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(1.生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,渤海大学食品科学与工程学院,辽宁锦州 121013;2.浙江兴业集团有限公司,浙江舟山 316101;3.杭州海关,浙江杭州 310007;4.中国计量大学生命科学学院,浙江杭州 310018;5.浙江工商大学食品与生物工程学院,浙江杭州310018;6.中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266100)

沙丁鱼是全球重要的海洋经济鱼类之一,主要有欧洲沙丁鱼(Sardinapilchardus)、远东拟沙丁鱼(Sardinopssagax)、南美拟沙丁鱼(Sardinopssagax)、金色小沙丁鱼(Sardinellaaurita)等品种[1-4]。沙丁鱼的营养价值丰富,含有大量的优质蛋白和钙、磷、铁等矿质元素,其肉质紧实、细嫩,鱼油中富含多不饱和脂肪酸如DHA(docosahexaenoic acid)、EPA(eicosapentanoic acid)等,因而对健康十分有益[5-6]。多年来,沙丁鱼被用做水产品罐头加工的主要原料[7-8],除此之外还用于制成鱼粉饲料以及提取鱼油用于制造油漆,颜料以及人造奶油等。

干燥技术是最古老的食品保存方法之一,食品在传统空气干燥脱水的过程中,干燥过程会使产品品质发生脂肪氧化酸败、微生物污染等不良的变化,新型的干燥方法使食品干燥过程加速的同时还可以减少经济损失[9]。在水产品干制方面,一般使用真空冷冻干燥法、微波干燥法和低温冷风干燥法等[10]。近年来,国内外研究者分别采用热风干燥、真空微波干燥、真空冷冻干燥、热泵干燥、超临界CO2干燥以及联合干燥等方法进行了大量研究[11-13],高昕等[14]用不同干燥方式研究鲍鱼的组织结构及流变特性,发现热风可以代替传统的干燥方式。张常松等[15]用微波真空干燥方式研究了波纹巴非蛤肉并与热风做了对比,发现在干燥速度与感官比微波真空比热风好。沙丁鱼作为丰富的海洋鱼类资源之一,通常制作成罐头或用传统风干的方式制作成沙丁鱼干进行销售,为了提高传统干燥方式干燥的沙丁鱼品质,采用新型的干燥方式具有良好的前景。

因此,本研究以沙丁鱼为试验材料,采用冷风、热风、微波真空、微波真空联合冷风、微波真空联合热风的方式对沙丁鱼进行干燥研究,比较不同干燥方式对干燥后沙丁鱼肉质的影响,借助电镜扫描、质构、核磁、拉曼等手段来探讨不同方式对沙丁鱼干燥后色泽、水分、肌肉纤维、蛋质二结构的影响,以期为生产实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鲜活的沙丁鱼 购买于辽宁锦州水产批发市场;苏木素伊红染液试剂盒 北京索莱宝科技有限公司;戊二醛、甲醛、无水乙醇 均为分析纯。

YH-100低温循环干燥设备 大连中通食品机械有限公司;DHG-9145A鼓风干燥箱 上海恒科技术仪器有限公司;CR-400色彩色差计 日本KONICA MINOLTA公司;TA-XT PLUS质构仪 英国 STABLE MICRO SYSTEMS公司;NMI 20核磁共振成像仪 上海纽迈电子科技有限公司;Nikon80i显微镜 日本尼康公司;S-4800场发射扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM) 日本日立公司;LabRAM HR Evolution拉曼分析仪 法国HORIBA Jobin Yvon公司。

1.2 实验方法

1.2.1 沙丁鱼样品预处理 将沙丁鱼鲜样去头去内脏清洗干净,每条的质量为(27±3) g,初始含水率为80%±1%。将处理好的沙丁鱼分别进行热风干燥((Hot-air,HA)、冷风干燥(Cold-air,CA)、微波真空干燥(Microwave vacuum,MV)、热风微波真空干燥(Hot air microwave vacuum,HM)、冷风微波真空干燥(Cold air microwave vacuum,CM)。鲜样及五种干燥方式得到的沙丁鱼分别进行色差、质构、低场核磁、显微镜、扫描电镜、拉曼指标的测定,每个指标三个平行。

1.2.2 干燥方式 每种干燥方式的条件根据文献[11-15]并稍作改动,不同的干燥方式干燥速度不一样,则取样时间不同,每种方式干燥后的沙丁鱼最终湿基含水率为20%±2%,干燥后的含水率的控制根据每次取样称重的质量计算湿基含水率来判断,当含水率远低于20%±2%时则视为弃样。以鲜鱼作为对照。

1.2.2.1 热风干燥 将处理好的沙丁鱼样品用吸水纸将表面水分吸干,没有水滴滴下后放进50 ℃的恒温干燥箱内,采取单层均匀摆放,每次的干燥量为6条鱼,每隔2 h取一次样称重。

1.2.2.2 热风微波真空干燥 处理好的鱼放进50 ℃的恒温干燥箱内单层均匀摆放,干至含水率为60%±2%后放入功率为400 W,真空度为0.09 MPa的微波真空干燥箱内单层摆放,每次的干燥量为6条鱼,前期热风每隔1 h取一次样称重,后期每隔30 s取一次样称重。

1.2.2.3 冷风干燥 将处理好的沙丁鱼放在冷风干燥箱内的样品筛上,单层均匀摆放,参数设置:温度上限20 ℃,温度下限15 ℃,开机时间30 min,化霜时间3 min,风速1.5 m/s,每次的干燥量为6条鱼,每隔8 h取一次样称重,快结束时2 h取一次样称重。

1.2.2.4 冷风微波真空 将处理好的沙丁鱼放在冷风干燥箱内的样品筛上,参数设置:温度上限20 ℃,温度下限15 ℃,开机时间30 min,化霜时间3 min,风速1.5 m/s,干至含水率为60%±2%后放入功率为400 W,真空度为0.09 MPa的微波真空干燥箱内继续干燥,每次的干燥量为6条鱼,前期8 h取一次样称重,后期每30 s取一次样称重。

1.2.2.5 微波真空 将处理好的鱼放在微波真空箱的专用样品托盘上,均匀单层摆放,放入功率为400 W,真空度为0.09 MPa的微波真空干燥箱干燥,每次的干燥量为6条鱼,每1 min取一次样称重。

1.2.3 含水率的测定 将处理好的鱼放入108 ℃的电热鼓风箱中干燥,使鱼体烘干至恒重,计算湿基含水率。湿基含水率按下列公式进行计算:

湿基含水率(%)=(m - m1)×100/m

其中m为物料初始的质量,m1为干燥一段时间物料的质量。

1.2.4 色差测定 用色差仪进行测定,色差仪首先进行校对后使用。然后选取鱼背部肌肉,色差仪与肌肉垂直,最下端与肌肉相距1 cm,测定其亮度值L*、红绿值a*、黄蓝值b*。

1.2.5 质构测定 取不同干燥方式的鱼的同一部位,切成约为3 cm×3 cm×2 cm的小块,质构仪下压2次。参数设置:采用P/0.5 s的探头,测试前速度(pre-test speed)1.00 mm/s,测试速度(test speed)1.00 mm/s,测试后速度(post-test speed)1.00 mm/s;样品压缩形变量30%,感应力(trigger force)0.49 N,2次压缩时间间隔为5 s;数据的采集速率为200.00 pps[16]。

1.2.6 低场核磁测定 取直径约为10 mm,高度约为15 mm的鱼背部肉块置于核磁管的底部,放入磁场中心位置的射频线圈的中心进行T2(弛豫时间)采集。用核磁成像仪分析软件中的CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列测定横向弛豫时间,参数设置:SF1=22 MHz,O1=912.3423,P90=15 us,P180=30 us,TD=40026,SW=100.000 kHz,D3=80 us,TR=3500 ms,NS=8,T=250.00 us,每个样3个平行,测完后用核磁共振T2反演软件进行T2反演得到T2反演谱[17]。

1.2.7 显微镜观察 将样品切成与样品托一样大小,用胶水固定在样品托上在-20 ℃下冷冻30 min,用冷冻切片机切成10 μm厚的薄片,置于载玻片上,用苏木素伊红染液进行染色后用光学显微镜观察[18]。

1.2.8 冷场扫描电镜 样品切成3 mm×3 mm×1 mm的大小,放入4∶1配方混合的pH为7,0.1 mol/L的磷酸缓冲液中,该缓冲液中含体积分数为3%的戊二醛和2%的甲醛,在4 ℃的条件下浸泡24 h,将固定好的样品依次放入体积分数为30%、50%、70%的乙醇溶液中,每个梯度分别脱水15 min后再依次放入体积分数为80%、90%、100%的乙醇溶液中,每个梯度脱水30 min,其中体积分数为100%乙醇溶液脱水3次。样品置于通风橱中风干后喷金观察,电镜分析加速电压为3 kV[19]。

1.2.9 拉曼光谱分析 用手术刀切取鱼背部的一小块肉约10 mm×10 mm×2 mm,并将切好的样品放置在样品台上,调整好光源选取要扫描的部位关掉光源进行拉曼扫描。

1.3 数据处理

结果与分析采用Excel 2010、Origin 8.5和SPSS软件对数据进行统计处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式对鱼肉色差的影响

色度是评价产品外观的主要因素,由表1可得:L*:微波真空>冷风微波真空>热风微波真空>鲜样>热风>冷风;a*:冷风>热风>微波真空>热风微波真空>鲜样>冷风微波真空,可以看出微波真空处理后的样品亮度都有所提高,经过微波真空干燥后的亮度偏白,这与唐秋实等研究的结果相似[20],这可能是由于在微波真空干燥过程中轻微的膨化作用使得鱼皮上的色素被破坏,随着水汽的蒸发导致了其亮度高于鲜肉,微波真空、冷风微波真空和热风微波真空之间无显著性差异,并且红度值的差异性也不显著。黄度值b*的变化显示,热风>热风微波真空>冷风微波真空>微波真空>冷风>鲜样,该值的变化范围在4.45～13.09之间,其中热风微波真空和热风干燥的黄度值大,同时这两种方式之间无明显差异,这可能是由于温度高,使得肌肉中的氨基酸与还原糖反应生成棕色物质或者大分子物质类黑素,陆妙灵等[21]采用热泵干燥金枪鱼鱼皮时发现色泽变化受温度影响,温度会引起美拉德反应的发生。孟艳丽等[22]在温度对鲢鱼肽美拉德反应的研究中发现,随着温度上升,褐变程度增加。总的来说冷风微波真空干燥方式达到的效果较好于其他的干燥方式,这主要是由于低温、真空减少了氧气的接触并缩短了干燥时长避免了干燥方式对色泽的破坏[23]。总之,在干燥过程中的温度和干燥时间是影响物料色变的主要因素[24],不同方式的作用原理也会产生影响。

表1 干燥方式对沙丁鱼色泽的影响Table 1 Effect of different drying methods on the color of sardines

2.2 质构分析

从表2中不同干燥方式对沙丁鱼的硬度、弹性和咀嚼度等质构参数的差异性结果来看,冷风和热风干燥后的肌肉硬度明显高于其他干燥方式,干燥后的质构特性与干燥过程中传质作用相关。温度对物料也有明显的作用,由于表面蒸发速率大于内部,所以表面变干变硬[25],硬度和水分的流失与蛋白质的性质状态有一定关系,随着水分的流失,干燥时间的增加,更容易导致蛋白质变性使得硬度增大。硬度方面:冷风干燥>热风干燥>微波真空干燥>鲜样>热风微波真空干燥>冷风微波真空干燥;弹性方面:热风微波真空干燥>冷风微波真空干燥>微波真空干燥>热风干燥>冷风干燥>鲜样;咀嚼度:热风干燥>冷风干燥>热风微波真空干燥>微波真空干燥>冷风微波真空干燥>鲜样;鲜样与不同的干燥方式之间在硬度上有显著性差异(p<0.05),相比于热风和冷风干燥方式,微波真空与热风微波真空、冷风微波真空干燥后的鱼肉硬度都有所下降,可能是由于前期的干燥方式使部分水分蒸发,物料变得紧实,后期由于微波真空的膨化作用使得鱼肉有了强烈的撕扯,使其硬度下降。可以看到冷风微波真空干燥方式的硬度最低,并低于鲜样。微波真空和热风微波真空、冷风微波真空干燥方式在弹性上不具有显著性差异,而热风和冷风干燥方式有良好的弹性。咀嚼度是硬度、弹性的综合表现,反映了鱼肉从咀嚼状态到可吞咽状态所需的能量,在一定范围内,其值越大说明口感方面对应的“咬感”就越好[26],说明咀嚼度越大所消耗的能量越多,干燥方式中,热风干燥后的咀嚼度最大,冷风-微波真空干燥方式最小。

表2 干燥方式对沙丁鱼质构参数的影响Table 2 Effects of different drying methods on texture parameters of sardines

2.3 核磁共振分析

从图1中可以看出沙丁鱼肌肉中有3种主要的水分,分别是T2b(结合水)、T21(不易流动水)和T22(自由水)3种状态的水,T2b反映的是与大分子紧密结合的水,作为结构的水分,T21反映的是高度组织化蛋白质结构内部的水分和细胞中的水分,其含量最高,T22反映的是肌原纤维蛋白外部的水分和细胞外部的水[27-29]。鲜样与不同干燥方式的干燥样品对比发现,干样的峰面积减少,水分向左迁移,由于豫驰时间T2越大,自由度越高,则水更容易失去,说明自由度高的水向自由度低的水发生了迁移,并且水分与物质有结合更加紧密的趋势,这与祝树森等[30]的研究结果相似,不同干燥方式促使肌肉发生不同程度的收缩,使水与肌肉的结合程度发生了变化。

图1 干燥方式对沙丁鱼水分迁移变化的影响Fig.1 Effects of different drying methods on moisture migration changes of sardines

鲜样与5种干燥方式相比较,干燥后的鱼肉水份发生了向左迁移,豫驰时间T2变短,这说明肌肉与水分的结合更加紧密,干燥后的肌肉中水分的流动性减弱,H质子受到的束缚力增大,不同干燥方式导致水分与肌肉的结合程度不同,所以发生了不同程度的迁移。微波真空干燥方式与两种联合方式的T2迁移程度小于热风干燥和冷风干燥,这可能是由于干燥采用的微波真空对肌肉有撕裂的作用,并且微波真空加热是由内向外进行的,水分也会从内向外流失,导致了水份的流动性降低,同时,也因为不同干燥方式的温度不同导致所用时间不同,则水分迁移的快慢不一样,导致了同一部位的鱼肉水分分布不均。通过核磁可以看出不同干燥方式使得鱼肉中水分存在差异。

2.4 显微镜和扫描电镜分析

由于干燥食品的质构特性会受到胞膜、细胞壁和中间层的萎缩或破裂等微观结构变化的影响,结合显微镜与扫描电镜对样品的微观结构进行观察,如图2、图3所示。通过显微镜的图可以看到,鲜样的微观肌肉组织整齐地排列,表面光滑,肌肉纤维束完整,界线明显,在不同干燥方式之间,冷风干燥后的肌肉纤维束之间收缩厉害,纤维凌乱,冷风微波真空方式肌肉断裂严重,热风干燥后的肌肉纤维有塌陷且无光泽,热风微波真空干燥使得肌肉之间界线消失,微波真空使得纤维变粗,这可能主要是由于微波的膨化作用使得其变粗,Therdthai等人[31]采用微波真空干燥薄荷叶片时发现,微波真空干燥后的叶片由于微波真空的膨化作用,其微观结构具有多孔性,这与本研究具有相似性。

图2 不同干燥方式处理后沙丁鱼显微镜观察图(100×)Fig.2 Sardines microscope picture processed by different drying methods(100×)注:a为沙丁鱼鲜样；b为冷风干燥样品；c为冷风-微波真空干燥样品；d为热风干燥样品；e为热风-微波真空干燥样品；f为微波真空干燥样品。

图3 不同干燥方式处理后沙丁鱼扫描电镜图(500×)Fig.3 SEM photos of sardines subjected to different drying methods(500×)注:a为沙丁鱼鲜样；b为冷风干燥样品；c为冷风微波真空干燥样品；d为热风干燥样品；e为热风微波真空干燥样品；f为微波真空干燥样品。

将鲜样与干样进行冷场电镜扫描(如图3),对比后可以看大致的肌肉纤维结构,鲜样的肌肉纤维束表面光滑紧实,纤维束完整,而干燥后的肌肉失去了肌纤维的完整性,肌肉纤维收缩,肌纤维束之间的空隙变大,整体空间结构不再致密,这与谢小雷等[32]研究具有相似性。冷风干燥后的肌肉纤维皱缩,肌纤维间空隙变大,纤维表面粗糙,但是排列整齐,而冷风微波真空干燥后的肌纤维断裂最为严重,纤维之间的杂乱无章并且有空隙呈现网状结构;热风干燥后的肌肉纤维排列紧致,由于加热使得肌束膜结构被破坏,减小了对水的束缚力,增强了纤维的收缩,当水从内部向外迁移流失时,肌肉组织中的孔径消失,肌原纤维发生了变形,从而纤维结合的更加紧密[32-33],而热风微波真空干燥方式,由于微波真空的膨化作用使得肌肉表面裂化,纤维断裂,与热风干燥相比更加粗糙;微波真空干燥后的肌肉纤维空间结构表面有许多空洞,肌肉纤维束中的单根肌纤维已被撕裂排列杂乱,呈现类似蜂窝状。总的来说,干燥使得微观结构的完整性被破坏,纤维的收缩增大,这使得肉质的质构特性会发生改变,肌纤维粗糙。Nathakaranakule等[34]发现,纤维之间的空隙增大,这可使得水分快速迁移,从而提高干燥速率。

2.5 拉曼分析

拉曼光谱可以提供与某些蛋白质构象转换有关的信息,并且无需样品预处理,是一种快速无损检测方法[35]。从图4中的拉曼位移中可以发现,不同的干燥方式与鲜样相比酰胺Ⅰ带都发生了向右偏移的现象,相较于鲜样(1654.15 cm-1)的偏移程度:热风微波真空(1664.87 cm-1)>冷风微波真空(1663.34 cm-1)>微波真空(1660.28 cm-1)>热风(1657.21 cm-1)>冷风(1655.68 cm-1),同时,可以看到酰胺Ⅲ带的波峰有相应的增强,这与周绪霞等[36]的研究结果相似。

图4 不同干燥方式下沙丁鱼肉二级结构的拉曼光谱图(800～3200 cm-1)Fig.4 Raman spectra of the two grade structure of fish meat with different drying methods(800～3200 cm-1)

表3呈现的是酰胺Ⅰ带中二级结构的百分比含量。通过表3可以看到α-螺旋含量在不同的干燥方式下都发生了相应的减少,而β-折叠、转角、无规则卷曲都发生了相应的增加,酰胺Ⅰ带中α-螺旋含量的减少,β-折叠含量的增加,表明在干燥的过程中,肌原纤维蛋白中的α-螺旋结构向β-折叠转化,多肽链在空间中发生了重排现象[37]。Herrero等[38]研究用拉曼光谱测定添加大豆蛋白和热处理后肉糊结构变化,发现加热后的肉中α-螺旋明显减少,β-折叠和转折结构增加,在Liu等[39]的研究中也出现了类似的现象,随着温度的上升,伴随着螺旋减少,折叠,无规卷曲的增加变化。由于不同的干燥方式作用的效果不同对二级结构的影响也会不同,可以看出冷风干燥对二级结构影响最小,这主要是冷风低温状态使得氧化发生缓慢,而其他方式由于温度高以及膨化效应使得结构破坏加剧,而两种联合的干燥方式对二级结构的影响最大,联合干燥方式,前期的方式经历了较高温度的同时也发生了不同程度的氧化产生了对二级结构的破坏,后期的方式要在很短的时间内将水分除去,所造成的伤害就会增大,导致了二级结构发生破坏,可能使得α-螺旋解旋形成了疏松的不规则结构。

表3 不同干燥方式下拉曼光谱酰胺Ⅰ带各二级结构百分含量变化Table 3 Percentage changes of the secondary structure of the Raman spectrum amide I band under different drying conditions

3 结论

本研究通过不同的干燥方式对沙丁鱼的色泽、质构、核磁、微观结构以及蛋白质的二级结构变化进行了分析,微波真空干燥对白度有明显影响(p<0.05),微波真空干燥方式可以较好地改善色泽,提高白度。不同的干燥方式中冷风微波真空处理后的鱼肉有着良好的弹性,单一的干燥方式所用时间长,使鱼肉的硬度和咀嚼度大,弹性小。不同的干燥方式使得鱼肉中水分分布不均,冷风与热风干燥后的鱼肉中T2迁移程度大于其他的干燥方式,说明鱼肉中的水与肌肉中大分子物质结合更为紧密。微观结构表明每一种干燥方式对其都有不同程度的影响,带有微波真空干燥的方式对肌肉纤维有一定的破坏作用,冷风微波干燥方式肌肉呈现疏松的网状结构。干燥后鱼肉的酰胺Ⅰ带发生了向右偏移,酰胺Ⅲ带有增强,从二级结构含量百分比变化中可以看出,冷风对蛋白二级结构的影响较小。总之,本研究进行的不同干燥方式都有其不同的变化,在实际生产应用中应结合经济情况,节能情况和消费者的消费关注点等情况来选择适合的干燥方式。