磁場輔助低溫貯藏技術在食品中的應用及研究進展

翁金通，生慶海，劉敬科，張曉頔，劉俊利，張愛霞，李朋亮，趙 巍,

（1.河北省農林科學院生物技術與食品科學研究所，河北 石家莊 050051；2.河北經貿大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050061）

近年來，我國生鮮食品年產量超12億 t[1]，由于保鮮處理不當等問題，有近三成的生鮮產品因腐敗變質而喪失經濟價值[2]，如何延長生鮮食品的保鮮期一直是人們關注的重點。早些年，人們通過鹽漬、糖漬等手段抑制微生物生長，延緩食品腐敗變質。目前，常見的保鮮技術分為生物保鮮、化學保鮮和物理保鮮三大類（圖1），生物保鮮技術包括生物源保鮮劑、天然抗菌劑、細菌噬菌體和基因工程技術等，化學保鮮技術包括化學源防腐劑、抑菌劑、抗酶劑和抗氧化劑等，物理保鮮技術包括低溫保鮮、熱處理保鮮、氣調包裝、真空保鮮、磁場保鮮、電場保鮮、超高壓保鮮和超聲波保鮮等。其中物理保鮮技術更適應大規模工業化應用，且不會造成化學物質殘留，受到越來越多學者的關注。隨著科技的不斷進步，物理保鮮技術中的低溫貯藏技術逐漸成為延長食品貯藏明間的首選[3]。冷藏只能在較短明間內維持生鮮食品的食用品質；冷凍雖然可以更好地延緩食品腐敗變質，但在降溫凍結過程中水形成的大冰晶會破壞細胞結構，食品解凍后會出現水分和營養成分流失嚴重等問題，對食品的營養價值和感官特性等方面造成負面影響，最終導致食品復溫后品質欠佳[4]，滿足不了消費者對食品品質的追求。因此尋找一種可更好維持食品品質的低溫貯藏技術手段已成為研究熱點。

圖1 食品常見保鮮技術的分類Fig.1 Classification of common food preservation technologies

近年來，國內外關于提高冷凍食品的冷凍速率和質量的研究極為活躍，已有研究將物理處理工藝協同低溫貯藏技術保鮮食品，包括超高壓[5]、超聲波[6]、電場[7]、磁場[8]等。其中，磁場保鮮技術是新興的保鮮手段，其憑借高效、節能、安全、綠色無污染，和對食品原有營養物質的損耗少等眾多優勢，從多種物理處理技術中脫穎而出[3]。磁場是在一定空間區域內連續分布的矢量場，由物質與周圍的空間作用產生[9]，有研究表明，磁場結合低溫貯藏技術可以改善食品的貯藏品質。Kang等[10]發現與常規冷藏相比，磁場過冷處理后的菠蘿品質更接近新鮮樣品。Choi等[11]研究發現磁場冷凍處理能改善牛肉的品質，減輕因長期貯藏而導致品質劣變的現象，總體可接受性更高，與鼓風冷凍處理牛肉相比，保鮮期更長。磁場鋪助低溫貯藏技術有利于維持食品原有的風味、口感和營養成分，彌補常規低溫貯藏技術會極大損害食品品質的缺陷，在眾多食品保鮮技術中表現出巨大的發展潛力[3]。

磁場鋪助低溫貯藏技術通過優化降溫凍結過程、調節酶活力、降低微生物含量等方式改善生鮮食品食用品質，近年來已成為食品保鮮領域的研究熱點[12]。本文結合國內外最新研究進展，綜述了磁場鋪助低溫貯藏技術的作用機理及在食品領域的應用，總結了生產中的不足，并對其應用前景進行展望，以期為磁場在食品低溫貯藏中的工業化應用提供理論參考。

1 磁場輔助低溫貯藏技術簡介

磁場鋪助低溫貯藏技術是磁場與低溫貯藏相結合的技術，其原理是在低溫（冷凍和冷藏）條件下通過施加外部磁場產生磁場生物學效應，來彌補低溫貯藏后食品品質劣變的缺點。磁場生物學效應即磁場作用會產生一系列電磁效應，包括感應電流效應、振蕩效應、洛倫茲力效應以及電離效應，使帶電分子受洛倫茲力的作用振動和重新定位，改變膜電位，從而改變細胞膜的通透性，對生物的生理活動產生影響[13]。磁場生物學效應可分為磁場細胞生物學效應、磁場遺傳因子效應、磁場生物大分子效應[14]，磁場在食品低溫貯藏上的應用主要涉及磁場生物大分子效應。食品內部成分復雜，其中水分子、蛋白質、多糖和脂類等都是抗磁性物質，通常都帶電荷和磁矩，易受磁場影響，在外部磁場作用下均會發生感應磁化，內部感應磁場方向與外部磁場相反，影響其原有的狀態[15]。

相較于單一冷藏技術，磁場可以進一步抑制或提高酶活力、減少微生物數量、降低食品內部的生化反應速率，從而延緩食品的腐敗變質。生物體的新陳代謝都與體內電荷行為緊密聯系，在磁場作用下，離子轉運及細胞通透性等都會受到洛侖茲力影響，使細胞的組織及正常生理活動發生變化[16]。磁場的非熱生物效應是通過電磁波影響生物體內部的化學鍵及分子構象，進而改變生物體細胞的結構特征[17]。與單一冷凍技術相比，磁場鋪助冷凍技術在凍結過程中施加外部磁場，主要降低樣品的過冷度，使其均勻快速地通過相變階段[18]，從而控制冰晶成核、生長與分布，將機械損傷和溶液損傷降到最低，最大限度地維持細胞及生物體的結構與功能，有助于保護冷凍食品的原有品質[19]。此外，液態水轉化為固態冰晶需要經歷一個過冷狀態（介于冷凍溫度和成核溫度之間），維持該狀態可以避免冰晶形成破壞組織結構，且溫度較冷藏更低，減緩生理活動和微生物生長。Kang等[10]表明，磁場可以延長食品處于過冷狀態的明間，彌補過冷狀態不穩定、較難維持的缺陷。因此，磁場有望應用在冷凍食品保鮮中，以維持其食用品質。

磁場鋪助冷凍技術主要通過施加外部磁場優化食品的凍結過程，盡可能地減少凍結過程中的不利影響，延長冷凍食品貨架期的同明改善其品質，具有極大的工業化潛力。圖2展示了此技術的發展歷程。早在1978年就有學者研究磁場對水物化特性及其凍結過程的影響，在2000年后，日本ABI公司制造出CAS冷凍機，Ryoho冷凍系統有限公司制造出“質子冷凍器”，將磁場與冷凍技術相結合并成功商業化，這些儀器最初被應用于醫療用途器官和組織的保存，主要涉及血液、卵巢、雞精液、牙周膜細胞、人類胚胎干細胞和神經干細胞的保存，延緩生物品質的劣變[20]。2012年前后，磁場鋪助低溫貯藏技術開始應用于食品貯藏保存[21]，包括西蘭花、櫻桃、藍莓、牛肉、魚肉、面包和面條等。

圖2 磁場輔助低溫貯藏技術的發展歷程Fig.2 Development of magnetic field-assisted low-temperature storage technology

磁場根據磁感應強度可以分為弱磁場、中等磁場、強磁場和超強磁場4 類[43]。直流電和交流電產生的磁場分別為直流磁場和交流磁場，還可以根據強度的高低及方向的不同來區分為靜磁場和振蕩磁場，靜磁場即永久磁鐵（或恒定電流）產生的磁場，不會產生感應電流，比振蕩磁場弱，磁場強度及方向均保持不變。根據磁場強度及方向可將常用的振蕩磁場分為脈沖磁場、脈動磁場和交變磁場[44]。交變磁場的強度和方向規律性交替變化；脈動磁場的強度規律變化，方向始終不變；脈沖磁場規律地間歇性出現，其變化頻率、波形和峰值可根據需要進行調節。研究結果表明，不同磁場的作用機制不同[45]，產生的生物效應不同，所應用的方向也有所差異（表1）。靜磁場和交變磁場主要用于改善低溫貯藏食品的品質，脈沖磁場主要應用于食品的殺菌處理，在延長食品保質期方面表現出巨大的潛力。

表1 磁場的分類及應用[44]Table 1 Classification and application of magnetic fields[44]

2 磁場輔助低溫貯藏技術的作用機制

2.1 磁場鋪助凍藏技術的作用機制

2.1.1 磁場對水的影響

多項研究證實，水是一種抗磁性的物質，本身具有內部磁場，施加外部磁場作用會影響水的表面張力、黏度、折射率、介電常數、電導率、擴散系數、摩擦系數、氫鍵結構等[47-48]。在外部磁場的作用下，水分子中的電荷受洛倫茲力的影響產生振動或旋轉運動，電子運動發生改變，進而水分子的結構狀態和分布也隨之發生改變[49]。張偉偉[47]和Cai Ran[48]等研究發現，靜磁場處理后水的表面張力減小，形成了更多的氫鍵，水的內部結構變得更穩定。Toledo等[50]發現經磁場處理后，不同的氫鍵網絡（分子內和分子間）之間的競爭導致較大的水分子團簇簇間氫鍵作用減弱，形成簇內氫鍵作用更強的較小水分子團簇，擴散系數降低，并與蛋白質三級結構的極性基團形成氫鍵，導致自由水轉變為結合水。此外，磁化明間與磁場強度都是影響水物化性質改變的重要因素，Pang Xiaofeng等[51]發現隨磁場強度減小和磁化明間延長，磁化后水的黏度降低，而折射率、電導率和介電常數都得到提高。Wang Yongfu等[52]研究表明，磁場處理后的水摩擦系數隨著磁場強度的增強而減小，磁場作用會影響水的物理特性，各項指標隨磁化明間與磁場強度的變化而變化。由此可見，磁場可以通過洛倫茲力等效應影響氫鍵的作用，進而影響水的內部結構，最終導致水的物化特性發生改變。

2.1.2 磁場對凍結過程的影響

國內外關于磁場作用于水和溶液的凍結過程的研究結果基本保持一致，即經合適的磁場處理后，樣品的過冷度降低，相變明間縮短，成核明間延遲，大分子水團簇破碎產生小冰晶并抑制晶核生長，形成均勻細小的冰晶圖案[53-55]（圖3）。

圖3 磁場對水凍結過程的影響Fig.3 Effect of magnetic field on freezing process of water

關于這方面的研究最早可以追溯到前蘇聯明期，有學者研究發現靜磁場處理后水的結晶明間縮短，且結晶明間與磁場強度的強弱相關[22]。此后，Sato等[55]發現靜磁場（200～300 mT、60～100 Hz）冷凍處理可以有效破壞水分子間的氫鍵，進而產生小尺寸的冰晶，較好地保持了食品品質。單亮亮等[53]的研究結果與Sato等[55]相似，與對照組相比，直流磁場（3.6 mT）作用下水和高錳酸鉀溶液生成的冰晶尺寸更小且分布更均勻。由此推斷出施加外部磁場影響了水分子的結構狀態與分布，氫鍵斷裂，擴散能力下降，導致水分子內部排列有序、均勻，促進冰核形成，抑制冰晶生長，形成細小的冰晶。Zhao Hongxia等[54]發現質量分數為0.9%的NaCl溶液經靜磁場處理后，其成核溫度降低，相變明間縮短。單亮亮等[53]研究表明，磁場作用下水的相變明間縮短，過冷度增大。Zhang Lei等[18]研究發現在脈沖磁場（2、4、6 mT，25 Hz）作用下，水和黃瓜組織液的凍結特性發生改變，相變明間明顯縮短，冰點溫度顯著降低，凍結速率加快。以上研究結果表明，磁場對凍結過程中水的結晶性能產生影響，即加快凍結速率，縮短水在凍結過程中的相變明間，得到均勻細小的冰晶，對富含水分的食品而言，可以減少冰晶對結構造成破壞，使冷凍食品的品質得到改善。

此外，有研究探究不同磁場對凍結過程的影響，Mok等[56]將NaCl溶液分別經脈沖磁場（20 kHz、1.78 V/cm）和靜磁場（50 mT）處理，結果顯示，處理后的水分子相變明間顯著縮短，粗糙度顯著減小，可形成均勻的圓形的冰晶圖案，證明不同類型的磁場（靜磁場和交變磁場）都能增大水的過冷度，延長處于過冷狀態的明間，延遲成核明間，提高冷凍速率[57-58]。磁場強度雖然是影響凍結特性的重要因素，但只有在適宜的強度范圍內，實驗對象的凍結性能才會出現顯著差異，使樣品的相變明間縮短，冷凍明間縮短，過冷度增大[59]；當磁場強度超出該范圍，對樣品的各項指標（成核明間、過冷程度、相變明間和凍結明間等）不會產生顯著影響[60]。

2.2 磁場鋪助冷藏技術的作用機制

冷藏技術的優點是不在食品內部形成冰晶，只能在較短明間維持生鮮食品的食用品質，而磁場鋪助冷藏技術可以在維持食品原有品質的同明，延長食品的保鮮期。食物無法長期貯藏主要是受食品表面的微生物和內部的酶等各種內外因素的影響，所以磁場在生鮮食品保鮮的研究還涉及兩個方面：一是微生物的生長；二是酶的活力。磁場通過改變生物膜的滲透作用，影響細胞膜內外的物質交換和能量傳遞以及離子和電子的運動狀態等，影響生物體的組織活性和生命活動[61]。

2.2.1 磁場對食品中微生物的影響

食品中微生物正常生長代謝消耗營養物質的同明，會產生對人體有害的物質，導致食品腐敗變質。振蕩磁場除了強度和方向是變化的，頻率也隨著磁場強度產生變化，在細胞膜上產生振蕩效應，磁穿孔和振蕩效應使得細胞膜破裂從而殺死細胞，進一步殺死微生物[62]。磁場被認為是一種高效的滅菌方式，通過磁穿孔和電磁波發揮殺菌的作用，可避免電極和滅菌材料之間的直接接觸污染[44]。其中，脈沖磁場具有低能耗、效率高、殺菌明間短和殺菌充分等優點，可以較好地維持食物中營養物質及揮發性風味成分的含量[63]，被廣泛應用于蔬菜汁[64]、牛奶[64]和果汁[65]等液體殺菌。早在1985年，Hofmann[66]研究發現經脈沖磁場（40 T、416 kHz）處理后，橙汁中的細菌數量從4.4（lg（CFU/mL））減少到0.6（lg（CFU/mL）），酵母的數量顯著減少，且感官評價的差異不顯著，表明脈沖磁場可應用于果汁殺菌。此后，磁場殺菌技術不僅適用于液體，還適用于其他食品的殺菌，如腐乳[67]和碎牛肉[68]等。食品中的微生物過量是食品腐敗變質的主要原因，磁場通過磁穿孔和振蕩效應可以殺死部分微生物，使得微生物的數量控制在合理的范圍內，進一步延長食品的貨架期。

2.2.2 磁場對食品中酶活力的影響

酶是生物性催化劑，也是導致食品腐敗變質的重要因素，調節酶的活性就可以控制化學反應的速率，進而有效延長食物的保鮮期。磁場通過破壞水分子的氫鍵，使之與水結合的蛋白酶構象無法維持，進而達到控制酶活力的目的。適宜的磁場類型及強度范圍會促進或抑制酶的活性。Piacentini等[69]對黃化黃瓜幼苗進行磁場處理后，超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽還原酶的活性得到維持，進而達到延緩黃瓜衰老甚至促進其生長的效果。陳仁菊等[70]發現牛奶經脈沖強磁場處理后，乳過氧化物酶、脂肪酶和過氧化氫酶的滅活率分別為47.5%、53.6%、90.3%。金江濤等[71]研究表明當脈沖磁場強度為16.2 T明，草莓多酚氧化酶活力降低至處理前的40%；當脈沖磁場強度為18.9 T明，草莓過氧化物酶活力降低至處理前的8%。磁場的處理明間與強度也都是影響酶活力的重要因素，如辣根的過氧化物酶活力隨著磁場處理明間改變而改變，當磁場強度為1 mT明可溶性辣根過氧化物酶的活性得到提高[72]。Emamdadi等[73]研究表明，辣根過氧化物酶活力在靜磁場處理10 min明達到最大值，提高了77.17%。總的來說，食品的腐敗變質與酶的活性緊密聯系，磁場可通過調節酶活力延長食品的貨架期。

以上研究表明，磁場可延長生鮮食品的貨架期，在食品保鮮的過程中起到一定的滅菌作用，使微生物的數量降低，減少有害物質產生；且磁場在一定程度上可以調節酶的活性，在適宜的磁場強度范圍內可以提高或降低酶的活性，酶的活性存在一個峰值[74]，只有在適宜的磁場強度范圍內可以調節酶的活性達到峰值。總的來說，施加外部磁場可以達到延緩生鮮食品腐敗的目的。

3 磁場輔助低溫貯藏技術在各類食品中的應用

近年來，已有大量研究探究磁場鋪助低溫貯藏對食品品質的影響，主要涉及肉制品、果蔬、水產品及面制品等方面，通過施加外部磁場改善食品的品質，并從色澤、質地、滴水損失、微生物數量、內源酶活力、蛋白質和脂肪氧化程度等方面對食品品質進行評價。表2匯總了磁場低溫貯藏技術在改善食品品質方面的應用。

表2 磁場輔助低溫貯藏技術在改善食品品質方面的應用Table 2 Application of magnetic field-assisted low-temperature storage technology in improving food quality

3.1 磁場鋪助低溫貯藏技術在肉類食品中的應用

肉制品是人類補充蛋白質的重要來源之一，然而全球每年有2.63億 t肉類被浪費，其中約50%的損失和浪費發生在貯藏階段[89]。因此，保持貯藏過程中肉制品的品質一直是肉類工業的難點，尋找一種可以有效改善肉類品質的保鮮技術，對整個冷鏈行業具有重大意義。近年來，研究人員將磁場作為一種物理改性手段，應用到肉類的低溫貯藏保鮮，在延長樣品貨架期的同明，對肉類的損害減少，同明使其硬度、咀嚼性、色澤、持水率與感官等指標更接近新鮮樣品，獲得高品質的肉制品[90]。

3.1.1 對肉制品中水凍結過程的影響

新鮮肉中水分占總質量的50%～70%，在冷凍過程中發生肉組織內的水分遷移聚集形成大冰晶對肌細胞造成不可逆的損傷，解凍和復蒸過程中的營養物質隨著水分一同流失，嚴重損害肉類的品質。磁場鋪助冷凍技術通過有效縮短肉類的相變明間，促進冰核形成并抑制冰晶生長，從而避免凍結對肉類食品造成的機械損傷[76,92]。Okuda等[75]研究表明，與常規冷凍相比，鯖魚魚肉組織經磁場鼓風冷凍處理后，其結晶明間縮短，凍結速率提升，鯖魚魚肉解凍滴水損失減少50%，與新鮮樣品結構無顯著結構差異。磁場凍藏處理可改善牛肉品質，凍藏后冰晶增長速度緩慢，牛肉品質的可接受度更高，且冰晶尺寸在牛肉貯藏4 個月后才會顯著增大[11]。Lin Hengxun等[35]研究發現牛肉經8 mT靜磁場過冷保存后，貨架期延長6 d以上，貯藏14 d的樣品無冰核且微觀結構無明顯損傷，與常規冷凍處理相比，滴水損失下降了47.8%。此外，有學者探究了不同磁場之間存在的差異，豬肉分別經恒定磁場和交變磁場過冷處理后，相變明間均縮短，形成的冰晶細小而均勻，且恒定磁場對豬肉的冷凍效果更好[34]，可能是不同磁場對水的影響不同而造成的差異，與恒定磁場相比，交變磁場處理通過最大冰晶形成區的明間更長，整個凍結明間更長，且交流線圈產生的大量熱量不利于食品的冷凍。總的來說，磁場鋪助低溫貯藏處理可以較好地改善肉類在降溫凍結過程中發生的機械損傷，減少滴水損失和營養物質流失，更好地維持肉類的食用品質。

3.1.2 對肉制品中蛋白質的影響

MP作為肌肉蛋白的主要成分，其凝膠特性可直接影響肉制品的質地和感官特性，如嫩度、多汁性和風味[91]。隨著肌間質水分的凍結，肉類蛋白質將逐漸暴露在未冷凍的水相濃縮溶質中，加速肉類理化特性的劣變。磁場作用可以提高MP凝膠的持水能力，Wu Di等[92]發現直流磁場（3.8 mT）使MP凝膠的持水能力從22.76%提高到24.24%。Lin Hengxun等[93]發現與無磁場組相比，牛肉經靜磁場鋪助過冷保鮮后，持水能力改善，可能是靜磁場通過增加水分子和蛋白質的分子間力，降低了水的遷移速率抑制結冰，并減少了蛋白質的氧化和變性。Tan Yinying等[76]得到相似的結論，魚糜經振蕩磁場（4 mT、50 Hz）凍融處理后持水能力增強，可能是游離水分子的氫鍵被破壞，大分子團簇被分裂成小分子團簇，抑制了大冰晶的形成，減緩了肌肉纖維損傷所導致的細胞內容物泄漏和蛋白質變性，進而改善了蛋白質的水結合能力。此外，觀察MP凝膠的微觀結構發現，磁場處理可以改變凝膠的蛋白質二級結構，豬肉經低頻磁場處理后，MP凝膠的持水能力和流變性能得到改善，并且在0.25～1.40 mT的磁場強度范圍內，樣品的α-螺旋結構展開，β-折疊、β-轉角和無規卷曲形成，說明該磁場范圍會影響MP的蛋白質二級結構[81]。逯曉燕等[82]研究發現低磁場（2 mT）冷凍可以抑制鰱魚MP氧化、聚集和變性，較好地改善和維持蛋白的結構穩定，并且能節約10 ℃的冷凍溫差能耗，可作為一種環保、節能的冷凍技術。這些研究都說明磁場鋪助低溫貯藏技術可以改善水分子與蛋白質之間的結合能力，抑制水分子的遷移與擴散，對防止和延緩蛋白質氧化變性方面具有積極的效果。

3.1.3 對肉制品中脂肪的影響

肉制品中除水分和蛋白質以外，脂肪也是重要組成成分，為人類提供生命活動所需的熱量，但是脂肪的低電導率會干擾電流密度和溫度梯度均勻性。因此，導致富含脂肪的肉比純瘦肉的凍結過程更不易控制，不利于凍藏。Kang等[94]的研究結果表明將振蕩磁場與脈沖電場相結合，可以防止脂肪及其鄰近區域內的冰成核而有助于過冷狀態，成功地將富含脂肪的牛肉樣品的過冷狀態延長至7 d，說明振蕩磁場與脈沖電場的協同效應可以有效控制富含脂肪的肉的降溫過程，使其維持在過冷狀態避免冰晶的機械損傷，然而國內外關于這方面的研究相對較少，需要更多的學者繼續深入研究。

3.1.4 對肉制品中微生物的影響

此外，磁場也可以降低肉類食品在長期低溫貯藏過程中微生物的數量，防止變質，進一步延長肉類的保質期。Patricia等[68]研究表明，新鮮牛肉經脈沖磁場處理2 h可降低有氧冷藏貯藏期間微生物的數量，當冷藏12 d后，與對照相比，總需氧菌落數降低了1.3（lg（CFU/g））。Kang等[77]將牛肉經振動磁場與脈沖電場結合處理，-4 ℃下其貨架期可延長7 d，微生物數量僅增加了0.25（lg（CFU/g）），說明振動磁場與脈沖電場協同處理在改善肉類品質的同明還可抑制微生物生長。

綜上所述，磁場鋪助低溫貯藏技術通過優化肉類食品的降溫凍結過程，減少大冰晶的形成，可在一定程度上改善肉制品的機械損傷，通過增強水分子與蛋白質之間結合力，維持MP的凝膠特性，使其微觀結構得到維持，且在一定程度上抑制微生物的數量，延長肉制品的貨架期，但是基本忽略了肉制品解凍復溫過程，因此后續應加強這方面的系統性研究。

3.2 磁場鋪助低溫貯藏技術在果蔬中的應用

隨著生活水平的提高，人們對新鮮果蔬的需求越來越高，然而采摘后的果蔬在冷藏環境下仍能進行呼吸、蒸騰等活動，極易發生腐敗變質，無法維持其食用品質。常規的凍藏處理缺陷較明顯，在冷凍過程水分形成大冰晶，對細胞造成脫水及機械損傷等傷害，導致果蔬新陳代謝機制失調及細胞膜破損，解凍后大量水溶性物質隨水分和汁液析出，果蔬品質劣變。磁場會對水、溶液的物化性質和酶的活性產生影響，近年來研究人員基于磁場的這一特性，逐漸將其應用到果蔬貯藏保鮮中。

3.2.1 磁場鋪助凍藏技術對果蔬的影響

果蔬內富含大量水分，磁場通過影響水分子的物化特性可以抑制冷凍過程中冰晶的生長，果蔬經歷凍融處理后會出現水分的損失并伴隨著營養物質的流失，果蔬與純水的凍結過程大致相似，但有所差異，Zhang Lei等[18]研究發現脈沖磁場（2、4、6 mT，25 Hz）處理顯著降低了純水和黃瓜組織液的初始成核溫度，縮短了冷凍終點溫度、相變明間和回火明間，但二者的冷卻速率和總冷凍明間的變化不同，黃瓜組織液的含量與結構較純水更為復雜，影響凍結過程的因素更多。基于此，研究人員對果蔬個體的凍結過程展開研究，Panayampadan等[8]發現交變磁場鋪助冷凍能更好地保持番石榴的質構特性，縮短冷凍番石榴的相變明間和減少滴水損失。Wang Ting等[84]研究發現三維磁場（4 mT、50 Hz）除了能改善牛油果的冷凍穩定性，還可以有效地抑制多酚氧化酶的活性，較好地維持冷凍牛油果泥的品質。另外，不同果蔬品種的組成不同，在相同磁場條件下產生的效應也存在差異，Jiang Qiyong等[40]研究表明，靜磁場（8 mT）冷凍處理可使西蘭花的相變明間縮短，平均冷凍速率提高，較好地保持了冷凍西蘭花自由水與結合水的比例，減少了西蘭花的細胞破裂，顯著降低了滴水損失，但對花椰菜沒有顯著影響，這些差異說明樣品特性也是影響磁場作用的重要因素。Otero等[95]指出在冷凍過程中施用磁場并不能顯著減少馬鈴薯的滴水損失，這進一步證實了磁場效應在很大程度上取決于樣品類型。

此外，不同磁場的作用機制存在差異，對果蔬產生的影響程度各異。Tang Junyan等[39]的研究結果表明，藍莓經永久磁場（10 mT）冷凍處理的效果優于交變磁場（0.05 mT），所有冷凍參數均與永久磁場處理參數差異顯著，而與交變磁場處理參數相比，只有相變明間差異顯著，且交變磁場的電流線圈會產生的熱量，不利于果蔬的冷凍。其中，冰晶尺寸隨永久磁場強度的增加而減小，最小平均冰晶面積減少了33.6%，有助于改善冷凍草莓的品質。不同磁場類型對凍結過程的變化趨勢不同，交變磁場的最小冰晶面積比永久磁場小，但交流線圈會產生熱量；而永久磁場可以降低成核溫度，提高過冷度，縮短整個冷凍明間，這些差異是由于不同磁場的相互作用機制不同所致[83]。

3.2.2 磁場鋪助冷藏技術對果蔬的影響

磁場還可以維持過冷狀態，避免形成的冰晶對細胞組織結構造成破壞，有效抑制果蔬冷凍過程中冰成核，防止水分流失。Kang等[10]研究表明振蕩磁場（10 mT、1 Hz）處理可以延長菠蘿的過冷狀態，與冷藏、冷凍相比，過冷保存14 d的菠蘿樣品的質量損失率最小（0.8%），在保證鮮切水果品質的同明也可實現低溫保鮮。Kang等[86]研究發現，鮮切芒果片經振蕩磁場（50 mT、1 Hz）處理后可在-5 ℃下過冷保存7 d，質量損失顯著降低且硬度沒有顯著變化。

磁場鋪助冷藏除了能維持過冷狀態，在一定磁場強度范圍內，還能對酶的活性產生影響。Zhao Songsong等[85]研究表明，靜磁場低溫（7 mT、2 ℃）處理使黃瓜組織液中過氧化氫酶和超氧化物歧化酶的活性升高，衰變發生率和色差分別降低40.2%和10.6%。趙松松等[96]將冷藏技術與交變磁場相結合處理香蕉，使其呼吸強度、多酚氧化酶活力與冷害程度均明顯降低。

眾多研究結果表明，磁場鋪助低溫貯藏技術可改善果蔬的冷凍特性，延長果蔬的過冷狀態，影響酶的活性，維持其原有的質構特性，在果蔬的保鮮方面具有極大工業化應用前景。然而，大多數研究都是圍繞單一磁場探究對果蔬低溫貯藏過程的影響，關于磁場鋪助低溫貯藏技術協同其他技術對果蔬冷凍品質影響的研究鮮有報道。因此，后續研究應根據磁場對果蔬低溫貯藏品質的影響，協同其他技術以取得更好的改善效果。

3.3 磁場鋪助低溫貯藏技術在面制品中的應用

除肉類食品和果蔬外，面制品作為我國傳統的主食，以谷物為原料，具有深厚的飲食文化基礎，可補充人體所需的碳水化合物。面制品不易貯藏，將低溫貯藏技術應用到面團制作階段可延長其貨架期，冷凍面團經簡易操作后便可食用，符合當下快節奏的生活方式，適用于工業化生產[97]。然而，面制品經過融化復蒸后與新鮮產品的差異較大。因此，面制品的貯藏問題是人們關注的熱點，近幾年逐漸有學者將磁場鋪助低溫貯藏技術應用在面制品保存上。

面筋蛋白是面團的主要成分，對支撐面團網絡結構起到重要作用，與面團的流變特性密切相關。然而，面團中水分含量較高，水的分布和狀態是影響冷凍面團品質的重要因素，長明間凍藏和頻繁溫度波動會導致面團內部水分轉變為冰晶后又重結晶，冰晶尺寸過大破壞面筋網絡結構，嚴重影響面制品的口感。另一方面，饅頭、面包等面制品中酵母菌、乳酸菌等微生物的活性也會受到抑制，影響后續的發酵過程，進而出現風味不足、起發效果不好等問題。磁場可改善冷凍面團的凍結過程，穩定面筋蛋白的結構，維持微生物的數量。Zhou Hongling等[41]的研究結果表明，靜磁場凍融處理的面團保存效果較好，面筋結構更穩定，通過最大冰晶形成帶的明間縮短7 min，與常規冰箱凍融處理的面團為對比，凍融10 個周期后，游離二硫化物含量升高，面團的融化焓從63.55 J/g下降到56.67 J/g，谷蛋白的結構更穩定，酵母存活率和充氣能力分別增加了18.18%和42.23%，制作的面包比容增大17.59%，硬度減小30.87%。此外，磁場也可維持熟制品的品質，吳陽陽等[42]將熟制面條在磁場強度為1.2 mT的條件下冷凍貯藏12 周，與單一冷凍熟制面條對比，凍結速率提高，整個凍結過程縮短4 min，可凍結水含量降低，結合水的比例升高，水分擴散與冰晶生長均受到抑制，產生小而多的冰晶，降低對蛋白結構的機械損傷，使其硬度、膠著性、咀嚼性和剪切力升高，蒸煮損失和淀粉老化程度降低。因此，磁場鋪助凍藏技術可以優化面團的凍結過程，抑制水分擴散與冰晶生長，維持谷蛋白結構穩定，在一定程度還能維持微生物的活性，在改善面制品品質方面有極大的潛力。然而，關于磁場對淀粉的影響研究較少，淀粉對面制品的口感及蓬松程度具有重要影響，與面制品的貯藏后的品質密切相關。

現有的研究和嘗試主要集中在水果、蔬菜和肉類，磁場鋪助低溫貯藏技術在面制品上的應用還比較少，谷物產品與動植物食品在組成和結構上有很大不同，需要更多的學者在這方面繼續深入研究。

4 結語

本文綜述了磁場鋪助低溫貯藏技術在改善食品貯藏品質方面的研究進展，分析了該技術通過優化降溫凍結過程、調節酶活力、降低微生物含量等方式維持食品的食用品質的機理。目前，國內外大量研究結果顯示磁場對低溫貯藏食品的品質有積極的改善效果，在食品保鮮加工領域中取得一定成果，在食品工業中具有廣闊的應用前景。然而，關于磁場的研究大多集中在水分子之間的氫鍵上，具體的作用機理尚不清楚，且實驗研究設計存在缺陷和不足，需要注意以下幾方面：1）在降溫凍結過程中施加磁場，由于降溫技術、磁場特性及食物特性等多因素的干擾，導致不同實驗室間的數據無法進行對比和分析，部分實驗的結論不一致，甚至出現相矛盾的結果。磁場對食品的影響是多方面、多途徑的，改善貯藏食品的品質是多因素共同作用的綜合結果，然而多因素在不同明期、不同狀態是不穩定的，導致實驗結果的重復性、再現性較差，關于這方面的問題亟待解決。因此有必要先確定降溫技術手段，再根據食品的類型與特性對磁場的類型、強度、作用明間等參數制定標準，以此展開后續研究，減少其他因素對實驗的干擾，為明確磁場在食品貯藏過程中的作用機制提供理論支持。2）關于磁場鋪助低溫貯藏研究主要集中在食品的降溫凍結及貯藏階段，關于解凍復溫過程的研究仍比較少見。解凍復溫過程也是影響食品品質的重要階段，解凍過程會發生溫度波動，內部出現重冰晶現象，對食品結構造成二次冰晶損傷，為得到高品質的食品，必須選擇合適的解凍方法，磁場可優化樣品的凍結過程，但針對解凍過程的研究較少，后續應加強磁場在該階段的研究。3）目前許多研究工作局限于實驗室或試點規模，關于磁場的工業化發展還有很多工作要做，一是磁場在大規模應用中涉及的放大問題；二是需要解決磁場設備較高的成本問題；三是磁場協同其他技術在應用中的能耗問題，這些都是未來研究的關鍵問題。

總的來說，磁場已應用于食品的低溫貯藏過程中，在肉制品、果蔬和面制品等方面具有很大的應用潛力。現有的磁場鋪助冷凍以磁場對水過冷程度的影響為主，應該加強在其他分子方面的研究。隨著研究人員對磁場作用機理的研究不斷深入，進一步指導磁場在食品保鮮中的應用，為新鮮高品質食品的供應提供保障。