实时观测交变磁场对圣女果冷冻保鲜品质的影响_梁超.pdf

实时观测交变磁场对圣女果冷冻保鲜品质的影响梁超1,2，方草2,3，黄青1,2,3,*（1.中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所，中国科学院强磁场与离子束物理生物学重点实验室，安徽合肥230031；2.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230009；3.中国科学技术大学研究生院科学岛分校，安徽合肥230026）摘要：以圣女果为研究对象，探究不同交变磁场强度（0、796、1 592、2 388 A/m）对圣女果冷冻过程中品质和冰晶生成状态的影响，旨在为其贮藏和品质保鲜提供合适参数。结果表明，在圣女果的冷冻过程中施加不同强度的交变磁场，可以明显改变冰晶生长的大小和数量，与对照组相比，试验组的整体外观品质均得到改善，其中最佳磁场强度范围为 1 5922 388 A/m，频率为 50 Hz。关键词：交变磁场；圣女果；速冻；保鲜技术；品质；冰晶Real-time Observation of Effects of Alternating Magnetic Fields onFreezing Preservation Qualities of Cherry TomatoesLIANG Chao1,2,FANG Cao2,3,HUANG Qing1,2,3,*（1.CAS Key Laboratory of High Magnetic Field and Ion Beam Physical Biology，Institute of Intelligent Machines，Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;2.School of Environmentand Energy Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230009,China;3.Science Island Branch of GraduateSchool,University of Science&Technology of China,Hefei 230026,China）Abstract:In this work,the effects of different alternating magnetic fields(0,796,1 592,2 388 A/m)on the qualitiesandice crystal formation states of cherry tomatoes during the freezing process were explored taking cherrytomatoes as the research object,in order to provide appropriate parameters for the storage and quality preservationof cherry tomatoes.The results showed that the application of alternating magnetic fields during the freezingprocess of cherry tomatoes could significantly change the size and number of ice crystal growth.Compared with thecontrol group,the overall appearance qualities of the experimental group were all improved,and the optimalmagnetic field strength range was 1 5922 388 A/m with the frequency of 50 Hz.Key words:alternating magnetic field;cherry tomatoes;quick freezing;preservation technologies;qualities;icecrystals基金项目：安徽省中央引导地方科技发展专项资金项目（S20200706050011）作者简介：梁超（1997），男，回族，在读硕士，研究方向：工程技术。*通信作者：黄青，博士，研究员，教授，研究方向：生物物理与生物工程。中图分类号：S641.2DOI：10.3969/j.issn.10096221.2023.03.003文献标识码：A保鲜与加工Storage and Process2023，23（3）：16-21保 鲜 研 究16投稿平台：2023年第3期水果含有丰富的维生素和水分，经常食用水果有益人体健康、促进消化。我国瓜果产量丰富，普遍受到大众喜爱，具有很高的经济价值。但是，目前水果市场依然面临的一个重要问题是水果保鲜期及货架期相对较短1。随着人们对健康的日益重视，越来越多的科研工作者致力于开发更加高效经济、安全环保的保鲜方式以延长水果保鲜期。水果在采摘后，仍然会进行呼吸和代谢，而温度是影响其呼吸代谢的重要因素之一，低温能够抑制呼吸和代谢过程的反应速率2。虽然部分水果不宜冷冻保存，但对于保鲜期很短的水果来说，经过冷冻，果肉细胞内的水分冻结成冰晶，进而抑制了微生物的生长和一系列生化反应，减缓变质速度，解决了保鲜期短的问题3-5。然而在冷冻过程中，冰晶的体积和形状对果肉的结构和物理性质至关重要，冰晶体积过大、边缘尖锐都易使细胞膜破裂，在水果解冻后反而导致汁液大量流失，不利于果实的贮藏。近年来，为提升水果冷冻保鲜的效果，减少冷冻的危害，研究人员从物理、化学、生物方面提出了各种辅助技术，其中物理技术主要为超声波、气调、射频、电场、磁场等辅助冻结6-9。磁场冷冻保鲜技术作为新型冷冻技术，因其较好的生物安全性和环保性备受关注。刘剑虹等10用永磁场处理芒果、香蕉和番茄等水果，通过观测其在磁场中的质量、外观和呼吸强度等指标发现，与对照组相比，磁场能够减弱水果的呼吸作用，有助于水分的保持，抑制微生物生长。高梦祥等11用不同强度的交变磁场处理草莓，通过测定各生理指标发现，草莓在磁场强度为 4.22 A/m 条件下处理后的效果最好，其 pH 值、呼吸速率均低于对照组，贮藏效果也优于对照组。樊宏彬等12研究了交变磁场在葡萄保鲜中的应用，结果表明，交变磁场在磁场强度为0.87 T 和 2.28 T 时，葡萄的腐烂率、出糖率和脱果率更低。王秀娟13以河套蜜瓜为研究对象，采用不同强度及时间的交变磁场对其处理后，发现最适宜的条件是以磁场强度 1.18 mT 处理 15 min，处理后能有效降低河套蜜瓜腐烂率和呼吸强度，使其保鲜效果最好，并通过荧光定量聚合酶链式反应（PCR）技术检测了磷脂酶 D 基因表达量，从分子生物学角度解释了磁场对食品保鲜有利的原因。Tang 等14探究了冷冻过程中两种磁场类型和不同磁场强度对樱桃冻藏效果的影响，结果表明，与对照组相比，交变磁场对冰冻温度的影响更明显，而永磁场对冰冻温度的影响很小。在静磁场下相变温度降低，相变时间缩短，而交变磁场会使相变温度升高，相变时间延长。在施加磁场条件下，冰晶能在细胞中均匀形成。静磁场作用下平均冰晶面积减少了 67%，交变磁场条件下平均冰晶面积减少了 78%，磁场的应用在一定程度上能够减少汁液流失。综合考虑所有评估指标，该研究得出对于磁场辅助冷冻保存樱桃，静磁场的最佳磁场强度为10 mT，交变磁场为 1.26 mT。该团队还研究了静磁场和交变磁场对蓝莓冷冻过程的影响15，发现 0.05 mT交变磁场的最小平均冰晶面积为 1 731 m2，10 mT静磁场的最小平均冰晶面积为2 489 m2，不加磁场的对照组最小平均冰晶面积为3 749 m2，处理组分别比对照降低了 53.8%和33.6%。研究还发现，静磁场条件下对于蓝莓的最合适磁场强度为 10 mT，该条件下形核温度降低 5.59，过冷度增大。目前关于磁场保鲜的研究大多集中于静磁场、直流磁场和交变磁场对水溶液或食品性状特征的影响研究16-19，而鲜有在磁场结合冷冻条件下，对水果微观层面和宏观层面同时进行研究的报道。在磁场辅助冷冻保鲜方面，施加磁场的模式和强度均会对最终效果有影响。然而，以往的报道对各类食品的处理参数往往都不一致，因此需要对此类问题进行深入研究。圣女果又名樱桃番茄，是冷敏感作物，对低温的反应程度高，如果果实长期处于 8 以下环境就会产生相变，发生冷害等问题。鲜食圣女果多为半熟期至坚熟期采摘，但不能进行长期贮藏20。由于圣女果含水量丰富、易受冻害、贮藏期较短等特性，本试验选择新鲜圣女果为研究对象，目的在于便于观察冰晶的生成以及冷冻前后外观的差异。将若干圣女果置于交变磁场下进行速冻后，从微观和在室温下解冻后的表观两个角度观察，探究交变磁场辅助圣女果冷冻后的最优保鲜效果，并筛选最合适的磁场参数，旨在为水果类的贮藏保鲜提供参考借鉴。1材料与方法1.1材料与设备1.1.1材料从实验室附近超市购买新鲜的千禧圣女果若干，挑选出无病虫害、无机械损伤，大小、色泽、形状、坚实度等状态相似的不同个体进行试验研究。将每 5 个圣女果样品分成 A、B 两组，A 组 4 个，B 组 1 个，试验重复进行 10 次。随机选取其中 1 次的试验结果进行外观和微观角度分析。A 组 4 个样品分别置于 4 种不同磁场强度下速冻保存，B 组 1 个样品经洗净后去除表皮，再从其中同一区域的果肉上取 4 份 5 mm5 mm0.1 mm 的薄片，分别置于 4 种不同磁场条件梁超，等：实时观测交变磁场对圣女果冷冻保鲜品质的影响17保鲜与加工Storage and Process联系邮箱：2023年第3期项目评价标准评分/分色泽色泽暗淡，颜色变暗红甚至黑色泽逐渐暗淡，颜色变浅色泽鲜亮，呈光亮鲜红色134679气味圣女果芳香味消失，有发酸发酵异味圣女果芳香味减轻，有轻微酸味有较明显圣女果特有果香味134679下，并在高倍镜下观察冻结过程中微观结构的变化。同时设置一平行试验组，用于感官评定。1.1.2仪器与设备图 1 为试验设备装置图，如图组装好仪器装置。其中主要仪器包括：BCD-503WSPZM(E)型美的速冻功能冰箱；PS-1HM220 型亥姆霍兹线圈；HT201 型高斯计；Auto-MS304 型微型可视追踪显微镜，放大倍数100 倍。1.2方法1.2.1试验方法将亥姆霍兹线圈放入冰箱内并通电，调节电源电流控制产生不同条件的交变磁场，利用高斯计检测冷冻区内的磁场强度及均匀度。根据已有研究和设备允许设定值，将 A 组 4 份样品分别置于 0、796、1 592、2 388 A/m 的磁场条件下，并于-24 恒定温度速冻60 min，取出分别在室温下解冻 20 min 后观察表观特征。将 B 组制备好的 4 份样品切片分别放置在追踪显微镜前的载玻片上（图像放大200 倍观察），载玻片固定于亥姆霍兹线圈内支架上。将显微镜与通电亥姆霍兹线圈放入冰箱冷冻区内同 A 组相等条件下速冻 12 min，显微镜可跟踪记录细胞冻结全过程，并将图像传输到显示屏上，可观察细胞内冰晶形成过程。每种条件下平行重复 35 次，每次记录 2040 个冰晶数量并计算冰晶面积。1.2.2磁场与冷冻处理亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同。线圈之间距离正好等于圆形线圈的半径时，这种圆形载流线圈称为 Helmhohz 线圈，该线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场21。本试验中所用设备的磁场强度范围为 03 979 A/m（7.96 A/m 可调节），能够产生交变磁场（频率为 50 Hz），电源机箱上的控制面板可调节设定线圈的磁场强度，采用三维高斯计测量速冻室内的磁场强度及其均匀性，速冻室内冷冻中心各方向磁场强度均匀。速冻功能冰箱速冻室的尺寸为 28 cm34