冰箱環境下高壓靜電場對于肉類冷凍效果的影響

江峰 任猛 胡海梅

摘 要：冰箱中肉類冷凍效果主要受到存儲溫度的影響，現有冰箱冷凍存儲溫度（-18～-24 ℃）難以實現理想的存儲效果。為解決此問題，通過實驗分析了冰箱冷凍溫度下不同電場處理（0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1）對純水降溫曲線的影響，并通過食材驗證冷凍保鮮效果。結果表明，高壓靜電場處理后，水的過冷度以及凍結速度明顯改變，且電場處理后的食材，汁液流失率更低。

關鍵詞：高壓靜電場；凍結速度；過冷度；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

肉類在冷凍過程中受冰晶形態和數量影響，品質會有所下降。水達到一定凍結條件會產生冰晶，不同條件下，冰晶形態存在差異，導致細胞或組織受損程度不同。例如，在緩慢冷凍條件下，肉類細胞外水分先形成冰晶，細胞內外壓差導致細胞內的水分不斷向胞外轉移[1]，水分加入晶格結構，導致冰晶不斷生長，細胞結構受到擠壓或刺破，導致解凍后細胞內營養物質流失，肉的品質下降[2]。快速冷凍條件下，細胞內外自由水可同步產生冰晶[3]，水快速穿過最大冰晶生成帶，此時冰晶尺寸更為圓潤，冰晶數量相對更多，冰晶對于細胞傷害更小，更有利于保持肉的品質。肉在凍結過程中會經歷二次降溫以及平臺期，其中第一次降溫是溫度達到冰點并持續降低到過冷點后升溫到凍結溫度的過程。該過程中，水分達到冰點，但缺乏成核條件，導致水分保持液態不凍結，溫度繼續降低到過冷點時達到臨界狀態，溫度繼續降低液態水會釋放大量潛熱形成冰晶，同時肉的溫度會上升到冰點溫度，此時達到平臺期。平臺期肉的溫度基本維持在冰點溫度，此時肉中的水分不斷形成冰晶，也是冰晶不斷生長的過程。當冰晶不再生長時，肉的溫度繼續下降到環境溫度。其中，主要是冰晶形成和生長階段影響肉的品質。

目前冰箱中食材冷凍主要通過速凍方式實現凍結速率的提升，保證水分快速通過最大冰晶生成帶，實現肉品質保證。然而冰箱速凍溫度相對較高，冰晶形成數量較少，尺寸較大，無法滿足胞內冰晶大量形成的條件。高壓靜電場能夠改變水的凍結速率和凍結效果[4]，在高壓靜電場條件下，水分子自由移動受到束縛，電場促進水分子定向排列[5]，結合形成一定大小的分子簇（晶核形成條件），加速水的降溫過程，在相對較高的溫度下實現水由液態轉向固態。本文以冰箱為載體，通過實驗研究高壓靜電場對水、肉冷凍過程的影響，確定高壓靜電場冷凍保鮮適宜作用條件，為后期冰箱冷凍保鮮能力的提升提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

純水、新鮮豬里脊肉。

冷藏冷凍箱（BCD-520WUP9B）、電子天平（ME104，梅特勒-托利多儀器有限公司）、電場模塊（包括升壓裝置、電場強度調節裝置、電場釋放裝置等）、溫度檢測設備等。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計

（1）電場強度。高壓靜電場有效作用強度高，然而受限于目前材料介電性能，放電板在高壓下（大于kV·cm-1級別）極易被擊穿。因此結合前期的調研結果，實驗研究將電場強度控制在1～9 kV·cm-1，電場強度按照0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1共4個水平進行設計，并設置2組平行樣品。

（2）實驗條件。實驗在冰箱冷凍室進行，環境溫度為25 ℃，冰箱冷凍溫度為-32 ℃，冷藏溫度為4 ℃，為避免化霜溫度沖擊影響實驗結果，實驗在化霜結束后進行。同時為避免穩態下溫度波動較大影響實驗結果，通過調整冰箱開停機參數控制冰箱溫度波動在±1 ℃范圍內。

（3）測試指標。①降溫曲線。檢測繪制純水從初始狀態降低到完全凍結過程的曲線（考慮到肉不同位置之間成分存在較大的差異，為避免誤差，選用純水作為測試對象）。②汁液流失率。測量樣品初始重量m1以及解凍后重量m2（去除血水），根據解凍前后的差值計算汁液損失率，汁液損失率=（m1-m2）/m1×100%。

1.2.2 實驗步驟

①冰箱冷凍溫度設置為-32 ℃（冷藏溫度設置為4℃），待運行至穩態，將電場釋放裝置放置于冰箱冷凍室，放電板保持平行放置（放電板之間形成勻強電場）；②將新鮮的豬里脊去除表面筋膜，按照相似外觀尺寸和重量進行分割處理，擦拭掉分割后鮮肉表面血水，稱重并拍照記錄外觀；③將純水（外觀無明顯差異）、豬里脊樣品放置在放電板之間，純水中心處提前插入熱電偶，用于監測純水的溫度變化；④待豬里脊肉樣品完全凍結后，取出樣品，將樣品放置在冰箱冷藏環境下（冷藏無電場及其他附加技術）進行解凍處理，待完全解凍后計算汁液流失率。注意事項：為避免肉的風干影響實驗結果，解凍過程應放置在密封袋內進行；為規避安全隱患，實驗操作應穿戴耐高壓絕緣手套及其他相關設備。

2 結果與分析

2.1 電場對純水降溫曲線的影響

水的降溫曲線直接體現水的降溫過程，可從降溫曲線中觀測出水凍結過程的相關參數（冰點溫度、過冷點、凍結速率等）[6]。其中過冷點、凍結速率是影響冰晶形態和數量的重要參數，可根據過冷點和凍結速率推測出冰晶狀態[7]。水是食品凍結過程品質的主要影響因素，因此可以根據水的降溫曲線間接推測出食品凍結過程變化，包括冰晶數量和形態、細胞組織狀態。實驗通過檢測不同電場強度條件下純水的溫度變化，繪制純水溫度變化曲線，如圖1所示。

根據圖1可知，純水在不同靜電場強度下降溫曲線存在差異，其中電場條件下水的降溫速度差異不明顯，對比無電場條件，電場處理后降溫速度（冰晶形成之前）相對更快，而不同電場處理的樣品凍結速度無明顯差異（以達到冰點溫度為例，9 kV·cm-1電場對比3 kV·cm-1，降溫速度僅快2%左右，對比空白對照組，降溫速度高出近10%）。電場對于過冷度影響明顯，電場強度與過冷度呈現負相關的關系，在電場強度為9 kV·cm-1條件下，過冷度達到最小，接近5 ℃；在電場強度為3 kV·cm-1條件下時，過冷度為11.7 ℃；無電場條件下，過冷度最大，達到15 ℃。同時，不同處理條件下的樣品平臺期也存在明顯差異，0 kV·cm-1、3 kV·cm-1、6 kV·cm-1、9 kV·cm-1條件下純水平臺期分別為1.7 min、2.0 min、2.6 min、

3.1 min，說明電場處理增加了肉的平臺期時間。但結合第一次降溫過程時間分析可知，電場處理后肉的凍結時間（常溫到平臺期結束時間）縮短。純水完全凍結后（第二次降溫過程），電場強度與凍結速率未發現明顯差異。

2.2 電場對豬里脊肉汁液流失率的影響

食品凍結-解凍后的品質主要受冰晶數量和形態影響（排除電場對于干耗可能存在的影響），電場處理效果直觀體現在汁液流失率指標上[8]，通過測試汁液流失率可間接推斷冰晶形態和數量，可作為判斷食品的營養流失和品質變化的依據[9]。實驗通過測試豬里脊肉不同電場處理下凍結-解凍后汁液流失率，驗證電場對純水凍結過程的影響，并作為分析電場對食品凍結過程影響的依據，測試結果見表1。

不同電場處理組的豬里脊肉樣品外觀存在差異，但不明顯。有、無電場處理樣品外觀差異較明顯，無電場條件下樣品色澤更為暗淡，且肉質更為松散，回彈性較差；電場組樣品色澤鮮亮，肉質回彈性較好。汁液流失率的測試數據也反映出，9 kV·cm-1、6 kV·cm-1電場處理條件下的樣品汁液流失率更低，但整體差異不大；電場組與無電場樣品汁液流失差異較大，無電場汁液流失率達到5.14%，較9 kV·cm-1、6 kV·cm-1、3 kV·cm-1電場處理組樣品分別高出近87%、83%、56%。

3 結論與討論

高壓靜電場處理能夠改變水分降溫速率和過冷度（提升降溫速率、降低過冷度），進而影響食品的凍結狀態，且當電場強度達到9 kV·cm-1（電場在1～

9 kV·cm-1），效果最為明顯。高壓靜電場通過釋放定向電場使水分子偶極矩定向排列，減少分子的自由運動（布朗運動），促進水分子快速成簇，達到晶核形成條件[10]。同時在較低的存儲溫度下，促使自由水不斷加入冰晶結構，實現較高的降溫速率，更快地穿過最大冰晶生成帶。然而有研究指出，較低的過冷度不易形成數量更多且尺寸更小的冰晶[11]，可能的原因是高壓靜電場促進水分子定向移動結合成簇，在更低相變潛熱釋放的條件下，電場提供的能量相對更大，更容易形成更多更圓潤的冰晶[12]。

目前高壓靜電場技術對于冷藏、冷凍保鮮效果影響的研究已取得一定的成果，但尚未形成完整成熟的理論，且作用機理仍存在一定爭議，需要進一步分析驗證。同時技術上存在著較大的難題，包括：①現有材料的介電性能難以承受高壓靜電場，導致放電板模組開發應用難度大；②冰箱的存儲溫度相對較高，現有冰箱冷凍食材降溫速度在1～2 ℃·min-1，此條件難以實現食材快速降溫，導致過冷現象難以發生；③冰箱中相對濕度較高，高壓靜電場的應用存在較大安全隱患。機理上的不明確以及技術上的難題均限制了高壓靜電技術在冰箱產品中的應用與推廣，技術應用和推廣任重而道遠。

參考文獻

[1]諸凱，謝艷琦，王雅博.冷凍保存中影響胞內冰生長的因素[J].化工學報，2019，70（增刊2）：208-214.

[2]夏廣臻.磁場、靜電場輔助制冷分別對食品保鮮及冷凍影響的研究[D].青島：青島科技大學，2019.

[3]許丹，陳飛，陳美燕，等.浸漬式快速冷凍液配方優化對中華管鞭蝦凍結效果的影響（上）[J].科學養魚，2023（3）：76-77.

[4]王立爽.強化高壓靜電場系統對豬肉冷凍特性的影響研究[D]廣州：華南理工大學，2021.

[5]高文宏，陳秋妍，王啟軍，等.靜電場對葡萄糖溶液和蔗糖溶液冰晶生長的影響[J].現代食品科技，2017，33（10）：21-29.

[6]賈世亮，楊月，鄭雅丹，等.干冰凍結對大黃魚凍藏期間冰晶及品質的影響[J].食品與機械，2023，39（6）：134-142.

[7]謝菲菲，張德權，顏統晶，等.不同品種、部位生鮮肉冰點和過冷點研究及預測模型構建[J].核農學報，2023，37（6）：1185-1192.

[8]劉蕊，閆琳婧，趙明博，等.低壓靜電場對冷凍豬肉冰晶生長影響的試驗研究[J].農產品加工，2022（17）：20-24.

[9]劉承灝，董佳佳，羅玲.電磁場輔助低溫處理對肉品質影響的研究進展[J].食品研究與開發，2023，44（13）：219-224.

[10]李一飛.高壓靜電場對模型食品冷凍過程的影響研究[D].廣州：華南理工大學，2018.

[11]孫志利，李婧，王波，等.食品凍結過程的輔助技術研究進展[J].冷藏技術，2022，45（2）：1-11.

[12]王會，李建強，劉忠寶.復合低溫相變蓄冷材料在冰箱中的研究及應用[C]//2015年中國化工學會年會論文集.北京：中國化工學會，2015：1834.