物理場解凍在食品領域中的研究進展

巫宇航，金亞美，張 孝，姚黃兵，徐學明,2，楊 哪,*

（1.江南大學食品學院，江蘇無錫 214122；2.江南大學食品科學與資源挖掘全國重點實驗室，江蘇無錫 214122）

自古以來，人們就利用雪和冰來保存食物以延長其保質期限。如今，冷凍食品因其方便性和長保質期已成為人們日常生活中必不可少的一部分。按照食品法典委員會（CAC）的定義，“冷凍食品”是指任何為了延長保質期和保持品質而有意將其溫度保持在-18 ℃以下的食品[1]。冷凍狀態可有效地抑制微生物生長及酶的活性，并最大限度地減少導致食物腐敗變質的生化類反應，因此被廣泛應用于食品工業中。

傳統的解凍方法包括自然解凍、浸漬解凍和空氣解凍等，具有成本低、操作簡單、適用性廣、解凍質量好等優勢。這些優勢主要歸因于傳統解凍方式相對較慢，能夠使食品溫度逐漸升高，減少了溫度升高不均勻和相應的物理化學反應，從而保證解凍后食品的口感和品質。然而，這些方法存在局限性，例如解凍速度慢、解凍均勻性差以及可能影響食品的質量和安全。此外，解凍食品的品質受到多種因素的影響，例如損耗、質地、顏色、營養價值和有害微生物[2]。傳統解凍技術在實際應用中面臨諸多挑戰，而物理場解凍作為潛在的新方法，近年來已成為研究的熱點。物理場輔助解凍的基本原理是通過引入電磁波、超聲波、電場等外部物理手段來改變食品內部的溫度和水分遷徙，從而有效促進解凍進程。具體來說，物理場輔助解凍技術可加速解凍過程，提高解凍速率，減少解凍食品品質的影響。此外，物理場的參與還能改變食品內部的熱傳導，合理的參數使得解凍過程更加均勻。這些特點使得物理場輔助解凍方法在保持食品感官品質和提高生產效率方面具有較高的潛力。

物理場解凍的概念最早出現于20 世紀50 年代，至今已有較為成熟的工業化應用方案，比如超聲波解凍、射頻解凍和歐姆加熱解凍。本文旨在綜述幾種目前常用的物理場解凍技術，同時重點闡述各自在不同食品中的應用。通過總結物理場解凍技術在食品領域中的應用研究現狀，探討其在保持食品品質和提高效率方面的潛力和存在的問題，以期為讀者提供最新研究進展方面的參考。

1 物理場解凍方式

1.1 超聲波解凍

超聲波解凍利用聲波產生的能量對冷凍食品進行輔助解凍[3]。這種能量主要作用于冷凍食品內部的凍結面與解凍面的分界處，通過調節超聲波的頻率和強度，可以在樣品該位置處產生出顯著的熱效應，使冷凍食品的凍結界面穩定地向解凍界面轉化和推進[4]。研究表明，相比其他傳統的解凍方法，超聲波解凍具有解凍時間短、解凍溫度均勻、對蛋白質構象和肌原纖維蛋白凝膠形成的影響更小等優勢[5]。然而，超聲波解凍后也可能對食品的營養和理化特性產生不利的影響[6]。

1.2 高壓靜電場解凍

高壓靜電場解凍是利用高壓靜電場微能源產生的綜合效應對冷凍食品進行解凍的一項物理技術[7]。盡管該解凍方法的作用機理尚不明確，但研究人員推測是由于放電時所形成的電暈及離子風的作用，同時樣品在電勢差環境中加快了內部結冰的氫鍵斷裂并轉化成更小的冰晶形式，最終成為液體狀態，從而加快解凍過程[8]。該解凍技術與傳統解凍方法相比，能減少微生物污染、縮短解凍時間、降低汁液損失、改善持水性等[7]。但是，該方法可能會導致冷凍食品的持水力降低，并使解凍食品的色澤發生顯著的變化，如色差值增加等[9]。

1.3 介電解凍

介電解凍包括微波解凍和射頻解凍兩種方式，原理是通過偶極子旋轉和離子極化在樣品內部進行產熱。微波解凍常用頻率為915 和2450 MHz，主要是偶極子轉動和摩擦起到內熱作用，而射頻解凍常用頻率為13.56、27.12 和40.68 MHz，主要是以離子位移起主要作用[10]。微波解凍能使冷凍品內外同時解凍升溫，具有解凍速度快、效率高、解凍品質較好等特點[11]。但當解凍大尺寸的冷凍食品時效果往往不佳，這是由于微波加熱的穿透深度有限所引起的加熱不均勻造成[12]。射頻解凍能使物料內的溫度分布更均勻，對食品的品質影響較小，且易于控制等優點，但在加熱過程中可能出現由于部分區域的功率吸收差異以及樣品界面的電磁場彎曲現象，使射頻產生的能量更趨向于樣品的局部區域及邊緣位置，從而使中心的溫度上升較慢，在一定程度上也會導致產品升溫不均的問題[13]。

1.4 歐姆解凍

歐姆解凍是利用極板間電場的熱效應對冷凍食品進行解凍。當導電性的食品受到電位差作用時，會誘導其內部產生離子電流，由于食品存在一定的電阻所以會釋放出熱量，進而引起食品的自熱以達到解凍的效果[14]。與微波和射頻解凍相比，歐姆解凍的優點在于解凍速度相對較快，能耗較低。然而，歐姆解凍存在一些局限性，例如由于冷凍物料的不規則形狀和表面不平滑會導致樣品與電極板不能完全貼合，進而引起局部過熱，從而導致解凍食品部分的熟化或嚴重燒焦變質[15]。

2 物理場解凍技術在食品中的應用

2.1 畜禽肉中的應用

畜禽肉指的是來自經過屠宰、加工的家畜和家禽肉類產品，其中常見的來源包括牛、羊、豬、雞等。畜禽肉提供了豐富的蛋白質、脂肪、礦物質和維生素，是人類飲食中重要的營養來源。因此，畜禽肉一直備受廣大消費者的青睞。然而，在解凍過程中不可避免會對畜禽肉造成損傷，鑒于此，發展更加高效、低成本、低能耗、對樣品感官品質影響最小的物理輔助解凍技術具有重要的現實意義和發展前景。這種技術將提供解凍過程中的可控性和均勻性，有助于保持畜禽肉的質地和口感（表1）。

表1 物理場解凍在畜牧肉中的應用Table 1 Applications of physical field thawing in livestock meat

2.1.1 解凍豬肉 豬肉在我國的肉類食用量中占60%左右，含有豐富的蛋白質及脂肪、鈣、磷、鐵等成分，是日常生活的主要食材來源[16]。蔣奕等[17]研究發現，相比于浸漬解凍，超聲波解凍處理（40 kHz，100、200、300、400、500 W）可縮短冷凍豬肉的解凍時間，并且隨著功率的增大，豬肉的剪切力值降低，有利于提高肉制品的嫩度，同時豬肉的pH 也會下降，對抑菌起到一定的作用。然而，超聲波解凍也存在一些缺點，例如豬肉樣品的解凍汁液損失率、蒸煮損失率、壓榨保水性、色澤、水溶性蛋白質和鹽溶性蛋白質的含量均隨著超聲波功率增加而呈下降趨勢。此外，Hong 等[18]研究表明，鹽水浸漬解凍（2% NaCl）結合超聲波輔助處理（40 kHz，150 W）能夠快速解凍豬肉，并最大限度地減少解凍過程中冰晶重結晶所引起的品質劣變，但是對豬肉樣品色澤影響較大。盡管超聲波解凍存在局限性，但在冷凍食品的商業解凍方面仍然具有一定的應用和研究價值。

相較于超聲波而言，高壓靜電場解凍在豬肉解凍和貯藏方面也具有一定的潛力。He 等[19]對比了空氣解凍和高壓靜電場解凍（0.8、1.2、1.6、2 kV/cm）對冷凍豬里脊肉的效果，結果顯示，高壓靜電場解凍顯著縮短冷凍豬肉的解凍時間，處理后的樣品在pH、解凍和蒸煮損失、總汁液損失和色差等指標方面與對照組相比沒有顯著差異，說明高壓靜電場解凍處理不會影響解凍后冷凍豬肉里脊肉的品質。此外，高壓靜電場解凍處理還抑制微生物生長，延長冷凍豬肉的新鮮度。Zhu 等[20]研究六種微波解凍方法（微波、微波與超聲波結合、微波與35 ℃水浸結合、微波與4 ℃制冷結合、微波與空氣對流結合、微波與運行結合應用水）對豬肉背最長肌的影響效果。結果表明，除微波之外的所有基于微波的方法都避免了局部過熱，并且微波與空氣對流結合對持水力、顏色、蛋白質溶解度等影響最小，能有效縮短解凍時間，保持了肉的質量和均勻性。

物理場技術在冷凍豬肉的解凍中具有一定優勢，但也存在局限性。例如超聲波解凍雖然可以縮短解凍時間，但目前也面臨著超聲在解凍池中的分布不均，導致不同位置的物料解凍效果存在差異；超聲能量衰減快，對于大塊物料的解凍效果不佳；以及超聲解凍的成本和能耗較高等問題。高壓靜電場解凍縮短解凍時間的同時不會影響豬肉品質，且能抑制微生物，但需要高昂的安裝成本。微波解凍能快速解凍物料的同時，由于微波能量在物料中的傳播和吸收存在差異，容易導致解凍不均勻以及物料表面過度融化或熟化，進而可能會導致物料外觀和口感的下降。此外，目前研究物理場解凍技術的報道更多關注于它們的應用研究，在與食品原料自身特性的結合方面，例如肉質密度、脂肪含量等對技術應用的影響，還需要進一步探究。以期更好的改進技術工藝，并保存豬肉的品質和營養成分，提高商業化應用的價值。

2.1.2 解凍牛肉 牛肉與其他肉制品相比具有高蛋白質、低脂肪等特點，且富含人體所需的必需氨基酸和有利于健康的不飽和脂肪酸，屬于優質蛋白質來源[21]。Guo 等[22]研究超聲輔助解凍（20 kHz，0、200、400、600 W）對白牦牛肉背最長肌質量的影響，結果表明與對照組相比，適當的超聲波解凍處理可有效降低解凍時間，并有助于避免礦物質、水分和可溶性維生素的損失。Wang 等[23]研究表明超聲波處理（400 W，45 kHz）在凍融過程中可以有效提高牛肉保水能力、彈性，并且降低其硬度。

Zhang 等[24]探究了冷凍牛肉在高壓靜電場中的解凍特性及機理，研究結果表明，與對照相比，高壓靜電場顯著縮短牛肉的解凍時間，其中產生的離子風和非均勻電場在冰晶融化過程中都起到了重要作用。與此同時，高壓靜電場中電壓、電極數目等工藝條件也會影響牛肉的解凍效果。馬堅[25]研究了針狀電極產生的高壓靜電場（50、150 和250 kV/m）對牛肉解凍品質的影響，結果表明，在150 kV/m 的場強下能明顯地保持肉組織和肌細胞的完整性，進而顯著減少此過程中產生的汁液損失。這可能是因為在凍結和解凍過程中靜電場能加速樣品通過最大冰晶生成帶，從而產生均勻分布的細小冰晶所導致。Amiri 等[26]探索三種不同針電極（8、16、48）的高壓靜電場解凍（2.5 kV/cm）對牛肉品質的影響，結果顯示，增加針電極數目可降低牛肉的硫代巴比妥酸值、解凍損失、蒸發損失、蒸煮損失和總質量損耗；隨著針電極數目的增加，肌原纖維蛋白的持水性、溶解性和凝膠強度呈現先降低后增加的趨勢，且凈電荷表面和活性巰基含量具有上升趨勢。對于高壓靜電場解凍技術，選擇最佳的間隙、電壓和電極數目等工藝條件，能降低解凍處理對冷凍牛肉造成的不利影響。

Dong 等[27]發現，射頻加熱（6 kW，27.12 MHz）可以快速解凍冷凍碎牛肉，但碎牛肉中水、脂肪和鹽的含量會對解凍效果造成不同的影響。Min 等[28]進行了高壓輔助解凍（200 MPa）、歐姆解凍（40 V/cm）、常規解凍和高壓-歐姆解凍（40 V/cm，200 MPa）對冷凍牛肉的影響，結果表明，相對于其他解凍方式，高壓-歐姆解凍所需的時間最少，并且對肉品的質構保持性更佳。這可能是由于高壓-歐姆解凍的快速相變轉換可將肌肉崩解降至最低。因此，物理場解凍作為一種快速且高效的解凍方法，能提高牛肉的品質和口感。但仍需要進一步的評估和確定對產品品質和營養的影響，并選擇最佳的解凍工藝參數。

2.1.3 解凍羊肉 羊肉富含鐵、鋅、硒、脂肪酸和維生素等高價值的營養物質，已經成為我國居民日常飲食中一種常見的食材[29]。杜鵬飛等[30]研究表明，相較于浸漬解凍，超聲波解凍（40 kHz，240 W）可顯著提高羊肉的解凍速率和新鮮度，且對羊肉的脂肪酸組成和相對含量沒有顯著影響，然而，超聲波解凍后羊肉的肉色偏暗，汁液流失率偏高。這與古明輝等[31]研究結果一致，超聲波處理（40 kHz，320 W）后的羊肉會增加汁液的流失并降低其pH 值。因此，降低超聲波解凍帶來的負面影響，也需要針對不同樣品研究出合適的解凍功率。Behfar 等[32]研究了高壓電場解凍（1.7、2.0、2.3 kV/cm）和空氣解凍對冷凍羊肉解凍效果。結果表明，高壓電場解凍提高了解凍速率，降低了蒸發、蒸煮和解凍損失。此外，高壓靜電場解凍過程通過產生臭氧和負離子減少了解凍樣品的微生物總數。張莉等[33]通過空氣解凍（25 ℃）、浸漬解凍（15 ℃）、冷藏解凍（4 ℃）、超聲波解凍（40 kHz，250 W，20 ℃）及微波解凍（122 mm、2 450 MHz、700 W）這五種方式對冷凍羊肉進行處理并研究其品質變化，結果表明，超聲波解凍和微波解凍的解凍損耗和蒸煮損失高于其他方法；空氣解凍、浸漬解凍后樣品中的肌肉揮發性鹽基氮、菌落總數顯著高于其他解凍方法；微波解凍后肌肉纖維會發生嚴重卷曲和斷裂；冷藏解凍后羊半膜肌及背最長肌的汁液損耗、蒸煮損失、高鐵肌紅蛋白含量及揮發性鹽基氮值均顯著低于其他解凍方式，微觀結構破壞程度較小。因此，總結出在羊肉的物理解凍技術中，超聲波解凍、微波解凍均可減少樣品解凍所需要的時間，但是會對羊肉造成顯著的汁液流失，影響色澤，破壞肌肉結構和組織等。在選擇合適的解凍方式的同時，需要考慮其對羊肉品質和衛生安全的影響。未來對物理場解凍技術在冷凍羊肉的應用還需要充分考慮成本和效益等因素，故仍然需要進一步的研究和探索。

2.1.4 解凍雞肉 雞肉是我國第二大肉類消費品，也是肉類蛋白質的主要來源之一，具有高蛋白低脂肪的特點，因此在日常飲食中具有較高的食用和營養價值[34]。Zhang 等[35]考察了空氣解凍、浸漬解凍和超聲波輔助浸漬解凍（40 kHz，200、300、400、500 W）對雞肉品質的影響，同時探究了不同功率對雞肉品質的影響，結果表明，超聲波輔助浸漬解凍的最佳功率為300W，同時顯著降低了樣品的解凍和蒸煮損失，并且相較于其它解凍及功率而言降低了固定水、自由水的流動性、汁液損耗以及對肌原纖維蛋白結構的破壞。張昕等[36]研究發現，超聲波解凍工藝（40 kHz，120、180、240、300 W）可有效提高雞胸肉解凍速率并顯著改善其新鮮度，但解凍后雞胸肉蛋白質變性導致解凍汁液流失率高且肉色偏暗，對解凍后的雞胸肉品質具有一定的負面影響。Rahbari 等[37]研究了在不同電壓和電極間隙（1.5、2.25、3 kV/cm）下的高壓靜電場解凍對冷凍雞肉的作用，結果顯示，在2.25 kV/cm 時，解凍損失和滴水損失達到最小值，同時保持最低的蛋白質變性水平，顯著縮短了雞胸肉的解凍時間。高壓靜電場選擇合適的電壓和電極間隙能夠最大程度降低負面影響，在冷凍食品領域具有更好的應用前景。Bedane 等[38]采用射頻解凍技術（65 mm，10 kW，27.12 MHz）對雞肉進行解凍處理，相較于傳統解凍，射頻解凍速度提升約23 倍，同時射頻解凍雞肉溫度分布均勻，滴水損失最小并且產品的質構特性有所改善。

目前，物理場在雞肉解凍應用方面具有一定優勢和局限性。其中，超聲波輔助浸漬解凍可顯著降低雞肉的解凍和蒸煮損失，但對雞肉蛋白質變性和色澤的影響仍需進一步探究。高壓靜電場解凍可縮短雞肉解凍時間并減少其蛋白質變性，但選擇合適的電壓和電極間隙才能達到最佳的效果。射頻解凍可大幅度提高解凍速度，但需要控制解凍溫度的均勻性。在未來的物理場解凍領域中，應當研究和探索解凍技術對雞肉肉質和營養成分的影響，以及優化解凍工藝參數，從而提高能效并保持雞肉品質。

2.2 水產品中的應用

水產品是人類飲食中重要的營養來源之一，其富含蛋白質、不飽和脂肪酸、礦物質和維生素等多種營養物質，并且與畜禽肉相比，水產品通常含有較低的脂肪含量，被普遍認可為是相對低脂肪和有益健康的飲食選擇。目前，水產品已經成為人們日常飲食中不可或缺的重要組成部分，并且其全球消費量不斷增長。然而，水產品在解凍過程中容易出現質地和風味損失等問題，具體詳見表2。因此，采用物理場解凍可以有效提高解凍的效率和質量，在水產品解凍應用領域中具有廣闊的前景。

表2 物理場解凍在水產品中的應用Table 2 Applications of physical field thawing in aquatic products

Wang 等[47]研究了浸漬解凍和超聲波解凍（20、40 kHz，50 W/L）對速凍小黃魚品質的影響，結果表明采用超聲波解凍可以更有效地保留小黃魚中的酶活性，從而提升其整體品質。Li 等[48]對比了高壓靜電場解凍（6、12 kV）、空氣解凍和浸漬解凍對鯉魚冷凍肉塊的影響。結果表明，高壓靜電場解凍能顯著縮短解凍時間，并且能減少魚塊的水分流失和微生物污染。宦海珍等[11]采用微波解凍技術（500、700、900 W）對秘魯魷魚解凍，相較于常規解凍（4 ℃），微波解凍技術能有效縮短解凍時間，但其也可能對樣品的硬度、咀嚼性及回彈性等質構特性產生破壞影響。

Cai 等[49]研究了常規解凍（4 ℃）、微波解凍（2450 MHz，300 W）、微波（2450 MHz，300 W，10 ℃）或超聲（20 kHz，200 W，10 ℃）結合真空解凍、磁性納米粒子結合微波（0.1 mg/mL，2450 MHz）或遠紅外解凍（0.1 mg/mL，300 W）對魚肉的影響，結果表明，微波解凍結合真空解凍以及遠紅外輔助磁性納米顆粒解凍這兩種方法對魚肉的理化特性和組織結構的影響較小，同時解凍過程中蛋白質降解和脂肪氧化程度也最低。Lan 等[50]比較了超聲波解凍（200 W，20 ℃）、射頻解凍（27.12 MHz，25 ℃）、浸漬解凍（16 ℃）、微波解凍（500 W）和冷藏解凍（4 ℃）對冷凍金鯧的影響，結果顯示不同的解凍方法都會導致鯧魚蛋白質的變性和品質的下降，使用射頻解凍和超聲波解凍的效果與新鮮樣品相近，而微波解凍則會導致更嚴重的局部過熱現象。物理場解凍技術不僅能有效縮短水產品解凍時間，提高生產效率，還能在一定程度上保持原有的食品品質。然而，物理場解凍技術可能會對水產品的質構特性產生影響，或者在解凍過程中可能導致水產品營養成分的流失。因此，未來的研究需要關注如何優化這些技術，以更好地平衡水產品的解凍效率和食品品質。

2.3 果蔬中的應用

冷凍果蔬已經成為現代飲食中的重要組成部分，因為它們具有長保質期、方便易用、最大程度保留營養成分等諸多優點。然而，在解凍過程中，果蔬可能會失去部分水分和營養物質。據報道，采用物理場技術的輔助解凍在處理冷凍果蔬能夠帶來更好的解凍品質，并且保持果蔬產品的質地和口感。例如，超聲波解凍可促進果蔬細胞內的酶活性和代謝，有利于保持果蔬口感和營養成分。此外，微波解凍能加速果蔬中的水分遷移，從而達到快速解凍的效果。然而，需要注意的是，不同種類的果蔬配合不同的解凍方法及工藝都有可能造成差異性的效果（表3）。

表3 物理場輔助解凍在果蔬中的應用Table 3 Applications of physical field thawing in fruits and vegetables

Xu 等[51]通過對比空氣解凍（20 ℃）、浸漬解凍（20 ℃）、冷藏解凍（4 ℃）和微波解凍（2450 MHz，500 W）來評估低頻超聲波解凍（20 kHz，300 W）對冷凍紅蘿卜處理的可行性，結果表明，在空氣和水介質下，低頻超聲波可顯著縮短解凍時間，而微波解凍速度最快，但會對營養和微觀結構造成破壞，超聲波輔助浸漬解凍可最好地保持紅蘿卜的顏色和維生素C含量。Liu 等[52]探究浸漬解凍（20±0.5）℃，微波解凍（500 W），超聲波解凍（40 kHz），室溫解凍（25±0.5）℃和冷藏解凍（4 ℃）對凍藏覆盆子的品質影響，結果顯示，在使用電子舌技術和模糊綜合評估分析覆盆子的感官特性變化后，發現微波解凍可最好地保持覆盆子的氣味和口感。Watanabe 等[53]探討冷凍蘋果在空氣（20 ℃）、微波（2450 MHz、300 W）和真空微波（2450 MHz、300 W）三種解凍處理方式下的理化特性變化，發現真空微波解凍可縮短樣品解凍時間，并且可以抑制過熱和局部加熱的現象，保持樣品的物理特性，特別是硬度和表面顏色。

綜上所述，物理場解凍在冷凍果蔬的解凍過程中具有諸多優勢，例如能夠更好地保持果蔬的質地和口感。目前已有多種物理場解凍技術被研究和應用于冷凍果蔬制品，包括超聲波解凍、微波解凍、真空微波解凍等。由于果蔬原料的特殊性，例如存在細胞壁且易被冰晶破壞，目前的物理解凍相關研究相對較少。在未來，可以通過探索不同果蔬在解凍過程中的生物化學和物理變化機制，以深入了解果蔬解凍過程中發生的關鍵過程，例如酶活性、細胞結構變化和水分遷移等。這將有助于更好地理解解凍過程的影響因素，從而改進解凍工藝的條件。此外，可以探索將不同物理場技術應用于解凍過程，以期產生協同效應，進一步提高果蔬解凍的品質。

3 結論與展望

本文全面闡述了超聲波解凍、高壓靜電場解凍、介電解凍和歐姆解凍這四種物理場解凍技術，并分析了這些技術的作用機理。文中同時討論了這些技術在畜禽肉、水產品和果蔬解凍方面的應用優勢，以及目前仍存在的問題和改進空間。物理場解凍技術是具有潛力的冷凍食品解凍方法，包括許多優點，如高效和可持續且能夠更好地保持冷凍食材的品質和營養成分。然而，由于不同種類的食品和解凍方法之間存在著應用效果上的差異，因此需要針對實際情況進行前期探索并選擇出最佳工藝。未來的研究可以探究更加高效和可持續的物理場解凍技術，包括多種技術的復合應用，并繼續深入研究其對食品的營養成分和微觀結構的影響，以更好地滿足消費者對高品質食品的需求。此外，物理場解凍裝備的研究包括更加優化的工程結構和智能化的解凍程序也是上游技術突破的重點。

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