南美白对虾烤制过程中水分迁移及品质变化规律

梁 瑞，林松毅，2，3，刁华玉，陈 冬，2，3，何雪晴，孙 娜，2，3*

（1 大连工业大学食品学院 辽宁大连116034 2 国家海洋食品工程技术研究中心 辽宁大连116034 3 海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心 辽宁大连 116034）

南美白对虾（Penaeus vannamei），又名凡纳滨对虾，是世界三大优良养殖虾类品种之一[1]。它是一种营养均衡的优质蛋白质资源，蛋白质含量高达18.71%，富含8 种人体必需氨基酸和大量维生素和矿物质[2]。为了防止南美白对虾捕捞后腐烂变质，大部分的南美白对虾捕捞后进行冷冻保存，产品形式比较单一，难以满足市场需求[3]。有必要研发营养价值高、食用品质好的虾类产品来满足市场需求。

虾的传统热加工方式为蒸制和煮制，随着生活节奏的加快，虾的加工方式需要变得更加的简单和便捷[4]。烤制是食品热加工过程中的重要工序，可以迅速、均匀地将食品加热，降低食品中的水分含量，形成独特的食品风味，改变食品的色泽和质构[5]。食品中水分对于其质构、风味、口感等均有很大的影响，能够直接影响到消费者的接受程度。董志俭等[6]研究发现烤制可使鱿鱼水分含量有效减少，损失的水分主要为不易流动水和结合水，提升了鱿鱼的口感。南美白对虾中水分含量高达70%，目前在水分影响南美白对虾烤虾品质的研究中，主要集中在水分含量变化对烤虾品质的影响[7-8]，而对烤制过程中水分迁移规律缺乏深入的研究。食品的色泽、口感、风味等品质决定了消费者的选购意愿。合适的烤制工艺可有效改善南美白对虾的色泽、质构和风味等品质。

本研究用低场核磁共振（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）和磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）技术，从微观角度监测南美白对虾在烤制过程中水分状态和分布，分析不同烤制条件下其水分迁移规律；结合色度、质构等特性探讨烤制条件对虾品质的影响。采用气相-离子迁移谱（Gas chromatography-ion migration spectrometry，GC-IMS）技术分析形成烤虾特有香味的挥发性有机物。以期为南美白对虾的精深加工提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验原料

冷冻南美白对虾，购于辽宁省大连市新智联农贸市场，每公斤30～40 只。

1.2 主要试剂

牛血清蛋白，生工生物工程（上海）股份有限公司；三羟甲基氨基甲烷，北京索莱宝科技有限公司。

1.3 主要仪器与设备

MesoQMR23-060H 核磁共振成像分析仪，上海纽迈有限公司；TA.XT 质构仪，英国Stable Micro Systems 公司；UltraScan PRO测色仪，美国Hunter Lab公司；冷冻离心机，美国Thermo Fisher 公司；M200 酶标定量测定仪，瑞士Tecan Infinite 公司；FlavourSpec风味分析仪，德国 G.A.S.公司。

1.4 试验方法

1.4.1 南美白对虾烤制方法 将整只南美白对虾放入预热好的烤箱中，在不同温度（180，200，220℃）下分别加热3，6，9，12，15，18 min，烤制完成后迅速用锡纸包裹放入碎冰上进行冷却，冷却到室温后即时测试相关指标。

1.4.2 低场核磁共振波谱的测定 将不同温度、不同时间烤制的南美白对虾放入MesoQMR23-060H 核磁共振成像分析仪的60 mm 直径的射频线圈的中心。Carr-Pur-cell-Meiboom-Gill 序列（CPMG）弛豫信号使用参数为：P1 为23 μs，P2 为42 μs，Tw 为3 000 ms，RG1 为10，DRG1 为1，PRG 为2，NECH 为1 500，Ns 为8。使 用Multi ExpInv Analysis 软件，结合迭代重建技术对CPMG 弛豫数据进行多指数拟合，通过拟合，得到弛豫时间、峰面积。对反演后的数据进行单位质量处理，作为分析各组分变化的依据。

1.4.3 磁共振成像 将不同温度、不同时间烤制的南美白对虾放入60 mm 直径的射频线圈的中心，由核磁共振成像分析仪的成像软件获得磁共振图像。由核磁共振成像分析仪的成像软件获得磁共振图像。使用SE 成像序列获得质子密度加权图像。成像参数设定：频率编码步数为256；相位编码步数为192，视野为100 mm×100 mm，扫描次数为2，回波时间为20 ms，氢质子加权成像的重复时间为2 100 ms。使用软件Osirix（OsiriX Life v.7.0.4，Geneva，Switzerland）绘制伪彩色图像。

1.4.4 色度的测定 利用测色仪测定烤制后南美白对虾（带壳）第二腹节表面的颜色，包括L*、a*和b*。色差ΔE 的计算公式如下：

式中，L0*、a0*及b0*值是新鲜南美白对虾的亮度、红度和黄度，L*、a*和b*值是烤制过程中南美白对虾的亮度、红度和黄度。

1.4.5 质构的测定 将烤制后的南美白对虾进行脱壳，选择虾仁的第二腹节进行测定。探头型号为P50，测试前、中、后速度分别为2，1，1 mm/s，压缩程度50%，压2 次，隔5 s，由计算机软件直接得到硬度、咀嚼性、弹性以及黏聚性的数据结果。

1.4.6 肌原纤维蛋白相对提取率的测定 称取3.0 g 切碎后的虾肉样品，加入10 倍的0.02 mol/L Tris-HCl 缓冲液（pH 7.0，含0.05 mol/L KCl），8 000 r/min 条件下均质1 min，在4 ℃、10 000 r/min 条件下离心20 min，收集沉淀，操作重复一次。将3 倍的0.02 mol/L Tris-HCl 缓冲液（pH 7.0，含0.6 mol/L KCl）加入沉淀，8 000 r/min 条件下均质1 min，在4 ℃下静置1 h，在4 ℃、10 000×g 条件下离心15 min，收集的上清液即为肌原纤维蛋白缓冲液。采用双缩脲法测定上清液中蛋白质含量，即为肌原纤维蛋白含量。以新鲜南美白对虾的提取率为100%，计算烤制后南美白对虾肌原纤维蛋白的相对提取率。

1.4.7 感官评价 根据SC/T 3305-2003《烤虾》[9]中的感官要求，评价烤制后南美白对虾的口感、滋味和气味，采用5 分制评分。选取8 名食品专业同学组成感官评价小组。

表1 烤虾感官评分标准Table 1 Standards of sensory evaluation of roast shrimp

1.4.8 气相-离子迁移谱（GC-IMS）分析 采用FlavourSpec风味分析仪分析南美白对虾烤虾的挥发性成分，将烤虾肉打碎，称取1 g 装入20 mL顶空瓶中，烤虾虾肉在40 ℃孵育20 min。孵育后，用注射器在85 ℃自动将500 μL 顶空注入进样器。用N2将样品送入FS-SE-54-CB 毛细管柱（15 m×0.53 mm）。程序流速为：0～2 min，2 mL/min；2～10 min，2～20 mL/min；10～20 min，20～100 mL/min；20～30 min，100～150 mL/min。漂移气为N2，流量 为150 mL/min。利 用Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析软件及GC×IMS Library Search定性软件对烤虾的挥发性有机物进行采集和分析。

1.5 数据处理

使用SPSS 软件进行显著性分析，利用Origin 8.5 进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 基于LF-NMR 和MRI 技术解析南美白对虾在烤制过程中的水分迁移规律

LF-NMR 是一种新型无损检测技术，广泛应用于食品中水分迁移和分布状态的研究中[10]。图1是不同烤制温度下南美白对虾的T2反演谱，可观察到4 个峰，分别为T2b、T21、T22、T23。不同峰代表的水分状态不同[11]。T2弛豫时间的变化能够反映水分子的流动性[12]，与水中氢质子自由程度和结合力有关[13]。T2弛豫时间越小，表明水分与底物结合越紧密。T2b的范围在0～2 ms，被认为是紧密附着在南美白对虾蛋白分子表面极性基团上的强结合水；T21的范围在2～10 ms，可能是与组织结构相关或被困在其中的弱结合水；T22的范围在10～100 ms，是肌原纤维结构内的固定化水，即不易流动水；T23的范围在100～1 000 ms，是肌原纤维结构中的游离水，即自由水。随着烤制时间的增加，T2反演谱整体向左移动，T22和T23显著降低（P＜0.05，图2）。这可能是因为各组分的水在烤制过程中不断地被除去，组织结构对水的束缚作用增大，导致了水分的流动性下降。基于MRI 技术获取的质子密度伪彩色图像（图3）中，红色代表高质子密度，表明样品中的水分含量高，蓝色代表低质子密度，表明样品中水分含量低。随着烤制时间的增加，伪彩色图像由红色、黄色逐渐变为蓝色，说明了南美白对虾中在烤制过程中含水量持续下降。

图1 南美白对虾在180 ℃（a）、200 ℃（b）、220 ℃（c）烤制时的T2 反演谱Fig.1 T2 inversion spectra of Penaeus vannamei baked at 180 ℃（a），200 ℃（b），and 220 ℃（c）

图2 南美白对虾在180 ℃（a）、200 ℃（b）、220 ℃（c）烤制时横向弛豫时间T2 的变化Fig.2 Changes of transverse relaxation time T2 of Penaeus vannamei baked at 180 ℃（a），200 ℃（b），and 220 ℃（c）

图3 南美白对虾在180°C（a）、200°C（b）、220°C（c）烤制时峰面占比和伪彩色图像Fig.3 Peak area percentage and Pseudo-color picture of Penaeus vannamei baked at 180 ℃（a），200 ℃（b），and 220 ℃（c）

低场核磁峰面积占比变化可以表征各种水组分的分布状态和水分迁移情况[14]。从图3 可以观察到，南美白对虾中的水主要是不易流动水，不易流动水的自由度介于结合水与自由水之间，容易发生转化[12]。在180 ℃和200 ℃烤制到9 min 时，220 ℃烤制到6 min 时，发现强结合水A2b和弱结合水A21所占比例显著增加（P＜0.05），不易流动水A22所占比例显著减小（P＜0.05），自由水A23所占比例显著增加（P＜0.05），说明在烤制过程中不易流动水向自由水和结合水转化。自由水所占比例上升的原因可能是在烤制过程中南美白对虾肌原纤维结构发生收缩，阻止了不易流动水散失，使不易流动水向自由水发生转化[15]。随着烤制时间的增加，由于自由水活跃且容易散失，散失的自由水多于不易流动水转化的自由水，自由水所占比例逐渐下降。与180 ℃与200 ℃相比，温度更高的220 ℃、6 min 后自由水所占比例开始下降，而180℃和200 ℃时9 min 后开始下降，表明高温可以加快水分分布的改变。

2.2 不同烤制温度下南美白对虾色泽随烤制时间的变化规律

在非接触状态下，水产品的色泽可能是消费者评判质量的唯一标准，良好的色泽可以刺激食欲，决定消费者的选购意愿[16]。虾的市场价值主要取决于其体色的视觉吸引力。虾内的主要色素物质是虾青素，为虾组织提供了红橙色的色素[17]。未经烤制的虾的a*值为负值，表明新鲜的南美白对虾的虾青素稳定，虾体呈蓝绿色。随着烤制时间的增加，a*值变为正值，说明南美白对虾中的虾青素受热分解而暴露，虾体呈红色[18]。不同温度条件下，随着烤制时间的增加，南美白对虾的a*值呈先上升后下降的趋势。a*值的下降可能是因为南美白对虾中游离态虾青素受热发生降解、氧化分解或异构化[19]。与180 ℃和220 ℃相比，200 ℃烤制的南美白对虾a*值更高，其在200 ℃烤制15 min时a*值达到了最大值。总色差ΔE 值来反映烤制与新鲜的南美白对虾间的色泽总体差异程度。与a*值的结果一致，200 ℃烤制的南美白对虾ΔE 值比180 ℃和200 ℃高。200 ℃烤制15 min 和18 min的ΔE 值达到了最大值，表明其总体色泽变化程度最大。而南美白对虾在200 ℃烤制12 min 和18 min 的a*值没有显著性差异（P＞0.05）。为了确定最合适的烤制条件，还需要对200 ℃烤制12，15 min 和18 min 进行进一步研究。

图4 不同烤制温度下南美白对虾的a*（a）与ΔE（b）值Fig.4 a*（a）and ΔE（b）values of Penaeus vannamei at different baking temperature

2.3 南美白对虾烤制过程中肌原纤维蛋白相对提取率的变化

肌原纤维蛋白提取率可以反映水产品的熟化程度，当其低于10%时，水产品达到熟化状态[20]。从图5 中可以看出，南美白对虾肉受热后其肌原纤维蛋白的相对提取率呈先快速降低后缓慢降低。烤制到3 min 时，肌原纤维蛋白发生变性使肌原纤维蛋白相对提取率迅速降低。随着烤制时间继续增加，肌原纤维蛋白继续降解，肌原纤维蛋白从肌纤维间逐渐流失到组织外，使肌原纤维蛋白相对提取率继续下降[21]。200 ℃烤制9 min 时肌原纤维蛋白质提取率为8.73%，已降至10%以下，表明此时虾肉已经完全熟化。

图5 南美白对虾烤制过程中肌原纤维蛋白相对提取率Fig.5 Changes in the relative extraction rate of myofibrilar protein of Penaeus vannamei during baking

2.4 南美白对虾烤制过程中质构品质变化规律

经烤制后南美白对虾口感更佳，而过度加热，组织结构被严重破坏，影响口感。质构仪能够客观地反映出食品品质特性，以量化指标全面评价食品[22]。随着烤制时间的增加，虾的硬度和咀嚼性显著增加（P＜0.05），硬度和咀嚼性增加的主要原因是烤制过程中的不断地脱水，虾的肌原纤维发生收缩、蛋白质受热变性形成稳定结构，使虾肉变硬[23]。熟化后烤制的过程中弹性和粘聚性没有显著性变化（P＞0.05）。

图6 南美白对虾烤制过程中的质构变化Fig.6 Changes in texture of Penaeus vannamei during baking

2.5 不同烤制时间南美白对虾烤虾感官评价

感官评价能分析和描述食品的口感、滋味和风味的感官特性，能够直观的反映消费者对食品的接受和喜好程度。综合考虑上述a*值、ΔE 值、肌原纤维相对提取率、质构品质分析结果，选择200℃烤制12，15，18 min 的南美白对虾进行感官评价。200 ℃烤制12 min 和15 min 的南美白对虾的口感明显优于200 ℃烤制18 min。在对质构变化的研究中，18 min 的硬度和咀嚼度也显著高于12 min 和15 min（P＜0.05），这可能是导致口感下降的原因。对于综合得分来说，南美白对虾烤制15 min 时的得分最高。综合考虑a*值、ΔE、口感、滋味、气味、质构多种因素，当烤制温度为200 ℃，烤制时间为15 min 时感官品质最佳。

表2 不同烤制时间南美白对虾烤虾感官评分Table 2 Sensory score of Penaeus vannamei at different baking time

2.6 用GC-IMS 分析烤制的南美白对虾的挥发性成分

通过对GC-IMS 检测出的南美白对虾烤制15 min 挥发性成分分析，发现醛类化合物在烤虾中所占比重最高，包括戊醛、壬醛、己醛、庚醛、3-甲基丁醛和2-甲基丁醛。醛类化合物通常源于鲜虾本身、脂肪氧化或美拉德反应，且呈现出阈值较低的特点，具有类脂肪的香味，属于构成肉品特征性风味的成分，因此醛类化合物在烤虾的整体风味形成有着重要贡献[24-25]。酯类化合物是由脂质代谢生成的羧酸与醇发生酯化反应生成的产物，对虾的肉味特征形成具有重要贡献[26]。在烤虾中检测到的脂类物质有乙酸丙酯、乙酸乙酯。有研究发现乙酸乙酯可以赋予产品果香味[27-28]。从烤虾中检测到了乙醇和丙酮，然而，由于醇类化合物和酮类化合物的阈值较高，对风味的整体贡献较小[29]。有研究表明烤虾中烤肉香味主要由吡嗪类化合物产生的，在烤虾肉中未被定性的物质可能是吡嗪类化合物，可以赋予烤虾肉烤肉香味[30-31]。

表3 南美白对虾烤制15 min 中挥发性化合物的定性分析Table 3 Volatile compounds identified by GC-IMS of Penaeus vannamei baked for 15 min

图7 南美白对虾烤制15 min 的GC-IMS 分析图Fig.7 GC-IMS analysis diagram of Penaeus vannamei baked for 15 min

3 结论

本研究采用LF-NMR 以及MRI 技术研究了南美白对虾在烤制过程中水分状态、含量的变化，解析了南美白对虾在烤制过程中水分迁移规律。从T2反演谱中发现4 种水组分，分别为强结合水、弱结合水、不易流动水和自由水。烤制使南美白对虾的弛豫时间T2变小，整体有向左移动的趋势，说明水分的流动性下降。从伪彩色图像观察到南美白对虾中内的水分随着烤制时间的增加不断被脱除。通过分析不同水组分峰面积的占比，发现南美白对虾中的水组分主要为不易流动水。在烤制过程中不易流动水向自由水和结合水转化，并且高温可以加快水分分布的改变。在烤制过程中，虾体的a*值呈先上升后下降的趋势。200 ℃的a*值和ΔE 值高于180 ℃和220 ℃，在200 ℃南美白对虾烤制15 min 时的a*值和ΔE 值均达到最高，表明在200 ℃烤制15 min 的南美白对虾色泽更佳。200 ℃烤制9 min 时的南美白对虾肌原纤维蛋白质提取率已降至10%以下，表明此时的南美白对虾已完全熟化。通过对熟化后的南美白对虾的质构品质进行分析比较，发现硬度和咀嚼度会随着烤制时间的增加而增大（P＜0.05），而弹性与黏聚性没有显著性变化（P＞0.05）。对烤制的南美白对虾的a*值、ΔE 值、质构、感官评价进行综合分析，发现南美白对虾在200℃烤制15 min 时最佳，此时的烤虾富含醛类和酯类化合物，为烤虾提供了特殊的香气。