CN115299487A - 一种磁场辅助冷冻水产品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁场辅助冷冻水产品的方法，所述方法为将水产品置于磁场强度为40～80mT的环境下进行冷冻。并且确定了在冷冻过程中施加强度为60mT的磁场可以达到更好的冷冻保藏效果。运用本发明所述方法冷冻保藏水产品可以加速冷冻过程，减少冷冻所需时间，并且本发明所述方法冷冻保藏的水产品的不易流动水和自由水的流动性明显降低，解冻损失和蒸煮损失更少，有助于保持冷冻水产品的颜色、持水能力和质构特性，延长了冷冻水产品的货架期，提高了水产养殖业的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及食品加工贮藏技术领域，具体地，涉及一种磁场辅助冷冻水产品的方法。
背景技术
凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)是世界上三大高产的优良对虾品种之一。它具有生长速度块、耐高密度养殖和环境适应性强等特点。然而，由于体内含有大量的非蛋白氮、自溶酶和微生物，导致凡纳滨对虾比大多数食品更容易腐败变质，货架期更短。
冷冻是一种常用的保藏凡纳滨对虾的方法，它可以减缓凡纳滨对虾的生理和生化过程，最大限度地抑制微生物的生长，保持产品的品质。但传统冷冻技术的冷冻速度慢，使肌肉细胞内形成体积较大、形状不规则的冰晶，造成机械损伤，导致营养价值和风味的下降，影响进一步加工，严重制约了冷冻水产品的推广和相关产业的发展。为得到品质俱佳的冷冻产品，研究者们开始从调节晶核形成和冰晶生长的角度出发，提出了几种形成数量多、体积小、分布均匀的胞内冰晶的成核控制技术以保护食品组织。其中，磁场辅助冷冻(Magnetic field assisted freezing,MF)不会改变食品的内压，也不会使食品在冷冻过程中产生氧化物质，还具有能耗低、不产生污染的优点，是一种新型绿色食品冷冻技术。
目前，人们将磁场辅助冷冻应用到纯水系统、模型溶液、食物、细胞甚至器官等体系中。大部分研究者发现适当条件的磁场辅助冷冻可以控制冰晶成核，促进细小而均匀的冰晶的形成，改善冷冻食品品质。然而，也有部分研究表明磁场对冷冻并没有显著性的影响。这与部分磁场冷冻实验设备条件有限，实验设计不严谨有关。他们的研究磁场设备大致分为两大类，一类是日本商业化的质子冰箱，其较低强度的磁场(通常低于1mT，且远低于地磁场强度5-10mT)对冰晶成核的影响令人质疑；另一类是研究者利用霍姆赫兹线圈生磁的磁场冰箱，虽然可以产生较大强度的磁场，但大多数采用传热较慢的气体作为介质，故线圈产热及冰箱门的开合可能导致在某些实验环境中复制温度条件变得非常困难。因此，需要在更加严谨的实验设计来证明磁场对冷冻效果的影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的上述不足，提供一种磁场辅助冷冻水产品的方法。
本发明的第一目的是提供一种磁场辅助冷冻水产品的方法。
本发明的第二目的是提供上述方法在提高冷冻水产品品质中的应用。
为了实现上述目的，本发明是通过以下方案予以实现的：
一种磁场辅助冷冻水产品的方法，所述方法为将水产品置于磁场强度为40～80mT的环境下进行冷冻。
优选地，所述水产品为虾。
更优选地，所述虾为对虾。
进一步优选地，所述对虾为凡纳滨对虾。
优选地，所述方法为将水产品置于磁场强度为60～80mT的环境下进行冷冻。
更优选地，所述方法为将水产品置于磁场强度为60mT的环境下进行冷冻。
优选地，所述方法包括以下步骤：
S1.将预处理后的水产品沿浸渍式磁场冷冻装置的柱状冷冻腔体的轴向方向放入并固定；
S2.将浸渍式磁场冷冻装置的磁场强度设置为40～80mT，启动浸渍式磁场冷冻装置；
S3.待水产品冷冻后，将其转移至冷冻环境中保存；
步骤S1所述浸渍式磁场冷冻装置为提供稳定磁场和稳定温度的浸渍式磁场冷冻装置。
更优选地，步骤S1中所述预处理为将水产品低温失活，去除其表面水分，在2～6℃的条件下冷藏8～16h。
更优选地，步骤S3中所述水产品冷冻的标准为水产品中心温度达到-18℃以下。
本发明还请求保护上述方法在提高冷冻水产品品质中的应用。
优选地，所述冷冻水产品品质包括冷冻水产品持水性、解冻损失和/或蒸煮损失。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种磁场辅助冷冻水产品的方法，所述方法为将水产品置于磁场强度为40～80mT的环境下进行冷冻。并且确定了在冷冻过程中施加强度为60mT的磁场可以达到更好的冷冻保藏效果。运用本发明所述方法冷冻保藏水产品可以加速冷冻过程，减少冷冻所需时间，并且本发明所述方法冷冻保藏的水产品的解冻损失和蒸煮损失更少，有助于保持冷冻水产品的颜色、持水能力和质构特性，延长了冷冻水产品的货架期，提高了水产养殖业的经济效益。
附图说明
图1为冷冻支架的结构图；A：冷冻支架立体图；B：冷冻支架的横截面图；
图2为各组凡纳滨对虾冷冻过程中温度的变化及各个阶段所需的时间图；A：冷冻曲线图；B：冷冻时间图；
图3为各组凡纳滨对虾样品的扫描电镜结果图；
图4为各组凡纳滨对虾样品的光学显微观察结果图；
图5为各组凡纳滨对虾样品的持水性测量结果图；
图6为各组凡纳滨对虾样品的解冻损失测量结果图；
图7为各组凡纳滨对虾样品的蒸煮损失测量结果图；
图8为各组凡纳滨对虾样品的质构特性测量结果图；
图9为各组凡纳滨对虾样品的低场核磁检测结果图；A：LF-NMR曲线图；B：峰面积百分比图；C～F：T2b1、T2b2、T21和T22的横向弛豫时间图；
图10为各组凡纳滨对虾样品的核磁共振成像图。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1一种磁场辅助冷冻对虾的方法及检验
1、实验方法
(1)一种磁场辅助冷冻对虾的方法
将大小均匀(体重为40～50只/kg)的鲜活凡纳滨对虾用碎冰猝死，用滤纸擦干凡纳滨对虾表面水分，再将每只凡纳滨对虾单独放入拉链式聚丙烯袋中，尽量排去空气并密封。将凡纳滨对虾样品分成5等份，并将其转移到4℃的冰箱中冷藏12h。对照组设置为新鲜凡纳滨对虾样品。
将其中1份凡纳滨对虾样品取出，置于冷冻支架中，冷冻支架如图1所示。具体操作方法为：将每只凡纳滨对虾依次装入标记有数字的空隙中并固定。
再将冷冻支架沿浸渍式磁场冷冻装置(XO-120L-II型，南京先欧股份有限公司)的柱状冷冻腔体的轴向方向放入并固定，将浸渍式磁场冷冻装置的磁场强度设置为0mT，启动装置。该浸渍式磁场冷冻装置可以提供稳定的磁场和稳定的温度。
待凡纳滨对虾样品中心温度达到-18℃时，将凡纳滨对虾样品转移到一个-18℃的冰箱中保存，记为IF组。
将其中4份样品分别进行上述处理，区别在于将浸渍式磁场冷冻装置的磁场强度分别设置为20mT、40mT、60mT和80mT，得到不同处理组。将磁场强度为20mT的记为MF-20组，磁场强度为40mT的记为MF-40组，磁场强度为60mT的记为MF-60组，磁场强度为80mT的记为MF-80组。
记录各组的冷冻曲线以及各组在预冷阶段、相变阶段和过冷阶段所需的时间。
(2)冷冻凡纳滨对虾样品的检验
以IF组冷冻凡纳滨对虾样品为例：取冷冻后的凡纳滨对虾样品在-18℃的环境下切成2×1×1mm3的片状，随即真空冷冻干燥机对其进行冷冻干燥，得到扫面电镜(ScanningElectron Mircroscope，SEM)分析样品，分析样品在-60℃下冷凝干燥72h。接着，使用金钯合金镀膜机(美国新罕布什尔州曼切斯特Bal-tec公司)对干燥后的样品进行镀膜。在5kV的加速电压下，使用扫描电子显微镜SEM观察样品的微观结构，并在300×放大率下观察样品。
取冷冻后的凡纳滨对虾样品，用卡诺溶液(10％醋酸，30％氯仿，60％乙醇，v/v)固定虾的第二腹节肌肉(0.5×0.5×1cm3)48h作为样品，然后用分析纯的酒精(50％、75％、85％、95％和100％，v/v)对样品逐渐脱水，每个浓度的分析纯的酒精脱水30min。随后，样品用二甲苯透明，石蜡浸泡和包埋。接着用切片机将石蜡包埋的样品沿垂直于肌纤维的方向切成4μm厚的切片，然后在苏木精-伊红溶液中染色，用光学显微镜在400×放大率观察样品。
对各个处理组和对照组分别进行上述SEM观察和光学显微观察。
2、实验结果
各组凡纳滨对虾冷冻过程中温度的变化及各个阶段所需的时间如图2所示。图2A中各组凡纳滨对虾样品的冷冻曲线与典型的冷冻曲线模型基本吻合，在不同处理组中并没有发现过冷现象，磁场强度为40～80mT环境下冷冻的凡纳滨对虾所需冷冻时间有明显缩短，且MF-60组的冷冻所需时间较其他组有显著的缩短。而在磁场强度为20mT环境虾冷冻的凡纳滨对虾冷冻所需时间相较于不额外添加磁场冷冻的组别的时间更长。
图2B结果表示：在预冷阶段，不同处理组之间差异不明显，说明磁场辅助冷冻无法显著改变预冷阶段的冷冻速率；在相变阶段，不同处理组之间差异显著，与IF组相比，除MF-20组外，其余MF处理组的相变阶段所需时间显出缩短，且相变时间随着磁场强度的增大变现为先减少后增加，MF-60组的相变时间最短，比IF组的相变时间短42.11％(P＜0.05)；过冷阶段时间的变化同相变阶段相似，MF-60组过冷阶段所需时间最短，比IF组的过冷时间短37.17％(P＜0.05)。
各处理组的扫描电镜结果如图3所示，结果表示：在IF组的SEM图中，肌肉纤维之间形成了大小不一的孔洞，说明IF处理使肌肉纤维之间形成了大而不规则的冰晶，随着磁场强度的增加，样品的SEM图像中孔洞先减少后增加，MF-40、MF-60和MF-80组样品的微观结构相较于IF组都更加完整，并且MF-60组最为完整，孔洞最小，最均匀。说明磁场对冰晶的作用有窗口效应，存在一个能有效控制冰晶大小的最佳磁场强度。
各处理组的光学显微观察结果如图4所示，结果表示：IF组的筋膜间空间最大，肌周膜与肌束分离，肌周膜表面粗糙。MF-20组和IF组在微观结构上没有明显差异，MF-40组和MF-80组的肌束建立比MF-60组粗大，MF-60组的细胞间空间相对较小，肌周膜相对光滑，说明MF-60处理抑制冰冻对肌肉组织的破坏的效果最佳。
实施例2冷冻凡纳滨对虾样品的持水性、解冻损伤、蒸煮损失、质构特性和色差测量实验
1、实验方法
对实施例1中的对照组和各个处理组的凡纳滨对虾样品进行相关检验。
(1)持水性测量
采用离心法测量凡纳滨对虾样品的持水性(WHC)。以IF组冷冻凡纳滨对虾样品为例：将凡纳滨对虾样品从-18℃冰箱中转移至4℃冰箱中进行解冻并去壳。称量大约10g(W1)的虾肉样品，用吸水纸包裹并置于10mL离心管中，在4℃，5000r/min的离心条件下离心10min。离心结束后，去除包裹着虾肉样品的吸水纸并对吸水纸称重(W2)，通过WHC计算公式进行计算，公式入下：
WHC＝(1-(W1-W2)/W1)×100％。
平行测量三次计算WHC，计算平均值。
对对照组和各个处理组进行同等处理计算得出各组对应的WHC。
(2)解冻损失测量
以IF组冷冻凡纳滨对虾样品为例：对凡纳滨对虾样品进行称重(W0)，随机将凡纳滨对虾样品解冻，待解冻至几何中心温度为4℃时，用吸水纸吸干凡纳滨对虾样品表面水分，再次对凡纳滨对虾样品称重(W1)。解冻损失计算公式如下：
解冻损失＝(W0-W1)/W0×100％。
平行测量三次计算解冻损失，计算平均值。
对对照组和各个处理组进行同等处理计算得出各组对应的解冻损失。
(3)蒸煮损失测量
以IF组冷冻凡纳滨对虾样品为例：将解冻的冷冻凡纳滨对虾样品称重(W1)，在85℃的水浴中加热至虾的几何中心温度达到75℃时，取出煮熟的凡纳滨对虾样品并用吸水纸吸干表面水分，对煮熟的凡纳滨对虾样品进行称重(W2)。蒸煮损失计算公式如下：
蒸煮损失＝(W1-W2)/W1×100％。
平行测量三次计算蒸煮损失，计算平均值。
对对照组和各个处理组进行同等处理计算得出各组对应的蒸煮损失。
(4)质构特性测量
以IF组冷冻凡纳滨对虾样品为例：选取步骤(3)煮熟的凡纳滨对虾样品用P/0.5圆柱形探针进行质构多面剖析(Textrur Profile Analysis，TPA)，压缩位置选用凡纳滨对虾样品的第二腹节和第三腹节.
TPA设置如下：恒定的测试速度为1.0mm/s；样品变形为40％；周期之间的保持时间为5s；触发力为5g。
凡纳滨对虾样品的硬度、弹性和黏性由内置软件Texture Exponent 32生成的力-时间曲线计算。
对对照组和各个处理组进行同等处理计算得出各组对应的质构特性。
(5)色差测量
以IF组冷冻凡纳滨对虾样品为例：使用白色的参考板(L*＝95.26，a*＝-0.89，b*＝1.18)对手持式色差仪(ZE-6000型色差仪，日本东京Juki公司)进行校准，将色差仪垂直于凡纳滨对虾样品的第二腹部进行测量，每个样品重复测量三次，计算平均值得到对应的色差值。
对对照组和各个处理组进行同等处理计算得出各组对应的色差值。
2、实验结果
各组持水性测量结果如图5所示，结果显示：对照组(新鲜样品)的持水能力远高于其他处理组样品的持水能力(P＜0.05)。冷冻处理组的样品持水能力均有所下降，IF组和MF-20组样品的持水能力最低，比新鲜样品低34％(P＜0.05)，MF-60组的持水能力最高，比MF-80组的持水能力高1.57％。结果说明MF-60处理的快速冷冻促进了细胞内外均匀冰晶的形成，并抑制了冷冻引起的蛋白质变性。
各组解冻损失测量结果如图6所示，结果显示：IF组和MF-20组样品的解冻损失最大，且两组之间解冻损失没有差异，说明低强度磁场对样品的解冻损失没有明显影响。随着磁场强度的增加，样品的解冻损失先减少后增加，MF-60处理组样品的解冻损失最低(P＜0.05)。这说明适当的磁场强度有利于促进细小均匀冰晶的生成，减少大冰晶对肌肉组织的损伤，从而降低解冻损失，但是过高或过低的磁场强度都无法显著降低虾的解冻损失。
各组蒸煮损伤测量结果如图7所示，结果显示：对照组(新鲜样品)的蒸煮损失最低，而其余不同处理组的蒸煮损失均有不同程度的增加，与IF组相比，除MF-20组外，其余MF处理组的蒸煮损失减少，说明低强度磁场不能减少冷冻样品的蒸煮损失，而适当磁场(40～80mT)可以控制冰晶的成核核生长，抑制蛋白质的低温变性。MF-60组的蒸煮损失比其他处理组的蒸煮损失低得多，只比对照组高48.17％。
各组质构特性测量结果如图8所示，结果显示：IF组和MF-20组的硬度值最小，且随着磁场强度的不断增加，虾肉样品的硬度先增后减，其中MF-60组的硬度值最大。这说明，只有适当的磁场强度(40～80mT)才能有效控制冰晶成核，抑制冷冻过程中大冰晶的形成，而过高磁场或过低磁场都不能达到良好的效果。与硬度的变化类似，冷冻处理组样品的弹性核黏性相较于对照组都有不同程度的下降。在冷冻处理组中，MF-60组样品的弹性核黏性最高(P＜0.05)。
各组色差测量结果如表1所示。
表1各组凡纳滨对虾样品的色差值
同一列中不同小写字母表示差异有统计学意义(P<0.05)。
表1结果显示：冷冻导致了凡纳滨对虾样品亮度L*的增加。在所有冷冻样品中，MF-60处理组样品的L*值最小，比新鲜样品高37.68％(P<0.05)。说明适当的此处强度控制了晶核的形成，减少了所形成的不规则大冰晶，抑制了蛋白质的冷冻变性，从而减少了冷冻引起的L*值的增加。
在所有处理组中，虾肉的红度a*和黄度b*值没有明显差异(P>0.05)，表明不同的冷冻处理没有明显破坏虾肌肉的色素蛋白。
实施例3冷冻凡纳滨对虾样品的低场核磁共振检测和核磁共振成像
1、实验方法
使用NMI20-060H-I分析仪进行低场核磁共振(Low field nuclear magneticresonance，LF-NMR)弛豫检测。以IF组冷冻凡纳滨对虾样品为例：将凡纳滨对虾样品从-18℃冰箱中转移至4℃冰箱中进行解冻，将解冻后的凡纳滨对虾样品放入一个直径为35mm的塑料盘中，样品的核磁共振检测频率设定为22.6MHz。以2s的间隔扫描四次，共5000次回波。使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill脉冲序列模式和CONTIN算法测量横向松弛曲线。
进行核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)测量，通过凡纳滨对虾样品横断面的2D质子密度图像测量水分含量的差异。在重复等待时间(TR)＝500ms、回波时间(TE)＝18.2ms的条件下，通过Niumag NMR Image Processing Software V3.0处理软件，添加“Jet”色戒，将灰色转为彩色并添加滤镜至图像清晰。
对对照组和各个处理组进行同等处理进行低场核磁共振和核磁共振成像。
2、实验结果
低场核磁检测结果如图9所示。图9A为LF-NMR曲线，如图显示，在0～1ms(T2b1)、1～10ms(T2b2)、10～100ms(T21)和100～1000ms(T22)可以观察到四种不同的波峰，T2b1和T2b2分别代表强结合水和弱结合水，T21代表存在于肌纤维蛋白密集网络中的不易流动水，T22代表存在于肌纤维束之间的自由水。
峰面积百分比含量P2(图9B)和横向松弛时间T2(图9C～F)通过处理LF-NMR曲线(图9A)得到的。从图9C和图9D可以看出，所有样本中横向弛豫时间T2b1和T2b2没有明显差异(P＞0.05)。相应地，所有组间的P2b1和P2b2(图9B)也没有明显差异(P＞0.05)。
图9E所示，与对照组相比，冷冻导致样品的T21有不同程度的增加，在所有冷冻样品中，MF-60处理组样品的T21值最小，与对照组无明显差异(P>0.05)，表明MF-60处理有效抑制了冷冻虾肉中不易流动水向自由水的转化。
所有样品中，T22的变化趋势与T21的变化趋势相似。冷冻导致了T22的增加，而MF-60处理组样品的T22增加得最少。这说明适当的磁场强度可以抑制T22的增加，过大或过小的磁场强度无法达到较好效果，这也说明磁场作用有窗口效应。如图9B所示，与新鲜样品相比，冷冻样品的P22有不同程度的增加，其中MF-60处理组最小。
核磁共振成像如图10所示。图10显示了各组样品的T2加权图像后的伪彩图像，从图像中可以看出新鲜样品的颜色是最红和最亮的，表明新鲜样品具有最强的保水能力。冷冻后样品的较亮区域的显著减少，这表明在冷冻过程中失去了较强的弛豫信号。在所有冷冻样品中，IF组样品的图像最蓝且最低，表明与其他冷冻处理相比，IF处理降低了虾的保水性。随着磁场强度的增加，伪彩图像内样品的亮度先逐渐增加再减少，MF-60组样品的亮度最高，说明肌肉中存在更多的水分子，储水能力增强。
这些结果均表明，应用磁场强度为40～80mT的磁场辅助冷冻可以延缓虾肉样品中水的流动性，且磁场强度为60mT时延缓虾肉样品中水的流动性的效果最好。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁场辅助冷冻水产品的方法，其特征在于，所述方法为将水产品置于磁场强度为40～80mT的环境下进行冷冻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水产品为虾。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述虾为对虾。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法为将水产品置于磁场强度为60～80mT的环境下进行冷冻。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法为将水产品置于磁场强度为60mT的环境下进行冷冻。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.将预处理后的水产品沿浸渍式磁场冷冻装置的柱状冷冻腔体的轴向方向放入并固定；
S2.将浸渍式磁场冷冻装置的磁场强度设置为40～80mT，启动浸渍式磁场冷冻装置；
S3.待水产品冷冻后，将其转移至冷冻环境中保存；
步骤S1所述浸渍式磁场冷冻装置为提供稳定磁场和稳定温度的浸渍式磁场冷冻装置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述预处理为将水产品低温失活，去除其表面水分，在2～6℃的条件下冷藏8～16h。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述水产品冷冻的标准为水产品中心温度达到-18℃以下。
9.权利要求1～8任一所述的方法在提高冷冻水产品品质中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述冷冻水产品品质包括冷冻水产品持水性、解冻损失和/或蒸煮损失。
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