冷冻即食海参质构特性指标的相关性研究

2023-02-17葛小通王红丽尹明雨王锡昌

中国食品学报 2023年1期

葛小通，王红丽，尹明雨，王锡昌*

（1 上海海洋大学食品学院上海 201306 2 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心上海 201306 3 农业农村部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室上海 201306）

海参属棘皮动物门（Echinodermata）海参纲（Holothuroidea），富含肽、三萜苷、甾醇和多糖等生物活性物质，是一种海洋高营养价值食品[1]。目前，海参养殖年产量近22 万t，市场价值超过70 亿美元[2]。因海参在机械破坏、温度变化、水质变化、盐度变化等刺激下会产生自溶现象[3]，故选择合适的加工方法以延长其贮藏时间尤为重要。传统的海参加工方法为干制，大多采用自然晾晒，加入大量糖或盐进行腌制，其过程复杂且需复水操作，极大地破坏了海参的品质。不同于传统干制海参，通过高温、高压和热处理制备的冷冻即食海参，由于生产工序少，所含营养成分尤其是水溶性营养物质及生物活性物质损失相对较小[4]，且产品食用方便性增强，因此成为近10年受欢迎的一种产品。

冷冻即食海参产品方便食用，具有较好的弹性、韧性及口感[5]，其质构特性对消费者的感官体验影响显著。冷冻即食海参的质构特性可通过人的感官评价或仪器评价的方法获得。感官评价能直观反映冷冻即食海参的质构特性，然而，主观因素影响大，评价结果无法直接用精确的数据表达，具有局限性[6]。因此，使用便捷、客观的仪器检测各项指标具有很重要的意义。目前已有对海参质构特性分析的研究报道，如Liu 等[2]通过硬度、弹性、黏聚性和咀嚼性等TPA（Texture profile analysis）指标表征贮藏过程中胶原蛋白氧化对海参体壁的影响；Xiong 等[7]利用剪切力测定海参氧化过程中的嫩化程度；薛冬梅等[8]通过应力松弛试验表征加热条件下海参的结构变化。综上，前人报道采用质构仪测量海参质构特性的方法单一，对冷冻即食海参质构特性的研究较少。

本试验选用4 种解冻方式的冷冻即食海参为原料（冷藏解冻、空气解冻、静水解冻和超声辅助解冻），进行TPA、剪切力和应力松弛等指标检测，并与感官评价进行关联分析。基于冷冻即食海参质构特性的全面分析与评价，为冷冻即食海参质构品质提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冷冻即食海参（蓝渤湾海洋食品有限公司，辽宁省大连市）购于麦德龙超市，置于铺满冰袋的保鲜箱迅速运输至实验室，放在（-20±1）℃冰箱中贮藏备用。

Fluke-NetDAQ32 多点温度采集仪，美国Fluke 公司；KQ-100VDE 型超声波清洗机，昆山市超声仪有限公司；TA-XT2I 质构分析仪，英国SMS公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计从-20 ℃冰箱中取出冷冻即食海参，选出大小相似（质量：（20.56±1.78）g，体长：（8.12±0.67）cm，n=160），经过4 种方式解冻的冷冻即食海参作为研究对象，其试验设计组别见表1。各组均采用多点温度采集仪测定温度，待其中心温度达到4 ℃时，即视为解冻结束，立即进行质构特性的检测。

表1 冷冻即食海参的4 种解冻方式与解冻时间Table 1 Four thawing methods of frozen instant sea cucumbers

1.2.2 质构仪检测

1.2.2.1 样品制备取解冻后的冷冻即食海参用滤纸擦干表面水分，去头去尾将中间腹部平整区域切成直径2 cm，厚度25 mm 的圆柱体。

1.2.2.2 TPA TPA 测定参考Torres 等[10]的方法，并稍作修改，将样品置于SMS 物性分析仪进行二次压缩试验。使用P/50 平底柱形探头，试验前、中、后速度分别设置为1，5，1 mm/s，压缩度30%，两次压缩间隔5 s，触发力5 g。

1.2.2.3 剪切力参考Zhu 等[11]的方法并稍作修改，将样品垂直于SMS 物性分析仪上进行纵剪切力试验，将样品水平于平台放置。测定条件：探头型号为WBS 切刀形探头，试验前、中、后速度分别设置为1，5，1 mm/s，初始激发力5 g。

1.2.2.4 应力松弛参考Zhang 等[12]的方法并稍作修改。将样品置于SMS 物性分析仪上进行一次压缩试验。使用P/36 平底柱形探头，试验前、中、后速度分别设定为1，2，1 mm/s，压缩度30%，压缩时间60 s。

应力松弛曲线采用改进的三元模型拟合如下式[13]：

式中，σ——样品在试验中任何时间t 所受的应力（kg）；ε0——应变压缩（30%）；τ——σ 降至初始值e-1时的弛豫时间（s）；E0和E1——平衡和衰减弹性系数；η——阻尼体粘滞系数。

1.2.3 感官评价参考邱岑[14]的方法，以硬度、弹性、黏度3 项作为样品的评价指标，制定感官评价标准表。 4 组样品用3 位数的随机数编码，由10位年龄在22～25 岁经过训练的感官员（5 男5 女）进行评价。

感官评价试验样品是解冻后的冷冻即食海参，切取中间腹部直径2 cm，厚度25 mm 的圆柱体小块。根据GB/T 16860-1997 质构特性的定义和评价方法[15]，采取10 分制打分，具体评分标准见表2。

表2 质构特性感官评价标准Table 2 Sensory evaluation standard for texture properties

1.3 数据处理

所有试验均重复8 次，试验数据以“平均值±标准偏差”表示。采用SPSS 19.0 软件进行方差分析及相关性分析。采用Excel 插件XLSTAT 进行主成分分析。作图软件是用Sigma Plot 12.5 和Adobe Illustrator CS5。

2 结果与分析

2.1 仪器检测指标分析

2.1.1 TPA TPA 以提供样品在形变中的力学特性信息，是一种广泛应用于食品质地评估的经典方法[16]。本试验主要对硬度、弹性、黏聚性和咀嚼性进行分析。 4 种解冻方式间的样品质构特性差异显著（P＜0.05）（图1）。如图1a 所示，A 组的硬度最大（4.48 kg），而B 组的硬度最小（2.78 kg），硬度变化可能与冷冻即食海参体壁组织中胶原纤维的断裂有关，A 组硬度强表明其胶原纤维相互聚集，具有较为致密的胶原纤维网络结构，有效维持其原有形态。前人研究发现[17]，食品弹性的变化与脂肪含量存在正相关关系，图1b 中B、C 和D 组的弹性无显著差异（P＞0.05），可能由于这3 组解冻时间较短并不能引起明显的脂肪损失。由图1d 可知，A 组的咀嚼性显著高于其它3 组（P＜0.05），咀嚼性可以反映样品的嫩度，它与硬度、弹性和黏聚性有关，是评价质地的综合指标。

图1 4 组冷冻即食海参的TPA 测定结果Fig.1 TPA determination results of four groups of frozen instant sea cucumber

2.1.2 剪切力冷冻即食海参是经过高温、高压处理过的产品，其胶原蛋白已高度凝胶化，而嫩度则是评价凝胶产品的重要指标。嫩度通常通过切割纤维阻力的大小来判断，剪切力则是测定嫩度较客观的方法之一[18]。如图2 所示，A 组的纵截面剪切力显著大于其它3 组（P<0.05），与TPA 中咀嚼性趋势相同。 A 组的横截面剪切力显著大于B组（P<0.05）。一般来说，剪切力越大，对机械剪切的抵抗能力越强，说明A 组样品的韧性强且凝胶网络结构紧密。

图2 4 组冷冻即食海参的剪切力测定结果Fig.2 Shear force determination results of four groups of frozen instant sea cucumber

2.1.3 应力松弛应力松弛是研究大分子物质黏弹性的重要方法，它与凝胶的网络结构密切相关。图3 显示了4 组样品的应力松弛曲线，曲线的压缩部分（从试验开始到达到最大力）未考虑在内，当应力达到最大值后，所有样品的应力都迅速下降，然后随着时间的推移缓慢下降到一个平衡值。在不断形变的过程中，冷冻即食海参的蛋白质大分子链会发生空间和构象变化，从而产生黏性流动，能量释放到环境中，从而降低应力，平衡应力值反映了样品的硬度[19]。从图3 可以看出，A 组的平衡应力最大，说明A 组的硬度最大，B 组最小，这与TPA 硬度的测试结果一致。

图3 4 组冷冻即食海参的应力松弛曲线Fig.3 Stress relaxation curves of four groups of frozen instant sea cucumber

根据公式（1）将试验数据拟合到修正的三元模型中，得到的E0、E1、τ 与η 的拟合参数，试验数据与方程吻合良好，每个拟合方程R2均大于0.900。如表3 所示，A 组的E0和E1参数明显高于其它3 组（P<0.05），参数E0与硬度密切相关。另一个参数E1反应了样品的弹性，E1越高，从最大值到平衡点的下降距离就越大，弹性趋势是A＞D＞C＞B。松弛时间τ 取决于样品的黏度与弹性，它反映的是能量释放速度，这与大分子在压缩过程中的阻力有关[20]。根据公式（2）得到样品的粘滞系数η 反映了样品的黏度，黏度趋势是A＞D＞B＞C。

表3 4 组冷冻即食海参的三元模型参数Table 3 Ternary model parameters of four groups of frozen instant sea cucumber

2.2 感官评价指标分析

感官评价是一种直观、快速的评价方法。由图4a 可知，感官评价中硬度趋势是A＞D＞C＞B；弹性趋势是A＞D＞C＞B；黏度趋势是A＞D＞B＞C，这与仪器检测指标分析结果基本相同。

从感官评价总分的结果（图4b）可以看出A组（19.84）的感官总分最高，其次是D 组（17.96）和C 组（15.6），B 组（13.81）感官总分最低。其主要原因可能是A 组的解冻温度低且过程较温和，有效地减弱了生化反应强度，抑制了微生物的繁殖，组织损伤较小，胶原纤维结构致密。D 组由于超声波作用水产生空化气泡，C 组由于介质是水，两者都提高了传热效率，能较快地通过最大冰晶融解带（-5～0 ℃），从而减少了样品胶原蛋白的降解，降低了组织结构的破坏[21]。综上，4 组样品的质构特性感官评价指标具有显著性差异（P<0.05）。

图4 4 组冷冻即食海参的感官评价与评价总分结果Fig.4 Sensory evaluation and total score results of four groups of frozen instant sea cucumber

然而，仪器检测指标能否互相关联，能否准确反映消费者的感官真实值，还需要做进一步的相关性与主成分分析。

2.3 仪器检测指标间的相关性分析

仪器检测指标间的相关性见图5。9 项仪器检测指标中，除了黏聚性与弹性、纵剪切力、η 外，其它仪器检测指标间均具有较高的相关性（r=0.800～0.999≥0.800），说明质构仪检测的仪器指标间呈较好相关性。其中TPA 黏聚性是第一次压缩与第二次压缩的做功之比，一定程度上与其它仪器检测指标相关性不高，这与以往研究结果相符[22]。而弹性模量E1与硬度（r=0.990，P＜0.01）、弹性（r=0.974，P＜0.05）、咀嚼性（r=0.994，P＜0.01）、纵剪切力（r=0.978，P＜0.05）、横剪切力（r=0.961，P＜0.05）、E0（r=0.986，P＜0.05）、η（r=0.987，P＜0.05）之间有不同程度的相关性。冷冻即食海参的E1表示的是样品在弹性形变区内应力与应变曲线的斜率，这与大分子在压缩过程中的阻力有关，与样品的柔韧性密切相关[20]。

图5 仪器检测指标间的聚类相关性色图Fig.5 Color map of correlations among instrument detection indicators

2.4 仪器检测指标与感官评价指标间的相关性分析

仪器检测指标与感官评价指标间的相关性见图6。硬度、黏聚性、咀嚼性、横剪切力和E1与感官硬度，硬度、黏聚性、咀嚼性、横剪切力、E0和E1与感官弹性，全部仪器检测指标与感官总分均呈较高的相关性（r=0.800～0.994≥0.800），说明感官评价是一种主观性、综合性较强的质构特性评价，部分仪器检测指标与特定感官评价指标呈弱相关性，然而所有仪器检测指标与感官总分间相关性较好。其中TPA 黏聚性与感官硬度（r=0.982，P＜0.05）、感官弹性（r=0.994，P＜0.01）、感官总分（r=0.984，P＜0.05）间呈显著相关性，冷冻即食海参的黏聚性表示的是样品断裂前的形变程度，这与样品的柔软性和组织状态密切相关[23]。样品的横剪切力与感官弹性和感官总分间呈显著相关性（P＜0.05），横剪切力是模拟人咬合冷冻即食海参所需力的最佳参数，样品弹性越好，则抗拒形变的力量越大，所需横剪切力就越高[24]。硬度是反映均匀咀嚼时压迫样品所需的力，而TPA 硬度是第1次压缩所需的力，且在没超过消费者承受范围时，样品的硬度越大，质构越好[25]。而感官黏度与所有仪器检测指标相关性不高（r=0.577～0.790＜0.8），黏度与抗流动性的机械质地特性有关，表现为用舌头将样品吸进口腔里，用平稳速率所需的力量，而质构仪检测的样品为圆柱状小块，从而导致感官黏度与仪器检测指标相关性不高。综上，仪器检测指标和感官评价指标之间存在一定的相关性，且可将TPA 硬度、TPA 黏聚性和横剪切力作为冷冻即食海参质构特性评价的重要综合性指标。

图6 仪器检测指标与感官评价指标间的聚类相关性色图Fig.6 Color map of correlations among instrumental detection indicators and sensory evaluation indexes

2.5 仪器检测指标的主成分分析

对仪器检测指标数据进行主成分分析（PCA），发现前2 个主成分解释了总变量的99.65%（PC1 和PC2 分别为94.83%和4.82%）（图7）。载荷图表明射线的箭头终点与原点距离越远，其指标被2 个主成分解释程度越高，箭头空间距离越近，指标间相关性就越高[26]。主成分1 与9 项仪器检测指标均呈正相关，且应力松弛E1和TPA硬度能较好的被主成分1 解释。主成分2 与TPA黏聚性、横剪切力、TPA 硬度和弹性模量E1正相关且能较好的被主成分2 解释，与其它仪器检测指标呈负相关。所有仪器检测指标均能被这2 个主成分较好的解释。

图7 主成分载荷图Fig.7 Biplot of principal component analysis

图8 是对4 组样品得分因子绘制的PCA 得分图。4 个象限把4 个解冻组分成3 类，这与感官评价总分分类情况相似。感官评价总分最高的A组趋近于主成分1 和主成分2 的正方向，由于主成分1 与应力松弛E1和TPA 硬度呈正相关且能够被较好的解释，主成分2 与TPA 黏聚性、横剪切力、TPA 硬度和弹性模量E1正相关且能较好的解释，说明样品要获得较好的感官评价总分，需要有较高的黏聚性、硬度、横剪切力和E1。