南極磷蝦粉制備過程中蒸煮條件的優化

馬田田,歐陽杰,談佳玉,王凱欣,沈 建

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,農業部遠洋漁船與裝備重點實驗室,國家水產品加工裝備研發分中心,上海 200092)

南極磷蝦(Euphausiasuperba)以群居方式生活在南極大陸架、冰架和海島附近。南極磷蝦生物儲量可觀,年可捕獲量為1億噸,是當前世界海洋捕撈產量的總和[1-3]。南極磷蝦個體較小,體長約4～6 cm,肌體呈磚紅色透明態,以微小浮游植物作為主要食物來源,捕撈區域主要在48海區[4-7]。南極磷蝦營養價值高,氨基酸組成合理,必需氨基酸含量豐富,脂肪酸組成豐富,不飽和脂肪酸占比大,是優質的海洋蛋白質來源和天然的健康食品[8-10]。我國南極磷蝦主要加工產品包括凍蝦、蝦肉、蝦粉[11];南極磷蝦因自身含水量高,致使其易腐敗變質且運輸成本較高[12];南極磷蝦因群居在南極海域,生存環境特殊,捕撈船行程遠,儲能空間大,致使其捕撈作業困難度增加且運輸量有限[13]。

基于提高南極磷蝦運輸量、減少運輸成本和保存南極磷蝦營養物質的目的考慮,將南極磷蝦通過合理的加工方式制成南極磷蝦粉越來越受關注。南極磷蝦粉作為一種優質蛋白原料,其蛋白能被人們較好地消化、吸收和利用,如徐蓓蓓等[14]研究不同南極磷蝦產品中蛋白營養價值,論證南極磷蝦產品可作為良好的蛋白質來源。南極磷蝦粉富含脂質,是提取南極磷蝦油的一種重要原料,南極磷蝦油的營養價值不低于魚油,如Bunea等[15]研究發現南極磷蝦脂質中的ω-3多不飽和脂肪酸主要與磷脂相連接,而魚類脂質中的ω-3多不飽和脂肪酸主要與甘油三酯相連接,南極磷蝦脂質具有不同于魚類脂質的獨特功能和營養特性。目前,南極磷蝦粉加工主要包括蒸煮、分離、干燥、粉碎四個步驟,如趙偉等[16]采用陸上模擬實驗,南極磷蝦經蒸煮、離心、冷凍、干燥、粉碎后制得蝦粉,結果表明蝦粉完全滿足提油用蝦粉的要求。在南極磷蝦粉制備中,蒸煮是第一個加工環節,起著保留南極磷蝦中營養物質的關鍵作用,主要是通過蒸煮使南極磷蝦體內復雜的自溶酶受到抑制或失去活性。目前,已有關于蒸煮裝置、蒸煮方式、蒸煮工藝等的研究,如覃干景等[17]發明的南極磷蝦快速蒸煮設備可有效縮短蒸煮時間短,使蛋白質迅速凝固,從而大幅提高南極磷蝦粉加工轉化率和品質;薛長湖等[18]發明的南極磷蝦快速蒸煮裝置,在提高南極磷蝦蒸煮效率的同時能夠有效回收南極磷蝦中肌漿蛋白,從而提高南極磷蝦粉產率;談佳玉[19]探索了四種蒸煮方式對南極磷蝦蝦青素影響,結果表明100 ℃直接水煮30 s后50 ℃直接水煮9 min的組合蒸煮方式最佳,能有效減少蒸煮對蝦粉中蝦青素的破壞;魏榮男[20]開展了南極磷蝦粉蒸煮工藝研究,結果表明在最大程度地保證成本效益、蒸煮完全、品質及得率條件下,較優的蒸煮溫度為55～60 ℃。而關于將南極磷蝦粉作為蛋白質或脂肪的提取原料為研究對象,針對蒸煮條件分別對蝦粉蛋白質、脂肪含量影響的研究尚未見報道。

本文基于南極磷蝦中蛋白酶和脂肪酶兩類酶受到抑制或失去酶活條件不同以及目前市場和實際生產需要,以凍南極磷蝦為原料,采用不同條件蒸煮南極磷蝦,分別對比分析蒸煮溫度、升溫時間、保溫時間對南極磷蝦粉中蛋白質、脂肪含量影響,旨在為南極磷蝦粉產品開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

凍南極磷蝦 上海開創遠洋漁業有限公司;濃硫酸、硫酸鉀、五水硫酸銅、氫氧化鈉、乙醇、石油醚、甲基紅、溴甲酚綠、甲基橙 分析純,國藥集團化學試劑有限公司;牛白蛋白 生物試劑,上海純優生物科技有限公司。

YP-4002電子天平 上海精密儀器儀表有限公司;HH-2電熱恒溫水浴鍋 常州朗越儀器制造有限公司;GTR16-2高速臺式冷凍離心機 北京時代北利離心機有限公司;BPG-96A精密鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;KDN-818全自動凱氏定氮儀 上海纖檢儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 南極磷蝦制粉工藝 凍南極磷蝦→流水解凍→瀝水→蒸煮→離心→干燥→粉碎篩分→蝦粉

1.2.1.1 原料預處理 凍南極磷蝦采用流水解凍的方式,水溫為25 ℃左右;解凍后的南極磷蝦利用網篩瀝去表面水,用于蒸煮實驗。

1.2.1.2 南極磷蝦粉的制備 稱取流水解凍瀝水后的南極磷蝦,以一定的蒸煮溫度、升溫時間和保溫時間蒸煮南極磷蝦,離心脫去部分水后置于80 ℃烘箱中干燥至磷蝦水分含量低于8%,干燥后的磷蝦粉碎40目篩分制成蝦粉,測定蝦粉中蛋白質、脂肪含量。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 蒸煮溫度對南極磷蝦粉蛋白質、脂肪的影響 取流水解凍瀝水后的南極磷蝦三份,每份約100.0 g。固定保溫時間為4.0 min,升溫時間為2.0 min,南極磷蝦的蒸煮溫度依次設為40、50、60、70、80、90、100 ℃,測定南極磷蝦粉中蛋白質、脂肪含量。

1.2.2.2 升溫時間對南極磷蝦粉蛋白質、脂肪的影響 取流水解凍瀝水后的南極磷蝦三份,每份約100.0 g。固定蒸煮溫度為70 ℃,保溫時間為4.0 min,南極磷蝦的升溫時間依次設為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 min,測定南極磷蝦粉中蛋白質、脂肪含量。

1.2.2.3 保溫時間對南極磷蝦粉蛋白質、脂肪的影響 取流水解凍瀝水后的南極磷蝦三份,每份約100.0 g。固定蒸煮溫度為70 ℃,升溫時間為2.0 min,南極磷蝦的保溫時間依次設為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 min,測定南極磷蝦粉中蛋白質、脂肪含量。

1.2.3 正交試驗 在單因素實驗的基礎上,分別以南極磷蝦粉中蛋白質、脂肪含量為考察指標,綜合考察蒸煮溫度、升溫時間、保溫時間三因素的影響,采用正交試驗進一步優化南極磷蝦粉蒸煮條件,得出三個影響因素的主次順序,蒸煮條件的主要組合以及各因素的顯著性分析。正交試驗設計見表1、表2所示。

表1 提蛋白用的南極磷蝦粉蒸煮條件正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experimentfor cooking conditions of Antarctic krill powder

表2 提脂肪用的南極磷蝦粉蒸煮條件正交試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experimentfor cooking conditions of Antarctic krill powder for fat extraction

1.2.4 蛋白質、脂肪的測定

1.2.4.1 蛋白質提取及測定 南極磷蝦粉中蛋白質提取及測定參考國家標準,采用微量凱氏定氮法[21],稱取一定量制備的蝦粉,利用全自動凱氏定氮儀進行樣品消化、蒸餾,根據每次滴定耗用溶液毫升數,計算南極磷蝦粉中蛋白質含量。

1.2.4.2 脂肪提取及測定 南極磷蝦粉中脂肪提取及測定參考國家標準,采用索氏抽提法[22],用濾紙包取一定量制備的蝦粉置于索氏抽提器中,70 ℃抽提4～6 h,后取出蝦粉包,讓石油醚揮發后,置于105 ℃烘箱內烘至恒重,根據測定前后蝦粉重量差計算其脂肪含量。

1.3 數據處理

運用SPASS進行數據處理分析,運用Excel進行繪圖;設置三組平行實驗,重復實驗3次,實驗數據用平均值來表示。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 蒸煮溫度對南極磷蝦粉蛋白質、脂肪含量影響 由圖1可知,隨著蒸煮溫度增加,南極磷蝦粉中蛋白質含量呈現先上升后下降的變化趨勢;在蒸煮溫度為70 ℃時,蛋白質含量最高,含量約為61%。在40～70 ℃范圍內,隨溫度上升蛋白質含量呈上升趨勢,陳怡炫等[23]研究南極磷蝦粗酶液中蛋白酶基礎酶學性質發現,當溫度超過40 ℃,隨溫度升高,南極磷蝦蛋白酶酶活性降低,結合此實驗分析產生該變化趨勢的原因是隨溫度上升,蛋白酶受到的抑制逐漸增大,蛋白質的酶解反應速率降低,且蛋白的熱變性反應較弱;在70～100 ℃范圍內,隨溫度上升蛋白質含量呈下降趨勢,戚亭等[24]研究南極磷蝦蛋白功能性發現當溫度超過75 ℃,隨溫度升高,南極磷蝦蛋白變性逐漸加劇,結合此實驗分析產生該變化趨勢的原因是隨溫度上升,蛋白熱變性反應加快,且蛋白酶逐漸失活。因此,提蛋白用的蒸煮溫度選擇為70 ℃。

圖1 蒸煮溫度對南極磷蝦粉蛋白質含量影響Fig.1 Effect of cooking temperatureon protein content of Antarctic krill powder

由圖2可知,隨著蒸煮溫度增加,南極磷蝦粉中脂肪含量呈現先上升后下降的變化趨勢;在40～80 ℃范圍內,隨著蒸煮溫度升高脂肪含量呈上升趨勢,尚憲明[25]通過研究南極磷蝦脂肪酶酶學性質發現,反應溫度在35～65 ℃時,該脂肪酶都具有酶活力,但脂肪酶的酶促反應速率急劇下降,結合此實驗分析產生該變化趨勢的原因是隨溫度上升,脂肪的酶解反應速率降低,且脂質氧化分解反應較弱;在蒸煮溫度為80 ℃時,脂肪含量最高,含量約為20%。在80～100 ℃范圍內,隨著蒸煮溫度升高脂肪含量呈下降趨勢,孫德偉[9]通過研究南極磷蝦脂質性質發現,其具有高熱敏性特征,結合此實驗分析產生該變化趨勢的原因是隨溫度上升,脂肪的高溫氧化分解,且脂質酶逐漸失活。因此,提脂肪用的蒸煮溫度選擇為80 ℃。

圖2 蒸煮溫度對南極磷蝦粉脂肪含量影響Fig.2 Effect of cooking temperatureon fat content of Antarctic krill powder

2.1.2 升溫時間對南極磷蝦粉蛋白質、脂肪含量影響 由圖3可知,隨升溫時間的增加,南極磷蝦粉中蛋白質含量先迅速上升后緩慢下降;在升溫時間為1.5 min時,蛋白質含量最高,含量約為60%。在0.5～1.5 min內,隨升溫時間增加蛋白質含量呈上升趨勢,陳怡炫等[23]研究發現40～50 ℃范圍內,南極磷蝦蛋白酶活力呈迅速下降趨勢,50 ℃后呈緩慢下降趨勢,結合此實驗現象分析隨升溫時間增加南極磷蝦在40～50 ℃的受熱時間增加,酶活力下降顯著,蛋白酶解反應受到充分抑制;在1.5～3.5 min內,隨升溫時間增加蛋白質含量呈下降趨勢,呈現此實驗現象的原因可能是升溫時間增加導致蛋白質變性加劇。因此,提蛋白用的升溫時間選擇為1.5 min。

圖3 升溫時間對南極磷蝦粉蛋白質含量影響Fig.3 Effect of heating up timeon protein content of Antarctic krill powder

由圖4可知,隨升溫時間增加,南極磷蝦粉中脂肪含量先上升后下降;在0.5～2.5 min內,隨升溫時間增加脂肪含量呈上升趨勢,主要是因脂肪酶活力隨升溫時間增加逐漸下降。升溫時間為2.5 min時,脂肪含量最高,含量約為20%。在2.5～3.5 min內,隨升溫時間增加脂肪含量呈下降趨勢,主要是因脂肪高溫氧化反應隨升溫時間增加逐漸加劇。因此,提脂肪用的升溫時間選擇為2.5 min。

圖4 升溫時間對南極磷蝦粉脂肪含量影響Fig.4 Effect of heating up timeon fat content of Antarctic krill powder

2.1.3 保溫時間對南極磷蝦粉蛋白質、脂肪含量影響 由圖5可知,隨著保溫時間延長,南極磷蝦粉中蛋白質含量先迅速增加后緩慢下降;保溫時間為3 min時,蛋白質含量最高,含量約為57%。在0～3 min內,隨保溫時間延長蛋白質含量迅速增加,主要是蛋白酶在高溫條件下,隨保溫時間延長酶活性隨之降低;在3～7 min內,隨保溫時間延長,蛋白質含量緩慢下降,產應此實驗現象的原因一方面是蛋白的酶解反應速率下降,另一方面是蛋白的熱變性加劇。因此,提蛋白用的保溫時間選擇為3 min。

圖5 保溫時間對南極磷蝦粉蛋白質含量影響Fig.5 Effect of holding time onprotein content of Antarctic krill powder

由圖6可知,隨著保溫時間延長,南極磷蝦粉中脂肪含量先上升后下降;在0～4 min內,隨著保溫時間延長脂肪含量逐漸上升,主要是脂肪的酶解反應速率逐漸降低。在保溫時間為4 min時,脂肪含量最高,含量約為21%。在4～7 min內,隨著保溫時間增加脂肪含量逐漸下降,主要是脂肪在高溫長時條件下氧化反應逐漸加劇。因此,提脂肪用的保溫時間選擇為4 min。

圖6 保溫時間對南極磷蝦粉脂肪含量影響Fig.6 Effect of holding timeon fat content of Antarctic krill powder

2.2 正交試驗結果與分析

2.2.1 提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗結果與分析 提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗結果與方差分析見表3、表4。由表3中極差大小可得,實驗因素的主次順序是:蒸煮溫度、保溫時間、升溫時間。提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件的最優組合是A2B2C3,即蒸煮溫度為70 ℃,升溫時間為1.5 min,保溫時間為4.0 min。在上述條件下進行驗證實驗得出最大蛋白質含量為63.4%。查F分布表得F2-0.01(2,2)=99.00,F2-0.05(2,2)=19.00,由表4方差表可得,蒸煮溫度對磷蝦粉蛋白質含量具有極顯著性影響(P<0.01),保溫時間對磷蝦粉蛋白質含量具有顯著性影響(P<0.05)。

表3 提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗及結果分析Table 3 Result and analysis of orthogonal experimentalfor cooking conditions of krill powder for protein extraction

表4 提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experimentalon cooking conditions of krill powder for protein extraction

2.2.2 提脂肪用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗結果與分析 提脂肪用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗結果與方差分析見表5、表6。由表5中極差大小可得,實驗因素的主次順序是:蒸煮溫度、保溫時間、升溫時間。提脂肪用磷蝦粉蒸煮條件的最優組合是D2E2F3,即蒸煮溫度為80 ℃,升溫時間為2.5 min,保溫時間為5.0 min。在上述條件下進行驗證實驗得出最大脂肪含量為23.4%。查F分布表得F2-0.01(2,2)=99.00,F2-0.05(2,2)=19.00,由表6方差表可得,蒸煮溫度對磷蝦粉脂肪含量具有顯著影響(P<0.05)。

表5 提脂肪用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗及結果分析Table 5 Result and analysis of orthogonal experimental factorsfor cooking conditions of krill powder for fat extraction

3 結論

蒸煮作為南極磷蝦粉加工的重要步驟之一,合理的蒸煮條件能有效保留南極磷蝦營養成分。經不同蒸煮條件處理后,制成的南極磷蝦蝦粉中蛋白質、脂肪含量均有改變。在蒸煮過程中,最優實驗條件是:蒸煮溫度為70 ℃,保溫時間為4.0 min,升溫時間為1.5 min,蛋白質含量達63.4%,能有效保留南極磷蝦中蛋白質,為南極磷蝦蛋白質提取提供優質原料;蒸煮溫度為80 ℃,保溫時間為5.0 min,升溫時間為2.5 min,脂肪含量達23.4%,可最小程度破壞南極磷蝦中脂肪,為南極磷蝦油制備提供良好原料。在未來的南極磷蝦粉產品加工中,可根據產品需求和市場需要采用不同蒸煮條件加工制備南極磷蝦粉,從而更好地保證原料品質,提高產品等級。