鱼胶,又称花胶、鱼肚、鱼泡等,是鱼鳔的干制品,由新鲜鱼鳔经剖开、清洗等工艺处理后脱水干制而成[1]。其营养丰富,蛋白质含量在80%左右,富含胶原蛋白,脂肪含量仅为0.2%～4.0%,是一种高蛋白低脂肪的优质滋补食材,具有补肾益精、养血、散瘀、消肿等多种功效[2]。近年来,随着人们生活水平的提高和养生观念的普及,鱼胶的市场规模不断扩大,预计到2030年市场规模将达到800亿元[3]。在食用或深加工前,干鱼胶必须经过复水这一关键预处理环节,使其恢复柔软的质地和适宜的口感。因此,复水工艺对鱼胶最终的食用品质、营养价值和消费者接受度有着显著的影响。
目前,常见的鱼胶复水方式主要是水发(water soaking,WS)、碱发(alkali soaking,AS)及油发(oil expansion,OE)。WS法通常在水中进行长时间浸泡,其优点在于能较好的维持原有结构,但普遍存在复水周期过长且易受微生物污染等问题[4];AS法通常采用各种食用碱进行处理,碱会破坏表面组织结构、暴露蛋白质亲水基团,从而能够显著缩短干制品的复水时间,然而碱性环境也易导致蛋白质结构的过度破坏,造成营养成分流失及质地不均等问题,存在食品安全与品质劣化的风险[5];OE法通过低温“焐油”与高温油炸使鱼胶内部水分迅速汽化,形成多孔膨化结构,从而赋予产品独特的口感,但高温条件极易引发产品色泽风味的劣化及活性营养成分的严重流失。因此,开发一种高效、绿色且可良好保持鱼胶复水品质的新型复水工艺已成为产业提质升级的迫切需求。
超声波因其高效快速、可有效保持产品品质以及环境友好的特点,成为近年来食品工程领域的研究热点。其基于超声波在液体介质中传播时产生的“空化效应”以及机械振动等物理现象,可有效改变样品组织结构、减小传质阻力、加速水分的吸收[6]。该技术在果蔬、食用菌及水产品等的干燥、提取及泡发过程中均已展现出显著优势。例如,超声波处理可大幅缩短苹果[7]、海参[8]等的复水时间,改善复水均匀性,并在一定程度上改善产品的质构特性等复水品质。然而,目前该技术应用于鱼胶这一特殊高蛋白原料复水过程的研究仍相对缺乏,尤其超声波处理对鱼胶的水分特性、宏观食用品质及结构的特异性影响尚不明确。
因此,本研究以干制鳕鱼胶为研究对象,通过多指标对比分析WS、AS、超声波辅助泡发(ultrasound-assisted soaking,US)及OE等4种复水方式对鱼胶品质的影响,探究超声波促进鱼胶复水、改善复水品质的作用方式,为超声波技术在鱼胶及其他水产品复水加工中的应用提供理论支持,对开发高品质鱼胶产品具有重要实际意义。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
干制鳕鱼(Gadus morhua)胶,北京同仁堂健康(大连)海洋食品有限公司;福临门食用大豆油,中粮佳悦(天津)有限公司。
NaHCO3,食品级,桐柏博源新型化工有限公司;L-羟基脯氨酸、苯酚,上海麦克林生化科技股份有限公司;乙二胺四乙酸、三羟甲基氨基甲烷,生工生物工程(上海)股份有限公司;C2H3NaO2、CuSO4、K2SO4、H2SO4、NaOH、氯胺T、异丙醇、高氯酸、硼酸,天津市大茂化学试剂厂;盐酸、柠檬酸、乙酸,西陇科学股份有限公司。
1.2 仪器与设备
HH-1数显恒温水浴锅,常州智博瑞仪器制造有限公司;SB-5200DTD超声波清洗机,宁波新芝生物科技股份有限公司(容量10 L,频率40 kHz,最大超声波功率200 W,加热功率320 W);ASQ-81JD电炸炉,广州艾士奇电气科技有限公司;ME204E/02电子天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;TA.XT.plus质构仪,英国Stable Micro Systems公司;UltraScan PRO测色仪,美国HunterLab公司;PEN3便携式电子鼻,德国AIRSENSE公司;K9860全自动凯氏定氮仪、SH220F石墨消解仪,海能基石技术有限公司;MesoQMR23-060H核磁共振成像分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;DSC250差示扫描量热仪,美国TA Instruments公司;JSM-7800F场发射扫描电镜,日本电子株式会社;Spotlight 400傅里叶变换红外显微成像系统,美国PerkinElmer公司。
1.3 实验方法
1.3.1 复水鱼胶的制备
干鳕鱼胶均匀裁剪成4 cm×4 cm的方形小块,在40 ℃恒温条件下(复水料液比1∶20,g∶mL),分别采用4种复水方法制备鱼胶:WS于去离子水中泡发420 min;AS在10 g/L NaHCO3溶液中复水240 min;US在设备标称功率200 W、频率40 kHz下处理200 min;OE先在100 ℃油中焐油15 min,再于170 ℃ OE处理4 min使其膨起,置于去离子水浸泡5 min,最后用20 g/L NaHCO3溶液洗去残留油渍。所有方法均在复水过程中按设定时间间隔称重记录,并拍照记录复水前后样品形态变化。
1.3.2 复水比的测定方法
为便于比较,将4种复水方式制得鱼胶的复水比统一控制为3.5,复水比的计算如公式(1)所示:
复水比
(1)
式中:m0,复水前样品的质量,g;mt,复水后样品的质量,g。
1.3.3 水分含量的测定方法
根据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的直接干燥法。
1.3.4 持水力的测定方法
参考袁毅[9]的方法,将复水后的鱼胶切成质量约为1.0 g的小块,记下质量为m1,用两层滤纸进行包裹,置于50 mL的离心管中,在3 500×g离心15 min。离心结束后将鱼胶取出并称量离心后的质量,记为m2。持水率的计算如公式(2)所示:
持水力
(2)
式中:m1,鱼胶的初始质量,g;m2,鱼胶离心后的质量,g。
1.3.5 水分分布的测定方法
参考Zhu等[10]的方法,使用核磁共振成像分析仪CPMG序列测定横向弛豫时间T2的分布曲线。设置的测试条件参数如下:重复采样等待时间(TW)2 000 ms,回波个数(NECH)5 000,重复扫描次数(NS)16,通过Multi Exp Inv Analysis软件反演获得T2图谱,迭代次数为104次,计算获得各个弛豫峰的弛豫时间以及峰面积。
1.3.6 复水动力学模型
使用Peleg、Weibull和一阶动力学3种动力学模型与实际复水的实验数据进行拟合,并使用决定系数(R2)来评估模型的拟合质量[11]。
1.3.6.1 Peleg模型
Peleg模型参照公式(3):
(3)
式中:M,t时刻的含水率,g/g;M0,干基初始含水率,g/g;t,复水时间,min;K1,Peleg速率常数,(min·g)/g;K2,Peleg容量常数,g/g。
1.3.6.2 Weibull模型
Weibull模型参照公式(4):
(4)
式中:Me,t=∞时的平衡含水率,g/g;α,尺寸参数;β,形状参数。
1.3.6.3 一阶动力学模型
一阶动力学模型参照公式(5):
=exp(-kt)
(5)
式中:k,复水动力学速率常数,min-1。
1.3.7 质构特性的测定方法
使用物性分析仪进行硬度的测定,测试模式为穿刺模式,探头为P/2,测前、测试速度均为1 mm/s,测后速度为10 mm/s,触发力5 g,穿刺距离15 mm,每块鱼胶样品穿刺6处以避免实验的偶然性。
1.3.8 色泽的测定方法
使用测色仪对不同复水方式的鱼胶进行色泽测定。将复水后样品放置透光孔前,进行鱼胶样品的色泽测定,记录样品的L*(亮度)值、a*(红绿色度)值、b*(黄蓝色度)值。
1.3.9 电子鼻的测定方法
称取2.0 g复水后的鱼胶放入顶空瓶中,室温孵育30 min后启动电子鼻将挥发性物质泵入传感器检测,测量时间设定为100 s,各传感器及其检测对象如下:W1C-芳香苯,W5S-氮氧化合物,W3C-芳香氨,W6S-氢化物,W5C-短链烷烃,W1S-甲基类,W1W-硫化物,W2S-醇、醛酮类,W2W-芳香成分和有机硫化物,W3S-长链烷烃。
1.3.10 感官评价方法
由10名经培训的成员组成感官评价小组。样品经随机编号后,按照表1的评价标准,从外观、质地、色泽、风味4项指标(满分10分)进行评价。
表1 感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation standard
指标评分标准分值/分外观完整,无破损8～10基本完整,无破损5～7较完整,轻微破损2～4不完整,有破损0～1质地硬度、弹性良好8～10硬度、弹性较好5～7硬度、弹性较差2～4硬度、弹性很差0～1色泽色泽均匀,光泽度好8～10色泽基本均匀,光泽度较好5～7色泽不均匀,光泽度一般2～4色泽不均匀,光泽度差0～1风味无不良气味8～10不良气味较轻5～7不良气味较重2～4不良气味很重0～1
1.3.11 关键营养成分的测定方法
1.3.11.1 基本营养成分的测定方法
蛋白质含量的测定按照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮仪法;多糖含量的测定采用苯酚-硫酸法。
1.3.11.2 羟脯氨酸和胶原蛋白含量的测定方法
参考赵美钰[12]的方法,并稍作修改。羟脯氨酸标准溶液经柠檬酸缓冲液、氯胺T氧化及高氯酸处理,再与对二甲氨基苯甲醛在65 ℃显色后于560 nm绘制标准曲线。样品处理包括将0.2 g鱼胶经盐酸水解、pH值调节至6.0并定容后,同法测定吸光度,按换算系数11.1计算胶原蛋白含量。
1.3.12 差示扫描量热分析
使用差示扫描量热仪对不同复水方式下鱼胶的热力学参数进行测定。准确称取5～10 mg的鱼胶于坩埚中密封,空坩埚为对照。升温程序为一次升温,起始温度30 ℃,终点温度90 ℃,升温速率10 ℃/min,采用Proteus软件进行数据的收集与处理。
1.3.13 微观结构观察
将复水后的样品冷冻干燥,使用液氮低温淬断,喷金后将鱼胶样品固定在样品台上,启动扫描电镜,在200倍放大倍数下观察断面,并进行调焦、拍照和保存图片。
1.3.14 蛋白构象观察
参考Dong等[13]的方法,并稍作修改。将复水后的鱼胶切为厚度约20 μm的均匀薄片,使用显微红外成像系统对样品进行红外成像,波数采集范围为4 000～800 cm-1,总成像面积为400 μm×400 μm,使用Spectrum IMAGE 1.8软件处理数据,包括基线校正和归一化。使用Single Wavenumber单波长图像模式提取3 400～3 200 cm-1区域内对应的特征峰,代表成像区域内特定化学官能团的分布。
1.4 数据处理
所有实验平行测定3次,实验结果表示为“平均值±标准差”。采用SPSS 26统计软件进行数据统计分析,使用Origin 2021软件进行图表绘制。
2 结果与分析
2.1 不同复水方式对鱼胶复水时间的影响
复水比是评价干制品复水程度的关键指标。如图1-a所示,3种复水方式下鱼胶的复水速率呈现先快后慢的趋势,达到同一复水比(3.5)所需时间存在差异:WS(420 min)>AS(240 min)>US(200 min)。与WS相比,AS处理显著缩短了复水进程,这可能是由于碱性环境破坏了鱼胶的组织结构,降低了水分渗透阻力,这与Oladele等[14]的研究结果一致,即在碱性pH时斑豆的水分吸收率更高;US则展现出最高的效率,超声波的空化效应及机械效应可在组织中形成微通道,从而加速水分子的迁移与吸收,这与Kim等[15]的研究结果一致,其发现超声波处理能够进一步增强红小豆的复水率并缩短其达到吸水饱和的时间;而OE表现为快速复水的非连续过程,这可能与高温胀发阶段彻底改变了鱼胶的微观结构有关。
a-鱼胶在WS、AS及US过程中的复水比;b-鱼胶在OE各个阶段的复水比
图1 不同复水方式下鱼胶的复水比
Fig.1 Rehydration curves of cod maw under different rehydration methods
2.2 不同复水方式对鱼胶水分特性的影响
复水是外界水分子向鱼胶内部渗透,并与其发生物质交换的过程。因终点复水比一致,4种复水方式具有相近的最终水分含量(图2-a),但其水分在组织内的存在状态与结合强度存在显著差异。具体而言,WS与US鱼胶的持水力最高且无显著差异(P>0.05),表明这2种方式较好地维持了鱼胶组织结构对水分的束缚能力,而AS与OE鱼胶的持水力则显著降低(图2-b)。这与T2弛豫谱及水分分布结果一致(图2-c、图2-d),复水后水分的主要存在形式变为自由水,WS鱼胶的自由水比例最低,结合水与不易流动水比例最高,而其他3种复水方式的自由水含量相对较高。超声波处理虽因空化效应在内部形成了微孔道,导致了更高的自由水比例,但其蛋白网络整体持水能力未被严重破坏,这可能是由于超声波空化效应产生的机械力破坏了胶原蛋白的分子间氢键,导致胶原纤维松解及孔隙化,原本致密的纤维网络内部空间得以扩展,降低了水分渗透阻力,同时单个三螺旋结构单元本身未被高温或化学作用破坏,其肽链上依然存在潜在的氢键位点,从而保留了与水分结合的能力[16];碱处理可能削弱了蛋白质-水分子间的氢键结合能力,导致持水力降低;OE处理虽形成了极利于水分快速进入的蓬松孔洞,但结构被破坏导致失去有效束缚与保持水分的能力。
a-水分含量;b-持水力;c-T2弛豫谱;d-水分分布
图2 不同复水方式下鱼胶的水分特性
Fig.2 Water characteristics of cod maw under different rehydration methods
注:不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。
2.3 不同复水方式鱼胶的复水动力学模型
如表2所示,Peleg模型参数k1与初始水分吸收速率成反比,AS和US组的k1值均低于WS组,表明这2种处理能有效加速鱼胶复水初期的水分吸收;Weibull模型中代表特征复水时间的尺度参数α为US组最小,AS组次之,WS组最高,与初始速率相关的形状参数β则在US组出现最大值,表明US处理不仅起始吸水速率快,且完成约63%复水过程所需时间最短,即整体效率最优;一阶动力学模型中k值越大,代表样品的复水速率越快,AS和US组鱼胶的k值大于WS组,表明AS和US处理发能有效提升鱼胶的复水速率[17]。3种模型的拟合结果与2.1节复水比及复水时间的结果一致。Weibull模型对3种复水方式的拟合决定系数(R2)最高、均方根误差(relative mean squared error,RMSE)最低,表明该模型能更精确地描述和预测鱼胶的复水过程。
表2 不同复水方式鱼胶的复水动力学模型拟合参数
Table 2 Fitting parameters of the rehydration kinetic models for cod maw under different rehydration methods
模型组别参数k1k2R2RMSEPelegWS76.626 20.226 20.959 20.145 0AS35.813 80.254 30.997 10.042 4US38.599 10.195 20.985 70.095 4αβWeibullWS732.384 00.718 80.976 80.109 2AS279.473 10.736 30.999 40.019 3US147.525 00.965 40.986 50.092 8k一阶动力学WS0.003 80.953 90.154 0AS0.008 90.994 40.058 7US0.007 40.986 40.093 0
2.4 不同复水方式对鱼胶外观形貌及微观结构影响
如图3所示,复水后各组样品在外部形态上表现出一定差异:WS鱼胶形态完整,表面光滑且呈乳黄色;AS鱼胶变薄、透明度增加,表面出现破裂,表明其结构受损;US鱼胶色泽均匀,厚度较大,仅表面存在少量细小凹陷;OE鱼胶体积显著膨大,颜色变黄,形成独特的丝网状纹路与多孔结构。扫描电镜结果显示,WS处理后的鱼胶以纤维结构为主,并伴有少量较紧密的片状结构;AS处理则促使纤维进一步形成片状网络,片层间间隙增大,这可能与碱液对胶原蛋白的水解作用及其引发的结构破坏有关[18];US组的鱼胶内部为多孔网络结构,这可能是由于超声波促使胶原纤维松散并形成孔道所致,有利于复水效率的提升;OE鱼胶则因高温作用形成大的空洞结构,其原有的致密纤维结构已被彻底破坏。
a,b,c,d-WS、AS、US及OE处理鱼胶复水前的外观形貌;e,f,g,h-WS、AS、US及OE处理鱼胶复水后的外观形貌;i,j,k,l-WS、AS、US及OE处理鱼胶复水后的微观结构
图3 不同复水方式下鱼胶的外观形貌及微观结构(×200)
Fig.3 Appearance and microstructure (×200) of cod maw under different rehydration methods
2.5 不同复水方式对鱼胶品质特性的影响
不同复水方式显著影响了鱼胶的质构、色泽、挥发性风味及感官品质。在质构方面(图4-a),WS鱼胶因处理条件温和,较好维持了组织结构,故硬度最高;AS与US均在一定程度上破坏了蛋白质结构或分子间作用力,导致硬度有所降低;OE鱼胶因经高温变性,结构蓬松化后再次复水,其机械强度丧失最为明显,硬度最低。AS、US及OE处理均引起鱼胶色度参数的变化,如图4-b所示,US引起亮度(L*)下降与空化效应引起的表面结构变化有关;AS使黄蓝度(b*)上升,这可能与蛋白质、脂肪等含量的变化相关[19];OE鱼胶在亮度降低的同时,红绿度(a*)与黄蓝度均增大,这可能与油脂氧化、胶原蛋白热降解等相关。电子鼻测定结果显示(图4-c)除对氮氧化合物敏感的W5S传感器外,4种鱼胶在其余传感器上的响应值无显著差异,表明4种复水方式下鱼胶的多数挥发性风味成分较为接近,但OE组在W5S上响应值显著增大,表明高温处理促进了含氮化合物的氧化或热降解,形成了特有的挥发性特征[20]。感官评价结果(图4-d)与上述结果一致,WS与US组因形态完整、质地均匀、不良风味少而整体接受度最高;AS组因成分溶出与结构受损,评分次之;OE组则因高温所致的结构破坏、色泽劣变及不良气味的综合影响,感官评分最低。
a-硬度;b-色泽参数;c-电子鼻雷达图;d-感官评分雷达图
图4 不同复水方式下鱼胶的品质特性
Fig.4 Quality characteristics of cod maw under different rehydration methods
2.6 不同复水方式对鱼胶关键营养成分的影响
如表3所示,不同复水方式对鱼胶的关键营养成分含量影响显著。US组的粗蛋白、粗多糖及胶原蛋白的含量均高于其他组,这主要由于超声波的空化效应导致高效水分渗透,在缩短复水时间的同时有效减少了水溶性营养物质的流失;AS处理虽未显著改变粗蛋白总量,但胶原蛋白含量显著降低,表明碱性环境不仅破坏了胶原蛋白的天然结构,同时导致了其降解溶出;OE鱼胶因经历高温剧烈处理,营养流失严重,各类营养成分的含量均低于其他组。
表3 不同复水方式下鱼胶(湿基)的关键营养成分含量 单位:g/100 g
Table 3 Content of key nutritional content in cod maw under different rehydration methods (wet basis)
组别粗蛋白粗多糖羟脯氨酸胶原蛋白WS23.41±0.67a0.24±0.01a1.61±0.04a17.91±0.45aAS23.69±0.32a0.25±0.01a1.34±0.02b14.89±0.21bUS26.29±0.74a0.28±0.01a1.68±0.03a18.67±0.38aOE17.22±1.65b0.17±0.02b1.22±0.01c13.63±0.08c
注：不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。
2.7 不同复水方式对鱼胶热稳定性的影响
蛋白的热特性是决定鱼胶品质与功能性质的关键因素之一,DSC分析能够直观反映蛋白质在不同处理条件下热稳定性的变化。如图5所示,WS鱼胶样品在升温过程中出现一个明显的吸热峰,该峰通常对应鱼胶胶原蛋白高度有序的三螺旋结构热解旋过程中所需克服分子内与分子间作用力而吸收的热量,说明WS工艺较好的保留了胶原蛋白的天然构象及其热变性特性。相比之下,AS、US及OE鱼胶样品在相应温度区间的DSC曲线均未出现明显吸热峰,呈现近乎平直的特征[21],这可能是由于碱的化学作用破坏了三螺旋结构的共价骨架,导致胶原蛋白失去协同变性的基础;OE组的平直曲线则是高温下蛋白质发生剧烈热变性及降解的结果;超声波处理通过改变胶原蛋白的高级结构削弱了其热变特性,超声波的空化效应产生的机械力破坏了胶原纤维束间的分子间氢键,紧密的三螺旋结构发生解聚,在测试过程中各个独立的三螺旋单位在较宽的温度范围内非协同的逐渐解开,而不会产生一个集中的吸热峰[22]。
图5 不同复水方式下鱼胶的DSC曲线
Fig.5 DSC curves of cod maw under different rehydration methods
2.8 不同复水方式对鱼胶蛋白构象的影响
在红外光谱中3 300～3 400 cm-1酰胺A带中的吸收峰与胶原蛋白的N—H伸缩振动有关,因此其对应的峰吸收强度能够反映鱼胶胶原蛋白中的氢键强度[23]。通过显微红外成像的伪彩图能体现不同复水样品在3 300～3 400 cm-1范围中对应的峰吸收强度。如图6所示,WS鱼胶的吸收强度最高,AS与US处理次之,而OE鱼胶的吸收强度最低。WS鱼胶表现出最高的吸收强度归因于其形成了高度有序、完整的氢键网络。在温和的复水环境中,胶原蛋白的三螺旋结构得以完整保存并充分溶胀,N—H基团与相邻肽链上的C
O基团之间形成完整的分子间氢键,从而产生了最强的红外吸收信号;碱性环境对胶原蛋白的化学破坏导致AS样品的吸收强度降低,虽然暴露了更多亲水基团,增加了潜在氢键位点的数量,但同时也部分破坏了维持天然三螺旋结构的强氢键,导致整体氢键网络的有序性下降,吸收强度变低;超声波处理导致的强度降低则可能由于空化效应产生的物理作用,产生的机械力对胶原蛋白的氢键网络施加了物理剪切,作用于连接胶原纤维相对较长且较弱的分子间氢键,导致这些连接点发生断裂。因此,超声波处理导致的氢键吸收强度降低可能更主要是氢键网络有序性与协同性的降低,以及强弱氢键比例的重排;OE样品的吸收强度显著降低,这表明其氢键网络被彻底破坏。高温油浴使维持蛋白质结构的氢键大量断裂,导致蛋白质严重变性,即使后续复水,也无法恢复有效的氢键网络,最终导致其红外吸收信号极低[24]。
a-WS鱼胶;b-AS鱼胶;c-US鱼胶;d-OE鱼胶
图6 鱼胶在不同复水方式下的显微红外图像
Fig.6 Microscopic infrared images of cod maw under different rehydration methods
3 结论
本研究系统比较了4种复水方式对鳕鱼胶复水特性及品质的影响,结果表明US在效率与品质均衡性方面表现最优,不仅能显著缩短复水时间,还可通过形成多孔结构促进水分渗透与保持,更好的保留粗蛋白、粗多糖及胶原蛋白等营养成分,同时保持样品良好的质地与较高的感官接受度;相比之下,WS法虽能较好维持蛋白构象与持水性,但耗时过长,AS易导致蛋白结构破坏与营养流失,OE则因高温作用造成质地与风味显著劣变。然而,本研究仅针对固定超声波参数开展,基于本研究结果,超声波处理通过影响胶原结构缩短复水时间,但同时会导致其硬度下降和蛋白质结构变化。因此,功率过高或时间过长可能导致“过度处理”,使质地过度软化、失去弹性,甚至因结构过度破坏而造成持水能力下降及水溶性营养成分流失增加。未来可进一步系统探究超声波功率、频率及处理模式等关键参数对产品质构与营养保留等关键指标的影响规律,确定不同品质目标下的适宜参数范围或临界阈值,为不同鱼胶产品定位的精准加工提供依据,以推动该技术在水产品加工领域的深入应用与产业化推广。
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