鲅魚罐頭熱殺菌中水分遷移與品質變化

張 彪，易 寬，張 微，林 峻 鑫，李 冬 梅，2，3

(1.大連工業大學 食品學院，遼寧 大連 116034；2.大連工業大學 國家海洋食品工程技術研究中心，遼寧 大連 116034；3.大連工業大學 海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心，遼寧 大連 116034)

0 引 言

殺菌是罐頭生產中最重要關鍵控制點，通過殺滅容易引起腐敗的微生物如肉毒桿菌和脂肪芽孢桿菌及其芽孢等，使食物達到長時間保存和增加風味的目的。常用的殺菌方法有加熱殺菌[1]、高壓殺菌[2]、微波殺菌[3]等，其中熱殺菌是最傳統、也是應用最廣泛的殺菌方法。熱力殺菌強度F值是指在特定的致死溫度下將一定數量的某種微生物全部殺死所需的時間[4]，121 ℃的殺菌溫度下使得嗜熱脂肪芽孢桿菌死亡，累計致死率下降5個對數單位[5]，確定F0制定殺菌公式達到商業無菌的目的。

熱殺菌會影響罐頭產品的風味、質構以及水分狀態[6]。食品中的水分含量及其狀態與食品加工和貯藏時的結構特性及穩定性密切相關[7]。低場核磁技術(LF-NMR)采集到樣品信號峰面積僅與樣品所含有水的質子數相關，可以通過弛豫時間快速準確的獲得分子的動力學信息，在測定時不需要破壞和污染樣品，已廣泛應用于食品加工的品質監控，如熱加工[8]、凍藏[9]、干制[10]等，但很少有關于熱殺菌條件下的罐頭水分遷移規律與品質關系的研究。

本實驗使用LF-NMR和磁共振成像(MRI)技術研究不同的熱殺菌條件對鲅魚罐頭水分狀態的影響，分析水分遷移規律與魚肉品質之間的關系。監測魚肉在不同熱殺菌條件下的pH、揮發性鹽基氮(TVB-N)及硫代巴比妥酸值(TBA)、質構、色澤指標的變化。通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察魚肉的微觀結構。利用偏最小二乘法回歸(PLSR)模型分析將LF-NMR應用于預測魚肉罐頭殺菌后品質的可能性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鲅魚(Scomberomorusniphonius)，遼寧省大連市新長興市場采購，儲存于實驗室-18 ℃凍藏室，每次實驗前取樣。醬汁中包含大料、桂皮、香葉、花椒、食鹽、糖、味精、淀粉等調味品，均來自大連當地市場。

ASQ-81J電炸爐，廣州市艾士奇電器科技有限公司；C100包裝機，德國Multivac公司；ZM-100反壓滅菌鍋，廣州標際包裝設備有限公司；MesoQMR23-060H核磁共振分析儀，蘇州(上海)紐邁電子科技有限公司；SevenCompact S210-B pH計，梅特勒-托利多國際貿易(上海)有限公司；UV-5100B紫外可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；K9840全自動凱氏定氮儀，山東海能科學儀器有限公司；UltraScan PRO色差儀，美國亨特聯合實驗室有限公司；TA.XT plus質構儀，英國Stable Micro System公司；JSM-7800F掃描電鏡儀，日本東京電子株式會社。

1.2 方 法

1.2.1 鲅魚罐頭制作工藝流程

冷凍鲅魚→4 ℃冷藏室解凍→取肉(去皮、去頭、去內臟、去骨)→魚肉切塊(20 mm×20 mm×15 mm)→油炸(170 ℃，2 min)→裝袋→調味(魚塊和醬汁質量比為3∶7)→封口→殺菌→冷卻→測定

1.2.2 熱殺菌處理

整個殺菌過程中的殺菌強度F0可以通過式(1)得到。

(1)

式(1)中：t為殺菌時間，s；θ為殺菌溫度，℃；θref為參考溫度，121 ℃；Z=10 ℃

一般殺菌式表示為

(t1-t2-t3)/θ

(2)

式(2)中：t1為升溫時間，min；t2為恒溫時間，min；t3為降溫時間，min；θ為殺菌溫度，℃。

縮短升溫和降溫的時間盡量減小此階段對整個殺菌過程的影響。升溫時間控制在11 min，利用反壓裝置控制降溫時間在8 min。設計4組恒溫殺菌的溫度-時間組合(11-80-8min/115℃)、(11-50-8min/117℃)、(11-32-8min/119℃)、(11-20-8min/121℃)，其等效殺菌程度均為F0=20 min。

1.2.3 LF-NMR和MRI測定

水分子中氫質子的運動特征利用低場核磁共振分析儀來檢測，質子共振頻率(SF)為21 MHz，測量溫度為32 ℃。將處理完成的樣品吸干表面水分，放置于直徑40 mm的樣品管中，磁場強度0.5 T，測量溫度為32 ℃，每個樣品重復3次。

橫向弛豫時間T2采用CPMG序列進行測定。測試條件參數：采樣頻率[2]200 kHz，開始采樣時間(RFD)0.02 ms。90°脈沖時間(P1)12 μs，180°脈沖時間(P2)25 μs，重復間隔時間(TW)4 000 ms，回波個數(NECH)2 000，累計采樣次數(NS)8，模擬增益(RG1)20 dB，數字增益(DRG1)3 dB，最后在Multi Exp Inv Analysis軟件反演獲得T2圖譜，對各峰面積進行累計積分得到峰面積。其中，迭代次數為105次，弛豫時間的范圍為0.01～1 000 ms。

對樣品進行MRI成像分析，采用SE脈沖序列獲得樣品的T2加權成像。成像的主要參數設置：視野范圍(FOV)100 mm×100 mm，主頻21 MHz，90°射頻脈寬2.8%，180°射頻脈寬4.9%，重復時間1 200 ms，回波時間19 ms。設定層數1，選層寬度5 mm，選層厚度2 mm。獲取魚肉樣品的剖面信息，質子密度圖經Horos Mac軟件處理，形成偽彩圖進行分析。

1.2.4 質構測定

使用質構分析儀對魚塊的質構進行測定。測定參數包括硬度、彈性、咀嚼性、回復性、黏聚性。測定參數：測定模式TPA，探頭型號P6，測前速率2.00 mm/s，測試速率1.00 mm/s，測后速率1.00 mm/s，壓力為5 N，壓縮深度30%，時間間隔5 s，壓縮2次，6個平行樣品，取平均值。

1.2.5 pH測定

參考GB 5009.237—2016方法，每50 mL蒸餾水中含有魚肉5 g，3個平行樣品，取pH平均值。

1.2.6 TBA測定

取凍干后的魚肉樣品10 g，研細，加50 mL 7.5%的三氯乙酸(含0.1% EDTA)，15 000 r/min勻漿30 s，再過濾。取5 mL濾液，加入5 mL 0.02 mol/L的TBA溶液，30 min沸水浴。取出后流水冷卻10 min。4 ℃、8 000 r/min離心10 min，取上清液。在532 nm處測定反應溶液的吸光度。

1.2.7 TVB-N測定

參照GB 5009.228—2016方法測定TVB-N。

1.2.8 色度測定

使用測色儀測定加工處理前后的魚塊樣品，通過測定CIE模型的亮度(L*)、紅綠值(a*)及黃藍值(b*)進行色澤分析，3個平行樣品。

1.2.9 SEM測定

參考Krystyna[11]的方法，將處理好的樣品用刀片切成邊長5 cm的正方體，在2.5%戊二醛溶液中固定24 h，用0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液清洗3次，再用30%、50%、70%、90%、100%乙醇逐級脫水，每次脫水20 min。將樣品進行冷凍干燥，噴金，通過掃描電鏡儀進行觀察。

1.2.10 商業無菌檢測

參照GB 4789.26—2013方法進行商業無菌檢測。

1.2.11 統計分析

2 結果與討論

2.1 T2弛豫時間分析

弛豫時間體現了魚肉樣品內部氫質子的狀態，與氫質子的自由度及其所受的束縛力相關，能直接反應水分子的分布情況。圖1顯示了T2弛豫時間分布情況，從圖1中可以看出，新鮮樣品、油炸后尚未殺菌的樣品以及不同殺菌時間的罐頭樣品，均出現了3個弛豫峰，殺菌后的4組樣品相比油炸后的樣品，T22弛豫時間均下降，說明高溫殺菌會增加肌原纖維對不易流動水的束縛力，原因可能是熱殺菌使凝膠體系中蛋白質的超微結構和剪切模量改變，外水化層的水分子部分移動被限制[12]。4組殺菌條件中，弛豫時間的峰值T2隨著殺菌溫度的升高略有降低，但變化并不顯著(P>0.05)，說明在相同F下，殺菌溫度和時間對水的束縛力的影響較小。

T21,結合水；T22,不可移動水；T23,自由水圖1 不同熱殺菌條件下鲅魚的T2弛豫圖譜Fig.1 Spin-spin relaxation spectra (T2) of mackerel sterilized at different conditions

不同的殺菌條件結合水比例變化并不顯著(P>0.05)。不易流動水的比例從89.50%顯著下降到86.74%(P<0.05)，而自由水從6.58%顯著上升至8.70%(P<0.05)。說明熱殺菌過程中，T22不易流動水可以向T23自由水轉化[13]，自由水含量升高。殺菌溫度由121 ℃降低到115 ℃時，At由602.22減小到563.66，變化顯著(P<0.05)，說明在相同的F下，殺菌時間越長，魚肉的持水率降低，水分含量越低，對魚塊肉質的影響越大。

2.2 MRI分析

從圖2可以發現，魚塊內部的水分分布并不均勻，可能鲅魚結構不均勻使得受熱不均導致，外部的凝膠結構相比內部更容易受到破壞，水分從邊緣開始流失。圖2(a)和圖2(d)相比，信號弱，亮度低，說明殺菌時間越長，水分向外遷移越多，不易流動水與自由水的總含量越低，魚肉的保水性越小。說明高溫短時殺菌有利于增加保水性，而保水性的高低可直接影響肉的品質[14]。

圖2 不同熱殺菌條件鲅魚的T2加權磁共振圖像Fig.2 T2 weighted magnetic resonance images of mackerel sterilized at different conditions

2.3 質構分析

由圖3(a)、(b)可知，殺菌溫度為115 ℃時的樣品硬度和咀嚼度最高。圖3(d)、(e)中119 ℃時樣品彈性和回復性達到最大值，黏聚性隨著殺菌溫度的升高逐漸升高，在121 ℃殺菌時達到最大。高溫加熱改變肌原纖維蛋白結構從而影響質構特性，在相同的F下，殺菌時間越長，過度加熱可能引起蛋白質的變性收縮，硬度和咀嚼度增大，彈性與回復性也隨之減小，這可能就是由于魚肉的保水性降低而導致。

(a) 硬度

2.4 理化指標分析

由圖4(a)可以看出，熱殺菌后魚肉的pH較油炸后均有顯著降低(P<0.05)。殺菌時間越長，pH越低。可能是在長時間的高溫條件下加熱，蛋白質發生不可逆變性，溶解度下降，容易發生水解[15]。隨著時間的延長，水解程度的加深，使得pH降低。脂肪在高溫下的水解與氧化對pH改變也有重要影響[16]。

(a) pH

(a) 11-80-8min/115℃

(a) 硬度

由圖4(b)可以看出，熱殺菌后魚肉的TBA值較油炸后均有顯著降低(P<0.01)。原因有兩種：一是TBA受到其他醛類、褐變產物和氨基酸等的干擾[17]，和氧化的蛋白質、核酸等物質反應生成類似的化合物，影響了吸光度的檢測[18]；另一個原因是丙二醛本身具有非常強的生物活性，能與氨基酸中的氨基及殘基反應，引起蛋白交聯，使得其含量降低[19]。F相同時，所有殺菌條件下的TBA值的變化并不顯著。

由圖4(c)可以看出，當121 ℃殺菌時，樣品的TVB-N值為49.13 mg/kg，而當115 ℃殺菌時，樣品TVB-N值顯著增大(P<0.01)。高溫高壓使蛋白質變性加劇，部分被破壞的氨基酸進一步轉化為堿性含氮物質[20]。結果表明，當F相同時，殺菌時間越長，蛋白質受破壞的程度越大，TVB-N值越高。

由圖4(d)可以看出，121 ℃ 殺菌的樣品L*顯著高于其他(P<0.05)，顏色更亮。115 ℃處理的a*顯著高于其他(P<0.05)，顏色更紅。121 ℃殺菌樣品顯著高于其他樣品的b*(P<0.05)，顏色更黃。相同的F下，殺菌時間越長，顏色越深。

2.5 掃描電鏡(SEM)分析

如圖5所示，在相同F下，4種肌纖維的微觀結構仍然存在較為明顯的差異。高溫短時能夠更好的保持魚肉的微觀結構，營養物質的流失減少。這與Krystyna觀察到蒸煮牛肉結締組織的結構變化與肌內膠原蛋白的溶解度和肉的結構特性的變化相一致[11]。

2.6 LF-NMR與熱殺菌品質特征的相關性分析

表1為LF-NMR與各品質特征的pearson相關系數，結果用r表示，r越接近1，表示兩者相關性越高。A22和質構中的硬度(r=0.924)，咀嚼度(r=0.934)及回復性(r=-0.842)顯著相關，和顏色中的L*(r=-0.950)，a*(r=0.856)及b*(r=-0.887)顯著相關。A23和硬度(r=-0.764)，咀嚼度(r=-0.743)及L*(r=0.768)均有顯著的相關性。At與咀嚼度(r=0.926)，硬度(r=0.910)顯著正相關，回復性(r=-0.841)呈現顯著負相關。A22、A23、At能夠很好地反映質構的變化規律。At、b*(r=-0.877)和L*(r=-0.938)表現顯著負相關，與a*(r=0.847)表現顯著正相關。其他理化指標與T21、T22、T23、A21的相關性不高。Steen等[21]認為橫向核磁共振弛豫法是測定鱈魚肉糜冷凍后質構變化和預測鱈魚肉餅最終質構質量的有效方法。結果表明，L*和硬度表現出了較高的相關性。

表1 在相同F下殺菌的鲅魚樣品的NMR弛豫參數與各理化指標的相關系數Tab.1 Correlation coefficients between NMR and physicochemical indexes of mackerel samples sterilized with the same F

2.7 PLSR建立L*和硬度的預測模型

表2為PLSR模型使用內部交叉驗證的參數。由PCR殘余方差模型得到L*模型的最佳因子數為3，硬度模型的最佳因子數為2。

表2 熱殺菌鲅魚L*和硬度的PLSR模型參數Tab.2 The parameters of PLSR models using the mackerel’s L* and hardness after sterilized

2.8 商業無菌檢測

所有實驗組樣品在37 ℃保溫箱中貯藏10 d未出現脹袋、漏袋現象；與對照組樣品的pH相差0.3(<0.5)為不顯著差異；感官檢驗未檢出有腐敗跡象；涂片鏡檢沒有微生物有明顯的增值現象。

綜上判斷，所有樣品均符合商業無菌要求。

3 結 論

鲅魚罐頭殺菌過程中，當F值不變時，殺菌時間延長，會降低魚肉的保水性，不易流動水向自由水轉化，總的峰面積逐漸減小，但結合水、不易流動水和自由水的束縛能力受殺菌溫度和時間的影響較小。殺菌時間越長，殺菌對魚肉的pH、TVB-N、TBA以及顏色的影響越大，肌纖維受到高溫破壞的程度越大。LF-NMR弛豫數據與鲅魚質構及顏色存在較為顯著的相關性，利用LF-NMR監測質構及顏色的指標，對評估肉類罐頭品質具有重要意義。