蔡路昀,许 晴,曹爱玲

(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.中华人民共和国杭州海关,浙江杭州 311208)

海鲈鱼是我国沿海地区重要的经济鱼类之一[1],其肉质爽嫩鲜美、少有鱼骨、富含蛋白质、碳水化合物、脂肪及微量元素等营养成分,并有一定的药用价值,是理想的保健和美容食品[2]。为了避免由于季节和距离造成短缺,新鲜的海鲈鱼通常经过冷冻保存以延长保质期[3]。解冻是冰晶融化的过程,使得解冻的食品很难恢复到原来的新鲜状态。解冻改变了鱼类的理化性质,降低鱼类的品质,导致蛋白质氧化、水分流失、微生物腐败、风味、色泽和质地恶化[3]。同时,解冻过程通常比冻结过程缓慢,这是因为与液态水相比,冰具有更高的导热性,并且初始凝固点与室温之间的温差很小,可能会对冷冻组织产生额外的损害[4]。因此,冷冻产品的最终质量取决于解冻条件,不正确的解冻方法将对鱼类质量产生不可逆转的影响。采用适当的解冻方法,确保最大程度地维持鱼肉的质量是非常必要的。

冷冻海鲈鱼有多种解冻方式可以选择。刘蒙佳等[5]对比空气解冻、冰箱解冻、静水解冻及微波解冻对海鲈鱼品质的影响,发现微波解冻的鱼肉具有较高的持水性,抑制微生物的繁殖,并延缓其盐溶性蛋白含量、弹性、Ca2+-ATPase活性的下降,但是白度值低于静水解冻。周俊鹏等[6]研究发现经4 ℃低温解冻后的海鲈鱼的汁液流失较少、组织结构较完整,但白度值低于25 ℃水浴解冻的样品,这可能是解冻时间较长造成的。

近年来,出现了多种解冻方式结合的解冻新技术。磁性纳米粒子解冻结合微波解冻和远红外解冻的真鲷有着和新鲜鱼肉最相似的蛋白质结构、粘弹性和表面形态[7]。与单一的解冻方式相比,真空解冻结合超声解冻和微波解冻具有更稳定的蛋白质,蛋白质变性程度低[8]。超声微波解冻和超声远红外解冻的大口黑鲈新鲜度和氧化稳定性与新鲜样品最接近[9]。

当超声波解冻时,部分能量以热量的形式释放出来进而完成解冻。Gambuteanu等[10]指出超声解冻对猪肉理化性质有积极影响。但Wu等[11]也发现超声解冻有耗电大、局部升温明显、渗透性差的缺点。因此,为了改善超声解冻的不足,将超声解冻与其他解冻方式相结合。本实验采用超声微波解冻[9]、超声远红外解冻[9]、超声欧姆解冻、超声真空解冻[8]和超声解冻对海鲈鱼进行解冻,并与新鲜鱼肉比较,研究了不同解冻方式对海鲈鱼的水分迁移和理化性质的影响。旨在探索出有效保持海鲈鱼品质的解冻方式,为食品解冻工业提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜海鲈鱼 质量为(1±0.1) kg,购于辽宁锦州当地的水产市场;自封袋(10 cm×7 cm) 购于广州乔峰塑料制品有限公司;氧化镁、三氯乙酸、硫代巴比妥酸等试剂 均为分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司。

PS-60A超声清洗机 东莞洁康超声波设备有限公司;CX-1250L层析柜 嘉鹏科技有限公司;远红外管 元祥电器有限公司;Kl11005-B变频电源 东莞市科联电子有限公司;SHB-III水循环多功能真空泵 郑州长城科工贸有限公司;RC-4温度记录仪 江苏省精创电气股份有限公司;PL602-L电子天平 梅特勒-托利多仪器有限公司;PHS-3C雷磁pH计 上海仪电科学仪器有限公司;Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪 福斯分析仪器公司;UV-2550紫外可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;Q2000差示扫描量热仪 深圳市泰达仪器有限公司;Discovery HR-1流变仪 美国TA仪器有限公司;NMI20低场核磁共振仪 上海纽迈电子科技有限公司;S-4800冷场发射扫描电镜 日本日立公司;Free Zone 2.5真空冷冻干燥机 美国Labconco公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料处理 新鲜的海鲈鱼在1 h内送到实验室。用木棒击打鲜活的海鲈鱼3～5次,剥皮后取背部肉,切成5 cm×4 cm×2 cm,约30 g。清洗干净后用保鲜膜包裹并放入自封袋,在-20 ℃冰箱内冷冻24 h后取出解冻。

1.2.2 解冻方式 超声微波解冻:参考Cai等[9]的方法进行解冻。超声波清洗机和微波发射器被放入4 ℃层析柜中,并且微波发射器被放置在超声波清洗机上方。然后将装有500 mL去离子水和鱼肉的聚乙烯容器放入超声波清洗机中,将微波发射孔对准聚乙烯容器并调节在水面上方1～2 cm。解冻到鱼肉中心温度为0 ℃后停止解冻。解冻时长约为3 min。

超声远红外解冻:参考Cai等[9]的方法进行解冻。超声波清洗机和远红外管被放入4 ℃层析柜中,并且远红外管被放在层析柜两边的凹槽上、超声波清洗机上方2～3 cm处。鱼肉被放置在超声机中装满去离子水(500 mL)的聚乙烯容器,解冻至中心温度为0 ℃,耗时3 min左右。

超声欧姆解冻:解冻装置由超声波清洗机、变频电源和加热槽组成。加热槽由聚乙烯材料制作(126 mm×66 mm×108 mm),两侧装有110 mm×108 mm×2 mm的304食品级不锈钢板。变频电源参数设置为110 V、50 Hz,与加热槽相连,将装有100 mL去离子水的加热槽放入超声波清洗机中。整个解冻过程耗时3 min。

超声真空解冻:参考Cai等[8]的方法进行解冻。将装有100 mL去离子水的真空瓶放入超声波清洗机中。同时打开超声波清洗机和真空泵进行解冻,解冻至鱼肉中心温度为0 ℃。4 min左右能完成解冻。

超声解冻:将装有500 mL去离子水和鱼肉的聚乙烯容器放入超声波清洗机中,超声清洗机参数设置为360 W、40 kHz。解冻所需时间约为5 min。

所有解冻方式中的超声波清洗机参数均设置为360 W、40 kHz,鱼肉均为30 g。鱼块均被保鲜膜包裹并装在自封袋中,然后放入解冻容器中,整个过程中鱼肉未直接与水接触。本文中加水量能浸没鱼肉即可,但每个解冻方法放鱼肉的容器大小不同,所以需要的水量不同。超声微波解冻、超声远红外解冻和超声解冻,使用的聚乙烯容器约1600 mL,需要500 mL的水才能浸没鱼肉。超声欧姆解冻和超声真空解冻的容器分别为475 mL和500 mL,仅需100 mL的水即可浸没。

1.2.3 解冻损失率 参考谭明堂等[12]的方法进行测定。解冻前后均用滤纸吸干鱼肉表面水分,并称重。

式中:m0为解冻前的质量(g),m1为解冻后的质量(g)。

1.2.4 蒸煮损失率 参考崔燕等[13]的方法进行测定,并略加修改。将新鲜和解冻后的鱼肉表面的水吸干,精确称量10 g鱼肉后放入蒸煮袋,置于90 ℃的水浴锅中蒸煮20 min后取出。冷却到室温后,再次将鱼肉表面水分吸干,称重。

式中:m2为蒸煮前的质量(g),m3为蒸煮后的质量(g)。

1.2.5 pH 参考GB 5009.237-2016《食品安全国家标准 食品pH的测定》,称取5 g切碎的鱼肉并加入50 mL去离子水,均质2 min。静置30 min,过滤取上清液,用pH计测定。

1.2.6 TVB-N值 参考GB 5009.228-2016《食品中挥发性盐基氮的测定》,称取10 g切碎的鱼肉和1 g氧化镁,放入750 mL的消化管,使用全自动凯氏定氮仪测定,选取TVB-N测试程序,直接读取数值。

1.2.7 TBARS值 参考朱明明等[14]的方法进行测定。将10 g碎鱼肉和25 mL蒸馏水、25 mL的三氯乙酸溶液(10%)混匀,使用均质机以5000 r/min的速度均质1 min,过滤。将5 mL的滤液和5 mL的TBA溶液(0.02 mol/L)混匀后,置于80 ℃水浴锅加热40 min,冷却至室温。以5 mL三氯乙酸溶液和5 mL的TBA溶液作为空白,使用紫外分光光度计在532 nm处测吸光度。然后通过绘制的丙二醛的标准曲线计算。

1.2.8 DSC扫描 参考Zheng等[15]的方法进行测定蛋白质的热稳定性,并略作修改。以空坩埚作为对照并称取7±1 mg的鱼肉放入坩埚中,压制机将坩埚密封并盖在适当位置。以5 ℃/min的速率从20 ℃升温到90 ℃,并在90 ℃下保持1 min。通过仪器的内置积分软件(TA Universal Analysis)获得变性温度和总变性焓。

1.2.9 动态流变分析 参考Tahergorabi等[16]的方法进行测定,并略作修改。将40 mm的平板探头与流变仪相连来测定不同解冻方法下的动态粘弹特性。将鱼肉剁碎,取3 g放到测试台上,探头压下后把周围多余的碎肉擦掉,并使用石蜡进行封口以防止升温过程中水分蒸发。设置频率为1 Hz,应变为0.1%。在样品平衡2 min后,以2 ℃/min的速度从20 ℃升温至90 ℃,测试这个过程中鱼肉的储能模量(G′)曲线和损耗模量(G″)曲线。

1.2.10 低场核磁 使用LF-NMR分析仪测量样品的水分迁移。参考王尊等[17]的方法进行测定,并略有修改。将切好的鱼肉块(1 cm×1 cm×2 cm)放入直径为15 mm的核磁管中,在32 ℃下,以质子共振频率22 MHz,测定鱼肉的水分分布。具体参数为:90°脉冲时间为14.5 μs,180°脉冲时间为29.0 μs,主频为100 kHz,采样点为90016,驰豫衰减时间为80 μs,重复时间为2000 ms,模拟增益RG1为20,模拟增益RG2为3,扫描次数为16,回波个数为3000。

1.2.11 扫描电镜 将鱼肉切成5 cm×5 cm×1 mm,置于2.5%戊二醛溶液,固定24 h后用磷酸盐缓冲液(20 mol/L,pH7.5)冲洗3～5次以防止固定残留物。然后依次使用30%、50%、70%、90%和100%乙醇梯度脱水,每次15 min。最后将将鱼片放入冷冻干燥机48 h。将样品贴在胶布上,并喷金。在电压为3.0 kV下,使用冷场发射扫描电镜放大5000倍观察。

1.3 数据处理

使用SPSS 19.0的单因素方差分析(ANOVA)分析数据,然后进行Duncan多重范围检验,表示为平均值±标准偏差(SD),且P<0.05为显著。使用OriginPro 9.0绘制所有数据图。每个处理组至少重复测定3次。

2 结果与分析

2.1 不同解冻方式对鲈鱼保水性的影响

2.1.1 不同解冻方式对鲈鱼解冻损失率的影响 解冻损失率是影响鱼肉肌肉组织结构和感官特性的重要参数。不同解冻方式的解冻损失率如表1所示。解冻损失率大小的排列顺序为:超声解冻>超声欧姆解冻>超声真空解冻>超声远红外解冻>超声微波解冻。超声解冻的解冻损失率最高,这可能是因为它的解冻时间相对较长,蛋白质被大量繁殖的微生物分解,非共价键断裂,导致肌球蛋白的高度变性,而肌球蛋白是肌肉中水分保持的主要部位,不能和回渗的水分发生水合反应[18]。大量水分流失的同时会伴随着一些营养物质和风味物质的损失[19],并影响了鱼肉的外观、重量、颜色和感官,最终造成经济损失。超声微波解冻的解冻损失率均显著低于其他解冻方式(P<0.05),说明超声微波解冻可以更好的保持鱼肉原有的水分。

表1 不同解冻方式对海鲈鱼品质的影响

2.1.2 不同解冻方式对鲈鱼蒸煮损失率的影响 蒸煮损失率是肌肉持水性的重要指标之一。不同解冻方式对鱼肉蒸煮损失率的影响结果如表1。不同处理方式的蒸煮损失率排列顺序为:超声解冻>超声欧姆解冻>超声真空解冻>超声远红外解冻>超声微波解冻>新鲜样品,与上述解冻损失率结果相同。新鲜样品的蒸煮损失率是最低的。超声欧姆解冻、超声真空解冻和超声解冻的蒸煮损失率显著高于新鲜样品(P<0.05),而超声微波解冻和超声远红外解冻和新鲜样品没有显著性差异(P>0.05)。蒸煮损失主要是由热引起的肌原纤维蛋白变性,进而导致肌肉结构被破坏,水分维持能力下降[20]，同时,有着较低的蒸煮损失率的样品可能会获得更好的食用品质[21]。因此,超声微波解冻和超声远红外解冻后的鱼肉能在高温下维持自身水分,且具有良好的食用品质。

所有解冻方式中,超声微波解冻的解冻损失率和蒸煮损失率均最低,这表明在解冻和蒸煮过程中有效地保持了肌肉组织的完整性,有助于减少解冻损失和蒸煮损失,是维持水分最好的解冻方式。

2.2 不同解冻方式对鲈鱼pH的影响

pH是衡量鱼肉品质的重要指标之一。由表1可知,和新鲜鱼肉相比,所有解冻处理后的样品的pH略有下降,这可能是因为活鱼被敲死后,鱼体内的氧气供应停止,糖原变为无氧酵解形成乳酸,同时为无氧酵解提供能量的三磷酸腺苷分解产生酸性物质[22]。但所有处理组间没有显著性差异(P≥0.05),这可能是因为冷冻时间和解冻时间较短,无较多酸性物质产生[23]。结果表明五种处理方式都能获得较高的新鲜度。

2.3 不同解冻方式对鲈鱼TVB-N值的影响

TVB-N值是评估鱼肉腐败程度的重要指标之一。不同处理方式的鱼肉TVB-N值见图1。解冻后的样品的TVB-N值均升高,这可能是微生物大量繁殖,蛋白质和非蛋白质氮化合物降解以及微生物和细胞自溶作用的共同影响[24-25]。新鲜样品的TVB-N值显著低于超声远红外解冻、超声真空解冻和超声解冻(P<0.05),但是和超声微波解冻、超声欧姆解冻没有显著性差异(P>0.05)。所有TVB-N值均低于15 mg/100 g,未超出国标对新鲜肉品的标准。这可能是因为解冻时间较短,所有解冻方式都能使鱼肉保持较高的新鲜度,有效的防止了微生物的繁殖。

图1 不同解冻方式对海鲈鱼TVB-N值的影响

2.4 不同解冻方式对鲈鱼TBARS值的影响

用TBARS值来表示解冻后鱼肉的脂肪氧化程度。脂肪氧化是肉类在储存过程中变质的主要原因,它会导致肉类变色和变质,并使食物产生了不愉快的味道,降低消费者的接受度。由图2可知,解冻后的TBARS值有不同程度的增加,这主要是由于多不饱和脂肪酸的降解生成次级氧化产物引起的。超声解冻TBARS值最大。Kang等[26]发现在腌制加工过程中超声波会引起牛肉的脂质氧化,这是由于超声波的空化作用使盐水分解产生羟基自由基所致。此外,脂质的氧化和降解在较高的温度下增加[27],这可能表明超声的空化诱导的高温可能更有助于TBARS值的增加。超声远红外解冻、超声欧姆解冻、超声真空解冻和超声解冻的TBARS值均显著高于新鲜鱼肉(P<0.05),但超声微波解冻和新鲜样品没有显著性(P>0.05),这表明超声微波解冻可以有效的防止鱼肉脂肪氧化。

图2 不同解冻方式对海鲈鱼TBARS值的影响

2.5 不同解冻方式对鲈鱼蛋白热稳定性的影响

差示扫描量热法(DSC)是一种快速、简便的测定蛋白质变性温度的方法,也是直接反映蛋白质空间结构的指标。峰值温度(Tm)代表蛋白变性的温度,可以表示蛋白结构的稳定性,而焓(ΔH)则代表诱导蛋白变性所需的能量[28]。

解冻处理可能破坏分子内氢键,因此Tm和ΔH的变化主要归因于氢键的破裂。完整的肌纤维蛋白的两个吸收峰分别对应着肌球蛋白和肌动蛋白[29]。

图3为样品的DSC曲线,可以观察到两个吸收峰。表2介绍了不同解冻方式处理的鱼肉的变性温度和变性焓值,且所有样品的肌动蛋白和肌球蛋白的变性温度均出现在53 ℃附近和72 ℃附近。所有处理组的肌动蛋白的焓值较高,且均高于肌球蛋白的焓值,这说明肌动蛋白的热稳定性高于肌球蛋白的热稳定性。与新鲜样品的肌球蛋白变性温度相比,超声微波解冻和超声远红外解冻的变性温度没有显著变化(P>0.05),这表明这两种解冻方式对肌球蛋白热稳定性没有显著影响。然而,超声欧姆解冻、超声真空解冻和超声解冻的变性温度显著降低(P<0.05),并且超声解冻的变性温度最低,这说明其热稳定性显著降低。另外,所有解冻方式的肌动蛋白的变性温度和新鲜样品的变性温度都没有显著性差异(P>0.05)。因此,超声欧姆解冻、超声真空解冻和超声解冻三种处理方式处理均导致鱼肉肌球蛋白的变性,但是所有解冻方式都能稳定肌动蛋白。所有解冻方式中,超声微波解冻和超声远红外解冻对蛋白质有着更强的热稳定作用。

图3 不同解冻方式对海鲈鱼DSC的影响

2.6 不同解冻方式对肌原纤维蛋白凝胶化的影响

动态流变学是一种广泛用于监测热诱导肌原纤维蛋白凝胶化的方法[30]。储能模量(G′)表示在弹性变形期间储存的能量的量,也可以反映样品的弹性,反映了蛋白质弹性凝胶网络的形成速率,阐明了蛋白质构象的变化,包括展开、折叠和聚集;而损耗模量(G″)表示在粘性变形期间损失的能量的量[31-32]。肌球蛋白和水溶性肌浆蛋白的总量占据了肌肉的大部分,因此可以用鱼肉的动态流变学以估计蛋白质的动态流变学性质[33-34]。

图4 不同解冻方式对鲈鱼流变特性的影响

如图4a和4b所示,所有样品的储能模量(弹性模量,G′)曲线和损耗模量(粘性模量,G″)曲线呈现出类似的趋势。随着温度的升高,储能模量曲线呈下降趋势,这是因为肌球蛋白变性,部分肽链展开,蛋白质的网络结构被破坏;然后在42 ℃附近曲线呈上升趋势,这可能是肌球蛋白头部解折叠并聚集后,通过非共价相互作用在尾部之间形成了凝胶,肌动蛋白产生了不可逆的相互作用和交联;70 ℃附近曲线再次呈下降趋势,这是由于肌球蛋白尾部和肌浆蛋白的变性。较高的储能模量表示样品的凝胶强度较强,凝胶网络结构较稳定。Benjakul等[35-36]发现鱼糜凝胶在高含水量(>75%)下表现出较好的弹性,是因为肌原纤维蛋白能有效地形成共价键和非共价键。损耗模量曲线的变化趋势与储能模量相似,且所有样品的损耗模量值均低于储能模量,说明样品的弹性均大于粘性。新鲜样品的弹性和粘性是最大的。本实验中与新鲜样品的储能模量曲线和损耗模量曲线最相似的解冻方式是最优的。超声微波解冻和超声远红外解冻的弹性模量和粘性模量是解冻样品中最高的,超声真空解冻和超声解冻的弹性模量和粘性模量是最低的。这些结果表明超声微波解冻和超声远红外解冻均较好的维持了鱼片的凝胶特性。

2.7 不同解冻方式对鲈鱼水分分布的影响

低场核磁共振技术是测量肉质中水分迁移的有效手段。质子的横向弛豫时间T2代表水分子的不同分布[37]。由图5可知不同处理方式下的海鲈鱼水分分布。

与新鲜样品相比,水分发生了不同程度的迁移,超声微波解冻和超声远红外解冻与新鲜样品的水分分布最相似。同时可以观察到四个峰,T2b(0～1 ms)和T21(1～10 ms)分别代表着与蛋白质紧密结合并且不易受加热或冷冻影响且结合最强的强结合水和弱结合水,T22(10～100 ms)为位于高度有组织的蛋白质结构细胞内的不易流动水,T23(100～1000 ms)为细胞外易失去的自由水。从图5看出,不易流动水和自由水的信号值最强,因此主要分析这两种水分。

图5 不同解冻方式对海鲈鱼水分分布的影响

表3介绍了不同解冻方式下鱼肉的弛豫时间。弛豫时间越长,水分越容易失去。相较于新鲜样品,超声微波解冻和超声真空解冻的T22没有显著性差异(P>0.05),流动性较低,基本没有水分损失;而超声远红外解冻、超声欧姆解冻和超声解冻的T22显著增加(P<0.05),说明不易流动水极易失去。超声微波解冻、超声远红外解冻、超声欧姆解冻和超声真空解冻的T23与新鲜样品均没有显著性差异(P>0.05),这表明其水分与底物结合都比较紧密;但超声解冻的T23显著高与其他处理组,表明其流动性强,保水性低。

表3 不同解冻方式对海鲈鱼低场核磁弛豫时间的影响

表4中P22和P23代表着T22和T23的峰面积比例。解冻后所有样品的P22显著减小、P23显著增大(P<0.05),说明解冻过程中不易流动水减少,自由水增多。超声微波解冻的P22最大且显著高于其他处理方式(P<0.05),P23最小且显著低于其他解冻方式(P<0.05),说明超声微波解冻是所有解冻方式中不易流动水含量最高的,自由水含量是最低的,保水性是最好的。而超声解冻的T22、T23较长,P22较低、P23较高,这表明超声解冻后的样品中较多的细胞内水转移到细胞外,汁液流失严重,和上述解冻损失率结果相同。

表4 不同解冻方式对海鲈鱼低场核磁弛豫时间的峰面积的影响

2.8 不同解冻方式对鲈鱼肌肉微观结构的影响

在肌肉组织中,纤维被间质结缔组织紧密结合在一起,而肌原纤维在整个肌纤维长度中纵向平行[38]。图6展示了不同解冻方式处理后的海鲈鱼纵切肌肉组织的微观结构图像。新鲜鱼肉的肌原纤维束表面光滑,分布均匀,结构紧密,而解冻后的肌原纤维发生不同程度的卷曲和断裂。其中,超声欧姆解冻和超声解冻后的肌肉表面粗糙,有序结构被破坏,出现了明显的弯折,纤维之间的空隙增大,这可能是因为在冻结过程中,形成大冰晶,使纤维间的空隙增大[39]。与其他解冻方式相比,超声微波解冻和超声远红外解冻的肌原纤维的结构更整齐,表面更平坦紧凑。

图6 不同解冻方式对鱼肉微观结构的影响

3 结论

通过超声微波解冻、超声远红外解冻、超声欧姆解冻、超声真空解冻和超声解冻的海鲈鱼品质发生不同程度的下降。超声微波解冻后的鱼肉肌肉组织比较完整,具有良好的持水性,有效地避免了脂肪氧化,且肌原纤维束表面相对光滑,分布均匀,减缓了对组织结构的损伤。超声远红外解冻的海鲈鱼保持了较高的凝胶特性和热稳定性,微观结构比较完整。超声欧姆解冻的鱼肉未发生明显腐败变质,但汁液流失严重,肌原纤维发生卷曲。超声真空解冻的海鲈鱼水分分布和新鲜鱼肉比较接近,但腐败程度较高。超声解冻有效的避免了海鲈鱼的新鲜度下降,但持水性下降,凝胶强度降低,肌原纤维严重卷曲和断裂、产生间隙,并发生脂肪氧化。结果表明,所有的超声辅助解冻方式的鱼肉品质优于单独的超声解冻,且超声微波解冻是最佳的解冻方式。超声辅助解冻方式简单、快速,但只适用于体积小的食品,无法大批量解冻,期望在食品解冻工业得到广泛应用。