高壓靜電場解凍技術在食品中的研究進展

唐　夢,岑劍偉,李來好,*,楊賢慶,吳燕燕,郝淑賢,陳勝軍

(1.中國水產科學研究院南海水產研究所,國家水產品加工技術研發中心,廣東廣州 510300; 2.上海海洋大學食品學院,上海 201306)

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高壓靜電場解凍技術在食品中的研究進展

唐夢1,2,岑劍偉1,李來好1,*,楊賢慶1,吳燕燕1,郝淑賢1,陳勝軍1

(1.中國水產科學研究院南海水產研究所,國家水產品加工技術研發中心,廣東廣州 510300; 2.上海海洋大學食品學院,上海 201306)

隨著冷凍食品消費量的不斷增加,快速有效的解凍方式也日益受到重視,其中高壓靜電解凍技術由于其解凍速率快,時間短,營養損失少,設備簡單易操作等獨特優勢在冷凍行業得到快速發展與應用。本文對高壓靜電場解凍技術的解凍機理以及優缺點進行了分析,介紹了國內外高壓靜電場解凍技術在果蔬類、凍肉類、水產類及其他食品的研究現狀,并對高壓靜電場解凍技術的發展前景進行展望。

高壓靜電場,解凍,食品,解凍機理,研究進展

為了長時間的保持食品品質,達到安全流通的需要,冷凍成為世界各國的主要食品加工運輸方式之一,然而,冷凍食品都面臨著解凍后無法恢復到較佳的新鮮狀態的難題。因此,人們致力于研究新的解凍方式[1-3]。

高壓靜電解凍是將冷凍食品放置于0～-3 ℃左右的低溫環境的高壓靜電場中,利用高壓電場微能源所產生的各種效應使食品解凍。高壓靜電場是利用電子線路產生高頻矩形波,變換成輸出連續可調的穩定直流高電壓,使用時將電源加在兩塊極板之間,形成高壓靜電場。解凍對食品的營養價值和品質有著很大的影響,解凍速率較快的解凍方式會導致營養物質損失嚴重,口感下降;解凍時間太長容易造成微生物污染,汁液流失嚴重[4-5]。

因此解凍方式在食品加工中至關重要。研究表明,高壓靜電技術在解凍質量和時間上都優于空氣解凍和水解凍[6-7],因此得到了快速應用與發展,成為食品解凍的重要技術方法之一,也是我國食品解凍工藝的一個發展方向。近年來,高壓靜電場解凍的研究不斷增多,然而并沒有綜述性的文章進行總結,隨著研究的不斷深入開展,有必要對此進行總結性的概述,全面了解高壓靜電場解凍的原理、特點及其在食品工業中的應用。

本文綜述了高壓靜電場解凍原理,在解凍過程中水之間的穩態結構的變化,離子風的形成以及產生的負離子效應和臭氧作用;綜述了國內外關于高壓靜電場解凍在不同種類的食品上的研究進展以及高壓靜電解凍技術的研究前景等。

1　解凍機理

1.1破壞水的穩態結構

水本身并非單純的液體,而是具有一定構造的物質,于是從水的構造角度開拓了對生物膜研究的新領域[8-9]。經理論分析認為,水是由氫鍵結合而成的,具有一定極性的水分子團結構的液體,而這種水分子團結構實際上是一種準穩態結構,一般僅能保持10 s左右,這是一個處于在氫鍵作用下分子聚合和解聚的動態平衡,它的排列和運動狀態時時發生變化。因此,當處于高壓靜電場中,一種微能量的作用使得分子之間的平衡可能被打破,使解聚大于聚合;使得分子團結構以及由此構成的冰層結構隨著起關鍵作用的氫鍵的崩潰而發生較大的變化,從而達到加速解凍的效果。高壓靜電場可以加速冰的解凍機理是因為高壓靜電場產生的微能源可以加速冰層結構中氫鍵的斷裂,使冰以小冰晶的形式存在,再逐步過渡到小分子水的液體狀態[10-11]。

1. 2形成離子風

在高壓靜電場中會存在帶電粒子,這些帶電粒子因為所帶電荷的不同,會產生不同方向的運動,帶負電的粒子會向正極板方向運動,帶正電的粒子會向負極板方向運動,這樣的粒子之間的運動就會形成離子風[11]。由于離子風是由高速運動的帶電粒子組成,當這些高速運動的帶電粒子打到冰表面時,其攜帶的能量便會被冰表面的水分子所吸收,進而提高了這些水分子的動能,使它們融化速度加快。同時,這些帶電粒子沉積在冰的表面也會提高冰的導熱速率,使其能更快的從周圍環境中吸收熱量,提高其融化速度。白亞鄉等[12]對高壓靜電場解凍的實驗結果表明:解凍速度與電極的形狀密切相關,其中板電極解凍效果不明顯,線電極和針電極能獲得較大的解凍速度,主要是因為針電極和線電極有電場強度相對較強的尖端,空氣中散存的帶電粒子就會在強電場作用下加速運動,與空氣分子碰撞又形成新的帶電粒子,這樣就會產生大量的帶電粒子,在電場中形成更多的離子風,從而加速解凍。

1. 3產生負離子效應和臭氧作用

有研究發現,高壓靜電場可以電離空氣生成負離子和臭氧,負離子具有抑制生物組織的新陳代謝、降低其呼吸強度、減慢酶的活性等作用[13];臭氧能與細菌細胞壁脂類雙鍵反應,穿入菌體內部,作用于蛋白質和脂多糖,改變細胞的通透性,從而導致細菌死亡。丹陽和李里特[8]研究了高壓靜電場臭氧產生能力,研究表明隨著電場強度的增加,臭氧的含量也不斷增加,并且高壓靜電場證明所產生的臭氧對細菌有一定的抑制和殺滅作用。

2　高壓靜電場解凍特點

2.1解凍特點

在常規解凍法中,主要是熱交換,熱能從食品表面向食品內部擴展,水分子活動緩慢,慢慢由食品表面一層層向內解凍,解凍時間長,組織細胞容易破壞,汁液流失嚴重,溫度差距大,細菌容易繁殖。高壓靜電場解凍時非熱處理物理解凍,高壓靜電場中的靜電力促使水分子活化,水分子因而增加彼此間的摩擦碰撞,振蕩加速,由固態冰晶轉化成液態水分子保存在食品內部,不破壞組織細胞,汁液流失少,溫差小,抗氧化,抑制細菌增生。高壓靜電場的發展一直有科研人員在探索和研究,有比其他解凍方法更好的優勢,也有一些問題和不足。

2.2優點

由于高壓靜電場解凍的特點和機理,高壓靜電場解凍具有很多優勢:解凍速率快,解凍時間短[6-7,10];解凍的食品主要成分和營養物質損失少,存放時間長[15],高壓靜電場解凍是非熱解凍且解凍均勻,高壓靜電場又可以改變酶的活性并且產生臭氧和負離子[12-14],可以殺滅和抑制細菌滋生,延長食品的貨架期,保持更好的品質;作為物理加工具有無污染和無殘留的特點;設備簡單,容易操作[5]。

2.3缺點

高壓靜電場解凍發展至今依然存在問題和缺陷:安全問題有待考究。因為高壓靜電場中需要較高的電壓,還是具有一定的危險性[16-17]。如果環境濕度過大,靜電場內空氣可能會被擊穿,具有一定的安全隱患[5]。并且高壓靜電場情況下操作具體對人體有無影響還有待研究;日本已經將高壓靜電冰箱應用于肉類解凍[18],因此高壓靜電保鮮還是比較安全可靠的,不過對于國內的應用還需要進行更多的研究。

3　國內外研究進展

靜電場生物學效應早在18世紀中葉就有發現,近幾十年,不斷得到科學界的重視,開始進行系統而深入的研究。20世紀60年代,Murr與Sidqway等[19-20]分別研究了電場對植物細胞的傷害和植物呼吸強度的影響;20世紀80年代,張振球等[21]用靜電場精選燕麥種子時發現,這項技術提高了種子的發芽率,縮短了發芽時間;1994年,Song[22]等報道了生物膜ATP酶能夠從規則的交變電場中吸收自由能并做功。隨著近年來的工業發展和技術進步,高壓靜電技術的應用研究逐漸發展起來。

3.1在果蔬類解凍方面的應用

速凍果蔬類在速凍食品中一直占有很大的市場,我國是果蔬生產和出口大國,與其它國家相比,我國速凍果蔬類在產品價格上占有絕對優勢,我國的速凍果蔬絕大部分出口到日本、韓國、新西蘭等國家和地區,每年創匯數億美元。而對于日益追求新鮮果蔬的發展趨勢,解凍技術至關重要[23]。

因為果蔬中含有大量水分,因此在解凍時容易失水,導致汁液流失;可溶性糖容易損失,質感變差,營養品質下降。高壓靜電場解凍果蔬,不僅解凍時間短,且水分得到更好地保持,汁液流失少,可溶性糖等營養成分有更好地保持。謝晶等[24]研究發現,高壓靜電場的場強對馬鈴薯的解凍和凍結都有很大的影響,高壓靜電場在對果蔬的解凍中,場強較低時,高壓靜電場對解凍是有延緩作用的,當場強的強度增加到一定值之后,高壓靜電場才對果蔬的解凍有加速作用,并且是隨著場強強度的增加,加速作用更加明顯;并且不同場強對馬鈴薯解凍前后的汁液流失和質地特性影響較小;郭衍銀等[25]以速凍冬棗為例,研究了高壓靜電場對解凍冬棗品質的影響。結果表明:選擇適宜的電場強度對速度冬棗有明顯的加速作用,并且對冬棗的品質也有很好的保持,硬度和保水性都優于對照組,有機酸、可溶性糖和維生素C含量都高于對照組。

3.2在凍肉類解凍方面的應用

高壓靜電場在凍肉類的應用已經較為成熟,日本已經將高壓靜電技術應用到肉類的解凍。1991年6月名為 Tatsukiyo Ohsuki的發明者在美國申請的專利“Process for Thawing Foodstuffs”是有關食品靜電解凍方法及其裝置,提供的實驗結果顯示:在-3～3 ℃下金槍魚片、牛肉片的解凍時間僅為同等溫度下的1/4～1/3,而且解凍后的產品無明顯的汁液流失現象,微生物指標均明顯低于對照組的指標[25]。

高壓靜電場解凍凍肉類,可以縮短時間,增加解凍速率,且可以通過提高電壓,降低電極距來縮短解凍時間。先前的研究已經表明,用高壓靜電場解凍法解凍冷凍豬肉(20 ℃)和雞肉(-3 ℃)與用空氣解凍相比,可以縮短2/3的時間,提高電壓,降低電極距可以明顯縮短解凍時間[26-29]。謝晶等[23,30]以豬肉為例,研究了高壓靜電場對解凍的影響。結果表明,豬肉在高壓靜電場下解凍規律:高壓直流電場場強對馬鈴薯解凍過程的影響是隨著電場強度而變化的,場強較低時加電場會延緩解凍,而場強較高時卻又能加速解凍,呈現出一個極值的狀態;Singh與Song等[21,31]研究發現在相同的溫度下,用高壓靜電場解凍法對冷凍牛肉進行解凍,所需時間是常規方法所用時間的25%～30%。孫芳等[32]對牛肉在高壓靜電場中的解凍研究發現,高壓靜電場可以縮短牛肉的解凍時間。因此,在適宜的電場條件下,高壓靜電對解凍時又存在明顯加速的作用。

高壓靜電解凍凍肉類能更好地保持其品質。研究發現,因為高壓靜電場能產生臭氧和負離子,因此高壓靜電解凍可以限制微生物的生長和減少微生物負荷的影響;可以減少樣品中的揮發性鹽基氮含量[21,31]。從理化指標看,高壓靜電解凍后的豬肉,新鮮度良好,鮮味物質增加,風味變好,嫩度也有所改善[33]。因為高壓靜電場產生臭氧附著在肉的表面,使得紅紫色的肌紅蛋白和分子氧之間形成共價鍵結合成氧合肌紅蛋白使肉色呈鮮紅色,從而外觀肉色鮮紅而且亮度較好[32]。

3.3在冷凍水產品解凍方面的應用

對于水產品而言,因為新鮮水產品肌肉中水分含量高、組織脆弱、天然免疫物質少、不飽和脂肪酸易氧化及可溶性蛋白質含量高,所以比一般的動物肉組織更容易腐敗,不易貯藏[34-37]。同時由于多數水產品生命周期的局限性,因此冷凍保鮮是水產品保鮮盒運輸的重要方式[38],而解凍過程是決定冷凍保鮮水產品品質的重要因素[39-43]。謝晶等[23]以青魚為研究對象,研究其在高壓靜電場中的解凍,研究結果表明,不論是否在高壓靜電場下凍結,在高壓靜電場作用下的解凍速率都要高于不加電場解凍,從而證實了高壓靜電場在水產品解凍過程中的加速作用。Alireza等[44]以金槍魚為研究對象,分別在三種不同電壓和三種不同的電極距下進行解凍,結果表明,高壓靜電場處理后揮發性氮減少,金槍魚的新鮮度增加,金槍魚的各項質構指標都顯著增加,蛋白質的溶解度也降低,更多的保留了蛋白質的量,并且解凍速率是對照組空氣解凍的1.78倍,提高電壓和降低電極距可以縮短解凍時間。

人類對海洋的開發有著無限的潛能,水產品的發展也必然是國家所重視的方面,因此對于易腐敗變質的水產品而言,為保證水產品的新鮮度和品質,高壓靜電解凍在水產品中的發展和應用具有很大的前景。高壓靜電解凍技術獨到的經濟優勢和理想的應用成果,具有廣闊的發展前景和推廣價值。

3.4在其他方面的應用

國內外近年來也在高壓靜電場方面做了很多的研究,除了上述幾類食品,高壓靜電解凍在其他方面也有一些研究和探索。通過對冰在高壓靜電場中的解凍規律,研究高壓靜電場解凍的機理;因為含水量的不同,不同的食品在解凍速率上也有所不同,但是隨著電場場強的增加,解凍速率都呈加速的趨勢。在研究凍豆腐的解凍時,高壓靜電場可以加速解凍,縮短解凍時間[11];高壓靜電場還可以解凍雞蛋,且可明顯縮短解凍時間,保持好的品質。高壓靜電場在其他食品的解凍上實際應用的并不多,需要做更多的研究和推廣,使得高壓靜電場解凍技術得到更為廣泛的應用[45]。

4　發展前景

高壓靜電場技術主要應用于凍肉類,因為食品中的含水量高,氫鍵作用強,因此,水分子間因氫鍵結合而形成的動態平衡的穩態結構,容易被高壓靜電解凍破壞,從而達到顯著的縮短解凍時間的效果,目前市場上運用高壓靜電場解凍技術只是小部分,想要進一步廣泛應用于市場,需要進一步的研究與探索。

4.1高壓靜電場的條件設置

高壓靜電場解凍的場強強度和電極之間的距離對高壓靜電場解凍速度有著直接的影響,電場不同的電極也會使得解凍效果不一樣,因此高壓靜電場的條件設置還需進一步研究與完善。

4.2環境中其他因素的影響和物料本身的影響

因為食品的含水量以及其他成分的不同,在解凍過程中,解凍速率和解凍后的品質都會有所區別,解凍環境中其他因素也會影響最后的結果,如環境的溫度、濕度等。可以就這些影響因素進行進一步的研究,探索其中的趨勢和規律。

4.3高壓靜電場解凍技術與其他技術的結合

高壓靜電場技術可以與其他解凍技術、保鮮技術相結合,從而研究發展更有效的方法。

4.4高壓靜電場設備的研究

由于電場條件的設置和各項因數的影響,高壓靜電解凍的設備研究也是至關重要,要考慮電極形狀的設置和電場強度區間的選擇問題,還要考慮到實際應用的問題,小型家用的設備,大型適合大量生產加工需要的設備等等;對物理加工的加工強度、加工量的控制,多針式電場的應用等設備和處理方式的研究工作以及對食品品質的影響研究均有待進一步的研究和探索,改造與研發出適應不同市場需求、簡單又節能的設備是高壓靜電場解凍技術發展的重要方向。

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Research progress of high voltage electrostatic field thawing technology in food

TANG Meng1,2,CEN Jian-wei1,LI Lai-hao1,*,YANG Xian-qing1, WU Yan-yan1,HAO Shu-xian1,CHEN Sheng-jun1

(1.South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences, National Aquatic Product Processing Technology Research and Development Center,Guangzhou 510300,China; 2. College of Food Science & Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

With the increasing consumption of frozen food,more and more attention has been focused on the quick and efficient way of thawing,and high voltage electric field(HVEF)thawing technology in the refrigeration industry has been rapid development and application,because of its speed,time is short,less nutrient loss,the device is easy to operate,and other unique advantages. This paper introduced the principle of high voltage electrostatic field thaw techniques,discuss of the advantages and disadvantages of HVEF thawing techniques,introduced the fruit and vegetable category,frozen meat,aquatic products and other current research status of HVEF thawing technique,take the development prospect of HVEF thawing technique.

high voltage electrostatic field;thawing process;food;thawing mechanism;research progress

2015-09-10

唐夢(1991-),女,碩士研究生,研究方向:食品科學與工程,E-mail:510395089@qq.com。

李來好(1963-),男,博士,研究員,研究方向:水產品加工、水產品質量安全與水產標準,E-mail:laihaoli@163.com。

羅非魚產業技術體系崗位科學家專項經費(CARS-49);國家支撐計劃項(2015BAD17B03);中國水產科學研究院基本科研業務費專項(2015B06YQ01);中國水產科學研究院南海水產研究所中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(2014YD06)。

TS205.7

A

1002-0306(2016)10-0373-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.069