李茹,劉陽(yáng),朱永康,趙星辰,王娜,杜梓星,劉書成,孫欽秀,魏帥,夏秋瑜

1(廣東海洋大學(xué) 食品科技學(xué)院,廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省海洋生物制品工程實(shí)驗(yàn)室,廣東省海洋食品工程技術(shù)研究中心,水產(chǎn)品深加工廣東普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江,524088) 2(南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江),廣東 湛江,524025)

金鯧魚(Trachinotusovatus)是我國(guó)南方沿海名貴海產(chǎn)經(jīng)濟(jì)魚類之一,具有肉白細(xì)嫩、鮮美可口、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),深受消費(fèi)者的喜愛[1]。中國(guó)是全球最大的金鯧魚生產(chǎn)國(guó)之一,2019年我國(guó)金鯧魚養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)16.8萬t[2]。目前,金鯧魚主要以鮮魚、冷鮮魚、冷凍魚等產(chǎn)品為主。隨著金鯧魚養(yǎng)殖產(chǎn)量的增加,其深加工產(chǎn)品亟待開發(fā)。魚糜制品作為魚類精深加工產(chǎn)品之一,近年來在市場(chǎng)上廣受歡迎。金鯧魚肉是生產(chǎn)魚糜制品的良好原料,但有研究發(fā)現(xiàn),采用傳統(tǒng)加工工藝生產(chǎn)的金鯧魚魚糜制品,其凝膠強(qiáng)度較低[3]。因此,如何提高金鯧魚魚糜的凝膠強(qiáng)度成為開發(fā)魚糜制品的關(guān)鍵。

高密度CO2(dense phase carbon dioxide,DPCD)是一種非熱加工技術(shù)。研究表明,DPCD能誘導(dǎo)肉糜蛋白質(zhì)形成凝膠,而且凝膠特性(持水性、凝膠強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)等)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)的凝膠[4-14]。本研究以金鯧魚魚糜為對(duì)象,以凝膠強(qiáng)度為指標(biāo),用響應(yīng)面法優(yōu)化DPCD誘導(dǎo)金鯧魚魚糜形成凝膠的工藝條件,分析DPCD處理過程中對(duì)魚糜凝膠強(qiáng)度的變化規(guī)律,為金鯧魚魚糜制品的開發(fā)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

金鯧魚,平均個(gè)體質(zhì)量(500±25)g,購(gòu)于廣東省湛江市麻章區(qū)湖光市場(chǎng),?；钸\(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。CO2(純度99.99%),湛江氧氣廠；NaCl,廣東光華科技股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

SZC-180采肉機(jī),濟(jì)南旭眾機(jī)械設(shè)備有限公司；TMS-Pro物性分析質(zhì)構(gòu)儀,美國(guó)FTC公司；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋,常州奧華儀器有限公司；Braun MQ785手持式攪拌機(jī),德國(guó)博朗公司；Sigma 3-30KS高速離心機(jī),德國(guó)Sigma公司；HA221-50-10-C超臨界裝置,南通市華安超臨界萃取有限公司；CR-10色差計(jì),柯尼卡美能達(dá)(中國(guó))投資有限公司；DZ500/2D真空包裝機(jī),溫州瑞利包裝機(jī)械有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 金鯧魚魚糜的制備

參考黃和等[15]的方法。新鮮金鯧魚經(jīng)去頭、去內(nèi)臟后放入采肉機(jī)采肉。采肉后的肉泥放入3倍體積的冰水中進(jìn)行3次漂洗(每次漂洗10 min),3層紗布包裹肉泥擠壓脫水。脫水后的碎肉放入斬拌機(jī)斬拌5 min,再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2% NaCl后繼續(xù)斬拌15 min,即制成魚糜樣品(水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為78%)。將鹽擂后的魚糜放入真空包裝袋中,用真空包裝機(jī)抽真空,將其灌腸到直徑2 cm的腸衣中,用刀片切成高為2 cm的圓柱體待用。

1.3.2 熱誘導(dǎo)處理

利用兩段式加熱誘導(dǎo)形成凝膠制備魚糜制品。首先在40 ℃水浴中加熱30 min,然后在90 ℃水浴中加熱30 min。加熱結(jié)束后取出魚糜制品冷卻,在4 ℃放置24 h后測(cè)試凝膠強(qiáng)度和持水性。

1.3.3 高密度CO2處理

參考屈小娟等[5]的方法。將DPCD處理釜預(yù)熱至設(shè)定溫度后,將圓柱狀魚糜放置于處理釜中并密封,打開CO2進(jìn)氣閥和排氣閥約30 s,將處理釜中的空氣排出,關(guān)閉排氣閥。用加壓泵對(duì)處理釜升壓至壓力設(shè)定值,并保持恒定壓力一定時(shí)間后,處理結(jié)束。將處理釜緩慢卸壓,取出魚糜制品冷卻,在4 ℃放置24 h后測(cè)試凝膠強(qiáng)度和持水性。

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以魚糜凝膠強(qiáng)度(Y)為響應(yīng)變量,以DPCD處理溫度(z1)、壓強(qiáng)(z2)和時(shí)間(z3)為自變量,采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì),分析DPCD處理過程中金鯧魚魚糜凝膠強(qiáng)度的變化規(guī)律,優(yōu)化DPCD誘導(dǎo)金鯧魚魚糜凝膠化的工藝。根據(jù)前期結(jié)果[5,13],設(shè)置DPCD處理的因素水平和編碼值(表1)。對(duì)表1中因素的水平進(jìn)行編碼后可消除單位的影響，且各變量的變化范圍均為[-1,1],在回歸分析中可以直接根據(jù)變量的系數(shù)判斷其影響重要程度。

表1 因素水平編碼值

1.3.5 凝膠強(qiáng)度的測(cè)定

參考董安迪等[13]的方法。將魚糜樣品放在質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試平臺(tái)上,采用P/0.5圓柱形探頭測(cè)試,測(cè)試參數(shù)如下：觸發(fā)力0.5 N,測(cè)試速度60 mm/min,穿刺深度10 mm。凝膠強(qiáng)度測(cè)定連續(xù)檢測(cè)10個(gè)平行樣品,按公式(1)計(jì)算:

凝膠強(qiáng)度/(N·mm)=破裂強(qiáng)度(N)×破裂距離(mm)

(1)

1.3.6 持水性的測(cè)定

參考NY/T 2793—2015標(biāo)準(zhǔn)。取樣品5.00 g,雙層濾紙包裹,放入50 mL離心管中離心(8 592×g,10 min,4 ℃),離心后再次稱重樣品。持水性用離心后樣品質(zhì)量占樣品初始質(zhì)量的百分比表示。

1.3.7 水分含量的測(cè)定

水分含量的測(cè)定參考GB 5009.3—2016中的烘干法。

1.3.8 白度的測(cè)定

參考鮑佳彤等[16]的方法。采用色差計(jì)室溫下測(cè)定魚糜的L*(明度)、a*(紅色度)、b*(黃色度),并根據(jù)公式(2)計(jì)算白度：

(2)

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)共生產(chǎn)了3批魚糜。每批樣本均進(jìn)行重復(fù)測(cè)定,其中凝膠強(qiáng)度試驗(yàn)連續(xù)重復(fù)10次,其他試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,JMP10.0軟件進(jìn)行回歸分析和t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 DPCD誘導(dǎo)魚糜凝膠化的回歸模型建立

根據(jù)表1中的因素和水平確定試驗(yàn)方案,并進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見表2。運(yùn)用JMP10.0軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行2次多元回歸擬合,得到凝膠強(qiáng)度(Y)與3個(gè)因素x1、x2、x3的回歸模型,如式(3)所示：

(3)

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

表3 回歸模型1的系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)

Y=99.20+15.34x1+14.88x2+6.52x3+3.72x1x2+3.31x1x3-4.50x2x3-6.76x12-4.14x23

(4)

對(duì)公式(4)所示(模型2)的系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見表4。各變量系數(shù)對(duì)魚糜凝膠強(qiáng)度的影響均顯著(P<0.05),應(yīng)該全部保留在模型2中。

表4 回歸模型2的系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)

表5 回歸模型的方差分析與失擬性檢驗(yàn)

2.2 DPCD處理過程中魚糜凝膠強(qiáng)度的變化規(guī)律

利用 JMP10.0 軟件對(duì) DPCD 處理溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間進(jìn)行交互作用分析,結(jié)果見圖1。交互作用圖可以直觀地反映任意2個(gè)因素之間是否存在交互作用,任意2個(gè)因素垂直與水平交叉位置的2條曲線平行,表明這2個(gè)因素之間無交互作用;反之則表明這2個(gè)因素之間有交互作用[13]。

從圖1可知,任意2個(gè)因素之間的兩條曲線都不是完全平行,是有交叉可能的,說明 DPCD 處理壓強(qiáng)與溫度、壓強(qiáng)與時(shí)間、溫度與時(shí)間之間的交互作用對(duì)魚糜凝膠強(qiáng)度的影響是顯著的(P<0.05)。因此,DPCD處理對(duì)凝膠強(qiáng)度的影響不是單一因素誘導(dǎo)的,是溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間共同誘導(dǎo)的。

圖1 溫度、壓強(qiáng)與時(shí)間之間對(duì)凝膠強(qiáng)度的交互作用

為了研究DPCD處理溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間對(duì)魚糜凝膠強(qiáng)度的影響規(guī)律,先固定其中的1個(gè)因素為中間水平(即編碼值的0水平),利用JMP10.0軟件做三維曲面圖,然后對(duì)其進(jìn)行正投影,結(jié)果見圖2。三維曲面圖和正投影圖可以直觀地反應(yīng)DPCD處理溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間對(duì)魚糜凝膠強(qiáng)度的影響規(guī)律[13]。

從圖2-b,2-e可知,無論處理壓強(qiáng)是高壓(圖2-b的上邊界)還是低壓(圖2-b的下邊界),無論處理時(shí)間長(zhǎng)(圖2-e的上邊界)還是短(圖2-e的下邊界),隨著處理溫度的升高,魚糜的凝膠強(qiáng)度都快速增加(P<0.05)。這說明處理溫度在DPCD誘導(dǎo)魚糜凝膠化過程中具有重要作用。DPCD誘導(dǎo)蛋白質(zhì)形成凝膠的過程是2種效應(yīng)共同作用的結(jié)果[9-12,17-24]。(1)熱效應(yīng),溫度升高在熱的誘導(dǎo)下肌球蛋白會(huì)逐漸變性伸展再聚集形成凝膠[25]；(2)CO2分子效應(yīng),高壓狀態(tài)下,CO2溶于水形成碳酸,碳酸解離出H+,降低體系pH值,H+還使肌球蛋白分子帶上正電荷,同時(shí)CO2屬于非極性分子,又能與蛋白質(zhì)的疏水基團(tuán)發(fā)生相互作用,通過靜電作用、氫鍵、疏水相互作用等CO2誘導(dǎo)肌球蛋白發(fā)生變性,使肌球蛋白的α-螺旋下降和β-折疊含量增加,肌球蛋白分子間又通過疏水相互作用、二硫鍵、非二硫共價(jià)鍵等相互交聯(lián)而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠[9,11,17]。溫度對(duì)CO2的分子效應(yīng)又具有兩面性[12-13]。一方面溫度升高會(huì)加劇CO2分子熱運(yùn)動(dòng)(簡(jiǎn)稱熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)),有利于其向魚糜中滲透和擴(kuò)散,與肌球蛋白發(fā)生充分的相互作用；另一方面溫度升高使CO2密度下降(簡(jiǎn)稱密度下降效應(yīng)),不利于CO2在魚糜中的溶解。從圖2-b,2-e來看,隨著溫度升高魚糜凝膠強(qiáng)度不斷增加,說明溫度升高引起的分子熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)大于密度下降效應(yīng)。

從圖2-c,2-h可以看出,無論是低溫處理(圖2-c的下邊界)還是高溫處理(圖2-c的上邊界),無論處理時(shí)間長(zhǎng)(圖2-h的上邊界)還是短(圖2-h的下邊界),隨著處理壓強(qiáng)的升高,魚糜的凝膠強(qiáng)度都快速增加(P<0.05)。這說明處理壓強(qiáng)在DPCD誘導(dǎo)魚糜凝膠化過程中也具有重要作用。因?yàn)閴簭?qiáng)增加,CO2在魚糜中的溶解度增加,即與魚糜發(fā)生相互作用的CO2分子數(shù)量增加,同時(shí)壓強(qiáng)增加也會(huì)使CO2更容易向魚糜中滲透和擴(kuò)散,CO2分子效應(yīng)增強(qiáng),從而使凝膠強(qiáng)度快速增加[13,18]。

從圖2-f可知,在較低溫度(圖2-f下邊界)下處理,魚糜凝膠強(qiáng)度較小,隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),魚糜凝膠強(qiáng)度增加緩慢；在較高溫度(圖2-f上邊界)下,隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),魚糜凝膠強(qiáng)度逐漸增加。這說明低溫不利于凝膠的形成,高溫有利于凝膠的形成,且溫度與時(shí)間之間存在一定交互作用[12]。這是因?yàn)榈蜏貤l件下CO2分子熱運(yùn)動(dòng)能力弱,即使增加處理時(shí)間,CO2向魚糜中滲透和擴(kuò)散速度也比較慢,與魚糜相互作用的CO2分子較少,導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度增加緩慢；當(dāng)溫度升高CO2分子熱運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng),CO2向魚糜中滲透和擴(kuò)散速度也加快,同時(shí)增加處理時(shí)間,與魚糜相互作用的CO2分子增多,導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度增加[9-12]。

從圖2-i可知,在較低壓強(qiáng)(圖2-i下邊界)下處理,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),魚糜凝膠強(qiáng)度逐漸增加；在較高壓強(qiáng)(圖2-i上邊界)下處理,隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),魚糜凝膠強(qiáng)度僅有微小增加。這說明低壓處理下,時(shí)間對(duì)凝膠的形成具有重要影響,而在高壓處理下,時(shí)間對(duì)凝膠的形成影響較小,因此壓強(qiáng)和時(shí)間之間也存在一定的交互作用[12]。從圖2-c,圖2-h的分析可知,壓強(qiáng)對(duì)DPCD誘導(dǎo)魚糜形成凝膠具有重要作用。在低壓條件下CO2密度較小,增加處理時(shí)間可以強(qiáng)化CO2與肌球蛋白分子的相互作用,從而增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度；在高壓條件下CO2密度比較大,與肌球蛋白發(fā)生相互作用的CO2分子增多,在較短時(shí)間內(nèi)魚糜的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即可形成,再增加處理時(shí)間,凝膠強(qiáng)度也不會(huì)有太大的變化[9-12]。一般情況下,隨著處理時(shí)間延長(zhǎng),魚糜凝膠強(qiáng)度是呈增加趨勢(shì)的,這是因?yàn)樘幚頃r(shí)間延長(zhǎng),CO2與肌球蛋白分子相互作用的比較充分,從而增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度。這與課題組前期利用DPCD制備蝦肉糜凝膠[5,12-13]的結(jié)論一致。

a-溫度和壓強(qiáng);b-溫度;c--壓強(qiáng);d-溫度和時(shí)間;e-溫度;f-時(shí)間;g-壓強(qiáng)和時(shí)間;h-壓強(qiáng);i-時(shí)間

2.3 DPCD誘導(dǎo)魚糜凝膠化工藝參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

利用JMP10.0軟件的預(yù)測(cè)刻畫器功能對(duì)DPCD誘導(dǎo)金鯧魚魚糜形成凝膠的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果見圖3。當(dāng)x1=1、x2=1、x3=0.5時(shí),即溫度60 ℃、壓強(qiáng)30 MPa、處理時(shí)間50 min時(shí),金鯧魚魚糜的凝膠強(qiáng)度為128 N·mm。將試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn),結(jié)果表明,金鯧魚魚糜凝膠強(qiáng)度的試驗(yàn)值為(128.15±0.08)N·mm,與預(yù)測(cè)值之間無顯著差異(P>0.05)。因此,回歸模型2可以用于預(yù)測(cè)DPCD誘導(dǎo)金鯧魚魚糜的凝膠強(qiáng)度。由于回歸模型2是編碼值模型,將表1中變量的編碼值公式帶入到回歸模型2中獲得實(shí)際變量的回歸模型,即金鯧魚魚糜凝膠強(qiáng)度(Y)與實(shí)際變量溫度(z1),壓力(z2)和時(shí)間(z3)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖3 凝膠強(qiáng)度的預(yù)測(cè)優(yōu)化

2.4 DPCD與熱誘導(dǎo)魚糜形成凝膠的品質(zhì)比較

比較DPCD與熱誘導(dǎo)魚糜形成凝膠的品質(zhì)特性,結(jié)果見表6。DPCD誘導(dǎo)魚糜凝膠的持水性和凝膠強(qiáng)度顯著優(yōu)于熱誘導(dǎo)魚糜(P<0.05),在水分含量和白度方面，2種方法無顯著差異(P>0.05)。黃和等[15]采用熱誘導(dǎo)方法制備金鯧魚魚糜凝膠,其凝膠強(qiáng)度為109.47 N·mm,也顯著低于本研究中DPCD誘導(dǎo)魚糜凝膠強(qiáng)度。因此,與熱誘導(dǎo)相比,DCPD處理可以提高金鯧魚魚糜凝膠的凝膠強(qiáng)度和持水性。

表6 DPCD與熱誘導(dǎo)魚糜形成凝膠的品質(zhì)比較

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和回歸分析法建立了金鯧魚魚糜凝膠強(qiáng)度與DPCD處理溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間之間的數(shù)學(xué)模型。DPCD處理溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間對(duì)魚糜凝膠強(qiáng)度均有顯著影響,在溫度60 ℃、壓力30 MPa和處理時(shí)間50 min的條件下,DPCD誘導(dǎo)魚糜凝膠的凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大值(128.15±0.08)N·mm。與熱誘導(dǎo)相比,DPCD處理能顯著提高魚糜凝膠的凝膠強(qiáng)度和持水性。