超聲波輔助滲透海藻糖 提高冷凍干燥羅非魚片品質的工藝優化

任婷婷,關志強,李 敏

(1.廣東海洋大學食品科技學院,廣東湛江 524088; 2.廣東海洋大學機械與動力工程學院,廣東湛江 524088)

羅非魚是高蛋白和低脂肪的魚類之一,是我國的優勢出口水產品之一,近十年來,我國羅非魚產量以平均每年9%左右的速度遞增,居世界第一[1]。我國羅非魚產量高,但羅非魚容易腐爛,因此通過加工處理來提高羅非魚的品質和提升水產品的高值化顯得尤為重要。我國目前已有很多水產品加工保鮮技術,而真空冷凍干燥技術可以盡可能地保持物料原有的理化性質和結構品質[2-3],通過進一步的優化預處理工藝條件能夠使干燥后的產品得以長期保存。

海藻糖作為一種天然的非滲透性凍干保護劑,具有穩定蛋白質結構和生物結構、對抗多種有害刺激損傷、提高抗凍保水效果、持水能力和凝膠凍融穩定性的作用[4-7]。超聲波除了能夠輔助海藻糖滲透,還有利于物質的提取,超聲波在食品干燥預處理中應用不僅可以改變材料的組織結構,還可以降低材料的含水率,另外,還可以降低能源的消耗和干燥產品質量的變化[8]。通過超聲波輔助海藻糖滲透結合的作用,能達到提升凍干品質、優化凍干工藝的目的。Xin等[9]研究海藻糖和超聲輔助滲透脫水對玻璃化轉變溫度的影響,結果發現與正常滲透相比，超聲輔助作用時間短,可以得到較高的玻璃態轉變溫度Tg。李敏等[10]研究不同功率超聲波預處理對羅非魚片凍干性能的影響,結果表明，450 W超聲波預處理的樣品品質較優。國內外對海藻糖輔助超聲波預處理對羅非魚片凍干品質的影響的研究未見報道。

本實驗為獲得超聲波輔助滲透處理較優的工藝條件,以羅非魚為研究對象,利用單因素實驗研究了海藻糖濃度、超聲波功率和超聲波作用時間對凍干羅非魚片的品質的影響,并結合響應面試驗,對超聲波輔助滲透海藻糖的預處理工藝條件進行優化,以期為改善同類產品的凍干加工工藝提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

羅非魚 湛江市麻章區湖光市場;海藻糖(食品級) 恒源食品添加劑有限公司;三磷酸腺苷酶活性測定試劑盒、考馬斯亮蘭蛋白測定試劑盒 南京建成生物工程研究所。

LGJ-10E型冷凍干燥機 北京四環科學儀器廠有限公司;KQ-500DE數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;125均質機 上海依肯機械設備有限公司;HH.S21-6電熱恒溫水浴鍋 上海博訊實業有限公司;GTR22-1高速冷凍離心機 北京時代北利離心機有限公司;UV-8000A雙光束紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;CR-10手持色度儀 日本柯尼卡美能達控股有限公司;TMS-PRO質構儀 美國FTC公司;JJ600電子天平 常熟市雙杰測試儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備 參考吳陽陽等[11]的操作方法,取羅非魚兩側的肉切成100 mm×50 mm×6 mm的規格,約重30 g,浸入盛有海藻糖的燒杯中,并放入超聲波儀器中，進行超聲波輔助浸漬試驗,最后將預處理好的羅非魚片進行真空冷凍干燥,設置預凍溫度-60 ℃,預凍時間2 h,干燥階段真空室壓力為10 Pa,冷阱溫度-60 ℃,隔板加熱溫度36 ℃,當物料溫度接近隔板溫度3～5 ℃時,升華干燥完成,升華干燥時間10 h,繼續解吸干燥2 h，干燥完成。

1.2.2 單因素實驗 固定超聲功率400 W,超聲時間50 min,以不同濃度(0、10、30、50、70、90和110 g/L)的海藻糖為變量,研究海藻糖質量濃度對冷凍干燥羅非魚片品質的影響;再固定超聲時間50 min,海藻糖質量濃度50 g/L,以超聲功率(0、250、300、350、400、450和500 W)為變量,研究超聲功率對冷凍干燥羅非魚片品質的影響;固定超聲功率400 W,海藻糖質量濃度50 g/L,以超聲時間(0、20、30、40、50、60和70 min)為變量,研究超聲時間對冷凍干燥羅非魚片品質的影響。分別按以上條件進行一系列超聲波輔助浸漬預處理試驗,以上試驗條件為0時分別為各組試驗的對照組。

1.2.3 響應面優化試驗 綜合單因素試驗的結果,通過Box-Behnken試驗設計，選擇最佳范圍的海藻糖濃度、超聲波功率和超聲波時間為自變量,設計三因素三水平響應面試驗因素水平表,見表2。

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Factors and levelsTable of RSM design

1.2.4 凍干羅非魚片品質指標的因素水平測定方法

1.2.4.1 復水率的測定 參照李敏等[12]的試驗和計算方法,取部分凍干羅非魚片在40 ℃的水浴鍋中復水1 h,物料紙擦干表面水分后稱量,根據復水率Wf公式(1)計算:

式(1)

式中:Wf表示復水率,g/g;ma表示凍干羅非魚片質量,g;mb表示復水后羅非魚片質量,g。

1.2.4.2 色澤的測定 用CR-10手持色度儀測定干燥后的羅非魚片,根據Bai Junwen等測量白度指數(W)的公式[13](2)計算:

W=100-[(100-L*2)2+a*2+b*2]1/2

式(2)

式中:W表示白度指數;L*表示黑暗色(0)到明亮色(100);a*表示紅色(+)到綠色(-);b*表示黃色(+)到藍色(-)。

1.2.4.3 質構的測定 將復水后的羅非魚片進行TPA分析[14],設置力量感1000 N,物料高度8 mm,形變量50%,測試速度60 mm/min,起始力0.5 N,兩次下壓時間間隔1 s,記錄其硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性,峰值最大值表示硬度,最具有代表性,咀嚼性是硬度、彈性和膠黏性的乘積。

1.2.4.4 Ca2+-ATPase活性的測定 參照南京建成生物工程所研發的ATP酶測試盒說明操作[15],以25 ℃每毫克蛋白質在每分鐘內所產生的無機磷的微摩爾數表示Ca2+-ATPase活性,單位:μmolPi/mgprot/h。

1.2.5 綜合評分的測定

1.2.5.1 品質模糊數學模型的建立及權重的計算 指標的篩選:根據權重最大偏差根一致性指標作為評定指標,采用Saaty的1～9標度法建立兩兩比較判斷矩陣,具體參照駱正清、楊善林[16]對標度法的研究。本試驗篩選7個指標作為評價因子構成權重集:A={A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7}。A1,白度值;A2,復水率;A3,Ca2+-ATPase活性;A4,硬度;A5,彈性;A6,膠黏性;A7,咀嚼性。其中A4～A7為質構品質。

基于層次分析法模糊數學模型的建立:參照Li等[17]建立的特征向量矩陣的方法,將A1～A7采用Saaty的1～9標度法建立兩兩比較矩陣。依據指標層Y中的A4～A7對準確層X中X4的相對重要性建立比較矩陣,最終依據準則層X1～X4對目標層Z的相對重要性建立比較矩陣。利用MATLAB2014b計算得到矩陣,如表1所示。

表1 MATLAB分析比較矩陣及其一致性檢驗結果Table 1 Results of MATLAB analysis and consistency checks for comparsive matrixes

MATLAB分析比較矩陣中C.R.組合=0<0.1,檢驗指標滿足一致性要求,通過計算得各因素的權重集={0.0781,0.1998,0.1998,0.0870,0.0870,0.0870,0.2611}。

1.2.5.2 品質綜合評分的測定 將各個優化指標的值利用極差標準化法無量綱化處理,根據公式(3)、(4)計算。

式(3)

式(4)

將形成1～0的標準化數值結果與權重集做內積,即各指標綜合評分。

1.3 數據處理與分析

數據均為三次平行實驗平均值,IBM SPSS Statistics 22進行單因素顯著分析,取95%置信度(p<0.05)為差異顯著,Origin 8.0作圖,用 MATLAB 2014b計算權重,通過Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面試驗因素水平表設計、方差分析、建立二元多項回歸方程和響應面作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 不同海藻糖濃度對凍干羅非魚片品質的影響 不同海藻糖質量濃度的浸漬試驗,其品質檢測結果如圖1所示,品質綜合評分結果如圖2所示。

圖1 不同海藻糖質量濃度對冷凍干燥羅非魚片品質的影響Fig.1 Effects of different concentrations of trehalose on the quality of freeze-dried tilapia fillets

圖2 不同海藻糖質量濃度對冷凍 干燥羅非魚片綜合評分的影響Fig.2 Effects of different concentrations of trehalose on the comprehensive score of freeze-dried tilapia fillets

從圖1中可以看出,經過海藻糖不同質量濃度處理的羅非魚片綜合評分顯著優于對照組(p<0.05),這是因為海藻糖可以在干燥環境中保護生物膜、保護細胞對抗多種有害刺激和損傷,

增強細胞抗凍性等。圖1a表明,復水率在海藻糖質量濃度30 g/L時最優,其值為0.649 g/g,這是因為此濃度可以維持魚片較好的組織結構;海藻糖還可以解決冷凍隨時間延長發生的收縮、硬化等引起的問題[18]。從圖1b中可知,在30～50 g/L質量濃度之間的白度值較高且無明顯差異(p>0.05),而高濃度滲透可以會使組織間隙中出現海藻糖晶體,反而使組織液反滲到樣品表面,使白度值有所下降。圖1c中海藻糖處理的羅非魚片與對照組相比,硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性指標都有增加且變化趨勢不一致,參照康彥[19]實驗中的鮮魚片的質構數據為標準,得出經凍干處理的羅非魚片的各質構指標均有下降。由圖1d可知,30～70 g/L的Ca2+-ATPase活性較好,最大值為2.455 μmolPi/mg prot/h,與對照組相比,海藻糖的滲入能較好地保護蛋白質的活性,說明適宜的海藻糖濃度能有效保護物料冷凍干燥過程中的蛋白質活性,提高魚片的品質。圖2中可以看出,50 g/L的海藻糖濃度為提高凍干羅非魚片品質的最佳值。

2.1.2 不同超聲波功率對凍干羅非魚片品質的影響 不同超聲波功率的處理試驗,其品質檢測結果如圖3所示,品質綜合評分結果如圖4所示。

圖3 不同超聲功率對冷凍干燥羅非魚片品質的影響Fig.3 Effects of different powers of ultrasound on the quality of freeze-dried tilapia fillets

圖4 不同超聲功率對冷凍 干燥羅非魚片綜合評分的影響Fig.4 Effects of different powers of ultrasound on the comprehensive score of freeze-dried tilapia fillets

由圖3可知,經不同功率超聲波處理的羅非魚片的復水率、白度值和Ca2+-ATPase活性都極顯著優于(p<0.01)對照組,圖3a中450 W復水率最高,而圖3b中400 W其白度指數最大,為75.22,且400 W與450 W之間存在顯著性差異(p<0.05),高功率500 W超聲波能產生熱效應、機械應力破壞細胞微結構,使其細胞內溶物外滲,使得其白度值有所下降,王振宇[20]實驗證明:較高的超聲波振動能傳遞強大的能量產生空化作用,細胞破裂;圖3c中,質構指標變化總體呈先升后降的變化,與對照組相比,超聲波處理能顯著提高羅非魚片的硬度、咀嚼性和膠黏性等質構品質(p<0.05)，彈性則無顯著性差異(p>0.05),與康彥[19]在試驗中研究的新鮮羅非魚樣品相比,本實驗超聲波處理后，羅非魚片的硬度降低,咀嚼性、膠黏性也有一定程度的下降,在超聲波450 W處理時，羅非魚片的硬度、咀嚼性、膠黏性指標下降最小，達到最優值。超聲波處理的羅非魚片其肌原纖維蛋白網狀結構的疏水性殘基暴露出來,蛋白與蛋白之間的作用加強,質構品質都有所上升;由圖3d中所示,400～500 W處理的Ca2+-ATPase活性較高,研究表明,一定強度的超聲波處理可以使酶及底物分子構象發生變化,提高酶的水解活性,朱少娟等[21]在超聲波對胰蛋白酶水解酪蛋白的研究中證明了這一點。但是超聲波的作用功率并非越高越好,高功率超聲波導致機械的振蕩,瞬時熱效應增強,使部分蛋白質發生變性,乳化穩定性和溶解度都有所降低[22],因此,適宜的超聲波強度處理物料可以有效提高凍干羅非魚片的品質。圖4中可以得出,超聲波功率為450 W時為凍干羅非魚品質的最適超聲波強度,與文獻[10]的實驗結果一致。

2.1.3 不同超聲波時間對凍干羅非魚片品質的影響 不同的超聲波作用時間處理的品質檢測結果如圖5所示,品質綜合評分結果如圖6所示。

圖5 不同超聲時間對冷凍干燥羅非魚片品質的影響Fig.5 Effects of different time of ultrasound on the quality of freeze-dried tilapia fillets

圖6 不同超聲時間對冷凍干燥羅非魚片綜合評分的影響Fig.6 Effects of different time of ultrasound on the comprehensive score of freeze-dried tilapia fillets

從圖5中可以看出,對照組比超聲波處理過的魚片復水率普遍顯著偏低(p<0.01),50 min的復水率(圖5a)最高,其值為0.654 g/g,整體趨勢先增長后降低。圖5b中50 min超聲波處理的羅非魚片白度值顯著高于其他處理(p<0.05),超聲波處理后的蛋白分子截留水分子,使得物料具有更好光澤,而長時間的超聲波時間處理使蛋白質分子充分展開,表面疏水性增強,色素物質外流引起白度變差,使白度值降低,常海霞[23]在超聲技術對草魚的研究中有所證明。從圖5c中看出,其各質構指標之間變化趨勢各不相同,羅非魚片硬度呈增長趨勢,而彈性沒有明顯差異,膠黏性和咀嚼性先增后減,咀嚼性的下降是魚肉硬度降低、彈性下降等綜合作用的結果,一定超聲波處理后疏水性殘基的暴露有利于熱凝膠化過程蛋白與蛋白間的相互作用,凝膠強度加強,質構品質加強。圖5d可知,經超聲波50～60 min處理過的羅非魚片Ca2+-ATPase活性顯著高于對照組(p<0.05),與謝明杰等[24]實驗得出的適宜的超聲波時間處理可以提高酶的活性的結論一致。適宜的超聲波時間處理可以提高產品品質。從圖6中可以看出,凍干羅非魚的綜合評分隨超聲波處理時間的增加呈先增后降的趨勢,最優值為50 min,顯著優于對照組(p<0.05)。

2.2 響應面試驗

在2.1單因素試驗的基礎上,以表2響應面試驗因素水平表設計15組試驗,綜合考慮各因素對檢測指標的綜合評分的影響(因綜合評分公式(1)、(2)中max(Xtj)和min(Xtj)值在單因素與響應面中不同,兩個試驗的指標綜合得分獨立比較),采用Design-Expert 8.0.6數據統計軟件設計方案及結果見表3。

表3 響應面實驗設計與結果Table 3 Design and results of response surface experiment

2.3 響應面分析

方差分析結果見表4,響應面回歸模型差異顯著(p=0.0233);失擬性p=0.1776>0.05,表明失擬性不顯著,試驗的殘差是由隨機誤差引起的;R2=0.9255表示模型能反映92.55%的響應面值的變化,擬合度較好[25];根據F值可得各因素對檢測指標的綜合評分的影響大小順序為:超聲時間B>超聲功率A>海藻糖質量濃度C。根據各項回歸系數可得出模型的二元多項回歸方程:綜合評分Y=0.60-0.043A+0.054B+0.037C-0.062AB-0.021AC-0.012BC-0.040A2+0.068B2-7.025E-003C2。

表4 Box-Behnken試驗回歸模型方差分析Table 4 ANOVA analysis for regression equation of Box-Behnken experiment

表4中可以得出,超聲功率(A)和超聲時間(B)的交互作用對冷凍干燥羅非魚片品質的綜合評分有顯著性影響(p=0.0215<0.05),其響應面圖和等高線圖見圖7,等高線形狀越呈現橢圓兩因素交互作用越顯著,響應面曲面圖的曲面程度越大表明兩因素交互作用越顯著[26],由圖7可知,等高線圖橢圓的形狀和響應面的曲面程度說明兩因素的交互作用顯著,即超聲波時間和功率兩因素交互作用的增加表現為凍干羅非魚片綜合得分的增加。由等高線圖可知,當海藻糖濃度一定時,隨著超聲波功率和超聲波時間的增加,各因素的品質檢測指標綜合評分呈現先增加后降低的變化趨勢,當超聲波功率為450 W左右,超聲波時間為54 min左右時,綜合評分達到最大值;從曲面圖中看出，超聲波時間曲面變化比超聲波功率的曲面變化程度大,說明超聲波時間對品質綜合評分的影響較超聲波功率更顯著。

圖7 超聲時間和超聲功率交互影響對凍干羅非魚片綜合評分的等高線圖及曲面圖Fig.7 Response surface plot and contour plots of effects of B and C on the comprehensive score of freeze-dried tilapia fillets

2.4 驗證試驗及結果

通過Design-Expert 8.0.6軟件進一步計算可得,該模型的最佳預測因素水平為:超聲波功率453.31 W,超聲波時間55.45 min,海藻糖質量濃度90 g/L,得到的綜合評分預測值為0.6339。考慮到實驗室實際的操作條件,設定超聲波功率450 W,超聲波時間55 min,海藻糖質量濃度90 g/L的條件下進行驗證。通過驗證試驗得出的結果為:復水率(0.5983±0.0060) g/g,白度指數75.1287±0.2540,Ca2+-ATPase活性(2.4997±0.0113) μmolPi/mgprot/h,硬度(3.7433±0.0492) N,彈性(1.1753±0.0096) mm,膠黏性(2.3373±0.0193) N,咀嚼性(1.6763±0.0082) mJ,冷凍干燥羅非魚片品質的綜合得分為0.6229±0.0101,與理論值基本吻合,該試驗模型可靠。

3 結論

本試驗通過對優化超聲波輔助滲透海藻糖對冷凍干燥羅非魚片品質影響工藝的研究可知,以復水率、白度值、質構和Ca2+-ATPase活性的綜合評分為指標,最佳條件為超聲波功率450 W,超聲波時間55 min和海藻糖質量濃度90 g/L,得出的凍干魚片的復水率(0.5983±0.0060) g/g,白度指數75.1287±0.2540,Ca2+-ATPase活性(2.4997±0.0113) μmolPi/mgprot/h,硬度(3.7433±0.0492) N,彈性(1.1753±0.0096)mm,膠黏性(2.3373±0.0193)N,咀嚼性(1.6763±0.0082) mJ。各因素對檢測指標的綜合評分的影響大小順序為:超聲波時間>超聲波功率>海藻糖濃度。優化后的試驗條件,提高了羅非魚片的凍干效率,其復水率、白度值、Ca2+-ATPase活性、硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性等品質值均有所增加,其綜合評分實驗值與理論值擬合度較高,為工業生產篩選出了魚類等水產品的真空冷凍干燥的工藝操作條件奠定了基礎,對同類產品的凍干加工工藝提供了理論支持。