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保圣質構儀助力探究電磁場對凝膠冷凍特性影響

   研究背景

冷凍是食品長期儲存的重要方式，但會對食品品質產生機械損傷、凍融濃縮等不良影響。電場和磁場輔助冷凍技術因能減少冷凍損傷受關注，不過其效果和機制尚不明晰。本研究采用單一明膠凝膠食品模型，利用保圣質構儀等設備，探究電場、磁場及二者聯用對凝膠冷凍特性的影響。

   實驗方法

1. 樣品制備：將8%（w/w）的明膠粉與去離子水混合，經攪拌、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，對凝膠樣品分別進行10mT靜磁場輔助冷凍（MF）、5kV/cm靜電場輔助冷凍（EF）、10mT靜磁場與5kV/cm靜電場聯用輔助冷凍（EMF），并設無電磁場輔助冷凍為對照（C）。冷凍中用熱電偶記錄溫度變化，每組樣品重復8次。

3. 保圣質構儀的應用：實驗中使用保圣質構儀（Bosin Tech, TA-XTC-18）對凝膠進行檢測。在檢測凝膠強度時，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的穿刺深度進行測試，通過力-距離曲線計算凝膠強度，該儀器測試精準、重復性好，能穩定輸出可靠數據。在進行質地剖面分析（TPA）時，保圣質構儀使用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的觸發力，對樣品進行兩次往復壓縮，從而獲取硬度、彈性、內聚性等質地指標。

4. 其他檢測方法：用差示掃描量熱儀（DSC）測定凝膠的玻璃化轉變溫度、結晶溫度和熔化焓；通過低場核磁共振（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）和熒光發射光譜分析蛋白質結構；借助光學顯微鏡觀察冰晶形態；運用倒置熒光顯微鏡和掃描電子顯微鏡檢測微觀結構。

實驗結果

1. 冷凍參數：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間，其中EMF處理相變時間縮短17.2%。

2. 水分狀態：LF-NMR和MRI結果表明，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. 保圣質構儀檢測結果：保圣質構儀檢測顯示，冷凍解凍后凝膠強度和硬度顯著降低，但EMF處理的樣品凝膠強度顯著高于對照組，且其硬度與未冷凍樣品差異不顯著，MF和EF處理組與對照組在質地指標上無顯著差異，表明EMF能有效減輕冷凍對凝膠質地的損傷，體現了保圣質構儀在精準檢測質地差異方面的優勢。

4. 蛋白質結構：FTIR和熒光光譜分析表明，EMF和EF處理能更好地維持蛋白質的二級和三級結構。

5. 冰晶與微觀結構：EMF處理的樣品冰晶面積比對照組減少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處理的樣品凝膠結構保存較好，而對照組和MF處理組結構損傷嚴重。

綜上所述，電場和磁場單獨或聯用輔助冷凍對凝膠冷凍特性有顯著影響，其中EMF處理效果最佳。保圣質構儀憑借其高精度、高穩定性和良好的重復性，在檢測凝膠質地變化、評估冷凍效果中發揮了關鍵作用，為研究電磁場輔助冷凍技術提供了重要的數據支持。