接觸脫水膜干燥對南美白對蝦干復水特性的影響

范麗莉，李亞敏，湯海青，歐昌榮,

（1.寧波大學食品與藥學學院，浙江 寧波 315201；2.浙江醫藥高等專科學校食品學院，浙江 寧波 310053）

南美白對蝦（Penaeus vannamei）肉質鮮美、口感細膩，富含不飽和脂肪酸、蛋白質、礦物質和維生素等多種營養物質，深受廣大消費者的喜愛[1-2]。南美白對蝦是當今世界養殖產量較高的三大蝦類之一，自20世紀90年代初被我國引進養殖以來產量不斷增加，2019年我國南美白對蝦海水養殖產量達到114萬 t[3-4]。南美白對蝦自身水分和蛋白質含量較高，肌肉組織比較松軟，常溫下易腐敗變質，貯藏時間短[5]。目前南美白對蝦除鮮食、凍藏外，通常將其加工成蝦干這一特色產品。傳統干燥方法雖然能賦予蝦干特定風味，但存在產品硬度過高、復水性差、難以咀嚼、口感差、消費者接受度低的缺點，尋找能改善蝦干復水特性從而提高其食用品質的干燥方法對產業的發展具有重要的現實意義[6-7]。

接觸脫水膜（contact dehydrating sheet，CDS）是由Numamoto等[8]發明的一種用適合于高蛋白食品的新型干燥方法，每個CDS單元由透水膜、高滲透劑和強吸水性物質組成。在干燥過程中，CDS與食品基質滲透壓差驅動水分向CDS遷移實現脫水。CDS干燥有別于傳統的干燥方法，它可以在低溫貯藏過程中將高蛋白物料的水分脫除，條件溫和，可以很好地維持蛋白質結構，使產品有更好的復水性能，保持產品較好的品質及感官特性。隨著科技的發展，各種具有選擇性透水功能的膜材料的成本越來越低[9]，吸水性能較好、價格低廉的高分子吸水性物質也不斷被開發出來，使得CDS技術成為一種有應用前景的高蛋白食品的干燥方法[10]。有研究表明，利用CDS包裝牛肉和金槍魚，CDS包裝可以減緩肌紅蛋白和脂肪的氧化，有效保持牛肉和金槍魚的鮮味，從而延長食品的保存時間，提高食品的食用價值[11-12]。Yoshikos等[13]采用CDS技術對油炸食品進行干燥，發現CDS干燥既可以延緩食品的變質，又能顯著提高其口感。Arakawa等[14]研究了CDS脫水對牛肉和金槍魚品質的影響，發現CDS脫水不會將礦物質等成分除去，有利于營養物質的保持。本課題組前期研究結果表明CDS脫水的對蝦復水后的感官特性等指標更加接近鮮蝦[15]，但蝦干復水特性及復水后水分分布狀態和蛋白質結構變化鮮見報道。

為此，本研究采用CDS脫水至不同水分質量分數南美白對蝦干的蛋白質結構、復水特性及相互關系，旨在為CDS冷脫水技術應用于南美白對蝦及其他高值水產品的干制提供理論依據和指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

南美白對蝦（35 尾/500 g）購自寧波水產市場，4 ℃冰袋活體1 h內運至實驗室。對蝦處于低溫昏迷狀態時置于自來水中清洗干凈，去除蝦頭及蝦殼得到蝦仁，瀝干水分備用（水分質量分數為75%）。

玻璃紙 橫望山農業科技有限公司；高分子吸水樹脂 海市復納新材料科技有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；H1850冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；MB27水分測定儀 常州奧豪斯儀器有限公司；MesoMR23-060H.I核磁共振分析及成像系統上海紐邁電子科技有限公司；InVia-reflex型激光共聚焦拉曼光譜儀 英國REN-ISHAW公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

CDS脫水：如圖1所示，將混合后的高分子樹脂、長絨棉和甘油均勻分散在允許水選擇性透過的兩層玻璃紙之間。高分子樹脂具有吸收與儲存大量水分的作用，長絨棉使甘油與高分子樹脂均勻穩定地分散于兩層玻璃紙之間[8]，甘油可以作為媒介傳遞水分子。高分子吸水樹脂、長絨棉、甘油的添加量分別為200、48、40 g/m2。用CDS包裹蝦仁后在4 ℃下貯藏脫水。參考文獻[15]的方法確定脫水曲線，當蝦仁水分質量分數分別為60%、45%、30%時取樣（分別記為CDS-60%、CDS-45%、CDS-60%），測定表面疏水性及拉曼光譜等表征蛋白質結構的指標，復水過程中測定復原率、持水力及水分狀態分布等復水指標。

圖1 CDS干燥及其橫截面示意圖Fig. 1 Schematic illustration of CDS drying and cross-sectional diagram of CDS

熱風干燥（hot air drying，HAD）[16]：將蝦仁單層均勻平鋪于篩網上，放置在50 ℃的恒溫鼓風干燥箱內進行干燥，風速為2.1 m/s，參考脫水曲線，當蝦仁脫水至水分質量分數分別為60%、45%、30%時（分別記為HAD-60%、HAD-45%、HAD-30%）取樣，測定相關指標。

1.3.2 水分質量分數測定

水分質量分數的測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》干燥法，用水分測定儀測定。精確稱取2 g絞碎的蝦肉均勻分布于鋁盒中，放下儀器罩，選用自動模式，溫度設置105 ℃，測定樣品的水分質量分數。

1.3.3 復原率測定

常溫下將蝦干放入蒸餾水中復水，分別于0、20、40、60、80、100、120、140、160、180 min取樣，用吸水紙吸去表面水分，測定其質量。按式（1）計算復原率[17]。

式中：mg為鮮蝦的質量/g；mr為蝦干復水后的質量/g。

1.3.4 持水力測定

蝦干復水后持水力測定參考Kocher等[18]的方法并有所改動。將復水后的蝦干表面水分用吸水紙除去，稱質量后，用濾紙包裹放入離心管，在4 ℃條件下12 000×g離心20 min，記錄復水蝦仁的質量。每組樣品測定3 次。按式（2）計算樣品的持水力。

式中：mL為蝦干離心后的質量/g；mr為蝦干復水后的質量/g。

1.3.5 低場核磁共振測定水分狀態分布

沿肌纖維方向將對蝦分割成2 cm×1 cm×1 cm（質量約為5.0 g）的肉樣，置于60 mm探頭線圈中進行檢測，采用核磁共振分析軟件中的Carr-Purcell-Meiboom-Gill脈沖序列[19]采集樣品“自旋-自旋”弛豫時間T2的信號。質子共振頻率為23.318 MHz，磁體強度0.52 T，線圈直徑為60 mm，磁體溫度為32 ℃。T2測試參數：90°脈沖寬度P1＝20 μs，180°脈沖寬度P2＝36 μs，接收機譜寬100 kHz，重復時間為3 000 ms，回波時間為0.4 ms，模擬增益為20，數字增益為3，循環次數為4，回波個數為2 000。每個測試3 個重復。采用迭代法將采集到的T衰減曲線代入弛豫模型中進行Bi-指數擬合并反演，反演結果做歸一化處理。

1.3.6 表面疏水性指數的測定

參考Benjakul等[20]的方法并稍作修改。肌動球蛋白溶液用10 mmol/L磷酸緩沖液（含0.6 mol/L的KC1，pH 7.0）稀釋至一定質量濃度（0～1 mg/mL），分別取2 mL上述溶液，加入10 μL 8 mmol/L的8-苯胺基-1-萘磺酸鹽（8-anilino-1-naphthalene sulfonate，ANS），混合均勻后于暗處放置10 min，在酶標儀的熒光掃描模式上測定熒光強度（激發波長為390 nm，發射波長為468 nm）。以熒光強度對肌動球蛋白質量濃度作曲線，曲線初始階段斜率即為樣品的表面疏水性指數。

1.3.7 拉曼光譜分析

取對蝦腹部前兩節切成1 cm×1 cm×0.1 cm的長方體置于載玻片上，用20 倍長聚焦鏡頭將激光聚焦于載玻片上的樣品在室溫下測定。參數設置：785 nm的Innova 70氬離子激光器，功率為200 mW，分辨率為1 cm－1，掃描范圍為500～3 500 cm－1，每個樣品掃描30 次，獲取400～3 500 cm－1處的拉曼光譜，用Labspec軟件對光譜進行基線校正去除熒光背景，并以苯丙氨酸（1 003 cm－1）作為內標進行歸一化處理。用高斯函數和洛倫茨函數對不同處理的譜帶進行擬合分峰。

1.4 數據處理與分析

實驗數據使用Excel軟件進行處理，采用Origin 8.5軟件進行繪圖，采用SAS 8.0軟件進行單因素方差分析，采用Duncan多重比較進行差異顯著性檢驗，其中P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 兩種干燥方法對南美白對蝦干復原率的影響

復原率反映了干燥方法對食品理化性質的影響，是評價干燥食品品質的指標之一，復原率越大，產品質量越好[17]。如圖2所示，隨著復水時間的延長，蝦干復原率都呈上升趨勢，CDS脫水的蝦干復原率、復原速率均高于相同水分質量分數的HAD脫水組。復水180 min后，CDS脫水組水分質量分數為30%的蝦干復原率為85.22%，明顯高于HAD脫水組（62.55%）。HAD脫水由于高溫導致蛋白質表面的親水基團遭到破壞，組織結構致密，復水時水分較難滲入，導致復原率和復原速率小于CDS脫水組[21]。CDS冷脫水條件溫和，制備的蝦干蛋白質熱變性較小、肌纖維損壞程度較低，能夠保持蝦肉的多孔組織結構完整，有較高的復原率。與HAD脫水相比，CDS脫水在低溫下進行，減緩了體積皺縮和蛋白質結構的變化程度，對蝦原有的結構破壞較小，使復水后的蝦干品質與鮮蝦較為接近。

圖2 CDS干燥和HAD對不同水分質量分數南美白對蝦干復原率的影響Fig. 2 Effects of CDS drying and HAD on rehydration ratio of Penaeus vannamei dehydrated to different moisture contents

2.2 兩種干燥方法對南美白對蝦干復水后持水力的影響

持水力是指在一定的外力作用下，樣品束縛自身或外加水分的能力，是評價水產品品質的重要指標之一[22]。如圖3所示，采用CDS脫水和HAD干燥至不同水分含量狀態的蝦干，其水分質量分數越小，復水后保持水分的能力越低。水分質量分數相同時，CDS脫水蝦干復水后持水力均高于HAD處理組，當蝦干水分質量分數為30%時，復水結束后CDS組的持水力為69.17%，顯著高于HAD組（65.73%）。CDS脫水條件溫和，蝦干的蛋白質結構破壞較小，肌原纖維原有的網狀結構得到保持，使得對蝦具有較好的持水能力[23]。HAD脫水的對蝦持續加熱使活性氧的含量增大，抑制了線粒體鈣泵活性，使得乳酸含量增加，導致蛋白質變性，蝦肉結合水的能力下降[24]。

圖3 CDS干燥和HAD制備的不同水分質量分數南美白對蝦干復水180 min后持水力的變化Fig. 3 Changes in water-holding capacity of Penaeus vannamei dehydrated to different moisture contents by CDS drying and HAD after rehydration for 180 min

CDS脫水至不同水分質量分數蝦干復水后的理化指標均接近鮮蝦，為進一步研究蝦干復水過程中內部結構的變化，本研究利用低場核磁共振和拉曼光譜技術分析水分質量分數30%的蝦干復水后水的分布狀態及蛋白質結構的變化。

2.3 兩種干燥方法對南美白對蝦干復水過程中水分狀態分布的影響

弛豫時間（T2）主要由分子內部偶極-偶極相互作用引起的，它反映了蝦干制品中水分子的流動性，T2值越大，說明水分流動性越大。應用T2擬合軟件分析可得自由水、不易流動水和結合水的相對含量[25-26]。圖4是經兩種干燥方法脫水的蝦干復水過程中低場核磁共振的T2分析圖譜，產生的3 個峰代表不同的水分狀態，即結合水T21（0.01～1 ms）、不易流動水T22（1～100 ms）和自由水T23（＞100 ms）。同種干燥方式復水過程中對蝦干的T2弛豫圖譜向長弛豫時間方向移動，表明隨著復水時間的延長，T2逐漸右移。復水90 min時，與HAD脫水蝦干T2相比，CDS蝦干的T2更接近鮮蝦，表明CDS脫水的蝦干復水能力較強，可能是CDS脫水是在低溫下進行的，條件溫和，蝦干組織內部結構破壞較小，有利于水分的吸收和保持[27]。

圖4 CDS干燥（A）和HAD（B）制備水分質量分數30%的南美白對蝦干在不同復水時間的T2弛豫圖譜Fig. 4 Transverse relaxation time (T2) spectra of Penaeus vannamei dehydrated to 30% moisture content by CDS drying (A) and HAD (B) at different rehydration times

根據圖4計算兩種干燥方法處理的蝦干復水過程中結合水、不易流動水、自由水的峰面積占總峰面積的相對比例（即A21、A22、A23），結果如圖5所示。不易流動水的峰面積顯著高于其他兩種形式的水分，不易流動水是對蝦主要水分狀態的存在形式。結合水比例逐漸降低、自由水比例基本無變化，表明水分逐漸進入對蝦體內，并與對蝦細胞組織結合存留在南美白對蝦體內。在復水終點，CDS脫水對蝦的結合水比例為4.23%，不易流動水比例為94.49%，自由水比例為1.28%；在復水終點，HAD脫水對蝦的結合水比例為7.81%，不易流動水比例為90.56%，自由水比例為1.63%；鮮蝦的結合水比例為3.68%，不易流動水比例為95.84%，自由水比例為0.48%。由此推斷，CDS脫水對蝦復水后的蝦干比HAD處理組更接近鮮蝦，CDS脫水組蝦干的復水能力大于HAD脫水組。其主要原因是蛋白質二級結構的致密性明顯高于HAD脫水組，氨基酸殘基的暴露程度較低，使水分有較充足的結合位點[28]。另外，CDS脫水后的蝦干肌肉組織結構仍具有網狀結構，使其具有保存水分的空間，從而提高保持水分的能力。

圖5 CDS干燥和HAD制備水分質量分數為30%的南美白對蝦干在不同復水時間的水分狀態相對含量Fig. 5 Proportions of three water states in Penaeus vannamei dehydrated to moisture content of 30% by CDS drying and HAD at different rehydration times

2.4 兩種干燥方法對南美白對蝦干蛋白表面疏水性的影響

蛋白質表面疏水性表征蛋白質分子內部疏水基團的暴露程度，可用來評價蛋白質的變性情況[29]。表面疏水性指數可以反映表面疏水性的大小。由圖6可知，CDS脫水程度越高，蝦干表面疏水性越大，說明在脫水過程中，肌動球蛋白的空間結構發生變化，親水基團和疏水基團的相對位置發生變化，疏水性氨基酸殘基逐漸暴露于蛋白質分子表面，使肌動球蛋白的表面疏水性增加[30]。經HAD脫水至不同水分質量分數的蝦干，隨脫水程度增加，表面疏水性先升高后下降。由于高溫導致蛋白質的構象發生變化，內部疏水性殘基暴露，使得蛋白質表面疏水性增大。持續高溫使蛋白質發生聚集和側鏈間的反應，少量疏水性殘基包埋于肌動球蛋白內部，蛋白質進一步變性，表面疏水性變小[31]。這與CDS脫水的蝦干復原率高于HAD脫水蝦干的結果相對應。

圖6 CDS干燥和HAD制備的不同水分質量分數南美白對蝦干肌動球蛋白表面疏水性指數的變化Fig. 6 Changes in surface hydrophobicity of actomyosin in Penaeus vannamei muscle dehydrated to different moisture contents by CDS drying and HAD

2.5 兩種干燥方法的南美白對蝦干肌原纖維蛋白拉曼光譜分析結果

通過比對蛋白質拉曼光譜特征峰位置、強度以及峰面積信息，可以解釋不同干燥方法對南美白對蝦干蛋白結構變化的具體影響。參考文獻[32]對肽鍵骨架振動和氨基酸側鏈光譜條帶進行分析。

拉曼光譜在1 600～1 700 cm－1附近出現的譜帶為酰胺I帶，它與蛋白質骨架構象類型相關，主要涉及C－N的伸縮振動、C＝O的面內伸縮振動及N－H的面內彎曲振動等，常用來估算蛋白質的二級結構相對含量[33-34]。由圖7可知，兩種干燥方式的對蝦與鮮蝦相比酰胺I帶都向高波數偏移，水分質量分數相同時，相較于鮮蝦（1 654.15 cm－1）的偏移程度，HAD組的偏移程度大于CDS組。由圖8可知，隨脫水程度增加，兩種方法干燥的對蝦α-螺旋相對含量都呈下降趨勢。與鮮蝦相比，脫水至不同水分質量分數蝦干的β-折疊、β-轉角和無規卷曲含量都發生了相應的變化，表明在干燥過程中多肽鏈發生了重排。在干燥過程中，CDS脫水的α-螺旋相對含量一直高于相同水分質量分數HAD脫水組，是因為CDS脫水是在低溫下進行的，可以減弱因高溫造成的肽鏈內的氫鍵斷裂、肽鏈解旋以及轉變為松散的β-轉角或無規卷曲結構。南美白對蝦蛋白的二級結構一旦發生較大變化，其持水力也會發生相應的改變，這與圖3中CDS脫水蝦干的持水力大于HAD脫水組的結果相吻合，與高瑞昌等[35]研究的凡納濱對蝦肌肉蛋白質的熱變性與持水力的變化結果相似。

圖7 CDS干燥和HAD制備的不同水分質量分數南美白對蝦干肌原纖維蛋白的拉曼光譜Fig. 7 Raman spectra of myofibrillar protein of Penaeus vannamei dehydrated to different moisture contents by CDS drying and HAD

圖8 CDS干燥和HAD制備的不同水分質量分數南美白對蝦干蛋白質酰胺I帶二級結構的相對含量Fig. 8 Relative contents of secondary structure fractions estimated from amide I band of proteins in Penaeus vannamei muscle dehydrated to different moisture contents by CDS drying and HAD

拉曼光譜中二硫鍵的特征波數為500～550 cm－1，它與分子內部和分子間的巰基和二硫鍵相互轉化有關[36]。如表1所示，隨著水分質量分數的降低，I510、I525、I545呈顯著降低的趨勢（P＜0.05）。水分質量分數相同時，CDS脫水蝦干的I510、I525、I545、I936均高于HAD組，水分質量分數為30%時，HAD脫水的蝦干在510 、525、545 cm－1處的吸收峰幾乎消失，可能是干燥過程中蛋白質二級結構逐漸松散，導致支撐三級結構的二硫鍵斷裂，進而造成二硫鍵伸縮振動的相對強度降低[37]。在干燥過程中，CDS脫水是在低溫下進行的，減弱了高溫導致的蛋白質結構變性。

表1 CDS干燥和HAD制備的不同水分質量分數南美白對蝦干蛋白拉曼光譜的相對強度變化Table1 Changes in normalized intensity of Raman spectra of Penaeus vannamei muscle dehydrated to different moisture contents by CDS drying and HAD

拉曼光譜中760 cm－1附近的譜帶表征色氨酸殘基的微環境，I760下降反映了色氨酸殘基從包埋的疏水環境暴露在極性環境中[38]。如圖9A所示，干燥能引起I760下降，與水分質量分數為75%的新鮮南美白對蝦（1.11）相比，CDS-30%組I760降低至0.45，HAD-30%組則降低至0.14。水分質量分數相同時，CDS脫水組I760均高于HAD脫水組。說明兩種干燥方式均會導致色氨酸殘基由包埋于蛋白質結構內部逐漸“暴露”到極性環境中；水分質量分數越低對蝦蛋白質暴露的程度越高；CDS脫水組的色氨酸殘基在極性環境中暴露程度低于HAD脫水組。

830、850 cm－1附近的費米共振雙峰反映了酪氨酸殘基對位取代苯的振動[39]。I850/I830反映酪氨酸殘基的暴露與包埋情況，是監測酪氨酸殘基微環境的有效探針。如圖9B所示，新鮮對蝦的I850/I830為0.97，表明其肌動球蛋白中維持原先穩定結構的氫鍵斷裂，酪氨酸部分包埋在疏水環境中或作為中度弱氫鍵的受體和供體與溶劑水分子相互作用。隨著水分質量分數的降低，兩種干燥方法的I850/I830呈上升趨勢，表明酪氨酸殘基逐漸暴露于極性環境中，蛋白質的表面疏水性增加。水分質量分數相同時，HAD脫水組蝦干的I850/I830高于CDS脫水組，表明CDS脫水的樣品酪氨酸殘基暴露程度較低，與水分結合的能力較高，持水力較好。

圖9 CDS干燥和HAD制備的不同水分質量分數南美白對蝦干蛋白質拉曼光譜相對強度的變化Fig. 9 Changes in relative Raman spectral intensity of proteins in Penaeus vannamei dehydrated to different moisture contents by CDS drying and HAD

936 cm－1附近的譜帶強度主要來自于C－C骨架振動，也是α-螺旋結構的特征譜帶。譜帶的減弱或消失說明α-螺旋轉化成β-折疊或者無規卷曲結構[40]。由表1可知，兩種干燥方法的蝦干水分質量分數越低，I936越小。在干燥過程中，CDS脫水組的I936均高于HAD組。表明與HAD脫水相比，CDS脫水的對蝦α-螺旋結構能得到保持，HAD組的α-螺旋結構被破壞并轉化為β-折疊或者無規卷曲的程度更大。高溫會觸發肽段發生構象重排運動，新的分子構象以“錯誤”的方式折疊，使蛋白質的二級結構發生根本改變，導致其功能特性減弱。

3 結 論

與熱風干燥法相比，CDS脫水避免了加熱導致的蛋白質結構變性，使蝦干有更好的復原率和持水力。雖然CDS脫水所需時間比熱風干燥長，但它利用滲透壓的作用，在低溫貯藏過程中完成對水產品的脫水，處理條件溫和，在干燥過程中對蛋白質結構和功能損傷較小，因而得到的產品具有更好的復水能力，從而避免了傳統蝦干復水性能差，復水后產品過硬，難以咀嚼的缺點，更易被消費者接受。因此，CDS是一種理想的新型冷脫水技術，在高值水產干制品的制備方面具有良好的應用前景。