冰箱应用电场保鲜效果的研究

曹 斐 张启花 任 猛 圣 洁

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

营养价值丰富的肉食食品是人类摄取蛋白的重要来源,含有人体必需的营养成分如氨基酸、钙、磷、铁及各种维生素等成分。肉类生产消费过程中,任何不适当的操作和贮运都可能造成肉类的腐败变质[1],食用这样的肉类会危害人类的健康。传统意义上肉类生产和消费中抑制微生物生长繁殖的重要手段之一就是冷藏或冷冻。然而，冷冻肉在冻藏过程中的品质依然会发生一定程度的改变，如色泽变差，汁液流失严重，蛋白质和脂肪氧化加剧，从而使肉类营养价值降低，造成很大的经济损失。

家用电冰箱电场保鲜技术机理主要体现在：抑制电子传递过程，实现酶活以及细胞膜透性，实现代谢过程的抑制。同时电场可破坏较弱的化学键，如维持蛋白结构的氢键，进而实现细菌的抑制剂杀灭。最近研究发现：电场对于不同代谢类型食材保鲜效果影响存在着明显差异[2,3]。目前中国消费者对生鲜肉的需求已不仅仅满足量的需求了，由“量”的满足逐渐向“质”的提高转变,尤其是注重冷却肉的安全卫生品质[4,5]。在冻结解冻过程中会造成食物品质的腐败变质，特别是由于水分渗透性的损失，蛋白质变性和物理损伤等都会引起食品在味道颜色方面发生明显的变化。冻结和解冻方法在保存冷冻食物品质方面起到了一个非常重要的作用。冷冻肉类中冰晶的大小与分布对冷冻肉在解冻过程中的汁液渗出物的多少以及肉类食品的品质及口感影响很大。

研究交变电场对肉类保存效果，通过实验的方式对肉类在不同电场下保鲜效果的验证。主要选取常见肉类之一猪肉来进行实验研究，在降温速率的冷冻过程中，施加不同交变电场以观测对肉类食品水分子保鲜的影响。

1 电场水分子激活原理

水分子激活保鲜技术，即一种频率为 50～60 Hz 的电场保鲜技术，其保鲜原理可能是产生的空间电场使食品水分子产生同频共振，降低生物酶的活性，改善生物膜透性，抑制生成三磷酸腺苷，延缓细胞的新陈代谢，延长食品保鲜期，并且促成水分子结合方式改变，使冰晶形态变小，降低食物细胞组织被破坏程度，减少质量损失和解冻后营养成分的流失。静电场可以使过冷水中的冰成核，该作用已在冷冻生物学中有效地用于降低冷冻过程中的过冷度，以防止细胞内冰的形成[6,7]。

过冷现象：每一种物质都有其自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的。理论结晶温度与实际结晶温度两者的温度差值被称为过冷度。过冷度与结晶成核大小相关，当过冷度较大的时候，成核率的增加的速度比晶核长大的速度要快，可以获得更细晶粒，晶粒越小对食品在冻结、存储、解冻过程中的保鲜效果越好。

2 实验方法及实验结果

2.1 实验场景

实验设置三个典型的低温保存研究场景，冻结、存储、解冻。通过控制冷冻电磁观测台（以下简称冷台）的温度，间接控制样品温度。当样品足够小，样品温度与冷台温度基本保持一致。

1）冻结：冷台以0.67 ℃/min的降温速率从25 ℃降温至-18 ℃。模拟食品从室温环境被放置到家用电冰箱冷冻室中的场景。

2）存储：冷台保持在-18 ℃，并施加一个±2 ℃的温度波动。模拟食品在家用电冰箱冷冻室中存储时的温度波动情况。

3）解冻：冷台从-18 ℃以最快升温速率升至25 ℃。模拟食品从家用电冰箱冷冻室拿到室温环境中解冻的场景。

2.2 实验设备（见表1）

2.3 实验方法

2.3.1 冷冻过程中不同频率电场对溶液过冷度以及冰核数量和冰晶尺寸影响的实验

冷冻肉类食品中形成冰晶的大小与分布对解冻过程中的汁液渗出物以及食品的品质有很大影响。验证不同电场频率对溶液冻结温度的影响以及降温过程中电场对于冰晶形态影响。

1）探究不同电场频率对溶液冻结温度的影响及冰晶形态影响分析

实验样品：生理盐水、去离子水、蔗糖溶液。

观测指标：过冷度，冰核数量及结晶状况。

实验步骤：冷台设置为存储温控程序。使用移液枪取6 μL滴在盖玻片上，用另一片盖玻片将其压紧，放置在两侧贴有铜箔的载玻片上，然后将含有样品的载玻片放置在冷台，通过INSTEC冷台控制温度，使用信号发生器生成电压20 V/频率50 Hz、电压为20 V/频率50 kHz、电压为20 V/500 kHz以及无电场情况。初始温度为4 ℃预冷，将溶液以0.67 ℃/min的降温速率进行冷冻，通过连接显微镜的显示屏观测溶液的冰晶形态和成核数量。

数据处理：存储过程的视频录像对照温度时间图像，观察结晶情况。

2）实验数据及实验图片

通过上述实验，将多次测试得到的实验结果进行数据筛选、取均值处理，电场频率与对应的过冷度数据如表2～4所示。

表3 实验组下浓度为0.5 mol/L的蔗糖溶液的过冷度

通过上述实验研究，得到结晶过程中冰核形成状态如图1～3所示。

3）实验结论

由表2～4中可以看出，冷冻过程中同种溶液在外加交变电场条件下相较于无电场条件的过冷度提高；同时，溶液过冷度随电场频率升高是先提高后减低，说明过高的电场频率对溶液过冷度的抑制作用也会减低，其中频率为50 kHz左右的交变电场过冷度是最好的；50 Hz频率交变电场中的过冷度表现良好。

由图1～3实验结果的显微图像中可以看出，冷冻过程中同种溶液在外加交变电场条件下相较于无电场条件的冰晶数量明显更多，冰晶尺寸也更小；同时，在生理盐水和蔗糖溶液中，50 kHz相较50 Hz频率交变电场中的冰晶数量更多，冰晶尺寸更小。得到以下的结论：外加交变电场对溶液中水分子的冷冻过程中成核温度及冰晶尺寸具有明显抑制作用。同时，由于生理盐水和蔗糖溶液中含有带电粒子，可以在电场作用下发生位移运动，叠加水分子的取向极化，冰晶尺寸在电场作用下的抑制作用相比去离子水更加明显。交变电场的施加对生理盐水的冰核形成具有促进作用，其中施加频率50 kHz电场的效果最为明显，冰核数量明显增加，冰晶的尺寸相对更小。

2.3.2 电场对冻结过程中肉中心温度影响的实验。

因为在不同的电场条件下，肉类冻结与解冻过程较大程度地相似，仅以冻结过程为例，进行实验验证。

1）电场对冻结肉温度的影响

将购买的一块猪里脊肉切成大小，体积约为0.125 cm3，即0.5 cm*0.5 cm*0.5 cm的三块，将其放置为在有铜箔的载玻片上，附上保鲜膜，减少水分的流失。将热电偶分别插入肉块中，对猪里脊肉块进行预冷处理，通过INSTEC冷台控制温度，使用信号发生器生成电压为20 V/频率50 Hz和、电压为20 V/频率50 kHz的交变电场和无电场三种情况，放置肉块以 0.67 ℃/min 降温至-18 ℃。

2）实验数据

以采集点为横坐标，以肉块中心温度为纵坐标绘制成曲线图。对比曲线图之间的差异。三块样品在不同电场下温度曲线如图4所示。

3）实验结论

从上述实验结果的曲线得出，在不施加外部电场的情况下，样品中心温度在 0 ℃附近有一个明显的平台期，即肉类样品的最大冰晶生成带。而在施加电场的样品中心点，明显观测到了相变潜热的放热过程。平台期说明，样品在由外层到内层缓慢冻结，而用热电偶观测到相变潜热的放热过程说明样品内有一定体积溶液的过冷度提高，在同一时刻冻结，这与溶液实验的结果相符合。

3.3.3 电场对不同时长冻结肉失水影响的实验。

新鲜的猪里脊肉肌纤维结构比较完整、排列规律、大小均匀、肌纤维之间的小而均匀整齐，里脊肉组织的整体状态较好，显微镜下如图6所示。肉块经过冻结与解冻过程后出现大量细胞聚集的现象，细胞不均匀，大小不均，细胞之间出现大量间隙。尝试在冻结与解冻过程中增加电场，来观察肉内细胞在此过程中的变化情况。

1）探究电场对不同时长冻结肉失水影响

实验样品：猪里脊肉。

观测指标：猪里脊肉肌纤维变化情况。

将购买的一块猪里脊肉切成体积约为0.125 cm3，即0.5 cm*0.5 cm*0.5 cm的大小，将其放置为在有铜箔的载玻片上，附上保鲜膜，减少水分的流失。如图5（a）和5（b）所示。

对猪里脊肉块进行预冷处理，通过冷台控制温度，使用信号发生器生成电压为20 V、频率50 kHz的交变电场和无电场两种情况，放置肉块以0.67 ℃/min降温至-18 ℃后，分别冷冻2 h，4 h，6 h。将冷冻后的肉块和鲜肉放入固定液浸泡18 h后，进行切片、染色、显微拍照处理。

2）实验图片

通过上述实验研究，图5（c）为正在冷台上进行降温冷冻的猪里脊肉块过程示意图。猪里脊肉显微镜下的切片如图6～8所示。

3）实验结论

从上述实验结果的切片染色图中可以看出，图6图中鲜肉中的纤维结构完整，排列规律；经过-18 ℃冷冻后，纤维之间出现空隙，表明冷冻过程中存在组织失水情况，并随着冷冻时间的增加，纤维的空隙也会随之变大，即失水变得严重如图7所示；图8是外加交变电场下猪里脊肉的组织失水情况，在各个时间段均好于无电场条件下的情况。随冷冻时间的增加，肉类食品的失水会变严重；交变电场对肉类冻结过程中的失水情况具有一定的抑制作用；且在同一时间段的抑制作用均好于无电场条件，在 50 kHz 频率的交变电场条件下对组织失水的抑制作用最为明显，在此频率作用下的电场保鲜效果提升更好。

4 结论

实验结果表明，在家用电冰箱冷冻过程中施加的交变电场较无电场条件下的，肌细胞之间的间隙明显更小，即冰晶的生长面积较小，汁液损失较小。这说明一定的电场条件可以正向作用于肉类的冷冻保存，有助于其保持肉组织和肌细胞的完整性，有效减少。

微生物作用和酶的催化作用会引起肉类食品腐烂变质的主要原因，这两种作用的强弱直接与温度相关，温度越低，微生物和酶的活性越弱。而肉类食品的冷冻保存质量（嫩度、汁液流失、色泽等）与冷冻过程中的冰晶损伤有关。在宏观观察下，验证了电场对猪肉在冷冻过程中具有明显提升保鲜的效果。

保鲜是冰箱亘古不变的话题，通过新技术提升冰箱保鲜水平，进而提升产品档次和溢价能力，既是创新点，又是企业竞争的焦点。电场保鲜在肉类食品方面的应用是一项较为新颖的绿色方法，能耗低、操作简便且安全，在提升冰箱保鲜性能方面具有较广阔的应用前景。后续将继续研究对肉类食品材料冻结过程中出现相变潜热的温度范围等其他理化指标进行验证。