基于三维阵列电极的静电场辅助冻结：鱼肉蛋白模型食品的冻结行为与品质特性

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Electrostatic field-assisted freezing with a three-dimensional array electrode: Freezing behavior and quality attributes of a fish protein model food

　　

摘要

电场辅助冻结（EF-assisted freezing）被认为是一种有前景的方法，可用于调控冻结过程并减轻冷冻食品的质量劣化。本研究采用鱼蛋白模型食品（CMF），对比了三维阵列电极（AE）与传统平行板电极（PE）的性能。在3 kV的共同施加电压下，数值模拟结果显示，与PE相比，AE下CMF表面间的电位差异更小。初步电压筛选表明两种电极的有效电压范围不同，AE在3 kV时冻结时间最短，PE在7 kV时冻结时间最短。在各自的有效电压范围内，AE在2–4 kV下表现出比对照组更高的平均冻结速率，并减小了与冰晶相关的空隙尺寸，其效果与PE在5–9 kV下获得的效应相当或更为显著。与对照组相比，AE-3 kV使总冻结时间缩短了25.02 ± 0.96%，并伴随较低的滴液和蒸煮损失，以及较小的质构特性变化。这些结果表明，与平行板电极相比，三维阵列电极能够在更低的施加电压范围内产生有利的冻结和质量响应。

引言

冻结被广泛用于鱼类制品的保藏（Chu et al., 2021）。然而，在传统冻结过程中，长时间停留在相变温度范围内有利于大而形状不规则的冰晶生长（Mao et al., 2025）。由此产生的机械损伤可能破坏蛋白网络，促进水分迁移，并增加解冻后的滴液损失，最终降低持水力并损害质构特性（Chan et al., 2022）。冰晶形成还伴随着结合水、不动水和自由水群体之间的水分重新分布（Chu et al., 2021）。鉴于鱼肌肉的高含水量，冻结和解冻后持水力的损失直接影响产品质量（Li et al., 2020）。快速冻结可通过缩短在相变温度范围内停留的时间来减轻冻结引起的损伤，但某些快速冻结方法需要强烈的制冷条件或导致相对较高的运营成本（Chu et al., 2021）。因此，电场辅助冻结作为一种方法引起了越来越多的关注，该方法使用直流（DC）高压电源在冻结过程中于处理空间中建立静电场（Jha et al., 2017）。据报道，电场辅助冻结可减少猪肌肉中与冰晶相关的空隙尺寸（Xanthakis et al., 2013）。在羊肉中，类似的微观结构变化伴随着解冻后较低的滴液损失（Dalvi-Isfahan et al., 2016）。即使外部尺寸标准化，由于纤维取向、化学成分和水分分布在动物和采样位置间存在差异，肌肉标本的完全标准化仍然困难。琼脂凝胶提供了一种均质且几何可重复的模型系统；然而，电场辅助冻结观察到的冰晶尺寸减小并未伴随冻结速率、收缩或质构的显著变化（Dalvi-Isfahan et al., 2017）。此外，作为基于多糖的模型，琼脂凝胶无法再现肌肉组织特有的蛋白–水相互作用。因此，具有标准化几何形状和含水量的均质鱼蛋白模型食品（CMF）能够在一致的样品条件下评估电场辅助冻结的影响，同时保留与鱼肌肉相关的蛋白–水特性。

电场辅助冻结的性能受施加电压、电极配置、电极间距和样品位置等因素的影响（Jha et al., 2017）。大多数现有研究采用平行板电极（PE），其中样品位于带电板和接地板之间。在实际应用中，PE配置中的电极间隙可能需要保持相对狭窄以维持足够的电场强度，从而限制了可用的处理空间和样品容量（Wang et al., 2024）。尽管增加电极间距可以扩大处理空间，但在更宽的间隙中维持可比的电场强度通常需要更高的施加电压，这可能会增加局部放电的风险。因此，高介电常数电介质隔板已被整合到PE配置中，以在降低局部放电风险的同时增加样品内的电场强度（Wang et al., 2019）。尽管如此，这些改进仍保留了相对板的几何形状。虽然PE能够在理想均质空间中产生相对均匀的电场分布，但这种均匀性并不必然延伸到实际负载条件下食品样品周围的区域。因此，电极配置是影响食品负载条件下电位和电场强度空间分布以及可用处理容量的关键因素。

为了解决这些结构限制，我们设计了三维阵列电极（AE）并评估了其在电场辅助冻结中的性能。与主要在两相对板之间建立静电场的PE不同，AE由围绕三维处理空间排列的互联导电柱组成。该配置旨在将电位的空间分布扩展到多个样品表面，减少对狭窄电极间隙的依赖，并通过连接多个电极单元实现处理空间的模块化扩展。尽管多电极配置最近在低频电场辅助过冷处理中得到研究（Hao et al., 2026），但据我们所知，由互联导电柱组成的可扩展三维阵列电极此前尚未被报道用于电场辅助食品冻结。有限元模拟为表征和比较食品负载条件下取决于配置的电位和电场强度空间分布提供了合适的方法（Wang et al., 2019）。然而，AE和PE在电位和电场强度的空间分布上的差异，以及它们与冻结行为和质量属性的关系仍不清楚。

因此，首先通过有限元模拟在共同施加电压下比较了PE和AE下CMF表面上的电位和电场强度。随后在初步试验中为每种电极选择的电压范围内进行冻结实验。通过评估冻结行为、解冻后微观结构特征、水分活性和分布、热物理性质、持水性能和质构特性，比较了PE和AE下CMF的冻结和质量响应。

章节摘要

CMF的制备

从青岛国信集团获取24条新鲜大黄鱼（Larimichthys crocea；单体体重1.00 ± 0.05 kg），并在死后3小时内送达实验室。首先去除头部和内脏，然后去皮和去骨。回收的肌肉被分成小块，使用QSJ-L03H1肉粉碎机（广东小熊电器股份有限公司，中国）切碎。根据Sun等人（2025）的方法，碎肉经历两次连续清洗在

电位和电场强度的数值模拟

在3 kV的共同施加电压下，模拟揭示了处理空间中取决于配置的电位模式；相应的电场强度差异也显而易见（图2）。虽然PE下周围空气区域中的场型相对规则，但CMF表面显示出显著差异。上表面的平均电位约为1.2 × 10³ V，而下表面仅为1.1 × 10² V

结论

本研究比较了用于CMF电场（EF）辅助冻结的三维阵列电极（AE）与平行板电极（PE）。在3 kV的共同施加电压下，有限元模拟显示，与PE相比，AE下CMF表面间的电位差异更小。对施加电压的响应是非单调的，AE-3 kV和PE-7 kV获得了最短的总冻结时间。在研究的范围内，AE在2–4 kV下表现出更高的平均

CRediT作者贡献声明

王宁： 撰写 – 初稿，软件，资源，调查，概念化。沈海如： 可视化，验证。付蔓： 方法论，形式分析，数据整理。蒋晓明： 方法论。董世元： 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报道的工作。

致谢

作者感谢本研究得到的以下财政支持：海南省科技专项基金（ZDYF2025GXJS193）和国家重点研发计划（2018YFD0901005）。

王宁|沈海如|付蔓|蒋晓明|董世元

海洋食品加工与安全控制国家重点实验室，中国海洋大学食品科学与工程学院，中国青岛266100