冰箱电场微冻保鲜技术研究

钟明 胡海梅 陈开松

长虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

作为一种继冷藏和冷冻技术之后的新型保鲜方法，微冻技术是指在生物体冰点和冰点以下1～2℃之间的温度带进行轻度冷冻保藏，也叫部分冷冻和过冷却冷藏。若不超过生物体的低温可耐受极限，微冻状态下贮藏既能较大程度地抑制生物体内生化降解等劣变反应和微生物繁殖生长，延长其保鲜期，又能够保持生物体细胞的活体状态，不至于造成冷害损伤。此外，产品表面和内部形成的少量冰晶，还可作为蓄冷剂，短暂维持贮藏温度平衡，提高机械强度，增强抗震压能力，有利于食品一刀切[1]。

微冻保鲜的基本原理是将食品温度降低至初始冻结点以下，食品中5%～30%的水分冻结成冰，未冻结部分溶液的细胞液浓度、渗透压增加，可有效抑制微生物生长，同时低温也可抑制食品中酶的活性，减少酶对体内有机物质的分解，使产品在较长时间内保持原有的品质及鲜度。此外，在这个温度范围内，食品表面能形成1～3mm厚的薄冰层，维持食品在贮藏和运输期间温度的稳定，同时食品内部形成颗粒微细均匀的小冰晶，对肌肉组织造成的机械损伤小，不会导致细胞破裂，食品解冻后汁液流失少，表面色泽好，最大可能地保持了食品原有的鲜度[2]。宋华静等人的研究显示，鲜猪肉在-2℃下贮藏期限可达20d以上[3]。彭涛的研究显示，-2±1℃的贮藏环境下，猪肉贮藏25天为二级鲜肉[4]。孙凯旋[5]等人的研究显示，-5℃保存14天的牛肉为二级鲜肉，但在-3℃的牛肉剪切力较小，易切割。

研究发现，水是唯一以三种物理状态广泛存在的物质，水对于生命是必需的。绝大多数食品都离不开水，水在食品中的含量或多或少，存在的方式千差万别，它会与食品中的其他成分发生化学或物理作用。若能利用所有新鲜食品都含有水分这一共性，采用有效方法调动食品内水分的活性，定能对所有新鲜食品的保鲜都起到非常好的效果。

2011年Chang-Wei Hsieh等[6]人研究了高压静电场在罗非鱼肉冷藏过程中对其质量的影响。结果显示：高压静电场冷藏条件下罗非鱼肉的K值、微生物生长速度、挥发性盐基氮明显低于普通冰箱。同时，感官评估还表明，电场环境下冷藏的罗非鱼肉比普通冷藏环境中的质量有明显提高。2013年法国E.Xanthakis等[7]研究了高压静电场对猪肉冷冻过程中减小冰晶大小的作用。结果显示：在高压静电场作用下冻结猪里脊肉，可以明显改善肉类的微观结构，电场大小决定冰晶大小及过冷度。2016年日本Takako Ninagawa等[8]研究了植物冷却过程中微电流对植物组织细胞冰晶形成行为和p H的影响。结果显示：负载微电流不仅降低了植物细胞内冰晶的细胞变形和晶粒大小，也减小了细胞内pH值的下降。2017年中国农科院李侠等[9]人研究了低压静电场下不同隔距冻结—解冻对牛肉品质的影响。结果显示，与对照组相比，试验组肉样解冻后肌肉微观结构遭破坏的程度较轻，肌纤维束排列相对紧密。

由上述分析可得，合适频率的电场保鲜与食品内水分子产生共振，从而抑制微生物生长，具有杀菌、分解乙烯、抑制食品酶的活性、增加细胞膜通透性的作用，大幅减少了细胞液和鲜味成分的流失，达到食品保鲜的目的。本文利用电场保鲜技术结合微冻保鲜技术对牛肉货架期及易切性进行研究。

2 材料与方法

2.1 材料

牛里脊肉购自合肥市滨湖永辉超市，化学试剂购自上海化学试剂有限公司。

2.2 仪器与设备

全自动凯氏定氮仪：上海祎宏设备有限公司；电子眼：法国阿默斯公司；CR-400 色差仪：日本柯尼卡美能达公司；Quanta200FEG场发射环境扫描电子显微镜：日本日立公司；BCD-520WUP9BA十字对开冰箱：长虹美菱股份有限公司。

2.3 样品准备

将购买的牛里脊肉分割成10cm×10cm×6cm约500g的牛肉块共8块，平整放入食品级密实袋中。放入冰箱，测定其7天、14天、21天、28天的实验指标。

表1 微冻牛肉感官指标评分标准

表2 待测区电场强度分布

表3 牛肉感官评分结果

图1 实验载体冰箱

图2 实验食品中心温度曲线

图3 实验食品照片

图4 实验食品红度值变化曲线图

图5 实验食品挥发性盐基氮含量变化图

2.4 冰箱电场强度及温度测试

2.4.1 冰箱电场强度测试

两台美菱BCD-520WUP9BA：一台冰箱去掉保鲜模块（普通冰箱），一台冰箱保留保鲜模块（保鲜冰箱），两台冰箱进行电场微冻保鲜对比测试。利用电场测试仪FLUKE177C对保鲜模块进行电场强度测试。

2.4.2 冰箱温度测试

利用热电偶实时监测冰箱空气及食品中心温度的温度变化。

2.5 感官检测

从外观、气味、弹性、切感几个方面对牛肉进行评分，评分标准如表1所示。

2.6 色差检测

用色差仪测定a*值（红度），每个样品测量3个点，取平均值。

2.7 挥发性盐基氮检测

按照《GB 5009.228-2016 食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》中的自动凯氏定氮仪法，测定三次，取平均值。

2.8 扫描电镜测试牛肉微观结构

利用扫描电镜（scanning electron micrograph, SEM）观察肌原纤维的直径和密度。将待检测样品切成大小为2mm×2mm×5mm的小条并固定在2.5%戊二醛溶液中，然后用0.1mol·L-1的磷酸盐缓冲液（pH 7.3）冲洗，在室温（27～28℃）放置2h后将样品用蒸馏水冲洗，随后采用不同浓度（25%、50%、70%和95%）及无水乙醇梯度脱水2次，每次1h。将样品在液氮中冷冻断裂后放入超临界CO2干燥仪中干燥，然后用Eiko IB·5型离子溅射喷金仪喷金，用Quanta200FEG场发射环境扫描电子显微镜观察并照相，加速电压20kV。

3 结果与分析

3.1 冰箱电场强度及温度测试结果

3.1.1 冰箱电场强度测试结果

将冰箱右下区间的最上层等分为四层，如图1所示。根据测试结果，保鲜冰箱电场强度划分为61～1220v/m的场强范围，具体测试结果如表2所示。

3.1.2 冰箱温度测试结果

将牛肉放入冰箱右下区间的最上层抽屉，利用铜心圆柱测试冰箱间室内空气温度，热电偶测试肉中心温度，使肉中心温度波动控制在-4℃±0.5℃，温度曲线如图2所示。

3.2 感官测试结果

由具有丰富生活经验的7人组成评判小组，经过培训后进行感官评判，去掉最高分和最低分后取其平均值。实验4周后：保鲜冰箱-4℃牛肉色泽鲜艳，外形固定成型，表面有少量微晶；无异味；有弹性；可以轻松切割，如图3所示。两组牛肉的感官评分结果如表3所示，由表中数据可知，保鲜冰箱牛肉感官总体评分为19.4分，明显优于普通冰箱（牛肉感官总体评分为17.7分）。

3.3 色差检测结果

肉色在很大程度上影响着消费者的购买喜好，同时也是肉类感官品质的重要指标之一。根据联合国粮食及农业组织2016年的报道，失色是导致消费者拒绝购买食用肉制品的主要原因，给肉片生产和销售带来了巨大浪费。肉色可通过红度值（a*）来进行衡量，a*对于猪肉、羊肉、牛肉而言，a*值越高，说明肉色越好，肉越新鲜。由图4可知，随着贮藏时间的延长，肉色稳定性不断降低，肌红蛋白和血红蛋白被氧化，失色现象逐渐发生。但是保鲜冰箱中贮藏的肉类红度值下降幅度明显低于普通冰箱中贮藏的肉类。

3.4 挥发性盐基氮测试结果

在保鲜冰箱和普通冰箱的同一位置分别放置四块相同规格的牛肉，每周各取一块牛肉进行其它指标检测后进行挥发性盐基氮含量测试。实验结果如图5所示，实验28天后，保鲜冰箱中的牛肉处于一级新鲜，而普通冰箱中的牛肉处于二级新鲜。

3.5 扫描电镜测试牛肉微观结构

肉的微观结构反应的是食品的弹性及新鲜度，组织结构越紧密，说明牛肉弹性越好，越新鲜。两组牛肉的微观结构如图6所示。实验4周后：普通冰箱-4℃环境下牛肉肌纤维束微观结构已松散，而保鲜冰箱-4℃环境下牛肉肌纤维束微观结构还比较紧密，接近新鲜牛肉。这是因为普通冰箱牛肉冰晶较大，冰晶在形成过程中破坏了牛肉的细胞结构。保鲜冰箱利用电场技术与食品水分子产生裂变力，减小了冰晶的体积，可有效降低对食品的破坏程度。

4 结束语

以牛肉为研究对象，分别将其放置在电场大于60V/m的保鲜冰箱和普通冰箱（二者均处于-4℃条件下）中，从感官评价、色泽变化、新鲜度检测及微观结构分析：实验28天后，保鲜冰箱牛肉明显优于普通冰箱。

（1）保鲜冰箱牛肉感官总体评分为19.4分，普通冰箱牛肉感官总体评分为17.7分，保鲜冰箱明显优于普通冰箱。

图6 新鲜牛肉（左上）普通冰箱牛肉（左下）保鲜冰箱牛肉（右下）微观结构图

（2）保鲜冰箱中牛肉的红度值比第一天减少了13.29%，普通冰箱中牛肉的红度值比第一天减少了37.25%。

（3）保鲜冰箱中的牛肉处于一级新鲜，而普通冰箱中的牛肉处于二级新鲜。

（4）保鲜冰箱中的牛肉肌纤维束微观结构紧密，而普通冰箱中的牛肉肌纤维束微观结构已松散。

本文中保鲜冰箱利用电场保鲜技术，与食品内水分子产生共振，改变水和酶的结合状态，从而降低酶的活性，抑制肌红蛋白和血红蛋白的氧化；同时抑制微生物生长，从而大幅降低其产物与肌红蛋白化合或者使肌红蛋白分解的机会，保留肉类原色，保存食品新鲜度；同时减小冰晶的大小，形成冰沙，从而减小对牛肉细胞的破坏，封存食品营养不流失。