从介电特性和冰晶的角度探讨低频电场超冷机制，以改善Litopenaeus vannamei鱼的水相关特性

《Journal of Food Engineering》：Insights from dielectric properties and ice crystal into the mechanism of low-frequency electric field superchilling for improving Litopenaeus vannamei water-related properties

超冷却过程中低频电场辅助技术（LF-EFSC）通过增加介电损耗、延长超冷却时间和降低超冷却温度（-3.8 vs -2.7°C），显著减少冰晶面积（降28.97%）、等效直径（降14.04%）及肌原纤维断裂指数，提升结合水含量及总水分（分别增14.2%和6.5%），使滴失和烹饪损失降低35%，为水产品超冷储存提供新方法。

　　

陈海强|梁传豪|余明|夏宇|梁凤雪

中国阳江职业技术学院食品与海洋生态学院，阳江529566

摘要

为了阐明低频电场辅助超冷（LF-EFSC）与传统超冷（SC）相比如何改善Litopenaeus vannamei的保水性能，本研究考察了其介电特性、冰晶大小和肌纤维的超微结构。在超冷过程中，LF-EFSC增加了虾肉的介电损耗，延长了过冷持续时间，并降低了过冷温度。因此，与SC相比，LF-EFSC显著减少了冰晶面积、冰晶面积比例、横截面积和等效直径，分别降低了28.97%、29.14%、25.00%和14.04%。此外，LF-EFSC处理还显著降低了I带宽度并减少了肌纤维的断裂程度，减弱了A带的压缩，保持了肌节的稳定性，从而保持了肌纤维的结构完整性。结果，LF-EFSC样品中的结合水、固定水和总水分含量显著增加。最终，LF-EFSC显著减少了滴水损失和烹饪损失，证实了其在保持虾类较高保水能力方面的有效性。本研究为电场技术在超冷储存过程中提高水产品品质的应用提供了新的见解。

引言

超冷作为一种介于冷藏和冷冻储存之间的保鲜方法，可以有效延长食品的保质期（Ma等人，2024年）。然而，这项技术尚未在食品保鲜领域得到广泛应用，主要是因为温度波动会促进大而不规则冰晶的形成。近年来，物理场辅助技术因其在控制冰晶方面的作用而受到广泛关注。我们团队之前的研究发现，与传统冷冻相比，低频电场辅助冷冻显著减小了鱼蛋白中的冰晶大小，等效直径减少了20%，横截面积减少了多达35%（Sun等人，2024年）。其他物理辅助技术在控制冰晶方面也显示出积极的结果（Wang等人，2025年；Yang等人，2025年），但将这些技术从实验室设备扩展到适合工业应用的大规模设施仍然具有挑战性。本研究中使用的低频电场辅助技术和设备具有操作空间大和运行成本低的优点。然而，该技术对肌肉微冻结过程中冰晶形成的调控机制仍不清楚。

目前关于电场如何控制食品或生物产品中冰晶形成和再结晶的机制主要涉及三个方面：电场对水分子振动或旋转的干扰、对晶体生长动力学的影响以及热阻力的降低（Jha等人，2018年；Dalvi-Isfahan等人，2017年；Mok等人，2015年）。然而，这些假设主要集中在冰晶形成的特定阶段，并且通常以纯水作为研究对象（Jha等人，2018年；Boyd等人，2021年）。从热力学原理的角度来看，食品中冰晶的形成本质上是食品与冷却介质之间的能量转换过程（Sun等人，2025年）。食品材料的介电特性决定了电磁能转化为热能的效率（An等人，2024年），从而影响冷却过程中的热传递和质量传递以及过冷程度（Lin等人，2024年）。基于此，我们假设介电特性和过冷程度是LF-EFSC调控冰晶并进而影响食品中水分相关特性的关键因素。

本研究以Litopenaeus vannamei (L. vannamei)作为研究对象，这是全球三种养殖最广泛的虾类之一（He等人，2025a）。通过研究介电特性、冰晶、水的流动性和分布以及微观结构等方面，探讨了LF-EFSC如何调控冰晶形成并影响L. vannamei的水分相关特性，从而为电场技术在超冷储存过程中提高水产品品质的应用提供了新的见解。

化学试剂

化学试剂

SDS-PAGE样品加载缓冲液、电泳缓冲液、染色液和脱色液均购自Beyotime Biotechnology（中国上海）。乙二胺四乙酸（EDTA）、磷酸二氢钾（KH₂PO₄）、酒石酸钾钠四水合物、氢氧化钠（NaOH）、十二烷基硫酸钠（SDS）、氯化镁（MgCl₂）和磷酸二氢钾（K₂HPO₄）（均为分析级）均从天津大茂化学试剂厂购买

水分含量

对经过超冷处理的L. vannamei虾肉解冻样品中的水分含量进行测定，这是评估水产品保水能力的关键参数（Chen等人，2025年）。如图1a所示，在超冷储存过程中，LF-EFSC组的样品水分含量低于SC组。然而，从第10天开始，LF-EFSC处理样品的水分含量显著高于SC处理样品

结论

在超冷过程中，LF-EFSC显著增加了虾肉系统的介电损耗（P < 0.05），并延长了过冷持续时间，使SC组的过冷温度从-2.7°C降至-3.8°C。这些效应随后导致LF-EFSC样品的冰晶面积、冰晶面积比例、横截面积和等效直径显著减少（P < 0.05）

CRediT作者贡献声明

梁传豪：验证、方法论、研究设计、资金获取、数据管理。陈海强：撰写初稿、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念化。夏宇：数据分析。余明：监督、资源调配、项目管理、资金获取、概念化。梁凤雪：方法论、数据管理

未引用参考文献

Chen等人，2025年；Grant和Spyrou，1985年；Ma等人，2025年；Zhang等人，2025年。

利益冲突声明

无。

致谢

本研究得到了广东省自然科学基金（2023A1515010763）、广东省普通高校重点领域专项（2022ZDZX4118）、广东省普通高校青年创新人才项目（2022KQNCX261）以及中国食品工业职业教育国家委员会2024年教育教学改革与研究项目（SHK2025104）的支持。