鱼糜是一种可以用于制作鱼丸、鱼糕、鱼肠等制品的中间食品原料,通常由反复漂洗的鱼肉制成。其蛋白质含量高,脂肪含量低,因此,除了独特的口感外,鱼糜食品也有益于人体健康,是一种极具发展前景的水产制品[1]。草鱼是我国已经广泛养殖的淡水鱼种之一[2],因其肉质肥美、富含蛋白质和不饱和脂肪酸等优点而被人们所喜爱,已经成为淡水鱼加工的主要来源。
目前,鱼糜主要通过冷冻的方式来贮运[3],其中的肌原纤维蛋白在冷冻贮藏过程中由于冰晶的形成容易发生变性,导致凝胶网络结构遭到破坏,降低食品品质和商业价值。为解决冷冻鱼糜蛋白变性问题,目前研究主要集中于添加抗冻剂方面,常用的抗冻剂主要是糖类[4]、复合磷酸盐[5]和蛋白质水解物[6]。糖作为冷冻保护剂价格便宜,但会增加甜味和热量,并且不适合糖尿病人等特殊人群;过度摄入复合磷酸盐会影响钙的吸收;蛋白质水解物则成本过高。因此,有必要探讨鱼糜干燥制粉的贮运方式,鱼糜粉通过复水后重新制成鱼糜,以有效降低鱼糜加工行业的成本。此外,消费者也可以根据自身的喜好通过鱼糜粉复水量的多少来调控质构,尤其适合老年及婴幼儿人群。
干燥是一种通过降低水分活度抑制微生物增殖、延长水产品保质期的有效方法。真空冰温干燥是一种使物料温度维持在0 ℃到食品冰点之间的干燥方式[7],在此温度区间内,水产品组织细胞可以保持活性,同时有效抑制有害微生物的活动及各种酶活性,保持食品新鲜度[8],能够避免热风干燥引起的食品营养成分损失、组织硬化、蛋白变性等问题[9]。真空冷冻干燥在食品干燥中有广泛的应用,干制品品质较好,但是由于其干燥时间长、耗能高、增加了生产成本。邓祎等[10]研究了4种风干工艺对武昌鱼鱼肉品质的影响,结果发现,热风干燥处理的武昌鱼硬度最大,热风联合冷风干燥处理更有利于鱼肉口感的保留。
目前,关于真空冰温干燥的研究主要集中在苹果、草莓、草菇等果蔬类食品以及少量水产品上[11],关于真空冰温干燥鱼糜粉的研究未见报道。本研究以热风干燥和真空冷冻干燥为对照,探讨真空冰温干燥对鱼糜粉凝胶品质的影响,旨在为鱼糜粉的冰温干制提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
草鱼,上海临港光明邻里超市;食盐,上海临港卜蜂莲花超市。
1.2 仪器与设备
DHG-9053A电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;Minifast-04真空冷冻干燥机,爱德华天利(北京)制药系统有限公司;JR67-B175绞肉机,浙江苏泊尔股份有限公司;HH-42水浴锅,常州国华电器有限公司;CR-400色差仪,日本柯尼卡美能达公司;S-3400N扫描电子显微镜,日本日立公司;TA.XTPlus质构仪,英国Stable Micro System公司;Spotlight 400傅里叶红外分光光度计(Fourier transform infrared spectroscopy,FI-TR),美国PerkinElmer公司。
真空冰温干燥装置如图1所示,由本课题组自行研制,该装置由制冷、加热、真空、控制系统组成,干燥时可控制物料温度波动在0.5 ℃内。
1-冷阱制冷机组;2-真空压力变送器;3-手阀;4-放气阀;5-电动蝶阀;6-止油阀;7-真空泵;8-漏气阀;9-物料;10-托盘;11-电加热板;12-质量传感器;13-真空箱;14-排水阀;15-冷阱
图1 真空冰温干燥机原理图
Fig.1 Schematic diagram of vacuum ice temperature dryer
1.3 实验方法
1.3.1 鱼糜样品制备
将新鲜草鱼(水分含量78%)宰杀后去骨、去皮后取肉,沥干表面水分,置于不同干燥装置中进行脱水,脱水至含水量(10±0.1)%,于绞肉机中搅碎成鱼糜粉。真空包装于4 ℃冰箱冷藏,24 h内完成实验。
1.3.2 实验设计方案
本实验分为4组,即空白对照组(Ck,水分含量为78%)只加入2.5%(质量分数)的食盐斩拌,其余3组分别在Ck组鱼肉基础上,采用不同的干燥方式进行脱水:a)热风干燥:取鱼肉放入 40 ℃的热风干燥箱中干燥,使其水分含量为(10±0.1)%,记为Rf组;b)真空冰温干燥:取鱼肉放入真空冰温干燥机中,设置真空度为800～1 200 Pa,温度为(-0.5±0.5) ℃,使其水分含量为(10±0.1)%,记为Bw组;c)真空冷冻干燥:取-18 ℃冰箱中预冻 24 h后的鱼肉放入真空冷冻干燥机中冻干,使其水分含量为(10±0.1)%,记为Dg组。
1.3.3 鱼糜凝胶制备
取出Ck组,用料理机斩拌 2 min,其他组别的鱼糜粉先加入冰水使其水分含量达到78%后加入质量分数为2.5%的食盐并斩拌2 min。用灌肠器进行灌肠(直径3.0 cm),40 ℃加热 60 min后,90 ℃加热 30 min,将煮好的鱼肠放入冰水中冷却,放入 4 ℃冰箱中保藏,24 h内完成指标测定。
1.3.4 凝胶强度的测定
将草鱼鱼糜凝胶样品切成高为25 mm的圆柱体,采用P/5S球形探头。测试条件为:分别以2、1、2 mm/s的速度作为测试前、中和后的速度,测试距离为15 mm,触发力为10 g,计算如公式(1)所示:
凝胶强度/(g·cm)=破断力(g)×破断距离(cm)
(1)
1.3.5 持水性(water holding capacity,WHC)测定
将草鱼鱼糜凝胶样品切成厚度为4 mm的薄片,准确称量m1,然后用3层滤纸包裹。10 000 r/min、4 ℃离心 10 min,然后再次快速称重m2,每个样品测3次,取平均值。WHC按公式(2)计算:
(2)
1.3.6 质构测定
质构测定方法同1.3.4节,采用P/50探头。
1.3.7 白度测定
参照暴伊芮等[12]的方法略有修改:将样品切成2 cm高的圆柱体,用色差仪测定样品的亮度(L*值)、红度(a*值)和黄度(b*值)。白度值(W)计算如公式(3)所示:
(3)
1.3.8 凝胶微观结构的测定
参照张诗雯等[13]的测定方法。样品切片后固定、漂洗、梯度乙醇脱水,干燥喷金后进行扫描电镜观察。
1.3.9 低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)分析
低场核磁共振技术:将凝胶样品切成圆柱体(直径30 mm、高25 mm),装入核磁管中,采用CPMG脉冲序列测定横向弛豫时间T2。
核磁成像分析:参照王硕等[14]的方法略有改动,成像后的图片进行映射和伪彩处理。
1.3.10 凝胶蛋白质二级结构的测定
参考熊泽语等[15]的方法。样品冻干后与KBr研磨压片,采用傅里叶变换红外光谱仪扫描,最后通过软件拟合分峰计算蛋白二级结构各峰面积占比。
1.3.11 过氧化值(peroxide value,POV)的测定
参考GB 5009.227—2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》中的滴定法。
1.3.12 菌落总数
参考GB 4789.2—2022《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数》测定。
1.4 数据统计分析
采用SPSS 26软件对数据进行显著性分析,P<0.05,差异显著;采用Origin 2018软件绘图。
2 结果与分析
2.1 对鱼糜粉凝胶强度的影响
凝胶强度是衡量鱼糜制品品质的重要指标,直接影响其在组织性、保水性和黏结性等方面的性能[1]。如图2所示,不同干燥方式的鱼糜粉凝胶强度存在显著差异(P<0.05),与CK(207 g·cm)相比,干燥后鱼糜粉的凝胶强度均有所下降,其中Bw组的鱼糜粉凝胶强度最大(173 g·cm),然后依次是Dg组(150 g·cm)、Rf组(50 g·cm),凝胶强度分别下降了16.4%、27.5%、75.8%。根据GB/T 36187—2018《冷冻鱼糜》中凝胶强度等级划分,Rf组属于B级(凝胶强度<100 g·cm),凝胶强度低,内部结构松散,这可能是由于在较高的温度环境下进行干燥,鱼肉中的蛋白质结构受到破坏,网状结构的框架变得更加脆弱,孔洞变大[16]。Dg组凝胶强度略低于Bw组,原因可能是预冻时形成的冰晶对鱼肉肌原纤维蛋白的破坏,而真空冰温干燥时,鱼肉的温度维持在-1～0 ℃,此时鱼肉并未冻结,且冰温可以显著抑制鱼肉的脂肪氧化,这与孙卫青等[17]的研究结果一致。因此,真空冰温干燥的鱼糜粉拥有较优的凝胶品质。
图2 不同干燥方式鱼糜粉凝胶强度变化
Fig.2 Change of gel strength of surimi powder in different drying methods
注:不同小写字母表示差异性显著(P<0.05)(下同)。
2.2 对鱼糜粉凝胶持水性的影响
鱼糜凝胶的持水性是指凝胶体系在外力作用下的持水能力,它代表了凝胶结构与水的结合程度[18]。由图3可知,真空冰温干燥的鱼糜粉凝胶持水性(81%)显著高于热风干燥组(72%)、真空冷冻干燥组(78%)(P<0.05),这与凝胶强度的变化趋势一致。由此可见,不同的干燥方式对于凝胶中蛋白质与水分子的相互作用有不同程度的影响。热风干燥组的持水性最低,除蛋白变性外,可能还与干燥后鱼肉表面硬化有关,与水分子的结合更难。真空冷冻干燥时由于冰晶对细胞的破坏使得其内部孔隙增多,持水性下降。而真空冰温干燥组没有冰晶形成过程,鱼糜粉凝胶网络能够保留更多的水分子[19]。
图3 不同干燥方式鱼糜粉凝胶持水性变化
Fig.3 Changes of water retention of surimi powder gel in different drying methods
2.3 对鱼糜粉凝胶质构特性和白度的影响
硬度、弹性、黏着性、咀嚼性、回复性能够反映鱼糜粉凝胶的质构特性。如表1所示,不同干燥方式的鱼糜粉凝胶在硬度、咀嚼性、回复性等指标上存在显著差异(P<0.05)。在硬度方面,干燥处理后硬度均有所下降,Bw组和Dg组的鱼糜粉凝胶硬度显著高于Rf组(P<0.05)。Bw和Dg组鱼糜粉由于在低温环境下,内外的水分迁移速率可以长时间保持平衡,得到的鱼糜粉更加细腻,有益于鱼糜粉的溶解性和复水性等粉质特性[20]。Rf组的硬度下降程度最大,这可能是热风干燥时由于内外水分迁移速率不一致会导致内部结构紧密而表面硬化,在鱼糜粉复水时,难以与水分子牢固结合,质地松散,与持水性的变化趋势一致。所以当样品被压缩时,发生塌陷且难以恢复,同样表现在咀嚼性和回复性方面的大幅下降,弹性指标的下降也证明了此点。在白度方面,干燥后Bw组白度有所下降,主要是因为低温真空环境下,没有对鱼肉中的肌红蛋白造成破坏,且干燥会使体系内肌红蛋白浓度升高,导致白度值降低[21]。
表1 不同干燥方式鱼糜粉凝胶的质构特性和白度
Table 1 Texture properties and whiteness of gels of surimi powder by different drying methods
注:不同小写字母表示差异性显著(P<0.05)。
组别硬度/g弹性黏着性咀嚼性/g回复性白度Ck3 162.17±78.83a0.924±0.005a0.798±0.006a2 310.68±60.80a0.455±0.005a78.04±1.40bRf888.41 ±109.03d0.650±0.035b0.415±0.070b200.38±56.96d0.144±0.016d79.72±0.52abBw2 643.42 ±75.86b0.916±0.003a0.794±0.006a1 921.70±47.14b0.449±0.008a74.98±0.33bDg2 337.90±198.68c0.918±0.009a0.794±0.006a1 706.41±172.60c0.435±0.010c84.34±2.57a
2.4 鱼糜粉凝胶微观结构的差异
鱼糜凝胶的微观结构可以直接反映鱼糜凝胶的内部结构,其主要取决于肌原纤维蛋白聚集的程度和速度[22]。如图4所示,Ck组内部结构更平坦,交联空间更均匀、规则。与Dg组相比,Bw组的凝胶三维网络结构平整紧密,孔洞更小、更少。可能是因为真空冷冻干燥过程中,鱼肉内部产生的不规则冰晶对鱼肉组织造成了损伤,而真空冰温干燥过程中鱼肉始终处于非冻结状态,细胞具有完整的结构。由于热风干燥鱼糜粉的凝胶性过差,外力作用时容易发生碎裂,因此,制作凝胶切片时,未能形成试样,没有得到微观结构图,这可能与热风干燥过程中蛋白质二级结构发生变化有关。因此,真空冰温干燥得到的鱼糜粉凝胶从外观、质地、细腻程度都更接近于Ck组。
a-Ck组;b-Bw组;c-Dg组
图4 不同干燥方式鱼糜粉凝胶的微观结构(3 000×)
Fig.4 Microstructure of surimi powder gel with different drying methods (3 000×)
2.5 对鱼糜粉凝胶水分分布的影响
如图5所示,T2中包括3种水组分,其中T21为结合水,水通过官能团与蛋白质分子紧密结合,这是系统中出现的第一个峰。T22为不易流动水,在总水分中占比最大,也是凝胶网络中最主要的水组分。T23是最后出现的峰,通常是存在于凝胶网络孔隙中的自由水[23]。从豫驰时间的长短来看,Bw组和Dg组更接近Ck组,说明这2组鱼糜粉凝胶网络结构结合的紧密程度与新鲜样凝胶也更接近。Rf组的豫驰时间增加最为显著(P<0.05),这说明热风干燥方式的鱼糜粉与水的结合程度最不紧密,水分也最不稳定,与持水性的结果一致。可能是因为冰温和冷冻条件下蛋白质变性程度不大。因此,真空冰温和真空冷冻干燥的鱼糜粉结合水的能力较佳。
图5 不同干燥方式鱼糜粉凝胶横向豫驰时间T2反演图
Fig.5 Inversion diagram of lateral relaxation time T2 of surimi powder gel in different drying methods
鱼糜粉凝胶的质子密度伪彩图可以清晰地显示凝胶网络内部水分子的分布,样品之间的差异由伪彩图颜色来表示,红色部分为高密度质子区,表征流动性强的水分占比高;蓝色部分为低密度质子区,表征流动性弱的水分占比高[24]。如图6所示,Bw组的图像为蓝黄色,与Ck组最为接近,说明冰温干燥鱼糜粉凝胶水分子与蛋白质的交联程度与新鲜鱼糜凝胶最为接近。Dg组的图像基本呈现为蓝色,表明结合水、不易流动水等流动性弱的水分占比高。Rf组则呈现出更深的黄色,结合持水性和T2豫驰时间等指标来看,其颜色的加深可能是由于其结构松散,内部密度减弱,外部密度升高,水分加速向外扩散,水分主要集中于表面,故颜色加深。
a-Ck组;b-Rf组;c-Bw组;d-Dg组
图6 不同干燥方式鱼糜粉凝胶的伪彩图
Fig.6 False color pictures of surimi powder gel in different drying methods
2.6 对鱼糜粉蛋白傅里叶变换红外光谱的影响
通过FT-IR谱图可以确定蛋白二级结构的变化,各组鱼糜粉凝胶在500～4 000 cm-1范围内的FT-IR光谱如图7所示,样品在红外区有多个特征吸收峰,但4组中均没有观察到新的峰,说明干燥方式的改变没有导致新的化学共价键形成[25]。酰胺Ⅰ带(1 600～1 700 cm-1)主要来源于C
O伸缩振动,对蛋白质二级结构变化最为敏感,因此,可根据峰面积计算鱼糜粉凝胶蛋白质二级结构主要形式的相对含量,进行蛋白质二级结构的分析。
图7 不同干燥方式鱼糜粉凝胶FT-IR谱图
Fig.7 Gel infrared spectra of surimi powder with different drying methods
如图8所示,鱼糜粉凝胶蛋白质二级结构随着干燥方式的不同而变化,真空冰温干燥后α-螺旋相对含量减少,β-折叠和β-转角的相对含量分别增加了0.2%、0.7%;真空冷冻干燥后β-转角的相对含量增加了7.1%,β-折叠和无规卷曲相对含量变化不明显。由于β-折叠的稳定性高于α-螺旋,因此含有较高β-折叠含量的凝胶及其质构特性更好[26],由此也验证了Ck组和Bw组在凝胶强度和质构方面优于其他组别。Rf组的蛋白质二级结构相对含量表明,无规卷曲相对含量变为0%的原因可能是蛋白质受热变性之后破坏了蛋白内部的无规卷曲结构,α-螺旋相对含量增加,分子结构由无序向有序转变,凝胶强度下降,这一现象与陈怡静等[27]的研究结果类似。Bw组蛋白质二级结构组成与Ck组基本一致,说明真空冰温条件下对蛋白质二级结构的破坏程度更低,比其他条件下更稳定,对蛋白结构的保护较完整,这与杨飞艳等[28]的研究结果一致。
图8 不同干燥方式鱼糜粉凝胶蛋白质二级结构组成
Fig.8 Secondary structure composition of gel protein of surimi powder with different drying methods
2.7 对鱼糜粉POV的影响
新鲜鱼肉中含有较多的不饱和脂肪酸,干燥时易发生氧化反应。POV常用于衡量脂肪氧化过程中初级氧化产物积累的情况,样品的POV越高其脂肪氧化程度也越严重,但初级过氧化物不稳定,易降解为次级氧化产物,使得POV下降[29]。如图9所示,POV变化范围为0.15～0.48 g/100 g,GB 10136—2015《食品安全国家标准 动物性水产制品》中对预制水产干制品过氧化值的限量要求为0.60 g/100 g,因此,3种方式干燥的鱼糜粉均未达到上限。其中Bw组的POV最低,Rf组最高。王俊钢等[30]的研究发现脂肪氧化程度与温度呈正相关,研究结果与本实验结果一致,热风干燥组的POV要高于其他组。虽然真空冷冻干燥过程中温度较低,但由于其干燥时间长于真空冰温干燥,因此其脂肪氧化程度更高,这可能是真空冰温干燥组脂肪氧化程度较低的原因之一。
图9 不同干燥方式鱼糜粉过氧化值变化
Fig.9 Changes of peroxidation value of surimi powder in different drying methods
2.8 对鱼糜粉菌落总数的影响
菌落总数常用来反映食品被微生物污染的程度,在观察微生物繁殖动态、预测食品保质期和评价食品安全性等方面具有重大意义。干制品在加工过程中,在适宜的温度和湿度下易发生微生物污染。如图10所示,不同干燥方式获得的鱼糜粉的菌落总数由高到低依次为:热风干燥>真空冰温干燥>真空冷冻干燥,变化范围为3.1～4.4 lg CFU/g,均未超过GB 10136—2015《食品安全国家标准 动物性水产制品》中规定的5 lg CFU/g。Rf组的菌落总数为4.4 lg CFU/g,显著高于其他2组(P<0.05),可能是鱼肉在干燥过程中接触到空气中的微生物,在适宜的温度下繁殖较快,导致其菌落总数较高。Bw组的菌落总数明显低于Rf组(P<0.05),与Dg组十分接近,说明低温条件下对微生物生长具有一定的抑制作用。
图10 不同干燥方式鱼糜粉菌落总数变化
Fig.10 Changes of the total number of colonies in surimi meal with different drying methods
3 结论
本研究探讨了不同干燥方式获得的草鱼鱼糜粉在凝胶强度、持水性、微观结构、脂肪氧化和菌落总数等方面的差异。结果表明,真空冰温干燥鱼糜粉在凝胶强度和持水性方面优于其他2组,凝胶强度为173 g·cm,与新鲜鱼糜凝胶强度207 g·cm相比,损失最小,仅下降了16.4%,持水性最高为81%。在结合水能力和质构特性方面,Bw组和Dg组明显要好于Rf组。另外,真空冰温条件下干燥的鱼糜粉凝胶网络结构最为紧密,与新鲜鱼糜凝胶更接近,对蛋白质的破坏程度最小。热风干燥的鱼糜粉蛋白发生变性,且脂肪氧化的程度高;菌落总数为4.4 lg CFU/g,微生物繁殖多。冰温和冷冻温度下,对微生物生长均有很好的抑制作用。综上所述,3种干燥方式中,真空冰温干燥鱼糜粉凝胶品质和理化性质最好。本研究为鱼糜粉的冰温干燥技术提供了有价值的参考,这对鱼糜行业未来的发展具有深远意义。
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