海洋生物多糖/寡糖对鱼糜制品保水作用的研究

王雪芹 , 邢荣娥 , 于华华 , 李鹏程

(1. 中国科学院海洋研究所 实验海洋生物学重点实验室 海洋大科学中心, 山东 青岛 266071; 2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋药物与生物制品功能实验室, 山东 青岛 266237)

鱼糜食品因其美味可口, 营养价值高, 食用方便,日渐成为消费者餐桌上的新宠。但随着食品加工技术的发展, 消费者对于鱼糜食品的口感及外观要求也越来越高。鱼糜食品的保水性, 是衡量该品质的重要指标, 并对鱼糜的质地、弹性、嫩度、风味、多汁性、口感和出品率产生重要影响[1]。加工后所得的成品保持原来的水分越多, 不仅可以保证肉品的口感鲜嫩而且富有弹性, 还可以减少营养汁液成分和风味物质的流失。然而, 实际生产中, 鱼糜制品出水一直是个行业难题, 如真空包装产品出水; 产品内部形成孔洞和积水; 收缩膜包装的鱼肠食品在膜面下形成积水等[2]。对于肉类加工企业, 较低的保水性意味着较大的经济损失, 包括水分流失带来的经济损失和降低成品率带来的损失; 对于消费者, 保水性差会影响到原料肉在贮藏销售过程中的外观质量, 表面水分多, 往往颜色发白, 给人不新鲜的感觉, 且蛋白质易发生变性, 肉质易碎, 口感变粗糙[3]。我国是肉类加工大国,肉类工业发展迅速, 按3%的损失计算, 汁液损失达23万吨, 可造成直接经济损失20多亿元[4]。因此, 如何有效的减少鱼糜食品的水分流失, 同时又能保证产品质量和降低生产成本, 是鱼糜食品加工企业所关注的。

有关改善肉类保水性能方面的研究很多, 采用食品添加剂来提高肉类保水性是最为有效的方法,常用的保水剂有： 食盐、磷酸盐、大豆蛋白、食用胶、魔芋粉、玉米淀粉、木薯淀粉等[4]。尽管根据现有食品添加剂的国家标准(GB2760-2011)规定, 允许食品生产企业在规定使用量范围内可以在肉类、水产等食品中使用保水剂。 然而随着保水剂的广泛应用,肉类及水产食品时常会遭遇保水剂添加量超标的问题。据媒体报道, 去年深圳市小肥羊实业有限公司生产的超精猪肉丸被检出“复合磷酸盐”项目不合格。此前我国出口的水产品也曾多次遭遇过磷酸盐超标的问题[5], 这不仅危害消费者的利益, 还阻止了我国水产品的出口量, 降低了贸易出口额。目前大部分企业采用三聚磷酸盐、焦磷酸盐、六偏磷酸盐的混合制剂来提高肉的保水性[6-7]。而磷酸盐在高浓度下(0.4%～0.5%), 将产生令人不愉快的金属涩味, 导致肉制品风味恶化, 组织结构粗糙[8]。当用量超过0.5%时, 将引起机体钙磷比失衡, 轻则会引起人体腹痛、腹泻, 重则将出现高血钙症、低血钙症以及佝偻病、骨质疏松等代谢性骨病[9]。而在低于某个限度内, 在乳化产品中有不愉快的后味。此外, 磷酸盐在调节pH值时会使肉的颜色下降和 pH值升高, 进而造成脂肪分解, 缩短货架期[10]。

为了满足广大消费者日益提高的消费水平和要求,肉类加工企业将研究重点放在寻找安全有效的天然保水剂上。壳聚糖、壳寡糖是一种从虾、蟹壳提取的天然高分子物质, 它具有良好的成膜性、保水性和抑菌防腐作用[11]。近几年来, 不少企业选用食品表面涂膜液的方式维持肉类的保水性, 该表面涂膜液形成的膜通常要求具有较高的透湿性, 以免水分聚集在膜的内侧,易于微生物生长繁殖; 但透湿性又不能太高, 否则会使肉在贮存过程中失水严重[12]。海洋生物多糖/寡糖不仅具有较好的抗菌性和成膜性, 而且其形成的膜具有良好的透气性, 在肉类工业特别是冷却肉的贮存保鲜中已有部分应用[13-14]。已有学者研究发现壳聚糖可降低鲜肉中脂肪氧化和酸败, 可以改善鲜肉贮藏期间的颜色、含水量[15]; 吉伟之[14]等对壳聚糖复合涂膜液在冷却肉保鲜中的应用进行研究, 发现壳聚糖对 20℃及4℃下贮藏的鲜肉都有明显的保鲜效果; Soares[16]等人研究发现0.5%和0.75%壳聚糖可有效抑菌, 防止腐败,小剂量涂膜就可有效抑制油脂氧化, 且1.5%(w/v)的壳聚糖涂膜后的鲑鱼涂膜损失率、干耗和滴水损失率都较小。综上所述, 海洋生物多糖/寡糖有望成为新一代的保水保鲜剂。

本文主要以海洋生物多糖/寡糖为研究对象, 通过对多糖/寡糖的添加方式、种类、添加浓度进行筛选, 以解冻失水率为响应值, 结合单因素实验和响应面分析, 确定保水效果最佳的添加条件; 并对鱼糜制品进行微观结构分析, 综合评价海洋生物多糖/寡糖的保水作用。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜鱼糜, 即新鲜鱼打捞上来以后直接采肉, 搅碎制得, 由海欣食品股份有限公司提供; 壳聚糖 1号,分子量约20万～30万Da, 购买于阿拉丁试剂有限公司;壳聚糖2号, 分子量约160万Da, 由青岛云宙生物科技有限公司提供; 壳寡糖, 分子量约1 000 Da～2 000 Da,由山东卫康生物医药科技有限公司提供; 海藻酸钠和卡拉胶, 由山东洁晶集团股份有限公司提供。

1.2 实验方法

1.2.1 浸泡法

分别配制0.5%的寡糖、壳聚糖1号、壳聚糖2号、海藻酸钠和卡拉胶水溶液, 称取适量鱼糜揉制成丸状,分别浸入溶液中, 浸泡 30 min后取出, 放入-80℃ 冰箱中冷冻4 h, 之后解冻过夜, 测定解冻失水率。

1.2.2 直接添加法

分别称取鱼糜质量比0.5%的寡糖、壳聚糖1号、壳聚糖2号、海藻酸钠和卡拉胶, 添加到鱼糜中, 揉均匀后, 制成丸状, 放入-80℃冰箱中冷冻4 h, 之后解冻过夜, 测定解冻失水率。

1.2.3 保水性测定指标及方法

测定指标采用解冻失水率来衡量, 解冻失水率(%)=(A-B)/A×100 %.

其中：A为鱼丸经-80℃冷冻后, 称得的质量, 单位： g,B为鱼丸解冻过夜后, 称得的质量, 单位： g。

1.2.4 扫描电镜观测鱼丸的内部微观结构

将制备好的各组鱼丸分别切成长为8 mm, 宽为6 mm, 高为4 mm的小块, 经脱脂、固定、漂洗后, 放入冷冻干燥机, 进行 24 h的冷冻干燥, 放于阴凉干燥处, 等待扫描电镜测试。

1.3 数据处理

试验重复 3次, 结果以平均值±SD表示。采用SPSS 18.0软件处理试验数据, 进行方差分析和显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 浸泡法对鱼丸保水性的影响

分别将鱼丸浸泡在寡糖、壳聚糖1号、壳聚糖2号、海藻酸钠和卡拉胶溶液中, 经冷冻、解冻, 测得其解冻失水率如图 1所示： 空白组的解冻失水率最高, 达到了 13.43%±1.56%; 磷酸盐组为鱼丸浸泡在0.5%磷酸盐的溶液中 30 min, 其解冻失水率最低,为 5.22%±0.41%。此外, 从图 1可以看出, 鱼丸浸泡在不同的多糖/寡糖溶液中 30 min后, 解冻失水率均有不同程度的降低, 与空白组相比, 分别达到了显著性差异(P＜0.05)。其中海藻酸钠和卡拉胶对鱼丸的保水性最好, 其解冻失水率分别为 5.83%±0.51%和6.08%±0.45%, 与空白组相比, 分别减少了 56.63%和54.77%; 其次为寡糖组, 解冻失水率为8.90%±0.91%,壳聚糖1号和壳聚糖2号对鱼丸的保水性较差。

图1 浸泡法对鱼丸保水性的影响Fig. 1 Effects of soaking method on the water-holding capacity of fish meatballs

实验过程中, 我们发现经浸泡的鱼丸, 在其表面会形成一层膜, 一定程度上减少了肌肉表面的水分蒸发, 在解冻过程中能够起到保水持水的作用。这与高晓平等[17]研究得到的结论一致, 其采用各配方壳聚糖涂抹液处理冷却肉, 发现冷却肉滴水损失率比对照组减少了46%。但值得注意的是, 采用浸泡法处理的各组鱼丸, 经冷冻后, 鱼丸表面会形成一层冰膜, 尤其是壳聚糖1号和壳聚糖2号的冰膜较厚, 因此与其他多糖组相比较, 解冻失水率较高。考虑到浸泡覆膜会影响鱼丸的口感, 且壳聚糖不易溶于水, 我们进一步研究了多糖/寡糖直接添加法对鱼丸保水性的影响。

2.2 直接添加法对鱼丸保水性的影响

分别将鱼糜质量比0.5%的磷酸盐、寡糖、壳聚糖1号、壳聚糖 2号、海藻酸钠和卡拉胶直接添加到鱼糜中, 充分揉均匀, 制成鱼丸, 经冷冻、解冻后测得鱼丸的解冻失水率如图 2所示： 空白组解冻失水率最高, 为 15.17%±1.57%, 磷酸盐组解冻失水率最低, 为4.01%±0.12%; 壳聚糖1号、壳聚糖2号和海藻酸钠组的保水性较好, 鱼丸解冻失水率分别为5.20%±0.26%, 5.28%±0.22%, 5.20%±0.45%, 与空白组相比, 鱼丸解冻失水率分别减少了65.71%, 65.17%和65.68%, 且与磷酸盐组无显著性差异(P＜0.05); 寡糖组和卡拉胶组中鱼丸解冻失水率较高, 但与空白组相比, 也达到了显著性差异(P＜0.05)。综上所述,本实验将选择壳聚糖1号、壳聚糖2号和海藻酸钠作下一步的保水性研究。

图2 直接添加法对鱼丸保水性的影响Fig. 2 Effects of direct addition on the water-holding capacity of fish meatballs

2.3 多糖/寡糖添加量对鱼丸保水性的研究

本实验对壳聚糖1、壳聚糖2号和海藻酸钠的添加量进行筛选, 选择鱼糜质量比的 0.10%, 0.25%,0.50%, 1.00%, 1.50%和2.00%作为添加量, 测得的鱼丸解冻失水率如图3所示。

图3 不同多糖添加量对鱼丸保水性的影响Fig. 3 Effects of different amounts of polysaccharides on the water-holding capacity of fish meatballs

其中壳聚糖1号在0.25%添加量时鱼丸的解冻失水率最低, 之后随着添加量的增加, 解冻失水率升高并趋于平衡; 在壳聚糖2号和海藻酸钠组中, 随着添加量的增加, 鱼丸的解冻失水率降低, 在1.00%时解冻失水率达到最低值, 之后随着添加量的增加, 解冻失水率升高。根据单因素实验最终确定壳聚糖1、壳聚糖2号和海藻酸钠的最优添加量分别为 0.25%, 1.00%和 1.00%。该结论与部分学者的研究结果相似, 李宝升等[18]研究发现复合食品添加剂焦磷酸钠、三聚磷酸钠、壳聚糖的最佳配比为0.15%∶0.10%∶1.00%时, 猪肉保水保鲜效果最佳; 程琳丽等[19]研究发现海藻酸钠浓度为0.7%时, 对罗非鱼片的保水效果最优。

2.4 响应面优化实验

2.4.1 响应面优化实验结果

响应面优化法是一种寻求最佳组合条件的试验和统计技术, 通过对过程的回归拟合和响应曲面、等高线的绘制、可方便地求出相应于各因素水平的响应值[20],本实验在单因素实验的基础上进行响应面分析, 根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理, 采用三因素三水平的响应面分析方法, 对壳聚糖1、壳聚糖2号和海藻酸钠的添加量进行优化, 试验方案及结果见表1。

表1 响应面试验方案及结果Tab. 1 Experimental design and response surface analysis results

如表 1所示, 试验方案共包括 17个试验点, 其中5个零点为区域的中心点, 进行5次重复试验用以估算试验误差。该试验对三种海洋多糖的添加量进行复配优化, 解冻失水率的范围在1.41%～1.96%。

2.4.2 回归方程的建立及统计分析

采用 Design-Expert 8.0 软件对数据进行回归分析, 其中解冻失水率用Y值表示, 壳聚糖1、壳聚糖2号和海藻酸钠的添加量分别用A, B, C表示, 得到三种多糖添加量的实际值对Y值的二次回归方程如下：

回归模型方差分析结果见表 2, 模型P值小于0.0001, 表明该回归模型极显著, 使用该方程模拟三因素三水平的分析是可行的。方程中A,C,A2,B2,C2对鱼丸的保水率有极显著性影响(P＜0.001),B对鱼丸的保水率有非常显著性影响(P＜0.01),AB,AC对鱼丸的保水率有显著性影响(P＜0.05), 表明试验因素及二次项对响应值的影响较大, 交互项作用对响应值的影响想对较小。模型的相关系数为 99.78%, 说明模型拟合程度良好, 试验误差小。综上所述, 该模型方程可用来分析和预测不同多糖添加量复配对鱼丸保水性的影响。

表2 二次回归模型方差分析Tab. 2 Analysis of variance for quadratic response surface model

2.4.3 响应曲面分析及优化

根据二次回归方程建立响应面分析图, 通过响应面的曲面性状[21], 分析壳聚糖1、壳聚糖2号和海藻酸钠的添加量对鱼丸保水性的影响。

图4表示海藻酸钠添加量为1.00%时, 壳聚糖1号和壳聚糖2号对鱼丸保水性的影响。当壳聚糖2号添加量一定时, 鱼丸的解冻失水率随着壳聚糖1号添加量的增加先缓慢降低, 约在 0.30%左右达到最低值,在 0.30%～0.45%添加量范围内, 解冻失水率变化趋于平缓; 当壳聚糖 1号添加量一定时, 鱼丸的解冻失水率随着壳聚糖 2号添加量的增加先缓慢降低, 约在1.10%左右达到最低值, 之后随着添加量从 1.10%增加到1.50%, 解冻失水率呈现缓慢增加的趋势。

图4 壳聚糖1号和壳聚糖2号对鱼丸保水性影响的响应面图Fig. 4 Response surface plots showing the effects of chitosan 1 and chitosan 2 on the water-holding capacity of fish meatballs

解万翠等[22]研制出的羧甲基壳聚糖复配对虾保水保鲜剂, 其含有0.3%羧甲基壳聚糖、0.05%Nisin、0.3%植酸钠和 0.3%魔芋寡糖, 该保鲜保水剂可将对虾货架期延长3～4 d。其研究的保水保鲜剂中壳聚糖的最优添加量仅为 0.3%, 可能因素是其复配的其他原料起到了协同保水保鲜的作用。

图5表示壳聚糖2添加量为1.00%时, 壳聚糖1号和海藻酸钠对鱼丸保水性的影响。当壳聚糖1号添加量一定时, 鱼丸的解冻失水率随着海藻酸钠添加量的增加显著降低, 约在 0.90%左右达到最低值,而在 0.90%～1.50%的添加量区间, 其解冻失水率显著增加, 从图中可以看出海藻酸钠对解冻失水率的曲线很陡峭, 说明海藻酸钠的添加量对鱼丸解冻失水率的影响较大; 当海藻酸钠添加量一定时, 鱼丸的解冻失水率随着壳聚糖 1号添加量的增加先缓慢降低, 约在0.25%左右达到最低值, 之后随着添加量从0.25%增加到0.45%, 解冻失水率变化趋于平缓。

图5 壳聚糖1号和海藻酸钠对鱼丸保水性影响的响应面图Fig. 5 Response surface plots showing the effects of chitosan 1 and sodium alginate on the water-holding capacity of fish meatballs

图6 表示壳聚糖1添加量为0.25%时, 壳聚糖2号和海藻酸钠对鱼丸保水性的影响。当壳聚糖2号添加量一定时, 海藻酸钠的添加量 0.50%增加到1.50%, 鱼丸的解冻失水率先急剧下降到最低点, 约为 1.40%, 然后急剧升高至 1.85%左右, 变化趋势较明显; 当海藻酸钠添加量一定时, 解冻失水率随着壳聚糖1号添加量的增加先缓慢降低, 约在1.00%左右达到最低值, 之后随着添加量从 1.00%增加到1.50%, 鱼丸的解冻失水率呈缓慢增加趋势。

图6 壳聚糖2号和海藻酸钠对鱼丸保水性影响的响应面图Fig. 6 Response surface plots showing the effects of chitosan 2 and sodium alginate on the water-holding capacity of fish meatballs

根据响应面软件分析, 得到三种多糖的最佳复配值为： 壳聚糖1号添加量为0.29%, 壳聚糖2号添加量为 1.11%, 海藻酸钠添加量为 0.93%, 在此条件下得到的鱼丸解冻失水率的预测值为1.40%。为检验响应面法所得结果的可靠性, 采用上述优化条件进行验证实验, 测得的鱼丸解冻失水率为 1.46%±0.24%,预测值与实测值无显著性差异(P＜0.05), 说明该响应面法所得的优化参数准确可靠, 得到的多糖最佳复配值具有实际应用价值。此外, 本实验测定了同等添加量的磷酸盐保水剂对鱼丸的保水性, 其解冻失水率为1.31%±0.17%, 略低于多糖优化组, 但无显著性差异(P＜0.05)。

2.5 不同处理条件下鱼丸的内部微观结构

为了进一步研究海洋生物多糖对鱼丸的保水作用, 我们采用扫描电镜观测鱼丸的内部微观结构。从图 7可以看出, 样品经放大 50倍, 肉眼可见空白组有较多大小不均一的孔隙, 说明其结构较为疏松,可以推测其持水性较差, 多糖优化组和磷酸盐组的结构较为致密, 无明显孔隙; 样品经放大 200倍观察,可见空白组结构呈现鳞片状, 感觉较为松脆, 可以推测其硬度较小, 多糖优化组和磷酸盐组结构分布较为均匀, 切面光滑且鳞片较少, 证明其弹性较足[23]。

3 结论

图7 鱼丸的扫描电子显微镜图Fig. 7 SEM images of fish meatballs

本实验以解冻失水率为响应值, 通过对海洋生物多糖/寡糖进行筛选, 确定壳聚糖1号, 壳聚糖2号和海藻酸钠为鱼丸保水剂的主成分。经单因素实验和响应面优化实验确定壳聚糖1号, 壳聚糖2号和海藻酸钠的最佳复配值为0.29%, 1.11%和0.93%, 按照最优复配值添加到鱼糜原料中, 测得鱼丸的解冻失水率为 1.46%±0.24%, 说明该多糖复配值对鱼丸制品具有较好的保水性。扫描电镜观察多糖组鱼丸的微观结构, 发现其结构致密, 无较大孔隙, 推测其硬度和弹性较好。综上所述, 与传统的磷酸盐保水剂相比, 海洋生物多糖作为新一代保水剂更安全, 更健康, 通过本实验的开展, 为水产品的保水保鲜剂的开发提供了新思路。