曼式無針烏賊肌肉的低溫相變區熱特性及蛋白熱穩定性研究

李 密,李和生,金 洋,鄭 麗,宋正規,毛天立

(寧波大學海洋學院,浙江寧波 315211)

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曼式無針烏賊肌肉的低溫相變區熱特性及蛋白熱穩定性研究

李 密,李和生*,金 洋,鄭 麗,宋正規,毛天立

(寧波大學海洋學院,浙江寧波 315211)

以曼式無針烏賊肌肉為原料,采用差式掃描量熱儀(DSC)研究烏賊肌肉的熱特性。本文一方面測定新鮮烏賊肌肉低溫相變區(-40～10 ℃)的熱特性,另一方面比較4 ℃貯藏(冷藏)和4 ℃下冰塊包埋貯藏(冰藏)烏賊肌肉在貯藏期間的熱特性差異。結果分析表明:烏賊肌肉冰點是-3.3 ℃,凍結焓170.75 J/g,凍結溫度-15.1 ℃,不可凍結含水率為22.98%;表觀比熱首先緩慢增加,然后快速增加達到峰值28.242 J/(g· ℃),隨后迅速減小,并且表觀比熱和溫度擬合良好,擬合度R2=0.9879;烏賊肉的熱焓值在升溫過程中明顯增大;冰藏組(4 ℃冰塊包埋)和冷藏組(4 ℃)對比,肌球蛋白和肌動蛋白貯藏穩定性更高。本實驗研究曼式無針烏賊肌肉的熱特性,為烏賊肉的加工提供理論依據。

曼式無針烏賊肌肉,差式掃描量熱,表觀比熱,熱焓

曼式無針烏賊(SepiellamaindronideRochebrune),屬于頭足綱烏賊科動物,是我國東海海域的重要海產品之一。新鮮的曼氏無針烏賊,肉質潔白、有光澤且味道鮮美、營養豐富。其中蛋白質含量在13%左右,脂肪含量在0.8%以下,同時還含有豐富的磷、維生素B2、鈣、鐵、鎂、功能性糖類等,是符合人們健康需求的滋補海產珍品,研究曼式無針烏賊的熱特性對于烏賊資源的產業化加工具有重要意義。

目前市場上烏賊主要以新鮮和凍藏兩種方式銷售,深加工產品所占比例較低。水產品深加工能創造巨大經濟價值,是未來水產品行業發展的方向之一。但是水產品深加工首先要熟悉原料的基本特性,尤其是眾多加工流程都要涉及的熱特性,比如水產品的保鮮、殺菌、干燥、烹調等過程[1]。Dominique等[2]利用差式掃描量熱儀(DSC)研究高壓對于蛋白質熱穩定性的影響;艾志錄等[3]分析棕櫚酸、油酸對于淀粉糊化溫度的影響;錢旻等[4]研究真空滲鹽對冷藏藕片熱特性的影響。綜上,目前國內外文獻熱特性研究主要集中在淀粉、油脂,蛋白質等方面,對于烏賊等水產品原料熱特性的研究報道較少,本文主要研究曼式無針烏賊肌肉的熱特性。

本文以曼氏無針烏賊肌肉為研究對象,本文主要應用差式掃描量熱儀對烏賊肉進行三個溫度段(10～-40,-40～10,5～90 ℃)的掃描,來測定烏賊肌肉的冰點、不可凍結含水率、表觀比熱、熱焓等熱特性參數和冷藏(4 ℃)和冰藏(4 ℃冰塊包埋)過程中蛋白穩定性的變化,為烏賊的深加工與利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

曼氏無針烏賊 選取象山港海捕曼氏無針烏賊,質量在300～500 g之間;碳酸鉀、阿拉伯膠、甘油、硼酸、鹽酸、磷酸、氯化鉀、高氯酸、氫氧化鈉、硫酸銅、碘化鉀、甲基紅、亞甲基藍 均購于國藥集團,分析純。

5mL微量滴定管 杭州市凱英儀器公司;康威式微量擴散皿 臨沂正恒化玻璃儀器公司;UV-1700型紫外可見分光光度計 日本島津公司;DSC204F1型差示掃描量熱儀(DSC) 德國耐馳公司,該設備用銦校正溫度和熱焓,冷卻方式為液氮,樣品吹掃氣和保護氣(氮氣,純度99%以上)分別為20 mL/min和50 mL/min;TG16-WS型高速離心機 湖南湘儀實驗室儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 烏賊的處理 新鮮烏賊解剖,取得胴體肌肉,平均分為兩組,分別編號放入PE袋中。一組冷藏處理(溫度(4±1) ℃,放入樣品盒內,4 ℃冰箱放置),另一組冰藏處理(底部鏤空盒子,樣品表面覆蓋碎冰塊,4 ℃冰箱放置),貯藏時間為兩周。首先選取新鮮烏賊樣品運用DSC測定冰點、不可凍結含水率、表觀比熱(標準物為氯化鉀)、熱焓;同時對兩種貯藏方式的樣品,在0、2、4、6、8、10、12 d測定理化指標和蛋白吸熱值,每個指標做三次平行。

1.2.2 理化指標的測定 參照沈月新[5]的方法和國家最新標準測定其中的水分(GB 5009.3-2010),粗蛋白(GB 5009.5-2010),粗脂肪(GB/T 14772-2008),灰分含量(GB 5009.4-2010)。每組樣品做3個平行。

1.2.3 低溫相變區熱特性參數測定 參照魯長新[6]的方法,在標準鋁坩堝中準確稱取(5±0.1)～(10±0.1) mg樣品,液壓密封,每個樣品五次平行。設置初溫掃描程序為:初溫為10 ℃,恒溫5 min,以5 ℃/min的速率降溫至-45 ℃,恒溫5 min,再以5 ℃/min的速率升溫至10 ℃。參比物選擇氯化鉀。在降溫曲線上,取降溫曲線上外推起始溫度為凍結溫度;升溫曲線上,理論上冰點為結晶剛剛熔解完成的溫度,但由于試樣熔化完后,熱流曲線回歸基線是個漸變的過程,且受到升溫速率和樣品量的影響,出現不同程度的滯后現象,因此把相變峰值溫度作為烏賊肉的冰點。

1.2.4 表觀比熱和熱焓的測定 采用劉振海[7]的方法,并加以改進,測定烏賊肉的表觀比熱,按下式計算:

式(1)

式中Capp-樣品的表觀比熱,J/g· ℃;mstd-標準物的質量,mg;ms-樣品的質量,mg;DSCs-樣品的熱流信號,mW;DSCb-空盤的熱流信號,mW;DSCstd-標準物的熱流信號,mW;Cp·std-標準物的比熱,J/g· ℃。

參考Gauss公式并進行改進,表觀比熱(f)和溫度(x)的擬合公式為:

f=a/(1+((x-x0)/b)2

式(2)

其中a,b,x0為常數。

熱焓和表觀比熱的關系可用下式表示,本實驗參考溫度為-40 ℃,即-40 ℃的熱焓H=0:

式(3)

式中H-樣品熱焓,J/g;T-溫度, ℃;Capp(T)-溫度T時的表觀比熱,J/g· ℃。

1.2.5 不可凍結含水率的測定 不可凍結含水率是通過測量樣品中的可凍結水的結晶焓(或熔融焓),參考劉春泉[8]等人的方法,修改為下式計算:

式(4)

式中：α-不可凍結含水率,%(濕基);ω-水分含量,%(濕基);Tf=樣品凍結溫度, ℃;ΔHTf-樣品在凍結溫度下的凍結焓,J/g;L-純水在凍結溫度下的凍結焓,J/g。

1.2.6 蛋白質熱穩定性的分析方法 參考劉振海[6]等建立的方法,并加以改進。在標準鋁坩堝中準確稱取(5±0.1)～(10±0.1) mg樣品,液壓密封,每個樣品做五次平行。設置初溫掃描程序為:初始溫度為5 ℃,以5 ℃/min的速率升溫至90 ℃。

1.3 數據處理與統計分析

所有數據至少重復三次,數據以平均值及方差表示。所有的熱信號都從DSC曲線上讀出,數據分析采用熱分析軟件Proteus(德國耐馳公司),統計分析使用SPSS 13.0軟件,IBM公司,采用單因素方差分析(one-Way ANOVA),p<0.05表示具有顯著性差異;表觀比熱使用Gauss公式擬合,繪圖使用Origin 8.5.1版本,Origin LAB公司。

2 結果與討論

2.1 曼氏無針烏賊肌肉主要成分分析

由表1可知烏賊肌肉水分含量為80%左右,蛋白含量高且脂肪含量低,是理想的蛋白質來源。烏賊肌肉可以看做由水和非水兩部分組成,非水部分包括蛋白質、脂肪、糖類、金屬離子、水溶性小分子化合物等[9]。烏賊肉的加工過程就是水分和非水部分相互作用的過程,

表1 曼氏無針烏賊肌肉的基本成分分析

表2 烏賊肌肉相變溫度和不可凍結含水率

了解烏賊肌肉的主要成分含量有助于肌肉熱特性的分析。

2.2 烏賊肌肉凍結和熔融過程DSC曲線分析

由圖1可知,樣品在-10.8～-15.1 ℃之間出現放熱峰,且在-12.0 ℃出現峰值,峰值為-4.326 mW/mg,之后沒有放熱峰出現。這可能因為烏賊肉在降溫過程中溫度先過冷到-12 ℃附近,出現穩定的晶核,立即向冰晶體轉化并釋放出潛熱,因此有放熱峰出現,完全凍結后放熱過程結束,不再出現放熱峰。在純水凍結的過程中,由于缺少形成冰晶體的物質,凍結溫度很低,超純水的凍結溫度大約為-39 ℃[10]。由于烏賊肉中富含小分子化合物和部分金屬離子,有利于晶核的形成,因此烏賊肉的凍結溫度遠高于純水。

圖1 烏賊肉降溫的DSC曲線Fig.1 DSC melting curve for squid muscle

由圖2可知,樣品在-3.3～6.6 ℃之間出現明顯的吸熱峰,峰值為2.478 mW/mg,表明凍結樣品在此溫度區間內逐漸融化。對比圖1可知升溫曲線并不是降溫曲線的逆過程,其峰形比降溫過程中的峰形要寬,在4.1 ℃附近出現峰值;降溫曲線上-12 ℃出現峰值,峰相對較高,但峰面積相當,表明吸熱值和放熱值近似。這可能是因為兩個過程能量守恒的原因。

圖2 烏賊肉升溫的DSC曲線Fig.2 DSC freezing curve for squid muscle

由表2可知烏賊凍結相變溫度區間為-15.1～-10.8 ℃,熔融相變溫度為-3.3～6.6 ℃,凍結溫度為-15.1 ℃,冰點溫度為-3.3 ℃,不可凍結含水率為22.98% 。水產品組織的冰點和組織紋理、水分含量、可溶性小分子含量等有關,相關文獻[11]報道了部分海產品組織的冰點,基本集中在-1～-2.2 ℃之間。烏賊肌肉冰點為-3.3 ℃,遠低于其他海產品,可能與烏賊肌肉特殊的紋理和較高的可溶物質有關,較低的冰點便于利用冰點貯藏更好的保存烏賊肉的新鮮度、風味和口感;不可凍結水主要是結合水,可以方便估計自由水的含量,凍結相變溫度范圍為-15.1～-10.8 ℃,為烏賊肉的凍藏保鮮提供基礎。

2.3 低溫條件下表觀比熱的變化

在低溫相變過程中,烏賊肉的表觀比熱隨溫度的變化而變化,兩者之間存在定量關系。在Gauss公式的基礎上,對表觀比熱(f)和溫度(x)進行數學擬合,其擬合公式為f=a/(1+((x-x0)/b)2,其中,R2=0.9879;a=30.2703,b=2.6028,x0=3.1660;SD=1.3852。其擬合曲線如圖3所示。

圖3 烏賊相變區表觀比熱變化Fig.3 Apparent specific heat of squid muscle during phase transition

由圖3可知,在低溫區(-40～-10 ℃)隨著溫度升高,烏賊的表觀比熱變化不顯著(p>0.05;在相變區(-10～6 ℃),表觀比熱顯著增大(p<0.05)且在冰點附近達到峰值28.242 J/g· ℃;相變結束后烏賊的表觀比熱降低,與文獻[12]中報道的12種海產品在該溫度范圍內的表觀比熱(3.33～3.71 J/g· ℃)接近。在水產品加工的理論運算,包括冷凍設備、低溫保鮮和生產工藝的設計過程中,往往要計算原料的熱負荷,它與原料的質量和表觀比熱有關,探索表觀比熱與溫度的函數關系可以對計算提供幫助[13]。表觀比熱主要取決于相變潛熱的大小:在相變區隨溫度的升高,烏賊肉中的冰晶吸熱融化轉變為液態水,表觀比熱快速增加;當冰晶完整存在或冰晶完全轉換為液態水時,相變潛熱變化很小,表觀比熱變化不大。

2.4 低溫條件下熱焓的變化

烏賊的熱焓表示了肉中含有的熱量,它有顯熱和潛熱兩部分組成,包括了肉中固形物,未結凍水,結凍水的顯熱和肉中水分結晶與熔融的潛熱。通過相變潛熱的測量,可以得到有關物質結構,相變機理等重要信息。圖4反應了相變前后的熱焓變化情況,確定-40 ℃的焓值為0點,隨著溫度的升高,熱焓逐漸增大,冰點過后熱焓值迅速增加,可能是由于相變的進行使得相變潛熱被快速的釋放出來。冷雪等[14]研究了不同種類小米淀粉熱力學特性,發現淀粉顆粒在相變開始后熱焓值快速增加,熱焓值和糊化終止溫度相關。

圖4 烏賊相變區的熱焓變化Fig.4 The enthalpy of squid muscle during phase transition

2.5 低溫貯藏過程中烏賊肌肉熱特性分析

圖5 不同貯藏時間冷藏組DSC掃描曲線Fig.5 DSC scanning curves during refrigeration

圖5和圖6顯示了冰藏組和冷藏組烏賊肉DSC掃描曲線的變化,由圖可知,兩組新鮮烏賊肉(0 d)在掃描曲線上出現了三個峰:從左往右,峰1在40～60 ℃有最大吸收值,已經證實由肌球蛋白引起;峰2在60～70 ℃有最大吸收值,由膠原蛋白和肌漿蛋白引起;峰3在75～85 ℃間有最大吸收值,由肌動蛋白引起[15-18]。對比圖5和圖6我們可知,肌球蛋白和肌動蛋白對應吸收峰變化明顯,冷藏組中膠原蛋白和肌漿蛋白對應吸熱峰變化不明顯,通過分析峰的變化進而分析肌球蛋白和肌動蛋白的變化情況。肌球蛋白的肌動蛋白是烏賊肉中的重要蛋白質,和肉的持水力相關,進而影響肉的品質。肌球蛋白對應峰1和肌動蛋白對應峰3的具體變化情況如圖7和圖8所示,其中溫度表示蛋白熱變性過程峰值溫度,峰值面積表示蛋白質變性吸收的熱量的多少。溫度、峰的形狀、峰面積的變化都反映出蛋白質三級結構、四級結構等發生了變化。

圖6 不同貯藏時間冰藏組烏賊DSC掃描曲線Fig.6 DSC scanning curves during ice store

吸熱峰的出現表明蛋白質在對應溫度范圍內結構發生了改變。已知圖5中DSC曲線,對峰1在冷藏期間對應峰值溫度和吸熱值進行分析,結果如圖7所示。

圖7 峰1貯藏過程中峰值溫度和吸熱值的變化Fig.7 Changes in peak area and temperature during storage of peak 1

由圖7可知,在兩種貯藏條件下肌球蛋白對應的吸收峰變化趨勢顯著(p<0.05)不同:冷藏組和冰藏組吸收峰對應溫度均升高,貯藏期間相同天數冰藏組對應溫度高于冷藏組,對應吸熱值冰藏組也高于冷藏組。這表明冰藏組肌球蛋白的貯藏穩定性高于冷藏組。肌球蛋白吸收熱量結構發生改變,變性過程中吸收的熱量越多表明蛋白質結構越穩定,貯藏期間冰藏組對應溫度和吸熱值高于冷藏組,因此冷藏組對應肌球蛋白穩定性更高,即冷藏組烏賊肉的品質降低更為緩慢。

對圖6 DSC曲線積分,并對峰3在冷藏期間對應峰值溫度和吸熱值進行分析得到如圖8所示。

圖8 峰3貯藏過程中變性溫度和吸熱值的變化Fig.8 Changes in peak area and temperature during storage of peak 3

由圖8可知,兩種貯藏條件下肌動蛋白對應的吸收峰變化同樣不同。其中對應溫度都呈現增加的趨勢,從77 ℃附近增大到80 ℃附近;貯藏的前5 d吸熱峰面積無明顯差異,5 d后吸熱峰面積有較大的差異(p<0.05),特別是第8 d冰藏組吸熱值遠大于冷藏組,冰藏條件下的峰面積大于冷藏條件下的峰面積。這表明兩種貯藏條件下,肌動蛋白的結構也發生了變化,但是冷藏組穩定性高于冰藏組。Tironi等研究發現黑鱸魚分別經鼓風凍結(-30 ℃)和壓力輔助解凍(20 ℃)、以及壓力切換凍結(-18 ℃)和鼓風解凍(4 ℃)之后,肌球蛋白所對應的吸熱峰的形狀和面積都發生了變化,表明不同溫度條件下肌球蛋白的結構確實發生了變化[19]。

3 結論

經過分析,曼式無針烏賊肌肉樣品的冰點是-3.3 ℃,凍結焓是170.75 J/g,凍結溫度是-15.1 ℃,不可凍結含水率為22.98%;烏賊肉的表觀比熱隨著溫度的升高呈現先升高后降低的變化趨勢,且同溫度之間存在極高的擬合度;烏賊的熱焓值隨著溫度的升高快速增加;冰藏組和冷藏組對比,肌球蛋白和肌動蛋白貯藏穩定性更高。為烏賊肉的低溫貯藏和加工提供理論基礎。

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Thermal characteristics in low-temperature-phase transition and thermal stability of the protein of squid(SepiellamaindronideRochebrune)muscle

LI Mi,LI He-sheng*,JIN Yang,ZHENG Li,SONG Zheng-gui,MAO Tian-li

(College of Marine,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

The thermal characteristics of Mannesmann maindroni muscles as raw material was studied by using differential scanning calorimetry(DSC). On the one hand,the freezing point,freezing enthalpy,freezing temperature and non-freezing water content of fresh squid meat were measured in low temperature phase transition region(-40～10 ℃).On the other hand,thermal characteristics of squid muscle was compared between the refrigerator storage and the ice-embedded storage of 4 ℃.The results showed that freezing point,freezing enthalpy,freezing temperature and non-freezing water content was respectively -3.3 ℃,170.75 J/g,-15.1 ℃ and 22.98%. Squid meat apparent specific heat increased at first and peaked 28.242 J/(g· ℃),but it decreased rapidly at last. Apparent specific heat and temperature fitted well,and theR2was 0.9879.Compared with refrigerated group of 4 ℃,myosin and actin protein in iced group had higher storage stability. The study aimed to research thermal characteristics of Mannesmann maindroni muscle and provide a theoretical basis for the squid meat processing.

squid muscle;DSC;apparent specific heat;enthalpy

2016-05-27

李密(1992-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：水產品加工與貯藏，E-mail:limi_0115@163.com。

*通訊作者:李和生(1960-),男，教授，研究方向：食品資源利用，E-mail:lihesheng@nbu.edu.cn。

浙江省重大科技專項(2009C03017-3)；“水產”浙江省重中之重學科開放基金(xkzsc1426,xkzsc1523)；寧波市自然科學基金(013A610156)。

TS254

A

1002-0306(2016)22-0168-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.025