在零下温度储存期间，通过近场处理技术维持过冷状态并提升牛肉品质

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Near-field treatment to maintain supercooling and improve beef quality during subzero storage

　　

摘要

过冷处理是一种在零下温度下储存时保持肉类质量的 promising 方法，但其实际应用受到过冷状态固有不稳定性的限制。本研究开发了一种基于近场 (NF) 技术的低温储存方法，以在非冻结的零下储存条件下将牛肉维持在稳定的过冷状态。在 13.56 MHz 的频率下进行 NF 处理，实验期间功率手动调节在 40–60 W 之间（7 天实验）和 90–130 W 之间（14 天实验），以将牛肉核心温度维持在大约 -4 至 -2°C 的范围内（冷冻柜温度为 -8°C）。在 NF 处理下，牛肉核心温度在长达 14 天的时间内保持在大约 -4 至 -2°C 之间，且在监测的核心位置没有检测到冻结现象。处理后的牛肉总好氧细菌计数、pH 值和总挥发性basic氮含量与在 -18°C 下传统冷冻的牛肉相当。NF 处理相比冷藏方法减少了滴水损失，减缓了微观结构的破坏，并使 Warner–Bratzler 剪切力值高于传统冷冻和冷藏方法。此外，NF 处理后的牛肉红色度更高，但 pH 值和总挥发性basic氮含量低于冷藏牛肉，这支持了其在非冻结零下储存条件下保持质量的能力。尽管在 NF 处理过程中存在温度波动和物理冲击，牛肉的过冷状态仍然保持稳定。这些发现突显了 NF 处理在牛肉过冷处理方面的潜力，尽管无法确凿地证明射频 (RF) 暴露的独立贡献以及样品中完全没有冰的形成。

引言

牛肉是全球消费最广泛的肉类之一，但由于死后代谢、微生物活动和蛋白质氧化，其在储存过程中极易变质（Choi 等人，2020；Kwak 等人，2025）。虽然冷藏有助于保持肉类质量，但它不能有效抑制腐败微生物的生长（例如 Pseudomonas 属、Brochothrix 属）（Wickramasinghe 等人，2019；Zhu 等人，2022）。冷冻可以进一步抑制储存过程中的微生物生长，尽管腐败微生物在冷冻条件下可能仍然存活（Park、Kim 等人，2016）。此外，冷冻过程中食物内部会形成冰晶，从而影响肉类的持水能力和质地（Leygonie 等人，2012）。过冷储存方法通过将食品温度降低到其通常的冰点以下（通常不形成冰晶）来防止细胞损伤，并抑制化学和生物反应。因此，过冷处理可以减缓质地、颜色和风味的变化，同时延缓微生物生长，从而延长保质期（Liu、Wang 等人，2023；Stonehouse & Evans，2015）。然而，过冷状态在热力学上是不稳定的，其特征是水分子处于亚稳态排列。此外，外部因素（如振动）可能导致能量密度局部增加，促进结晶过程，可能破坏过冷状态（Wang 等人，2024）。稳定过冷状态的技术包括使用分级冷却的精确温度控制（Park 等人，2022）、静态或振荡磁场处理以及脉冲电场处理（Lee、Jo 等人，2024；Lin 等人，2022）。

射频 (RF) 包括频率从 3 kHz 到 300 GHz 的电磁波（Han 等人，2022）。射频能量源附近的电磁场分为近场 (NF) 和远场 (FF) 区域（Liu、Zhang 等人，2023）。在远场区域，电磁场以平面波的形式传播；而在近场区域，电磁场表现出非平面波传播和距离依赖的特性（Liu、Zhang 等人，2023）。振荡磁场 (OMF) 处理使用线圈产生低频磁场，据提出可以影响水的抗磁性质、分子间相互作用和分子组织（Lee、Jo 等人，2024）。相比之下，本研究使用的 NF 系统采用平行电极在近场区域产生 13.56 MHz 的射频电场。因此，这两种方法在主要场成分、场生成方法和操作频率上有所不同。射频电磁场包括由电压差产生的交变电场和由电流流动产生的交变磁场（Han 等人，2022；Kang 等人，2020）。具体来说，交变电场可以对水分子施加扭矩，导致其位移或旋转（Kang 等人，2020）。这种电场相互作用被认为可以干扰氢键网络和水分子的分子组织，从而可能以非热效应方式影响冰晶的形成和生长（Anese 等人，2012；Kang 等人，2020）。除了这些提出的非热相互作用外，极性分子在交变电场下的反复重新定向还会通过分子间摩擦产生介电加热，这是一种热效应，可能影响产品温度（Altemimi 等人，2019；Piyasena 等人，2003）。本研究中的射频系统的间隙平均电场强度估计约为 410–740 V/cm（第 2.2 节）；然而，这个电场量不能直接与用于描述 OMF 系统的磁场暴露强度进行比较。

基于这些机制，本研究评估了一种基于射频 (RF) 的 NF 储存系统的整体性能，该系统中射频电场暴露和介电加热相关的温度调节同时发生。该系统在长期非冻结的零下储存过程中使用平行电极在反应性近场区域生成电容耦合的 13.56 MHz 射频电场。本研究不仅评估了这种基于 RF 的 NF 配置在长期零下储存条件下对多种牛肉质量属性的影响，还评估了其在外部干扰（包括冷冻柜温度波动和物理冲击）下的温度稳定性。本研究的目的是开发一种基于 NF 的低温储存技术，以维持牛肉的过冷状态。该技术的有效性通过以下方式评估：1）检查 NF 处理维持过冷状态的能力；2）比较在 -8°C 下经过 NF 处理的牛肉与在冷冻或冷藏条件下储存的牛肉的质量；3）评估 NF 处理防止温度波动和物理冲击引起的过冷状态破坏的能力。

节片段

牛肉样品制备

牛肉（圆切块）从韩国首尔的 Mokuchon 购买，在实验前在 4°C 下储存最多 24 小时。使用 70%（体积比）乙醇消毒的剪刀和夹子将牛肉样品均匀切割成重量为 150 ± 2 克、厚度为 2.0 ± 0.5 厘米的块，并在生物危害防护罩（HK-BSC150，韩国-Hwaseong 的 Hankuk S&I 公司）中储存。牛肉片用厚度为 0.2 毫米的线性低密度聚乙烯 (LLDPE) 薄膜双层包裹后用于处理和储存。

不同储存方法的牛肉温度曲线

对于在 -8°C 下冷冻 14 天的牛肉，温度最初降至 -4.4°C，但由于潜热释放，随后迅速升至 -0.6°C（图 2），表明牛肉内部开始冻结（Cheftel 等人，2000）。相反，在 -18°C 下的传统冷冻过程中，温度最初下降并在大约 -1.0°C 保持 3 小时后降至 -18°C。这种温度下降的延迟是由于冰晶形成过程中的热量释放。

讨论

NF 处理在零下条件下维持牛肉过冷状态的能力可能与之前提出的基于电场的储存技术的机制有关，例如与组织内水分子的相互作用。先前的射频研究显示，电磁场可以对手水分子施加扭矩，使其从冰晶簇中的平衡位置位移，并对结晶过程施加动力学限制（Anese 等人）

结论

开发了一种使用 NF 处理的零下储存方法，以在 -8°C 的冷冻柜中维持牛肉的过冷状态。在测试的储存条件下，NF 处理使牛肉核心温度在长达 14 天的时间内保持在大约 -4 至 -2°C 之间，且在监测的核心位置没有检测到冻结现象。经过 NF 处理的牛肉在储存 7 天后的 a* 值、总好氧细菌计数、pH 值和 TVBN 含量均高于冷藏牛肉。

CRediT 作者贡献声明

HyeMin Jeong: 编写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理。Jae Yong Cho: 监督、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。Sea C. Min: 编写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了 SAMSUNG Research, Samsung Electronics Co., Ltd. 的支持。

HyeMin Jeong | Jae Yong Cho | Sea C. Min韩国首尔女子大学食品科学与生物技术系，首尔 01797