通电加热下频率、温度对草鱼鱼块和鱼皮电导率的影响

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(上海海洋大学食品学院,食品科学与工程国家级实验教学示范中心(上海海洋大学),食品热加工工程中心,上海 201306)

通电加热下频率、温度对草鱼鱼块和鱼皮电导率的影响

张烈,程裕东*,金银哲*

(上海海洋大学食品学院,食品科学与工程国家级实验教学示范中心(上海海洋大学),食品热加工工程中心,上海 201306)

为探索通电加热作为淡水鱼类加工方式的可行性,以草鱼为研究对象,采用LCR测量仪,测定了经50 Hz,20 V交流电加热后,草鱼鱼块(并联、串联)、碎鱼肉、带皮鱼块样品在10～80 ℃温度范围、50～20 kHz频率范围内的阻抗值,并计算样品电导率。实验结果表明,三种样品(并联及串联鱼块、碎鱼肉)的电导率均呈现出随频率增大而增大、随温度升高而升高的趋势,其中,受鱼块内部膜方向的影响,并联、串联样品电导率有显著差异(p<0.05);碎鱼肉样品消除了鱼肉内部膜的影响,其电导率值介于并联、串联样品之间。带皮鱼块样品由于鱼皮的存在,比起其他样品有不同的电导率值,鱼皮平行于电流放置时电导率值高于鱼皮垂直电流放置的值。

通电加热,草鱼,电导率,鱼皮,频率,温度

食品的加热按其导热方式可以分为两类:表面热传导加热,通过介质,如热空气、水、远红外辐射等传递热能;利用电能,包括通电、微波加热等,直接产热[1]。

材料由于具有导热性,在通电时发热的现象广义上称为通电加热。通电加热(ohmic heating,OH)又称欧姆加热或电阻加热(resistance heating)。其导电方式是离子的定向移动,如食品中的电解质溶液或熔融的电解质等[2]。相较于传统热加工,通电加热有加热迅速且均一、能量转换率高等优点[3]。电导率是通电加热研究中的重要参数,体现了食品调节内部电流的能力和在电场中的表现。

关于不同类别食品材料的通电加热,已有很多报道。有液态类食品,Darvishi等人[4]用场强30～55 V/m的电压加热石榴汁,发现场强对加热速率、电导率、系统总耗均有影响,并得出一组线性模型,以描述石榴汁加热过程中的电导率变化,相关性良好;有固液混合态食品,杨铭泽等人[5]将10 mm的猪肉方丁置于食盐溶液中,分别经通电和电炉加热煮制后测定品质,发现相同时间下,通电加热煮制的猪肉口感更好;Engchuan等人[6]将猪肉丸置于蒸馏水中,进行传统加热及两种不同速率的通电加热(4.9 ℃/min和24.5 ℃/min),发现以4.9 ℃/min速率加热后肉丸质感更好;Tad等人[7]对比了几种热带鱼鱼糜经通电和水浴加热后的凝胶、破断强度等,发现通电加热后样品有更高的凝胶强度、破断力,较好的持水率、色泽,加热时间更短。这些研究阐述了不同食品的通电加热特性,为其应用提供了基础;但目前的报道中,没有关于淡水鱼鱼块及鱼皮电导率的研究。

在通电加热时,电压、频率、温度[8-10]等外部因素,水分、脂肪、肌肉筋膜、样品尺寸[11-13]等内部因素均会影响食品的电导率。本研究以我国四大家鱼之一草鱼为对象,选用50 Hz,20 V交流电加热草鱼鱼块(并联、串联)、碎鱼肉、带皮鱼块样品,温度范围10～80 ℃,利用LCR仪测定50～20 kHz频率段内样品的阻抗值(50 Hz为我国家用交流电频率,20 kHz为工业上通电加热常用频率),计算样品电导率,分析其对温度、频率的依存性,对比不同样品的差异,深入了解草鱼的通电加热特性,探讨通电加热作为草鱼加工方式的可行性。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

1.1.1 鱼块样品 鲜活草鱼 上海市浦东新区古棕路农工商超市,在实验室宰杀,去头尾、内脏,洗净,置于-20 ℃冰箱(TOSHIBA电器有限公司)中冷藏。测量前将鱼肉取出,切成方块,尺寸为2 cm×2 cm×2 cm(长×宽×厚),作为鱼块样品备用,操作过程中未进行切割的样品及已切好的鱼块置于冰中;待样品准备完毕,将其放入湿度78%,温度10 ℃环境中进行恒温(恒温恒湿培养箱,SH-241),样品中心温度到达10 ℃后,开始测量。由于样品内部肌肉筋膜对测量结果有一定影响[14],将鱼块分为并联、串联两种模式进行研究,其中,并联指样品内的膜平行于电流方向;串联则是指样品内部的膜垂直于电流方向,如图1所示。

1.1.2 碎鱼肉样品 鱼肉样品中的肌肉筋膜可能影响其电导率,为了解去除肌肉筋膜的影响后样品的通电加热表现,将-20 ℃下冷藏的草鱼样品取出,去皮、进行切碎处理,制成碎鱼肉样品进行测定。切好后的碎鱼肉放在与鱼块样品相同的初始条件下,待中心温度达到10 ℃时,进行测量。

1.1.3 带皮鱼块样品 在实际加工消费中,不仅有纯鱼肉食品,也有带皮鱼肉产品,对其电导率的研究可以完善草鱼的通电加热特性。为测定草鱼鱼皮对鱼块电导率的影响,取冷藏草鱼的腹部肉,切成2 cm×2 cm×1 cm(长×宽×厚)的带皮方块,进行拼接,拼接时参照并联、串联鱼块样品,将鱼皮放置为平行于电流(A)、垂直于电流(B)两种方式,参考图1。初始温度及加热方式与鱼块样品相同。

图1 并联、串联鱼块及带皮鱼块示意图Fig.1 Scheme of parallel(a),series(b)fillet samples, fillet sample with skin A and B

1.2实验设备

1.2.1 通电加热装置 通电加热自制装置示意图如图2下。长方体加热腔体由聚乙烯材料与绝缘胶带制成,长2 cm,宽2 cm,高3 cm,样品放入其中,上下盖上厚度为0.5 cm的聚乙烯盖子。钛电极作为导电极板,与样品接触。通过调压器调节加热电压(德力西单相调压器TDGC2-2 kva),调压器输出端通过鳄鱼夹(好奇实验用品旗舰店)与极板链接。将K型热电偶(THERMIC MODEL 2100A,ETO DENKI公司)穿过盖子上的小孔,插入样品,在距样品上表面1 cm,几何中心处监控温度,每次加热完毕后,取下鳄鱼夹,将极板两端连接LCR测量仪(日置公司,3532-50),测定样品阻抗值。

图2 通电加热装置示意图Fig.2 Scheme of ohmic heating apparatus

1.2.2 通电加热方法 测量前,将鱼块样品放入恒温恒湿培养箱中进行恒温,当中心温度到达10 ℃时,将样品取出,迅速放入加热腔体内,盖上盖子,调节加热电压至20 V,将热电偶置于样品中心以监控温度。以10 ℃为间隔,分别将样品加热至20、30、40、50、60、70、80 ℃,待样品加热至指定温度后,通过LCR测量仪测定在50～20 kHz频率范围内样品的阻抗值。每个温度进行三次平行实验。

1.3电导率

电导率是通电加热研究中的重要指标(阐述电导率的表征意义,计算方法,重要性。其表征了一种材料调节电流移动的能力,是电流密度与电场强度的比值,单位西门子每米(S/m),计算公式[15]如下:

式(1)

其中,L：极板之间的距离,m;A：样品与电极之间的接触面积,m2;R：样品的电阻,Ω,与样品的阻抗值Z数值相同,通过LCR测试仪测定所得。每组实验重复三次。

1.4数据处理

实验数据采用Origin 8.0及Microsoft Excel 2010进行处理、分析,采用t-test检验显著性。

2 结果与讨论

2.1草鱼鱼块的电导率

根据式(1)可知,食品样品的电导率是与样品阻抗值、加热极板与样品接触面积相关的变量,本实验中,极板间距、样品与极板接触面积为定值,样品阻抗值随着实验条件变化,导致电导率的改变。

如图3所示,草鱼鱼块样品的电导率与频率、温度有一定的相关性。并联、串联样品的电导率,在50～20 kHz频率范围内,均呈现了随频率增大而增大的趋势。在较低温度范围内(10～40 ℃),电导率在频率低于5000 Hz时增速较快,在5000 Hz之后增速有所减慢;在高温范围内(50～80 ℃),样品电导率随频率不断增长,同样在5000 Hz增速发生下降;而当频率达到10 kHz后,样品电导率值有一定的下降。这是因为在低频率范围内,有细胞结构的组织存在α分布机理,当施加电压时,细胞膜通透性的改变会导致细胞膜上离子移动的通道增加,细胞结构导电性增强;然而,在高于5 kHz的频率范围内,存在β分布机理,细胞膜逐渐失去通透性,表面形成的双层离子结构不能够在这样的高频率下提供电容性电抗,造成细胞导电性比起低频下的值有所降低[15]。

图3 50～20 kHz频率范围内经20 V交流电加热后并联(a)、串联(b)鱼块样品电导率Fig.3 Electrical conductivity of parallel(a)and series(b)fillet samples under 50～20 kHz after 20 V ohmic heating

图4 10～80 ℃范围内,并联、串联样品在50、20 kHz下的电导率对比Fig.4 Electrical conductivity of parallel and series fillet samples at 50 Hz and 20 kHz among 10～80 ℃

如图4所示,对比50、20 kHz下两种样品的电导率数值,发现在同一频率下,样品电导率随着温度升高而升高,并且在所有温度范围内,20 kHz频率下的样品都具有更高的电导率值。经通电加热后样品电导率的增加,主要是因为样品中离子移动性增强,这也成为连续通电加热的一个研究重点[16]。温度升高、频率增大都会使样品内部的离子移动更加剧烈,使得样品具有更强的导电性,呈现随温度、频率升高而增大的规律,这种变化趋势在其他研究中也有所体现[17]。

考察并联、串联样品在10～80 ℃下的电导率对温度的依存性,发现其增长趋势基本相同,均随着温度升高而增大。同一温度下并联样品的电导率值较高,20 Hz下的电导率值比50 Hz下的高约0.3～0.7 S/m,总体电导率数值在0.1～1.2 S/m范围内,与猪肉的电导率有近似范围[18]。由于并联样品内膜平行于电流方向,膜的存在对于样品内部离子移动的阻碍相对较小,致使样品有较高电导率;串联样品内膜垂直于电流方向,对离子运动阻碍较大,电流相对不易通过样品,从而电导率小于并联样品。两种样品电导率的差别也可以从图5所示的加热时间上体现,并联样品在加热时,电流更容易通过,故加热时间更短。

图5 并联、串联样品加热时间对比Fig.5 Heating time of parallel and series fillet samples

2.2碎鱼肉电导率

为消除鱼肉内部膜对样品电导率的影响,制备碎鱼肉样品,并测定计算其电导率。如图6所示,在50～20 kHz频率范围内,碎鱼肉的电导率呈现了与2.1中鱼块样品相同的变化趋势。考察50、20 kHz下样品电导率随温度变化的情况,发现其电导率也显示出了温度升高,电导率随之增大的趋势,在全温度范围内,20 kHz下碎鱼肉样品的电导率高于50 Hz下的值,说明了频率的影响。对所得数据进行线性拟合,如图7所示,50 Hz下R2=0.9641,20 kHz下R2=0.9906,拟合度较高。

图6 50～20 kHz频率范围内经20 V交流电加热后碎鱼肉样品电导率Fig.6 Electrical conductivity of minced fish samples under 50～20 kHz after 20 V heating

图7 经20 V交流电加热后碎鱼肉样品在50 Hz,20 kHz下的电导率Fig.7 Electrical conductivity of minced fish samples at 50 Hz and 20 kHz after 20 V heating

将碎鱼肉在两个频率下的电导率值与并联、串联样品的值对比,发现碎鱼肉的测量值介于并联、串联的值之间,说明膜的存在不影响样品电导率的变化趋势,但是对数值有一定影响。当肉的纤维与电场平行时,离子在纤维方向运动,阻力较小,所以电导率较大;而当肉纤维方向垂直电场方向时,离子要穿过肌纤维膜和结缔组织膜,这使得离子在肉内的运动阻力增大,所以,电导率最低;对于肉泥样品,纤维结构被破坏,离子在电场中运动比纤维垂直电场时,所受的阻力减小,但又没有纤维平行电场时畅通,所以电导率介于二者之间[19]。在本研究中,鱼块样品中膜的方向极大影响了离子运动的阻力,从而造成了并联、串联样品数值上的差异;对于碎鱼肉样品,由于膜被破坏,离子运动所受阻力介于并联、串联样品之间,从而其电导率也介于两者之间。

2.3带皮鱼块样品电导率

为考察鱼皮对草鱼电导率的影响,选择腹部带皮鱼肉进行拼接,测定其电导率,方法与其他样品相同。在进行拼接时,A组样品模拟并联样品,将鱼皮平行于电流方向放置,B组样品模拟串联样品,将鱼皮垂直于电流方向放置。从图8可以看出,在10 ℃下,拼接鱼块样品的电导率均随着频率增长而保持增长,其中,并联样品具有最大的电导率,串联样品与A组样品电导率接近,B组样品电导率最小,说明鱼皮的存在影响了拼接鱼块的电导率值,与肌肉内膜近似,鱼皮与电流的相对方向对结果有很大的影响。对比四组样品80 ℃下的测量值,发现样品电导率先随频率的增长而增长,在10 kHz左右随着频率的增大而降低。其中,并联、串联样品在高温下电导率值接近,但并联样品仍有最高值,拼接样品低于两者,A组样品的电导率仍大于B组样品。目前还没有考察鱼皮对鱼肉电导率影响的相关报道。

图8 10、80 ℃下带皮鱼块A、B与并联、串联样品电导率Fig.8 Electrical conductivity of samples with skin(A,B) and parallel and series samples at 10 ℃ and 80 ℃

3 结论

电导率是食品通电加热研究中的重要指标,体现了食品样品调节电流移动的能力。经通电加热后的草鱼鱼块,不论样品内部膜与电流相对方向为垂直或平行,样品的电导率都呈现了一定的温度、频率依存性,在同一温度下,随频率的增大而增大,在同一频率下,随温度的升高而升高,且高温度范围和低温度范围内电导率的变化趋势不同;与金枪鱼通电加热特性相比[14],两种鱼肉样品的电导率均随温度、频率升高而增大,但变化规律有所不同,且由于成分的差异,草鱼鱼块的电导率数值较低。为消除鱼块样品内膜对电导率的影响,对碎鱼肉样品的电导率进行了考察,发现了相似的增长趋势,且其电导率数值介于并联、串联样品之间。为考察鱼皮对草鱼电导率的影响,进行了拼接鱼块实验,其电导率变化趋势与普通鱼块样品相同,不同拼接模式下,鱼皮对其电导率有影响。本研究为草鱼通电加热下的电导率提供了一定的理论基础,通电加热是一种优良的食品热加工手段,未来的研究可以基于装置设计、样品处理、条件控制等,从而达到更好的加工效果,提高草鱼资源的利用率。

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Effectsoffrequencyandtemperatureontheelectricalconductivityofgrasscarp(Ctenopharyngodonidella)filletsandskinunderohmicheating

ZHANGLie,CHENGYu-dong*,JINYin-zhe*

(College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Engineering Research Center of Food Thermal-processing Technology,National Experimental Teaching Demonstration Center for Food Science and Engineering(Shanghai Ocean University),Engineering Research Center of Food Thermal-processing Technology,Shanghai 201306,China)

To verify the feasibility of ohmic heating(OH)as a food thermal processing method for freshwater fish,grass carp,which is one of the four domestic Chinese carps,was used as the object. The impedance of grass carp fillets(parallel,series),minced fish and samples with skin were measured with a LCR meter under 50 Hz～20 kHz after being heated via 50 Hz,20 V alternating current within a temperature range of 10～80 ℃,afterwards the electrical conductivity(EC)of all the samples were calculated and analyzed. The results showed that all samples displayed a tendency that EC increased with rising temperature and frequency. To fillets samples,due to the existence of membrane and its different direction against the electric current,there was significant difference between EC of parallel and series samples(p<0.05). The EC of minced fish was among the value of parallel and series samples with eliminating the influence of muscle membrane. The sample with skin showed distinct range of EC when compared with other groups of samples,which was influenced by skin,and electrical conductivity was higher when the skin was parallel to the current.

ohmic heating;grass carp;electrical conductivity;fish skin;frequency;temperature

2017-02-20

张烈(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：草鱼的通电加热，E-mail：zhanglietiger@163.com。

*通讯作者:程裕东(1961-)，男，博士，研究方向：食品热加工，E-mail:ydcheng@shou.edu.cn。 金银哲(1977-)，男，博士，副教授，研究方向：食品热加工，E-mail：yzjin@shou.edu.cn。

上海高校知识服务平台(ZF1206)。

TS254.1

:A

:1002-0306(2017)17-0065-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.013