鱼肉制品嫩化工艺优化及表面微观结构观察

鉏晓艳,邹开封,李　新,耿胜荣,廖　涛,叶丽秀,王伟琼,熊光权,*

(1.湖北省农业科学院,农产品加工与核农技术研究所,湖北省农业科技创新中心,湖北武汉 430064;2.潜江市龙湾镇水产技术服务中心,湖北潜江 433139)



鉏晓艳1,邹开封2,李新1,耿胜荣1,廖涛1,叶丽秀1,王伟琼1,熊光权1,*

(1.湖北省农业科学院,农产品加工与核农技术研究所,湖北省农业科技创新中心,湖北武汉 430064;2.潜江市龙湾镇水产技术服务中心,湖北潜江 433139)

为保持工业生产中淡水鱼肉制品的嫩度,本文以鲌鱼为对象系统研究了复合磷酸盐、CaCl2和木瓜蛋白酶对鱼肉剪切力的影响,运用响应面分析法优化嫩化工艺,并通过扫描电镜观察嫩化前后鱼肉表面微观结构的变化。结果表明,复合磷酸盐浓度(0.8‰～1.6‰)、CaCl2浓度(1.0‰～2.0‰)和木瓜蛋白酶浓度(1.0‰～2.0‰)可显著降低鲌鱼肉剪切力。响应面分析结果显示,影响鱼肉剪切力的各因素主次顺序为CaCl2>复合磷酸盐>木瓜蛋白酶;最优嫩化剂组合为:复合磷酸盐1.3‰、CaCl21.6‰、木瓜蛋白酶1.5‰,嫩化后鱼肉的剪切力为0.073 kg/mm,与对照组鱼肉相比显著降低;扫描电镜结果显示,嫩化1.0 h后鱼肉肌纤维间连接物减少,肌纤维膨胀,并出现裂纹,嫩化效果明显。

鲌鱼,嫩化,响应面法,扫描电镜

鲌鱼(Culteralburnus)为鲌亚科鲌属上等经济鱼类,又名翘嘴鲌、白鱼、大白刁等,其肉味鲜美、体型较大、易于加工,主要分布于黑龙江、黄河、长江、珠江等水系的干、支流及其附属湖泊中[1]。一直以来,相关科研人员的研究工作集中在育种和运输方面,而在调理加工技术研究上重视不够[2-3]。肉的嫩度是肌原纤维蛋白和结缔组织蛋白物理及生化状态的反映[4],其中剪切力是评价肉品嫩度的重要指标之一[5]。鱼肉经工业化加工后嫩度下降,一定程度上限制了名优鱼加工产业的发展。目前肉质品的嫩化方法中盐离子法和蛋白酶法受到关注较多[6-7],相关研究集中在实现了大规模工业化生产的牛肉[6,8]和猪肉[9-11]制品上,但复合嫩化效果的研究较少,在淡水鱼肉制品上的研究应用也尚未见报道。本文以鲌鱼为研究对象,研究复合磷酸盐、CaCl2及木瓜蛋白酶对鱼肉剪切力及弹性的影响,运用响应面法优化嫩化工艺,通过扫描电镜对嫩化前后的鱼肉微观结构进行观察,以期建立保持鲌鱼加工前后鱼肉嫩度的方法,为提高名优淡水鱼调理品品质,实现工业化生产提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜鲌鱼(个体大小和重量均匀,平均体重0.75 kg左右)、盐和味精购于湖北省武汉市中百超市;木瓜蛋白酶(酶活6000 U/mg)购于广西南宁庞博生物工程有限公司;焦磷酸钠、聚磷酸钠、偏磷酸钠和CaCl2等均为食品级,购于湖北武汉泰晟生物科技有限公司。

TA-XTPlus型食品物性测试仪英国Stable Micro System公司;QUANTA扫描电镜美国FEI公司。

1.2实验方法

1.2.1原料处理选用鲌鱼背部肉,去头尾、腮鳞、内脏和鱼皮,清洗后剔除原料中鱼刺,将鱼肉切成1.5 cm×1.5 cm×4 cm(长×宽×高)的条块,清洗后用盐1.0%(w/w)和味精0.2%(w/w)腌制1 h后进行嫩化实验。

1.2.2嫩化单因素实验将预处理后的质量相同的鱼肉放入袋中,每袋20 g。按表1分别进行处理,当添加其中一种嫩化剂时,其他两种嫩化剂使用量为0。嫩化剂及其用量范围参考相关文献[9-11],用量范围符合GB2760-2014[12],20 ℃腌制1 h,装袋后抽真空,-40 ℃速冻30 min取出,于-20 ℃冷库冷藏12 h,浸水解冻30 min,汽烹3 min,冷却后制样。用TA-XTPlus型食品物性测试仪测定鱼肉剪切力,并辅以弹性指标。以不加嫩化剂的组别作为对照。

表1　单因素实验设计

1.2.3复合嫩化剂响应面实验考虑到生产成本和单因素实验中不同嫩化方法对鱼肉的嫩化效果,本研究将复合磷酸盐、CaCl2和木瓜蛋白酶进行复配(用量范围符合GB2760-2014食品安全国家标准 食品添加剂使用标准[12])。以复合磷酸盐浓度(X1)、CaCl2浓度(X2)、木瓜蛋白酶浓度(X3)3个因素作为多因素交叉组合实验的考察因素,采用Box-Behnken设计,以剪切力为响应值,利用Design-Expert 8.0.6Trial软件对实验数据进行分析处理,以获得最佳嫩化剂组合。每一个自变量的低、中、高实验水平分别以-1、0、1进行编码,实验因素编码表见表2。样品处理后,装袋抽真空,-40 ℃速冻30 min取出,于-20 ℃冷库冷藏12 h,之后浸水解冻30 min,汽烹3 min,冷却后制样,测定鱼肉剪切力。

表2　实验因素水平编码表

1.2.4剪切力和弹性测定剪切力:TA-XT plus质构仪,探头:BSK,模式:hot dog,探头下行速度:2.0 mm/s,探头返回速度:10.0 mm/s,下行距离:25 mm。样品厚度:15 mm,每组6个重复。弹性:TA-XT plus质构仪,探头P/36R,模式TPA,测试前速度2.0 mm·s-1,测试速度:1.0 mm·s-1,测试后速度:1.0 mm·s-1,强度75%。

1.2.5扫描电镜观察对最优嫩化剂组合嫩化后的鱼肉进行扫描电镜观察,以未嫩化鱼肉为对照。取鱼肉样品,顺着纹理切成1 cm×2 cm×2 mm的长方形小块,根据Kim HW等法[13]进行固定、脱水和再固定处理,冷冻干燥24 h后按肌肉纹理横切。将样品送武汉大学测试中心用扫描电镜(QUANTA)进行观察。样品用双面胶粘于样品台上,用离子溅射器镀铂膜,膜厚度约为100 Å。测试条件为加速电压10 kV,能量分辨率:Mn kα132 eV,放大倍数300倍,观察并拍照具有代表性的表面微观结构。

1.3数据处理

使用Microsoft Excel和Design-Expert 8.0.6 Trial进行数据处理及分析。运用ANOVA作方差分析。结果表示为平均值±标准偏差。

2　结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1复合磷酸盐对鱼肉剪切力和弹性的作用磷酸盐是一种保水剂,可增加肉制品的持水性,改善肉的嫩度[14]。实验选取复合磷酸盐的配比为焦磷酸钠∶三聚磷酸钠∶偏磷酸钠=3∶2∶2。根据图1结果,复合磷酸盐对鱼肉的剪切力和弹性都有影响,随着复合磷酸盐浓度的升高剪切力值先增后降,在复合磷酸盐浓度为0.8‰～1.6‰范围内剪切力值较小,可能由于多聚磷酸盐提高了肌动球蛋白的解离,加快了鱼肉肌原纤维中的肌球蛋白和肌动蛋白溶解,使鱼肉的持水性增加[6],嫩度增加,该结果与猪牛肉嫩化效果相似[7,10]。弹性值则随着浓度的增加先增后趋于平缓,且弹性值越大,剪切力值越小,嫩化效果越好。由于复合磷酸盐浓度为0.8‰～1.6‰时,肉样剪切力较低弹性较高,因此选择浓度0.8‰、1.2‰、1.6‰进入下一步实验。

图1　复合磷酸盐浓度对鱼肉剪切力和弹性的影响Fig.1　Effect of compound phosphate concentration on shearing force and springiness of CA samples

2.1.2CaCl2对鱼肉剪切力和弹性的作用CaCl2对钙激酶具有激活作用,一定浓度的Ca2+可促进鱼肉中钙激酶的活化,钙激酶可导致横纹肌的肌原纤维崩裂,从而使肌节部位断裂,实现肉的嫩化[7,15]。由图2结果可知,经CaCl2溶液处理后鱼肉的剪切力与未处理组有较大差异,处理后鱼肉剪切力值明显降低,且随着CaCl2浓度的增加剪切力呈下降趋势,该结果与猪肉嫩化效果一致[9]。在CaCl2浓度3.0‰时,剪切力最低为0.076 kg/mm,但与CaCl2浓度1.0‰～2‰时的剪切力差异不显著。在CaCl2浓度0.5‰～2.0‰范围内,随着浓度升高,弹性呈上升趋势,当CaCl2的浓度为1.0‰、1.5‰和2.0‰时,弹性基本相当且达到最大值0.311,继续提高CaCl2的浓度,肉的弹性反而大幅下降。CaCl2在1.0‰～2.0‰范围时,肉样剪切力最低且弹性最高,因此选择1.0‰、1.5‰、2.0‰进行响应面实验。

图2　CaCl2浓度对鱼肉剪切力和弹性的影响Fig.2　Effect of CaCl2 concentration on shearing force and springiness of CA samples

2.1.3木瓜蛋白酶对鱼肉剪切力和弹性的作用木瓜蛋白酶是半胱氨酰基蛋白酶,可水解肉类的纤维蛋白和胶原蛋白,令肌肉肌丝和筋腱丝断裂[16],使肉变得嫩滑。根据图3结果,木瓜蛋白酶对鲌鱼具有显著的嫩化效果,当木瓜蛋白酶浓度小于1.5‰时,鱼肉剪切力随木瓜蛋白酶浓度的增加而明显下降,当木瓜蛋白酶浓度为1.5‰时,剪切力值最低,可达(0.063±0.021) kg/mm。过高的木瓜蛋白酶浓度,使肌动球蛋白和结缔组织过度降解造成肌肉的超微网状结构遭到破坏,导致失水,嫩度下降[9]。鱼肉的弹性值随木瓜蛋白酶浓度的升高整体呈上升趋势,当木瓜蛋白酶用量为2.0‰～2.5‰时,弹性最佳。由于木瓜蛋白酶在1.0‰～2.0‰范围内,肉样的剪切力较低弹性较大,因此选择1.0‰、1.5‰、2.0‰作为响应面实验的低、中、高实验水平。

图3　木瓜蛋白酶浓度对鱼肉剪切力和弹性的影响Fig.3　Effect of papain concentration on shearing force and springiness of CA samples

2.2嫩化工艺响应面法优化

以复合磷酸盐浓度(X1)、CaCl2浓度(X2)、木瓜蛋白酶浓度(X3)3个因素作为多因素交叉组合实验的考察因素。由于剪切力是评价肉品嫩度的重要指标,也是本研究单因素实验中的主指标,因此响应面Box-Behnken设计中选剪切力为响应值。利用Design-Expert8.0.6Trial软件对实验数据进行分析处理,以获得最佳嫩化剂组合。实验设计方案及结果见表3。

表3　响应面分析实验设计方案与结果分析

2.3回归模型方差分析

表4　响应面数据方差分析及回归模型评估

注:**表示极显著(p<0.01),*表示显著(p<0.05)。

方差分析结果表明(表4),各因素对鲌鱼嫩化效果的影响大小顺序依次为：CaCl2浓度>复合磷酸盐浓度>木瓜蛋白酶浓度。剪切力与复合磷酸盐浓度、CaCl2浓度、木瓜蛋白酶浓度的标准三元二次回归方程为:Y=0.072-0.005625X1-0.00725X2-0.002625X3-0.001X1X2-0.00075X1X3+0.0055X2X3+0.008825X12+0.015X22+0.007825X32。由表4可知,响应面回归模型达到极显著(p<0.01),失拟项不显著(p>0.05),说明模型所拟合的二次回归方程能正确反映剪切力Y与X1、X2和X3之间的关系,回归模型可较好对优化实验中的各种实验结果进行预测[17]。决定系数R2为0.9617,说明模型的拟合度较好,剪切力的实际值与预测值间具有较好的拟合相关性。显著性检验结果表明,复合磷酸盐浓度、CaCl2浓度的一次项,复合磷酸盐浓度、CaCl2浓度、木瓜蛋白酶浓度的二次项对剪切力均有极显著影响(p<0.01),CaCl2与木瓜蛋白酶的交互作用对响应值(剪切力)有显著影响(p<0.05)。

2.4响应面图分析

响应面图的颜色从蓝色到红色的变化表示剪切力从小到大的变化,变化越快表示坡度越大,即对实验结果的影响更为显著[18]。对复合磷酸盐浓度、CaCl2浓度、木瓜蛋白酶浓度3因素进行两两交互作用分析,得到交互因子的响应面曲面图(图4),比较响应面图可知,在所选范围内存在极值,即响应面最低点。通过分析,得出复合嫩化剂嫩化鱼肉的最佳组合是复合磷酸盐浓度1.33‰、CaCl2浓度1.62‰、木瓜蛋白酶浓度1.55‰,在此条件下,剪切力的理论值为0.070 kg/mm。为进一步验证响应面分析法的可靠性,采用最优理论值的修正条件(CaCl21.3‰、复合磷酸盐1.6‰、木瓜蛋白酶1.5‰)嫩化鱼肉,在此条件下,得剪切力的实际值为0.073 kg/mm,与理论值误差为4.28%;与未嫩化的鱼肉剪切力值相比,降低了0.133 kg/mm,嫩化作用明显。

图4　各因素交互作用对鲌鱼肉的剪切力影响的响应面图Fig.4　Response surface plot of interaction factors of three extraction conditions on shearing force of CA samples

2.5嫩化前后鱼肉表面微观结构观察

肌肉微观结构包括肌纤维的直径、密度、肌纤维间组织等。用最优嫩化剂组合(CaCl21.3‰、复合磷酸盐1.6‰、木瓜蛋白酶1.5‰)对鲌鱼肉进行嫩化0.5～1.0 h,然后以未嫩化组为对照进行横切面扫描电镜观察。结果由图5可见,嫩化前肉质紧实,肌纤维分明,纤维间隙和纤维间连接物明显(图5a);嫩化0.5 h后的鱼肉肌纤维膨胀,纤维间隙受到挤压,纤维间连接物减少(图5b),这跟肉眼观察到的嫩化后鱼肉块变大结果相印证。嫩化1.0 h后,鱼肉肌纤维出现大量裂纹、纤维间连接物进一步消失(图5c)。这可能与钙激酶促进肌纤维溶解及木瓜蛋白酶降解肌纤维间连接物的综合作用有关[11,19]。就本实验结果而言,嫩化时间与嫩化效果呈正相关,处理1.0 h可显著提升鱼肉半成品嫩度与口感。

图5　鲌鱼鱼肉表面微观结构观察(300×)Fig.5　Surface microstructure of CA meat by SEM(300×)注:(a)嫩化0.0 h(对照);(b)嫩化0.5 h;(c)嫩化1.0 h。

3　结论

复合磷酸盐、CaCl2和木瓜蛋白酶对于鲌鱼鱼肉均有一定嫩化作用,超声波处理对鱼肉也有嫩化作用,但其嫩化效果不如离子法和酶法,且操作成本较高。响应面分析结果表明影响鱼肉剪切力的各因素主次顺序为CaCl2>复合磷酸盐>木瓜蛋白酶。最佳嫩化工艺为:复合磷酸盐1.3‰、CaCl21.6‰、木瓜蛋白酶1.5‰,在此工艺条件下鱼肉的剪切力值为0.073 kg/mm,与对照组鱼肉相比,剪切力值显著降低。嫩化1.0 h后鱼肉肌纤维间连接物减少,肌纤维持水力增强、并出现裂纹,嫩化效果明显。

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Tenderizing process optimization and surface morphology observation on meat ofCulteralburnus

ZU Xiao-yan1,ZOU Kai-feng2,LI Xin1,GENG Sheng-rong1,LIAO Tao1,YE Li-xiu1,WANG Wei-qiong1,XIONG Guang-quan1,*

(1.Institute for Farm Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology,Hubei Academy of Agricultural Sciences,Hubei Innovation Center of Agricultural Science and Technology,Wuhan 430064,China;2.Qianjiang City Longwan Town Aquatic Technology Service Center,Qianjiang 433139,China)

Culteralburnus(CA)were used to examine the tenderizing effects of compound phosphate,calcium chloride and papain by shearing stress in order to maintain the tenderness of semi-finished products from fresh water fish. Response surface methodology(RSM)and scanning electron microscope(SEM)were applied to optimize the tenderizer conditions and observe the surface microstructure of CA samples. The results showed that shearing force of CA samples was decreased significantly and the concentration of phosphate,calcium chloride and papain were 0.8‰～1.6‰,1.0‰～2.0‰ and 1.0‰～2.0‰ respectively. According to the results of RSM,the order influenced was chloride calcium(CaCl2)>phosphate>papain,the optimum composition of phosphate 1.3‰,CaCl21.6‰ and papain 1.5‰ was determined. Shearing force of CA samples was decreased to 0.073 kg/mm with optimum composition. In the case of surface microstructure results,the connective tissues in tenderized 1.0 h meat were less than it in the controls. Moreover,enlarged myofiber with cracks were observed on tenderized CA meat. In conclusion,obvious improvements on the meat tenderness were presented by the tenderizers at optimum composition.

Culteralburnus;tenderization;response surface methodology;scanning electron microscopy

2016-02-17

鉏晓艳(1981-)，女，博士，副研究员，研究方向：食品科学，E-mail:oriswa@sina.com。

熊光权(1965-)，男，大学本科，研究员，研究方向：淡水产品深加工，E-mail:xiongguangquan@163.com。

湖北省重大科技创新计划(2015ABA038)；湖北省科技支撑计划(2014BBA158)；湖北省农业科技创新中心项目(2016-620-000-001-036)；国家科技支撑计划(2014BAA03B05)。

TS254.4

B

1002-0306(2016)16-0259-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.043