冰箱环境下高压静电场对于肉类冷冻效果的影响

江峰 任猛 胡海梅

摘 要：冰箱中肉类冷冻效果主要受到存储温度的影响，现有冰箱冷冻存储温度（-18～-24 ℃）难以实现理想的存储效果。为解决此问题，通过实验分析了冰箱冷冻温度下不同电场处理（0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1）对纯水降温曲线的影响，并通过食材验证冷冻保鲜效果。结果表明，高压静电场处理后，水的过冷度以及冻结速度明显改变，且电场处理后的食材，汁液流失率更低。

关键词：高压静电场；冻结速度；过冷度；冰箱

Effect of High Voltage Electrostatic Field on the Freezing Effect of Meat in Refrigerator Environment

JIANG Feng， REN Meng， HU Haimei

（Changhong Meiling Co.， Ltd.， Hefei 230001， China）

Abstract： The freezing effect of meat in refrigerators is mainly influenced by the storage temperature， and the existing refrigerator freezing storage temperature （-18～-24 ℃） is difficult to achieve the ideal storage effect. To solve this problem， the effects of different electric field treatments （0 kV·cm-1， 3 kV·cm-1， 6 kV·cm-1， 9 kV·cm-1） on the cooling curve of pure water at refrigerator freezing temperature were analyzed experimentally， and the freezing and preservation effects were verified by food ingredients. The results showed that the supercooling degree of water as well as the freezing rate were significantly changed after the high-voltage electrostatic field treatment， and the juice loss rate was lower for the food ingredients treated with the electric field.

Keyword： high voltage electrostatic field; freezing speed; supercooling degree; refrigerator

肉類在冷冻过程中受冰晶形态和数量影响，品质会有所下降。水达到一定冻结条件会产生冰晶，不同条件下，冰晶形态存在差异，导致细胞或组织受损程度不同。例如，在缓慢冷冻条件下，肉类细胞外水分先形成冰晶，细胞内外压差导致细胞内的水分不断向胞外转移[1]，水分加入晶格结构，导致冰晶不断生长，细胞结构受到挤压或刺破，导致解冻后细胞内营养物质流失，肉的品质下降[2]。快速冷冻条件下，细胞内外自由水可同步产生冰晶[3]，水快速穿过最大冰晶生成带，此时冰晶尺寸更为圆润，冰晶数量相对更多，冰晶对于细胞伤害更小，更有利于保持肉的品质。肉在冻结过程中会经历二次降温以及平台期，其中第一次降温是温度达到冰点并持续降低到过冷点后升温到冻结温度的过程。该过程中，水分达到冰点，但缺乏成核条件，导致水分保持液态不冻结，温度继续降低到过冷点时达到临界状态，温度继续降低液态水会释放大量潜热形成冰晶，同时肉的温度会上升到冰点温度，此时达到平台期。平台期肉的温度基本维持在冰点温度，此时肉中的水分不断形成冰晶，也是冰晶不断生长的过程。当冰晶不再生长时，肉的温度继续下降到环境温度。其中，主要是冰晶形成和生长阶段影响肉的品质。

目前冰箱中食材冷冻主要通过速冻方式实现冻结速率的提升，保证水分快速通过最大冰晶生成带，实现肉品质保证。然而冰箱速冻温度相对较高，冰晶形成数量较少，尺寸较大，无法满足胞内冰晶大量形成的条件。高压静电场能够改变水的冻结速率和冻结效果[4]，在高压静电场条件下，水分子自由移动受到束缚，电场促进水分子定向排列[5]，结合形成一定大小的分子簇（晶核形成条件），加速水的降温过程，在相对较高的温度下实现水由液态转向固态。本文以冰箱为载体，通过实验研究高压静电场对水、肉冷冻过程的影响，确定高压静电场冷冻保鲜适宜作用条件，为后期冰箱冷冻保鲜能力的提升提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

纯水、新鲜猪里脊肉。

冷藏冷冻箱（BCD-520WUP9B）、电子天平（ME104，梅特勒-托利多仪器有限公司）、电场模块（包括升压装置、电场强度调节装置、电场释放装置等）、温度检测设备等。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计

（1）电场强度。高压静电场有效作用强度高，然而受限于目前材料介电性能，放电板在高压下（大于kV·cm-1级别）极易被击穿。因此结合前期的调研结果，实验研究将电场强度控制在1～9 kV·cm-1，电场强度按照0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1共4个水平进行设计，并设置2组平行样品。

（2）实验条件。实验在冰箱冷冻室进行，环境温度为25 ℃，冰箱冷冻温度为-32 ℃，冷藏温度为4 ℃，为避免化霜温度冲击影响实验结果，实验在化霜结束后进行。同时为避免稳态下温度波动较大影响实验结果，通过调整冰箱开停机参数控制冰箱温度波动在±1 ℃范围内。

（3）测试指标。①降温曲线。检测绘制纯水从初始状态降低到完全冻结过程的曲线（考虑到肉不同位置之间成分存在较大的差异，为避免误差，选用纯水作为测试对象）。②汁液流失率。测量样品初始重量m1以及解冻后重量m2（去除血水），根据解冻前后的差值计算汁液损失率，汁液损失率=（m1-m2）/m1×100%。

1.2.2 实验步骤

①冰箱冷冻温度设置为-32 ℃（冷藏温度设置为4℃），待运行至稳态，将电场释放装置放置于冰箱冷冻室，放电板保持平行放置（放电板之间形成匀强电场）；②将新鲜的猪里脊去除表面筋膜，按照相似外观尺寸和重量进行分割处理，擦拭掉分割后鲜肉表面血水，称重并拍照记录外观；③将纯水（外观无明显差异）、猪里脊样品放置在放电板之间，纯水中心处提前插入热电偶，用于监测纯水的温度变化；④待猪里脊肉样品完全冻结后，取出样品，将样品放置在冰箱冷藏环境下（冷藏无电场及其他附加技术）进行解冻处理，待完全解冻后计算汁液流失率。注意事项：为避免肉的风干影响实验结果，解冻过程应放置在密封袋内进行；为规避安全隐患，实验操作应穿戴耐高压绝缘手套及其他相关设备。

2 结果与分析

2.1 电场对纯水降温曲线的影响

水的降温曲线直接体现水的降温过程，可从降温曲线中观测出水冻结过程的相关参数（冰点温度、过冷点、冻结速率等）[6]。其中过冷点、冻结速率是影响冰晶形态和数量的重要参数，可根据过冷点和冻结速率推测出冰晶状态[7]。水是食品冻结过程品质的主要影响因素，因此可以根据水的降温曲线间接推测出食品冻结过程变化，包括冰晶数量和形态、细胞组织状态。实验通过检测不同电场强度条件下纯水的温度变化，绘制纯水温度变化曲线，如图1所示。

根据图1可知，纯水在不同静电场强度下降温曲线存在差异，其中电场条件下水的降温速度差异不明显，对比无电场条件，电场处理后降温速度（冰晶形成之前）相对更快，而不同电场处理的样品冻结速度无明显差异（以达到冰点温度为例，9 kV·cm-1电场对比3 kV·cm-1，降温速度仅快2%左右，对比空白对照组，降温速度高出近10%）。电场对于过冷度影响明显，电场强度与过冷度呈现负相关的关系，在电场强度为9 kV·cm-1条件下，过冷度达到最小，接近5 ℃；在电场强度为3 kV·cm-1条件下时，过冷度为11.7 ℃；无电场条件下，过冷度最大，达到15 ℃。同时，不同处理条件下的样品平台期也存在明显差异，0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1条件下纯水平台期分别为1.7 min、2.0 min、2.6 min、

3.1 min，说明电场处理增加了肉的平台期时间。但结合第一次降温过程时间分析可知，电场处理后肉的冻结时间（常温到平台期结束时间）缩短。纯水完全冻结后（第二次降温过程），电场强度与冻结速率未发现明显差异。

2.2 电场对猪里脊肉汁液流失率的影响

食品冻结-解冻后的品质主要受冰晶数量和形态影响（排除电场对于干耗可能存在的影响），电场处理效果直观体现在汁液流失率指标上[8]，通过测试汁液流失率可间接推断冰晶形态和数量，可作为判断食品的营养流失和品质变化的依据[9]。实验通过测试猪里脊肉不同电场处理下冻结-解冻后汁液流失率，验证电场对纯水冻结过程的影响，并作为分析电场对食品冻结过程影响的依据，测试结果见表1。

不同电场处理组的猪里脊肉样品外观存在差异，但不明显。有、无电场处理样品外观差异较明显，无电场条件下样品色泽更为暗淡，且肉質更为松散，回弹性较差；电场组样品色泽鲜亮，肉质回弹性较好。汁液流失率的测试数据也反映出，9 kV·cm-1、6 kV·cm-1电场处理条件下的样品汁液流失率更低，但整体差异不大；电场组与无电场样品汁液流失差异较大，无电场汁液流失率达到5.14%，较9 kV·cm-1、6 kV·cm-1、3 kV·cm-1电场处理组样品分别高出近87%、83%、56%。

3 结论与讨论

高压静电场处理能够改变水分降温速率和过冷度（提升降温速率、降低过冷度），进而影响食品的冻结状态，且当电场强度达到9 kV·cm-1（电场在1～

9 kV·cm-1），效果最为明显。高压静电场通过释放定向电场使水分子偶极矩定向排列，减少分子的自由运动（布朗运动），促进水分子快速成簇，达到晶核形成条件[10]。同时在较低的存储温度下，促使自由水不断加入冰晶结构，实现较高的降温速率，更快地穿过最大冰晶生成带。然而有研究指出，较低的过冷度不易形成数量更多且尺寸更小的冰晶[11]，可能的原因是高压静电场促进水分子定向移动结合成簇，在更低相变潜热释放的条件下，电场提供的能量相对更大，更容易形成更多更圆润的冰晶[12]。

目前高压静电场技术对于冷藏、冷冻保鲜效果影响的研究已取得一定的成果，但尚未形成完整成熟的理论，且作用机理仍存在一定争议，需要进一步分析验证。同时技术上存在着较大的难题，包括：①现有材料的介电性能难以承受高压静电场，导致放电板模组开发应用难度大；②冰箱的存储温度相对较高，现有冰箱冷冻食材降温速度在1～2 ℃·min-1，此条件难以实现食材快速降温，导致过冷现象难以发生；③冰箱中相对湿度较高，高压静电场的应用存在较大安全隐患。机理上的不明确以及技术上的难题均限制了高压静电技术在冰箱产品中的应用与推广，技术应用和推广任重而道远。

参考文献

[1]诸凯，谢艳琦，王雅博.冷冻保存中影响胞内冰生长的因素[J].化工学报，2019，70（增刊2）：208-214.

[2]夏广臻.磁场、静电场辅助制冷分别对食品保鲜及冷冻影响的研究[D].青岛：青岛科技大学，2019.

[3]许丹，陈飞，陈美燕，等.浸渍式快速冷冻液配方优化对中华管鞭虾冻结效果的影响（上）[J].科学养鱼，2023（3）：76-77.

[4]王立爽.强化高压静电场系统对猪肉冷冻特性的影响研究[D]广州：华南理工大学，2021.

[5]高文宏，陈秋妍，王启军，等.静电场对葡萄糖溶液和蔗糖溶液冰晶生长的影响[J].现代食品科技，2017，33（10）：21-29.

[6]贾世亮，杨月，郑雅丹，等.干冰冻结对大黄鱼冻藏期间冰晶及品质的影响[J].食品与机械，2023，39（6）：134-142.

[7]谢菲菲，张德权，颜统晶，等.不同品种、部位生鲜肉冰点和过冷点研究及预测模型构建[J].核农学报，2023，37（6）：1185-1192.

[8]刘蕊，闫琳婧，赵明博，等.低压静电场对冷冻猪肉冰晶生长影响的试验研究[J].农产品加工，2022（17）：20-24.

[9]刘承灏，董佳佳，罗玲.电磁场辅助低温处理对肉品质影响的研究进展[J].食品研究与开发，2023，44（13）：219-224.

[10]李一飞.高压静电场对模型食品冷冻过程的影响研究[D].广州：华南理工大学，2018.

[11]孙志利，李婧，王波，等.食品冻结过程的辅助技术研究进展[J].冷藏技术，2022，45（2）：1-11.

[12]王会，李建强，刘忠宝.复合低温相变蓄冷材料在冰箱中的研究及应用[C]//2015年中国化工学会年会论文集.北京：中国化工学会，2015：1834.