虾青素作为一种有效的功能性饲料添加剂,将其添加到蛋鸡的日粮中后,其所产鸡蛋与普通鸡蛋相比,在蛋黄颜色和哈夫单位等方面具有较大区别,得到明显改善[1],其抗氧化能力也得到较大提高[2]。但在贮藏过程中,高虾青素含量鸡蛋同普通鸡蛋一样,容易遭到微生物的侵染,发生腐败变质。涂膜保鲜可在鸡蛋的表面形成一层保护性薄膜,抑制鸡蛋的呼吸运动,抵御微生物的入侵,延缓水分的蒸发,从而延长鲜蛋保质期[3]。普鲁兰多糖是一种水溶性黏质多糖,具有良好的成膜性、阻气性、可塑性和黏性,易溶于水并且无毒无害,能够抑制食品中真菌的生长,因此被广泛的应用在农产品保鲜中[4-5]。李龙等[6]研究鸡蛋在贮藏过程中的新鲜度变化,构建鸡蛋的货架期预测模型。王晶[7]研究了壳聚糖及其复合涂膜对鸡蛋的保鲜效果。王杰等[8]研究了鲜切马铃薯在贮藏流通过程中品质的变化以及货架期的预测,所得模型可有效预测鲜切马铃薯在4～10 ℃的货架期。张利苹[9]研究了基于H2S的可视涂膜鸡蛋衰变动力学,并建立了货架期预测模型。为研究普鲁兰涂膜后的高虾青素含量鸡蛋的贮藏衰变情况,并为高虾青素含量鸡蛋的贮藏和销售提供参考,本试验以普鲁兰涂膜的虾青素鸡蛋为研究对象,分析测定了不同贮藏温度下鸡蛋各品质指标的变化情况,并通过数据拟合建立品质衰变动力学模型与货架期预测方程。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
虾青素鸡蛋采自天津五谷香农业发展有限公司,为40周龄蛋鸡饲喂含有商品虾青0.8 g/kg(有效虾青素含量为40 mg/kg)的日粮3周后产出的新鲜鸡蛋。普鲁兰多糖,中科鸿基生物技术有限公司。
1.2 仪器与设备
PL203/01电子分析天平,特勒-托利多仪器上海有限公司;游标卡尺,天津精密仪器厂;MP522型pH计,上海理达仪器;TU-1810紫外分光光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司。
1.3 实验方法
1.3.1 鸡蛋涂膜处理
用蒸馏水配制7%(质量分数)的普鲁兰多糖溶液,搅拌均匀后加入冰乙酸调节溶液pH至5.0～5.6,然后再加入2%(质量分数)的甘油,即可获得涂膜剂[10]。将鸡蛋完全浸入涂膜液中8 s,取出自然晾干后将其分别贮藏在15、25、35 ℃的环境中,定期进行指标的测定。
1.3.2 测定指标与方法
蛋重:用精度为0.001 g的天平测定鸡蛋质量;
哈夫单位:用游标卡尺(精度0.2 mm)测量鸡蛋的浓蛋白高度,鸡蛋的哈夫单位值计算如公式(1)所示[11]:
Hu=100lg(H+7.57-1.7W0.37)
(1)
式中:Hu为鸡蛋的哈夫单位值;H为浓蛋白高度,mm;W为鸡蛋质量,g。
气室直径:照蛋灯照射鸡蛋的钝端处,用游标卡尺测量鸡蛋钝端处的最大直径;
蛋清pH:用pH计测定鸡蛋在贮藏期间的蛋清pH值;
蛋黄系数:将鸡蛋内容物放止平整操作台,用游标卡尺测量鸡蛋的蛋黄高度(cm)和蛋黄直径(cm),计算如公式(2)所示:
蛋黄系数
(2)
浓蛋白比例[12]:用40目筛子过滤全部蛋清,未滤过的为浓蛋白,将浓蛋白进行称重。计算如公式(3)所示:
浓蛋白比例
(3)
虾青素含量的测定:参照张泳等[13]的方法。
1.4 动力学模型的建立与验证
1.4.1 鸡蛋各指标数据拟合分析
选用公式(4)和公式(5)所对应的零级反应方程和一级反应方程,将各品质指标所得的试验数据进行拟合,分析比较拟合方程的R2,根据R2的大小确定相关指标的最适拟合方程。
Yt=Y0-kt
(4)
Yt=Y0×exp(-kt)
(5)
式中:Yt为虾青素鸡蛋贮藏t d时的指标值;Y0为虾青素鸡蛋初始指标值;k为反应速率常数,t为贮藏时间,d。
1.4.2 品质衰变模型的确定
不同温度下的反应速率常数一般适用于Arrhenius方程式[公式(6)],因此采用此方程对反应速率常数k进行拟合后代入公式(4)和公式(5)就可以得到如公式(7)和公式(8)的品质变化预测模型。
(6)
式中:k为速率常数;A为指前因子;Ea为活化能,kJ/(mol·K);T为绝对温度,开尔文K;Rg为摩尔气体常数,8.314 G/(moL·K)。
(7)
(8)
1.4.3 货架期预测模型的建立
将各品质指标与哈夫单位进行皮尔逊分析,通过皮尔逊分析确定可替代哈夫单位指示虾青素鸡蛋新鲜度的关键指标,然后根据此指标在贮藏期间的变化来建立普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋的货架期预测模型。如公式(9)所示:
(9)
式中:SL代表货架期(shelf-life, SL)。
1.4.4 品质衰变动力学模型与货架期预测模型的验证
选用贮藏在20 ℃条件下的普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋进行品质衰变动力学模型与货期模型的验证。品质衰变动力学模型的验证采用平均绝对误差百分比,如公式(10)所示,货架期模型的验证采用相对误差,如公式(11)所示:
平均绝对误差
(10)
式中:n,试验次数;Qi,试验值;Pi,预测值。
相对误差
(11)
1.5 数据处理
用Excel进行数据整理及相关数据的拟合与计算,应用SPSS统计软件进行相关性分析,验证模型的合理性。
2 结果与分析
2.1 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的质量变化情况
由图1可知不同温度下普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋质量均随贮藏时间的延长而不断降低。在35 ℃的贮藏条件下,鸡蛋的质量从最初的55.03 g下降到贮藏末期第20天的46.73 g,下降了15.1%;在15 ℃的贮藏条件下,到贮藏末期第32天时,质量下降了14.2%;在25 ℃的贮藏条件下,贮藏末期第28天时,质量下降了14.9%。可见随着贮藏温度升高,鸡蛋质量减轻,与贮藏温度呈负相关。
图1 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的蛋重变化
Fig.1 Changes in egg weight of pullulan-coated eggs with high astaxanthin content
2.2 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的气室直径变化情况
由图2可知,35 ℃的贮藏条件下,鸡蛋的气室直径从18.88 mm增大到第20天的30.82 mm,增加了63.0%;在25 ℃的贮藏条件下,贮藏至第28天时鸡蛋的气室直径增加到29.79 mm,增加了57.80%;在15 ℃的贮藏条件下,贮藏至第32天时鸡蛋的气室直径增加到28.76 mm,增加了52.3%,这说明低温条件下,气室直径增大得更加缓慢。
图2 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的气室直径变化
Fig.2 Changes in air cell diameter of pullulan-coated eggs with high astaxanthin content
2.3 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的哈夫单位变化情况
由图3可知在整个贮藏过程中,不同温度下鸡蛋的哈夫单位均呈下降趋势。在35 ℃条件下贮藏的鸡蛋哈夫单位下降更加明显,从84.41下降到47.57,下降了44%;而在25、15 ℃条件下分别贮藏至28 d和32 d 时,哈夫单位值分别为53.71、59.53。说明鸡蛋在低温条件下贮藏,能够减缓哈夫单位的下降速度。
图3 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的哈夫单位变化
Fig.3 Changes in Haugh units of pullulan-coated eggs with high astaxanthin content
2.4 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的蛋黄系数变化情况
不同贮藏温度条件下,普鲁兰涂膜对虾青素鸡蛋蛋黄系数的影响见图4。随着贮藏时间的延长和温度的升高,鸡蛋的蛋黄系数逐渐下降。35 ℃的贮藏条件下,贮藏至第20天,蛋黄系数从0.45下降到了0.20,下降了56.5%;在25 ℃的贮藏条件下,贮藏至第28天时蛋黄系数下降到了0.26,下降了42.9%;15 ℃的贮藏条件下贮藏第32天,蛋黄系数下降到0.30,下降了33.8%。
图4 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的蛋黄系数变化
Fig.4 Changes in yolk coefficient of pullulan-coated eggs with high astaxanthin content
2.5 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的蛋清pH变化情况
由图5可知随着温度升高和贮藏时间延长,蛋清的pH值均逐渐上升。在15 ℃的贮藏条件下,蛋清的pH值从贮藏初期的7.69上升至第32天的8.98,上升了16.8%;在25 ℃的贮藏条件下,贮藏至第28天时蛋清的pH为9.08,与初始值相比上升了17.2%;35 ℃的贮藏条件下,贮藏至第20天时蛋清的pH为9.13,上升了18.3%。
图5 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的蛋清pH的变化
Fig.5 Changesin egg white pH of pullulan-coated eggs with high astaxanthin content
2.6 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的浓蛋白比例变化情况
图6为不同贮藏温度条件下普鲁兰涂膜对虾青素鸡蛋浓蛋白比例的影响。在35 ℃的贮藏条件下,贮藏至第20天时,虾青素鸡蛋浓蛋白比例为22.7%;25 ℃的贮藏条件下,贮藏至第28天时浓蛋白比例为26.5%;15 ℃的贮藏条件下,贮藏至第32天时浓蛋白比例为32.8%。
图6 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的浓蛋白比例变化
Fig.6 Change in concentrated protein ratio of pullulan-coated eggs with high astaxanthin content
2.7 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的虾青素含量变化情况
由图7可知不同温度下普鲁兰涂膜后鸡蛋中虾青素含量均随贮藏时间的延长而不断降低。在35 ℃的贮藏条件下,虾青素含量从最初的29.8 μg/g下降到贮藏末期第20天的21.1 μg/g,下降了29.2%;在15 ℃的贮藏条件下,到贮藏末期第32天时,虾青素含量下降了23.6%;在25 ℃的贮藏条件下,到贮藏末期第28天时,虾青素含量下降了26.7%。
图7 普鲁兰涂膜高虾青素含量鸡蛋的虾青素含量变化
Fig.7 Changes in astaxanthin content of pullulan-coated eggs with high astaxanthin content
2.8 品质衰变动力学模型的建立与验证
2.8.1 鸡蛋各指标数据拟合分析
将试验获得的各品质指标数据进行拟合,得到对应的零级和一级动力学回归速率常数k和决定系数R2。结果如表1所示。由表1中∑R2可知,虾青素鸡蛋质量的一级动力学模型优于零级动力学模型,气室直径、哈夫单位、蛋黄系数、蛋清pH、浓蛋白比例和虾青素含量的零级动力学模型优于一级动力学模型。
表1 零级和一级动力学回归速率常数k和决定系数R2
Table 1 Zero-order and first-order dynamic regression rate constant k and coefficient of determination R2
指标温度/℃零级一级速率常数KR2速率常数KR2151.063 90.977 10.070 70.975 2质量251.239 00.980 20.024 40.984 6351.729 00.985 70.034 00.986 8R2均值0.981 00.982 215-1.359 00.965 2-0.057 80.949 4气室直径25-1.545 70.951 8-0.064 00.925 535-2.289 10.976 2-0.094 20.967 2R2均值0.964 40.947 150.018 80.990 30.050 80.977 1蛋黄系数250.028 10.970 30.082 50.988 3350.048 40.970 30.155 50.951 9R2均值0.977 00.972 415-0.169 30.993 0-0.020 40.992 2蛋清pH25-0.194 90.987 5-0.023 20.982 935-0.263 40.973 9-0.031 30.966 5R2均值0.984 80.980 5150.751 30.957 70.021 10.951 5浓蛋白比例251.796 30.975 20.055 40.961 5353.130 90.923 10.102 40.889 6R2均值0.952 00.934 2150.881 70.991 70.033 60.983 9虾青素含量251.127 40.994 90.042 60.998 4351.697 10.995 80.067 00.989 6R2均值0.994 10.990 6
2.8.2 Arrhenius方程与品质衰变模型的确定
由于随机因素等影响,各指标在不同温度下拟合所得的初始值Y0具有一定差异,因此,本试验以各温度下所得的Y0值的平均值作为方程的最终值。各指标的速率常数k与温度之间的关系符合Arrhenius方程,因此采用Arrhenius方程对反应速率常数k进行拟合,拟合参数如表2所示。表2中决定系数R2值均在0.95以上,可见速率常数k对Arrhenius方程的拟合精度较高,由表2中参数得到各指标的衰变动力学方程,具体方程见表3。
表2 k值的Arrhenius公式参数
Table 2 Arrhenius formula parameters for k values
指标模型类别Y0均值A/[mL·(kg·h)-1]Ea/(kJ·mol-1)R2气室直径零级18.881.20×10421 674.600.977 0蛋黄系数零级0.451.15×10539 308.580.992 6蛋清pH零级7.71.81×10431 593.200.958 0浓蛋白比例零级38.347.93×10530 504.070.983 9虾青素含量零级29.82.85×10528 142.890.979 7质量一级55.010.30×10429 589.530.963 5
表3 品质衰变动力学方程
Table 3 Quality decay dynamic equation
指标模型类别方程气室直径零级Y=18.88+[1.2×104×exp(-2 607/T)]×t蛋黄系数零级Y=0.45+[1.15×105×exp(-4 728/T)]×t蛋清pH零级Y=7.7+[1.81×104×exp(-3 803.42/T)]×t浓蛋白比例零级Y=38.34-[7.93×105×exp(-3 669/T)]×t虾青素含量零级Y=29.8-[2.85×104×exp(-3 385/T)]×t质量一级Y=55.0×exp[-0.3×104×exp(-3 559/T)]×t
2.8.3 品质衰变动力学模型的验证
采用模型建立温度区间内的20 ℃(293.15 K)贮藏条件,对各方程的预测值与普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋的各指标实测值进行比较。比较结果如表4所示。由表4可知,各动力学模型的平均绝对误差百分比均在5%以下,说明各动力学方程的实际预测精度较高。
表4 动力学方程的平均绝对误差 单位:%
Table 4 Mean absolute error of kinetic equation
气室直径蛋黄系数蛋清pH浓蛋白比例质量虾青素含量2.34.91.91.41.54.8
2.8.4 货架期模型的建立
目前国际上常用哈夫单位值作为检验蛋品新鲜度的指标,其大小与鸡蛋质量和蛋白高度有关,表征蛋白质量的好坏[14]。高虾青素鸡蛋对虾青素进行了强化,因此重点建立以虾青素含量为关键因子的货架期预测模型,对虾青素含量、蛋黄系数、蛋清pH等指标分别与哈夫单位进行了相关性分析。由表5可知,虾青素含量与哈夫单位的相关系数为0.976,稍低于蛋清pH值,但高于其他各指标,因此可以选用虾青素含量为指标来预测鸡蛋的货架期。
表5 各指标与哈夫单位的相关性分析
Table 5 Correlation analysis between each index and Hough unit
指标15 ℃25 ℃35 ℃均值气室直径0.928**-0.972**-0.966**-0.955**蛋黄系数0.981**0.981**0.966**0.976**蛋清pH值-0.962**-0.989**-0.980**-0.977**浓蛋白比例0.963**0.977**0.986**0.976**虾青素含量0.969**0.973**0.985**0.976**质量0.960**0.987**0.978**0.975**
注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关
将表5中虾青素含量的零级动力学模型方程代入公式(9)即可得到如公式(12)所示货架期预测模型:
(12)
式中:Y0为各温度下虾青素涂膜鸡蛋货架期终点时所对应的虾青素含量。
结合实际感官品质变化,测得不同温度下鸡蛋货架期终点的哈夫单位值,结果如表6所示,并以此哈夫单位值确定出鸡蛋架期终点时的虾青素含量,将虾青素含量均值代入公式(12)获得最终货架期方程。
表6 货架期终点虾青素含量
Table 6 Astaxanthin content at end of shelf life
指标15 ℃25 ℃35 ℃均值 哈夫单位59.5053.7147.5753.59虾青素含量/(μg·g-1)22.72222.122.3
2.8.5 货架期模型的验证
新选定建立模型所在温度范围内的20 ℃贮藏条件作为验证条件,测定鸡蛋的实际货架品质对获得的货架期方程进行验证,表7为货架期方程的预测值与实际测试值的对比情况。相对误差为6.8%,小于10%,说明该方程预测精度较高,可用于普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋的货架期预测。
表7 货架期方程的相对误差
Table 7 Relative error of shelf life equation
温度/℃预测值/d实测值/d相对误差/% 2027.97306.8
3 讨论
贮藏过程中蛋重的变化与鸡蛋水分的散失有关,贮藏时间越长,温度越高,水分蒸发的越多从而鸡蛋质量就越小[15]。不同温度下普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋质量均随贮藏时间的延长而不断降低,且温度越高质量下降越快,此结果与薛艳蓉等[16]得出的质量指标随着贮藏时间的延长而逐渐下降结果一致。随着贮藏时间延长,鸡蛋内水分会通过蛋壳的气孔蒸发,导致气室不断增大。低温条件下,气室直径增大得到延缓,这与饶珏睿等[17]的研究结果一致。哈夫单位随着贮藏温度的升高和时间的延长逐渐降低,下降速度与贮藏温度和时间呈正相关。李龙等[6]通过对贮藏在4、10、16、37 ℃条件下鸡蛋(伊莎褐壳蛋鸡)的品质变化规律进行研究,结果发现鸡蛋的哈氏单位下降速度为37 ℃>16 ℃>10 ℃>4 ℃,与本试验结果一致。高含量虾青素鸡蛋的蛋黄系数随贮藏时间延长和温度的升高而逐渐下降,这主要是因为随着时间延长和温度升高,蛋黄膜的强度变弱,蛋黄形状变得更加扁平,蛋黄系数因而降低[18]。
在不同的贮藏温度(15、25、35 ℃)条件下,鸡蛋的蛋清pH值也随着贮藏时间的延长而上升。吉小凤等[19]对鲜鸡蛋在贮藏过程中蛋清pH与贮藏温度的关系进行了研究,与本试验结果一致。鸡蛋的蛋白包括浓蛋白与稀蛋白2种,浓蛋白比例越高且蛋白的浓度越高,蛋白的品质就越高,鸡蛋的新鲜度则越高[20]。唐丽媛等[21]研究了不同贮藏温度对洁蛋浓蛋白比例的影响,试验结果表明贮藏温度越高,浓蛋白比例的下降速率越快,与本试验研究结果一致。随着贮藏温度升高,鸡蛋虾青素含量降低速率越快,与贮藏温度呈负相关。孔庆龙等[22]研究了雨生红球藻微囊粉中虾青素在软糖产品中的稳定性,结果表明高温对虾青素含量的影响最大,温度越高虾青素保留量越少,与本试验结果一致。
影响鸡蛋货架期的主要因素有温度、运输中的振动及微生物的侵染等[23]。本试验对涂膜高虾青素含量鸡蛋的哈夫单位、气室直径与虾青素含量等指标建立动力学模型,选取与哈夫单位相关性最强的蛋清pH指标构建涂膜高虾青素含量鸡蛋的货架期模型。NEMATINIA等[24]通过计算机视觉系统来评估贮藏期间的鸡蛋新鲜度,并选出最佳的预测方法。刘钰等[25]以不同涂膜方式的鸡蛋为研究对象,测定鸡蛋失重率、蛋黄指数等品质指标的变化规律,建立动力学模型。
4 结论
随着贮藏时间的延长,涂膜高虾青素含量鸡蛋的质量、哈夫单位、蛋黄系数、浓蛋白比例和虾青素含量不断降低,气室直径和蛋清pH不断升高,温度对于普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋的品质劣变具有促进作用。结合化学反应动力学方程与Arrhenius方程,获得各指标的品质衰变预测方程,经验证各动力学方程的平均绝对误差百分比均在5%以下,实际预测精度较高。虾青素含量与哈夫单位的相关性较强,相关系数为0.976,可以采用虾青素含量为标准建立普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋的货架期预测模型。经过验证,模型的相对误差低于10%,该模型可以很好地预测普鲁兰涂膜虾青素鸡蛋在15～35 ℃的货架期。
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