交变磁场抑制葡萄冻害机理分析及试验研究

韩馨仪，赵松松，刘 斌，关文强，马胜涛，闫浩欧

(1.天津商业大学 机械工程学院 天津市制冷技术重点实验室/工程热物理基础和工程国际联合研究中心，天津 300400；2.天津商业大学 生物技术与食品科学学院，天津 300400；3.石家庄邮电职业技术学院，河北 石家庄 050030)

近年来越来越多的学者提出冰温冷藏和超冰温保鲜技术以延长新鲜食物的保质期［1］。通过降低温度减缓生物体新陈代谢，抑制有害化学反应、微生物及其他病原体的生长来延长食物保存期。温度越低，化学反应速度越慢，保存效果越好。但当贮藏温度过低，超过果蔬自身抗寒冷极限温度点时，会引起果蔬冻害，反而不利于保鲜。果蔬受冻害后组织呈水渍状，继而变成透明或半透明状，结冰的组织液体积膨胀，果蔬部分细胞被冰晶胀破后致使细胞膜通透性迅速升高，引发细胞凋亡，待果蔬温度升高后，大量组织液渗出，严重降低果蔬品质［2］。相关研究表明：细胞内部与外部结晶都可以引起果蔬升温后的组织软化［3］，因此降低低温环境下果蔬组织液结晶速率、减小晶体尺寸可以有效降低果蔬冻害损伤。

目前常见的抑制果蔬冻害方法是通过化学试剂增加植物中可溶性碳水化合物、改良细胞壁和膜脂成分、改变基因表达和蛋白质合成以及增强酚类化合物和植物抗氧化能力等可有效避免或减缓冰晶的形成，并最终提高抗寒性［4］。Hulya Turk等［5］探究肉碱对适宜低温条件下玉米幼苗生长的生理生化和分子基础。研究表明，肉碱通过改变膜中饱和与不饱和脂肪酸的比例及改善幼苗抗氧化系统，以保护细胞膜免受冷压力造成的损伤，提高植物的耐寒性。Mohammadmehdi Norozi等［6］进行实验，在树木上喷洒不同浓度的硫酸钾和硫酸锌溶液，并将树枝暴露在3种不同的低温环境下（0、-2和-4 ℃），研究钾、锌对开心果树木春季冻害的影响。结果表明，施用硫酸钾和硫酸锌可以降低低温试验后花卉过氧化氢（H2O2）和丙二醛（MDA）的含量，提高花卉的抗寒性。其中1%K2SO4+1%ZnSO4处理效果最明显。然而利用化学处理存在试剂残留的风险，对人类身体健康存在副作用。此外，有研究发现利用电磁处理能够缩短冷冻时间，并在整个冷冻产品中产生微小的冰晶，能有效降低结晶对细胞组织的伤害，减轻冻害损伤。Choi等［7］进行磁场对于牛肉冷冻过程中冰晶形成大小以及解冻后品质影响的实验研究，结果发现经过磁场处理的牛肉在冷冻时冰晶形成的速率低于风冷处理，并且解冻后牛肉的损失更小。Dalvi Isfahan等［8］研究发现电磁处理有利于冰晶的二次成核，减小冰晶尺寸，降低冻结速率，对于抑制冻害效果明显。基于磁场生物效应，磁场处理对于生物体新陈代谢、降低细胞膜通透性及提高相关酶活性等方面也具有积极影响［9］。磁场还可以降低微生物生长速率和抑制腐败菌的生长繁殖［10］。综上，磁场处理作为1种安全有效无污染的辅助加工技术，不仅对果蔬保鲜方面影响显著，对于抑制果蔬冻害方面也具有深远的研究前景。

本文基于果蔬低温贮藏及结晶理论开展磁场对于抑制冻害的机理及试验研究。葡萄作为1种耐冷水果，贮藏温度在-1 ℃至0 ℃。但由于温度控制波动等因素易造成葡萄冻害损伤［11-12］，导致经济损失严重，为此进行低温电磁抑制葡萄冻害的试验研究及机理分析具有重要的现实意义。

1 低温电磁保鲜系统

低温电磁保鲜系统由制冷系统、冷藏库、电磁处理系统及控制系统等其他配件构成。电磁处理系统由亥姆霍兹线圈、稳压交流电源及特斯拉计等部件构成。基于毕奥-萨伐尔定律，亥姆霍兹线圈电磁场的沿y轴方向的磁感应强度及磁能密度满足公式(1)：

式中：μ0为真空磁导率(4π×10-7N/A2)；N为线圈匝数(600)；I为导线电流，A；R为线圈有效半径，m；wm为磁能密度，J/m3；B为磁感应强度，T(104Gs)；μ为生物组织的磁导率，H/m。

为建立适宜强度电磁场优化设计参数，利用COMSOL建立三维亥姆霍兹磁场发生器物理模型（Ψi线圈内经=300 mm；Ψe线圈外径=420 mm；L线圈间距=130 mm；δ线圈厚度=50 mm），自由剖分四面体网格后，选用电磁物理场进行稳态计算，仿真结果显示：当线圈电流为3 A时，可在模型的中心点处(0,0,0)产生103.5 Gs的电磁感应强度，磁能密度为41.2 J/m3，如图1所示，磁场发生装置中心区域的磁场均匀性较好，可有效提高生物电磁效应与磁感应强度关系研究的精确性。实验测试结果显示：当电流为3 A时，磁场中心处磁感应强度为92.4 Gs，与仿真结果(103.5 Gs)的吻合度较高，其误差仅为10.7%。

图1 磁感应强度均匀性仿真Fig.1 Simulation of magnetic induction intensity uniformity

2 材料及方法

2.1 实验材料

选择果形完整，大小均一，无机械损伤、异味和病虫害的葡萄(品种：‘巨峰’)作为试验材料，采后的新鲜葡萄立即由天津本地种植园冷藏运输至实验室，保持其90%成熟度。将葡萄平均分为3组，其中CK对照组不做任何处理，AMCT组为交变磁场连续处理组，磁感应强度为20 Gs，频率为60 Hz。AMIT为交变磁场间歇处理组，1 d中有12 h进行磁场处理，剩余12 h不做任何处理，磁感应强度为20 Gs，频率为60 Hz。葡萄的贮藏条件：冷藏温度为(-2.5±0.2) ℃，相对湿度为(90±3.0)%。每间隔2 d测试相应的理化指标。采用IBM SPSS Statistics 20.0数据分析软件，进行方差分析及数据差异显著性分析(P=0.05)。

2.2 测试指标：

2.2.1 冰点测试 取葡萄颗粒样本研碎，用双层纱布过滤，取50 mL滤液置于100 mL小烧杯中。将小烧杯置于-6 ℃的恒温水浴中，插入二级标准水银温度计于滤液中，温度计的水银球必须浸在样本滤液中，并不断轻轻搅拌滤液，每间隔10 s记录温度值1次，直到滤液完全结冰为止。

2.2.2 过冷度及相变潜热 利用差示扫描量热仪(DSC型号：梅特勒)进行葡萄组织液过冷度及相变潜热的测量。取葡萄样本研磨过滤获得组织滤液，取10 mg左右的滤液进行测定，设定降温区间为-24～0 ℃，降温速率为2 K/min，经过DSC热分析获得相应的指标，测试3次取平均值。

2.2.3 色差 选择表面颜色一致的葡萄颗粒作为测试样本，并在样本的赤道中心附近标记小圆，作为色差评估区域，每间隔2 d测试1次，以各组计算后色差平均值为分析参考。利用色差计(型号：WSC-S，稳定性：△Y≤0.6)的亨特L.a.b表色系统对其进行色差计算，其色差计算方法如式(2)所示：

式中：ΔE为色差；L为亮度值；a为红绿度值；b为黄蓝度值；角标“int”表示均匀色差参考物。

2.2.4 丙二醛(MDA) 称取1.0 g葡萄果肉样本，加入5.0 mL TCA溶液，离心后取2 mL上清液加入2 mL的TBA溶液，混合后放入沸水中煮沸，利用紫外分光光度计(UV759)分别测试混合液在450、532和600 nm波长下的吸光度。取6个样本的平均值分析。MDA含量的计算公式如下：

式中：CMDA为反应混合物丙二醛浓度，μmol/g；OD450、OD532、OD600分 别 为450、532、600 nm波长处吸光度值；Vt为样品提取液总体积，mL；Vr为反应液总体积，mL；Vs为测定时所取提取液体积，mL；W为样品质量，g。

2.2.5 过氧化氢酶活性（CAT） 称取1.0 g葡萄组织样本，加入5.0 mL的磷酸钠缓冲液，离心后取1支试管加入2.9 mL 20 mmol/L H2O2和0.1 mL酶提取液，利用紫外分光光度计测试样本在240 nm波长下的吸光度值。CAT活性计算如公式(4)所示：

式中：ΔOD240为每分钟反应吸光度变化值；OD240F为反应混合物液吸光度终止值；OD240I为反应混合物液吸光度初始值；tF为反应终止时间，min；tI为反应初始时间，min；U为活性单位，ΔOD240/min·g；V为样品提取液体积，mL；Vs为测定时所取样品提取液体积，mL；m为样品质量，g。

2.2.6 酸碱度（pH） 采用酸碱度计(上海佑科PHB-8)对葡萄组织液直接进行测量。由于pH值往往受溶液的浓度及温度影响较大，测量时应保证果蔬组织液的温度保持在25 ℃的恒温状态。

2.2.7 多酚氧化酶(PPO) 称取1.0 g的葡萄果肉组织样本，加入5.0 mL提取缓冲液，离心后取1支试管加入4.0 mL的乙酸-乙酸钠缓冲液和1.0 mL邻苯二酚溶液，最后加入100 μL酶提取液，利用紫外分光光度计测试样液在420 nm波长下的吸光度值。取6个样本的平均值分析。PPO活性计算如公式(5)所示：

式中：ΔOD420为每分钟反应吸光度变化值；OD420F为反应混合物液吸光度终止值；OD420I为反应混合物液吸光度初始值；tF为反应终止时间，min；tI为反应初始时间，min；U为活性单位，ΔOD420/min·g；V为样品提取液体积，mL；Vs为测定时所取样品提取液体积，mL；W为样品质量，g。

3 结果与分析

3.1 生理指标

根据冰点测量方法测量出葡萄的冰点温度为-2.2 ℃左右，葡萄样本组织液在温度计的轻轻搅拌下出现了过冷现象，在-3.2 ℃左右时出现结冰随后温度迅速升高至冰点温度，并维持大约3 min左右恒温后温度逐渐下降，因此葡萄贮藏温度不宜低于-3 ℃，否则可能会造成葡萄组织冻害。如图2所示。

图2 磁场对葡萄结晶温度与相变潜热的影响Fig.2 Effect of magnetic field on the freezing temperature and heat of phase transformation of the grape

当磁场强度一定时，频率对葡萄组织液结晶温度的影响并非线性的，表现出多极值效应；随着磁场强度的提高，结晶温度先降低后升高，其中B=40 Gs，f=80 Hz时，葡萄组织液的结晶温度最低（-18.8 ℃），相比对照组（-14.0 ℃），其过冷度提高了4.8 ℃。组织液电磁处理后过冷度升高的原因可能是交变磁场产生变化的磁场力，使组织液内部的极性分子处于1种持续的振动状态，从而抑制了冰晶的形成，使组织液的过冷度升高。因此葡萄组织液的实际结晶温度降低，可有效避免由于贮藏温度过低引发的组织结晶现象［13］。针对相变潜热的研究表明：电磁处理会使葡萄组织液的相变潜热略微降低。这可能是由于磁场作用使组织液内部水分子的氢键断裂，从而降低了水分子阶跃的活化能，致使相变潜热降低，结晶速率升高。组织液的快速冻结反而有利于降低冰晶尺寸，减小细胞被冰晶胀破的几率［14］。

如图3所示：随着贮藏时间的延长，各组色差值逐渐增大，贮藏第5天开始，CK组分别与AMCT组和AMIT组之间表现出了明显的差异性(P＜0.05)，且AMIT组的色差值明显小于AMCT组，然而AMIT组色差与AMCT组在贮藏后期并没有明显的差异(P＞0.05)。贮藏最后1 d的数据显示：AMIT组的色差仅为CK组的83.1%，表明电磁间歇处理组在抑制葡萄表皮颜色变化方面表现突出。实验结果表明：电磁处理可以影响多酚氧化酶(PPO)的活性，从而抑制葡萄色差的变化。

图3 不同磁场处理方法对葡萄色差的影响Fig.3 Effect of different electromagnetic treatment methods on color difference of grapes

3.2 生化指标

pH的变化会影响细胞膜的流动性及其蛋白结构与功能［15］，因此维持葡萄组织的pH值稳定性有利于其保鲜品质。如图4所示：各组的pH值迅速升高，贮藏第3天后开始有所下降，但下降幅度不明显，直到贮藏7 d后，各pH值再次升高。实验数据显示：相比对照组，电磁处理能够明显地抑制葡萄pH值升高(P＜0.05)，尤其是在贮藏第3天时，AMIT的pH值比对照组低0.3左右，比AMCT组低0.1左右，但AMIT组与AMCT组差异性并不显著。由于葡萄含有果酸，可使其呈现酸性，极性水分子及离子在交变磁场作用下频繁振动，因此推断可能是磁场处理影响了果酸分子中的化学键稳定性从而产生更多的酸根离子，从而影响细胞组织液的pH值［16］。

图4 不同电磁处理方法对葡萄酸碱度的影响Fig.4 Effect of different electromagnetic treatment methods on pH value of grapes

如图5所示：

图5 不同电磁处理方法对葡萄MDA含量的影响Fig.5 Effect of different electromagnetic treatment methods on MDA content of grapes

贮藏前5 d，各组的MDA含量持续升高，随后略微降低，并再次升高，整个贮藏期间电磁处理组(AMCT组和AMIT组)的MDA含量与CK组均表现出明显的差异(P＜0.05)，而AMCT组与AMIT组之间仅在第3天时有显著性差异(P＜0.05)，其他贮藏期并未出现明显差异(P＞0.05)。贮藏最后1 d的数据显示：AMIT组的MDA含量仅为CK组的88.2%，是AMCT组的96.2%，相比对比组，交变电磁连续和间歇处理组的MDA含量均相对较低，表明交变电磁处理能够抑制外界逆变环境对葡萄造成的过氧化损害。在贮藏前期电磁连续处理优于间歇处理，而贮藏后期效果相反，这可能是磁场作用时间的延迟性引起的，即电磁连续处理更快达到最佳的电磁处理时间，从而有效抑制膜脂过氧化反应，而电磁间歇处理需要更长的贮藏时间才能起到有效的磁化效应［17］。

如图6所示：各组的CAT活性变化趋势不尽相同，虽然总体呈上升趋势，但变化幅度较小，在贮藏第3天时，AMIT的CAT活性明显高于CK和AMCT组(P＜0.05)，然而该优势并没有保持至贮藏结束，最后1 d结果显示：CK组与AMCT组的MDA含量无明显差异(P＞0.05)，而AMIT组CAT活性却明显低于其他两组，原因可能是CAT酶活性主要受温度影响的程度较高，低温环境下，酶活性被明显抑制，交变磁场作用效果不明显，然而交变磁场间歇处理使外界贮藏环境发生间歇变化，从而激发酶活性，出现了短暂的活性升高趋势，随后由于电磁间歇处理次数增加，不利于CAT的稳定性，可能引发了CAT的应激分解［18］。

如图7所示：

相比对照组，在贮藏前期电磁处理组具有较高的PPO活性，但并未表现出明显差异(P＞0.05)，贮藏5 d后，电磁处理组的PPO活性迅速降低，在贮藏最后1 d时，电磁处理组与对照组差异性显著(P＜0.05)，数据显示：AMIT组PPO活性仅为CK组的88.4%，而AMIT组与AMCT组无明显差异(P＞0.05)。PPO活性降低可有效减慢果蔬体内酚类物质的催化效率，延缓葡萄褐变速率，交变磁场对于PPO的抑制作用可能是含铜离子的辅基在交变磁场作用下产生构像改变，使酶活性有所下降［19］。贮藏初期时电磁处理使得PPO活性有所升高，原因可能是交变磁场的热效应引起的酶活性升高，伴随着作用时间的延长，电磁生物效应逐渐体现出来，从而抑制了PPO活性的升高。

4 结论

本课题组基于交变磁场的电磁热效应及生物磁效应，探索了低温贮藏期间交变电磁连续处理与交变电磁间歇处理对葡萄冻害的抑制机理。

（1）基于亥姆霍兹线圈理论和毕奥-萨伐尔定律，利用COMSOL建立三维匀强磁场仿真模型。通过对磁感应强度和磁能密度物理场仿真，优化电磁场强度参数，建立了1种低温电磁保鲜系统，测量磁感应强度与仿真结果误差为10.7%。

（2）测量不同磁场强度（B=10、20、40、60和80 Gs）及频率（f=40、80、120和160 Hz）处理下葡萄的结晶温度及相变潜热发现，适宜的交变磁场可有效增加组织液的过冷度，其中在B=40 Gs，f=80 Hz处理下效果最为明显，葡萄组织液过冷度提高4.84 ℃，避免葡萄组织过早结晶，降低冻害几率。

（3）本试验选取对葡萄组织液相变潜热影响较小，同时能够有效提高组织液过冷度的磁场处理条件（B=20 Gs，f=60 Hz），在该条件下对葡萄进行交变磁场连续(AMCT)与间歇(AMIT)处理，并在冷藏温度为（-2.5±0.2）℃，相对湿度为(90±3.0)%环境下贮藏，探究磁场处理对葡萄贮藏品质的影响。结果表明：交变磁场间歇处理对于抑制葡萄冻害效果更好，其中AMIT组的色差和PPO活性分别为CK组的83.1%和88.4%，MDA含量是CK组的88.2%，是AMCT组的96.2%。交变磁场连续与间歇处理对葡萄贮藏品质影响差异并不明显。

（4）本课题组仅对有限的磁场处理强度进行试验，随后的研究可扩大不同的磁场强度及频率开展试验，为探究交变磁场抑制果蔬冻害影响奠定理论及试验基础。