不同干燥方法对南美白对虾理化特性和微观结构的影响

林雅文，刘佳晨，李艾靑，高 月，励建荣，李学鹏,2,*

（1.渤海大学食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁 锦州 121013；2.大连工业大学 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）又名为凡纳滨对虾，是目前养殖产量最高的虾品种之一。由于南美白对虾比其他对虾具有更快的生长速度、更强的耐病性和生存能力以及更高的经济价值[1]，其已成为目前产量最高的对虾。我国是世界上最大的南美白对虾养殖国，截至2020年，我国南美白对虾产量已经达到119.77万 t，占我国海水养殖虾总产量的80%[2]。南美白对虾鲜香肥美，不仅具有丰富的蛋白质、氨基酸和其他重要营养物质，还是药食同源物料，具有一定的食疗价值，经常食用可帮助人们提高免疫力、保护心血管系统、增强体质等[3]，已逐渐成为国际渔业中的代表性资源。但因鲜虾的含水量较高，易发生腐败变质，严重影响其贮藏期[4]。目前，对虾产品以冷冻产品为主，常利用低温贮藏保鲜技术如冷藏、冰温、微冻和冻藏等延长对虾产品货架期[5]，但冷冻通常能耗高，且长时间冷冻会导致对虾品质劣变。目前水产品干燥脱水已成为食品加工业的重要组成部分。

干燥可将物料中的水分含量降低到足够低的水平，以防止微生物生长，并减缓可能导致食品变质的酶促反应和其他生物反应。目前，常用于水产品的干燥方式主要有太阳能干燥[6]、热风干燥（hot air drying，HAD）[7]、微波干燥[8]、真空冷冻干燥（vacuum freeze drying，VFD）[9]和热泵干燥[10]等。郭雪霞等[11]研究了自然晾晒、HAD、太阳能干燥和VFD下南美白对虾水分活度、质构、色泽、收缩率、复水率、能耗和基本营养成分的变化，发现53 ℃、7 m/s的太阳能干燥最适合南美白对虾。王雅娇[12]比较了HAD、太阳能热风干燥和自然晾晒干燥南美白对虾的干燥特性和品质，发现太阳能热风干燥较适宜南美白对虾。Li Deyang等[13]研究了不同干燥工艺对南美白对虾脂肪变质和色泽特性的影响，发现冷冻干燥能更好地保持南美白对虾的品质和色泽。中短波红外干燥（medium-short wave infrared drying，MSWID）是一种能直接穿透物料，通过分子振动将辐射能转化为热能的红外辐射干燥技术。其辐射波长为0.75～4.00 μm，与水的吸收波长（2.7～3.3 μm）相匹配，可以引起物料中水分子的剧烈振动，加速物料内部水分迁移，从而实现物料的快速干燥[14]。Moon等[15]利用MSWID和HAD两种方法，比较在不同温度下其对海参干燥特性和品质的影响。结果表明，MSWID的海参形态、颜色和结构特征都明显优于HAD。MSWID具有热能损失小、加热效率高和节能环保等优点[16]，已成功应用于当归[17]、白参[18]、红薯[19]、稻米[20]、猕猴桃[21]、黄花菜[22]等产品的干燥加工。目前MSWID在南美白对虾加工中的研究较少，不同温度下MSWID和HAD对南美白对虾干燥的影响尚鲜见报道。

本实验以南美白对虾为研究对象，利用MSWID和HAD技术研究不同干燥方法对南美白对虾干燥特性、理化特性和微观结构的影响，以期为南美白对虾干燥技术的应用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冷冻南美白对虾（（2 4.1 3±1.5 6）g、（13.56±0.20）cm）购自辽宁省锦州市某水产市场。

无水乙醇 天津市富宇精细化工有限公司；磷酸二氢钠 上海凛恩科技发展有限公司；磷酸氢二钠上海麦克林生化科技有限公司；戊二醛、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydracyl，DPPH）北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器与设备

X3-233A微波炉 广东美的厨房电器制造有限公司；2100620型中短波红外干燥箱 苏州高鹏自动化设备有限公司；FX 101-0型电热鼓风干燥箱 上海树立仪器仪表有限公司；A590型紫外-可见分光光度计翱艺仪器（上海）有限公司；CR-400色差计 柯尼卡美能达（中国）投资有限公司；JSM-IT200型扫描电子显微镜捷欧路（北京）科贸有限公司；Biofuge Stratos型冷冻高速离心机 德国贺利氏公司；XHF-DY高速分散器宁波新芝生物科技股份有限公司；Universal TA质构仪上海腾拔仪器科技有限公司；NMI20-040V-I型低场核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）分析仪苏州纽迈分析仪器股份有限公司；DXRxi型显微拉曼成像光谱仪 美国赛默飞世尔科技公司；zz-tp001精密电子天平 永康市戎睿商贸有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品熟化预处理

选择体型完整、大小均匀一致的带壳冷冻南美白对虾于实验前取出放入4 ℃冰箱中缓化1 h，将对虾放入微波炉中进行熟化，微波功率为500 W，时间3 min，吸去微波熟化虾表面水分，并自然冷却到室温备用。按照GB 5009.3-2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定方法》[23]中直接干燥法测定南美白对虾初始水分含量及干物质质量。

1.3.2 南美白对虾干燥及实验参数

将熟化后的南美白对虾进行MSWID，以HAD为对照组，设置MSWID温度为50、60、70 ℃，功率1 125 W，辐射距离10 cm；HAD温度为50、60、70 ℃。将试样分别平铺于中短波红外干燥箱和热风干燥箱的烘盘内，每1 h取出称质量[24]，直至南美白对虾水分含量为0.2 g/g（以干质量计，下同）为止[24]。水分含量按公式（1）计算。

式中：ωt为干燥至t时刻水分含量/（g/g）；mt为干燥至t时刻南美白对虾总质量/g；m0为干物质质量/g。

1.3.3 色泽测定

选取不同干燥条件下的南美白对虾第2、第3腹节进行色泽检测，使用色差计，依据CIELAB表色系统对南美白对虾的亮度（L*值）、红绿度（a*值）、黄蓝度（b*值）进行测定[25]。

1.3.4 质构特性测定

分别取不同方式干燥的南美白对虾去壳，采用TA-XT-PLUS质构仪对其硬度、弹性、胶着性和咀嚼性进行测定。参数设置：选用P/0.5柱形探头，测前速率1.0 mm/s，测试中速率1.0 mm/s，测后速率1.0 mm/s，压缩比50%，间隔时间5.0 s[10]。

1.3.5 水分分布测定

MRI可对南美白对虾氢质子密度成像进行分析。将熟化和干燥后的南美白对虾置于射频线圈中心，在32 ℃条件下进行成像实验，获得MRI图像[26]。主要参数：FOVRead＝100 mm，FOVPhase＝100 mm，TR＝1 500 ms，TE＝9.415 ms，RFA90＝4.0%，RFA180＝6.3%，Averages＝8。

1.3.6 虾青素含量的测定

参考张旭飞等[27]的方法略有改动。称取2 g样品，按料液比1∶7加入无水乙醇并置于50 mL离心管中，调整转速为5 000 r/min，匀浆时间1 min，混合均匀后再40 ℃水浴摇床浸提2 h，于4 ℃、8 000 r/min下离心5 min，收集上清液，将沉淀按上述方法重复提取3 次直至无色，合并3 次上清液。为保证虾青素不被分解破坏，提取过程全程温度控制在4 ℃左右，将混匀后的上清液置于棕色玻璃瓶中，在472 nm波长处测定其吸光度，实验重复3 次。

虾青素标准曲线的绘制参考谈佳玉[28]的方法略作改动。准确称取一定量的虾青素标准品，用无水乙醇溶解成2～12 µg/mL的虾青素标准品乙醇溶液，在472 nm波长处测定其吸光度，通过绘制质量浓度与吸光度标准曲线得到回归方程（y＝0.096x＋0.119 9；R2＝0.999 1），计算虾青素含量。

1.3.7 抗氧化能力的测定

参考Xie Zhengjun等[29]的方法并稍作修改。DPPH溶液的配制：称取0.002 g DPPH溶于50 mL无水乙醇中，避光保存。将3.0 mL虾青素提取液置于离心管中，加入3.0 mL DPPH溶液，室温下避光反应30 min，以无水乙醇进行调零，在517 nm波长处测定吸光度，实验重复3 次。DPPH自由基清除率按公式（2）计算。

式中：A0为3.0 mL无水乙醇＋3.0 mL DPPH的吸光度；As为3.0 mL样品溶液＋3.0 mL DPPH的吸光度；Ac为3.0 mL样品溶液＋3.0 mL无水乙醇的吸光度。

1.3.8 微观结构观察

参考叶韬等[30]的方法略有改动。分别将熟化、干燥后的南美白对虾剔除头部和外壳，取其第3腹节，切成薄片，于2.5%（体积分数，下同）戊二醛溶液中浸泡24 h，再使用0.1 mol/L、pH 6.8的磷酸盐缓冲液漂洗4 次，每次10 min，然后依次利用体积分数为50%、70%、80%和90%的乙醇溶液各冲洗40 min，最后使用无水乙醇冲洗3 次，脱水，冷冻干燥15 h后采用真空离子溅射仪喷金，利用扫描电子显微镜观察其微观结构，加速电压为15 kV。

1.3.9 蛋白质二级结构测定

参考高瑞昌等[31]的方法略有改动。分别取熟化、干燥后南美白对虾第3腹节于载玻片上，使用DXRxi型显微拉曼成像光谱仪进行扫描。每个样品测定3 次，计算南美白对虾蛋白质二级结构的相对含量。

1.4 数据处理与分析

本实验数据采用Excel 2007软件进行处理，采用Origin 8.5软件绘图，使用SPSS Statistics 26软件分析数据，采用单因素方差分析（one-way ANOVA），基于Duncan检验进行显著性比较（P＜0.05），所有实验平行测定3 次。实验结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同干燥条件对南美白对虾水分含量的影响

依据GB 5009.3-2016测得南美白对虾初始水分含量为（2.82±0.04）g/g，熟化后南美白对虾水分含量为（2.14±0.04）g/g。如图1所示，随着干燥时间的延长，南美白对虾水分含量呈现降低的趋势。随着温度的升高（50、60、70 ℃），南美白对虾的干燥时间缩短（HAD时间分别为16、14、12 h；MSWID时间分别为15、13、10 h）；相同干燥温度下，相比于HAD，MSWID时间分别缩短了6.25%、7.14%和16.67%。南美白对虾的干燥过程为降速干燥，在干燥初期，南美白对虾表面的自由水含量较高，随着干燥的进行，自由水逐渐蒸发，温度越高，自由水蒸发的速率越快。干燥后期，由于结合水与细胞壁和毛细管壁的结合能力较强，不易被干燥除去，水分含量降低速度缓慢，脱水能力减慢。且干燥后期南美白对虾表面结壳，阻碍水分蒸发，所以干燥困难。相同干燥温度下红外射线穿透能力更强，物料内部产热更快，短时间可使内物料的温度梯度降低，水分迁移加速，而HAD仅能通过热效应带走物料表面的水分[32]，因此MSWID的干燥效果明显强于HAD。Moon等[33]在对海参的干燥中也发现了类似的结果，即MSWID比HAD更省时。

图1 不同干燥条件对南美白对虾水分含量和干燥时间的影响Fig.1 Effects of different drying conditions on moisture content and drying time of P.vannamei

2.2 不同干燥条件对南美白对虾色泽的影响

色泽被认为是南美白对虾最重要的感官属性之一，如表1所示，与熟化后南美白对虾相比，干燥后的南美白对虾L*值均显著降低（P＜0.05），色泽变暗。在MSWID过程中，L*值随着干燥温度的升高逐渐升高；在HAD过程中，L*值随着干燥温度的升高而逐渐降低。在MSWID中随着温度的升高，b*值逐渐升高，这可能是因为随着干燥温度的升高，干燥时间缩短，虾青素发生降解的过程变短，发生异构化的虾青素减少，游离的虾青素含量升高，导致b*值升高。本研究结果与Murali等[7]研究发现干燥后虾的颜色变深类似，干燥过程中释放的虾青素产生褐变反应生成黄色色素，因此干燥后的虾比熟化后颜色更鲜艳。

表1 不同干燥条件对南美白对虾色泽的影响Table 1 Effects of different drying conditions on the color of P.vannamei

2.3 不同干燥条件对南美白对虾质构特性的影响

质构是影响水产品品质的重要指标之一，常用来表征食品的组织状态、结构等。如表2所示，干燥后南美白对虾的质构指标除弹性外均明显提高，这是因为干燥使南美白对虾水分含量减少，蛋白质的网络结构被破坏，随着干燥温度的升高，干燥过程失水迅速，肌纤维发生皱缩，使南美白对虾硬度增大。干燥温度对弹性的影响较小（P＞0.05）。中短波红外辐射能量直接作用于南美白对虾内部，使其组织结构膨胀并产生微孔结构，从而使其硬度低于相同温度条件下的HAD对虾。李文盛等[34]也报道由于HAD时间较长，表面硬化导致南美白对虾硬度提高，本实验结果与之一致。

表2 不同干燥条件对南美白对虾质构特性的影响Table 2 Effects of different drying methods on texture characteristics of P.vannamei

2.4 相关性分析

采用Pearson双尾检验对不同干燥方式处理下南美白对虾的色泽和质构特性进行相关性分析。如图2所示，不同干燥方式南美白对虾色泽和质构指标之间无显著相关性（P＞0.05）。由表1、2可以看出，L*、b*值与硬度、胶着性、咀嚼性在MSWID组呈正相关，而在HAD组则呈负相关，说明不同干燥方式对色泽与质构的影响不同。这是因为不同干燥方式对虾体内的虾青素降解程度不同，导致其颜色变化也不同。干燥过程破坏南美白对虾的微观结构，从而导致肌肉硬度增加，硬度高的产品胶着性与咀嚼性也较高，而咀嚼性的适当增加有利于形成良好的口感。

图2 不同干燥条件下南美白对虾色泽和质构特性的相关系数热图Fig.2 Heatmap showing correlation coefficients between color and texture characteristics of P.vannamei under different drying conditions

2.5 不同干燥条件对南美白对虾中水分分布的影响

在食品科学领域，MRI已经被证明是研究水分分布的有效方法，其可根据不同位置氢质子共振频率的不同，获得不同的磁共振信号强度，并将其通过空间编码技术转变成图像，进而研究样品内水分分布情况以及加工过程中的结构变化[35]。MRI图像不仅能展示南美白对虾的形态学特征，还能表征其体内水分含量。由图3可知，随着干燥的进行，虾干在两种干燥方式下MRI图像的亮度均逐渐降低，表明其内部的水分含量逐渐减少。因为虾肉厚度不一，虾尾部的水分含量明显比腹部降低得快，后期水分信号的分布明显集中在腹部。在同一时间，同一干燥方式下，干燥温度越高，水分信号消失的越迅速，即干燥速率越快；在同一时间，MSWID组明显比HAD组水分信号消失更迅速，即干燥更快。干燥至7 h时MRI图像中水分信号逐渐消失。这与Cheng Shasha等[26]对白虾干燥过程中水分含量的动态变化研究结果相似，即MRI的信号强度与样品的水分含量成正比。横截面中较亮区域的面积随着干燥时间的延长而持续减小，图像较亮区域从周边到中心均匀减小，表明在干燥过程中南美白对虾水分含量由外向内逐渐降低。由于中短波红外辐射能量可直接穿透至虾干内部，使内能转化为热能，内外同时作用，避免了因媒介产生的能量损失，所以MSWID组图像的水分子信号比HAD组更加均匀。

2.6 不同干燥条件对南美白对虾虾青素含量的影响

虾青素是一种抗氧化性极强的类胡萝卜素，为甲壳类动物中的主要色素，具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、改善视力和预防心脑血管疾病的作用[36]。由图4可知，对比熟化后的样品，经干燥后的南美白对虾虾青素含量降低。两种干燥方式下虾青素均发生一定程度的降解，且50、60 ℃干燥条件下的虾青素含量存在显著性差异（P＜0.05），60、70 ℃干燥条件下的虾青素含量差异性不显著（P＞0.05）。随着温度的升高，其对虾青素的影响减小。虾青素受热极易发生降解，干燥温度和时间是影响热降解的两个主要因素。宋素梅[37]以不同温度贮藏南极磷虾并提取虾壳中的虾青素，发现虾青素保留率随着温度的升高而降低，且在虾青素提取过程中以不同温度进行皂化，结果显示温度越高，游离虾青素含量越低。相同条件下干燥后MSWID组比HAD组虾青素含量更低，可能是由于受辐射影响导致更多虾青素被降解，Yagiz等[38]也发现大西洋鲑鱼的虾青素含量随辐射强度的增加而降低。

图4 不同干燥条件对南美白对虾虾青素含量的影响Fig.4 Effects of different drying conditions on astaxanthin content of P.vannamei

2.7 不同干燥条件对南美白对虾抗氧化能力的影响

如图5所示，温度对南美白对虾DPPH自由基清除率具有显著性影响（P＜0.05）。50、60、70 ℃下HAD组和MSWID组虾干的DPPH自由基清除率分别为56.8%、68.9%、64.8%和35.2%、36.5%、32.0%，同一温度下MSWID组虾干的DPPH自由基清除率显著低于HAD组（P＜0.05），HAD处理组南美白对虾的抗氧化能力与虾青素含量的变化趋势类似，这是由于在干燥过程中虾青素易受温度、光照等因素的影响发生热降解，使其抗氧化能力发生相应变化[27]。而MSWID处理组南美白对虾的抗氧化能力与虾青素含量的变化趋势相反，这可能是由于红外辐射的干燥过程中虾青素产生异构化，其生成的顺式异构体的抗氧化能力比全反式异构体高，导致抗氧化能力与虾青素含量的变化趋势相反，这与Zhao Liyan等[39]的研究结果类似。

图5 不同干燥条件对南美白对虾DPPH自由基清除率的影响Fig.5 Effects of different drying conditions on DPPH free radical scavenging activity of P.vannamei

2.8 不同干燥条件对南美白对虾肌肉组织结构的影响

如图6所示，不同干燥条件下南美白对虾肌肉的微观结构图像有明显差异。熟化后南美白对虾肌纤维排列整齐紧密，结构完整，肌肉纹理清晰，表面光滑紧密；干燥后虾干的肌纤维失去了完整性，肌纤维结构出现断裂、收缩，肌纤维间的空隙变大，整体空间结构不再致密。比较两种干燥方式下南美白对虾的微观结构可以发现，在同一温度下，MSWID组虾干的微观结构没有HAD组紧密，且随着温度的升高，两种干燥方式下虾干肌纤维变形、断裂和坍塌的现象均更严重。MSWID组虾干肌纤维组织结构疏松，具有均匀的多孔结构，而HAD组沟壑更严重。这是因为随着干燥温度的升高，南美白对虾细胞的组织结构被破坏，导致细胞坍塌。MSWID内外热能共同干燥，干燥初期水分扩散速率远小于干燥速率，随着温度的升高以及水分的快速蒸发，细小通道逐渐变大，蛋白质结构被破坏，形成多孔结构。相比于MSWID，HAD尽管也会出现细小的空洞，但水分迁移速率较慢，故产生的沟壑通道较小，干燥耗时较长。综上，干燥使虾干的微观结构发生变化，虾体发生皱缩，从而使其品质发生改变，同时，干燥使虾干的肌纤维空隙变大，从而增加了水分的迁移速率，并提高了干燥速率，从而减少了干燥时间。这与谢小雷等[40]报道的干燥会破坏肌纤维的完整性，使肌束收缩、肌束间缝隙变大，从而导致致密结构丧失的结果一致。

图6 不同干燥条件对南美白对虾肌肉微观结构的影响（500×）Fig.6 Effects of different drying conditions on microstructure of P.vannamei muscle (500 ×)

2.9 不同干燥条件对南美白对虾蛋白质二级结构的影响

由图7可知，熟化南美白对虾经干燥后蛋白质α-螺旋的相对含量升高，β-折叠的相对含量减少，β-转角和无规卷曲的相对含量基本不变，其中MSWID-70 ℃和HAD-70 ℃南美白对虾蛋白质二级结构相对含量与熟化南美白对虾基本一致。随着MSWID和HAD温度升高，南美白对虾α-螺旋的相对含量呈先升高后降低的趋势，β-折叠的相对含量呈先降低后升高的趋势。干燥后α-螺旋相对含量的增加可能是因为干燥处理使得分子内氢键作用增强，导致蛋白质分子排列更加有序。Herrero等[41]认为β-折叠相对含量的增加可增强蛋白质的热稳定性。干燥温度越高，南美白对虾蛋白质的热稳定性越好。比较两种干燥方式对南美白对虾蛋白质二级结构的影响，发现MSWID对蛋白质二级结构的影响小于HAD，其α-螺旋和β-折叠相对含量的变化量相对较小，可能是由于MSWID时间短于HAD，分子间氢键增强作用有限[42]。

图7 不同干燥条件对南美白对虾蛋白质二级结构的影响Fig.7 Effects of different drying conditions on secondary structure of proteins in P.vannamei

3 结论

本实验研究了MSWID和HAD对南美白对虾干燥特性、色泽、质地、水分分布、虾青素含量、抗氧化能力、蛋白质二级结构和微观结构的影响。发现随着干燥的进行，南美白对虾水分含量及干燥速率逐渐降低。由于HAD时间长，其干燥后南美白对虾硬度更高且色泽较MSWID组更暗。通过MRI图像可知，随着干燥的进行，南美白对虾的水分信号从表面到内部区域逐渐减小直至消失，同一温度下，MSWID比HAD组水分信号消失更快。干燥使虾干的微观结构发生变化，虾体皱缩，MSWID组虾干肌纤维组织结构疏松，具有均匀的多孔结构，而HAD组沟壑更严重，MSWID的多孔结构增强了水分的迁移速率，加快了干燥进程。相比于HAD，MSWID组南美白对虾蛋白质二级结构中的α-螺旋和β-折叠相对含量的变化较小，虾青素降解较多。

综上所述，两种方式比较而言，MSWID的干燥速率较快，干燥品质较好，能更好地对南美白对虾进行干燥。MSWID作为一种新型干燥技术可以提高南美白对虾的干制效率，但还需要从营养成分、风味成分和节能减排等多维度进行研究，进一步提高MSWID技术在南美白对虾干制中的应用价值。