高壓靜電場解凍技術在肉類及肉制品中的應用

臧芳波，呂蒙，付永杰，時若棟，王琳，馮隨，高曉光*

1(河北科技大學 生物科學與工程學院，河北 石家莊，050018)2(晉州市動物衛生監督所，河北 石家莊，052260)3(河北雙鴿食品股份有限公司，河北 石家莊，050021)

肉及肉制品中脂質、蛋白質等營養成分含量豐富，且水分活度較高，因此十分適合微生物生長[1]，進而會造成產品品質和安全性的下降，導致經濟損失。為保證肉類及其制品的食用品質與安全，在肉制品長途運輸及長期儲藏過程中，人們常選用冷凍貯藏實現肉品保鮮。而冷凍肉在加工、消費前需進行解凍，傳統解凍方法耗時長，且存在汁液流失、脂質氧化、營養價值下降等問題[2]。因此，解凍技術在肉類工業中占有十分重要的地位。

高壓靜電場解凍技術是一種新型非熱加工方法，在交流高壓和直流高壓下均可進行。此技術具有解凍速率高、損失小、耗能低等優點，且制品解凍過程中原料內外溫差小，可以迅速通過最大冰晶生成帶，能很好地保證肉品品質，此技術正逐漸被應用于肉制品保鮮及冷凍解凍方面[3-4]。與微波解凍相比，高壓靜電解凍技術設計簡單，能耗低；與傳統解凍方法相比，解凍后的產品很好地保留了營養成分,且具備了優良的理化性能[5]。本文主要綜述了高壓靜電場解凍技術的機理、特點及其對肉及肉制品品質方面的影響，并對其發展前景進行了展望。

1 高壓靜電場解凍機理及特點

高壓靜電場解凍是指處于0～3 ℃環境下的冷凍食品，利用高壓靜電場微能源產生的綜合效應進行的解凍技術[6]，具有解凍損失小、解凍速率高等特點。關于其作用機理的推測主要集中在以下兩個方面：水分子穩態結構的變化和電暈風的產生。

1.1 解凍機理

1.1.1 水分子穩態結構的變化

水并非單純的液體，而是具有一定構造的物質[7]。它具有一定的極性水分子團結構，處于氫鍵作用下的分子聚合和解散的動態平衡中。高壓靜電場的微能源作用可能會打破這種動態平衡，從而使氫鍵斷裂，解散大于聚合；分子團結構以及由此構成的冰變成小冰晶形態，并逐漸過渡到小分子水的液體狀態，最終完成整個解凍過程[8]。

1.1.2 電暈風的產生

高壓靜電場中帶正電的粒子會向負極板方向運動，而帶負電的粒子運動方向則相反，粒子之間不同方向的運動就會產生離子風，即電暈風[9]。電暈風內帶電粒子與空氣發生碰撞時，空氣會電離成電子和離子。新生成的電子和離子繼續與其他分子碰撞，就會產生新的帶電粒子[10]。在這個過程中，帶電粒子在物料表面產生湍流和漩渦，增大其傳熱系數，使其能更快地從周圍環境中吸收熱量，進而提高解凍速率[11-12]。白亞鄉等[13]通過針狀電極下冰加與不加玻璃罩的解凍速度，對比實驗及解凍機理，認為解凍速度增加的主要原因是電暈風對冰的沖擊作用。

1.2 高壓靜電場解凍特點

1.2.1 解凍特點

研究發現，高壓靜電場解凍具有高效節能、解凍均勻且損失小等特點，其中最突出的優點是解凍損失小、解凍速率高[14]。與空氣解凍相比，在不影響解凍質量的情況下，高壓靜電場解凍最多能縮短一半的解凍時間[15]。唐夢等[16]發現3.8 kV高壓靜電場在5 ℃時的解凍速率是對照組的1.59倍，其主要原因是高壓靜電場下解凍能更快地到達且迅速通過最大冰晶生成帶，從而加速解凍；在15 ℃時解凍損失為2.5%,顯著低于對照組的3.17%。JIA等[17-18]發現與傳統空氣解凍、水解凍方法相比，高壓靜電解凍能降低冷凍豬肉蛋白質氧化變性程度，保持肌原纖維蛋白結構的完整性；肌漿蛋白也沒有發生明顯的變性，肌漿蛋白中的α-螺旋結構和β-折疊結構的破壞程度較小。這些現象表明，采用高壓靜電解凍的豬肉，其色澤、保水性等某些理化指標會接近解凍前水平甚至持平。孫芳等[19]發現高壓靜電解凍的牛肉色澤鮮紅，新鮮度明顯好于對照組。其原因在于高壓靜電場產生的臭氧會附著在肉表面，使得肌紅蛋白與氧分子結合，生成鮮紅色的氧合肌紅蛋白。

1.2.2 影響因素

目前，眾多國內外學者研究發現高壓靜電場解凍效果與電極形狀及數量、場強強度和電極板間距有關。何向麗[20]發現板狀電極對解凍速率沒有明顯影響，而多針狀電極可節約1/2的解凍時間，該促解凍效果存在極限值；解凍過程中，與上極板接近處溫度變化較慢，而與下極板接近處溫度變化稍快。AMIRI等[21]將電極板間距和電壓固定，研究電極針數對牛肉品質的影響。結果表明，隨著電極針數的增加，牛肉的解凍損失和氧化程度降低。MOUSAKHANI-GANJEH等[22]發現，隨著外加電壓的增加和電極間距的減小，金槍魚氧化程度不斷增加，但電壓為10.5 kV時，氧化程度反而隨板間距減小而降低。白亞鄉等[13]發現高壓靜電場下，冰的解凍速度與電極板間距有一定的相關性，但非線性相關，電極間距為10 cm時，相鄰的離子風能量恰好全給到冰面，此時解凍速度最快。謝晶等[23-24]發現高壓靜電場對馬鈴薯和豬肉的解凍效果均隨電場強度而變化，具體表現為：場強較高時加電場會加速解凍，而較低時加電場則會延緩解凍。張源等[25]研究發現,高壓電場產生的臭氧對青魚表面的微生物有一定的抑制作用，但該作用并未隨電場強度增加而有明顯變化。RAHBARI等[4]比較了3種電場強度(150、225和300 kV/m)對冷凍雞胸肉解凍的影響，發現解凍時間隨場強增大而降低，場強為225 kV/m時，解凍損失最小、肌原纖維和蛋白質溶解度最高、蛋白變性程度最低。該實驗表明，適當增加電場強度能更好地維持產品品質。此外，解凍時間對解凍效果也有一定影響。解凍時間過長，凍品汁液流失，品質下降；時間短，就會達不到解凍要求[26]。BAI等[5]也證實電壓、相鄰兩針頭的距離和電極間距等參數對解凍速率和能耗的影響也不同。因此，必須通過確定操作條件，優化解凍工藝，才能實現更好的解凍效果。

2 高壓靜電場解凍技術在肉及肉制品中的應用

2.1 對解凍時間的影響

由于肉類極易腐敗變質，冷凍處理是現代食品工業保存肉類的最重要的方式之一。在食用之前，特別是在加工之前對冷凍肉進行解凍是必不可少的操作過程[27]。然而，在解凍過程中，隨著解凍時間的延長，會伴隨著質量損失增加、蛋白質變性、顏色改變、微生物生長等品質劣化問題，肉類的食用品質會受到嚴重影響[28]。傳統的肉類解凍方法包括自然解凍、清水解凍、真空低溫解凍、溶液浸漬解凍等，上述方法耗時均較長，且肉類質量損失相對比較嚴重[29]。因此，快速且能夠保持原料品質的解凍方法受到了學者們的關注。OHTSUKI[30]利用高壓靜電場產生的負電子對樣品進行解凍，發現凍肉中的冰晶能迅速融化成水，同時又被肉片重新吸收，恢復到凍結前的狀態，不僅解凍速度較快，而且能有效保持肉品的新鮮程度。HSIEH等[31]以凍雞大腿為研究對象，在不改變產品質量的情況下，使用高壓靜電場技術極大地減少了解凍時間。唐樹培等[32]在研究高壓靜電場解凍技術對羊胴體的影響規律時發現，解凍時間和汁液流失率隨場強的增加而減少，解凍后色澤隨場強增加而更為鮮艷；在最優場強1.5 kV/m時，解凍時間可縮短11.1%。SINGH等[33]研究發現,用高壓靜電場在相同溫度下對冷凍牛肉進行解凍，所需時間比常規方法減少70%～75%。孫芳等[19]發現高壓靜電場不但可以明顯縮短牛肉的解凍時間，并且解凍后的肉品能保持原有的風味與新鮮度。ROUAUD等[34]認為在靜電場中，移動的電離空氣粒子與不帶電的空氣粒子相互碰撞，產生可感知的風的運動，稱為電暈風，而電暈風可以增強對流傳熱和傳質，在解凍肉類的液體部分產生旋渦和湍流，從而縮短解凍時間。大量研究表明，高壓靜電場技術可以顯著縮短解凍時間，當電極間隙一定時，隨著高壓靜電場電壓的增加，肉類融化速率增加；在恒壓條件下，隨著電極間隙的減小，融化速率增加[35]。

2.2 對肉及肉制品品質的影響

2.2.1 對微生物生長和貯藏時間的影響

近年來，一些學者研究了高壓靜電場技術對冷凍產品解凍質量的影響。研究發現，利用高壓靜電場解凍可以抑制微生物生長，保持肉類及肉制品解凍后的品質，延長貯藏時間[36-37]。HE等[38]研究發現，與空氣解凍樣品相比，用高壓靜電場技術解凍的豬肉和兔肉活菌數均顯著減少，解凍后肉品的新鮮度提高，貯藏時間增加。KO等[39]發現,運用高壓靜電場技術，能夠有效抑制羅非魚菌落總數、K值和揮發性鹽基氮總量的上升，延長其貨架期。LI等[40]采用高壓靜電場解凍技術對鯉魚肉塊進行處理。結果表明，與其他解凍方法相比，用高壓靜電場進行解凍處理后魚肉的微生物污染情況得到改善。電壓為-12 kV時，魚肉初始活菌總數、氣單胞菌數、假單胞菌數和乳酸菌數(3.11、2.93、2.71和2.91 lg CFU/g)均低于空氣解凍組(3.58、3.15、2.88和3.25 lg CFU/g)。KARACA等[41]發現隨著電場強度的增大，微生物生長的抑制效果逐漸增加，這可能是由于較高的電場強度能更有效地導致氧的離開和氮的覆蓋，或者是高壓靜電場產生的臭氧與空氣負離子的相互作用。肉類在解凍過程中極易受到微生物的污染，必須采用合適的措施來優化其品質，高壓靜電場技術為控制肉類微生物生長及延長其貯藏時間提供了新的方法[42-43]。

2.2.2 對顏色的影響

肉類和肉制品的顏色是影響消費者接受度的重要屬性[44]。姚薇等[45]發現解凍冷鮮肉糜時施加高壓靜電場會使其a*值(紅度值)升高、b*值(黃度值)降低，全程電場處理有助于保持肉糜原有的色澤。然而，MOUSAKHANI-GANJEH等[46]將高壓靜電場解凍技術作用于金槍魚塊時發現，采用高壓靜電場解凍技術處理的樣品與空白對照組相比,L*值(亮度值)和b*值顯著增加，并且隨著施加電壓和電極距離的增大，樣品的L*值和b*值增大。唐夢等[16]發現羅非魚片的高壓靜電場解凍組的L*值低于對照組，推測是由于對照組解凍損失率大，從而導致更高的汁液流失率。汁液流失率越高，羅非魚片表面游離水越多，測定時造成的光反射越強，亮度值越高。JIANG等[47]提出高壓靜電場解凍技術導致肉類發生顏色參數的變化，可能是因為樣品中的脂質被高壓靜電場運行過程中,產生的臭氧氧化，樣品表面發生褐變，表現為b*值的增加。總之，高壓靜電場解凍技術對肉類及肉制品顏色的影響尚未獲得一致的結論。盡管高壓靜電場會影響產品的顏色，但不會造成顏色劣變。因此，在肉類加工行業中使用高壓靜電場解凍技術對產品的顏色影響較小，具有一定的應用價值[48]。

2.2.3 對持水性的影響

肉的持水性即“保水性”，與肉的顏色、香氣、嫩度、出品率等密切相關[49]。運用高壓靜電場解凍技術，改善和提高肉品持水性一直是國內外學者密切關注的問題[50]。肌漿蛋白質分子所帶的靜電荷與水分子極化基團靜電荷之間相互吸引，從而將水分子納入蛋白質高分子網狀立體結構的空間中，使肌肉具有一定的持水性[51]。因此，肌肉蛋白質的變化是影響持水性的關鍵因素，此外，貯存溫度、pH值、細胞結構的變化也可影響肉品的持水性[52]。HSIEH等[53]將雞大腿肉在靜電場強度為100 kV/m的條件下解凍，發現高壓靜電場能有效降低雞肉1%～3%的蒸煮損失，提高1%～2%的持水性。

豬肉肌原纖維蛋白在凍融循環過程中會發生氧化，進而導致肉品的持水性、嫩度和營養價值降低。因此，確定高壓靜電場對肌原纖維蛋白氧化程度的影響至關重要[54]。李銀等[55]通過分析冷凍牛肉解凍過程中蛋白質的氧化效應發現，解凍過程中蛋白質容易氧化，引起肌纖維結構改變，從而導致牛肉持水性降低，嚴重影響產品品質。另外，由于pH值對肉類保水能力的影響較大，探究pH值的變化也尤為重要。一旦pH值達到了肉類中主要蛋白的等電點，蛋白質內的極化基團就會相互吸引，從而導致該蛋白質能夠吸引和保持的水數量減少，從而降低持水性[56]。HE等[57]研究發現，高壓靜電場對豬里脊肉解凍過程pH值影響較小，蒸煮損失沒有顯著變化，有利于保持肉類良好的持水性。

2.2.4 對肌肉微觀結構的影響

高壓靜電場解凍均勻，對細胞的損傷小，從而使解凍后肌肉組織結構較為完整。馬堅[58]研究了牛腰大肌的解凍過程，發現高壓靜電場在保持肉組織和肌細胞的完整性方面作用明顯，且最佳電場強度為150 kV/m。據此推測出，在合適的電場強度下(150 kV/m)，極性的水分子聚合物產生作用，表現為在凍結和解凍過程中加速通過最大冰晶生成帶，從而產生均勻分布的細小冰晶，以保持肌肉組織和肌纖維細胞的完整性。唐夢[59]通過光學顯微鏡觀察發現，羅非魚片高壓靜電場解凍組與對照組相比，肌節長、無損傷、細胞間隙小。電鏡掃描結果進一步表明，對照組解凍后肌纖維出現彎曲變形，肌束松散，而高壓靜電場解凍后的肌束排列更為整齊緊密，肌纖維無彎曲。因此，高壓靜電場通過加速氫鍵斷裂直接改變水分子組成狀態，快速實現解凍，避免了冰晶對細胞造成一次與二次傷害，對保持肉類及其制品原有的組織結構具有重要意義。

3 總結與展望

高壓靜電場解凍技術是一種新型技術，在肉類及其制品的解凍保鮮應用中表現出了良好的工業應用潛力。與傳統解凍技術相比，高壓靜電場解凍技術能夠減少微生物污染、減少解凍時間、降低汁液損失、改善持水性，有效保證了肉類的新鮮度并延長了肉類的貯藏期。然而，高壓靜電解凍技術至今仍存在一些問題。該技術對環境濕度要求較高，濕度過大時，空氣可能會被擊穿，存在安全隱患。高壓靜電技術也因為具有對電極配置和電壓水平的嚴格要求等問題而沒有得到廣泛應用。目前對該技術的研究主要集中在對解凍速率的影響方面，并沒有對解凍機理和解凍過程中制品的變化等方面進行深入研究。運用高壓靜電場技術對肉類和肉制品進行解凍時，由于肉類種類、部位、操作條件的不同，產生的影響也不同。因此，在今后的研究中，一方面可以更加全面地研究高壓靜電場對不同類型及不同部位肉制品解凍的影響；另一方面深入探索電壓、電極間隙、電極尺寸等條件對融化速率、改善肉質和控制微生物生長的影響，進一步標準化工藝參數以提高解凍速率，減少能耗，保證肉制品的品質，確保其所產生的積極影響的高再現性和實際應用性。