高压静电场解冻技术在肉类及肉制品中的应用

臧芳波，吕蒙，付永杰，时若栋，王琳，冯随，高晓光*

1(河北科技大学 生物科学与工程学院，河北 石家庄，050018)2(晋州市动物卫生监督所，河北 石家庄，052260)3(河北双鸽食品股份有限公司，河北 石家庄，050021)

肉及肉制品中脂质、蛋白质等营养成分含量丰富，且水分活度较高，因此十分适合微生物生长[1]，进而会造成产品品质和安全性的下降，导致经济损失。为保证肉类及其制品的食用品质与安全，在肉制品长途运输及长期储藏过程中，人们常选用冷冻贮藏实现肉品保鲜。而冷冻肉在加工、消费前需进行解冻，传统解冻方法耗时长，且存在汁液流失、脂质氧化、营养价值下降等问题[2]。因此，解冻技术在肉类工业中占有十分重要的地位。

高压静电场解冻技术是一种新型非热加工方法，在交流高压和直流高压下均可进行。此技术具有解冻速率高、损失小、耗能低等优点，且制品解冻过程中原料内外温差小，可以迅速通过最大冰晶生成带，能很好地保证肉品品质，此技术正逐渐被应用于肉制品保鲜及冷冻解冻方面[3-4]。与微波解冻相比，高压静电解冻技术设计简单，能耗低；与传统解冻方法相比，解冻后的产品很好地保留了营养成分,且具备了优良的理化性能[5]。本文主要综述了高压静电场解冻技术的机理、特点及其对肉及肉制品品质方面的影响，并对其发展前景进行了展望。

1 高压静电场解冻机理及特点

高压静电场解冻是指处于0～3 ℃环境下的冷冻食品，利用高压静电场微能源产生的综合效应进行的解冻技术[6]，具有解冻损失小、解冻速率高等特点。关于其作用机理的推测主要集中在以下两个方面：水分子稳态结构的变化和电晕风的产生。

1.1 解冻机理

1.1.1 水分子稳态结构的变化

水并非单纯的液体，而是具有一定构造的物质[7]。它具有一定的极性水分子团结构，处于氢键作用下的分子聚合和解散的动态平衡中。高压静电场的微能源作用可能会打破这种动态平衡，从而使氢键断裂，解散大于聚合；分子团结构以及由此构成的冰变成小冰晶形态，并逐渐过渡到小分子水的液体状态，最终完成整个解冻过程[8]。

1.1.2 电晕风的产生

高压静电场中带正电的粒子会向负极板方向运动，而带负电的粒子运动方向则相反，粒子之间不同方向的运动就会产生离子风，即电晕风[9]。电晕风内带电粒子与空气发生碰撞时，空气会电离成电子和离子。新生成的电子和离子继续与其他分子碰撞，就会产生新的带电粒子[10]。在这个过程中，带电粒子在物料表面产生湍流和漩涡，增大其传热系数，使其能更快地从周围环境中吸收热量，进而提高解冻速率[11-12]。白亚乡等[13]通过针状电极下冰加与不加玻璃罩的解冻速度，对比实验及解冻机理，认为解冻速度增加的主要原因是电晕风对冰的冲击作用。

1.2 高压静电场解冻特点

1.2.1 解冻特点

研究发现，高压静电场解冻具有高效节能、解冻均匀且损失小等特点，其中最突出的优点是解冻损失小、解冻速率高[14]。与空气解冻相比，在不影响解冻质量的情况下，高压静电场解冻最多能缩短一半的解冻时间[15]。唐梦等[16]发现3.8 kV高压静电场在5 ℃时的解冻速率是对照组的1.59倍，其主要原因是高压静电场下解冻能更快地到达且迅速通过最大冰晶生成带，从而加速解冻；在15 ℃时解冻损失为2.5%,显著低于对照组的3.17%。JIA等[17-18]发现与传统空气解冻、水解冻方法相比，高压静电解冻能降低冷冻猪肉蛋白质氧化变性程度，保持肌原纤维蛋白结构的完整性；肌浆蛋白也没有发生明显的变性，肌浆蛋白中的α-螺旋结构和β-折叠结构的破坏程度较小。这些现象表明，采用高压静电解冻的猪肉，其色泽、保水性等某些理化指标会接近解冻前水平甚至持平。孙芳等[19]发现高压静电解冻的牛肉色泽鲜红，新鲜度明显好于对照组。其原因在于高压静电场产生的臭氧会附着在肉表面，使得肌红蛋白与氧分子结合，生成鲜红色的氧合肌红蛋白。

1.2.2 影响因素

目前，众多国内外学者研究发现高压静电场解冻效果与电极形状及数量、场强强度和电极板间距有关。何向丽[20]发现板状电极对解冻速率没有明显影响，而多针状电极可节约1/2的解冻时间，该促解冻效果存在极限值；解冻过程中，与上极板接近处温度变化较慢，而与下极板接近处温度变化稍快。AMIRI等[21]将电极板间距和电压固定，研究电极针数对牛肉品质的影响。结果表明，随着电极针数的增加，牛肉的解冻损失和氧化程度降低。MOUSAKHANI-GANJEH等[22]发现，随着外加电压的增加和电极间距的减小，金枪鱼氧化程度不断增加，但电压为10.5 kV时，氧化程度反而随板间距减小而降低。白亚乡等[13]发现高压静电场下，冰的解冻速度与电极板间距有一定的相关性，但非线性相关，电极间距为10 cm时，相邻的离子风能量恰好全给到冰面，此时解冻速度最快。谢晶等[23-24]发现高压静电场对马铃薯和猪肉的解冻效果均随电场强度而变化，具体表现为：场强较高时加电场会加速解冻，而较低时加电场则会延缓解冻。张源等[25]研究发现,高压电场产生的臭氧对青鱼表面的微生物有一定的抑制作用，但该作用并未随电场强度增加而有明显变化。RAHBARI等[4]比较了3种电场强度(150、225和300 kV/m)对冷冻鸡胸肉解冻的影响，发现解冻时间随场强增大而降低，场强为225 kV/m时，解冻损失最小、肌原纤维和蛋白质溶解度最高、蛋白变性程度最低。该实验表明，适当增加电场强度能更好地维持产品品质。此外，解冻时间对解冻效果也有一定影响。解冻时间过长，冻品汁液流失，品质下降；时间短，就会达不到解冻要求[26]。BAI等[5]也证实电压、相邻两针头的距离和电极间距等参数对解冻速率和能耗的影响也不同。因此，必须通过确定操作条件，优化解冻工艺，才能实现更好的解冻效果。

2 高压静电场解冻技术在肉及肉制品中的应用

2.1 对解冻时间的影响

由于肉类极易腐败变质，冷冻处理是现代食品工业保存肉类的最重要的方式之一。在食用之前，特别是在加工之前对冷冻肉进行解冻是必不可少的操作过程[27]。然而，在解冻过程中，随着解冻时间的延长，会伴随着质量损失增加、蛋白质变性、颜色改变、微生物生长等品质劣化问题，肉类的食用品质会受到严重影响[28]。传统的肉类解冻方法包括自然解冻、清水解冻、真空低温解冻、溶液浸渍解冻等，上述方法耗时均较长，且肉类质量损失相对比较严重[29]。因此，快速且能够保持原料品质的解冻方法受到了学者们的关注。OHTSUKI[30]利用高压静电场产生的负电子对样品进行解冻，发现冻肉中的冰晶能迅速融化成水，同时又被肉片重新吸收，恢复到冻结前的状态，不仅解冻速度较快，而且能有效保持肉品的新鲜程度。HSIEH等[31]以冻鸡大腿为研究对象，在不改变产品质量的情况下，使用高压静电场技术极大地减少了解冻时间。唐树培等[32]在研究高压静电场解冻技术对羊胴体的影响规律时发现，解冻时间和汁液流失率随场强的增加而减少，解冻后色泽随场强增加而更为鲜艳；在最优场强1.5 kV/m时，解冻时间可缩短11.1%。SINGH等[33]研究发现,用高压静电场在相同温度下对冷冻牛肉进行解冻，所需时间比常规方法减少70%～75%。孙芳等[19]发现高压静电场不但可以明显缩短牛肉的解冻时间，并且解冻后的肉品能保持原有的风味与新鲜度。ROUAUD等[34]认为在静电场中，移动的电离空气粒子与不带电的空气粒子相互碰撞，产生可感知的风的运动，称为电晕风，而电晕风可以增强对流传热和传质，在解冻肉类的液体部分产生旋涡和湍流，从而缩短解冻时间。大量研究表明，高压静电场技术可以显著缩短解冻时间，当电极间隙一定时，随着高压静电场电压的增加，肉类融化速率增加；在恒压条件下，随着电极间隙的减小，融化速率增加[35]。

2.2 对肉及肉制品品质的影响

2.2.1 对微生物生长和贮藏时间的影响

近年来，一些学者研究了高压静电场技术对冷冻产品解冻质量的影响。研究发现，利用高压静电场解冻可以抑制微生物生长，保持肉类及肉制品解冻后的品质，延长贮藏时间[36-37]。HE等[38]研究发现，与空气解冻样品相比，用高压静电场技术解冻的猪肉和兔肉活菌数均显著减少，解冻后肉品的新鲜度提高，贮藏时间增加。KO等[39]发现,运用高压静电场技术，能够有效抑制罗非鱼菌落总数、K值和挥发性盐基氮总量的上升，延长其货架期。LI等[40]采用高压静电场解冻技术对鲤鱼肉块进行处理。结果表明，与其他解冻方法相比，用高压静电场进行解冻处理后鱼肉的微生物污染情况得到改善。电压为-12 kV时，鱼肉初始活菌总数、气单胞菌数、假单胞菌数和乳酸菌数(3.11、2.93、2.71和2.91 lg CFU/g)均低于空气解冻组(3.58、3.15、2.88和3.25 lg CFU/g)。KARACA等[41]发现随着电场强度的增大，微生物生长的抑制效果逐渐增加，这可能是由于较高的电场强度能更有效地导致氧的离开和氮的覆盖，或者是高压静电场产生的臭氧与空气负离子的相互作用。肉类在解冻过程中极易受到微生物的污染，必须采用合适的措施来优化其品质，高压静电场技术为控制肉类微生物生长及延长其贮藏时间提供了新的方法[42-43]。

2.2.2 对颜色的影响

肉类和肉制品的颜色是影响消费者接受度的重要属性[44]。姚薇等[45]发现解冻冷鲜肉糜时施加高压静电场会使其a*值(红度值)升高、b*值(黄度值)降低，全程电场处理有助于保持肉糜原有的色泽。然而，MOUSAKHANI-GANJEH等[46]将高压静电场解冻技术作用于金枪鱼块时发现，采用高压静电场解冻技术处理的样品与空白对照组相比,L*值(亮度值)和b*值显著增加，并且随着施加电压和电极距离的增大，样品的L*值和b*值增大。唐梦等[16]发现罗非鱼片的高压静电场解冻组的L*值低于对照组，推测是由于对照组解冻损失率大，从而导致更高的汁液流失率。汁液流失率越高，罗非鱼片表面游离水越多，测定时造成的光反射越强，亮度值越高。JIANG等[47]提出高压静电场解冻技术导致肉类发生颜色参数的变化，可能是因为样品中的脂质被高压静电场运行过程中,产生的臭氧氧化，样品表面发生褐变，表现为b*值的增加。总之，高压静电场解冻技术对肉类及肉制品颜色的影响尚未获得一致的结论。尽管高压静电场会影响产品的颜色，但不会造成颜色劣变。因此，在肉类加工行业中使用高压静电场解冻技术对产品的颜色影响较小，具有一定的应用价值[48]。

2.2.3 对持水性的影响

肉的持水性即“保水性”，与肉的颜色、香气、嫩度、出品率等密切相关[49]。运用高压静电场解冻技术，改善和提高肉品持水性一直是国内外学者密切关注的问题[50]。肌浆蛋白质分子所带的静电荷与水分子极化基团静电荷之间相互吸引，从而将水分子纳入蛋白质高分子网状立体结构的空间中，使肌肉具有一定的持水性[51]。因此，肌肉蛋白质的变化是影响持水性的关键因素，此外，贮存温度、pH值、细胞结构的变化也可影响肉品的持水性[52]。HSIEH等[53]将鸡大腿肉在静电场强度为100 kV/m的条件下解冻，发现高压静电场能有效降低鸡肉1%～3%的蒸煮损失，提高1%～2%的持水性。

猪肉肌原纤维蛋白在冻融循环过程中会发生氧化，进而导致肉品的持水性、嫩度和营养价值降低。因此，确定高压静电场对肌原纤维蛋白氧化程度的影响至关重要[54]。李银等[55]通过分析冷冻牛肉解冻过程中蛋白质的氧化效应发现，解冻过程中蛋白质容易氧化，引起肌纤维结构改变，从而导致牛肉持水性降低，严重影响产品品质。另外，由于pH值对肉类保水能力的影响较大，探究pH值的变化也尤为重要。一旦pH值达到了肉类中主要蛋白的等电点，蛋白质内的极化基团就会相互吸引，从而导致该蛋白质能够吸引和保持的水数量减少，从而降低持水性[56]。HE等[57]研究发现，高压静电场对猪里脊肉解冻过程pH值影响较小，蒸煮损失没有显著变化，有利于保持肉类良好的持水性。

2.2.4 对肌肉微观结构的影响

高压静电场解冻均匀，对细胞的损伤小，从而使解冻后肌肉组织结构较为完整。马坚[58]研究了牛腰大肌的解冻过程，发现高压静电场在保持肉组织和肌细胞的完整性方面作用明显，且最佳电场强度为150 kV/m。据此推测出，在合适的电场强度下(150 kV/m)，极性的水分子聚合物产生作用，表现为在冻结和解冻过程中加速通过最大冰晶生成带，从而产生均匀分布的细小冰晶，以保持肌肉组织和肌纤维细胞的完整性。唐梦[59]通过光学显微镜观察发现，罗非鱼片高压静电场解冻组与对照组相比，肌节长、无损伤、细胞间隙小。电镜扫描结果进一步表明，对照组解冻后肌纤维出现弯曲变形，肌束松散，而高压静电场解冻后的肌束排列更为整齐紧密，肌纤维无弯曲。因此，高压静电场通过加速氢键断裂直接改变水分子组成状态，快速实现解冻，避免了冰晶对细胞造成一次与二次伤害，对保持肉类及其制品原有的组织结构具有重要意义。

3 总结与展望

高压静电场解冻技术是一种新型技术，在肉类及其制品的解冻保鲜应用中表现出了良好的工业应用潜力。与传统解冻技术相比，高压静电场解冻技术能够减少微生物污染、减少解冻时间、降低汁液损失、改善持水性，有效保证了肉类的新鲜度并延长了肉类的贮藏期。然而，高压静电解冻技术至今仍存在一些问题。该技术对环境湿度要求较高，湿度过大时，空气可能会被击穿，存在安全隐患。高压静电技术也因为具有对电极配置和电压水平的严格要求等问题而没有得到广泛应用。目前对该技术的研究主要集中在对解冻速率的影响方面，并没有对解冻机理和解冻过程中制品的变化等方面进行深入研究。运用高压静电场技术对肉类和肉制品进行解冻时，由于肉类种类、部位、操作条件的不同，产生的影响也不同。因此，在今后的研究中，一方面可以更加全面地研究高压静电场对不同类型及不同部位肉制品解冻的影响；另一方面深入探索电压、电极间隙、电极尺寸等条件对融化速率、改善肉质和控制微生物生长的影响，进一步标准化工艺参数以提高解冻速率，减少能耗，保证肉制品的品质，确保其所产生的积极影响的高再现性和实际应用性。