超聲波解凍對殼聚糖涂膜羅非魚片的水分分布及品質相關性研究

馬超鋒,關志強,李 敏,張 珂,吳陽陽

(廣東海洋大學食品科技學院,廣東省水產品加工與安全重點實驗室,水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室,廣東湛江 524088)

超聲波解凍對殼聚糖涂膜羅非魚片的水分分布及品質相關性研究

馬超鋒,關志強*,李 敏,張 珂,吳陽陽

(廣東海洋大學食品科技學院,廣東省水產品加工與安全重點實驗室,水產品深加工廣東普通高等學校重點實驗室,廣東湛江 524088)

為了研究不同超聲波(200、250、300、350、400、450和500 W)對殼聚糖涂膜羅非魚片水分分布與品質的關系,分別測定了解凍時間、解凍損失率、pH、TBA值、Ca2+-ATPase酶活性、弛豫時間T2,并分析探討了水分分布與品質之間的相關性。結果表明,隨著超聲功率的增大(除300 W外),不易流動水含量A21增加(p<0.05)。pH、TBA值、Ca2+-ATPase酶活性與解凍時間、解凍損失率均有極顯著的負相關關系(p<0.01),TBA值與不易流動水橫向弛豫時間T22呈顯著負相關關系(p<0.05)。7種超聲功率中,450 W功率的超聲波能較好的保持羅非魚片的品質。與傳統的流水解凍方法對比,其解凍時間、解凍損失率、Ca2+-ATPase酶活性等指標分別提升了62.67%、56.04%、23.42%。不易流動水橫向弛豫時間T21最短,說明水分可移動性降低,提高了肌肉的保水性。因此,適當條件的超聲波解凍羅非魚片是可行的,且以450 W功率超聲波解凍的效果更優,該結果將為超聲波解凍方式在同類凍藏水產品中的應用提供參考。

超聲波,解凍,殼聚糖涂膜,羅非魚片,水分分布,品質

羅非魚(Tilapia)原產非洲,在熱帶和亞熱帶地區養殖比較廣泛。羅非魚因其肉質鮮美,含豐富的蛋白質和不飽和脂肪酸,營養價值高,深受消費者青睞,素有“白肉三文魚”、“21世紀之魚”的美譽[1]。目前,低溫冷凍仍然是羅非魚片的主要加工形式,而解凍是羅非魚片食用及深加工前的必經工序。因解凍方法不同,解凍過程中常會出現汁液流失、微生物滋長、色澤變化等問題,直接影響產品的品質。因此,解凍成為影響羅非魚產品最終品質好壞的關鍵環節之一。

當前,國內外有不少關于水產品解凍方法的研究報道,但鮮有關于羅非魚解凍的研究。近年來,隨著國內外對解凍方法的深入研究,逐漸產生了一些新穎的解凍技術,如:鼓氣流水解凍[2]、浸泡通電解凍[3]、高壓靜電解凍[4]。超聲波是頻率高于20 kHz的機械波,作用于介質吸收能量后會產生激烈的高頻振蕩,從而產生熱效應。當超聲波穿透兩種不同的介質時,界面的產熱量更大。肌肉組織含有固相和液相兩種狀態的水,即使凍結后也存在一部分液態水,所以,超聲波可以用于凍結肌肉的解凍[5]。研究表明,已凍結區對超聲波(1～7 MHz)的吸收比未凍區對超聲波的吸收要高出幾十倍,而食品初始凍結點附近對超聲波的吸收最大[6]。超聲波解凍具有快速、效率高、能效高等特點,白青云等[7]研究表明超聲波處理對冷凍蝦仁的保水性有顯著的效果,解凍失重率為5.24%,可有效保護蛋白質的網狀疏松結構。目前,國內應用超聲波來解凍魚片的應用效果仍未見報端,本文以羅非魚為實驗對象,將殼聚糖溶于1%植酸溶液中,配制成0.5%的殼聚糖復合保鮮液,對羅非魚片進行凍藏預處理,研究超聲波對凍藏羅非魚片品質的影響,旨在為超聲波在魚片解凍的廣泛應用上提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羅非魚 湛江市工農市場,加冰迅速運回實驗室；殼聚糖 河南千志商貿有限公司;植酸 河南百福食品添加劑有限公司;所有添加劑 均為食品級;ATP酶測試盒和考馬斯亮藍測試盒 南京建成生物工程研究所;2-硫代巴比妥酸 生化試劑,國藥集團化學試劑有限公司;三氯乙酸 分析純,廣州市金華大化學試劑有限公司。

HHS型恒溫水浴鍋 上海博迅實業有限公司;KQ-500DE型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;JK-24U多路溫度巡檢儀 常州市金艾聯電子科技有限公司;PHS-3C型雷磁pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司;AUY220型分析天平 日本島津儀器有限公司;UV-8000A型紫外-可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;GTR22-1型高速冷凍離心機 北京時代北利離心機有限公司;MicroMR核磁共振交聯密度儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品預處理 將鮮活的羅非魚宰殺、去骨、去內臟、去皮,修整為10 cm×5 cm×0.7 cm的羅非魚片待用。在實驗室前期研究基礎上,篩選得到殼聚糖的適宜添加量為0.5%,因此將殼聚糖溶于1%植酸中,配成濃度為0.5%的殼聚糖保鮮液,然后將修整好的羅非魚片放入殼聚糖保鮮液中浸漬5 min,瀝干后密封包裝[8]。-20 ℃條件下貯藏20 d后用頻率為40 kHz,功率分別為200、250、300、350、400、450、500 W的超聲波進行解凍,并以流水解凍作為對照組,進行實驗的對比分析。

1.2.2 解凍時間的測定 利用多路溫度巡檢儀,將溫度探頭插在魚片的中心部位,用密封袋封好置于超聲波清洗器中,密封袋上方放一盛滿水的1000 mL玻璃燒杯,水位為70 mm,水溫為(26±1) ℃,當羅非魚片中心溫度達到5 ℃時[9],解凍結束,記錄解凍時間。

1.2.3 解凍損失率的測定 精確稱量冷凍羅非魚片解凍前后的質量,按公式(1)進行計算:

式(1)

式中:υ為羅非魚片解凍損失率(%)；m1為解凍前凍藏羅非魚片質量(g);m2為解凍后羅非魚片質量(g)。

1.2.4 硫代巴比妥酸值(TBA)的測定 參照Witte等[10]的方法,并作適當修改。取10 g絞碎的肉樣于100 mL燒杯中,加40 mL冷的5%(W/V)三氯乙酸(TCA),然后在13800 r/min條件下均質1 min。均質后抽濾,取其濾液用5%的TCA定容至50 mL。用移液管移取5 mL定容液于10 mL比色管中,加入5 mL 0.02 mol/L TBA,蓋好塞子,振蕩并90 ℃水浴40 min。取出,流水冷卻至室溫。用5 mL蒸餾水作對照,于538 nm處測定吸光度A。TBA 值(以mg丙二醛/kg樣品計)可由公式(2)計算:

TBA值=7.8×A538

式(2)

式中:A538為溶液在538 nm處的吸光度,7.8為常數。

1.2.5 Ca2+-ATPase酶活性的測定 Ca2+-ATPase酶活性采用南京建成生物研究所提供的ATP酶測試盒和考馬斯亮藍測試盒進行測定,其值為每小時每毫克蛋白組織中ATP酶分解ATP產生無機磷的量,單位為μmol Pi/mgprot/h。

1.2.6 pH的測定 采用趙啟蒙等[11]的方法,并略作改動。取解凍后絞碎的魚肉5.00 g于100 mL燒杯中,加入45 mL蒸餾水,在均質機上均質2 min,待魚肉沉淀后用pH計測定上清液。

1.2.7 低場核磁共振(LF-NMR)自旋-自旋弛豫時間(T2)的測定 應用紐邁臺式脈沖NMR分析儀進行NMR自旋-自旋弛豫時間(T2)的測量。取規格為1 cm×1 cm×1 cm,質量約為2 g的羅非魚肉放入直徑為17 mm的核磁管中。測試參數如下:分析磁體線圈為10 mm,測量溫度為32 ℃,起始脈沖寬度為5.0 μs,結束脈沖寬度為35.0 μs,累加步長為1.0 μs,射頻信號頻率主值SF1=22 MHz,射頻信號頻率的偏移量O1=840470.12 Hz,重復采樣間隔時間TR=1000 ms,90°脈寬P1=13 μs,180°脈寬P2=26 μs,采樣點數TD=1024,采樣頻率SW=200 kHz,回波時間TE=300 μs,回波個數NECH=5000,重復采樣次數NS=4,采樣起始點控制參數D3=80 μs,迭代次數RT=100000,每個樣品做3個平行。

1.3 數據處理

每個實驗做3個平行,實驗數據用Excel 2003進行采集,數據用“平均值±標準差(SD)”表示,用JMP 7.0進行單因子方差分析(ANOVA),用Duncan多重比較進行數據間的顯著性差異分析,設定顯著水平α=0.05,利用Origin 8.0作圖。

2 結果與討論

2.1 超聲功率對羅非魚片解凍時間的影響

由圖1知,在200～450 W功率范圍內,隨著超聲功率的增加,解凍時間逐漸縮短。羅非魚片在200 W和250 W功率的超聲波作用下,解凍時間顯著高于其它功率,且二者之間也有明顯差異(p<0.05)。300、350 W功率的超聲波解凍時間雖顯著大于400、450 W的解凍時間(p<0.05),但兩組功率各自之間均沒有顯著差異。凍藏羅非魚片的解凍時間隨著超聲功率的增大而減小,可能是因為超聲波是一種機械波,通過水相傳播進行震蕩,羅非魚片組織中的冰晶受到機械震蕩而迅速融化,超聲功率越大,震蕩就越劇烈[12]。當超聲功率增大至500 W時,解凍時間顯著性增加(p<0.05),為6.8 min,與流水解凍組并沒有顯著性差異,可能是因為超聲波的空化效應在水中產生微氣核并發生震蕩,但當超聲波達到一定強度時,將發生微氣核的形成、生長、崩潰的動力學過程,進而影響了超聲波的機械作用[13]。故450 W功率超聲波解凍的羅非魚片,平均解凍時間最短,為2.8 min。與傳統的流水解凍相比,時間節省了62.67%。

圖1 超聲功率對羅非魚片解凍時間變化的影響Fig.1 Effects of ultrasonic power on thawing time of tilapia fillets

2.2 超聲功率對羅非魚片解凍損失率的影響

由圖2知,在200～450 W功率范圍內,隨著超聲功率的增大,凍藏羅非魚片解凍損失率顯著減少,解凍損失率從4.01%減少至1.31%(p<0.05),與夏秀芳等[14]認為優質豬肉的解凍損失率應小于8.0%相吻合。當超聲功率達到500 W時,解凍損失率顯著增大(p<0.05),與流水解凍效果相近。與傳統的流水解凍相比,450 W功率的超聲波可使凍藏羅非魚片解凍損失率顯著降低,降幅為56.04% 。因此,從解凍損失率的角度來說,450 W功率的超聲波解凍凍藏羅非魚片是最好的。另外,超聲波的汽蝕效應也會產生微氣核,這些微氣核能夠有效地減弱魚肉組織受到的機械損傷,有利于解凍損失率的減少。在一定范圍內,超聲功率越大,汽蝕效應就越顯著,產生的微氣核就越多[12]。但當超聲功率超過特定閾值后,可能機械損傷已阻礙了微氣核的產生,所以到500 W時解凍損失率反而提高了,此結果與解凍時間的變化一致。

圖2 超聲功率對羅非魚片解凍損失率變化的影響Fig.2 Effects of ultrasonic power on thawing loss of tilapia fillets

2.3 超聲功率對羅非魚片TBA值的影響

脂類食品中含有大量不飽和脂肪酸,貯藏過程中會氧化降解產生丙二醛(MDA),其與硫代巴比妥酸反應生成穩定的紅色化合物,并呈正相關[15]。因此,TBA值是衡量脂肪氧化程度的一個重要指標,TBA值越大,脂肪氧化程度越大[16],其中肉類和水產品應用最為廣泛。一般認為,0.20 mg/kg

圖3 超聲功率對羅非魚片TBA值變化的影響Fig.3 Effects of ultrasonic power on TBA value of tilapia fillets

2.4 超聲功率對羅非魚片Ca2+-ATPase酶活性的影響

Ca2+-ATPase酶活性來源于羅非魚肌球蛋白,表征其頭部S-1的性質[21]。解凍后羅非魚肉的Ca2+-ATPase酶活性越小,說明解凍過程中肌球蛋白變性越嚴重。如圖4所示,由不同功率超聲波解凍的羅非魚片,Ca2+-ATPase酶活性隨超聲功率的增大階梯性遞增(p<0.05),由0.425 μmol Pi/mgprot/h增加到2.630 μmol Pi/mgprot/h,后又顯著下降(p<0.05)。其中250 W和300 W功率超聲波解凍的羅非魚片Ca2+-ATPase酶活性沒有顯著差異,分別為1.120、1.142 μmol Pi/mgprot/h。450 W功率超聲波解凍的羅非魚片Ca2+-ATPase酶活性顯著大于流水解凍效果(p<0.05)，由2.131 μmol Pi/mgprot/h增加到2.630 μmol Pi/mgprot/h,提升23.42%。而400 W和450 W功率的超聲波處理組沒有顯著性差異。該結果與解凍時間、解凍損失率結論一致,解凍時間越短,凍結-解凍過程中形成的冰晶對肌肉組織細胞的破壞程度越弱,減少一些重要抗氧化酶變性失活,有利于Ca2+-ATPase酶活性的保持[22]。研究表明,肌肉Ca2+-ATPase活性的下降是由于肌肉組織內冰晶和離子強度的增加、pH下降等導致ATPase三級結構發生改變[23],該結果也符合羅非魚片解凍后pH變化情況。

圖4 超聲功率對羅非魚片Ca2+-ATPase酶活性變化的影響Fig.4 Effects of ultrasonic power on Ca2+-ATPase activity of tilapia fillets

2.5 超聲功率對羅非魚片pH的影響

對魚、貝類等水產品而言,停止呼吸后,pH會出現規律性變化。初始階段,糖原經糖酵解作用轉化成乳酸,使肌肉pH下降。當水產品腐敗到一定程度時,生物體內的蛋白質被分解產生堿性的氨類和胺類物質,pH又上升。因此,pH常作為一種表征手段來對水產品的鮮度進行評定[24]。由圖5知,當超聲功率由200 W增至450 W時,羅非魚片的pH顯著升高(p<0.05),由6.37變化至6.94,增幅為8.95%,但450 W和400 W超聲波作用的羅非魚片pH沒有顯著差異。除350 W功率超聲波外,超聲波解凍的羅非魚片pH與傳統流水解凍均有顯著性差異(p<0.05)。超聲波解凍的羅非魚片pH發生先上升后下降的現象可能是因為解凍過程中羅非魚肉組織結構受到不同程度地破壞,導致總酸含量發生變化,變化的幅度與超聲波的強度具有一定的關系,這與劉雪梅等[25]研究解凍方法對速凍草莓品質影響得到的結論相似,速凍草莓經超聲波解凍后總酸含量初值很高,但隨著時間的變化快速下降,說明超聲波自身的快速解凍在一定程度上對總酸的流失有一定的抑制作用。谷小慧[12]研究發現,超聲波的機械振蕩可有效抑制微生物的新陳代謝,同時解凍速度快,所以由蛋白質、氨基酸等分解產生的堿性物質少,比水解凍更能有效地保持豬肉的新鮮度。

如圖6所示,橫軸代表范圍從0.003～104ms對數分布的100個橫向弛豫時間分量T2,峰點位置對應的是某種成分的平均弛豫時間;縱軸代表的是各個成分的弛豫信號強度Ai,通常認為每個峰代表一種成分,其峰面積的大小則表示該成分弛豫信號強度,該強度可間接反映各個成分的含量[26]。弛豫時間T2反映了樣品內部氫質子所處的化學環境,與氫質子所受的束縛力及其自由度有關。氫質子受束縛越大或自由度越小,弛豫時間T2越短,表明水分與底物結合越緊密,在T2譜圖上峰位置較靠左;反之T2時間越長,表明水分越自由,在T2譜圖上峰位置較靠右[27]。

圖5 超聲功率對羅非魚片pH變化的影響Fig.5 Effects of ultrasonic power on pH of tilapia fillets

2.6 超聲功率對羅非魚片橫向弛豫時間(T2)的影響

根據圖6中羅非魚片橫向弛豫時間分布情況可知,經超聲波解凍后,羅非魚肌肉中水分主要以3種形式存在,其中T20代表與蛋白質等大分子結合的水,為結合水,弛豫時間在0.1～1.0 ms之間;T21代表存在肌原纖維內部的水,為不易流動水(或可移動水),弛豫時間在40～60 ms之間;T22為自由水(或游離水),存在于肌原纖維外部,弛豫時間在400～650 ms之間。由圖6和表1可知,400 W功率超聲波解凍的羅非魚片T21顯著高于流水解凍組(p<0.05),其它功率超聲波處理的羅非魚片的T21沒有顯著性差異。另外,不同功率超聲波解凍的羅非魚片T20和T22的變化趨勢一致,與對照組相比,變化比較顯著(p<0.05)。450 W功率超聲波作用的羅非魚片的T20和T22均較小于其它處理,表明450 W功率超聲波作用的羅非魚片的凝膠結構有效地限制了水分的移動,水分可移動性降低,致使弛豫時間降低。在表2中,隨著超聲功率的增大,不易流動水含量A21均不斷增加(300 W除外),結合水A20沒有顯著性差異。綜合圖6、表1和表2,當超聲功率為450 W時,羅非魚片肌肉組織中3種水分的弛豫時間T20、T21、T22均顯著減小(p<0.05),說明此時凝膠對羅非魚肌肉組織中水分的滯留束縛能力較強,可能是因為經450 W功率的超聲波解凍后,羅非魚肉凝膠強度增大,也可能是因為致密三維網狀結構的形成使更多的水滯留在網格中,從而使水的流動性降低,保水性增強[28]。

圖6 不同超聲功率作用條件下羅非魚片的LF-NMR橫向弛豫時間T2的曲線圖Fig.6 Distribution of ultrasonic power on LF-NMRtransversal relaxation time T2 of tilapia fillets

超聲功率(W)T20T21T22對照組0.52±0.08bcd43.29±0.00b644.22±53.05a2000.48±0.08cd49.77±0.00ab464.16±0.00cd2500.63±0.11abc49.77±0.00ab560.31±46.14abc3000.76±0.00a47.61±3.74ab586.95±46.14ab3500.69±0.06ab49.77±0.00ab510.50±40.13bcd4000.69±0.06ab52.25±4.30a487.33±40.13bcd4500.40±0.03d45.45±3.74ab444.01±34.91d5000.40±0.03d49.77±0.00ab533.67±0.00bcd

注:同一列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05),表2同。

表2 不同超聲功率解凍的羅非魚片的峰面積Table 2 The peak area on ultrasonic power of tilapia fillets

2.7 羅非魚片理化指標特性間的相關性分析

將超聲波解凍的羅非魚片理化指標進行相關性分析,如表3所示。由表3可知,超聲波解凍的羅非魚片pH、TBA值、Ca2+-ATPase酶活性與解凍時間、解凍損失率均有極顯著的相關性(p<0.01),且呈負相關。除pH、TBA值與T20呈正相關關系,TBA值與T22呈顯著的負相關關系,r=-0.509(p<0.05)外,pH、TBA值、Ca2+-ATPase酶活性與T20、T21、T22均成負相關關系,這與Bertram等[29]的結論一致,PSE(pale,soft,exudative)肉和PSD(dark,firm,dry)肉中自由水(T2>100 ms)含量對鮮肉品質有重要影響(p<0.0001),且自由水含量隨冷藏時間顯著增加。研究表明,弛豫時間T2可以反映肉的保水性,肉品的保水性也與pH有關[30-31]。

表3 羅非魚片理化指標間的Pearson相關系數(r)Table 3 The Pearson correlation coefficient(r)betweenthe physical and chemical indicators of frozen tilapia fillets

注:*表示0.01

3 結論

不同功率的超聲波解凍方式能較好地保持羅非魚片的解凍品質,且理化指標間也呈現出良好的相關性。與傳統流水解凍方式對比,450 W功率的超聲波對羅非魚片的作用效果最好,有較低的解凍時間和解凍損失率(p<0.05),有較高的Ca2+-ATPase酶活性保持率(p<0.05),但解凍過程中伴隨較高程度地脂肪氧化,需進一步研究使之降低。低場核磁共振結果表明,450 W功率超聲波解凍的羅非魚片弛豫時間T20、T21、T22均較低,表明450 W功率超聲波解凍的羅非魚片肌肉組織中3種水分結合均比較緊密。且解凍后結合水含量A20有所降低,可移動水含量A21和自由水含量A22明顯升高,說明經450 W功率超聲波解凍的凍藏羅非魚片有較好的保水性,這與解凍損失結果一致。

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The relationship between water distribution and quality of tilapia fillets with chitosan film as affected by different ultrasonic wave

MA Chao-feng,GUAN Zhi-qiang*,LI Min,ZHANG Ke,WU Yang-yang

(College of Food Science and Technology,Guangdong Ocean University,Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety,Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution,Zhanjiang 524088,China)

In order to study the relationship between water distribution and quaiity of tilapia fillets affected by different ultrasonic wave(200,250,300,350,400,450 and 500 W),the thawing time,thawing loss,pH,TBA value,Ca2+-ATPase activity,transversal relaxation time T2were measured,and the correlations between water distribution and quality were also analyzed. The results showed that with the increasing of the ultrasonic wave(except the 300 W),the A21of immobilized water increased pronouncedly(p<0.05).The pH,TBA value,Ca2+-ATPase activity had a significant negative correlation with thawing time and thawing loss(p<0.01).Also there was a negative correlation between TBA value with T22(p<0.05).Compared with the control(the running water thawing),the 450 W of ultrasonic wave was more suitable to maintain the quality of tilapia fillets through thawing time,thawing loss,Ca2+-ATPase activity improving respectively by 62.67%,56.04%,23.42%.The transverse relaxation time T21of immobilized water was shortest,indicated that the mobility of water was lowered and the water hoiding capacity was improved. So it is feasible to thaw the tilapia fillets by the appropriate conditions of ultrasonic and there is a better effect by the 450 W of ultrasonic wave.What’s more,the results will provide reference on application in the same kind of frozen aquatic products thawed by ultrasonic wave.

ultrasonic wave;thaw;chitosan film;tilapia fillets;water distribution;quality

2016-07-20

馬超鋒(1989-),男,碩士研究生,研究方向:水產品高值化加工與利用,E-mail:Macf050608@163.com。

*通訊作者:關志強(1956-),男,碩士,教授,研究方向:食品冷凍冷藏工程,E-mail:mmcgzq@163.com。

廣東省海洋漁業科技與產業發展專項(A201508C10);廣東省科技計劃項目(2014A020208115)。

TS254.4

A

1002-0306(2017)02-0332-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.056