超声波辅助渗透海藻糖 提高冷冻干燥罗非鱼片品质的工艺优化

任婷婷,关志强,李 敏

(1.广东海洋大学食品科技学院,广东湛江 524088; 2.广东海洋大学机械与动力工程学院,广东湛江 524088)

罗非鱼是高蛋白和低脂肪的鱼类之一,是我国的优势出口水产品之一,近十年来,我国罗非鱼产量以平均每年9%左右的速度递增,居世界第一[1]。我国罗非鱼产量高,但罗非鱼容易腐烂,因此通过加工处理来提高罗非鱼的品质和提升水产品的高值化显得尤为重要。我国目前已有很多水产品加工保鲜技术,而真空冷冻干燥技术可以尽可能地保持物料原有的理化性质和结构品质[2-3],通过进一步的优化预处理工艺条件能够使干燥后的产品得以长期保存。

海藻糖作为一种天然的非渗透性冻干保护剂,具有稳定蛋白质结构和生物结构、对抗多种有害刺激损伤、提高抗冻保水效果、持水能力和凝胶冻融稳定性的作用[4-7]。超声波除了能够辅助海藻糖渗透,还有利于物质的提取,超声波在食品干燥预处理中应用不仅可以改变材料的组织结构,还可以降低材料的含水率,另外,还可以降低能源的消耗和干燥产品质量的变化[8]。通过超声波辅助海藻糖渗透结合的作用,能达到提升冻干品质、优化冻干工艺的目的。Xin等[9]研究海藻糖和超声辅助渗透脱水对玻璃化转变温度的影响,结果发现与正常渗透相比，超声辅助作用时间短,可以得到较高的玻璃态转变温度Tg。李敏等[10]研究不同功率超声波预处理对罗非鱼片冻干性能的影响,结果表明，450 W超声波预处理的样品品质较优。国内外对海藻糖辅助超声波预处理对罗非鱼片冻干品质的影响的研究未见报道。

本实验为获得超声波辅助渗透处理较优的工艺条件,以罗非鱼为研究对象,利用单因素实验研究了海藻糖浓度、超声波功率和超声波作用时间对冻干罗非鱼片的品质的影响,并结合响应面试验,对超声波辅助渗透海藻糖的预处理工艺条件进行优化,以期为改善同类产品的冻干加工工艺提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

罗非鱼 湛江市麻章区湖光市场;海藻糖(食品级) 恒源食品添加剂有限公司;三磷酸腺苷酶活性测定试剂盒、考马斯亮兰蛋白测定试剂盒 南京建成生物工程研究所。

LGJ-10E型冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂有限公司;KQ-500DE数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;125均质机 上海依肯机械设备有限公司;HH.S21-6电热恒温水浴锅 上海博讯实业有限公司;GTR22-1高速冷冻离心机 北京时代北利离心机有限公司;UV-8000A双光束紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;CR-10手持色度仪 日本柯尼卡美能达控股有限公司;TMS-PRO质构仪 美国FTC公司;JJ600电子天平 常熟市双杰测试仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备 参考吴阳阳等[11]的操作方法,取罗非鱼两侧的肉切成100 mm×50 mm×6 mm的规格,约重30 g,浸入盛有海藻糖的烧杯中,并放入超声波仪器中，进行超声波辅助浸渍试验,最后将预处理好的罗非鱼片进行真空冷冻干燥,设置预冻温度-60 ℃,预冻时间2 h,干燥阶段真空室压力为10 Pa,冷阱温度-60 ℃,隔板加热温度36 ℃,当物料温度接近隔板温度3～5 ℃时,升华干燥完成,升华干燥时间10 h,继续解吸干燥2 h，干燥完成。

1.2.2 单因素实验 固定超声功率400 W,超声时间50 min,以不同浓度(0、10、30、50、70、90和110 g/L)的海藻糖为变量,研究海藻糖质量浓度对冷冻干燥罗非鱼片品质的影响;再固定超声时间50 min,海藻糖质量浓度50 g/L,以超声功率(0、250、300、350、400、450和500 W)为变量,研究超声功率对冷冻干燥罗非鱼片品质的影响;固定超声功率400 W,海藻糖质量浓度50 g/L,以超声时间(0、20、30、40、50、60和70 min)为变量,研究超声时间对冷冻干燥罗非鱼片品质的影响。分别按以上条件进行一系列超声波辅助浸渍预处理试验,以上试验条件为0时分别为各组试验的对照组。

1.2.3 响应面优化试验 综合单因素试验的结果,通过Box-Behnken试验设计，选择最佳范围的海藻糖浓度、超声波功率和超声波时间为自变量,设计三因素三水平响应面试验因素水平表,见表2。

表2 响应面试验因素水平表Table 2 Factors and levelsTable of RSM design

1.2.4 冻干罗非鱼片品质指标的因素水平测定方法

1.2.4.1 复水率的测定 参照李敏等[12]的试验和计算方法,取部分冻干罗非鱼片在40 ℃的水浴锅中复水1 h,物料纸擦干表面水分后称量,根据复水率Wf公式(1)计算:

式(1)

式中:Wf表示复水率,g/g;ma表示冻干罗非鱼片质量,g;mb表示复水后罗非鱼片质量,g。

1.2.4.2 色泽的测定 用CR-10手持色度仪测定干燥后的罗非鱼片,根据Bai Junwen等测量白度指数(W)的公式[13](2)计算:

W=100-[(100-L*2)2+a*2+b*2]1/2

式(2)

式中:W表示白度指数;L*表示黑暗色(0)到明亮色(100);a*表示红色(+)到绿色(-);b*表示黄色(+)到蓝色(-)。

1.2.4.3 质构的测定 将复水后的罗非鱼片进行TPA分析[14],设置力量感1000 N,物料高度8 mm,形变量50%,测试速度60 mm/min,起始力0.5 N,两次下压时间间隔1 s,记录其硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性,峰值最大值表示硬度,最具有代表性,咀嚼性是硬度、弹性和胶黏性的乘积。

1.2.4.4 Ca2+-ATPase活性的测定 参照南京建成生物工程所研发的ATP酶测试盒说明操作[15],以25 ℃每毫克蛋白质在每分钟内所产生的无机磷的微摩尔数表示Ca2+-ATPase活性,单位:μmolPi/mgprot/h。

1.2.5 综合评分的测定

1.2.5.1 品质模糊数学模型的建立及权重的计算 指标的筛选:根据权重最大偏差根一致性指标作为评定指标,采用Saaty的1～9标度法建立两两比较判断矩阵,具体参照骆正清、杨善林[16]对标度法的研究。本试验筛选7个指标作为评价因子构成权重集:A={A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7}。A1,白度值;A2,复水率;A3,Ca2+-ATPase活性;A4,硬度;A5,弹性;A6,胶黏性;A7,咀嚼性。其中A4～A7为质构品质。

基于层次分析法模糊数学模型的建立:参照Li等[17]建立的特征向量矩阵的方法,将A1～A7采用Saaty的1～9标度法建立两两比较矩阵。依据指标层Y中的A4～A7对准确层X中X4的相对重要性建立比较矩阵,最终依据准则层X1～X4对目标层Z的相对重要性建立比较矩阵。利用MATLAB2014b计算得到矩阵,如表1所示。

表1 MATLAB分析比较矩阵及其一致性检验结果Table 1 Results of MATLAB analysis and consistency checks for comparsive matrixes

MATLAB分析比较矩阵中C.R.组合=0<0.1,检验指标满足一致性要求,通过计算得各因素的权重集={0.0781,0.1998,0.1998,0.0870,0.0870,0.0870,0.2611}。

1.2.5.2 品质综合评分的测定 将各个优化指标的值利用极差标准化法无量纲化处理,根据公式(3)、(4)计算。

式(3)

式(4)

将形成1～0的标准化数值结果与权重集做内积,即各指标综合评分。

1.3 数据处理与分析

数据均为三次平行实验平均值,IBM SPSS Statistics 22进行单因素显著分析,取95%置信度(p<0.05)为差异显著,Origin 8.0作图,用 MATLAB 2014b计算权重,通过Design-Expert 8.0.6软件进行响应面试验因素水平表设计、方差分析、建立二元多项回归方程和响应面作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 不同海藻糖浓度对冻干罗非鱼片品质的影响 不同海藻糖质量浓度的浸渍试验,其品质检测结果如图1所示,品质综合评分结果如图2所示。

图1 不同海藻糖质量浓度对冷冻干燥罗非鱼片品质的影响Fig.1 Effects of different concentrations of trehalose on the quality of freeze-dried tilapia fillets

图2 不同海藻糖质量浓度对冷冻 干燥罗非鱼片综合评分的影响Fig.2 Effects of different concentrations of trehalose on the comprehensive score of freeze-dried tilapia fillets

从图1中可以看出,经过海藻糖不同质量浓度处理的罗非鱼片综合评分显著优于对照组(p<0.05),这是因为海藻糖可以在干燥环境中保护生物膜、保护细胞对抗多种有害刺激和损伤,

增强细胞抗冻性等。图1a表明,复水率在海藻糖质量浓度30 g/L时最优,其值为0.649 g/g,这是因为此浓度可以维持鱼片较好的组织结构;海藻糖还可以解决冷冻随时间延长发生的收缩、硬化等引起的问题[18]。从图1b中可知,在30～50 g/L质量浓度之间的白度值较高且无明显差异(p>0.05),而高浓度渗透可以会使组织间隙中出现海藻糖晶体,反而使组织液反渗到样品表面,使白度值有所下降。图1c中海藻糖处理的罗非鱼片与对照组相比,硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性指标都有增加且变化趋势不一致,参照康彦[19]实验中的鲜鱼片的质构数据为标准,得出经冻干处理的罗非鱼片的各质构指标均有下降。由图1d可知,30～70 g/L的Ca2+-ATPase活性较好,最大值为2.455 μmolPi/mg prot/h,与对照组相比,海藻糖的渗入能较好地保护蛋白质的活性,说明适宜的海藻糖浓度能有效保护物料冷冻干燥过程中的蛋白质活性,提高鱼片的品质。图2中可以看出,50 g/L的海藻糖浓度为提高冻干罗非鱼片品质的最佳值。

2.1.2 不同超声波功率对冻干罗非鱼片品质的影响 不同超声波功率的处理试验,其品质检测结果如图3所示,品质综合评分结果如图4所示。

图3 不同超声功率对冷冻干燥罗非鱼片品质的影响Fig.3 Effects of different powers of ultrasound on the quality of freeze-dried tilapia fillets

图4 不同超声功率对冷冻 干燥罗非鱼片综合评分的影响Fig.4 Effects of different powers of ultrasound on the comprehensive score of freeze-dried tilapia fillets

由图3可知,经不同功率超声波处理的罗非鱼片的复水率、白度值和Ca2+-ATPase活性都极显著优于(p<0.01)对照组,图3a中450 W复水率最高,而图3b中400 W其白度指数最大,为75.22,且400 W与450 W之间存在显著性差异(p<0.05),高功率500 W超声波能产生热效应、机械应力破坏细胞微结构,使其细胞内溶物外渗,使得其白度值有所下降,王振宇[20]实验证明:较高的超声波振动能传递强大的能量产生空化作用,细胞破裂;图3c中,质构指标变化总体呈先升后降的变化,与对照组相比,超声波处理能显著提高罗非鱼片的硬度、咀嚼性和胶黏性等质构品质(p<0.05)，弹性则无显著性差异(p>0.05),与康彦[19]在试验中研究的新鲜罗非鱼样品相比,本实验超声波处理后，罗非鱼片的硬度降低,咀嚼性、胶黏性也有一定程度的下降,在超声波450 W处理时，罗非鱼片的硬度、咀嚼性、胶黏性指标下降最小，达到最优值。超声波处理的罗非鱼片其肌原纤维蛋白网状结构的疏水性残基暴露出来,蛋白与蛋白之间的作用加强,质构品质都有所上升;由图3d中所示,400～500 W处理的Ca2+-ATPase活性较高,研究表明,一定强度的超声波处理可以使酶及底物分子构象发生变化,提高酶的水解活性,朱少娟等[21]在超声波对胰蛋白酶水解酪蛋白的研究中证明了这一点。但是超声波的作用功率并非越高越好,高功率超声波导致机械的振荡,瞬时热效应增强,使部分蛋白质发生变性,乳化稳定性和溶解度都有所降低[22],因此,适宜的超声波强度处理物料可以有效提高冻干罗非鱼片的品质。图4中可以得出,超声波功率为450 W时为冻干罗非鱼品质的最适超声波强度,与文献[10]的实验结果一致。

2.1.3 不同超声波时间对冻干罗非鱼片品质的影响 不同的超声波作用时间处理的品质检测结果如图5所示,品质综合评分结果如图6所示。

图5 不同超声时间对冷冻干燥罗非鱼片品质的影响Fig.5 Effects of different time of ultrasound on the quality of freeze-dried tilapia fillets

图6 不同超声时间对冷冻干燥罗非鱼片综合评分的影响Fig.6 Effects of different time of ultrasound on the comprehensive score of freeze-dried tilapia fillets

从图5中可以看出,对照组比超声波处理过的鱼片复水率普遍显著偏低(p<0.01),50 min的复水率(图5a)最高,其值为0.654 g/g,整体趋势先增长后降低。图5b中50 min超声波处理的罗非鱼片白度值显著高于其他处理(p<0.05),超声波处理后的蛋白分子截留水分子,使得物料具有更好光泽,而长时间的超声波时间处理使蛋白质分子充分展开,表面疏水性增强,色素物质外流引起白度变差,使白度值降低,常海霞[23]在超声技术对草鱼的研究中有所证明。从图5c中看出,其各质构指标之间变化趋势各不相同,罗非鱼片硬度呈增长趋势,而弹性没有明显差异,胶黏性和咀嚼性先增后减,咀嚼性的下降是鱼肉硬度降低、弹性下降等综合作用的结果,一定超声波处理后疏水性残基的暴露有利于热凝胶化过程蛋白与蛋白间的相互作用,凝胶强度加强,质构品质加强。图5d可知,经超声波50～60 min处理过的罗非鱼片Ca2+-ATPase活性显著高于对照组(p<0.05),与谢明杰等[24]实验得出的适宜的超声波时间处理可以提高酶的活性的结论一致。适宜的超声波时间处理可以提高产品品质。从图6中可以看出,冻干罗非鱼的综合评分随超声波处理时间的增加呈先增后降的趋势,最优值为50 min,显著优于对照组(p<0.05)。

2.2 响应面试验

在2.1单因素试验的基础上,以表2响应面试验因素水平表设计15组试验,综合考虑各因素对检测指标的综合评分的影响(因综合评分公式(1)、(2)中max(Xtj)和min(Xtj)值在单因素与响应面中不同,两个试验的指标综合得分独立比较),采用Design-Expert 8.0.6数据统计软件设计方案及结果见表3。

表3 响应面实验设计与结果Table 3 Design and results of response surface experiment

2.3 响应面分析

方差分析结果见表4,响应面回归模型差异显著(p=0.0233);失拟性p=0.1776>0.05,表明失拟性不显著,试验的残差是由随机误差引起的;R2=0.9255表示模型能反映92.55%的响应面值的变化,拟合度较好[25];根据F值可得各因素对检测指标的综合评分的影响大小顺序为:超声时间B>超声功率A>海藻糖质量浓度C。根据各项回归系数可得出模型的二元多项回归方程:综合评分Y=0.60-0.043A+0.054B+0.037C-0.062AB-0.021AC-0.012BC-0.040A2+0.068B2-7.025E-003C2。

表4 Box-Behnken试验回归模型方差分析Table 4 ANOVA analysis for regression equation of Box-Behnken experiment

表4中可以得出,超声功率(A)和超声时间(B)的交互作用对冷冻干燥罗非鱼片品质的综合评分有显著性影响(p=0.0215<0.05),其响应面图和等高线图见图7,等高线形状越呈现椭圆两因素交互作用越显著,响应面曲面图的曲面程度越大表明两因素交互作用越显著[26],由图7可知,等高线图椭圆的形状和响应面的曲面程度说明两因素的交互作用显著,即超声波时间和功率两因素交互作用的增加表现为冻干罗非鱼片综合得分的增加。由等高线图可知,当海藻糖浓度一定时,随着超声波功率和超声波时间的增加,各因素的品质检测指标综合评分呈现先增加后降低的变化趋势,当超声波功率为450 W左右,超声波时间为54 min左右时,综合评分达到最大值;从曲面图中看出，超声波时间曲面变化比超声波功率的曲面变化程度大,说明超声波时间对品质综合评分的影响较超声波功率更显著。

图7 超声时间和超声功率交互影响对冻干罗非鱼片综合评分的等高线图及曲面图Fig.7 Response surface plot and contour plots of effects of B and C on the comprehensive score of freeze-dried tilapia fillets

2.4 验证试验及结果

通过Design-Expert 8.0.6软件进一步计算可得,该模型的最佳预测因素水平为:超声波功率453.31 W,超声波时间55.45 min,海藻糖质量浓度90 g/L,得到的综合评分预测值为0.6339。考虑到实验室实际的操作条件,设定超声波功率450 W,超声波时间55 min,海藻糖质量浓度90 g/L的条件下进行验证。通过验证试验得出的结果为:复水率(0.5983±0.0060) g/g,白度指数75.1287±0.2540,Ca2+-ATPase活性(2.4997±0.0113) μmolPi/mgprot/h,硬度(3.7433±0.0492) N,弹性(1.1753±0.0096) mm,胶黏性(2.3373±0.0193) N,咀嚼性(1.6763±0.0082) mJ,冷冻干燥罗非鱼片品质的综合得分为0.6229±0.0101,与理论值基本吻合,该试验模型可靠。

3 结论

本试验通过对优化超声波辅助渗透海藻糖对冷冻干燥罗非鱼片品质影响工艺的研究可知,以复水率、白度值、质构和Ca2+-ATPase活性的综合评分为指标,最佳条件为超声波功率450 W,超声波时间55 min和海藻糖质量浓度90 g/L,得出的冻干鱼片的复水率(0.5983±0.0060) g/g,白度指数75.1287±0.2540,Ca2+-ATPase活性(2.4997±0.0113) μmolPi/mgprot/h,硬度(3.7433±0.0492) N,弹性(1.1753±0.0096)mm,胶黏性(2.3373±0.0193)N,咀嚼性(1.6763±0.0082) mJ。各因素对检测指标的综合评分的影响大小顺序为:超声波时间>超声波功率>海藻糖浓度。优化后的试验条件,提高了罗非鱼片的冻干效率,其复水率、白度值、Ca2+-ATPase活性、硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性等品质值均有所增加,其综合评分实验值与理论值拟合度较高,为工业生产筛选出了鱼类等水产品的真空冷冻干燥的工艺操作条件奠定了基础,对同类产品的冻干加工工艺提供了理论支持。