不同品种金枪鱼肌肉组织的热物理特性

摘 要：为研究不同品种金枪鱼肌肉组织的热物理学特性，对5 个品种金枪鱼的背部与腹部肌肉进行主要营养成分测定与运用差示扫描量热的方法研究相变过程热特性，同时进行相关性与聚类分析。结果表明：金枪鱼肌肉的比热随温度升高而升高，在融化过程中出现峰值后回归稳定，不同品种金枪鱼的比热值相差不大；通过聚类分析可将样品分为3 类，可以根据聚类分类特点指导解冻工艺，以进行差异性的解冻工艺与设备研发。

关键词：金枪鱼；比热容；差示扫描量热；相变；聚类分析

Abstract： In this study， our aim was to evaluate the thermophysical properties of muscles from different species of tuna. The main nutritional components of back and abdominal muscles from five different species of tuna and their thermophysical properties during freezing and melting were examined using a differential scanning calorimeter （DSC）. Meanwhile， correlation and cluster analyses were carried out. The results showed that the specific heat of frozen tuna muscle samples increased with increasing temperature， reaching a peak， and then remained stable during the melting process. Only a slight difference in specific heat existed among different species of tuna. Through cluster analysis， these tuna samples from different species could be divided into three classes， which may provide a guideline to develop thawing conditions and equipment for frozen tuna.

Key words： tuna； specific heat capacity； differential scanning calorimeter （DSC）； phase transition； cluster analysis

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201704001

中圖分类号：TS254.1 文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2017）04-0001-05

引文格式：

贡慧， 陶瑞， 杨震， 等. 不同品种金枪鱼肌肉组织热物理特性研究[J]. 肉类研究， 2017， 31（4）： 1-5. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201704001. http：//www.rlyj.pub

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金枪鱼是一种分布于中、低纬度海洋区域外海的大、中型中上层的鱼类，具有很高的经济价值[1-2]。一些品质较高的金枪鱼品种常作为高端生食料理的食材[3-4]，其口感圆润绵软，味道清新无腥味，回味甘甜留香[5-6]，被广大食客所推崇。为保证生食金枪鱼的品质，通常需要采用低于-50 ℃的超低温冻藏手段，否则很容易发生肉色的劣化与口感的下降[7-8]。因此，解冻就成为了生食金枪鱼走上人们餐桌的最后一步工艺。然而一般的解冻工艺通常的解冻起点为-18 ℃，并不能满足-50 ℃甚至更低温度冷冻的生食金枪鱼的解冻要求[9-10]。为了还原生食金枪鱼的优良品质，研究开发满足其以超低温温度为起点的、保持高品质的解冻工艺就成为了生食金枪鱼产品开发的技术瓶颈[11-12]。金枪鱼肌肉组织的热物理特性是研发金枪鱼超低温解冻工艺的关键物理参数，可为其提供重要的理论依据。

针对食品的热物理特性理论研究主要依靠一些经验公式，很难进行理论计算，所以热特性的研究多依靠实际测量[13-14]。而目前，关于食品的热特性研究多集中于谷物、粮食等淀粉含量较高的食材，用于进行其淀粉糊化以及其他相关变化与工艺研究[15-17]，而其他食材如蔬果类的热特性研究则主要关注于其仓储条件下热特性参数对其品质的影响[18-19]。关于各类鲜肉组织的热物理特性参数研究较少[20]，多数集中于蛋白质[21-22]或脂肪热特性[23-24]与盐溶蛋白凝胶特性等[25-27]研究，针对肌肉组织冷冻与融化过程的热物理特性参数的研究鲜见报道，有关金枪鱼的研究则更少。

肌肉组织的热物理特性参数包括比热、相变焓与相变温度等。本研究以金枪鱼生食产品为对象，采用差示扫描量热法（differential scanning calorimeter，DSC）检测分析不同种类金枪鱼不同部位肌肉组织的比热、相变焓与相变温度等热特性参数及其与理化成分的相关关系，可为超低温冻贮金枪鱼新型解冻工艺研发及参数优化提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

5 个品种金枪鱼 北水嘉伦有限责任公司；-55 ℃冻藏备用。

三氯乙酸、氯化钠、氢氧化钠、无水硫酸钠、乙醇、海砂、硼酸、甲基红、溴甲酚绿、浓硫酸 北京化工厂；14%三氟化硼-甲醇溶液 上海安谱有限公司；0.2 mol/L标准盐酸 国家化学试剂质检中心；甲醇（色谱纯）、正己烷（色谱纯） 德国Meker公司。

1.2 仪器与设备

UDK159凯氏定氮仪 意大利Velp公司；Q2000型差示扫描量热仪 美国TA公司；立式离心机 美国热电公司；电热恒温干燥箱 上海大华仪器设备厂；旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 金枪鱼主要营养成分含量测定

水分、粗蛋白的測定分别按照GB/T 9695.15—2008《肉与肉制品 水分含量测定》[28]与GB/T 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》所述方法[29]，脂肪的测定按照文献[30]所述方法。

1.3.2 金枪鱼热物理特性测定[13，31]

相变焓与相变温度：称取金枪鱼样品8～10 mg放入坩埚，以30 ℃为起点，以5 ℃/min的速率降温至

-60 ℃，反复1个循环得到金枪鱼的热流曲线，通过对热流曲线的积分处理得到相变温度与相变焓。每个样品进行3 次实验，取3次实验平均值作为最终结果。

比热：先用2 个空白坩埚在-60 ℃保持5 min，然后以10 ℃/min的速率升温到30 ℃，在此温度条件下保持10 min获得基线，然后将标准物蓝宝石样品放入样品端坩埚内，在同样的条件下获得标准样品曲线，最后在同样的条件下测定金枪鱼样品的DSC曲线，金枪鱼的取样量为8～10 mg。测定DSC曲线之后采用以下公式计算比热。

式中：Cp为样品比热/（kJ/（kg·K））；mstd为标准物质质量/mg；ms为样品质量/mg；DSCs为样品热流信

号/mW；DSCb为空白热流信号/mW；DSCstd为标准物质的热流信号/mW；Cp，std为标准物质比热/（J/（g·K））。每个样品至少进行3 次实验，取3 次实验平均值作为最终结果。

1.4 数据处理

使用Excel 2007对数据进行统计分析，利用SPSS 19.0统计软件进行方差分析，标记字母法表示组间差异显著性，并选用Q型聚类法，以欧式距离平方作为距离的测度方法，以离差平方和法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 金枪鱼主要营养成分分析

5 个品种金枪鱼背部与腹部的主要营养成分分析结果如表1所示。

由表1可知，5 种金枪鱼的腹部脂肪含量均不低于背部，特别是黑鳍和剑鳍金枪鱼的腹部脂肪含量达到16%以上；5 种金枪鱼的蛋白质含量除剑鳍背部外均高于20%，黑鳍背部与马苏腹部的蛋白质含量超过了25%；水分含量上，剑鳍与黑鳍腹部较低，在60%左右，其他品种与部位均高于70%，这与剑鳍和黑鳍腹部的脂肪含量较高有直接关系。由于脂肪与水分自身热特性的差异，其含量的相对高低会影响金枪鱼冷冻与融化相变时的相变温度与相变焓；而蛋白质对水分有束缚作用，使水分不容易发生相变，所以蛋白质含量的高低对相变参数也会有重要影响。

2.2 金枪鱼肌肉组织热物理特性分析

分别对5 种不同品种金枪鱼的背部与腹部样品进行了相变过程中的热特性参数测定，具体测定结果如表2所示。本研究中进行的相变实验过程分别为冻结与融化过程，冻结过程测定了样品的冻结温度与冻结相变焓，融化过程测定了融化温度、融化峰温、融化终止温度与融化相变焓4 个参数。因为相对于冻结，本次研究更加关注于金枪鱼的融化过程，以指导后续研究中的金枪鱼解冻工艺的设计与解冻装置的研发，所以融化过程中测定的参数相对较多。

由表2可知，冻结过程中，5 种金枪鱼的背部样品的平均冻结温度为-8.39 ℃，变幅超过2 ℃；而腹部样品的平均冻结温度为-9.03 ℃，变幅小于1 ℃，说明相对于背部样品而言，5 种金枪鱼腹部样品的冻结温度更相近，这可能与腹部样品的蛋白质含量相对较接近有关。5 种金枪鱼背部样品的平均冻结相变焓为163.25 J/g，腹部样品为153.46 J/g，因此在冻结过程中背部样品将比腹部样品放热更多，这可能与背部样品的水分含量相对较高、油脂含量相对较低有关。融化峰温是融化过程中热流到达峰值时的温度。融化过程中，样品中脂肪和蛋白质的含量会影响融化峰温。尽管不同样品融化峰温有所不同，但都介于-0.04～0.78 ℃，与纯水的融化峰温相接近，说明样品融化过程是以水分的融化迁移为主体的过程。融化温度则是金枪鱼样品融化的起始温度，也即热流由缓慢上升转为迅速上升的拐点温度，反映的是金枪鱼肉中束缚水或非自由水的相变。所有样品的融化温度均在

-3.1～-2.7 ℃之间，在研究金枪鱼的解冻工艺以及解冻后的低温保鲜时，应重点考察融化温度至0 ℃温度区间内解冻及贮藏工艺参数对金枪鱼品质的影响。融化相变焓同样是背部样品高于腹部样品，这与样品的含水量和脂肪含量有一定相关性。

不同品种金枪鱼的背部与腹部样品在不同温度下比热变化如表3所示。

由表3可知，金枪鱼肌肉的比热在融化之前随温度的升高而缓慢增加，融化之后比热趋于稳定且高于融化前的比热。究其原因，可能是因为经过融化这一相变过程是水分、蛋白等分子从有序向无序转化的过程，因而样品的比热变化趋势与冰融化为水的趋势相似。融化温度附近时比热达到峰值，也就是分子无序运动最强烈的时刻，当相变完成时分子运动回归平稳，但比冷冻状态活跃，因而造成了比热较冷冻状态时的上升。

2.3 金枪鱼肌肉组织营养成分与热特性参数相关性分析

5 种金枪鱼背部与腹部样品的主要营养成分与热特性参数的相关分析如表4所示。水分、脂肪、蛋白质含量与融化温度、融化终止温度相关性不显著。但水分含量与冻结相变焓和融化相变焓显著正相关，脂肪含量与冻结相变焓和融化相变焓呈显著负相关。由此可见，金枪鱼的热特性参数，尤其是相变焓与水分、脂肪的含量相关性明显，而与蛋白质含量间接相关。因为蛋白质对水分的束缚作用会影响水分的自由度，进而影响样品的热力学特性。

2.4 基于热物理特性参数的不同品种金枪鱼聚类分析

基于金枪鱼的热物理参数，利用离差平方和法对5 种金枪鱼的背部与腹部样品进行聚类分析，以欧式距离为1时将参试样品分为3 个类群，结果如图1所示。

由图1可知，第1类群有5 个样品，即黑鳍背部、马苏腹部、大目腹部、黄鳍腹部与剑鳍背部；第2类群有2 个样品，即大目背部与黄鳍背部；第3類群有3 个样品，即黑鳍腹部、剑鳍腹部与马苏背部。经聚类后的3 类样品热特性参数如表5所示。第2类的水分含量最高、脂肪含量最低、蛋白质含量最低、相变焓最高、融化温度最高；第3类的脂肪含量最高、水分含量最低、相变焓最低；第1类与第3类的蛋白含量接近，融化温度接近也较低。从聚类结果可发现，金枪鱼的热物理特性参数与水分、脂肪、蛋白质的相对含量关系密切，水分含量高的样品相变焓较高；蛋白质可以影响水分在其附近的束缚情况，蛋白质含量高则可以束缚更多的水分成为不易冻结水，使得冻结温度高，融化温度低，更容易开始融化。可以据此针对不同蛋白质与水分含量的样品设计不同的解冻工艺。

3 结 论

本研究对5 个品种金枪鱼背部与腹部肌肉样品的主要营养成分与相变过程中热特性参数进行了测定，分析了它们之间相关性同时进行了聚类分析，发现对于金枪鱼样品，水分含量与脂肪含量可以直接影响相变过程中的相变焓，蛋白质含量可以通过影响对水分的束缚状态，间接影响样品的融化温度，从而影响金枪鱼解冻过程。在大批量解冻过程中，DSC测量出的融化温度差别可能会被放大数倍，这样对蛋白质含量较高的样品可以适当提高解冻温度，以满足需求且降低能耗。除此之外，通过本研究应重点考察融化温度至0 ℃温度区间内解冻及贮藏工艺参数对金枪鱼品质的影响，进一步细化解冻工艺研究。通过对不同热特性金枪鱼样品的研究，为超低温冻贮金枪鱼解冻工艺的研究提供了充分的理论依据，可以差异化地研究解冻工艺对其品质的影响，减少实验工作量与样品的消耗，更有效率地建立差异化的解冻工艺模型，以指导实际应用，建立理论参数与实际工艺间的联系。

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