远红外辅助热风干燥对秋刀鱼片干燥特性及品质的影响

蔡 洁,李汴生,2,阮 征,2,*

(1.华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510640; 2.广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室,广东广州 510640)

秋刀鱼(Cololabissaira)属竹刀鱼科,是一种富含优质蛋白质、氨基酸、不饱和脂肪酸等人体必需营养物质的深海经济鱼类,具有促进血液循环、防止血管栓塞、减少疲劳感等生理功效[1-2]。秋刀鱼含水率较高,容易因微生物活动和酶反应等发生腐败,难以长期储藏[3]。对于以秋刀鱼为原材料的杀菌型软包装食品而言,适当干燥不仅可有效降低秋刀鱼的含水率和水分活度,延长保存期,同时也有利于提高物料对后续高温处理的耐受性,避免其过度软烂,影响产品外观和口感。当前常用于水产品干燥的方式为热风(hot air,HA)干燥,具有物料适应性强、设备简单等优点,但HA干燥的传热效率较低,容易因表面硬化或褐变反应严重等影响产品的物料特性[4]。

远红外辅助热风(far-infrared-assisted hot-air,FIAHA)干燥是一种新型的组合干燥方式。它基于远红外线的穿透作用引起物料内部分子共振产热,同时利用热风的对流传热原理加速表面的水分蒸发,实现内外同时加热,提高干燥效率,改善物料的干燥特性[5]。FIAHA干燥在农产品中的应用已存在广泛研究。Song等[6]的研究发现FIAHA干燥能有效加快干燥进程,且干燥后山药的脆性提高,复水性较好。Nathakaranakule等[7]提出FIAHA干燥不仅有助于加快龙眼的干燥速率,而且能够促进多孔结构的形成,使干燥后的龙眼具有较好的复水性以及较低的收缩率和硬度。罗磊等[8]在金银花的干燥实验中发现,FIAHA干燥后的金银花具有较高的复水性和抗氧化活性,且与HA干燥相比,金银花的褐变程度降低。针对FIAHA干燥在蛋白质含量较高的肉类或水产品中的研究还比较少见。

本文以新鲜秋刀鱼为对象,比较HA干燥和FIAHA干燥对秋刀鱼片干燥特性和产品品质的影响规律,以期为秋刀鱼的进一步开发生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

市售秋刀鱼 质量为(190±15) g,要求新鲜完整、大小均匀;三氯乙酸 分析纯,上海沪试化工有限公司;乙二胺四乙酸二钠盐 分析纯,上海润捷化学试剂有限公司;2-硫代巴比妥酸 分析纯,上海润捷化学试剂有限公司;三氯甲烷 分析纯,广州化学试剂厂。

DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;远红外辐射装置 广州才是科技有限公司;MesoMR型核磁共振成像分析仪 上海纽迈电子科技有限公司;BSA223S型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器有限公司;CR-400型便携式色差仪 日本Konica Minolta公司;TA-XT Plus型质构仪 英国SMS公司;THZ-82A型恒温水浴振荡器 常州澳华仪器有限公司;752N型紫外可见分光光度计 上海精科仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 远红外辐射装置在干燥箱内的分布 图1为远红外辅助热风干燥实验装置示意图,主要包括箱体、远红外辐射装置、温度传感器、物料架、风机、控制面板等。远红外辐射装置为单面辐射的便携式远红外辐射源,非辐射面有金属阻挡,内部材料为烧结陶瓷,加热至40 ℃以上可发射波长为8～14 μm的远红外线,发射率0.84。实验前将9个远红外辐射源均匀分布于热风干燥箱首层,辐射面朝下。

图1 远红外辅助热风干燥实验装置示意图Fig.1 Diagram of far-infrared assistedhot air drying device注:1:温度传感器;2:远红外辐射装置;3:待干燥物料;4:风机及入风口;5:温度控制面板;6:开关;7:物料架;8:出风口。

1.2.2 干燥实验 将秋刀鱼去除头尾和内脏后分割成4 cm×4 cm×0.5 cm的切片,称取样品的初始质量,单层平铺于物料架上,分别放入FIAHA干燥和HA干燥设备中进行脱水干燥。其中,FIAHA干燥实验的热风温度分别设置为50、60、70、80和90 ℃,对应的辐照强度为11.06、14.00、17.17、20.48和23.68 W/m2,辐照距离为10 cm,风速为2.4 m/s;HA干燥的热风温度设置为50、60、70、80和90 ℃,风速为2.4 m/s。干燥过程中,每30 min测定一次样品质量。当样品由初始干基含水率约133%降低至不超过43%(对应湿基含水率为30%)时,干燥结束。

1.2.3 水分含量和干燥速率 水分含量根据GB 5009.3-2016用直接干燥法测定。干基含水率的计算公式为:

式(1)

式(1)中,Dt为样品在t时刻的干基含水率,%;mt为样品在t时刻的质量,g;me为样品的干物质质量,g。

表1 秋刀鱼片的感官评价标准Table 1 Sensory evaluation criteria for saury fillets

干燥速率参照Falade等[9]的方法进行计算:

式(2)

式(2)中,vi为样品在i时刻的干燥速率,g·100 g-1·h-1;Di为样品在i时刻的干基含水率,%;Dt为样品在t时刻的干基含水率,%;t-i为i时刻到t时刻的时间差,h。

1.2.4 核磁共振波谱图采集(MRS) 在预设干燥时间点取样并测定质量。将样品置于磁体线圈中心,应用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列测定秋刀鱼片的横向弛豫时间T2。测试参数为主频SF=21 MHz,偏移频率O1=2707750.77 Hz,90 °脉冲时间P1=10 μs,采样点数TD=2048,重复采样时间TW=2500 ms,重复采样次数NS=4次。

1.2.5 色差测定 用便携式色差仪分别测定未干燥和干燥后秋刀鱼片的亮度值L*、红度值a*和黄度值b*,并按照公式计算样品干燥前后的总色度差:

式(3)

1.2.6 质构测定 将干燥后的样品顺纤维方向切成1 cm×1 cm×0.5 cm方块,并选用P/36R型平底圆柱探头进行TPA测试。测试参数为测前速度5 mm/s,测中速度1 mm/s,测后速度5 mm/s,压缩比30%,剪切感应力5.0 g,探头两次测定时间5 s,触发类型为自动。每组样品平行测定6次并取平均值,进行分析的4个指标分别为硬度、咀嚼性、弹性和回复性。

1.2.7 感官评价 参照于美娟等[10]的方法并略有修改。对干燥秋刀鱼片的感官评价方法为:选择从组织形态、色泽、气味、鲜味和咀嚼性5方面对不同干燥条件下的秋刀鱼片进行感官评定,每个评价指标的分值为1～5分,具体评价标准见表1。感官评定小组由10人组成,评定人员根据标准对干燥秋刀鱼片进行打分。

1.2.8 硫代巴比妥酸(TBA)值测定 参照Silvina等[11]的方法并略有修改。分别取10 g未干燥和干燥后的样品粉碎后加入50 mL 7.5%的三氯乙酸(含0.1% EDTA),均匀搅拌后摇床振荡30 min。过滤,取5 mL滤液加入5 mL 0.02 mol/L的TBA溶液,并置于90 ℃水浴中加热40 min。取出后冷却至室温,加入5 mL三氯甲烷摇匀,静置分层,取上清液分别测定在532和600 nm处的吸光值。以10 mL蒸馏水代替10 g样品作为空白对照。TBA值的计算公式为:

式(4)

式(4)中,TBA值为每kg样品中丙二醛的含量,mg/kg;A532为溶液在532 nm处的吸光值,A600为溶液在600 nm处的吸光值,无量纲。

1.3 数据分析

实验所得数据采用SPSS Statistics方差分析和相关性分析,应用Duncan法进行显著性分析(P<0.05);所有分析图均采用Origin 9.0进行绘制。

2 结果与分析

2.1 秋刀鱼片的干燥特性

水分含量及其变化情况是判断物料干燥特性的重要指标。图2为不同干燥条件下秋刀鱼片的干燥曲线。

图2 秋刀鱼片的干燥曲线Fig.2 Drying curve of saury fillets

热风温度为50～90 ℃下要使样品的干基含水率降低至不超过43%(对应湿基含水率为不超过30%),FIAHA干燥所需时间分别为510、395、258、204、186 min,HA干燥所需时间分别为570、435、282、225、208 min。两种干燥方式均表现为干燥时间随干燥温度的增加而缩短。相同条件下,热风温度的提高有利于增加物料和周围空气间的传热强度并扩大空气达到饱和前所能容纳的蒸汽量,加速物料水分迁移[12]。在干燥方式方面,FIAHA干燥利用远红外线的穿透作用引起物料内部分子振动产热,增大物料内外温度差,促进水分向外扩散并由热风及时带走表面水分[13],较HA干燥可节约10%～13%的干燥时间。Barzegar等[14]以青豆为干燥材料,发现FIAHA干燥可比HA干燥缩短37.18%以上的干燥时间。Moon等[15]也在海参的干燥实验中发现FIAHA干燥较HA干燥具有明显的干燥优势。

图3为不同干燥条件下秋刀鱼片的干燥速率曲线。由图3可知,秋刀鱼片干燥过程的干燥速率表现为先上升后下降的变化规律。前期升速阶段变化较快,干基含水率由140%降低至100%～120%即可达到速率最大值,该阶段秋刀鱼片中的水分含量较高,不断吸收能量使温度升高并迅速产生蒸汽,驱动内部水分在压力梯度的作用下流向表面;随着水分不断移除,蒸发面向物料中心转移,水分迁移阻力增大,干燥速率减小[16]。FIAHA干燥和HA干燥的干燥过程均以降速干燥为主,无恒速干燥阶段,说明在秋刀鱼片的传质机理主要为内部水分扩散[17],在对虾[18]、沙丁鱼[19]等的干燥研究中也发现了类似的规律。

图3 秋刀鱼片的干燥速率曲线Fig.3 Drying rate curve of saury fillets

干燥温度对秋刀鱼片的干燥速率有较大影响,热风温度越高,干燥速率曲线的变化趋势越明显,即升速阶段可达到的速率最大值越大。FIAHA干燥时90 ℃的最大干燥速率(69.68 g·100 g-1·h-1)较50 ℃的最大干燥速率(42.46 g·100 g-1·h-1)提高了64.1%,HA干燥时90 ℃的最大干燥速率(59.36 g·100 g-1·h-1)较50 ℃的最大干燥速率(38.79 g·100 g-1·h-1)提高了53.0%。较高的干燥温度可以增加物料和热风间的对流强度,加快干燥的进行[20]。在热风对流的基础上联合远红外辐射技术加以干燥,也可有助于提高干燥速率。根据斯特藩-玻尔兹曼定律,远红外辐射元件的单位辐射量与其热力学温度的四次方成正比,因此热风温度的提高有利于增加辐射元件的温度并加强元件辐射出的红外能量,物料吸收的辐射能量及其对应产生的热效应也随之增加,物料内部分子间的摩擦振动加剧,水分由液态加速向气态转变并向外扩散,进而提高了干燥速率[21]。

2.2 秋刀鱼片的水分迁移特性

横向弛豫时间T2与物料中氢质子的束缚程度有关,氢质子的束缚力越大表示物料中水分的流动性越小,表现为T2减小[22]。如图4(a)所示,通过T2可将秋刀鱼片中水分的存在状态分为3个部分,即T21(0.1～10 ms)、T22(10～100 ms)和T23(100～1000 ms)。T21表示与蛋白质等表面极性基团紧密结合的结合水;T22表示位于肌原纤维及网状组织内部的不易流动水;T23表示存在于肌肉细胞间隙和肌原纤维外的自由水[23]。图4(b)为70 ℃下秋刀鱼片的T2反演图谱(其余温度的变化规律类似)。结合图4(b)可知,未干燥秋刀鱼片中不易流动水的含量很高。随干燥时间的延长,干燥2 h时秋刀鱼片中以自由水为主,水分流动性较大,T2图谱中波峰整体左移,横向弛豫时间减小。干燥终点时自由水的含量下降,以不易流动水和少量结合水为主。整个干燥过程横向弛豫时间不断减小,水分逐渐由高自由度向低自由度转变。此外,和HA干燥相比,FIAHA干燥在干燥2 h时表现为较长的T22和T23弛豫时间,在干燥终点时则表现为较短的T22弛豫时间,说明FIAHA干燥有助于提高干燥过程秋刀鱼片的水分流动性,并使其干燥得更彻底。

图4 秋刀鱼片的T2反演图谱Fig.4 T2 inversion spectrum of saury fillets

T2反演图中的信号强度和物料中氢质子的数量成正比,因此根据不同T2波峰对应的信号强度及总强度可间接得到物料中各类水分的组成比例[24]。图5为秋刀鱼片中各类水分的组成比例。由图5可知,秋刀鱼片在干燥过程发生了微观水分状态的转化。未干燥的秋刀鱼片内部以不易流动水为主,约占总质量的72.88%。在热作用下不易流动水部分转化为自由水并向外扩散,干燥2 h后自由水相对比例由24.06%提高至42.33%～72.68%,不易流动水由72.88%下降至23.27%～52.24%。干燥过程水分不断脱除,水分自由度逐渐下降,至干燥终点时秋刀鱼片中的不易流动水占比提高至79.16%～81.38%,自由水占比降低至4.84%～8.94%。据谢小雷等[25]的报道,这一过程可能与肌球蛋白尾部和肌浆蛋白头部受热变性使其持水力降低有关。随着干燥的进行,自由水被大量脱除,不易流动水与肌肉纤维结构等结合更加紧密,不易流动水的相对含量缓慢上升。

图5 不同干燥条件下秋刀鱼片中各类水分的组成比例Fig.5 Composition ratios of various types of waterin saury fillets under different drying conditions注:“50-FIAHA-2h”为50 ℃下远红外辅助热风干燥2 h;“50-FIAHA-末”为50 ℃下远红外辅助热风干燥终点;“50-HA-2h”为50 ℃下热风干燥2 h;“50-HA-末”为50 ℃下热风干燥终点;其余标注同理。

水分状态的变化过程受干燥温度及干燥方式的影响。50 ℃下HA干燥2 h时,秋刀鱼片中不易流动水和自由水占比为23.27%和72.68%,分别为90 ℃时的0.556倍和1.39倍。干燥温度升高,物料中的水分流动性增加,自由水脱除速率加快[26]。另一方面,远红外辐射技术可以促进不易流动水转化为自由水并加快自由水的蒸发扩散。相同干燥温度下,FIAHA干燥2 h时自由水占比仅为HA干燥2 h时的81.14%～89.35%。Kathiravan等[27]提出,经红外照射后的物料具有较高的热流密度和内部水分子的振动强度,这有利于降低大分子物质对水分子的束缚力,使水分子的流动性增强。

2.3 干燥秋刀鱼片的色泽变化

表2为不同干燥方式下秋刀鱼片色泽的变化情况。其中L*值表示物料的亮度值,a*值表示物料的红度值,b*值表示物料的黄度值,干燥过程受蛋白质变性、水分分布和脂肪氧化等因素影响,物料的色泽发生改变。在一定范围内,对秋刀鱼片,较高的亮度值、适当的红度值和较低的黄度值是理想的色泽[28-30]。

表2 不同干燥条件下秋刀鱼片的色泽变化Table 2 Color change of saury fillets under different drying conditions

由表2可知,未干燥秋刀鱼片的L*、a*、b*值分别为32.13±2.05、2.74±1.13和4.56±1.08,干燥后秋刀鱼片的色差值发生改变,其中L*值降低至18.93～23.75,a*值和b*值分别上升至4.85～8.98和12.08～16.01,且干燥温度越高,在干燥前后秋刀鱼片的总色度差ΔE*值增加越显著(P<0.05)。秋刀鱼片的色泽变化与干燥过程发生美拉德反应、褐变反应等有关[31],适度反应有利于优化秋刀鱼片的感官品质,干燥温度过高等因素也会导致上述反应加剧,进而造成秋刀鱼片表面变焦表黑,不利于其商品价值的保持。

在目标含水率相近的条件下,FIAHA干燥的秋刀鱼片较HA干燥具有高L*值、低a*值和b*值,表明秋刀鱼片在FIAHA干燥后能具备较好的色泽特征。其中在80～90 ℃下FIAHA干燥较HA干燥可显著提高秋刀鱼片的L*值(P<0.05),而在50～70 ℃下的L*值和50～90 ℃下的a*值、b*值上,干燥方式则不具有显著性影响(P>0.05)。FIAHA干燥在加快物料干燥进程的同时也有助于避免了美拉德反应等的过度发生,而HA干燥过程主要在热风作用下发生由表及里的干燥,导致物料的表面色泽加速改变[32]。

表3 不同干燥条件下秋刀鱼片的质构特性Table 3 Texture characteristics of saury fillets under different drying conditions

2.4 干燥秋刀鱼片的质构特性

硬度、弹性、咀嚼性和回复性是评价物料质构的特征指标,数值越大表示物料的质构特性越好。其中咀嚼性是硬度、弹性等指标的综合表征,反映了物料从咀嚼至可吞咽过程所需消耗的能量,在一定范围内咀嚼性越大,物料具备的“咬感”越佳[33-34]。表3为不同干燥方式下秋刀鱼片质构特性的变化情况。

由表3中数据可以看出,干燥后秋刀鱼片的硬度值为61.40～173.59 g,弹性为0.72～0.86,咀嚼性为25.73～102.49 g,回复性为0.21～0.36,其中秋刀鱼片的硬度、咀嚼性和回复性均随干燥温度的升高呈增加趋势,弹性则稍有下降。据Erdogdu等[35]的报道,影响质地的结构因素主要是物料中的结缔组织和肌原纤维蛋白,干燥过程中蛋白质因细胞溶质失水浓缩而发生变性,并导致不可逆的结构变化,进而使物料质地发生改变。此外,和HA干燥相比,60～90 ℃FIAHA干燥可显著提高秋刀鱼片的硬度和咀嚼性(P<0.05),说明FIAHA干燥后秋刀鱼片具有较好的质构特性。Banout等[26]提出HA干燥的传热传质效率较低,物料表面水分较内部水分散失更快,导致干燥后物料的内外水分分布不平衡,容易出现“内软外硬”等不良的质构特性。HA干燥后秋刀鱼片表面失水明显并形成硬壳,进而影响其口感;而FIAHA干燥具有传热传质方向一致的特点,秋刀鱼片在干燥过程内外同时受热,水分分布趋向均匀,干燥后整体呈现较好质构特性[27]。

2.5 干燥秋刀鱼片的感官品质

不同干燥条件下秋刀鱼片的感官评价情况如图6所示。

图6 不同干燥条件下秋刀鱼片的感官品质Fig.6 Sensory quality of saury filletsin different drying conditions

由图6可知,50～90 ℃下随干燥温度的提高,秋刀鱼片的组织形态评分下降,气味、鲜味和咀嚼性评分增加,色泽方面的感官评分则随干燥温度的升高呈先上升后下降的趋势,即升高温度有利于改善秋刀鱼片在色泽、气味和咀嚼性方面的感官品质,但不利于其形态完整性的保持;干燥温度高于70 ℃时,秋刀鱼片在组织形态、色泽等方面的感官评分会随干燥温度的提高而下降。此外,相同温度下FIAHA干燥秋刀鱼片在色泽、气味和鲜味方面的评分高于HA干燥,FIAHA干燥有助于秋刀鱼片保持较好的外观形态和提高咀嚼性,这与色差、质构等的结果基本一致。谢小雷等[32]在牛肉的红外-热风组合干燥实验中发现,红外线的共振产热作用有助于水分加速向表面扩散,并在热风的强制对流下快速蒸发,同时带走表面热量,降低表面温度,从而改善热风干燥造成的表面破损明显、口感较差等品质劣化的现象,提高物料的感官品质。

表4 干燥秋刀鱼片感官品质与理化指标相关性分析Table 4 Correlation analysis of sensory quality and physicochemical indexes of dried saury fillets

2.6 干燥秋刀鱼片的脂肪氧化程度

二级脂肪氧化产物丙二醛的生成情况是评估物料在干燥过程中发生化学反应的重要指标,其值高低代表物料中的脂肪氧化程度[36]。图7为不同干燥条件下秋刀鱼片TBA值的变化情况。

图7 不同干燥条件下秋刀鱼片的TBA值Fig.7 TBA value of saury filletsunder different drying conditions注:不同大写字母表示相同干燥温度在不同干燥方式下的数据存在显著性差异(P<0.05);不同小写字母表示相同干燥方式在不同干燥温度下的数据存在显著性差异(P<0.05)。

由图7可知,干燥秋刀鱼片的TBA值不超过1.2 mg·kg-1,低于限量标准2.5 mg·kg-1[37],这与赵延宁等[38]在干鲅鱼片中发现的规律一致,其中50 ℃下HA干燥秋刀鱼片的TBA值变化最大,由干燥前的0.25 mg·kg-1增加至1.09 mg·kg-1;90 ℃下FIAHA干燥秋刀鱼片最低为0.73 mg·kg-1。干燥温度(除70、80 ℃不显著(P>0.05)外)对秋刀鱼片的脂肪氧化程度有显著影响(P<0.05),TBA值随温度的升高而降低。Ortiz等[39]在三文鱼的干燥实验中发现,次级脂质氧化产物的形成与物料暴露在空气中的时间成正比,干燥温度越低,所需的干燥时间越长,干燥时间增加会加大物料中脂肪氧化产物的含量。在干燥方式上,两种干燥方式对秋刀鱼片TBA值的影响无显著差异(P>0.05),但FIAHA干燥秋刀鱼片中的脂肪氧化程度较HA干燥总体呈下降趋势。

2.7 干燥秋刀鱼片感官品质与理化指标的相关性分析

表4为干燥秋刀鱼片感官品质与理化指标的相关性分析。由表4可知,组织形态评分与L*值、弹性和TBA值存在极显著正相关(P<0.01),与a*值、b*值、硬度和回复性存在极显著性负相关(P<0.01),与质构的咀嚼性评分存在显著负相关(P<0.05)。气味、鲜味评分与TBA值的相关性分别为-0.900和-0.963,呈极显著负相关(P<0.01),这与王尊等[40]发现的规律一致。感官评价的咀嚼性评分与硬度、质构的咀嚼性、回复性等质构指标存在极显著正相关(P<0.01),与TBA值存在极显著负相关(P<0.01),与弹性的相关性为-0.699,呈显著负相关(P<0.05)。色泽评分与L*值、弹性和TBA值呈负相关,与a*值、b*值和硬度、质构的咀嚼性、回复性等质构指标呈正相关,但相关性不显著(P>0.05)。

3 结论

利用远红外分子振动效应辅助热风干燥和提高干燥温度,可加快干燥过程秋刀鱼片中不易流动水向自由水转化并向外扩散,提高水分的流动性,进而加快秋刀鱼片的干燥进程,缩短干燥时间。50～90 ℃下秋刀鱼片的a*、b*、ΔE*和硬度、咀嚼性等质构指标均随干燥温度的升高呈增加趋势,L*值、TBA值则呈递减趋势。升高温度有利于提高秋刀鱼片在气味、鲜味和咀嚼性上的感官评分,但不利于秋刀鱼片原有组织形态的保持。此外,远红外辅助热风干燥的秋刀鱼片在色泽、质构指标和感官评价上都优于热风干燥,但两种干燥方式对秋刀鱼片TBA值的影响无显著性差异(P>0.05)。