超聲輔助凝膠化對鰱魚糜凝膠特性的影響*

李斌，陳海琴，趙建新，范大明，黃建聯，高文華，陳衛，張灝

1(江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫，214122)

2(福建安井食品股份有限公司，福建廈門，361022)

3(南京先歐儀器制造公司，江蘇 南京，210000)

鰱魚是我國重要的4種淡水魚之一，具有易飼養、成長快、成本低等特點。但由于鰱魚肉質風味不及其他淡水魚，其常被用來加工成魚糜制品。凝膠強度是評價魚糜及其制品的重要指標，國內外關于提高魚糜凝膠強度的方法研究有很多，目前常用的主要包括外源添加物添加和加工工藝的優化。其中，外源添加物又分為:(1)對魚糜凝膠網絡形成有促進作用的物質，如微生物 Tgase［1］、淀粉［2］、植物油［3］等;(2)魚糜中對凝膠網絡有解聚作用的物質的抑制劑，如蛋白酶抑制劑［4］。通過添加外源物雖然在一定程度改善了魚糜凝膠強度，但存在添加量控制的問題，而且添加物本身有可能帶來一定的食品安全問題。加工工藝的優化主要有漂洗工藝的優化［5］、超高壓輔助凝膠化［6］、微波法［7］等。超聲波作為近年來發展迅速的一種高新技術，在食品中的應用越來越廣泛。超聲在食品加工中得以廣泛應用主要是基于超聲的機械效應、溫熱效應、理化效應(彌散作用、觸變作用、空化作用等)，這些效應不僅能顯著改善食品的理化特性，而且超聲波輔助加工技術具有效率高、能耗低等特點。有學者［8］發現，超聲輔助豬肉腌制可以顯著改善腌制豬肉的質構并促進鹽液在豬肉中的傳質，縮短腌制時間。目前關于利用超聲來輔助提高魚糜凝膠強度的研究還很少［9］，且超聲輸出設備內聲場分布的測定、不同聲功率強度的超聲波對魚糜凝膠特性的影響至今仍未見報道。

為此，本文測定了超聲波輸出設備中的聲場分布，并以鰱魚糜為實驗對象，研究了不同聲功率強度的超聲波對魚糜凝膠的凝膠強度、持水率、白度及微觀結構的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

斬拌機，上海申發機械有限公司;灌腸機，雙馬機械公司;電子分析天平，上海精密科學儀器有限公司;雙槽恒溫水浴鍋、超聲波輸出設備(800W，20KHz)，南京先歐儀器制造公司;超聲波聲功率強度測定儀，杭州成功超聲設備有限公司;D-78532型高速冷凍離心機，德國Hettich公司;TA-XT2i質構分析儀，英國Stable Micro System公司;UltraScan Pro1166色差儀，美國Hunterlab公司;冷凍干燥系統，美國LABCONCO公司;S-4800場發射掃描電子顯微鏡，日本日立柱式會社。

1.2 實驗方法

1.2.1 設備內聲場的測定

在超聲波輸出設備中建立坐標系，所建坐標系如圖1所示。用超聲波聲功率強度測定儀測定每個坐標點的聲功率強度，分3次測定，求平均值后用origin作出設備內選定平面的超聲波聲功率強度分布圖。

圖1 超聲輸出設備內坐標系的建立Fig.1 The coordinate system for the ultrasonic output device

1.2.2 魚糜凝膠的制備和超聲波處理

將冷凍鰱魚糜經4℃解凍至半解凍狀態，解凍后用溫度計測量魚漿表面溫度不得高于10℃或中心溫度不高于-3℃。取解凍好的魚糜，稱取500 g，用斬拌機進行斬拌。先空斬2 min，添加3%的食鹽后鹽斬5 min。在斬拌過程中打漿筒始終處于冰水浴中，間隔1 min停止斬拌，翻動魚糜防止持續產熱，保持魚漿溫度在12℃以下。按照物料水分含量計算加水量，將每組魚糜樣品的終水分均調至78%。將斬拌好的魚漿充填于φ 40 mm×25 mm的圓柱體鋁盒中，開口端用蓋子封閉。采用二段式加熱對魚糜凝膠化，即40℃凝膠化20 min，90℃凝膠化30 min，制得魚糜凝膠。在40℃凝膠化處理過程中，放置在超聲輸出設備中用超聲輔助凝膠化的為實驗組(由聲場分布圖中選出不同聲強的6個位置)，同等條件下在水浴中凝膠的為對照組。本文中超聲組和對照組處理時間皆為20 min，超聲處理過程中向設備中加入適量冰水，同時從設備出水口放出等量水，以確保設備中水浴溫度始終維持在(40±1)℃。超聲處理時用不同聲功率強度的超聲處理。

1.2.3 凝膠強度的測定

參考Benjakul等［10］的方法，從鋁盒中取出魚糜樣品用質構儀測定熟化魚糜的破斷力和凹陷深度(用球形探頭 P5/S，測定速度1 mm/s，測定深度15 mm)。凝膠強度由破斷力和凹陷深度的乘積求得。每組至少測定5個平行樣求平均值。

1．教材體系的新變化。(1)凸顯教材的多功能性。由于化學課程與教學論形成了一些分支并獨立成書后如果不開設選修課，就弱化了本教材的功能，造成學生認知機構的不完整。為此，把獨立出去的分支教材《化學教學論實驗》《化學微格教學》《化學教學測量與評價》《化學學習論》等與《化學課程與教學論》再回歸為一本，發揮教材的多功能性。(2)教材體例的新變化。在每一章都設置了一些欄目。如:每一章前面用“思維導圖”進行引導，使學生瞬間可瀏覽到一個清新直觀的網絡圖，概覽整章的知識脈絡，增加對教材知識的概括性理解。

1.2.4 持水率的測定

參考Chung等［11］的方法。將制得的魚糜切成2 mm厚的薄片并稱重，測得質量為m1，用濾紙將魚糜包裹后放入離心管中，離心力5 000 g下離心20 min后稱量經離心后的魚糜切片的質量為m2，持水率計算:

1.2.5 白度的測定

白度值與L*、a*、b*有關，其中L*為樣品的亮度;a*表示樣品的紅綠值，+a*表示樣品偏紅，－a*表示樣品偏綠;b*表示樣品的黃藍值，+b*表示樣品偏黃，－b*表示樣品偏藍。參照Benjakul等［9］的方法，將樣品切成5 mm厚的圓柱體，用色差儀在室溫下測定熟化魚糜的L*、a*、b*，計算熟化魚糜的白度值:

1.2.6 掃描電鏡(SEM)分析

將制備好的魚糜樣品切成1～2 mm的薄層，用2.5%的戊二醛固定過夜。固定后的樣品用0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 7.2)漂洗數次，然后依次用體積分數30%、50%、70%、80%、90%的乙醇溶液梯度漂洗脫水，脫水后的樣品用LABCONCO冷凍干燥系統凍干。凍干后的樣品用日立S-4800場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的結構。

2 結果與討論

2.1 超聲輸出設備內的聲場分布

超聲處理條件不同，對魚糜凝膠特性的影響也不同，而超聲輸出設備中不同位置的聲功率強度可能不同，其處理效果也不同，因此測定了設備中的聲場分布，結果見圖2。

圖2 超聲輸出設備內聲場分布圖Fig.2 The acoustic field in the ultrasonic output device

從圖2可以看出，設備內各坐標點的聲功率強度明顯不同，分布在0.40～0.99 W/cm2。設備邊緣處的聲強相對較弱，中間區域的聲強相對較強，這與設備內超聲換能器的分布位置相關。超聲換能器是超聲輸出設備中將高頻電能轉換為機械能(即超聲波)的裝置，設備中的超聲波由其傳遞至工作槽，一臺超聲輸出設備中有多個換能器，位于設備底部，由不銹鋼鋼板與工作槽隔開。實驗中所用超聲設備中的換能器位于底部中間區域，所以設備中間區域的聲強較大，而邊緣區域聲強較小。

2.2 超聲波聲功率強度對凝膠強度的影響

凝膠強度是評價魚糜凝膠特性的一個重要指標。為了探討不同超聲條件對魚糜凝膠特性的影響，魚糜超聲處理時放置于設備中不同區域，測定了不同聲功率強度的超聲波處理對魚糜凝膠強度的影響，結果見圖3。

圖3 不同聲強的超聲處理對魚糜凝膠的影響Fig.3 The effect of ultrasound with different acoustic intensity on the breaking force，deformation and gel strength of surimi gels

由圖3可以看出，聲功率強度較小的超聲處理對魚糜凝膠的破斷力、破斷距離和凝膠強度3個指標無顯著影響，當聲功率強度達到0.49 W/cm2及以上時，這3個指標才有所改善。且在0.49～0.85 W/cm2間隨著聲功率強度的增加，3個指標皆呈增加趨勢。魚糜的破斷力主要反映蛋白質分子間的緊密程度，破斷距離則主要表征蛋白質分子間作用力的強弱程度［9］。比較超聲對破斷力和破斷距離的影響程度可以看出破斷力隨聲功率強度的變化與破斷距離隨聲功率強度的變化相當。以聲功率強度0.85 W/cm2為例，相比于對照組，超聲處理的魚糜凝膠破斷力提高了10.93%，破斷距離提高了9.76%。由此可以推斷超聲對魚糜凝膠特性的影響表現在對凝膠蛋白質分子間緊密程度和分子間作用力強弱的提高。本文中0.85 W/cm2的超聲處理與對照組相比，凝膠強度提高了21.10%，改善效果沒有達到預期，可能是0.85 W/cm2的超聲處理強度較低。

2.3 超聲波對魚糜持水率的影響

為了進一步探討超聲條件對魚糜其他凝膠特性的影響，測定了不同聲功率強度的超聲處理對魚糜凝膠持水率的影響，結果見圖4。

圖4 不同聲強的超聲對魚糜凝膠持水率的影響Fig.4 The effect of ultrasound with different acoustic intensity on the water-holding capacity of surimi gels

由圖4可以看出當超聲波聲功率強度達到0.49 W/cm2及以上時，超聲處理的魚糜凝膠的持水率較對照組有所提高，且隨著聲功率強度的增加，魚糜持水率呈增加趨勢。而當超聲波聲功率強度較小時，超聲處理對魚糜凝膠的持水率無顯著影響。此趨勢與2.2中超聲對魚糜凝膠強度的影響幾乎相同。這說明魚糜凝膠的持水能力與凝膠強度是密切相關的，二者都反映了魚糜凝膠性能的優劣。凝膠性能好的魚糜樣品，凝膠中的蛋白間相互作用充分，形成的凝膠網絡結構更加致密均勻，水分可以被更好的束縛在凝膠網絡結構中，所以其持水能力也更好，魚糜的凝膠特性也更好。

2.4 超聲波對魚糜白度的影響

白度反映了魚糜制品的色澤，與產品的感官品質有很大關聯。為此考察了不同聲功率強度的超聲處理對魚糜凝膠L*、a*、b*及白度的影響，結果見表1。

由表1可以看出，與對照組相比，不同聲功率強度的超聲處理對魚糜亮度L*和黃色度b*幾乎沒有影響，而對紅色度a*有顯著影響，超聲處理的魚糜凝膠的紅色度與對照組相比更低，紅色度的變化主要是由于肉中高鐵肌紅蛋白的含量以及變化引起的［12］，而在超聲空化效應下，魚糜凝膠中的肌紅蛋白更容易發生氧化作用生成高鐵肌紅蛋白，而更多高鐵肌紅蛋白的生成會導致紅色度a*的減小［13］。魚糜凝膠的白度主要與亮度L*有關，本文中所用聲功率強度超聲處理對魚糜凝膠白度無顯著影響，表明低功率強度的超聲處理對魚糜的白度無不利影響。

表1 超聲波對魚糜色度的影響Table 1 The effect of ultrasound on the chrominance of the surimi

2.5 超聲波對魚糜凝膠超微結構的影響

魚糜凝膠的超微結構反映了凝膠網格結構的致密性和均勻性，凝膠強度高的魚糜凝膠有致密度和均勻度更高的網格結構［14-16］。因此我們考察了聲功率強度為0.85 W/cm2的超聲波處理對魚糜凝膠超微結構的影響，放大倍數為5 000倍，結果見圖5。

圖5 魚糜凝膠的微觀結構Fig.5 The microstructure of surimi gelation

由圖5可以看出，2個魚糜樣品的微觀結構存在著較明顯的差異，超聲處理過的樣品比對照樣的致密度和均勻度更好，而對照組樣品凝膠結構孔洞較多。這在一定程度上解釋了0.85 W/cm2的超聲波處理過的樣品的凝膠強度和持水率都較對照組要高的原因。凝膠網格結構致密度和均勻度更好的魚糜對水分子的束縛作用更強，持水率也會因此增加［17］。由此推斷在超聲波的機械效應、空化效應下，魚糜凝膠中的肌原纖維蛋白分子間的交聯作用較對照組更充分，使得魚糜凝膠的網格結構更加致密、均勻，對網格結構中的水分束縛作用更強，這可能是0.85 W/cm2的超聲波處理的樣品的持水率較對照組高的原因。

3 結論

(1)超聲波輸出設備內各點的聲功率強度值與換能器的位置相關，越靠近換能器的位置，其聲功率強度值越大。

(2)不同聲功率強度的超聲波對鰱魚糜凝膠特性影響不同，當聲功率強度達到0.49 W/cm2及以上時，超聲波對魚糜的凝膠強度、持水率才有一定程度的改善，且在本研究中的最高聲功率強度0.85 W/cm2范圍內，隨著聲功率強度的增加，改善效果呈增加趨勢。超聲對魚糜凝膠的白度無顯著影響，不影響產品的色澤。

(3)聲功率強度為0.85 W/cm2的超聲對魚糜凝膠的超微結構有影響，其處理的魚糜凝膠的致密度和均勻度較對照組更好，表明超聲可以增強鰱魚糜凝膠的網格結構。

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