《食品科学》：江南大学杨哪副研究员等：介电解冻技术对肉类原料品质影响的研究进展

肉类食品是人们日常饮食的重要组成部分，新鲜及加工肉制品能提供高能量、优质的蛋白质和重要的微量元素。然而，肉制品在储存和过程中也是内源性酶和腐败微生物的良好底物。因此，在前期原料分配和物流运送过程中需要对各类肉类原料及加工制品进行冷冻处理。因此，储运后冷冻肉制品的解冻操作方式成为其后期加工或烹饪前的重要步骤。解冻的目的是尽量使冷冻肉类接近新鲜时的理化及感官状态。由于在冷冻过程中，大量冰晶形成于肉制品的肌纤维组织及细胞内部，因此针对不同部位、不同冻结程度所选取的解冻工艺不当是造成肉制品品质下降最主要的原因。

介电解冻是近十年发展起来的一种新型物理解冻方法，分为微波解冻和射频解冻。江南大学食品学院的张孝、杨哪*，江南大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室金亚美等对介电解冻技术进行综述，介绍其影响因素以及对肉制品解冻过程中品质影响的研究进展，以期为介电解冻在冷冻肉制品加工中的应用研究提供依据。

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介电解冻原理

介电解冻是通过原料分子与电磁场发生相互作用将电磁波能量转化为热能，破坏冰晶从而实现冷冻肉制品的解冻。与传统解冻工艺不同，介电解冻可以在食品内部直接产生热量，无需经历传热过程，其原理是在高频的交变电场中通过样品中极性分子的偶极子旋转或者离子极化发生运动摩擦而产生出热能。根据使用电磁波频率的不同，介电解冻分为微波解冻和射频解冻。

微波频率范围为300 MHz～300 GHz，而射频的频率范围通常在10～300 MHz之间。微波解冻过程中，热量的产生主要是由振荡电磁场诱导极性小分子尤其是水分子进行快速的旋转引起。在高频交变电场作用中，偶极子即水分子试图沿电场方向重新排列。这种排列以每秒100万 次的频率发生，并导致水分子间的高速旋转摩擦，进而使冷冻肉品表面及浅层各个部分同时获得热量而快速升温，但微波的穿透深度有限，容易造成样品局部过热和表面水分蒸发的现象。

射频解冻与微波解冻的差异是利用频率更低的振荡电磁波对样品进行解冻处理，主要作用于食材内部的极性生物大分子和自由离子，其电磁波穿透深度加强。除了样品内部的往复离子运动，当待解冻肉制品受到射频波的影响，所含极性大分子也会在振荡电磁场的方向上进行偶极子旋转运动。极性大分子和带电离子同时相互作用，并发生摩擦，达到加热的效果。因此，射频加热主要机制是离子传导，其次是大分子的旋转摩擦。由于肉制品中存在大量的肌肉纤维蛋白大分子和K、Na、Ca等电解质离子，故射频加热过程中肉制品内部温度分布相对均匀。

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肉类原料介电特性影响因素

食品或细胞组织的介电参数已经成为食品电学特性研究中具有价值的理化指标。介电特性是与微波和射频加热相关的重要物理属性，影响着样品对电磁波的吸收和反射，同时也决定样品的温升效率。通常情况下，一般由复数形式的相对介电常数（ε）、介电常数（ε’）和介电损耗（ε”）描述物质的介电特性，可表示为下式：

式中：j＝-1；介电常数ε’反映食品原料在电磁场中储存电能的能力，影响穿过样品的位移电流分布和相位；介电损耗ε”反映电磁波能量转化为热能的能力，影响能量的吸收和衰减，同时描述了各种极化机制的能量耗散能力，大部分食品物料的介电损耗为正值且小于其介电常数。

2.1 频率

离子传导和偶极旋转是介电解冻过程的主要损耗机制。在射频作用下，离子传导是引起介电损耗的主要原因。频率越高，离子间的摩擦与碰撞越剧烈，产生的热量越多。所以射频段的介电损耗随着频率的增大而减小。在微波频段引起介电损耗的主要原因是自由水中的离子传导和偶极子极化。理论上，各种极化机制（极性、电子、离子的和瓦格纳-麦克斯韦效应）都具有相应的介电损耗在起作用。实际上，瓦格纳-麦克斯韦效应的频率峰值约为0.1 MHz，其热效应贡献与离子传导相比则相对较小。

Yang Linxin等发现在低频范围，南极磷虾和南美白对虾的介电常数随着频率的增加而降低，特别是当温度在-5～-3 ℃时，这种趋势更加显著。主要原因是振荡电磁场频率提高，偶极子的重新定向排列和离子键扭曲程度变弱，从而导致极化减小。在较高的频率范围内（1～3 GHz），两种产品的介电常数随频率的增加基本保持不变或略有增加。刘艳研究羊肉的介电常数和介电损耗在射频解冻过程中随频率和温度的变化趋势，发现羊肉的介电常数和介电损耗均随频率的增加而呈现出下降的趋势；在相同温度下，频率越低，羊肉的介电常数和介电损耗越高。这是因为当频率较低时，离子具有的导电性所带来的介电损耗会占主导地位。当频率提高时，水分子在高频电磁波中定向排列，部分偶极子的旋转跟不上感应电场的变化速率，随即产生弛豫现象，导致介电常数下降。

2.2 温度

温度对肉制品介电特性的影响同时也取决于其他因素，例如频率、水分和盐含量等。冻结状态下肉制品中游离状态的水分较少，此时原料的介电常数和介电损耗较小。在解冻过程中，肉制品的自由水含量增大，介电常数和介电损耗都会显著增大。在低频时，介电损耗随温度升高而增大，这是离子传导引起的。在高频时，介电损耗随温度升高而减小。高频的电磁波穿透深度较低，所以冷冻样品的温升主要发生在表面区域，进而降低了冷冻肉制品的整体能量吸收。

Farag等对牛肉在-18～10 ℃温度范围内的介电特性进行了分析，发现在-18～-1 ℃温度范围内，牛肉的介电常数和介电损耗随温度的升高而增大，其中在-18～-5 ℃温度范围呈现缓慢地提升，而在-5～-1 ℃温度范围则出现快速地升高。此温度范围（-5～-1℃）为解冻区，肌肉内冰晶发生相变并吸收热量，用以克服物料内部分子间的吸引力。但在-1～10 ℃温度范围内，牛肉的介电常数基本维持不变，原因可能是在较低的温度下，样品中的游离水含量降低，导致介电常数减小，同时，水分子在冰晶融化过程中失去约束，游离水含量增多。

2.3 水分

水分对肉制品介电特性的影响也取决于它的存在形式。肉制品中的水分子以自由态和结合态的形式存在。在介电解冻过程中，水分子由于具有一定的偶极性质，因此是影响解冻效果的最重要因素。水分含量越高，肉制品的介电常数和介电损耗则越高。因为结合水对介电极化的响应比自由水更小，所以一般来说，自由水对介电特性的影响比结合水更大。对于高水分含量的样品，自由水与结合水的比例是影响其介电特性的关键因素。高水分食物在射频频率范围内的介电损耗与离子迁移所造成的损耗相关，且随温度的升高而增加。

2.4 盐分

一方面，盐渍的肉制品自由水的含量减少，导致介电损耗增大，介电常数降低。另一方面，随着盐含量的增加，带电粒子增多，离子浓度增大，离子迁移率也相应增大，从而使介电损耗增大。对于未加盐的肉制品，增加其盐分含量能加快它的解冻速率。但是较高的盐含量通过降低渗透深度增加了解冻时间和解冻的不均匀度。盐分含量对介电常数有积极影响，而对穿透深度有负面影响。

2.5 脂肪

脂肪属于非极性物质，所以它与电磁波的作用相对较弱，且在电磁场暴露的环境下被认为是“惰性物质”。食物脂肪含量的增加通常伴随着水分含量的降低，进而降低了介电效应。在相同条件下，肉类原料的脂肪含量越高，其介电常数和介电损耗越低。同时，增加脂肪含量会导致肉制品的介电常数降低 。

03

介电解冻技术对肉制品品质的影响

传统解冻方法由于传热慢且时间较长，故无法满足高效的冷冻肉制品的解冻操作。鉴于此，市场更青睐新型的物理解冻方法。介电解冻功能装置及其设备在民用和生产端都得到了一定的应用，例如微波炉的快速解冻功能和连续化射频解冻机。前期研究发现介电解冻技术对肉制品各项品质指标均有不同程度影响。

3.1 保水性

肉的保水性取决于肌原纤维蛋白的结构。疏水相互作用、静电斥力及氢键等对维持蛋白质的结合水起着关键作用。介电解冻处理对肌原纤维蛋白构象会产生一定影响。相同功率下，肉制品吸收的微波能量比射频能量更大，因此在解冻过程中微波易引起表面局部过热，进而破坏氢键，导致肌原纤维蛋白三级结构发生改变，影响肉制品的保水性。射频解冻的热效应更均匀，处理后的肉制品保水性更好。

肉类产品的保水性主要通过解冻损耗、蒸煮损失和滴水损耗评价。肉的解冻损失和蒸煮损失少，则解冻肉品的保水性佳。

3.1.1 解冻损耗

解冻过程中的汁液损失会影响产品的蛋白质功能特性，导致肉品原料的感官、嫩度及色泽变差，同时也会引起蛋白质和脂肪的氧化，以及营养成分的流失等现象，从而使肉品的经济价值降低。

Wang Bo等研究比较了真空解冻、超声波解冻和微波解冻对猪背肌肉品质的影响，发现微波解冻样品的损耗在所有解冻样品中最高并达到4.71%，且蛋白质的完整性被严重破坏；而真空解冻的样品蛋白质损失最低，这可能是由于微波解冻过程中的瞬时高温蒸发了样品表面水分，同时使蛋白质氧化变性，导致蛋白质结合水的能力下降，而真空解冻过程中的低氧环境延缓了蛋白质氧化。此外，磁性纳米颗粒结合射频解冻也有利于维持肉类物料的保水性，这在解冻海鲈鱼的研究中得到了应用。

3.1.2 蒸煮损耗

蒸煮损耗是包括加热后大量水分和一些营养物质损耗的总和。蒸煮损耗增加的原因可能是冷冻和解冻过程对肉肌纤维结构的改变，从而导致肉的持水能力下降。

Yu Longhao等报道称由于牛肉解冻的水分流失，解冻牛肉的蒸煮损耗会低于新鲜肌肉。Choi等比较了射频解冻、浸泡解冻、强制空气对流解冻和微波解冻等不同处理方法对冷冻猪里脊肉的品质影响，发现新鲜样品的蒸煮损耗率为31.85%，显著低于所有解冻处理的样品（34.33%～37.57%），各解冻处理方法间的蒸煮损耗差异并不显著。

3.1.3 滴水损耗

滴水损失是冻藏肉类的重要指标。与滴水损失同时发生的还有营养物质流失，即水溶性蛋白质、维生素和矿物质都能在滴水中找到。Farag等研究证实，与传统的空气解冻方法相比，更快速的射频解冻方法有利于减少滴水损失和微量营养素的损失，可能是由于缓慢解冻过程中重结晶造成细胞损伤。解冻速度快，相变时间短，滴水损失减少。

3.2 新鲜度

肉制品及其原料的新鲜程度关系着食品的安全可食用性，是消费者们最为关心的指标之一。影响新鲜度的指标包括色泽、pH值、总挥发性盐基氮（TVB-N）、微生物含量等。介电解冻处理能使肉品品质指标发生改变，因此可能导致新鲜度发生变化。

3.2.1 色泽

肉的色泽取决于多种因素，包括肌红蛋白状态、水分和脂质氧化程度等，影响消费者的购买欲望。肉品表面的颜色以L*、a*、b*值衡量，L*表示亮度值，a*表示红度值，b*表示黄度值。目前研究认为，介电解冻处理导致肉制品脂质、蛋白质氧化水平、保水性等发生改变，从而影响肉的色值。新鲜肌肉中高铁肌红蛋白还原酶活性较高，可维持肉色稳定性。由于微波处理产生的局部过热现象，故肉制品中的高铁肌红蛋白还原酶活性下降，同时蛋白质和脂质氧化也会增加自由基数量，导致肌红蛋白氧化和高铁肌红蛋白形成速率增加，进而影响肉的色泽。此外，微波解冻会导致猪里脊肉的a*值显著降低，而射频解冻处理后的a*和b*值均无明显的变化。由于肉类原料的持水性下降，使样品表面的光反射率降低，进而导致L*值的下降。同时，肌红蛋白氧化是a*值变化的主要原因，微波处理使高铁肌红蛋白形成量减少，最终影响解冻肉的红度值。而增加的脂质氧化效果和肌红蛋白的形成则是导致b*值变化的因素。

3.2.2 pH值

pH值能反映肉类原料的持水力。解冻处理过程中，随着肉类原料汁液的流失，肌细胞的电解质平衡被破坏，溶质浓度增加，从而造成样品pH值的下降。肌肉中糖原降解产生的酸性物质也会引起样品pH值的下降。解冻时，一些肉类原料的蛋白质会发生水解，进而产生出挥发性化合物如三甲胺、二甲胺和氨类物质，进而导致样品pH值的升高。也有研究报道，不同解冻方式对肉制品的pH值影响较小。

3.2.3 TVB-N值

TVB-N是以挥发性胺和有毒含氮化合物形式存在的一级、二级和三级胺的总称。因为挥发性氮是由腐败微生物降解肌肉中的蛋白质或非蛋白氮化合物所产生，故TVB-N值可用来评估肉类食品的腐败程度。介电解冻的局部高温可杀死部分表面微生物，防止肉制品腐败。Ho等研究了微波解冻处理后牛里脊肉的理化特性，发现对照组的TVB-N值高于其他样品，且TVB-N值也随微波剂量的增加而降低。

3.2.4 硫代巴比妥酸反应物（TBARS）值

脂肪氧化程度是衡量冷冻肉品质的重要指标，TBARS值的大小代表了肉类原料脂肪氧化程度的强弱。解冻时间越长，脂质氧化程度越高。介电解冻用时较短，但超过一定功率强度阈值其产生的物理化学效应也可能对肉制品产生不利影响，例如较高的局部过热温度容易使脂质氧化。Gan Sunlong等比较了3 种不同组织结构和成分的肉类原料在解冻后的品质变化，发现解冻后猪肉、牛肉和羊肉的TBARS值均有不同程度的增加，微波解冻后猪肉、牛肉和羊肉的TBARS值均低于浸泡解冻的样品，但高于通过超声波解冻的样品。微波解冻后TBARS值较高的原因可能是微波解冻产生的过热现象促进了脂质的氧化。TBARS值与温度分布不均匀性密切相关。

3.2.5 菌落总数

菌落总数用来衡量食品被细菌污染的程度及其卫生质量。介电解冻过程用时较短，且电磁波能抑制微生物的生长繁殖。Zhu Mingming等对猪背肌肉在不同解冻方式下的菌落总数进行比较，发现经过不同解冻处理后的样品菌落总数相对于对照组都较高，而微波解冻的样品具有相对较低的总活菌数，这可能是因为微波解冻的时间较短所致。

3.3 蛋白质

解冻处理会影响肉制品蛋白质的氧化降解，从而决定肉制品的质构、持水能力、风味以及营养成分等特性。解冻过程中蛋白质的结构变化可通过蛋白质溶解度、表面疏水性、浊度和粒径等指标评估。肌原纤维蛋白是构成肌肉纤维的主要成分，因此肉品品质的改变与肌原纤维蛋白结构及功能改变有关。目前研究证明，介电解冻在调控产品品质上具有一定优势。

3.3.1 蛋白质溶解度

溶解度能反映蛋白质的变性和聚集。在解冻过程中，水分和其他物质的渗出是降低肉制品蛋白质溶解度的重要影响因素。蛋白质的溶解度也反映蛋白质构象的变化及其生理功能的改变。介电解冻有促进蛋白质氧化的作用，同时导致肌原纤维排列松散，有助于增加产品嫩度。Choi等在比较不同方法解冻猪里脊肉时发现，与微波解冻相比，经射频解冻处理的猪肉糜样品能表现出更高的蛋白质溶解度，这表明射频处理不会引起显著的蛋白质变性。

3.3.2 表面疏水性

表面疏水性是判断肌原纤维蛋白构象稳定性的重要指标。蛋白质氧化会暴露其疏水性氨基酸残基，影响蛋白质与水的结合能力。Peng Zeyu等发现与新鲜样品相比，微波解冻后肌原纤维蛋白的表面疏水性提高了14.58%。Li Fangfei等也发现微波处理增加了肌原纤维蛋白的表面疏水性，这可能是由于微波解冻导致的温升不均匀，致使肌原纤维蛋白结构展开，原本处于分子内部的疏水区暴露，同时内部偶极子在微波场中振荡引起不均匀加热，会导致部分蛋白质去折叠，从而增加了蛋白的表面疏水性。微波处理能促进蛋白质的去折叠，有助于自由基进入氨基酸，从而对样品产生不利影响。

3.3.3 粒径和浊度

粒径和浊度都反映蛋白质在加热过程中的聚集状态，这两项指标的升高意味着蛋白质的聚集程度加强。Wang Bo等在相同加热温度下，用不同解冻方法处理猪肉，发现经过微波解冻处理后的肌原纤维蛋白粒径分布变宽且浊度值高于新鲜样品，这可能是微波解冻样品中蛋白质结构的折叠暴露了部分疏水残基，促进了肌原纤维蛋白聚集的现象，而聚集体的形成导致光散射并阻碍光的传输，从而增加了吸光度。微波处理会促进肌纤维蛋白的氧化和变性，可能导致聚合体形成，从而引起颗粒的增加。

3.3.4 蛋白质结构

刘磊等报道称由于微波解冻导致肉类原料的受热温升不均一，进而使鹅腿肉组织中的蛋白质 α -螺旋结构遭到显著破坏。Wang Xuesong等发现微波解冻处理后的鱼肉样品蛋白质三级结构被破坏，同时肌肉结构受损。Li Fangfei等研究了不同解冻技术包括射频解冻（4 ℃）、浸泡解冻（18 ℃）、真空解冻（25 ℃）、超声波解冻（20 ℃）和微波解冻对肌原纤维蛋白构象的影响，发现新鲜组织中的 α -螺旋相对含量为51.37%，经过射频解冻、浸泡解冻、真空解冻、超声波解冻和微波解冻处理后，分别降低到46.45%、44.38%、49.98%、48.72%和40.25%，表明解冻过程中肌原纤维蛋白的 α -螺旋结构丢失。同样，采用浸泡解冻和微波解冻的样品肌原纤维蛋白荧光强度高于射频解冻、真空解冻和超声波解冻组。

04

结 语

本文综述了介电技术在肉类解冻中的研究进展及其对肉品质的影响。由于现代食品工业和预制菜等餐饮消费的发展，传统解冻工艺已经无法满足冷冻肉制品自然常规解冻的高效操作需求。依赖于成套装备技术的发展，介电解冻作为新型的物理解冻方法开始逐步应用于冷冻肉制品的批量化处理。介电解冻对维持肉制品的保水性和新鲜度有着一定的效果，但在抑制蛋白质氧化和变性方面的效果不显著。一方面，介电解冻过程中，高能量的电磁波会破坏肌原纤维蛋白结构，使其与水结合的能力下降，影响肉制品保水性。另一方面，过程时间相对较短和局部短暂高温可抑制表面微生物滋生和腐败，从而较好地维持肉制品新鲜度。介电解冻尤其是微波处理过程中，容易出现温升不均匀现象，这会促进肉制品的蛋白质氧化以及蛋白质结构改变，是否造成有害物质的产生，还需要进一步研究。近年来介电解冻与其他技术结合逐渐成为了新的研究热点。随着冷冻肉制品消费的增多，为了改善解冻效果的均匀性，最大限度地保证肉品原料品质，介电解冻技术还有待进一步的深入研究。

作者信息

第一作者：

杨 哪副研究员

江南大学食品学院

杨哪，工学博士/硕导，江南大学，华南农业大学博士后，从事磁场辅助冷冻冷藏及新型感应热反应、提取和杀菌装备的设计和研发，在交变磁场对非磁性复杂电解质体系的体积加热领域具有突破性研究成果。参编十四五教材及英文专著2部；主持国家级项目4项（十四五重点研发计划子课题、十三五重点研发计划子课题、国家自然科学青年和面上项目），省部级4项（江苏省优秀青年基金，江苏省农业科技自主创新项目，第68批博士后基金面上资助，江苏省青年基金项目）；专利成果产业化4项；获2019年中国商业联合会科学技术一等奖，2020年教育部技术发明一等奖；2021年无锡太湖人才计划；授权国内发明专利9项，授权美国专利2项，软件著作权6项。教学方面：获2021年第七届中国国际互联网+大学生创新创业大赛，银奖，微晶磁冷-程控磁场生化装备制造及产业化开创者；2022年第八届中国国际互联网+大学生创新创业大赛，金奖；Maxwell-打造液态食品低温瞬时杀菌的“金钥匙”；《磁场保鲜技术在冰箱冷藏中的应用开发》通过中国轻工业联合会成果鉴定，国际领先；《磁场生化技术及仪器设备产业化》通过中国仪器仪表学会成果鉴定，整体国际先进水平，局部指标国际领先水平。

第一作者：

张 孝硕士研究生

江南大学食品学院

主要研究方向为电磁技术在食品加工中的应用。

文章引用信息

本文《介电解冻技术对肉类原料品质影响的研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷8期283-291页. 作者：张孝，金亚美，巫宇航，姚黄兵，杨哪，徐学明. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230314-145. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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