低压静电场辅助冷藏对牛肉品质的影响

胡斐斐，钱书意，李 侠，江 峰，胡海梅，张春晖,*

（1.中国农业科学院农产品加工研究所，农业农村部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193；2.长虹美菱股份有限公司，安徽 合肥 230000）

牛肉中含有丰富的蛋白质和人体必需氨基酸，且脂肪含量低、味道鲜美，深受消费者喜爱。冷藏作为牛肉最重要的贮藏方式之一，通过降低温度以减缓化学反应速度、抑制微生物生长代谢，从而延长肉品保质期[1]。然而，牛肉冷藏过程中易出现品质劣变现象（如汁液流失、色泽劣变等），造成一定的经济损失[2]。为满足市场对品质的要求，研发提高冷鲜肉品质的新型冷藏工艺成为肉品科学领域的一大热点，目前主要的新型辅助方法有气调包装辅助冷藏[3]、真空包装辅助冷藏[4]及保鲜剂辅助冷藏[5]等。但真空包装辅助冷藏和气调包装辅助冷藏操作繁琐、设备复杂[6]，而保鲜剂辅助冷藏存在一定安全隐患[7]。

近年来，静电场技术在食品保鲜领域受到广泛关注，为肉品保鲜技术革新提供了新的思路[8]。静电场可分为高压静电场（＞2 500 V）和低压静电场（≤2 500 V）[9]。高压静电场的应用多集中在果蔬保鲜[10]和辅助肉品冻结解冻[11]方面，但由于其能耗高、安全性较差，无法大规模应用。低压静电场具有效率高、成本低、操作简单等优势[12]。近期有研究发现，低压静电场辅助牛肉冻结、解冻可有效抑制牛肉肌原纤维蛋白变性，提高肌肉持水力[13-14]。亦有研究报道低压静电场结合气调包装可有效延长肉品货架期，提高肉品品质；路立立[15]研究发现低压静电场结合高氧气调包装在贮藏期间可有效保持猪肉贮藏期间色泽和持水力，并降低流失汁液中游离氨基酸含量；段伟文等[9]研究发现低压静电场结合气调包装在冰温贮藏过程中能延长凡纳滨对虾的货架期，延缓核苷酸降解；此外，陈文波等[16]研究发现低压静电场环境下贮藏白切鸡可有效抑制其微生物生长，延长货架期。然而，关于低压静电场辅助冷藏条件下肉品品质的变化规律鲜有报道，且与静电板的隔距不同，肉品暴露在不同的电场强度下，其保鲜效果也有所区别。因此，为开发一套完善的基于低压静电场辅助牛肉冷藏保鲜方法，本实验研究了电压强度为2 500 V的静电场条件下与静电发生板不同隔距处牛肉冷藏（4 ℃）过程中的品质变化，为低压静电场辅助肉品冷藏保鲜技术提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料肉为北京卓宸畜牧有限公司提供的检疫合格、质量约为400 kg的2 岁草原黄牛背最长肌。牛屠宰后经48 h吊挂风冷排酸（温度0～4 ℃、相对湿度90%、循环冷风风速2 m/s）后，从10 头长势相近的公牛胴体中分别取2 条背最长肌，共分割成120 块肉样，每块约为5 cm×4 cm×3 cm，运回实验室后4 ℃冷藏并进行后续实验。

1.2 仪器与设备

电子天平 赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；SW-CJ-1FD超净工作台 苏州普爱德净化设备科技有限公司；CR-400色差仪 日本柯尼卡美能达公司；TA.XT Plus质构分析仪 英国Stable Micro Systems公司；MesoMR23-060H-I低场核磁共振仪及成像系统 上海纽迈电子科技有限公司；Quanta200FEG场发射环境扫描电子显微镜、H-7500透射电子显微镜日本日立公司；DENBA+鲜度保持电场装置（125 mm×175 mm×100 mm） 日本AGUA商事株式会社。

本实验所采用的静电场装置由静电场发生装置（AC220 V、50/60 Hz）和放电板（140 mm×120 mm）组成，放电板在冷藏库（4 ℃）内产生低压静电场，形成负离子环境，物料不与放电板直接接触（放电板垂直放置，肉样与放电板平行），肉样在静电场环境中的放置模拟图和低压静电场实验装置分别见图1、2。静电场发生装置输出电压为2 500 V、电流为0.2 mA。

图1 肉样在低压静电场环境中放置的模拟图[12]Fig.1 Simulation diagram of meat samples in electrostatic feild environment[12]

图2 低压静电场实验装置[14]Fig.2 Schematic diagram of the experimental apparatus of low voltage electrostatic field[14]

1.3 方法

1.3.1 样品处理

120 块肉样随机分为5 组，非静电场下冷藏的牛肉作为对照组，低压静电场环境下冷藏的牛肉为实验组，实验组牛肉与静电场发生板的隔距分别为10、30、50、70 cm（分别记为L10、L30、L50、L70）。用透明聚乙烯膜包装后在4 ℃下冷藏。分别在第1、3、5、7、9天取样分析。

1.3.2 菌落总数的测定

菌落总数的测定参照GB 4789.2—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》[17]。取25 g肉样斩碎混匀放入拍打袋中，加入225 mL无菌生理盐水，拍打2 min，制成1∶10（m/V）的样品匀液。取1 mL样品匀液以两个合适的梯度（1∶100、1∶1 000）进行稀释。取1 mL稀释后的样品匀液于无菌平皿中，混合均匀待琼脂凝固后，翻转平板，在37 ℃下培养48 h。

1.3.3 TVB-N含量的测定

总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量测定参照GB 5009.228—2016《食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》[18]中的自动凯氏定氮仪进行测定。取10 g肉样绞碎混匀，加入100 mL蒸馏水，振摇30 min后滤纸过滤，取5 mL滤液于消化管中（试剂空白组取5 mL蒸馏水于消化管中），并加入10 mL蒸馏水和5 mL 20 g/L氧化镁混悬液，用凯氏定氮仪蒸馏5 min（接收瓶中有冷却样品进入开始计时）后，吸收液用0.01 mol/L的HCl溶液滴定至中性，利用所消耗的HCl溶液体积计算得到TVB-N的含量，具体按公式（1）计算。

式中：V1表示试液消耗盐酸溶液的体积/mL；V2表示试剂空白消耗盐酸溶液的体积/mL；c表示盐酸溶液的浓度/（mol/L）；14表示滴定1.0 mL盐酸溶液相当的氮的质量/（g/mol）；m表示试样质量/g。

1.3.4 色泽的测定

色泽的测定参考李银等[19]的方法，用色差仪直接测定样品表面的亮度L*值、红度a*值、黄度b*值。色差计在使用前用白板进行校准。每一试样平行测定5 次。

1.3.5 持水力的测定

贮藏损失率的测定参考Honikel[20]的方法，冷藏前称取样品质量（m1/g），冷藏后用吸水纸吸干肉样表面水分后称其质量（m2/g）。贮藏损失率按公式（2）计算。

蒸煮损失率的测定参考Honikel[20]的方法，冷藏前称取肉样质量（m1/g），冷藏后将其置于聚乙烯袋中于80 ℃水浴30 min，然后用20 ℃流动水冷却，吸水纸吸干肉样表面水分后称其质量（m3/g）。蒸煮损失率按公式（3）计算。

1.3.6 剪切力的测定

剪切力的测定参考谢小雷等[21]的方法。将肉样放入蒸煮袋中并封口，置于沸水浴中加热至肉样中心温度达到72 ℃后取出，冷却至室温。将肉样修整为3 cm×1 cm×1 cm大小，利用TA.XT Plus质构仪进行剪切力的测定，探头型号BSW、探头前进距离25 mm、测前速率5 mm/s、进刀速率10 mm/s、测后速率10 mm/s。

1.3.7 H质子密度成像的测定

参考谢小雷等[21]的方法，采用核磁共振成像系统自旋回波成像序列对样品进行H质子密度成像。将肉样放入永磁场中心位置的射频线圈中心，进行成像实验。主要参数为：重复时间2 000 ms、重复次数4、纵向弛豫时间20 ms，根据CPMG序列测得的T2，选择自旋回波时间20 ms。

1.3.8 肌肉微观结构观察

肌肉微观结构观察参照Palka等[22]的方法，并稍作修改。将待测样品切成3 个3 mm×3 mm×5 mm的长方体，用体积分数为2.5%的戊二醛溶液固定48 h，用0.1 mol/L的磷酸盐缓冲液（pH 7.3）冲洗后，用2 mol/L氢氧化钠溶液浸泡5 d，取出后于室温（27±1）℃放置2 h。用蒸馏水冲洗样品，采用不同体积分数（25%、50%、70%、95%及100%）的乙醇溶液梯度脱水2 次，每次1 h。脱水后的样品用叔丁醇冻干，将样品横切面向上贴在扫描电子显微镜样品台上，用离子溅射镀膜仪溅射喷金，在加速电压为10 kV的扫描电子显微镜下观察并拍照，放大300 倍。

1.3.9 肌肉超微结构观察

肌肉超微结构观察参考Mestre Prates等[23]的方法并稍作修改。将待测样品切成3 个2 mm×2 mm×6 mm的长方体，操作步骤与1.3.8节相同，乙醇脱水溶液后再利用无水丙酮置换3 次，每次放置7～15 min。然后用619#包埋剂进行包埋，并用切片机切片，醋酸铀-柠檬酸铅进行染色，最后用透射电子显微镜观察拍照，放大15 000 倍。

1.4 数据统计分析

本实验采用Excel 2019软件处理数据并绘制分析图，指标测定均为3 次平行测定结果，表示为平均值±标准差，利用SPSS 25软件进行Duncan法多重比较及显著性分析（P＜0.05表示差异显著）。

2 结果与分析

2.1 低压静电场对牛肉冷藏期间菌落总数的影响

菌落总数是衡量肉品贮藏过程中腐败变质的重要微生物指标之一。GB 16869—2005《鲜、冻禽产品》规定，一级鲜肉菌落总数应低于4（lg（CFU/g）），菌落总数超过6（lg（CFU/g））时冷鲜肉变质，视为腐败肉[24]。如图3所示，冷藏期间各组肉样的菌落总数呈持续增长趋势，与对照组相比，低压静电场下贮藏的实验组肉样菌落总数较低。L10、L30和L50组菌落总数增长较为缓慢，在第7天时，L10、L30和L50组菌落总数分别为5.11、5.54、5.27（lg（CFU/g）），显著低于对照组和L70组（6.41（lg（CFU/g））和6.23（lg（CFU/g）））（P＜0.05），此时对照组和L70组的菌落总数大于6（lg（CFU/g）），表明肉品已变质。第9天时，L10、L30和L50组菌落总数分别为6.34、6.56、6.42（lg（CFU/g）），显著低于对照组和L70组（8.12（lg（CFU/g））和7.92（lg（CFU/g）））（P＜0.05）。陈文波等[16]在研究低压静电场辅助白切鸡冷藏时发现微生物繁殖得到明显抑制，与本实验结果类似。Li Dapeng等[25]研究发现静电场辅助解冻亦能达到抑制鲤鱼菌落总数增长的效果。本研究中，适宜距离范围内（10～50 cm）低压静电场辅助冷藏有效抑制了微生物的生长、延长了牛肉的贮藏期，分析是由于静电场条件下改变了微生物细胞膜内外电势，导致其生长繁殖受到抑制[26]。

图3 不同处理对牛肉冷藏期间菌落总数的影响Fig.3 Effects of different treatments on total bacterial count of beef during chilling storage

2.2 低压静电场对牛肉冷藏期间TVB-N含量的影响

图4 不同处理对牛肉冷藏期间TVB-N含量的影响Fig.4 Effects of different treatments on TVB-N content of beef during chilling storage

TVB-N含量是判断冷鲜肉腐败变化的重要指标之一[27]。冷鲜肉在贮藏过程中，细菌和酶的作用使蛋白分解而产生氨及胺类等碱性挥发性含氮物质。GB 2707—2016《食品安全国家标准 鲜（冻）畜、禽产品》规定，冷鲜肉的TVB-N含量超过15 mg/100 g即视为腐败[28]。如图4所示，随着贮藏时间延长，各处理组的TVB-N含量呈逐渐上升趋势，与潘晓倩等[29]的研究结果一致。整个冷藏期间，实验组TVB-N含量均低于对照组，其中，L10、L30和L50实验组肉样的TVB-N含量显著低于对照和L70组（P＜0.05）。贮藏第9天，L30、L10、L50和L70组TVB-N含量分别为11.21、11.71、11.93 mg/100 g和13.12 mg/100 g，显著低于对照组（15.93 mg/100 g）（超过G B 2 7 0 7—2 0 1 6 腐败标准1 5 m g/1 0 0 g）（P＜0.05）。Hsieh等[30]研究发现静电场辅助冷藏期间罗非鱼TVB-N的产生受到显著抑制，与本实验结果类似。实验结果表明，低压静电场辅助冷藏可有效抑制牛肉TVB-N含量上升，分析是由于静电场环境下空气中产生的臭氧和负离子[31]会抑制腐败菌和致病微生物的生物活性，进而延缓由细菌和酶作用产生的氨及胺类等碱性含氮物质的积累。此外由结果可知，肉样与静电板的适宜距离为10～50 cm（抑制TVB-N积累）。

2.3 低压静电场对牛肉冷藏期间色泽的影响

表1 不同处理对牛肉冷藏期间色泽的影响Table 1 Effects of different treatments on color of beef during chilling storage

肉色在很大程度上影响着消费者的购买欲，同时也是衡量肉类感官品质的重要指标之一[12]。L*值代表肉样的亮度，该值越大说明肉光泽度越好；a*值代表红度，该值越高说明肉色泽越好，越新鲜；b*值代表黄度，该值越高说明肉越不新鲜[32]。如表1所示，随贮藏时间延长，肉样的L*、a*、b*值呈先升高后降低趋势，与Lu Xiao等[33]的实验结果一致。整个贮藏期间，实验组肉样的L*值均显著高于对照组（P＜0.05），第3、5、7天时，L50组肉样a*值显著大于对照组（P＜0.05），表明低压静电场处理能够达到较好的护色效果。a*值的变化与肌红蛋白的氧化和高铁红蛋白的形成有关[34]，贮藏前期（1～3 d）肉样表面与氧气结合形成鲜红色的氧合肌红蛋白，引起a*值增大。贮藏后期（5～9 d），肌肉组织的过度氧化以及大量微生物的生长繁殖，促进了呈褐色的高铁肌红蛋白形成，使a*值降低[35]。

2.4 低压静电场对牛肉冷藏期间持水力的影响

图5 不同处理对牛肉冷藏期间贮藏损失率（A）和蒸煮损失率（B）的影响Fig.5 Effects of different treatments on purge loss (A) and cooking loss (B) rate of beef during chilling storage

冷鲜肉在贮藏过程中由于持水力下降，出现汁液流失现象，导致肌肉中的一些营养成分如小分子肽、氨基酸等流失，冷鲜肉的营养价值随之下降[2]。贮藏损失率和蒸煮损失率是反映肉样持水力的重要指标[3]。如图5A所示，随着贮藏时间的延长，贮藏损失率呈增长趋势，整个贮藏期间，L10、L30和L50组贮藏损失率均低于L70和对照组。第9天时，L10、L30和L50组贮藏损失率分别为1.37%、1.33%和1.25%，显著低于L70组（1.84%）和对照组（2.31%）（P＜0.05）。如图5B所示，随贮藏时间延长，各处理组肉样蒸煮损失率呈逐渐上升趋势。整个贮藏期间，未施加静电场处理的对照组肉样的蒸煮损失率略高于各实验组，但组间差异不显著（P＞0.05），分析可能是由于贮藏期间各组肉样出现了不同程度的汁液流失。Faridnia等[36]认为外加电场可导致肌肉内水分子发生共振现象，引起水分子结构和其与肌肉蛋白的结合状态发生改变，降低了肌肉水的流动性；此外，静电场可抑制微生物的生物活性和肌肉细胞内酶活性，使细胞在一段时间内免于自溶，从而保持肌肉的细胞完整性[37]，使肉样的持水力在冷藏期间得到有效维持。本研究中，贮藏损失率和蒸煮损失率的实验结果表明低压静电场辅助冷藏能够改善牛肉的持水力，抑制汁液流失。

2.5 低压静电场对牛肉冷藏期间嫩度的影响

图6 不同处理对牛肉冷藏期间剪切力的影响Fig.6 Effects of different treatments on shear force of beef during chilling storage

肉样剪切力的大小与嫩度密切相关，剪切力越大表示肉样嫩度越小[12]。如图6所示，随着贮藏时间的延长，肉样剪切力呈逐渐上升趋势，与Qian Shuyi等[38]的研究结果一致。贮藏期间（5～9 d），处理组肉样剪切力均显著低于对照组（P＜0.05）。第9天时，L30、L10和L50组剪切力分别为46.72、48.43 N和52.05 N，显著低于L70和对照组（58.51 N和69.28 N）（P＜0.05）。实验结果表明，低压静电场辅助冷藏可有效维持肉样嫩度。贮藏过程中，肉样的嫩度与持水力密切相关，持水力越高嫩度则越大[39]，本研究中，静电场条件下的肉样持水力较高，印证了剪切力的实验结果。

2.6 低压静电场条件下牛肉H质子密度成像图

图7 不同处理条件下牛肉冷藏期间H质子密度成像图Fig.7 Images of H proton density of beef during chilling storage under different treatments

H质子密度成像图可直观反映肉样内部H质子的分布，图像中红色区域越多，表明H质子密度越高、该部分的含水率越高，蓝色区域越多则表明H质子密度越低、该部分的含水率越低[40]。如图7所示，随着贮藏时间的延长，各处理组肉样图像中红色逐渐消失，说明贮藏期间出现汁液流失，肉样含水率下降。贮藏第7天和第9天时，L10、L30和L50组肉样图像呈较多的红色和黄色，而L70和对照组肉样图像中仅存零星的红色，呈较多的蓝色，说明L10、L30和L50组肉样含水率高于L70和对照组，印证了持水力的实验结果。

2.7 低压静电场对牛肉冷藏期间微观结构的影响

图8 不同处理条件下牛肉冷藏第7天时的扫描电子显微镜图Fig.8 SEM imagies of beef on the 7th day of chilling storage under different treatments

图9 不同处理条件下牛肉冷藏第7天时的透射电子显微镜图Fig.9 TEM images of beef on the 7th day of chilling storage under different treatments

肉品微观结构的改变与其品质（持水力等）密切相关[14]。从图8新鲜牛肉和冷藏第7天时不同处理组的肌肉横截面微观结构可以看出，新鲜牛肉的肌纤维结构完整且饱满，排列紧密。贮藏第7天时，各处理组牛肉肌纤维遭受不同程度的破坏，其中对照组的牛肉肌纤维破坏程度最为严重，肌纤维排列疏松、间隙较大，肌束膜出现撕裂现象。而实验组的牛肉肌纤维较对照组排列更紧密、间隙小，其中L10、L30和L50组表现较为明显。L70组和对照组肌纤维间出现较大缝隙，这些缝隙导致“水渠”[41]形成，肌肉水沿“水渠”流出，形成汁液流失。

肌原纤维由多个肌小节组成，两条相邻Z线之间的区域为一个肌节。由图9可见，新鲜牛肉肌原纤维的A带、I带清晰可辨，Z线明显且完整。贮藏第7天的各处理组牛肉肌原纤维遭受不同程度的破坏：对照组出现明显Z线崩解和肌节错位现象，而施加静电场处理的L10、L30组的Z线、A带和I带结构较为清晰完整，L50、L70组肉样的超微结构则出现一定程度的损伤。实验结果表明，有效隔距内的低压静电场在冷藏过程中能维持肌肉的微观结构完整性，从而提高肉样持水力，印证了贮藏损失率的实验结果。

3 结 论

牛肉在冷藏过程中品质出现劣变，低压静电场环境下贮藏牛肉对其品质产生不同程度的影响。本研究中使用静电场辅助牛肉冷藏，与对照相比，可有效抑制牛肉贮藏期间的菌落总数上升和TVB-N积累，延长牛肉的贮藏期；此外，低压静电场可有效抑制牛肉色泽劣变、保持其持水力和嫩度，并维持肌肉微观结构的完整性。综上，在有效隔距范围内（10～50 cm），低压静电场辅助冷藏可延缓牛肉的品质劣变、改善牛肉的品质。