磁场辅助冷冻技术提升竹笋冻藏品质：冰晶调控与水分状态优化的双重机制解析

本研究针对传统冷冻技术导致竹笋品质下降的问题，开发了磁场辅助冷冻系统。通过评估不同磁场强度、频率和低温条件对竹笋冷冻品质的影响，发现AMF1处理可降低成核温度，缩短最大冰晶生成带持续时间20.05%，减少总冷冻时间19.24%。磁场处理显著改善质地特性，解冻失重率降低25.37%，有效减小冰晶面积65%。该技术为果蔬冷链物流提供了理论支撑。

　　

随着人们生活水平的提高，果蔬作为日常营养的重要组成部分，在维持正常生理功能方面发挥着关键作用。竹笋不仅味道鲜美，还具有抗氧化、降脂、抗肥胖、抗高血压和抗炎特性，具有极高的营养和经济价值。中国每年生产约700万吨竹笋，其中只有40%被鲜食，其余部分需要加工处理。由于竹笋生长在偏远山区，从采收到消费时间较长，容易发生褐化和木质化，造成严重浪费。因此，开发更有效的保鲜和加工技术以减少浪费，成为竹笋生产中亟待解决的问题。

冷冻作为一种长期保存食品的物理方法，能有效保持食品的外观、风味和营养价值。在冷冻状态下，化学反应、微生物活动和细胞代谢被显著抑制，使食品不易腐败。然而，冷冻已被证明会以多种方式对食品质量产生负面影响，包括机械损伤、冷冻浓缩、冻烧和再结晶等问题，限制了冷冻在食品保鲜中的广泛应用。

为了缓解冷冻引起的质量劣化，新兴物理场技术如超声波、微波和电磁场正在被探索用于辅助冷冻过程。其中，磁场因其在保持质量和减少食品冷冻损伤方面的潜力而受到广泛关注。发表在《LWT》上的这项研究，通过系统研究磁场辅助冷冻对竹笋品质的影响机制，为果蔬冷冻保鲜技术提供了新的解决方案。

研究人员主要采用了冷冻曲线分析、解冻失重测定、色差分析、pH值检测、折射率和糖含量测量、显微镜观察以及低场核磁共振(LF-NMR)等技术方法。实验使用来自长沙水果批发配送中心的新鲜毛竹笋，通过亥姆霍兹线圈产生交替磁场(AMF)，设置了9个磁场测试组(AMF1-AMF9)，涵盖不同强度(2mT、4mT、6mT)和频率(50Hz、70Hz、90Hz)组合，并设立了考虑线圈热效应的三个对照组。

通过分析冷冻曲线发现，磁场处理降低了成核温度，在较低频率下观察到更大的降低幅度。与对照组相比，处理组将最大冰晶形成区(MICFZ)持续时间减少了3.38%–28.33%。磁场处理还显著缩短了相变时间(减少8.62%–24.06%)和总冷冻时间(减少2.48%–24.78%)，其中AMF1组效果最显著。

在解冻损失方面，竹笋的重量损失与磁场强度和频率显著相关。在2mT时，重量损失随磁场频率增加而增加，AMF1组减少最多(25.37%)。在4mT时，重量损失先保持稳定后增加，AMF4组减少20.05%。在6mT时，重量损失先下降后上升，AMF8组效果最佳(减少16.51%)。

颜色变化分析显示，所有AMF处理样品的ΔE值均低于对照组。在2mT磁场强度下，ΔE减少随频率增加而增加；在4mT时，ΔE减少随频率增加呈波动趋势；在6mT时，ΔE减少随频率增加逐渐增强。最显著的减少(21.27%)出现在4mT/90Hz(AMF6组)。

pH值测量表明，AMF处理样品的pH值高于对照组(CK)。除AMF7和AMF9组外，其他处理与对照组均有显著差异。在2mT时，pH值随频率增加先升后降；在4mT时，pH值随频率增加稳定下降；在6mT时，pH值随频率增加逐渐下降。

折射率和糖含量分析显示，AMF强度和频率显著降低了折射率。在2mT时，折射率随频率增加先升后降；在4mT时，先降后升；在6mT时，随频率增加稳步下降。糖含量变化趋势与折射率模式相似。

显微镜观察显示，对照组的冰晶主要分布在I-III区域(>100μm2)，而实验组大多集中在II-IV区域(10-10000μm2)。在2mT时，CK1对照组在I区占48.88%，而50Hz、70Hz和90Hz AMF处理分别为14.59%、9.61%和15.2%。所有处理组与CK1均有显著差异。AMF应用显著减少了冷冻过程中的冰晶尺寸，效果取决于磁场参数。

低场核磁共振分析揭示了四个不同的横向弛豫时间(T2)组分：0–1ms(T2a)、1–10ms(T2b)、10–100ms(T21)和100–1000ms(T22)。磁场辅助冷冻显著改变了T22和P22值，降低了高流动性自由水的迁移性。磁场处理限制了水流动性，增强了细胞结合力，减轻了解冻泄漏。AMF1和AMF5处理最有效，抑制了大冰晶形成和纤维损伤。

相关性分析表明，解冻重量损失与折射率和糖含量呈显著正相关，与颜色变化呈显著负相关。最大冰晶面积与重量损失、糖含量、相变时间和冰晶面积比呈显著正相关。T22与重量损失、MICFZ和最大冰晶面积呈显著正相关。P22(自由水比例)与折射率和相变时间呈显著正相关。而P2a+P2b(结合水/紧密结合水比例)与重量损失、糖含量和最大冰晶面积呈负相关，与pH值呈正相关。

研究表明，磁场辅助冷冻通过降低成核温度、缩短冷冻时间、减小冰晶尺寸和面积比、增加结合水比例和减少自由水含量来降低竹笋解冻重量损失。这种双重机制——冰晶细化和水分状态调控——显著改善了冷冻竹笋的品质。磁场促进了细小、均匀分布的冰晶形成，从而减少了对细胞的机械损伤和解冻重量损失。同时，磁场加强了水分子与大分子(蛋白质/多糖)之间的氢键结合，使结合水含量(P2a+P2b)增加15-25%，减轻了自由水(P22)迁移，进一步减少了解冻重量损失。这个过程还通过减轻冰晶诱导的细胞破裂来稳定糖分保留。总的来说，这些效应抑制了溶质驱动的渗透应激，保持了解冻竹笋的细胞完整性、质地和营养质量。

该研究为磁场辅助冷冻技术在果蔬保鲜领域的应用提供了坚实的理论基础，特别是通过系统研究磁场强度与频率的组合效应，为优化冷冻工艺参数提供了科学依据。研究发现70Hz频率和2mT磁场强度在减少冰晶尺寸和提高结合水比例方面效果最佳，这一发现对指导工业生产中磁场辅助冷冻设备的参数设置具有重要意义。此外，研究采用的多种分析技术（冷冻曲线分析、显微观察、LF-NMR等）为全面评估冷冻产品质量提供了方法论参考，推动了食品冷冻领域分析技术的发展。

研究人员通过严谨的实验设计和多层次的质量评价，证实了磁场辅助冷冻在保持竹笋品质方面的优势，为解决易腐果蔬在远程运输和长期储存中的品质劣化问题提供了创新解决方案。这项技术不仅能够减少食品浪费，提高资源利用效率，还能更好地保持果蔬的营养价值和感官品质，满足消费者对高质量冷冻食品的需求，具有重要的应用前景和市场价值。