋葱第三层果肉为研究对象，切成0.5 cm×0.5 cm的方块，在低温冷台上放置样品切片进行细胞冻结实验，采用的降温速率：0 ℃之前为10 ℃/min；0 ℃之后为3 ℃/min；终温为-25 ℃。直流磁场强度分别为0 Gs(对比组)、4.6 Gs、18 Gs、36 Gs、72 Gs。实验过程中观察了不同场强作用下洋葱细胞及冰晶形态的变化，并提出“细胞二维保持率ζ”这一指标对果蔬细胞冻结效果进行评价，利用AutoCAD软件对显微图像进行数据计算得出ζ值。结果表明：磁场辅助冻结洋葱细胞冰晶形成趋向于雾化，沙粒化，抑制冰晶生长，从而减小冰晶尺寸，有利于保持细胞原有形态，使细胞损害率降低；随着磁场强度的增强，洋葱细胞相变时间逐渐缩短，过冷度逐渐降低，但始终高于无磁场下的过冷度。

食品加工技术；直流磁场冻结；冰晶及细胞形态; 洋葱

冷藏是保持食品品质最有效方法，即将食品在低温下贮藏[1]，但仍存在冻结及复温条件下的细胞损伤问题，使食品品质大打折扣，原因是食品冻结过程中存在“最大冰晶生成带”，温度区间约为：-1～-5 ℃[2-3]，在此温度区间产生过大尺寸的冰晶会对细胞造成损害。同时，环境温度和冷库负荷的波动会造成冻结果蔬细胞组织发生重结晶现象，使原本产生的冰晶尺寸继续变大[4]，进而对冻存细胞组织产生破坏作用。大量研究表明：冰晶的大小与降温速率、相变时间、过冷度大小等密切相关[5-8]。近几年来，磁场的非热效应在生物材料和食品冻结过程中的影响受到广泛关注。陈照章等[9]发现50 kHz交变磁场对该溶液中冰晶的生长具有显著的抑制作用，并形成了含盐冰；娄耀郏等[10]研究发现磁场对鲤鱼不同冷冻阶段的影响规律不同：磁场对鲤鱼冷却阶段的影响较小，对相变阶段有明显的促进作用，对冻结阶段有延缓作用；周子鹏等[11]发现直流磁场能够降低水的最低不结晶温度，增大过冷度，提高结晶生长速度；Xanthakis E等[12]在对里脊(猪肉)冻结过程中加入不同功率的微波辅助，发现在冻结过程中应用微波导致温度振荡的削弱，并对结晶过程的过冷度有显著影响；李文博等[13]研究发现对于去离子水，直流磁场会提高过冷度，延长过冷时间，不同强度的直流磁场对不同质量分数的蔗糖溶液过冷过程的影响呈现多极值的现象。这些研究多数是从宏观角度来探究磁场的生物影响，而且磁场对冷冻过程中果蔬细胞及其冰晶的形态影响的相关研究很少。本文从微观角度研究直流磁场于不同场强下对于洋葱细胞相变过程中细胞以及冰晶形状和大小、过冷度以及相变时间的影响，为磁场用于果蔬保鲜技术提供理论依据。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

洋葱购买于天津市物美超市(水木天成店)。选取干净、完整、无机械损伤、新鲜的洋葱若干。

1.2 实验设备

磁场发生装置，自主设计；PEX-045USB特斯拉计，力田磁电科技有限公司生产，精度：0.5%，数据采样速度：2～10次/s(软件可设定)；BX51低温显微镜，日本奥林巴斯株式会社生产，UIS2光学系统，放大范围：100～1000倍；Micro Publisher 5.0 RTV摄像机，日本奥林巴斯株式会社生产，传感器为Sony ICX282 Progressive Scan Interline CCD，分辨率为2560×1920@36bit；BCS196低温台，英国Linkam Scientific Instruments，液氮降温，温度范围：-196～125 ℃，加热/冷冻速率：0.01～150 ℃/min，温度精度0.01 ℃；VT1000S型振动切片机，Leica Biosystems生产，振动频率：0～100 Hz，进刀速度：0.025～2.5 mm/s,振幅：0.2～1 mm；图象处理软件：AutoCAD。

1.3 实验方法

1.3.1 实验台的搭建

实验装置简图如图1所示。本实验装置主要由磁场发生装置、低温控制台和数据采集系统组成。首先磁场发生装置由亥姆赫兹线圈和电源组成，亥姆赫兹线圈采用的是耐热等级达到180 ℃，总共625匝的聚氨酯漆包圆铜线，线圈间距离及线圈内径均为80 mm。直流电源部分采用的是香港龙威公司生产的LW-6405KDS型连续可调直流稳压电源。其最大支持64 V，5 A的直流电源输出。本电源采用PWM+线性调节技术，可以实现电压和电流从最小值0到最大值之间的无级连续可调。进而通过控制输出电压的大小来控制磁场区域内场强的大小。低温控制台由三部分组成：液氮杜瓦瓶、冷热台和控制系统(内含液氮泵)。采用液氮降温且降温速率由程序严格控制，使得降温过程能够严格按照设定好的降温曲线来进行，相比于文献[10]、[14]中采用速冻库(即用制冷机组)来进行冷却更精确，因为采用制冷机组不可避免库内会有温度波动，影响实验过程。温度的采集由A级的Pt100铂电阻进行实时测量。图像采集系统选用Micro Publisher 5.0 RTV型摄像机，通过数据线与实验用计算机相连接，将拍摄到的实验数据图像实时传送至计算机端。

1计算机2直流稳压电源3交流电源4 Linkam控制台 5液氮杜瓦瓶6亥姆霍兹线圈7奥林巴斯BX51显微镜 8 Micropublisher摄像机(CCD)9 Linkam BCS196冷热台 10特斯拉计图1 实验系统原理图Fig.1 The schematic diagram of the experimental system

1.3.2 对照组(无磁场)实验具体步骤

1)选取市售干净、完整、无机械损伤、新鲜的洋葱若干。

2)将上述洋葱取第三层果肉，切成0.5 cm×0.5 cm的方块，厚度根据所选洋葱本身厚度不再进行切割。

3)将上述处理过的洋葱材料再用切片机VT1000S进行切片，切片厚度约为60 μm，舍弃外层果肉，在切片过程中可能会破坏细胞或造成一定挤压，在细胞的选取上要注意选取完整、饱满、清晰的细胞进行观察。

4)将上述切片置于盖玻片上，移液器滴定一滴蒸馏水(20 μL)到盖玻片上对细胞进行引流以消除气泡的存在，细胞会吸取少量水到细胞内，稀释细胞内液浓度，此时细胞内浓度低于细胞外浓度，一部分细胞外液会渗透到细胞内，造成细胞体积一定程度的增大，再用镊子夹持放置于低温台中央圆形基座上，盖好冷台的密封盖。

5)开启Linkam低温台控制系统，打开显微镜灯光，调焦至视野清晰，放大倍数选择200倍，选取最佳观察视野。

6)在实验系统计算机上打开Linkam低温控制软件，设定降温曲线和相关拍照设置，由于冻结相变过程均发生在0 ℃以下，为节省时间，温度降到0 ℃以前冻结速率较快，而相变过程又太快，为了放慢以便于观察整个相变过程，选用如表1所示降温曲线，然后开始冻结并录像。

7)重复上述实验10次。

表1 实验所采用的降温曲线

1.3.3 实验组(磁场组)具体操作步骤

1)～5)同对照组。

6)将已经制作好的亥姆霍兹线圈安装在显微镜冷台两侧，固定高度和水平位置，打开磁场系统相关开关和电源，用特斯拉计检测目标区域磁场强度，调节直流电源直至目标区域磁场强度达到要求。本实验选取的磁场强度为4.6 Gs，9 Gs，18 Gs，36 Gs，72 Gs。

7)将上述磁场开机预热10 min，由于漆包铜线温度上升达到热平衡，电阻减小，势必会造成场强下降，因此此时需对磁场电源进行再调节，以满足所设目标区域磁场强度要求。

8)～9)同对照组6)～7)。

2 实验结果与分析

2.1 洋葱细胞冻结过程中的图像分析

2.1.1 对照组洋葱细胞冻结过程显微图像分析

图2所示为对照组洋葱细胞组织冻结过程的显微图像。将样品切片放到低温冷台上，利用显微镜自带摄像机拍摄图片自动记录当前的时间和温度。上述显微图片中，第一张是实验开始时的细胞状态，第二张代表相变过程开始的状态，第三张到第五张代表相变过程中的细胞和冰晶的变化状态，最后一张为相变过程结束时的状态。从上述冻结过程可知：相变过程开始时细胞图像会突然变暗，很容易判断冰点温度，然后图中会出现很多小的“冰种”，呈现圆形或椭圆形，慢慢生长渐渐变大，随后与相邻的“冰种”相结合汇成大的冰晶。期间冰晶体积膨胀会挤压细胞组织，导致细胞间隙的水分和细胞内被挤出的水分在组织间流动，并慢慢凝固，最终使图像变暗。

图2 洋葱冻结过程(无磁场)Fig.2 The freezing process of onion (no MF)

2.1.2 不同场强作用下洋葱细胞冻结过程显微图像分析

对于磁场作用下的冻结过程，兼顾篇幅限制，现只列出洋葱细胞在不同场强作用冻结终了时的显微图像。观察图2和图3可知，无磁场作用下，细胞相变过程产生的冰晶较大，呈现刀片状，冰晶长度基本和显微图像上细胞的宽度相当；有磁场作用下所产生的冰晶大小普遍比无磁场作用下小，直流磁场作用下多呈现轻薄繁密而且很小的鳞片状；随着场强的增大，鳞片状的程度更明显，且鳞片减小。这表明：在细胞冻结过程中，磁场能够抑制核化过程中冰晶生长，相对于对照组(无磁场作用)避免形成过大的冰晶。在果蔬冷藏保鲜过程中，磁场表现出来的抑制冰晶生长的作用能够保护细胞膜，从而有利于保持果蔬营养成分和水分，保持果蔬新鲜感和高品质。

图3 洋葱在各种磁场下冻结终了时刻显微图像Fig.3 The images of onion cells at the end of freezing with different magnetic fields

2.2 细胞变形的理论计算

冷冻冷藏过程中果蔬的细胞大小和细胞形态随着相变的进行必然会发生变化，而这种变化正是导致果蔬品质下降的根本原因。针对上述细胞变化情况，在前人研究经验[15-17]的基础上，提出了无量纲参数“细胞二维保持率ζ”的概念。

图4 细胞变形的理论计算模型Fig.4 The theoretical computational model for cell deformation

如图4所示，计算中将果蔬细胞近似为椭圆处理，仅考察二维平面内的大小和形态变化，大小变化用当量半径(equivalent radius)rE的变化衡量；定义θ为形态变化参量，以椭圆半长轴rL和半短轴rS的比值衡量，即：

(1)

(2)

(3)

式中：rE和θ分别为相变过程结束后的当量直径和形态参量(即椭圆的半长轴与半短轴之比)，表征形态变化程度。那么如此定义下的细胞二维保持率ζ既和大小变化相关又和形态变化相关，无量纲参数ζ的数值就代表了不同冻结方式下果蔬细胞保持原来的形态和大小的能力。

由此定义无量纲评价参数Γ：

(4)

式中：Γ为针对某一种特定的磁场强度大量实验下的冻结效果对细胞组织的损害程度；n为样本容量，即独立实验进行的次数(n>0)。

表2 洋葱细胞在各种磁场下冻结的无量纲参数

由表2可知：与无场强作用相比，实验场强范围内细胞形态的保持率更好，损害程度更低。随着磁场强度的增强，细胞形态保持率逐渐变小，无量纲评价参数逐渐变大，在4.6 Gs存在最优极值，但在实验场强范围内洋葱细胞都始终优于无磁场的状况。目前做植物细胞体积计算研究的寥寥无几，对于果蔬细胞体积计算方法还不太成熟，为减少大量的计算并快速计算，研究中将根据观察到的细胞形态近似为椭球体来处理，已知两个长短轴的大小，均小于或在两个数量级左右，则椭球的第三空间轴可近似取为两个数量级的大小，得出上述所示洋葱细胞体积分别为：3.39×106μm3、2.64×106μm3。文献[18]在研究10种甲藻类细胞体积后指出其细胞体积介于2.97×102～4.5×104μm3。文献[17]在对胡萝卜细胞进行体积计算时得出细胞体积为0.8×105～4×105μm3，由于植物细胞的品种、种类不同，细胞的大小肯定会有差异，计算所得细胞体积均在合理范围内，因此获得二维椭圆模型的方法误差在合理的范围内。

图5 洋葱细胞在不同磁场强度下冻结的过冷度Fig.5 The supercooling degree of onion cells frozen with different magnetic field strengths

图6 洋葱细胞在不同磁场强度下冻结的相变时间Fig.6 The phase-change duration of onion cells with different magnetic field strengths

由图5和图6可知：洋葱细胞冻结过程中，磁场都使洋葱细胞的过冷度增大，相变过程推迟，相变时间缩短。在实验磁场强度范围内，随着磁场强度的增大，洋葱细胞冻结的过冷度逐渐降低，但最终都没有低于无磁场作用下的过冷度，相变时间逐渐缩短。磁场对洋葱细胞相变过程的推迟作用及相变时间的缩短均利于洋葱细胞通过最大冰晶生成带的时间缩短，使果蔬细胞快速通过最大冰晶生成带，在此情况下细胞组织中产生的冰晶尺寸会偏小，分布更均匀，对细胞膜和细胞器的破坏作用就越小，有利于果蔬营养和风味的保持。

3 结论

1)在实验磁场强度范围内，不同强度直流磁场辅助冻结作用下发现：洋葱细胞冰晶的形成多呈现轻薄繁密而且很小的鳞片状；而且随着场强的增大，鳞片状的程度更明显，鳞片减小。在细胞冻结过程中，避免形成过大的冰晶，利于保持果蔬营养成分和水分。

2)在实验场强范围内，随着磁场强度的增大，洋葱细胞的相变时间逐渐缩短，过冷度也逐渐变现小，但都始终高于无磁场的洋葱过冷度。

3)在实验结果处理过程中提出了“无量纲参数Γ”和“细胞二维保持率ζ”两个参数来判断冻结对细胞的影响，在实验强度范围内，在整个实验场强内的“细胞二维保持率ζ”始终大于无磁场中的“细胞二维保持率ζ”。

本文受四川省科技支撑(2015N20071)，公益性行业(农业)专项(201303083-1-4)和天津市科技支撑(142CZDNC00016)项目资助。(The project was supported by the Science and Technology of Sichuan Province of China (No. 2015N20071), the Public Welfare Industry (Agriculture) (No. 201303083-1-4) and the Science and Technology of Tianjin(No. 142CZDNC00016).)

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About the corresponding author

Liu Bin, male, professor, Department of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, +86 22-26667502, E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn. Research fields: logistics technology of cold chain.

Effect of DC Magnetic Field on Freezing Process of Onion Cells

Song Jianfei1Liu Bin1Guan Wenqiang2Zhang Dequan2

(1.Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China；2. Institute of Agro-products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agriculture Science, Beijing, 100193，China)

In order to explore the effect of DC electromagnetic field of different field strengths on the shape and size of cells and ice crystals during the freezing phase transformation process of plant tissue cells, the third layers of onion cut into squares of 0.5 cm×0.5 cm were studied. Put the onion slices on the cold platform and the cooling rate of the experiment was: 10 ℃/min before 0 ℃, 3 ℃/min after 0 ℃, and the final temperature was -25 ℃, the DC magnetic field strengths were 0 Gs (the control group) , 4.6 Gs, 18 Gs, 36 Gs, 72 Gs respectively. In the experiment, the changes of morphology of the cells and ice crystals under different strengths were observed, and the index of "two-dimensional cell retention rate ζ" was put forward to evaluate fruit and vegetable cells′ freezing effect. AutoCAD software was used to calculate the micrograph and the value of ζ. The results show that the magnetic field assisted freezing of the onion cells can make the formation of ice crystals tend to atomization and sand grains, which can inhibit the growth of ice crystals, thus reduce the size of the ice crystals, and it will also be more conducive to maintain the original cell morphology and decrease the cell damage rate. With the increasing of the magnetic field strength, phase transformation time of the onion cells decreases, supercooling degree decreases gradually, but it is always higher than that of non magnetic field.

food processing technology; DC magnetic field freezing; morphology of ice crystals and cells; onion

0253- 4339(2016) 02- 0107- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.107

2015年8月27日

TQ028.6+1; TS255.3

A

简介

刘斌，男，教授，天津商业大学制冷与空调工程系，(022)26667502， E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn。研究方向：低温物流技术。