皺紋盤鮑足肌熱處理過程中品質變化的動力學初探

王兆琦，薛長湖，叢海花，孫兆敏，賈 敏，張文杰

(中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島 266000)

皺紋盤鮑足肌熱處理過程中品質變化的動力學初探

王兆琦，薛長湖*，叢海花，孫兆敏，賈 敏，張文杰

(中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島 266000)

熱處理一直是鮑魚加工的關鍵工藝之一。以皺紋盤鮑足肌為樣品，研究60、70、80、90、100℃下水浴加熱640s的過程中，蒸煮損失、顏色和硬度隨時間的動力學變化及規律。結果表明:蒸煮損失隨時間和溫度升高不同程度的遞增，一段時間后趨于穩定，大部分蒸煮損失發生在80s內，遵循一級反應動力學改進模型;時間越長，溫度越高，肉色越偏黃(b*)，色變越大(ΔE)，顏色變化遵循零級反應動力學模型;硬度隨時間先急劇增大，再急劇減小，最后緩慢減小趨于穩定，溫度越高，變化過程越迅速，遵循二級反應動力學模型。綜合考量下，高溫短時間的熱處理有利于獲得高品質的皺紋盤鮑。

皺紋盤鮑，熱處理，動力學，品質變化，顏色

鮑魚隸屬于軟體動物門、腹足綱、前鰓亞綱、原始腹足目、鮑科、鮑屬［1］，是一種經濟價值很高的海珍品，盛行于中國、日本、韓國以及東南亞等國家，我國北方的經濟代表種是皺紋盤鮑(Haliotis discus hannaiIno)［2］。鮑魚主要可食部分是足肌，肉質柔嫩細滑，味道鮮美，營養豐富，肌肉中富含膠原蛋白，對人體有諸多益處。許東暉等［3］研究發現，鮑魚多糖具有抑制小鼠體內腫瘤細胞生長和提高機體抗氧化能力的作用。在鮑魚加工中，適宜的熱處理能有效延長鮑魚的貯藏期，較為常用的是蒸煮，此外還有擠壓、蒸炒、滅菌、紅外、微波等。食品受熱能引起諸多品質的下降，例如營養相關的質量損失、顏色和質構特性的改變等，這些品質會顯著影響消費者的購買。目前針對鮑魚熱處理過程的研究主要集中在質構和感官特性兩方面［4－6］，關于顏色方面的研究資料有限。此外，食品品質研究與動力學模型的結合是有必要的，早在1994年就有學者將零級和一級動力學模型用于肌肉食品的品質研究［7－8］，而關于皺紋盤鮑熱處理過程的品質動力學研究還未被報道。本研究采用聚乙烯袋封口的方法，使整個熱處理過程切丁皺紋盤鮑足肌不與水接觸，減少除熱效應以外的其他因素影響，針對溫度和時間兩個關鍵條件，研究蒸煮損失、顏色和硬度的動力學變化及規律，為熱處理工藝的開發與優化提供理論參考、數據支持和全新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

皺紋盤鮑鮮活 購于青島市南山水產品批發市場，鮮重(99.9±7.3)g，殼長(8.899±0.287)cm，殼寬(5.826±0.318)cm;宰殺去除殼和內臟后鮮重(46.3± 4.7)g。

HH－2型數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;AB135－S電子天平 瑞士METTLER TOLEDO公司;T－200型電子天平 美國雙杰兄弟(集團)有限公司;TMS－PRO型單軸向壓縮和拉伸型質構儀

美國food technology corporation;2073A型歐麗牌多功能食品加工機 上海海廚電器有限公司;RE－2000B型旋轉蒸發器 上海亞萊生化儀器廠;SH2－D(Ⅲ)循環水真空泵 上海申光儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 熱處理 將宰殺好的皺紋盤鮑足肌切丁，大小為10mm×10mm×8mm(長×寬 ×厚)，誤差± 1mm。切丁能縮短樣品內部升溫時間，減小傳熱對動力學研究影響，提高樣品均勻性。將樣品逐個裝入聚乙烯袋封口［9］，放入已升至指定溫度的水浴鍋中，溫度變化控制在±1.0℃內，熱處理結束后于0℃冰水混合物中迅速冷卻至25℃以下。熱處理溫度和采樣時間分別:60℃——0、20、40、80、160、240、320、480、640s;70℃——0、10、20、40、80、160、320、480、640s;80℃——0、10、15、30、80、120、160、320、640s; 90℃——0、5、7、10、40、80、160、320、640s;100℃——0、5、7、10、15、40、80、320、640s。

1.2.2 一般成分含量的測定 水分:參照國標GB/T 5009.3－2010，常壓直接干燥法;總灰分:參照國標GB/T 5009.4－2010，干法灰化—灼燒恒重法;粗脂肪:Folch法［10］;粗蛋白:參照國標 GB/T 5009.5－2010，凱氏定氮法，轉換系數為6.25。測定結果均取3次測定的平均值。

1.2.3 蒸煮損失的測定 用熱處理前后樣品質量差值與處理前質量的百分比來衡量，測定公式見式(1):

其中:m0－熱處理前質量，g;m1－熱處理后質量，g;CWeight－蒸煮損失，%。測定結果取3次測定的平均值。

1.2.4 顏色的測定 顏色采集系統由照明(40cm× 40cm)攝影棚、2只 50Hz20W 節能燈)和成像(NikonD90數碼相機，偉峰FT－6662A型三腳架)兩部分組成［11］。用樣品切面(與足肌面相對)和足肌面的CIE L*、a*、b*以及色變ΔE來衡量，ΔE計算公式見式(2)［12］:

1.2.5 硬度的測定 使用單軸向壓縮和拉伸型質構儀室溫下進行穿刺檢測，用壓縮周期中最大峰處力的大小來衡量。使用圓柱型探頭，直徑2mm。測定程序:探頭速度100mm/min，增加至力大于3000gf時停止。每個樣品選3個不同部位測量，測定結果取9次測量的平均值。

1.2.6 動力學模型及數據分析處理 等溫條件熱處理過程中，食品某一品質隨時間的變化可用以下動力學模型表示，見式(3):

其中，P是時間為t時食品某一品質的指標值，k是反應速率常數，n是反應級數［13］。當n=0、1、2時，對式(3)兩邊求積分，得到以下零級、一級和二級反應動力學模型方程，見式4～式6:

其中，P0是t=0時指標初始值，Pt是t時的指標值［14］。食品某一品質的動力學反應級數是由相關系數R2來確定的［15］，R2越大，說明擬合效果越好。

針對蒸煮損失等指標，一級反應動力學模型改進得到以下轉換分數模型，見式(7):

其中，f是描述時間為t時指標變化量占總變化量的比例，P∞是 t=∞時指標達平衡狀態下的非零值［9，14］。

Arrhenius模型是反映溫度與反應速率常數關系的常用模型，經典表達式為式(8):

其中，k0是指前因子［16］，Ea是反應活化能(kJ/ mol)，R是通用氣體常數(8.314J/(mol·K))，Tabs是絕對溫度(K)。

數據采用Microsoft Office Excel 2010軟件處理，包括錄入和計算等;采用Origin 7.5軟件擬合，包括線性、非線性擬合和動力學模型參數計算等;采用SPSS13.0軟件進行統計學分析，包括方差分析，多重比較使用Ducan法，顯著性水平(p＜0.05，p＜0.01)。

2 結果與討論

2.1 一般成分含量

皺紋盤鮑的一般成分含量及他人測定結果參見表1。

2.2 蒸煮損失的變化

不同溫度下皺紋盤鮑熱處理過程中蒸煮損失的變化參見圖1。隨時間和溫度升高，蒸煮損失不同程度的遞增，統計學分析表明，熱處理溫度(60、70、80、90、100℃)和時間(80、320、640s)對皺紋盤鮑蒸煮損失的大小有極顯著影響(p＜0.01)。這與肖桂花等［4］(皺紋盤鮑)、García－Segovia等［9］(牛肉)、Kong等［14］(三文魚)的研究結果相似。蒸煮損失產生的可能原因是:高溫使肌肉中蛋白質發生熱變性［19］，肌肉收縮，結構破壞，持水能力下降，水等多種物質流出。圖中可見，大部分的蒸煮損失發生在熱處理前80s，各個溫度在這段時間內的蒸煮損失分別占整個過程的80.4%、81.9%、80.0%、83.7%和74.6%。

表1 皺紋盤鮑的一般成分含量(%)Table 1 General composition of Haliotis discus hannai Ino(%)

圖1 皺紋盤鮑5個溫度下熱處理過程中蒸煮損失的變化Fig.1 Cooking loss changes of Haliotis discus hannai Ino during thermal processing at five temperatures

蒸煮損失隨時間先急劇增大，隨后緩慢增大逐漸趨于平衡，各個溫度分別達到7.315%、8.8087%、10.1822%、12.3773%和15.8586%的平衡點，二者關系可用式(9)表示:

蒸煮損失隨時間的變化關系可用公式(7)的轉換分數模型表示，已知CL0=0，得到式(10):

其中，由公式(9)得出，具體參數參見表2。反應速率常數k和熱處理溫度的關系遵循Arrhenius模型。擬合得出反應活化能Ea為10.60 kJ/mol，低于Bertola等［7］(牛肉，54.93kJ/mol)、Kong等［14］(三文魚，36.98kJ/mol)和Lau等［20］(竹筍，50.82kJ/mol)的研究結果。可能的原因是:轉換分數模型對90℃和100℃擬合效果一般;實驗樣品種類、大小不同。指前因子k0為1.97/s，R2為0.928。

表2 皺紋盤鮑5個溫度下熱處理后蒸煮損失的一級反應動力學參數Table 2 First－order kinetic parametersfor cooking loss of Haliotis discus hannai Ino after thermal processing at five temperatures

在工業生產實際中，常用的鮑魚熱處理時間均大于10min，因此該動力學模型具有一定的實際意義。同時，蒸煮損失和樣品大小、形狀等密切相關［21］，以上所得模型公式還有待于進一步的工業實驗校正。為提高經濟效益和節約能源，應盡可能的縮短熱處理時間。

2.3 顏色的變化

圖2 皺紋盤鮑5個溫度下熱處理過程中顏色參數的變化Fig.2 Color parameters changes of Haliotis discus hannai Ino during thermal processing at five temperatures

表3 皺紋盤鮑不同溫度下熱處理后ΔE的動力學參數Table 3 Kinetic parameters for ΔE of Haliotis discus hannai Ino after thermal processing at different temperatures

不同溫度下皺紋盤鮑熱處理過程中顏色參數的變化參見圖2。其中，L*、a*和b*均以熱處理前的值作對照，數據經熱處理前的值與所有熱處理前的平均值比較校正后得出。圖2－A、2－E中，L*隨時間(80、320、640s)的變化均不顯著(p＞0.05)，隨溫度的變化分別為極顯著(p＜0.01)和不顯著(p＞0.05)。皺紋盤鮑內部肉色比足肌面肉色更明亮。圖2－A中，熱處理160s后，溫度越高肉色越明亮。圖2－E中，溫度越高，L*變化越快。研究表明，隨L*增大，肉品品相提高，更能吸引消費者［22］，這樣看來，高溫熱處理更有利于獲得色澤明亮的皺紋盤鮑。圖2－B、2－F中，a*隨時間和溫度的變化分別為極顯著(p＜0.01)和不顯著(p＞0.05)。皺紋盤鮑內部肉色略偏綠，而足肌面肉色偏紅。圖2－B中，皺紋盤鮑經歷“略偏綠－略偏紅－偏綠”的色變過程，并且溫度越高變化越快。圖2－C、2－G中，b*隨時間的變化規律分別為極顯著(p＜0.01)和顯著(p＜0.05)，而隨溫度的變化規律均為極顯著(p＜0.01)。皺紋盤鮑內部肉色偏黃，淺于足肌面肉色。b*隨時間和溫度升高有不同程度的增大，即長時間高溫熱處理會加劇肉色變黃。圖2－D、2－H中ΔE變化也有類似規律，時間越長，溫度越高，色變越大。研究表明，海產食品受熱發生色變的主要原因有:與顏色相關的蛋白變性、色素分解和美拉德褐變反應［23］。皺紋盤鮑中關于前兩者的研究未見報道，但美拉德褐變反應是存在的［24］，本研究主要體現在b*增大上。

分別對切面和殼肌面的ΔE建立分階段動力學模型。R2分析結果表明，零級反應動力學模型擬合效果最好，Arrhenius模型可用于對反應速率常數和溫度關系的描述，具體參數參見表3。綜合看來，高溫短時間的熱處理更有利于獲得色澤良好的產品。

2.4 硬度的變化

不同溫度下皺紋盤鮑熱處理過程中硬度的變化參見圖3。各個溫度下硬度隨時間先急劇增大，再急劇減小，最后緩慢減小趨于穩定。研究表明，硬度增大的原因是肌原纖維相關蛋白變性，發生凝聚，肌肉產生橫向和縱向收縮;硬度減小的原因有肌原纖維相關蛋白解鏈，膠原蛋白溶解，凝膠化為可溶性明膠，肌纖維規則有序的網絡結構瓦解［2，11，19］。兩種作用同時存在，有先后強弱之分，綜合導致上述變化，具體反應機制還有待于對微觀組織結構的進一步研究。通過圖3可知，熱處理640s后，各個溫度下皺紋盤鮑的硬度都比初始時低。主要原因是受熱最終使皺紋盤鮑的肌纖維結構破壞，硬度與鮮活狀態下相比最終降低。食物并不是硬度越低越好，過度的柔軟會降低口感。綜合看來，最佳的熱處理時間應落在階段2或階段3的前半段。

圖3 皺紋盤鮑5個溫度下熱處理過程中硬度的變化Fig.3 Hardness changes of Haliotis discus hannai Ino during thermal processing at five temperatures

根據R2分析結果，二級反應動力學模型對分階段硬度變化擬合效果最好，反應速率常數和溫度關系可用Arrhenius模型描述，具體參數參見表4。由R2可知，Arrhenius模型在階段1和2處擬合效果很好，階段3處擬合效果不好。主要原因是:階段3內硬度隨時間基本不變，即反應基本不發生，k與溫度的關系不明確，擬合效果不好。

3 結論

皺紋盤鮑蒸煮損失隨時間先急劇增大，隨后緩慢增大逐漸趨于穩定，大部分蒸煮損失發生在前80s內，遵循一級反應動力學改進模型，熱處理溫度越高，蒸煮損失越大。熱處理時間對皺紋盤鮑顏色的影響主要體現在b*和ΔE上，時間越長，肉色越偏黃，色變越大，能用零級反應動力學模型良好擬合，熱處理溫度越高，皺紋盤鮑肉色越明亮，越偏黃，色變越大。硬度隨時間先急劇增大，再急劇減小，最后緩慢減小趨于穩定，用二級反應動力學模型能進行良好描述，最終皺紋盤鮑硬度經熱處理后降低，熱處理溫度越高，變化過程越快。

表4 皺紋盤鮑5個溫度下熱處理后硬度的動力學參數Table 4 Kinetic parameters for hardness of Haliotis discus hannai Ino after thermal processing at different temperatures

綜合看來，保證熟化前提下，高溫短時間的熱處理更有利于獲得高品質皺紋盤鮑。在工業生產實際中，溫度、時間的選擇還需和皺紋盤鮑尺寸、滅菌環節、后續加工工藝、生產條件等實際情況相結合，動力學模型的推廣與應用也需要生產實踐的再校正。

［1］朱蓓薇.海珍品加工理論與技術的研究［M］.北京:科學出版社，2010:149－150.

［2］張亞琦.鮑魚的物性學研究及加工工藝探討［D］.青島:中國海洋大學，2008.

［3］許東暉，許實波，王兵，等.皺紋盤鮑多糖抗腫瘤藥理作用研究［J］.熱帶海洋，1999，18(4):86－90.

［4］肖桂華，朱蓓薇，董秀萍，等.熱加工條件對鮑魚腹足部分加工特性的影響［J］.大連工業大學學報，2012，31(1):1－7.

［5］Hatae K，Nakai H，Tanaka C，et al.Taste and texture of abalone meat after extended cooking［J］.Fisheries Science，1996，62:643－647.

［6］Chiou T K，Tsai CY，Lan H L.Chemical，physical and sensory changes of small abalone meat during cooking［J］.Fisheries Science，2004，70(5):867－874.

［7］Bertola N C，BevilacquaA E，ZaritzkyN E.Heat treatment effect on texture changes and thermal denaturation of proteins in beef muscle［J］.Journal of Food Processing and Preservation，1994，18(1):31－46.

［8］Bhattacharya S，Choudhury G S，Studebaker S.Color changes during thermal processing of Pacific chum salmon［J］.Journal of Aquatic Food Product Technology，1994，3(1):39－48.

［9］García－Segovia P，Andrés－Bello A，Martínez－Monzó J.Effect of cooking method on mechanical properties，color and structure of beef muscle(M.pectoralis)［J］.Journal of Food Engineering，2007，80(3):813－821.

［10］Folch J，Lees M，Sloan Stanley G H.A simple method forthe isolation and purification of total lipids from animal tissues［J］.The Journal of Biological Chemistry，1957，226:497－509.

［11］KongF B，Tang J M，Rasco B，et al.Quality changes of salmon(Oncorhynchusgorbuscha)muscle duringthermal processing［J］.Journal of Food Science，2007，72(2):103－111.

［12］鄭元林，楊淑蕙，周世生，等.CIE 1976LAB色差公式的均勻性研究［J］.包裝工程，2005，26(2):48－49.

［13］LabuzaT P，Riboh D.Theory and application of Arrhenius kinetics to the prediction of nutrient losses in foods［J］.Food Technology，1982，36(10):66－74.

［14］Kong F B，Tang J M，RascoB，et al.Kinetics of salmon quality changes during thermal processing［J］.Journal of Food Engineering，2007，83(4):510－520.

［15］Hill C G，Grieger－Block RA.Kinetic data:generation，interpretation，and use［J］.Food Technology，1980，34(2): 56－66.

［16］田瑋，徐堯潤.食品品質損失動力學模型［J］.食品科學，2000，21(9):14－18.

［17］陳煒，孟憲治，陶平.2種殼色皺紋盤鮑營養成分的比較［J］.中國水產科學，2004，11(4):367－370.

［18］袁起新，朱蓓薇，董秀萍，等.鮑魚腹足膠原蛋白的提取及性質研究［J］.大連工業大學學報，2012，31(1):35－39.

［19］Bell J W，Farkas B E，Hale S A，et al.Effect ofthermal treatment onmoisture transport during steam cooking ofSkipjack Tuna(Katsuwonaspelamis)［J］.Journal of Food Science，2001，66 (2):307－313.

［20］Lau M H，Tang J，Swanson B G.Kinetics of textural and color changes in green asparagus during thermal treatments［J］.Journal of Food Engineering，2000，45(4):231－236.

［21］Laroche M.Weightloss during cooking.Its nature andmechanisms［J］.Viandes et produitscarnés，1980，1(1): 26－28.

［22］Resurreccion AV A.Sensory aspects of consumer choices for meat and meat products［J］.Meat Science，2004，66(1):11－20.

［23］Haard N F.Biochemistry and chemistry of color and colorchanges in seafoods.In:Flick G J，Martin R E，editors.Advances inseafood biochemistry:composition and quality［M］.Lancaster，PA:Technomic PublishingCompany Inc，1992，305－360.

［24］NathakaranakuleA，KraiwanichkulW，Soponronnarit S.Comparative study of different combinedsuperheated－steam drying techniquesforchicken meat［J］.JournalofFood Engineering，2006，80(4):1023－1030.

Kinetics of quality changes ofHaliotis discus hannaiIno foot muscle during thermal processing

WANG Zhao－qi，XUE Chang－hu*，CONG Hai－hua，SUN Zhao－min，JIA Min，ZHANG Wen－jie
(Department of Food Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266000，China)

Thermal processing is one of the key technics of abalone process.Cooking loss，color and hardness ofHaliotis discus hannaiIno foot muscles were studied to show kinetics changes and rules at 60，70，80，90，100℃with different time intervals up to 640s in water bath.Results showed that:cooking loss increased with increasing time and temperature in varying degrees.It leveled off after a period of rapid growth and was followed a first－order reaction.Most of cooking loss occurred during the first 80s.The b*and color difference(ΔE)ofHaliotis discus hannaiIno foot muscles were significantly affected by both processing time and temperature，they were observed and followed a zero－order reaction.Hardness first increased rapidly with increasing time，and then decreased rapidly.It finally decreased slowly and tended to a balance.A second－order reaction of kinetics model was used to describe it changes.Higher temperature and shorter cooking could get higher quality ofHaliotis discus hannaiIno.Key words:Haliotis discus hannaiIno;thermal processing;kinetics;quality changes;color

TS254.1

A

1002－0306(2012)21－0085－06

2012－04－25 *通訊聯系人

王兆琦(1989－)，女，在讀碩士，研究方向:食品加工與安全。

國家863計劃項目(2011AA100803);長江學者和創新團隊發展計劃資助。