低压静电场对冷冻猪肉冰晶生长影响的试验研究

刘 蕊，闫琳婧，赵明博，蒋名保，于翘溪，甄 仌，苗卿华，苏格毅

（哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

0 引言

目前，由于受各种习俗和肉的风味、价格等影响，我国成为世界上最大的猪肉生产国和消费国，对猪肉的需求远大于其他国家，并且猪肉的需求量自改革开放以来逐年攀升，近几年猪肉需求量为5 600～5 800 万t。面对如此大的需求量，贮藏、流通和销售的保鲜方式对猪肉品质的影响很大。目前应用最广泛的食品保鲜技术之一是冷冻保鲜，冷冻保鲜是指将食品中心温度降低至-15 ℃以下，使产品体内大部分水分冻结，并在-18 ℃以下贮藏、流通和销售的技术[1]。传统的冷冻保鲜在保持猪肉品质上有着不可磨灭的贡献，但是这种保鲜方法也有着其自身的缺点，在冻结过程中，冰晶的生长会对猪肉的细胞和结构造成破坏，导致细胞的破裂和损伤，使得猪肉出现汁液流失率增大、营养成分发生变化等现象，这些现象导致猪肉的品质下降。同时，也有大量的资料表明，食品冻结的过程会影响解冻过程的汁液流失现象。为解决出现的相关问题, 学者们都是以提高冷冻食品质量为主要的目标，在传统冷冻技术的基础上引入电场、超高压、超声波等物理场，来改善冷冻及解冻过程对食品品质造成的品质下降的现象[2]。

谢晶等人[3]以新鲜猪肉为研究对象，研究高压直流电场强对其冻结、解冻过程的影响，考查冻结和解冻曲线。研究发现，高压直流电场场强对肉冻结过程，以后的无电场解冻过程及冻肉在电场下解冻过程都有一定影响。E Xanthakis 等人[4]探讨静电场对猪肉冷冻中冰晶生长的影响，研究发现，随着静电场的增加，冰晶的平均等效圆直径明显减少，从而降低对肉类微观结构的损害。M Dalvi-Isfahan 等人[5]研究静电场处理对冷冻羊肉品质的影响，在5.8×104V/m电场下肉类样品冰晶的平均尺寸与传统的冷冻相比减少了60%。随着静电场强度的增加，滴水损失减小。电场对肉的颜色和硬度没有显著影响。

李侠[6]采用牛背最长肌作为试验材料，探究与静电场下自然冻结- 解冻肉样冻结- 解冻过程中的品质变化。有研究表明，牛肉在冻结过程中通过最大冰晶生成带时间较短，组织中的冰晶较对照组体积小、数目多、分布均匀。肉样解冻速度较快，解冻后肉色更新鲜，咀嚼性、嫩度较高，解冻汁液流失率、汁液中蛋白含量及蒸煮损失率均显著降低；扫描、透射电镜结果表明，肉样解冻后肌肉微观结构遭破坏程度较轻，肌纤维束排列相对紧密。Guoliang Jia 等人[7]探讨了高压静电场对猪里脊肉冻结特性、品质的影响，研究了猪肉样品在直流电场下的冻结，发现肉的凝固点和相变时间随电压增加而变化。10 kV 电压处理的猪里脊横截面冰晶总面积比无高压静电场时小得多。微观结构观察表明，在保持猪肉品质方面，10 kV 静电场辅助冷冻优于无高压静电场冷冻。

李一飞[8]研究认为，高压静电场辅助琼脂糖凝胶冷冻可显著降低样品过冷度，提高冻结速率，获得数目众多、粒径细小、分布均匀的冰晶，对凝胶的质构略有改善，但无法抵消冷冻和解冻对样品结构的破坏。马坚[9]研究了高压静电场对新鲜牛里脊肉在冻结和解冻过程中保鲜效果的提升作用，探索高压静电场对牛里脊肉的冻结、解冻曲线和微观的肌纤维细胞的影响。有研究认为，高压静电场可以明显加快牛里脊肉块的冻结和解冻速度，其主要表现为快速通过最大冰晶生成带。

魏国平[10]研究了DENBA+静电场技术对猪肉冻结、解冻速率、猪肉嫩度和蛋白质氧化等品质变化，以及冷藏猪肉菌落总数的影响。有研究表明，DENBA+ 静电场处理可以提高猪肉冻结速率，使解冻时间减少50%，挥发性盐基氮、脂肪氧化速率和嫩度降低，蛋白质氧化速率增加，电场处理可以减少冷藏猪肉菌落总数。阚苗等人[11]利用冻藏对猪肉进行保鲜，通过静电场处理，测定猪肉汁液流失率及挥发性盐基氮的变化，研究静电场结合冻藏技术对猪肉的保鲜效果。结果表明，冻藏条件下，静电场处理的猪肉的汁液流失率在贮藏后期保持在较低水平，TVB-N 值在一定程度上减缓。总体上，静电场结合冻藏技术可延长猪肉的保质期。

近年来，静电场在食品冷冻及解冻方面的研究逐渐增多，但研究者对高压静电场的研究较多，较少关注低压静电场的影响。研究低压静电场对猪肉冻结和解冻的影响，静电场情况下猪肉中的冰晶生长，试验用静电场处理肉块，观察其相变平台，冻结时间、解冻速度、肉样的汁液流失率、pH 值等参数，结合静电场对液态水和冰晶的影响机理，对于静电场对猪肉产生的上述影响作出初步的机理分析。这些工作对于分析冰晶对猪肉细胞的损伤以及对于寻求避免冰晶对猪肉损伤的方法具有重要意义，为使用静电场技术在猪肉加工方面应用提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设备

哈尔滨商业大学能建学院LHS-2A 型速冻箱、低压静电放电板（4 000V，50 Hz）、BRESSER MicroSet 40x-1600x 型显微镜、ZJ-32A 型温度巡检仪、德东数字pH 计、SF-400 型电子秤等。

1.2 原料与分组

试验选购的肉样为哈尔滨市松北区亿晟龙超市金锣牌新鲜精五花，这种猪五花肥瘦均匀、肉质细腻、色泽红润、带有结缔组织，且肉样无肉眼可见破损。在切分时，注意肉样的纹理和大小，尽量平行于肉的纹理切分，切分时肉样的大小形状保持一致。

将切分好的肉样分成4 组，每组2 块肉，做对照试验，肉样的形状及大小相同（每块肉样约160 g），4 组分别为：A 组有静电场冻结，常温下无静电场解冻；B 组有静电场冻结，常温下有静电场解冻；C组无静电场冻结，常温下无静电场解冻；D 组无静电场冻结，常温下有静电场解冻（常温均为22 ℃室温）。

1.3 冻结- 解冻曲线试验

低压静电场装置由1 台主机和1 块放电板组成，放电板放置在速冻机中，放电板和主机相连，主机通电后即可在速冻机内产生低压静电场环境。A 组、B 组的肉样在冻结时存在低压静电场，C 组、D 组的肉样在冻结时不存在低压静电场。试验时将热电偶感温探头插入各个试验组肉样的几何中心记录中心温度，等到速冻机的温度达到-23 ℃时，将肉样放入速冻机中，需注意的是在存在静电场的试验组中，肉样与放电板之间的距离均相同。随后每隔5 min 记录一次温度巡检仪上的温度，当试验组的肉样中心温度达到-15 ℃时，将肉样迅速取出，放置在常温环境中进行解冻，当肉样的中心温度达到5 ℃时认为解冻完成，同样，解冻时B 组、D 组放置在静电场环境中解冻，A 组、C 组放置在无静电场环境中解冻，将所得的数据分别绘制成冻结曲线和解冻曲线。

1.4 冻结后冰晶观察试验

进行冻结试验的同时，设置一个小试验组，这一小试验组与正常各个试验组的试验条件相同，设置这一小试验组的目的是为了观察冻结后的冰晶的形态。在冻结时会将载玻片、盖玻片等工具与小试验组一同放入速冻箱进行冻结，这样可以减小温差对冻结后冰晶形态的影响。观察冰晶时将电子显微镜目镜连接电脑，需要将冻结完成的小试验组肉样立刻切片观察，否则冰晶会融化、消失，将看到的冰晶进行拍照，分析冰晶变化的机理。

1.5 色泽

通过肉眼观察，将冻结后的肉样与鲜肉进行对比，发现冻结后的肉样颜色变浅，而解冻后肉样的颜色比鲜肉更深。

1.6 汁液流失率

猪五花解冻后的汁液流失率是通过测量肉样冻结前的质量m1（kg） 和肉样解冻后的的质量m2（kg）进行计算。汁液流失率的计算公式如下

1.7 pH 值

取5 g 肉样后切碎，放入盛有50 mL 自来水的烧杯中；为了实现乳化的效果，用玻璃棒先快速搅拌5 min，将均质样品静置10 min，再测量pH 值，待到pH 计的数值稳定时读取pH 值。

1.8 数据处理

利用Matlab 软件的分析功能工具库对试验过程记录的数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 有无静电场冻结曲线的分析

猪肉冷冻试验见图1。

图1 猪肉冷冻试验

肉样1、肉样2 为有静电场冻结，肉样3、肉样4 为无静电场冻结。每组试验组有2 块肉样。

现对猪五花测定冻结曲线，将温度巡检仪的感温探头插入食物中心，每隔5 min 记录一次温度巡检仪上的数据，冻结时间为185 min，将所得的数据绘制成冻结曲线。冻结曲线反映了试验组肉样最先出现相变平台的温度和时间、相变时间。相变时间按照文献[12]所提出的方法来计算，试验组猪五花开始形成冰核作为相变时间的起始时间，以过冷点之后的食品温度为参考点，温度下降到-5 ℃时为相变完成时刻。由图1 可知，猪五花冻结的初始温度为16 ℃，随着时间的变化，猪五花的中心温度不断下降。有静电场冻结的试验组在第55 min 和第50 min时出现相变平台，无静电场冻结的试验组都是在第40 min 时出现相变平台，并且无静电场冻结试验组出现相变平台的温度更低。用食品的相变持续时间来反映食品冻结速度的快慢，食品相变的持续时间也就是食品冻结过程通过最大冰结晶生成带的时间，有静电场冻结的试验组1 和试验组2 的相变时间分别为31 min 和40 min，无静电场冻结的试验组3 和试验组4 的相变时间分别为70 min 和80 min。

通过对比曲线，可得出3 点结论：①有静电场冻结时出现相变平台温度更高；②有静电场冻结出现相变时间更晚；③有静电场冻结试验组的相变平台维持时间更短，通过最大冰结晶生成带的时间更短，冻结速度更快。

静电场对食品的冷冻过程的影响主要体现在冰核的形成和冰晶的生长。一般认为，冰核的形成是因为在温度不断降低的过程中，一些水分子的热运动减弱，这些水分子逐渐聚集在一起，形成大的水分子簇，水分子簇进一步形成冰核，水分子将产生沿电场方向的定向，这种定向有助于水分子聚集成水分子簇，进而形成冰核，静电场对冰核形成的影响体现在使水的过冷点上升上。而在冰晶生长的过程中，外加电场起到了抑制冰晶生长的作用[13]。所以，有静电场冻结的试验组更容易产生冰核，有静电场冻结的试验组的相变平台初始温度高于无静电场试验组的相变平台的初始温度。而有静电场试验组冻结速度快的原因可能是由于水分子聚集，导致冰核形成的数量多，生成的冰晶多而小，虽然静电场会抑制冰晶的生长，但是冰核数量足够多，冰核数量对冰晶的影响大于静电场抑制冰晶生长的作用，总的趋势是有静电场试验组冻结速度快于无静电场试验组的速度，机理还需要后续的试验证明。

2.2 有静电场冻结的解冻曲线分析

猪肉解冻试验见图2。

图2 猪肉解冻试验

A 组为有静电场冻结- 无静电场解冻，B 组为有静电场冻结- 有静电场解冻。每组试验组有2 块肉样在解冻的过程中，每隔5 min 记录一次各个试验组肉样的温度，在常温22 ℃（室温） 的情况下解冻250 min，解冻曲线反映了试验组肉样解冻速度。A组肉样A1 和A2 的解冻时间分别为167 min 和159 min，B 组肉样 B1 和 B2 的解冻时间分别为 203 min 和216 min。通过对比发现加入静电场解冻的试验组，其解冻时间长于无静电场解冻的试验组。由此可见，加入静电场进行解冻会增加解冻时间，降低试验组肉样的解冻速率。

2.3 无静电场冻结的解冻曲线分析

猪肉解冻试验见图3。

图3 猪肉解冻试验

C 组为无静电场冻结- 无静电场解冻，D 组为无静电场冻结- 有静电场解冻。每个试验组同样有2 块肉样。C 组肉样C1 和C2 的解冻时间分别为193 min和206 min，D 组肉样D1 和D2 的解冻时间分别为184 min 和221 min。通过对比发现，加入静电场试验组和不加入静电场试验组的解冻时间相差不多，没有明显规律。由此可知，经过无静电场冻结后的肉样，再加入静电场解冻后，静电场对其解冻时间没有明显影响。

2.4 汁液流失率的分析

肉类在冻结- 解冻过程之后往往会伴随着汁液流失的现象发生，而汁液流失现象的产生是因冷冻损伤造成的细胞膜的破裂，之前有学者提出冷冻损伤是由于胞内冰晶的形成和溶液中不断形成的冰晶而造成的“溶液损伤”[14]，其本质是细胞的机械性损伤。后来有学者深入研究，发现这种机械损伤主要来源于冰晶的生长[15]。冰晶过大就会刺破细胞膜，造成细胞膜的破裂，导致大量蛋白质流失，使猪肉的品质下降。

试验后肉样汁液流失率见图4。

图4 试验后肉样汁液流失率

在有静电场冻结的前提下，无静电场解冻的A 组的汁液流失率分别为1.32%和1.23%，有静电场解冻的B 组的汁液流失率分别为2.37%和1.92%。无静电场解冻的汁液流失率显著低于有静电场解冻的汁液流失率。这表明在解冻时附加静电场不利于猪肉的解冻，加入静电场后反而还增加了汁液流失率。

试验后肉样汁液流失率见图5。

图5 试验后肉样汁液流失率

在解冻条件都不加电场时，有静电场冻结的A组的汁液流失率分别为1.32%和1.23%，而无静电场冻结的C 组的汁液流失利率分别为1.83%和1.77%，表明附加静电场进行冻结时，在一定程度上减少了冰晶刺破细胞膜的可能，蛋白质流失少，减少了汁液流失率，保证了猪肉的品质。

2.5 pH 值的分析

试验后肉样pH 值见图6。

图6 试验后肉样pH 值

由图6 可知，各个试验组的pH 值相差不大，说明静电场处理对猪肉的pH 值没有显著影响。在后续的研究中，可改进测量pH 值的方法或适当延长试验等操作来更好地测量pH 值。

2.6 显微镜下观察的冰晶形态

有静电场冻结的冰晶形态见图7，无静电场冻结的冰晶形态见图8。

由图7 可知，在冻结过程中加入静电场生成的冰晶多而小，且圆润；图8 中是不加入静电场条件下冻结之后生成的冰晶，冰晶少而大，且呈尖刺状。从2 张图片的冰晶对比可以发现，静电场对冰晶的生长有很大的影响，利用静电场对冰晶生长的影响，可以有效减少猪肉细胞的机械损伤，减少汁液流失，因而研究静电场对于冰晶生长的影响具有重要的意义。

图7 有静电场冻结的冰晶形态

图8 无静电场冻结的冰晶形态

3 结论

为了改善在冻结- 解冻过程后猪肉的品质，研究了附加静电场的冻结和解冻过程。试验表明，是否加静电场冻结和解冻会对猪肉品质造成不同程度的影响。

（1） 有静电场冻结时出现相变平台温度更高，出现相变时间更晚，相变平台维持时间更短，通过最大冰结晶生成带的时间更短，冻结速度更快，冰晶小而多，在一定程度上减小了冰晶对细胞膜的破坏程度，有利于保持猪肉细胞的完整性，减少细胞内营养成分的流失。

（2） 有静电场冻结- 无静电场解冻后汁液流失率更小，冻结及解冻过程均有电场汁液流失率最大，最不利于猪肉品质的改善，因此冻结及解冻过程一直有电场并不利于改善猪肉品质。

（3） 静电场辅助冻结及解冻在一定程度上能够改善猪肉品质，为今后猪肉冷加工和储存提供一定的参考价值，改善猪肉品质，从而延长货架期，但对于静电场对猪肉冰晶生长的作用机理仍有待更进一步深入研究。