超声波解冻对壳聚糖涂膜罗非鱼片的水分分布及品质相关性研究

马超锋,关志强,李 敏,张 珂,吴阳阳

(广东海洋大学食品科技学院,广东省水产品加工与安全重点实验室,水产品深加工广东普通高等学校重点实验室,广东湛江 524088)

超声波解冻对壳聚糖涂膜罗非鱼片的水分分布及品质相关性研究

马超锋,关志强*,李 敏,张 珂,吴阳阳

(广东海洋大学食品科技学院,广东省水产品加工与安全重点实验室,水产品深加工广东普通高等学校重点实验室,广东湛江 524088)

为了研究不同超声波(200、250、300、350、400、450和500 W)对壳聚糖涂膜罗非鱼片水分分布与品质的关系,分别测定了解冻时间、解冻损失率、pH、TBA值、Ca2+-ATPase酶活性、弛豫时间T2,并分析探讨了水分分布与品质之间的相关性。结果表明,随着超声功率的增大(除300 W外),不易流动水含量A21增加(p<0.05)。pH、TBA值、Ca2+-ATPase酶活性与解冻时间、解冻损失率均有极显著的负相关关系(p<0.01),TBA值与不易流动水横向弛豫时间T22呈显著负相关关系(p<0.05)。7种超声功率中,450 W功率的超声波能较好的保持罗非鱼片的品质。与传统的流水解冻方法对比,其解冻时间、解冻损失率、Ca2+-ATPase酶活性等指标分别提升了62.67%、56.04%、23.42%。不易流动水横向弛豫时间T21最短,说明水分可移动性降低,提高了肌肉的保水性。因此,适当条件的超声波解冻罗非鱼片是可行的,且以450 W功率超声波解冻的效果更优,该结果将为超声波解冻方式在同类冻藏水产品中的应用提供参考。

超声波,解冻,壳聚糖涂膜,罗非鱼片,水分分布,品质

罗非鱼(Tilapia)原产非洲,在热带和亚热带地区养殖比较广泛。罗非鱼因其肉质鲜美,含丰富的蛋白质和不饱和脂肪酸,营养价值高,深受消费者青睐,素有“白肉三文鱼”、“21世纪之鱼”的美誉[1]。目前,低温冷冻仍然是罗非鱼片的主要加工形式,而解冻是罗非鱼片食用及深加工前的必经工序。因解冻方法不同,解冻过程中常会出现汁液流失、微生物滋长、色泽变化等问题,直接影响产品的品质。因此,解冻成为影响罗非鱼产品最终品质好坏的关键环节之一。

当前,国内外有不少关于水产品解冻方法的研究报道,但鲜有关于罗非鱼解冻的研究。近年来,随着国内外对解冻方法的深入研究,逐渐产生了一些新颖的解冻技术,如:鼓气流水解冻[2]、浸泡通电解冻[3]、高压静电解冻[4]。超声波是频率高于20 kHz的机械波,作用于介质吸收能量后会产生激烈的高频振荡,从而产生热效应。当超声波穿透两种不同的介质时,界面的产热量更大。肌肉组织含有固相和液相两种状态的水,即使冻结后也存在一部分液态水,所以,超声波可以用于冻结肌肉的解冻[5]。研究表明,已冻结区对超声波(1～7 MHz)的吸收比未冻区对超声波的吸收要高出几十倍,而食品初始冻结点附近对超声波的吸收最大[6]。超声波解冻具有快速、效率高、能效高等特点,白青云等[7]研究表明超声波处理对冷冻虾仁的保水性有显著的效果,解冻失重率为5.24%,可有效保护蛋白质的网状疏松结构。目前,国内应用超声波来解冻鱼片的应用效果仍未见报端,本文以罗非鱼为实验对象,将壳聚糖溶于1%植酸溶液中,配制成0.5%的壳聚糖复合保鲜液,对罗非鱼片进行冻藏预处理,研究超声波对冻藏罗非鱼片品质的影响,旨在为超声波在鱼片解冻的广泛应用上提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

罗非鱼 湛江市工农市场,加冰迅速运回实验室；壳聚糖 河南千志商贸有限公司;植酸 河南百福食品添加剂有限公司;所有添加剂 均为食品级;ATP酶测试盒和考马斯亮蓝测试盒 南京建成生物工程研究所;2-硫代巴比妥酸 生化试剂,国药集团化学试剂有限公司;三氯乙酸 分析纯,广州市金华大化学试剂有限公司。

HHS型恒温水浴锅 上海博迅实业有限公司;KQ-500DE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;JK-24U多路温度巡检仪 常州市金艾联电子科技有限公司;PHS-3C型雷磁pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司;AUY220型分析天平 日本岛津仪器有限公司;UV-8000A型紫外-可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;GTR22-1型高速冷冻离心机 北京时代北利离心机有限公司;MicroMR核磁共振交联密度仪 上海纽迈电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品预处理 将鲜活的罗非鱼宰杀、去骨、去内脏、去皮,修整为10 cm×5 cm×0.7 cm的罗非鱼片待用。在实验室前期研究基础上,筛选得到壳聚糖的适宜添加量为0.5%,因此将壳聚糖溶于1%植酸中,配成浓度为0.5%的壳聚糖保鲜液,然后将修整好的罗非鱼片放入壳聚糖保鲜液中浸渍5 min,沥干后密封包装[8]。-20 ℃条件下贮藏20 d后用频率为40 kHz,功率分别为200、250、300、350、400、450、500 W的超声波进行解冻,并以流水解冻作为对照组,进行实验的对比分析。

1.2.2 解冻时间的测定 利用多路温度巡检仪,将温度探头插在鱼片的中心部位,用密封袋封好置于超声波清洗器中,密封袋上方放一盛满水的1000 mL玻璃烧杯,水位为70 mm,水温为(26±1) ℃,当罗非鱼片中心温度达到5 ℃时[9],解冻结束,记录解冻时间。

1.2.3 解冻损失率的测定 精确称量冷冻罗非鱼片解冻前后的质量,按公式(1)进行计算:

式(1)

式中:υ为罗非鱼片解冻损失率(%)；m1为解冻前冻藏罗非鱼片质量(g);m2为解冻后罗非鱼片质量(g)。

1.2.4 硫代巴比妥酸值(TBA)的测定 参照Witte等[10]的方法,并作适当修改。取10 g绞碎的肉样于100 mL烧杯中,加40 mL冷的5%(W/V)三氯乙酸(TCA),然后在13800 r/min条件下均质1 min。均质后抽滤,取其滤液用5%的TCA定容至50 mL。用移液管移取5 mL定容液于10 mL比色管中,加入5 mL 0.02 mol/L TBA,盖好塞子,振荡并90 ℃水浴40 min。取出,流水冷却至室温。用5 mL蒸馏水作对照,于538 nm处测定吸光度A。TBA 值(以mg丙二醛/kg样品计)可由公式(2)计算:

TBA值=7.8×A538

式(2)

式中:A538为溶液在538 nm处的吸光度,7.8为常数。

1.2.5 Ca2+-ATPase酶活性的测定 Ca2+-ATPase酶活性采用南京建成生物研究所提供的ATP酶测试盒和考马斯亮蓝测试盒进行测定,其值为每小时每毫克蛋白组织中ATP酶分解ATP产生无机磷的量,单位为μmol Pi/mgprot/h。

1.2.6 pH的测定 采用赵启蒙等[11]的方法,并略作改动。取解冻后绞碎的鱼肉5.00 g于100 mL烧杯中,加入45 mL蒸馏水,在均质机上均质2 min,待鱼肉沉淀后用pH计测定上清液。

1.2.7 低场核磁共振(LF-NMR)自旋-自旋弛豫时间(T2)的测定 应用纽迈台式脉冲NMR分析仪进行NMR自旋-自旋弛豫时间(T2)的测量。取规格为1 cm×1 cm×1 cm,质量约为2 g的罗非鱼肉放入直径为17 mm的核磁管中。测试参数如下:分析磁体线圈为10 mm,测量温度为32 ℃,起始脉冲宽度为5.0 μs,结束脉冲宽度为35.0 μs,累加步长为1.0 μs,射频信号频率主值SF1=22 MHz,射频信号频率的偏移量O1=840470.12 Hz,重复采样间隔时间TR=1000 ms,90°脉宽P1=13 μs,180°脉宽P2=26 μs,采样点数TD=1024,采样频率SW=200 kHz,回波时间TE=300 μs,回波个数NECH=5000,重复采样次数NS=4,采样起始点控制参数D3=80 μs,迭代次数RT=100000,每个样品做3个平行。

1.3 数据处理

每个实验做3个平行,实验数据用Excel 2003进行采集,数据用“平均值±标准差(SD)”表示,用JMP 7.0进行单因子方差分析(ANOVA),用Duncan多重比较进行数据间的显著性差异分析,设定显著水平α=0.05,利用Origin 8.0作图。

2 结果与讨论

2.1 超声功率对罗非鱼片解冻时间的影响

由图1知,在200～450 W功率范围内,随着超声功率的增加,解冻时间逐渐缩短。罗非鱼片在200 W和250 W功率的超声波作用下,解冻时间显著高于其它功率,且二者之间也有明显差异(p<0.05)。300、350 W功率的超声波解冻时间虽显著大于400、450 W的解冻时间(p<0.05),但两组功率各自之间均没有显著差异。冻藏罗非鱼片的解冻时间随着超声功率的增大而减小,可能是因为超声波是一种机械波,通过水相传播进行震荡,罗非鱼片组织中的冰晶受到机械震荡而迅速融化,超声功率越大,震荡就越剧烈[12]。当超声功率增大至500 W时,解冻时间显著性增加(p<0.05),为6.8 min,与流水解冻组并没有显著性差异,可能是因为超声波的空化效应在水中产生微气核并发生震荡,但当超声波达到一定强度时,将发生微气核的形成、生长、崩溃的动力学过程,进而影响了超声波的机械作用[13]。故450 W功率超声波解冻的罗非鱼片,平均解冻时间最短,为2.8 min。与传统的流水解冻相比,时间节省了62.67%。

图1 超声功率对罗非鱼片解冻时间变化的影响Fig.1 Effects of ultrasonic power on thawing time of tilapia fillets

2.2 超声功率对罗非鱼片解冻损失率的影响

由图2知,在200～450 W功率范围内,随着超声功率的增大,冻藏罗非鱼片解冻损失率显著减少,解冻损失率从4.01%减少至1.31%(p<0.05),与夏秀芳等[14]认为优质猪肉的解冻损失率应小于8.0%相吻合。当超声功率达到500 W时,解冻损失率显著增大(p<0.05),与流水解冻效果相近。与传统的流水解冻相比,450 W功率的超声波可使冻藏罗非鱼片解冻损失率显著降低,降幅为56.04% 。因此,从解冻损失率的角度来说,450 W功率的超声波解冻冻藏罗非鱼片是最好的。另外,超声波的汽蚀效应也会产生微气核,这些微气核能够有效地减弱鱼肉组织受到的机械损伤,有利于解冻损失率的减少。在一定范围内,超声功率越大,汽蚀效应就越显著,产生的微气核就越多[12]。但当超声功率超过特定阈值后,可能机械损伤已阻碍了微气核的产生,所以到500 W时解冻损失率反而提高了,此结果与解冻时间的变化一致。

图2 超声功率对罗非鱼片解冻损失率变化的影响Fig.2 Effects of ultrasonic power on thawing loss of tilapia fillets

2.3 超声功率对罗非鱼片TBA值的影响

脂类食品中含有大量不饱和脂肪酸,贮藏过程中会氧化降解产生丙二醛(MDA),其与硫代巴比妥酸反应生成稳定的红色化合物,并呈正相关[15]。因此,TBA值是衡量脂肪氧化程度的一个重要指标,TBA值越大,脂肪氧化程度越大[16],其中肉类和水产品应用最为广泛。一般认为,0.20 mg/kg

图3 超声功率对罗非鱼片TBA值变化的影响Fig.3 Effects of ultrasonic power on TBA value of tilapia fillets

2.4 超声功率对罗非鱼片Ca2+-ATPase酶活性的影响

Ca2+-ATPase酶活性来源于罗非鱼肌球蛋白,表征其头部S-1的性质[21]。解冻后罗非鱼肉的Ca2+-ATPase酶活性越小,说明解冻过程中肌球蛋白变性越严重。如图4所示,由不同功率超声波解冻的罗非鱼片,Ca2+-ATPase酶活性随超声功率的增大阶梯性递增(p<0.05),由0.425 μmol Pi/mgprot/h增加到2.630 μmol Pi/mgprot/h,后又显著下降(p<0.05)。其中250 W和300 W功率超声波解冻的罗非鱼片Ca2+-ATPase酶活性没有显著差异,分别为1.120、1.142 μmol Pi/mgprot/h。450 W功率超声波解冻的罗非鱼片Ca2+-ATPase酶活性显著大于流水解冻效果(p<0.05)，由2.131 μmol Pi/mgprot/h增加到2.630 μmol Pi/mgprot/h,提升23.42%。而400 W和450 W功率的超声波处理组没有显著性差异。该结果与解冻时间、解冻损失率结论一致,解冻时间越短,冻结-解冻过程中形成的冰晶对肌肉组织细胞的破坏程度越弱,减少一些重要抗氧化酶变性失活,有利于Ca2+-ATPase酶活性的保持[22]。研究表明,肌肉Ca2+-ATPase活性的下降是由于肌肉组织内冰晶和离子强度的增加、pH下降等导致ATPase三级结构发生改变[23],该结果也符合罗非鱼片解冻后pH变化情况。

图4 超声功率对罗非鱼片Ca2+-ATPase酶活性变化的影响Fig.4 Effects of ultrasonic power on Ca2+-ATPase activity of tilapia fillets

2.5 超声功率对罗非鱼片pH的影响

对鱼、贝类等水产品而言,停止呼吸后,pH会出现规律性变化。初始阶段,糖原经糖酵解作用转化成乳酸,使肌肉pH下降。当水产品腐败到一定程度时,生物体内的蛋白质被分解产生碱性的氨类和胺类物质,pH又上升。因此,pH常作为一种表征手段来对水产品的鲜度进行评定[24]。由图5知,当超声功率由200 W增至450 W时,罗非鱼片的pH显著升高(p<0.05),由6.37变化至6.94,增幅为8.95%,但450 W和400 W超声波作用的罗非鱼片pH没有显著差异。除350 W功率超声波外,超声波解冻的罗非鱼片pH与传统流水解冻均有显著性差异(p<0.05)。超声波解冻的罗非鱼片pH发生先上升后下降的现象可能是因为解冻过程中罗非鱼肉组织结构受到不同程度地破坏,导致总酸含量发生变化,变化的幅度与超声波的强度具有一定的关系,这与刘雪梅等[25]研究解冻方法对速冻草莓品质影响得到的结论相似,速冻草莓经超声波解冻后总酸含量初值很高,但随着时间的变化快速下降,说明超声波自身的快速解冻在一定程度上对总酸的流失有一定的抑制作用。谷小慧[12]研究发现,超声波的机械振荡可有效抑制微生物的新陈代谢,同时解冻速度快,所以由蛋白质、氨基酸等分解产生的碱性物质少,比水解冻更能有效地保持猪肉的新鲜度。

如图6所示,横轴代表范围从0.003～104ms对数分布的100个横向弛豫时间分量T2,峰点位置对应的是某种成分的平均弛豫时间;纵轴代表的是各个成分的弛豫信号强度Ai,通常认为每个峰代表一种成分,其峰面积的大小则表示该成分弛豫信号强度,该强度可间接反映各个成分的含量[26]。弛豫时间T2反映了样品内部氢质子所处的化学环境,与氢质子所受的束缚力及其自由度有关。氢质子受束缚越大或自由度越小,弛豫时间T2越短,表明水分与底物结合越紧密,在T2谱图上峰位置较靠左;反之T2时间越长,表明水分越自由,在T2谱图上峰位置较靠右[27]。

图5 超声功率对罗非鱼片pH变化的影响Fig.5 Effects of ultrasonic power on pH of tilapia fillets

2.6 超声功率对罗非鱼片横向弛豫时间(T2)的影响

根据图6中罗非鱼片横向弛豫时间分布情况可知,经超声波解冻后,罗非鱼肌肉中水分主要以3种形式存在,其中T20代表与蛋白质等大分子结合的水,为结合水,弛豫时间在0.1～1.0 ms之间;T21代表存在肌原纤维内部的水,为不易流动水(或可移动水),弛豫时间在40～60 ms之间;T22为自由水(或游离水),存在于肌原纤维外部,弛豫时间在400～650 ms之间。由图6和表1可知,400 W功率超声波解冻的罗非鱼片T21显著高于流水解冻组(p<0.05),其它功率超声波处理的罗非鱼片的T21没有显著性差异。另外,不同功率超声波解冻的罗非鱼片T20和T22的变化趋势一致,与对照组相比,变化比较显著(p<0.05)。450 W功率超声波作用的罗非鱼片的T20和T22均较小于其它处理,表明450 W功率超声波作用的罗非鱼片的凝胶结构有效地限制了水分的移动,水分可移动性降低,致使弛豫时间降低。在表2中,随着超声功率的增大,不易流动水含量A21均不断增加(300 W除外),结合水A20没有显著性差异。综合图6、表1和表2,当超声功率为450 W时,罗非鱼片肌肉组织中3种水分的弛豫时间T20、T21、T22均显著减小(p<0.05),说明此时凝胶对罗非鱼肌肉组织中水分的滞留束缚能力较强,可能是因为经450 W功率的超声波解冻后,罗非鱼肉凝胶强度增大,也可能是因为致密三维网状结构的形成使更多的水滞留在网格中,从而使水的流动性降低,保水性增强[28]。

图6 不同超声功率作用条件下罗非鱼片的LF-NMR横向弛豫时间T2的曲线图Fig.6 Distribution of ultrasonic power on LF-NMRtransversal relaxation time T2 of tilapia fillets

超声功率(W)T20T21T22对照组0.52±0.08bcd43.29±0.00b644.22±53.05a2000.48±0.08cd49.77±0.00ab464.16±0.00cd2500.63±0.11abc49.77±0.00ab560.31±46.14abc3000.76±0.00a47.61±3.74ab586.95±46.14ab3500.69±0.06ab49.77±0.00ab510.50±40.13bcd4000.69±0.06ab52.25±4.30a487.33±40.13bcd4500.40±0.03d45.45±3.74ab444.01±34.91d5000.40±0.03d49.77±0.00ab533.67±0.00bcd

注:同一列不同小写字母表示差异显著(p<0.05),表2同。

表2 不同超声功率解冻的罗非鱼片的峰面积Table 2 The peak area on ultrasonic power of tilapia fillets

2.7 罗非鱼片理化指标特性间的相关性分析

将超声波解冻的罗非鱼片理化指标进行相关性分析,如表3所示。由表3可知,超声波解冻的罗非鱼片pH、TBA值、Ca2+-ATPase酶活性与解冻时间、解冻损失率均有极显著的相关性(p<0.01),且呈负相关。除pH、TBA值与T20呈正相关关系,TBA值与T22呈显著的负相关关系,r=-0.509(p<0.05)外,pH、TBA值、Ca2+-ATPase酶活性与T20、T21、T22均成负相关关系,这与Bertram等[29]的结论一致,PSE(pale,soft,exudative)肉和PSD(dark,firm,dry)肉中自由水(T2>100 ms)含量对鲜肉品质有重要影响(p<0.0001),且自由水含量随冷藏时间显著增加。研究表明,弛豫时间T2可以反映肉的保水性,肉品的保水性也与pH有关[30-31]。

表3 罗非鱼片理化指标间的Pearson相关系数(r)Table 3 The Pearson correlation coefficient(r)betweenthe physical and chemical indicators of frozen tilapia fillets

注:*表示0.01

3 结论

不同功率的超声波解冻方式能较好地保持罗非鱼片的解冻品质,且理化指标间也呈现出良好的相关性。与传统流水解冻方式对比,450 W功率的超声波对罗非鱼片的作用效果最好,有较低的解冻时间和解冻损失率(p<0.05),有较高的Ca2+-ATPase酶活性保持率(p<0.05),但解冻过程中伴随较高程度地脂肪氧化,需进一步研究使之降低。低场核磁共振结果表明,450 W功率超声波解冻的罗非鱼片弛豫时间T20、T21、T22均较低,表明450 W功率超声波解冻的罗非鱼片肌肉组织中3种水分结合均比较紧密。且解冻后结合水含量A20有所降低,可移动水含量A21和自由水含量A22明显升高,说明经450 W功率超声波解冻的冻藏罗非鱼片有较好的保水性,这与解冻损失结果一致。

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The relationship between water distribution and quality of tilapia fillets with chitosan film as affected by different ultrasonic wave

MA Chao-feng,GUAN Zhi-qiang*,LI Min,ZHANG Ke,WU Yang-yang

(College of Food Science and Technology,Guangdong Ocean University,Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety,Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution,Zhanjiang 524088,China)

In order to study the relationship between water distribution and quaiity of tilapia fillets affected by different ultrasonic wave(200,250,300,350,400,450 and 500 W),the thawing time,thawing loss,pH,TBA value,Ca2+-ATPase activity,transversal relaxation time T2were measured,and the correlations between water distribution and quality were also analyzed. The results showed that with the increasing of the ultrasonic wave(except the 300 W),the A21of immobilized water increased pronouncedly(p<0.05).The pH,TBA value,Ca2+-ATPase activity had a significant negative correlation with thawing time and thawing loss(p<0.01).Also there was a negative correlation between TBA value with T22(p<0.05).Compared with the control(the running water thawing),the 450 W of ultrasonic wave was more suitable to maintain the quality of tilapia fillets through thawing time,thawing loss,Ca2+-ATPase activity improving respectively by 62.67%,56.04%,23.42%.The transverse relaxation time T21of immobilized water was shortest,indicated that the mobility of water was lowered and the water hoiding capacity was improved. So it is feasible to thaw the tilapia fillets by the appropriate conditions of ultrasonic and there is a better effect by the 450 W of ultrasonic wave.What’s more,the results will provide reference on application in the same kind of frozen aquatic products thawed by ultrasonic wave.

ultrasonic wave;thaw;chitosan film;tilapia fillets;water distribution;quality

2016-07-20

马超锋(1989-),男,硕士研究生,研究方向:水产品高值化加工与利用,E-mail:Macf050608@163.com。

*通讯作者:关志强(1956-),男,硕士,教授,研究方向:食品冷冻冷藏工程,E-mail:mmcgzq@163.com。

广东省海洋渔业科技与产业发展专项(A201508C10);广东省科技计划项目(2014A020208115)。

TS254.4

A

1002-0306(2017)02-0332-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.056