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保圣質(zhì)構(gòu)儀助力探究電磁場(chǎng)對(duì)凝膠冷凍特性影響

   研究背景

冷凍是食品長(zhǎng)期儲(chǔ)存的重要方式，但會(huì)對(duì)食品品質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械損傷、凍融濃縮等不良影響。電場(chǎng)和磁場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)因能減少冷凍損傷受關(guān)注，不過其效果和機(jī)制尚不明晰。本研究采用單一明膠凝膠食品模型，利用保圣質(zhì)構(gòu)儀等設(shè)備，探究電場(chǎng)、磁場(chǎng)及二者聯(lián)用對(duì)凝膠冷凍特性的影響。

   實(shí)驗(yàn)方法

1. 樣品制備：將8%（w/w）的明膠粉與去離子水混合，經(jīng)攪拌、加熱、冷卻后倒入特定模具，在4℃冰箱老化成凝膠。

2. 冷凍處理：使用特制的磁電耦合裝置，對(duì)凝膠樣品分別進(jìn)行10mT靜磁場(chǎng)輔助冷凍（MF）、5kV/cm靜電場(chǎng)輔助冷凍（EF）、10mT靜磁場(chǎng)與5kV/cm靜電場(chǎng)聯(lián)用輔助冷凍（EMF），并設(shè)無電磁場(chǎng)輔助冷凍為對(duì)照（C）。冷凍中用熱電偶記錄溫度變化，每組樣品重復(fù)8次。

3. 保圣質(zhì)構(gòu)儀的應(yīng)用：實(shí)驗(yàn)中使用保圣質(zhì)構(gòu)儀（Bosin Tech, TA-XTC-18）對(duì)凝膠進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)凝膠強(qiáng)度時(shí)，它配備TA/0.5圓柱形探頭（直徑12.7mm），以2mm/s、0.5mm/s、2mm/s的穿刺速度，4mm的穿刺深度進(jìn)行測(cè)試，通過力-距離曲線計(jì)算凝膠強(qiáng)度，該儀器測(cè)試精準(zhǔn)、重復(fù)性好，能穩(wěn)定輸出可靠數(shù)據(jù)。在進(jìn)行質(zhì)地剖面分析（TPA）時(shí)，保圣質(zhì)構(gòu)儀使用TA/36R圓柱形探頭（直徑35mm），以3mm/s、0.5mm/s、0.5mm/s的壓縮速度，10%的壓縮比和0.03N的觸發(fā)力，對(duì)樣品進(jìn)行兩次往復(fù)壓縮，從而獲取硬度、彈性、內(nèi)聚性等質(zhì)地指標(biāo)。

4. 其他檢測(cè)方法：用差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)定凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶溫度和熔化焓；通過低場(chǎng)核磁共振（LF-NMR）和磁共振成像（MRI）分析水分分布；采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和熒光發(fā)射光譜分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；借助光學(xué)顯微鏡觀察冰晶形態(tài)；運(yùn)用倒置熒光顯微鏡和掃描電子顯微鏡檢測(cè)微觀結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 冷凍參數(shù)：EF、MF和EMF處理均顯著降低了凝膠樣品的成核溫度，EMF處理使總冷凍時(shí)間縮短10.5%，平均冷凍速率提高11.7%，EF和EMF處理顯著縮短了相變時(shí)間，其中EMF處理相變時(shí)間縮短17.2%。

2. 水分狀態(tài)：LF-NMR和MRI結(jié)果表明，EF和EMF處理減少了樣品解凍后自由水的形成，改善了水分分布，而MF處理效果不明顯。

3. 保圣質(zhì)構(gòu)儀檢測(cè)結(jié)果：保圣質(zhì)構(gòu)儀檢測(cè)顯示，冷凍解凍后凝膠強(qiáng)度和硬度顯著降低，但EMF處理的樣品凝膠強(qiáng)度顯著高于對(duì)照組，且其硬度與未冷凍樣品差異不顯著，MF和EF處理組與對(duì)照組在質(zhì)地指標(biāo)上無顯著差異，表明EMF能有效減輕冷凍對(duì)凝膠質(zhì)地的損傷，體現(xiàn)了保圣質(zhì)構(gòu)儀在精準(zhǔn)檢測(cè)質(zhì)地差異方面的優(yōu)勢(shì)。

4. 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)：FTIR和熒光光譜分析表明，EMF和EF處理能更好地維持蛋白質(zhì)的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。

5. 冰晶與微觀結(jié)構(gòu)：EMF處理的樣品冰晶面積比對(duì)照組減少49.28%，且冰晶分布更均勻。倒置熒光顯微鏡和掃描電子顯微鏡顯示，EF和EMF處理的樣品凝膠結(jié)構(gòu)保存較好，而對(duì)照組和MF處理組結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重。

綜上所述，電場(chǎng)和磁場(chǎng)單獨(dú)或聯(lián)用輔助冷凍對(duì)凝膠冷凍特性有顯著影響，其中EMF處理效果最佳。保圣質(zhì)構(gòu)儀憑借其高精度、高穩(wěn)定性和良好的重復(fù)性，在檢測(cè)凝膠質(zhì)地變化、評(píng)估冷凍效果中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為研究電磁場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)提供了重要的數(shù)據(jù)支持。