基于质构变化的罗非鱼片冻藏保质期预测

何 其，王 晶，曹雪涛，林向东

（海南大学食品学院，海南 海口 570228）

基于质构变化的罗非鱼片冻藏保质期预测

何 其，王 晶，曹雪涛，林向东*

（海南大学食品学院，海南 海口 570228）

探究预测罗非鱼保质期的新方法，测定真空包装罗非鱼片的质构参数、pH值、电导率、水分活度和挥发性盐基氮含量在-5、-20 ℃和-40 ℃贮藏条件下随时间延长的变化趋势；求取各质构参数变化和品质参数变化的Pearson相关性，并以其为依据，选取内聚性和弹性作为指示真空包装冻罗非鱼片品质变化及保质期终点的指标；得出当内聚性0.20、弹性0.65时为鱼片保质期的终点；分别建立内聚性和弹性变化与贮藏时间的一级动力学方程，求取其变化速率常数与贮藏温度间的Arrhenius方程。实验求得基于内聚性一级动力学方程的反应活化能Ea=53.532 kJ/mol，指前因子k0=215.64；基于弹性活化能Ea=89.866 kJ/mol，指前因子k0=1 620.68，根据上述研究参数分别预测冻罗非鱼片保质期，其结果与实测值的误差均在可接受范围内。结果证实：冻罗非鱼片内聚性和弹性均可以作为预测冻罗非鱼片保质期的参数依据。

冻罗非鱼片；保质期；质构；动力学模型；Arrhenius方程

Arrhenius方程[1]是化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式。在不同温度的储存条件下，食品的腐败过程可以看做是一个随温度变化的一级动力学变化反应，因此可以用Arrhenius 法预测食品货架寿命，相关研究已经在对虾[2]、鱼类[3-4]和马铃薯[5]等食品中大量报道。

食品质构可以用于表征食品物料品质[6]。实验显示，在低温储存条件下，某些质构参数如弹性、内聚性随时间递减的变化趋势符合一级动力学方程[7-8]，因此，可以建立基于质构的Arrhenius方程，并以此为基础预测食品保质期，而相关研究尚未见报道。

罗非鱼原产于非洲，是一种优良的经济鱼类，因其价廉味美，品质优良，深受人们喜爱[9]。罗非鱼鱼肉中蛋白质、脂肪、水分含量丰富，为微生物生长创造了良好的条件，因此罗非鱼在储存过程中非常容易变质，并导致相关理化参数的变化[10-11]，这些参数的变化趋势大多符合一级动力学方程[12-13]。本研究旨在测定真空包装的冻罗非鱼片在不同贮藏温度条件下的质构参数与品质参数变化的关系，建立冻罗非鱼片相关参数变化的动力学模型，从而对其保质期进行预测。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜活罗非鱼购买自海口市三西路农贸市场，鲜活，尾均质量407.21 g，平均体长25.05 cm。

盐酸 广州化学试剂厂；乙醇 汕头市西陇化工厂；硼酸 国药集团化学试剂有限公司；甲基红 天津市化学试剂一厂；氢氧化钠、氧化镁、次甲基蓝 天津市福晨化学试剂厂；试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

BL-220H型电子天平 日本Shimadzu Corporation公司；YS-ZS-MINI型真空封口机 杭州永创机械有限公司；真空复合包装袋 深圳市鹏龙胶袋有限公司；BCD-235NCQE型LG牌电冰箱 泰州乐金电子冷机有限公司；JJ-2型高速组织捣碎机 上海标本模型厂；1765型半微量定氮装置 上海越磁电子科技有限公司；CT3质构仪（配有ONE View Demo质构数据分析软件） 美国Brookfield公司；DDS-801型实验室电导率仪 汕头市潮南区司马浦华诚仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 材料预处理

将鲜活罗非鱼用清水暂养30 min，宰杀，去鳞，去皮，去内脏，沿脊椎剖取鱼肉，如图1所示，鱼片平均质量87.40 g，平均长度14.74 cm。清水漂洗，擦干表面水分，装入真空袋内，封口，分别在微冻（-5 ℃）、冷冻（-20 ℃）和低温冷冻（-40 ℃）条件下保藏[14]。每隔4 d取鱼片，解冻后进行各项参数的测量，各取60 d的实验数据[15]。各项指标测量时，均取至少3 个样本，所得结果去除偶然误差后取平均值。

图1 新鲜罗非鱼鱼片Fig.1 Image of fresh tilapia fillet

1.3.2 新鲜度测定

pH值的测定：取鱼肉样品5.0 g解冻，捣碎，加入去离子水50 mL，搅匀后静置30 min。过滤，取滤液10 mL，用pH计测定[16]；水分活度的测定：取鱼肉样本解冻，切碎后取2～3 g，放入水分活度测定仪的测量仓中，加盖，待示数稳定后读取示数[17]；电导率的测定：取鱼肉样本解冻，用电导率仪探头电极中测取电导值，读数[4]；挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量的检测：采用半微量凯氏定氮法测取保存鱼片中的TVB-N含量[18]。

1.3.3 感官评定

评定人员由10 人组成，评分结果以样品平均分显示。分别从生鱼片和水煮鱼片进行感官评价，生鱼片评价指标包括色泽、气味、组织形态和肌肉弹性，水煮后的熟鱼片评价指标包括气味、滋味和鱼片的汤汁。所得的鱼片的感官评定得分是以上指标的综合得分，范围在0～5分之间，具体评分标准见表1[19]。

表1 罗非鱼片感官评定评分标准Table1 Criteria for sensory evaluation of tilapia fillets

1.3.4 质构测定

选取探头为TA 41直径6 mm平底圆柱形，测试方法为质地剖面分析（texture profile analysis，TPA），测试条件为速率 0.5 mm/s，深度5 mm，触发点负载5 g，环境温度20～25 ℃。测量参数包括第一循环硬度（单位g，压缩峰峰值，样品压缩的最大变形处。TPA测试有2 次循环硬度，但其变化趋势基本一致，因此实验中只取硬度1为参照）、弹性（两压缩峰峰高的比值）、内聚性（两峰积分面积之比，选取校正仪器误差后的结果）[8,20]。

1.3.5 相关性分析

运用SPSS 13.0 软件计算罗非鱼片品质变化和各指标之间的Pearson相关系数。由相关系数确定罗非鱼品质变化和保质期的最佳指示参数[21-22]。

1.3.6 保质期的预测

罗非鱼片的质构参数变化对应其品质参数变化，其中一部分与贮藏时间的关系性符合一级动力学方程[23]，可以根据Arrhenius法测量。

选取某质构参数作为关键品质因子，作出不同贮藏温度条件下的关键品质因子对贮藏时间t的变化曲线。计算方程中关键品质因子的变化速率常数k，建立k与贮藏温度T之间的Arrhenius 关系式（方程3）。根据一级动力学方程和Arrhenius 方程，给定某一贮藏温度感官评定终点及对应的关键品质因子，即可求得罗非鱼在对应温度条件下的货架期ts。

式中：A为关键品质因子；A0为样品保藏初始时的关键品质因子；k为关键品质因子变化速率常数；t为贮藏时间/d。

对方程（1）两边取对数后得到：

关键品质因子变化速率常数k与贮藏温度T的关系符合Arrhenius 方程：

式中：k0为方程指前因子；Ea为活化能/（kJ/mol）；R为气体常数，8.314 J/（mol·K）；T为贮藏温度，取绝对温度/K；k0和Ea均为与反应系统物质本性有关的经验常数。

对方程（3）两边取自然对数后得：

从方程（4）看出，lnk与贮藏温度的倒数1/T呈线性关系，直线斜率为-Ea/R，在Y轴上截距为lnk0。在求得3 个不同贮藏温度条件下的速率常数k后，可计算Ea和

2 结果与分析

2.1 冻罗非鱼片的品质参数变化

2.1.1 pH值的变化

图2 冻罗非鱼片pH值变化趋势Fig.2 pH changes during frozen storage of tilapia fillets

如图2所示，在-5 ℃时，随着贮藏时间的延长，冻罗非鱼片pH值大致呈先下降后上升的趋势，初始pH值在6.9左右，随贮藏时间延长，在30 d时逐渐减小至6.3，随后开始回升，60 d时pH值回升至6.9。出现该现象的原因，是由于在保藏初期，鱼肉中糖原酵解产生乳酸，同时ATP和磷酸肌酸等物质分解产生磷酸，从而使pH值下降；而在保藏后期，鱼肉中氨基酸等含氮物质分解，产生碱性的挥发性含氮物，使pH值回升。而在-20 ℃和-40 ℃时，由于实验时间较短，pH值一直保持在下降趋势中。综上可知，pH值与保存时间没有一定的相关性，不适宜作为判断鱼肉新鲜度的参数指标。

2.1.2 电导率的变化

食品物料的电导率与温度密切相关，物料的温度影响电解质电离度和离子迁移速度，从而使电导率随之改变。因此，冻罗非鱼片的电导率随时间的变化不断升高，而且贮藏温度越高，电导率随时间的变化越明显，如图3所示。

图3 冻罗非鱼片电导率变化趋势Fig.3 Conductivity changes during frozen storage of tilapia fillets

2.1.3 水分活度的变化

图4 冻罗非鱼片水分活度变化趋势Fig.4 awchanges during frozen storage of tilapia fillets

如图4所示，在不同温度条件下保藏的罗非鱼片水分活度（解冻后）随贮藏时间延长而下降，且贮藏温度越高，变化越明显。这是由于冷冻保鲜使罗非鱼片组织细胞中的水分逸出到细胞外[24]，水分含量减少，从而影响组织样本的水分活度。

2.1.4 TVB-N含量的变化

如图5所示，TVB-N含量在贮藏前期增加较缓慢，但随着贮藏时间延长，增幅变化明显。这是由于TVB-N含量与细菌繁殖和蛋白质分解相关，随着鱼肉蛋白质变性，蛋白质易被酶解并进一步分解产生氮、氨及胺类等碱性含氮物质，其变化速率快速上升。

图5 冻罗非鱼片TVB-N含量变化趋势Fig.5 TVB-N changes during frozen storage of tilapia fillets

2.1.5 感官评定的变化

在罗非鱼片的冻结过程中，感官评分随着时间推移呈逐渐降低的趋势，如图6所示。在-40 ℃条件下保藏的罗非鱼片，其感官质量的变化速度明显慢于-20 ℃和-5 ℃。

图6 冻罗非鱼片感官评分变化趋势Fig.6 Sensory evaluation changes during frozen storage of tilapia fillets

2.2 罗非鱼片的质构变化

2.2.1 硬度

图7 冻罗非鱼片硬度变化趋势Fig.7 Hardness changes during frozen storage of tilapia fillets

罗非鱼片的硬度随时间变化而呈递减趋势，如图7所示（所示样本数据均为第一循环硬度）。测试中的罗非鱼片幅度在200～500 g受力（根据质构分析软件ONE View Demo的处理结果，在该质构测量条件下，当硬度测试值为60 g受力时，对应的标准峰值压力为1.176 8 kPa），变化趋势较不规律。

罗非鱼片的硬度是有多方面因素决定的，在罗非鱼片的冷冻贮藏过程中，细胞失水可能使鱼体硬度增加，蛋白质变性分解，脂肪酸败可能使组织硬度降低。另外，其他成分的化学变化也可以使鱼体组织的硬度发生改变。这些因素的共同作用，使罗非鱼片的硬度出现了图7所示的变化趋势。

2.2.2 弹性

图8 冻罗非鱼片弹性变化趋势Fig.8 Springiness changes during frozen storage of tilapia fillets

如图8所示，所测试的罗非鱼片弹性随时间的延续而递减，-5 ℃时弹性随时间的变化幅度明显大于-20 ℃和-40 ℃。罗非鱼片的弹性降低主要是因为其组织在冷冻过程中失去水分，组织间隙变大的结果。另外，组织成分的腐败分解也会使细胞弹性改变。

2.2.3 内聚性

图9 冻罗非鱼片内聚性变化趋势Fig.9 Cohesiveness changes during frozen storage of tilapia fillets

如图9所示，所测试的罗非鱼片校正内聚性与弹性变化几乎相似，随时间的延续而递减。内聚性是样本咀嚼两次的耗能之比，罗非鱼片在贮藏过程中，组织的变质，特别是蛋白质的变性分解，使切压组织耗能发生显著变化，从而影响其内聚性，使内聚性产生变化。

2.3 质构参数和各项品质参数的Pearson相关系数

如表2所示，质构参数中，硬度的Pearson相关系数r相对较低，这说明硬度与样本品质的相关性较小；弹性和内聚性与各项品质参数的Pearson相关系数r＞0.96，这说明这两项质构指标与样本品质均具有较好的相关性。由于内聚性反映了样本组织间相互联系作用，而弹性反应了样本抗压能力，两者均能反映样本组织品质特性，在贮藏过程中，两者均随贮藏时间的延续的变化趋与样本品质变化趋势相吻合，能较好地预知鱼体品质变化，因此本实验分别选择内聚性和弹性作为真空包装微冻罗非鱼片品质变化和保质期的关键指示因子。在3 个贮藏温度条件下，样品的品质达到腐败终点时，其对应的内聚性在0.19～0.21之间，对应的弹性在0.62～0.67之间。故在后面的保质期研究中，分别以内聚性0.20、弹性0.65作为真空包装罗非鱼片保质期的终点。

表2 质构参数与各项品质参数的Pearson相关系数Table2 Pearson correlation coefficients between texture parameters and quality parameters

2.4 保质期预测

2.4.1 品质变化的动力学模型

首先以内聚性作为关键因子建立动力学模型。以内聚性数值的自然对数为纵坐标，时间为横坐标作图，用线性方程拟合，求取拟合方程的斜率，见表3。

表3 不同温度贮藏时冻罗非鱼片的内聚性变化回归方程Table3 Regression equations for conductivity of frozen tilapia fillets at different temperatures

以回归方程斜率k的自然对数lnk为纵坐标，贮藏温度的倒数1/T为横坐标作图，得到线性方程y =-6.438 8x＋5.373 6（R2=0.934 6）。

由线性方程计算得到活化能Ea为53.532 kJ/mol，指前因子k0为215.64。在此基础上建立真空包装罗非鱼片贮藏过程中内聚性变化速率常数k与贮藏温度T之间的Arrhenius方程为：

同样，可以求出以弹性为关键因子的相关线性方程为y=-10.809x＋7.390 6（R2=0.907 9），活化能Ea为89.866 kJ/mol，指前因子k0为1 620.68，弹性变化速率常数k与贮藏温度T之间的Arrhenius方程为：

2.4.2 保质期的动力学模型的验证和预测

表4 冻罗非鱼片在不同温度贮藏时货架期的预测值和实测值Table4 Predicted and observed shelf-life of frozen tilapia fillets during storage at different temperatures

将-5、-20、-40 ℃以及在其他温度条件下，贮藏的真空包装罗非鱼片根据动力学模型计算的保质期预测值和实际保质期进行比较（-20 ℃和-40 ℃保质期实际值数据过大，尚未得到），结果见表5。可知不同温度条件下贮藏的真空包装罗非鱼片Arrhenius法预测值和实际测定值的相对误差较小，实际预测效果良好。

3 结 论

根据真空包装罗非鱼片各鲜度指标的变化情况分析，在罗非鱼的质构参数中，内聚性、弹性都与罗非鱼大多数品质参数有良好的相关性，对罗非鱼品质有重要意义，可以作为关键因子预测罗非鱼保质期。实验得出：内聚性0.20、弹性0.65时为保质期的终点；分别建立内聚性和弹性关于贮藏时间t之间的一级动力学方程以及内聚性变化速率常数k与贮藏温度T之间的Arrhenius方程，其中基于内聚性变化反应的活化能Ea=53.532 kJ/mol，指前因子k0=215.64；基于弹性变化反应的活化能Ea=89.866 kJ/mol，指前因子k0=1 620.68，根据该结果，分别预测出真空包装罗非鱼片在不同贮藏温度条件下保质期的理论值并与实测值进行比较，其误差均在可接受范围内。实验结果显示，基于冻罗非鱼内聚性变化和弹性，均可以较好地预测其保质期。

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Prediction of the Shelf-Life of Frozen Tilapia Based on Changes in Texture Parameters

HE Qi, WANG Jing, CAO Xue-tao, LIN Xiang-dong*(College of Food Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

The purpose of this research was to explore a new method to predict the shelf-life of tilapia. This study investigated the quality of vacuum-packed tilapia fi llets by monitoring the changes in texture, pH, conductivity, awand total volatile basic nitrogen (TVB-N) value when stored at -5, -20 and -40 ℃ for different periods of time, respectively. The Pearson correlations between the changes in texture parameters and those in quality parameters were analyzed. According to the results, cohesiveness and springiness were selected as the optimal indicators of the quality changes and shelf-life for frozen vacuum-packed tilapia fi llets. The present research showed that cohesiveness up to 0.20 or springiness up to 0.65 was the end of fi sh shelf-life; the fi rst order kinetics equations between either cohesiveness or springiness and storage time was established as well as the Arrhenius kinetics equations describing the rate constants for the changes in both texture parameters as a function of storage temperature. The reaction activation energy Eawas 53.532 kJ/mol, and the pre-exponential factor k0was 215.64 based on cohesiveness; the Eawas 89.866 kJ/mol, and the pre-exponential factor k0was 1 620.68 based on springiness. From experimental results, the shelf-life of tilapia fi llets stored at different temperatures was estimated and the measured values were in the acceptable range as compared with the real values. Therefore, the cohesiveness and springiness of frozen tilapia fi llets could be used to predict their shelf-life.

frozen tilapia fillets; shelf-life; texture; kinetics model; Arrhenius equation

TS254.4

A

1002-6630（2014）10-0241-05

10.7506/spkx1002-6630-201410045

2013-07-22

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD28B06）；海南省自然科学基金项目（311032）

何其（1989—），男，硕士研究生，研究方向水产品保鲜。E-mail：heqi18@163.com

*通信作者：林向东（1957—），男，教授，本科，研究方向为水产品保鲜。E-mail：lxdzqlh@sina.com