凡納濱對蝦肉糜凝膠動力學模型研究

李曉龍，袁莉莉，劉書成，解萬翠，吉宏武，毛偉杰

（廣東省水產品加工與安全重點實驗室，廣東普通高等學校水產品深加工重點實驗室，廣東海洋大學食品科技學院，廣東湛江524088）

凡納濱對蝦肉糜凝膠動力學模型研究

李曉龍，袁莉莉，劉書成，解萬翠，吉宏武，毛偉杰*

（廣東省水產品加工與安全重點實驗室，廣東普通高等學校水產品深加工重點實驗室，廣東海洋大學食品科技學院，廣東湛江524088）

為了研究蝦肉糜的凝膠特性，改善蝦肉腸的品質，研究了凡納濱對蝦肉糜在低溫凝膠化后，高溫加熱過程中蝦肉糜的凝膠強度、失水率、白度及蛋白質組成變化，并在此基礎上探索蛋白質組成和蝦肉糜凝膠強度度之間的關系，繪制了升溫曲線，建立了蝦肉糜凝膠一級反應動力學模型。結果表明，升溫的過程中，凝膠的強度和白度有不同程度的提高，失水率呈先降低后升高的趨勢，鹽溶性蛋白質和水溶性蛋白質含量降低，而不溶性蛋白質的含量升高；蝦肉糜的實際升溫曲線和用公式預測的升溫曲線有很高的擬合度；凝膠率在80%之前，符合一級動力學方程，但凝膠形成約80%后，形成速率明顯減小，不再符合一級動力學方程。

凡納濱對蝦，肉糜，蛋白質，凝膠，動力學模型

凡納濱對蝦是我國養殖量最大的蝦品種，其蛋白含量高，營養豐富[1]。但我國對蝦多以鮮售和冷藏為主，深加工產品較少。近年來，隨著蝦肉腸產品的面市，蝦肉腸產業化成為蝦深加工的重要方向之一。目前，蝦肉腸的品種較少，而且還存在硬度和彈性差等問題。凝膠化是蝦肉腸加工中的一個重要環節，直接關系到蝦肉腸的質構品質。凝膠化過程中，蛋白質發生變性，自身結構被破壞[2]。凝膠化過程受到很多因素的影響，例如體系的溫度、pH、離子強度和蛋白質濃度等。Atchara[3]研究了不同的加熱溫度和時間對蝦肉糜膠特性的影響。國外有研究表明，肉糜采取二段加熱的方式，先在0～40℃的條件下放置一定時間，然后再進行高溫加熱，可以形成與直接高溫加熱相比，更具彈性和強度的凝膠[4]。目前，關于低溫靜置過程，已經證明是轉谷氨酰胺酶催化的肌球蛋白質交聯反應[5]。但是，關于蝦肉糜凝膠化過程的高溫加熱部分研究的還較少。

動力學模型已廣泛應用于食品的加工過程中。動力學模型常用來描述或預測加工過程中，食品中因素成分的變化，以此來優化加工條件。對于魚蝦等水產品，動力學的研究主要集中在蛋白變性[6]、水分含量變化[7]等方面，但關于蝦肉糜加工過程中凝膠化動力學研究較為少見。

本文研究了蝦肉糜凝膠化高溫加熱過程中，蝦肉糜的凝膠強度、失水率、白度及蛋白質組成的變化，并嘗試建立凝膠形成率和時間變化的一級反應動力學模型，為預測和控制蝦肉腸的品質提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷凍凡納濱對蝦蝦仁 購于國聯水產有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、氯化鉀、氯化鈉、尿素、2-巰基乙醇等 均為分析純。

HR286型飛利浦三合一攪拌器 珠海經濟特區飛利浦家庭電器有限公司；SGY-35型手壓灌裝機 惠利機械有限公司；HH.S21-6型恒溫水浴鍋 上海躍進醫療器械廠；VX5000R型無紙記錄儀 杭州盤古自動化系統有限公司；TMS-PRO型質構儀 美國FTC公司；WSC-S型色差儀 上海物理光學儀器廠；TGL-20M型高速臺式離心機 湛江裕鑫實業有限公司；FA2004型電子分析天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蝦肉糜凝膠的制備 將冷凍蝦仁從冷庫中取出，自然解凍至半解凍狀態。然后于碎肉機中斬拌1min，加入3%食鹽，繼續斬拌2min至混合蝦肉糜呈乳白色粘稠狀。將混合蝦肉糜灌裝至直徑3cm聚乙烯腸衣中，兩端扎緊。在30℃恒溫水浴鍋中保溫60min，然后在90℃水浴鍋中加熱，每隔10℃取出一份樣品，冰水冷卻后，放在4℃冰箱中放置過夜，備用。

1.2.2 凝膠強度的測定方法 將制備好的樣品從4℃冰箱中取出，放置至室溫，剝去腸衣，將其切成30mm長的圓柱體。破斷力和硬度由質構儀測定，探頭直徑為5mm，穿刺速度78mm/s。每組實驗重復6次，實驗結果為6次測定結果的平均值。

破斷力（N）：穿刺曲線上的第一個峰值；凝膠形成率：假定蝦肉糜的最終破斷力為100，將中間過程的破斷力和最終破斷力的比值稱為凝膠形成率。

1.2.3 白度的測定 將魚糜凝膠切成5mm薄片，用色差儀測定樣品的L*，a*和b*值（重復6次，取平均值）[8]，白度計算公式如下：

其中：L*—黑色（0）到亮色（100）；a*—紅色（60）到綠色（-60）；b*—黃色（60）到藍色（-60）。

1.2.4 失水率的測定 將樣品切成厚5mm薄片并稱質量M1，下面放3張濾紙，上面放兩張濾紙，用5kg重物壓2min，取出樣品稱重得M2。失水率按下式計算，每個樣品重復6次取平均值[9]。

1.2.5 蛋白質的分離及測定 分離參考Hashimoto[10]的方法，略有修改。稱取3g樣品，加入30mL緩沖液A（15.6mmol/L Na2HPO4，3.5mmol/L KH2PO4，pH7.5），10000r/min均質2min后，7000r/min離心30min。重復上述操作三次，收集上清液，加入10倍體積的5%的三氯乙酸沉淀，得到的即為水溶性蛋白質；向離心得到的沉淀中加入30mL緩沖液B（0.45mol/L KCl，15.6mmol/L Na2HPO4，3.5mmol/L KH2PO4，pH7.5），10000r/min均質2min后，7000r/min離心30min。重復上述操作三次，收集上清液，即得鹽溶性蛋白；沉淀為不溶性蛋白。

蛋白質的測定方法參照GB 5009.5-2010。

1.2.6 數據處理 應用JMP軟件對實驗結果進行統計分析，結果以平均值表示。

1.2.7 凝膠動力學模型的建立 將無紙記錄儀的探針插入樣品中心，深度為1.5cm。儀器每隔兩秒自動測試中心溫度，整個測定時間為30min。測試完后繪制升溫曲線。

1.2.7.1 蝦肉糜中心溫度方程的建立 為了模擬圓柱體的導熱過程，假設有一個半徑為a，高為b的有限圓筒，以圓筒的軸為Z軸，軸的中點為原點，建立圓筒的直角坐標系[11]。

蝦肉腸中心溫度的公式為：

式中，熱傳導率k=5.2×10-3（J/cm·s·℃）；比熱C= 3.6（J/g·℃）；密度ρ=1.06（g/cm3）；蝦肉糜的熱擴散率通過熱傳導率、比熱、密度計算α=0.136（cm2/s）。

1.2.7.2 凝膠形成率的計算方法 假設，蝦肉糜加熱過程中，蛋白質的變化過程如圖1所示。

圖1 熱處理過程中蛋白質的變化Fig.1 The change of protein during heating

Zayas等[12]對凝膠化過程進行了如下描述，魚糜兩段加熱過程中，第一步是蛋白質變性過程，第二步是蛋白質重組過程。可以看做，xPN→xPD→（PD）N，其中：x代表蛋白質的數量，PD代表天然蛋白質，PD代表變性蛋白質。蝦肉糜凝膠化過程中，蛋白質也經歷了變性-交聯的過程。對于第二步的高溫加熱過程，本研究做了如下的假設。如圖1所示，A～C過程是蛋白質通過共價鍵交聯的過程；C～D過程為部分蛋白質在高溫下發生了熱變性，蛋白質之間通過非共價鍵更加緊密的聯系在一起。參考Gossett[13]對雞蛋加熱過程建立的動力學模型，在本研究中建立中做如下假設：

a.將凝膠過程視為一級化學反應過程，如式（4）所示。

一級動力學方程基礎方程式：

其中熱變性前凝膠開始形成時的蛋白質濃度設為C0，蛋白質變性后的凝膠濃度為C，初期條件：t=0，C=C0。

根據Arrhenius方程，凝膠形成速率：

式中，A為指前因子，Ea為活化能（假定不隨溫度發生變化）、R是理想氣體常數（8.314J/mol·K），T為熱力學溫度。

b.破斷力代表蝦肉糜質構特性的重要指標，具有代表性。因此以蝦肉糜破斷力作為凝膠形成速率指標，表示凝膠形成過程。

1.2.7.3 A和Ea推測方法 指前因子A和反應活化能Ea決定了反應速率k，本文采用黃金分割法對其進行推測。首先假定一個A值，通過Fortran語言進行編程計算后，計算凝膠形成率的變化，然后將計算值和實際測得值比較，再用另外假定的A值進行計算并計算出誤差，反復計算后，得出A的最小值，Ea在30～100kJ/mol范圍內取值，分別計算，確定誤差最小時的A和Ea值。

2 結果與分析

2.1 升溫過程中蝦肉糜硬度的變化

圖2 蝦肉糜破斷力及溫度的變化趨勢Fig.2 The temperature and breakforce model of minced shrimp during heating

圖2描繪了蝦肉糜升溫過程中，樣品硬度的變化趨勢。蝦肉糜的硬度大致經歷了三個階段的變化：a.蝦肉糜在30～40℃時，蝦肉糜為黏糊狀，硬度無法檢測到；b.40～70℃時，樣品的硬度有顯著的提高（p＜0.05）；c.70～90℃時，樣品的硬度變化不明顯（p＞0.05）。在升溫過程中，蝦肉糜經歷了從無規則糊狀物，到具有良好的硬度的凝膠體的過程。

低溫靜置后，蝦肉糜經過凝膠化過程形成了三維結構，但是水分大多以體相水形式存在，使得樣品無法成型，依舊為膠粘的糊狀。加熱初期，蝦肉糜硬度顯著增加（p＜0.05），這可能與內源性轉谷氨酰胺酶的催化作用有關。轉谷氨酰胺酶在45℃左右時具有最高活性，它可以催化轉酰基反應，促進蛋白質之間的交聯，蛋白質原有的疏水性結構被破壞，更緊密的結合在一起，從而提高了蛋白質的凝膠性能。溫度繼續升高，蛋白質熱變性加劇，肌原纖維蛋白原有的晶格結構被破壞，蛋白質重新交聯，從而導致蝦肉糜內部結構固定更加緊密，硬度增加。在升溫過程中經歷了凝膠劣化的溫度區間，凝膠是否發生劣化還需進一步研究。

2.2 蝦肉糜升溫過程中白度及失水率變化趨勢

由表1可以看出，蝦肉糜的升溫過程中，蝦肉糜的亮度逐漸增加，顏色隨溫度的升高向紅、黃方向變化，樣品的白度逐漸升高，且在40～60℃和90℃時變化較快，中間過程的變化較緩慢。這說明，高溫加熱對提高蝦肉糜的亮度有顯著作用。

表1 升溫過程白度的變化Table 1 The variation of whiteness during heating

圖3 升溫過程中失水率的變化Fig.3 The variation of the water loss rate during heating

對失水率進行分析可得，70℃之前，樣品的失水率較低，高于70℃時，失水率顯著上升（p＜0.05）。蝦肉糜中存在蛋白質-蛋白質、蛋白質-水兩種作用力。溫度較低時，蛋白質通過二硫鍵交聯，形成的三維結構將水包裹在其中。溫度繼續升高時，蛋白質-蛋白質間的作用加劇，水被擠出而導致了失水率的增高[14]。失水率的變化趨勢符合對蝦肉糜高溫過程做出的兩段式假設。

2.3 蝦肉糜升溫過程中蛋白質種類及含量變化

圖4描述了蝦肉糜升溫過程中，不同溫度時鹽溶性蛋白、水溶性蛋白及不溶性蛋白的含量（以干基計）的變化趨勢。如圖4所示，凡納濱對蝦肌肉中的蛋白質以鹽溶性蛋白居多，含量高達67.63%，其次是水溶性蛋白和不溶性蛋白，含量分別為26.29%、6.08%。低溫靜置后，鹽溶性蛋白質含量顯著下降（p＜0.05），不溶性蛋白質含量顯著上升（p＜0.05），這表明低溫靜置過程中，鹽溶性蛋白質部分發生變性轉變為了不溶性蛋白質。高溫加熱過程中，蝦肉糜的鹽溶性蛋白質和水溶性蛋白質含量都呈下降的趨勢，與此同時，不溶性蛋白質含量上升。高溫加熱過程中，鹽溶性蛋白和水溶性蛋白質都發生了部分變性，轉變為不溶性蛋白質。通過與蝦肉糜凝膠硬度比較可以發現，隨著不溶性蛋白的增多，蝦肉糜凝膠硬度也有了相應的提高。

圖4 蝦肉糜升溫過程中蛋白質組成的變化Fig.4 The variation of the protein composition during heating

2.4 蝦肉糜凝膠過程動力學模型

2.4.1 蝦肉糜升溫曲線 由圖5可以看出，經30℃60min凝膠化過程后的蝦肉糜，在90℃的水浴鍋中加熱時，升溫速度先較為緩慢，然后急劇增加，在加熱時間為10min時，中心溫度已經接近90℃。利用式（4）計算得到的升溫曲線與蝦肉糜實際升溫曲線有很高的擬合度。

圖5 蝦肉糜的升溫曲線Fig.5 The heating curve of minced shrimp

2.4.2 凝膠動力學模型 將圖1轉化為凝膠形成率曲線，如圖6所示。

圖6 凝膠形成率變化趨勢Fig.6 The trend of gel forming rapid during heating

從圖6可以看出，在凝膠形成率為80%之前，反應符合一級動力學方程。之后，凝膠形成速率低于計算值。黃金分割法解析結果證明Ea為96kJ/mol，A為8.2×1013時誤差最小。將其代入式（5），得凝膠形成速率隨溫度變化的方程為，

綜上所述，蝦肉糜高溫加熱過程中，凝膠形成速度分為兩個階段。第一個階段為凝膠率在80%之前，這個過程中凝膠形成速率較快，實際凝膠形成率與預測值具有較高的擬合度，符合一級動力學方程，升高溫度可以縮短這段時間。凝膠形成約80%后，形成速率明顯減小，不再符合一級動力學方程。這一段的反應模式還需要進一步分析。

3 結論

蝦肉糜升溫過程中，理化性質發生了很大變化。隨著升溫的進行，樣品的硬度和白度呈不斷增加的趨勢；樣品的失水率在70℃時顯著增加，之后隨著溫度的增加變化不顯著（p＞0.05）；蝦肉糜的鹽溶性蛋白質和水溶性蛋白質含量總體下降，不溶性蛋白質含量上升。

經數學分析，凝膠形成率為80%之前，符合Arrhenius方程，之后凝膠形成率則低于預測值，形成這一變化的原因還需進一步的研究。蝦肉糜加熱過程中，經過了劣化溫度，此過程中蝦肉糜有沒有發生劣化值得進一步探討。

[1]盧光濤，何緒剛，斃世同，等.南美白對蝦肌肉品質評價[J].水產漁業，2008，28（4）：10-11.

[2]Wonnop V，Soottawat B，Siriporn R.Changes in composition and functional properties of proteins and their contributions to Nham characteristics[J].Meat Science，2004，66：579-588.

[3]Atchara T，Soottawat B，Wonnop V.Gelling properties of white shrimp（Penaeus vannamei）meat as influenced by setting condition and microbial transglutaminase[J].Food Science and Technology，2007，40：1489-1497.

[4]Theofania T，Efimia D，Maria G.Shelf life modelling of frozen shrimp at variable temperature conditions[J].LWT-Food Science and Technology，2009，42：664-671.

[5]劉麗媛，謝晶，勵建榮.預測南美白對蝦品質變化的動力學模型的建立[J].食品工業科技，2009，30（6）：278-280.

[6]Dima J B，Baron P J，Zaritzky N E.Mathematical modeling of the heat transfer process and protein denaturation during the thermal treatment of Patagonian marine crabs[J].Journal of Food Engineering，2012，113：623-634.

[7]Darvishi H，Farhang A，Hazbavi E.Mathematical Modeling of Thin-Layer Drying of Shrimp[J].Global Journal of Science Frontier Research，2012，12（3）：82-89.

[8]楊賢慶，李來好，周婉君.提高鯪魚魚糜凝膠特性的研究[J].湛江海洋大學學報，2003，23（4）：25-29.

[9]祖海珍.轉谷氨酸胺酶對大豆分離蛋白和肌原纖維混合蛋白成膠性的影響[D].南京：南京農業大學，2005.

[10]Hashimoto K，Watabe S，Kono M，et al.Muscle protein composition of sardine and mackerel[J].Bulletin of the Japanese Society of Scientific Fisheries，1979，45：1435-1441.

[11]西元淳一，鈴木英昌.サメ肉すり身加熱中における伝熱とゲル強度について[J].水産ねり製品技術研究會誌，1989（9）：537-544.

[12]Zayas，Joseph F.functionality of proteins in foods[M].USA：Dept.of Foods and Nutrition，1997：310-320.

[13]Gossett P W，Rizvi，Baker R C.Quantitative Analysis of Gelation in Egg Protein System[J].Food Technology，1984，38（5）：67-96.

[14]楊芳，潘思軼.大豆蛋白凝膠復合體系水分狀態的研究進展[J].食品科學，2008，29（10）：680-684.

Study on modelling of forming kinetic of Vannamei shrimp mince gel

LI Xiao-long，YUAN Li-li，LIU Shu-cheng，XIE Wan-cui，JI Hong-wu，MAO Wei-jie*
（Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety，Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution，College of Food Science and Technology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

The objective of this study was to investigate the gel property of shrimp sausages and improve its quality.Gel strength，water loss rate，whiteness and protein composition during heating were studied.On this basis，the relationship between protein composition and gel strength of shrimp mince was explored.Temperature curve was also drawn，while a dynamic model was made upon gel formation rate.Results showed that，gel strength and whiteness were increased in some degree.Water loss rate decreased during heating from the begining，then had a slight change，following a rise in the end.The percentage of salt-soluble protein and water-soluble protein dropped off during the whole processing，while the water-insoluble protein increased. The fitting degree between the actual temperature curve and the predicted one was high.Before 80%of gel was formated，the kinetic equation was complied well.However，when the gel formation rate was above 80%，the rate of gel formation was reduced significantly，and no longer met the equation.

Vannamei shrimp；minced；protein；gel；dynamic model

TS254.1

A

1002-0306（2014）08-0149-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.08.025

2013－08－21 *通訊聯系人

李曉龍（1989-），男，碩士研究生，研究方向：水產品加工及貯藏工程。

國家蝦產業技術體系建設（CARS-48）；廣東海洋大學校選課題（121344）。