吳宇桐,張 潮,孔保華*
(東北農業大學食品學院,黑龍江 哈爾濱 150030)
水餃是中華民族的傳統特色美食。水餃主要由餡料外面包裹面皮通過手工或機器成型制成,因此,面皮和餡料的品質決定了水餃的品質。水餃一般通過低溫速凍保藏,但冷凍貯藏過程明顯影響了水餃的口感和風味[1]。
冷凍是最常用的食品保藏技術之一,它可以降低食品的水分活度和酶活性,延緩食品腐敗,延長食品的貯存期,從而最大限度保留食品原有的風味并減少營養物質的損失[2]。傳統的食品冷凍技術,如空氣冷凍、板式接觸、流化床冷凍、浸漬冷凍等在結晶過程中通常會形成體積較大且分布不均勻的冰晶,對細胞結構造成破壞,不僅縮短了食品的貨架期,也對食品本身的食用品質造成損傷[3-4]。現在,一些可以改善食品冷凍品質的新技術,如超高壓處理、抗凍劑和超聲輔助冷凍技術等引起了研究者的廣泛關注[5-7]。
超聲輔助浸漬冷凍技術(ultrasonic-assisted immersion freezing,UIF)是一種新型的加工冷凍技術,該技術利用超聲波傳播過程中的機械效應、空化效應和熱效應,干涉冷凍過程中晶核的形成及生長,改善冷凍食品品質[8]。研究者發現超聲作用可以促進晶核的形成、控制冰晶的大小、提高凍結速率,進而改善食品冷凍品質[9-11]。該技術不需要添加外源成分,滿足了食品企業追求綠色生產方式的發展趨勢[12]。目前UIF技術在肉制品領域的研究集中在原料肉冷凍方面[9],本實驗將UIF技術應用于常見的速凍食品水餃冷凍過程,觀察不同超聲功率對水餃肉餡品質的影響,為UIF技術在肉制品加工中的應用提供理論依據。
宰后24 h的豬脊背肉和肥膘、鮮蔥、鮮姜 哈爾濱市好又多超市;食用級大豆油 九三油脂廠;五香調味料王守義十三香集團;醬油 海天集團;食鹽 中鹽集團;乙醇、硫代巴比妥酸、氯仿、三氯乙酸、鹽酸、甲醇等(均為分析純) 天津市天力化學試劑有限公司。
超聲輔助冷凍機 南京先歐儀器設備有限公司;AT-S45溫度采集器 江蘇常州安柏儀器有限公司;JD500-2電子天平 沈陽龍騰電子稱量儀器有限公司;UT-1800紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;DK-8B電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司;GL-21M冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;ZE-6000色差計 日本電色公司;DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司;T18勻漿機 德國IKA公司;低場臺式核磁共振儀德國布魯克公司;SYM-10攪拌機 廣州市善友機械設備有限公司。
1.3.1 餃子的制備
取宰后24 h的豬脊背肉和肥膘,用保溫箱加冰袋運至東北農業大學肉制品加工實驗室,餃子的制作全程在冷庫(4 ℃)中進行。首先剔除豬脊背肉表面可見筋膜、脂肪,切成小塊,并用絞肉機絞碎,篩孔直徑3 mm。按照如下配方制備餡料:瘦肉1 600 g、肥膘400 g、食鹽60 g、醬油80 g、水200 g、鮮姜40 g、蔥40 g、五香粉16 g、大豆油12 g[13]。使用SYM-10攪拌機以160 r/min攪拌餡料5 min使其混勻。取肉餡15 g,使用直徑6 cm、厚度0.3 mm的餃子皮將餡料包裹,制成餃子,使餃子最大直徑約為2 cm,每批制作餃子102 個,分為6 組,每組17 個樣品,用于測定冷凍速率、過氧化物值(peroxide value,POV)、硫代巴比妥酸反應產物(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)含量、水分分布、色差、感官評價等指標。為便于質構的測定,同時將肉餡灌制于直徑為2 cm的聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)腸衣中并封口,每個樣品灌制40 g肉餡,每批制作18 個樣品,分為6 組,每組3 個樣品,用于測定保水性和質構特性。將餃子餡灌制于PVC腸衣中是因為質構特性測定對樣品的大小和形狀有一定的要求,而包在面皮中肉餡的形狀不規則,不利于餃子餡質構特性測定。
1.3.2 樣品處理方式
本實驗共分為6 組,對照組為未經冷凍的樣品,置于4 ℃冰箱中;其他處理組采用3 種冷凍方式,包括空氣冷凍(air freezing,AF)、浸漬冷凍(immersion freezing,IF)以及3 個功率的UIF(60、90 W和120 W)。冷凍過程中,采用AT-S4500溫度測試儀測定樣品中心溫度,探針直徑1.0 mm、準確度±0.1 ℃,將其插入餃子肉餡中心實時監測溫度變化。用于IF和UIF的餃子樣品,要先用不透水的塑料袋將其進行包裝。
IF與UIF均使用超聲輔助冷凍機,超聲輔助冷凍機的結構與Zhang Mingcheng等[14]描述的相同,冷凍槽的尺寸為30 cm×22 cm×26 cm,在冷凍槽底部有10 個超聲波換能器,可以發射超聲。冷凍槽中放置體積分數50%乙醇溶液作為冷凍液,當超聲輔助冷凍機開始工作后,冷凍槽中冷凍液溫度降低,降至-20 ℃后溫度維持穩定,冷凍槽每次可冷凍10 個餃子或5 個灌入PVC腸衣的餃子餡。
AF冷凍過程中直接將樣品置于托盤上,放入-20 ℃的冰箱中,當樣品中心溫度降至-18 ℃后,將樣品置于-18 ℃冰箱中保存。IF冷凍過程中,樣品均通過鐵筐固定在距槽底5 cm處的冷凍液中冷凍,當樣品中心溫度降至-18 ℃后,將樣品取出置于-18 ℃冰箱中保存。UIF冷凍過程中,通過控制面板設置UIF的超聲功率依次為60、90 W和120 W輔助樣品冷凍,分別將所得樣品記為UIF-60、UIF-90和UIF-120。在樣品中心溫度達到1 ℃時,將超聲波間歇模式設置為30 s開/30 s關,循環作用5 min,當樣品中心溫度降至-18 ℃后,將樣品取出置于-18 ℃冰箱中保存。所有冷凍過程均記錄樣品冷凍時間。樣品冷凍后在-18 ℃冰箱放置24~48 h,然后在4 ℃冰箱解凍并進行各項指標的測定。
1.3.3 水餃肉餡蒸煮損失率的測定
蒸煮損失率測定參照Huang Li等[13]的方法,取灌裝于PVC腸衣的水餃肉餡樣品,連同腸衣置于4 ℃冰柜中解凍,待中心溫度達到0 ℃左右時準確稱質量(m1/g),放入沸水浴中煮制10 min,撈出后盛于托盤中,冷卻至室溫(18 ℃左右),將針插入腸衣中排出汁液,并準確稱質量(m2/g)。蒸煮損失率按公式(1)計算。

1.3.4 水餃肉餡破損強度的測定
水餃肉餡破損強度參照Huang Li等[15]的方法采用質構儀進行測定。將測完蒸煮損失率的樣品剝去PVC腸衣(直徑20 mm),截取高度25 mm,利用質構儀配以P/50探頭,模仿人口咬切肉樣產生的質構曲線來分析肉餡的組織強度。質構儀的參數設定為:探頭測試前速率為3 mm/s,測試和返回速率均為2 mm/s,探頭壓縮高度為12.5 mm,測試前用高度校正。當探頭壓縮樣品破裂時壓力達到峰值,其所對應的力(B)/N和距離(D)/m被軟件自動記錄下來,破損強度按式(2)計算。

1.3.5 TBARS含量的測定
TBARS含量的測定參照Wang等[16]的方法,取2 g樣品放入具塞試管中,加入3 mL硫代巴比妥酸溶液、17 mL三氯乙酸-鹽酸溶液,混勻后沸水浴中反應30 min,冷卻。取5 mL溶液加入等體積的氯仿,1 000×g下離心10 min,532 nm波長處讀取吸光度。TBARS含量以每千克脂質氧化樣品溶液中丙二醛的質量表示。按公式(3)計算。

式中:A532nm為溶液的吸光度;m為稱量樣品的質量/g;9.48為常數。
1.3.6 POV的測定
POV參照Hultin等[17]的方法進行測定。取2 g肉餡置入50 mL的試管中,加入低溫冷卻的15 mLV(氯仿)∶V(甲醇)=2∶1的混合液,均質30 s,再加入質量分數0.5%的NaCl溶液3 mL。混勻后在4 ℃下3 000×g離心10 min,溶液將分成兩相。取下相溶液5 mL至新試管中,再加入5 mL低溫冷卻的V(氯仿):V(甲醇)=2∶1溶液,再加入25 μL硫氰酸銨溶液,漩渦混合3 s后加入25 μL二價鐵離子溶液,漩渦混合3 s。樣品在室溫(18 ℃)下反應5 min。在500 nm波長處測吸光度,并以還原鐵粉作標準曲線(y=0.251 6x+0.016 6,R2=0.999),計算出POV。
1.3.7 低場核磁共振測定水分分布
參照Zhang Mingcheng等[14]的方法,用低場核磁共振測定樣品的弛豫時間。將肉餡置于核磁共振管中。在標準化原始數據后,使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill脈沖序列和CONTIN算法對得到的原始數據進行分析,并記錄樣品的T2弛豫時間,計算水分分布。
1.3.8 水餃肉餡色差的測定
使用ZE-6000色差儀測定肉餡的亮度(L*值)、紅度(a*值)和黃度(b*值)判斷肉餡顏色的變化,在4 ℃冰箱中將肉餡解凍至0 ℃左右時,剝去餃子皮,放在4 ℃冰箱中待測。制樣時肉餡與蔥姜碎末已充分混勻,在測定時再將肉餡表面肉眼可見的碎片移除,把肉餡均勻平鋪在直徑為30 mm的測試皿中,每個面以60°為間隔重復測定3 次去除誤差,測定其L*、a*和b*值。
1.3.9 感官評價
參照黃莉等[18]的方法,邀請食品專業研究生組成10 人感官評價小組,在感官評價室進行評價。分別從風味、多汁性、組織狀態、整體接受性4 個方面對水餃進行評分,將水餃煮制后即刻評價,其評分標準見表1。評價人員評價樣品的間歇,使用溫水漱口,且樣品隨機分配給評價人員。

表1 水餃肉餡感官品質評分標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of dumpling meat filling
數據通過Statistix 8.1軟件包中Linear Models程序分析得到平均值、標準差,差異顯著性通過Tukey HSD程序分析(P<0.05表示差異顯著),采用Sigmaplot 12.5軟件作圖。每個實驗均重復3 次,結果表達為平均值±標準差形式。
冷凍過程的溫度-時間曲線有助于了解不同冷凍方式對水餃肉餡冷凍速率的影響。表2與圖1記錄了樣品在4~-18 ℃溫度區間內各階段降溫所需要的時間。相比其他冷凍方式,AF樣品的冷凍時間最長(P<0.05),冷凍時間是其他冷凍方法的近10 倍,這主要是因為空氣的傳熱系數低,而液體具有比空氣更高的傳熱系數,傳熱更快[15]。此外,不同超聲功率處理的樣品冷凍時間也顯著不同(P<0.05),其中UIF-90處理組的樣品冷凍時間最短,比IF的冷凍時間縮短38.32%,其次是UIF-120和UIF-60處理組(P<0.05),分別比IF的冷凍時間縮短了32.1%和14.19%。不同冷凍處理組樣品的相變時間有很大的差異,與IF組相比,UIF組的冷凍時間顯著縮短(P<0.05)。其中,UIF-90處理的樣品相變時間(凍結階段時間)最短,比IF縮短了52.49%(P<0.05);但超聲功率過大時,如UIF-120條件下,相變時間反而變長,這與超聲的特性有關。

表2 不同冷凍方式對水餃肉餡冷凍時間的影響Table 2 Influence of different freezing methods on freezing time of dumpling meat filling

圖1 水餃肉餡不同冷凍方式的冷凍曲線Fig.1 Freezing curves of dumpling meat filling with different freezing methods
超聲主要對冷凍相變階段所需時間有一定的影響,即影響冰結晶形成的速率。超聲的空化效應會在溶液內局部位置產生高壓與微射流,高壓導致溶液部分過冷;微射流沖擊大冰晶使其破碎形成小冰晶,小冰晶可以作為新的晶核繼續生長,這使冰晶的大小和分布更加均勻,并縮短了樣品的冷凍相變時間[9,19]。一般超聲功率越大則空化效應效果越強,冷凍速率本應加快,但超聲功率過大也使得超聲的熱效應增強,反而使樣品冷凍速率降低[10]。與Tu Jing等[20]的研究結果相類似,超聲作用增加了成核率和傳熱率,從而提高了冷凍速率,但超聲波功率過高時,受超聲熱效應影響,反而降低了冷凍速率,延長了冷凍時間。在本研究中,UIF-90條件下樣品的冷凍時間最短,效果最佳。

圖2 不同冷凍方式對水餃肉餡蒸煮損失、破損強度的影響Fig.2 Influence of different freezing methods on cooking loss and crushing strength of dumpling meat filling
蒸煮損失會影響產品的質量、顏色和感官品質,是評估肉制品品質的最重要指標之一[21-22]。肌肉的蒸煮損失過高不僅直接影響食用品質,更會降低其商業價值。如圖2所示,對照組的蒸煮損失率最小,其他冷凍處理組樣品的蒸煮損失率總體顯著高于對照組(P<0.05)。這是因為肌肉保水性與肌纖維(肌細胞)的結構及肌原纖維蛋白的特性有關,肌肉未經冷凍,肌細胞結構完整,肌肉蛋白質保持原有的功能特性,這樣可以保持和吸附肉中的水分。肌肉冷凍后,由于冰晶的形成,會造成肌肉細胞膜的破壞,甚至肌肉蛋白質的變性,導致肌肉結構中保持的水分流失[23]。冷凍處理組中,AF組樣品冷凍速率最慢,肉品內部形成的冰晶體積較大且分布不均,使肌肉組織完整性受到破壞,蒸煮損失率升高[18]。而IF、UIF-60、UIF-90和UIF-120處理組冷凍速率快、冰結晶形成小、細胞破壞少,相較于AF處理組顯著降低了肉餡的蒸煮損失率(P<0.05)。在UIF處理組中,隨著超聲功率增加,樣品的蒸煮損失率先降低后增加,UIF-90處理組樣品的蒸煮損失最低,這可能是因為在該功率下冷凍速率最快,因而形成的冰晶小且分布均勻[24]。
肉餡的破損強度反映了肉制品內部肉糜的黏聚性,其與肉制品的黏彈性密切相關,有助于分析肉制品的組織狀態。肉餡肉糜之間結合力越強,則破損強度越大。如圖2所示,未經冷凍的對照樣品的破損強度顯著高于其他冷凍處理組(P<0.05),表明冷凍降低了肉餡的黏聚性。冷凍處理組中AF組破損強度最低,UIF-60和UIF-90處理組相較于IF組破損強度顯著增加(P<0.05)。這可能是因為UIF可以減小食品冷凍過程中形成冰晶的體積,使其分布更均勻,減少了冷凍對微觀結構的損傷[25],因而使樣品具有較高的破損強度。但隨著超聲功率的增加,冷凍樣品的破損強度先增加然后降低。同其他超聲功率相比,UIF-60和UIF-90具有較高的破損強度(P<0.05)。UIF-120組樣品破損強度甚至低于IF處理組,這可能與超聲的熱效應有關。

圖3 不同冷凍方式對水餃肉餡TBARS含量和POV的影響Fig.3 Influence of different freezing methods on peroxide value and thiobarbituric acid reactive substances values of dumpling meat filling
脂肪的氧化終產物之一為丙二醛,丙二醛與硫代巴比妥酸在一定條件下反應生成的紅色物質在532 nm波長處有最大吸收峰,因此TBARS含量可以反映脂肪氧化的程度。如圖3所示,在餃子冷凍處理中,AF樣品TBARS含量顯著高于其他各組(P<0.05),而超聲處理各組之間差異不顯著(P>0.05)。AF處理組TBARS含量最高,達到0.45 mg/kg,此結果與黃莉等[18]的研究結果相似。餃子加工過程中,由于肉餡中添加了20%(質量分數)的脂肪,同時在制餡過程中要經過絞肉和拌制,肉餡會與金屬刀具和容器接觸,這會促進脂肪的氧化,同時肉餡拌制過程中還會增加肉餡和空氣接觸,也會進一步促進脂肪氧化,所以肉餡TBARS含量比一般未經處理的原料肉更高。此外,采用慢速凍結,樣品經過冷凍過程會形成較大的冰晶,冰晶會破壞細胞滲透壓,并在冰晶體積達到一定程度時刺破細胞,催化肉餡的脂肪氧化[26]。AF處理組冷凍速率最慢,其形成冰晶的體積較大,更容易損傷細胞結構,使細胞中的脂肪氧化酶和氧化催化劑析出,造成較為嚴重的脂肪氧化。而超聲處理各組相對于AF組冷凍速率快,形成的冰晶粒徑較小且分布更為均勻,對樣品結構損壞較小,所以TBARS含量較小。
脂肪氧化反應是一種自由基鏈式反應,包括引發、傳遞和停止3 個階段。脂肪氧化的初級產物很容易形成過氧化物,過氧化物再經過分裂形成終產物,如醛、酮和環氧衍生物等,因此POV也可以在一定程度上反映脂肪氧化程度[27]。如圖3所示,POV的變化趨勢與TBARS含量相近,對照組樣品的POV最低,AF組的樣品POV最高,而超聲處理各組中POV之間無顯著差異(P>0.05)。
通過低場核磁共振儀測定肉餡T2弛豫時間研究了不同冷凍方式對肉餡水分分布狀況的影響。肌肉中水分以3 種形式存在:T2b(0~2 ms)代表與大分子緊密結合的水,即結合水;T21(10~100 ms)代表在密集的肌原纖維蛋白網絡中捕獲的單層水,即不易流動水;T22(100~1 000 ms)代表位于肌原纖維蛋白網絡外的游離水[27]。

圖4 不同冷凍方式處理的水餃肉餡的低場核磁共振的弛豫時間T2(A)和相應的水分分布比例(B)Fig.4 Changes in low-field nuclear magnetic resonance T2 relaxation times (A) and corresponding peak areas (B) of dumpling meat filling affected by different freezing methods
圖4顯示了用不同條件處理樣品的特征T2分布情況(圖4A)以及樣品的水分分布比例(圖4B)。不同的冷凍方式對樣品結合水無顯著影響,各組樣品的P2b并無顯著差異(P>0.05)。所有處理組中,對照組樣品的P21最大而P22最小,而冷凍處理后樣品的P21降低P22升高,這可能是因為冷凍過程中的冰晶破壞了肌肉的微觀結構,肌肉中的不易流動水流失,轉化為游離水,使得不易流動水所占比例降低[28]。冷凍處理組中,AF組樣品的P21最小而P22最大,不易流動水損失最多。而相較于IF組樣品,UIF組樣品P21更高,且隨著超聲功率增加,UIF樣品的P21先增加后減少,在UIF-90組達到最高,此條件下肉餡不易流動水含量最高,水分結合程度最好。
如表3所示,對于弛豫時間T2b,所有樣品之間沒有顯著差異(P>0.05),這表明結合水未受冷凍處理的影響。而不同冷凍方式對樣品T21有顯著影響(P<0.05),對照組樣品弛豫時間T21最小,而冷凍后樣品的弛豫時間T21顯著增加,說明冷凍會影響肉餡不易流動水的結合能力。冷凍處理組中,用UIF-90處理的樣品弛豫時間T21最短,說明90 W超聲處理樣品不易流動水的結合能力最強。弛豫時間的差異與水及細胞成分的相互作用以及細胞不同部位水的流動性有關[27]。在實驗中,兩個因素影響T21的測定結果:一個因素是在冷凍結晶過程中細胞外形成大而不均勻的冰晶導致細胞膜和液泡膜的損傷,造成細胞質和液泡損失,解凍后水分不易被受損的肌原纖維重新吸收,不易流動水會轉化為游離水[28];另一個因素是水分凍結后,會造成殘留未凍結的溶液中的脂類、蛋白質、碳水化合物和礦物質等濃度增加,破壞了肉餡內環境的穩定狀態[29]。在所有冷凍樣品中UIF-90處理的樣品弛豫時間T21顯著低于其他各組(P<0.05),是因為在此條件下超聲會縮短冷凍時間,減少冰晶對肌肉細胞的破壞,減少水分流失。由表3可知,不同冷凍方式對T22也具有顯著的影響(P<0.05),并且其趨勢與T21相似,UIF-90處理組和對照組樣品的T22最為接近,這表明UIF-90處理組具有比其他處理樣品更小的氫自由度,對肉餡水分結合緊密程度相較于其他冷凍處理組保持最佳。Sun Qinxiu等[27]也獲得了類似的結果,發現UIF會影響肌肉對水分結合緊密程度。

表3 不同冷凍方式處理的水餃肉餡的T2弛豫時間(T2b、T21和T22)的影響Table 3 Influence of different freezing methods on T2relaxation times(T2b, T21 and T22) of dumpling meat filling
顏色是評估視覺質量的重要且直接的指標,它會顯著影響肉的感官質量和可接受性[30]。測定亮度L*值、紅度a*值和黃度b*值可以客觀反映肉餡顏色的變化。如表4所示,AF處理組樣品的L*值顯著低于其他各組(P<0.05),這可能是因為AF會造成肌肉結構較大的損傷,使得肌肉保水性下降,對配料中水分的重吸收程度降低,導致肉餡亮度降低。紅肉的a*值主要受肌紅蛋白的影響,肌紅蛋白氧化為高鐵肌紅蛋白是紅肉a*值降低的主要原因[31],所有樣品中,對照組樣品的a*值最高,這可能是因為對照組未經冷凍處理,樣品肌紅蛋白保持較好,對a*值影響最小。在冷凍處理組中,UIF-90和AF的a*值最高,UIF-90處理組樣品冷凍品質最好,對肌紅蛋白造成影響最小。而AF處理組可能是因為肉餡損失水分過多,使得樣品顏色變深,造成a*值增加。而對于b*值,處理組樣品的b*值與對照組相比并無顯著差異(P>0.05),冷凍處理組樣品之間也無顯著差異(P>0.05),超聲和冷凍沒有對其造成顯著影響。

表4 不同冷凍方式對水餃肉餡顏色的影響Table 4 Influence of different freezing methods on the color of dumpling meat filling
水餃的感官評定結果見表5。不同的冷凍方式短期內對水餃的風味和組織結構以及整體可接受性并沒有顯著影響(P>0.05),但對樣品的多汁性有較為顯著的影響(P<0.05)。所有處理組中,對照組最多汁,樣品汁液保持最好;冷凍使樣品汁液損失。而冷凍處理組中,AF處理組汁液較少,冷凍效果差。UIF樣品的多汁性隨著超聲功率增加先增加后減少,UIF-90組樣品最多汁。結果表明,UIF-90最有助于提高肉餡對水分的保持,相對于其他冷凍處理組樣品,其多汁性最接近對照組,汁液保持最佳。

表5 不同冷凍方式對水餃肉餡感官品質的影響Table 5 Influence of different freezing methods on sensory quality of dumpling meat filling
本實驗研究了不同冷凍方式對水餃肉餡冷凍品質的影響。研究發現,IF比AF更好地保持了肉餡品質,然而相較于IF,超聲輔助IF的肉餡品質更好。冷凍處理組中UIF-90組樣品的冷凍速率最快,蒸煮損失最低,肉餡汁液保持更好,感官品質最佳。與IF、UIF-60和UIF-120樣品相比,UIF-90組樣品具有最短的弛豫時間,且P21最高,所以UIF-90樣品保水性最好。總體而言,90 W功率的超聲處理加速了樣品冷凍速率,較好地保持了肉餡冷凍后的品質,冷凍肉餡的品質最接近于新鮮肉餡。本研究表明,速凍水餃生產過程中使用合適功率的超聲輔助IF,可加速水餃冷凍速率、提高冷凍水餃的品質。