魚肉制品嫩化工藝優化及表面微觀結構觀察

鉏曉艷,鄒開封,李　新,耿勝榮,廖　濤,葉麗秀,王偉瓊,熊光權,*

(1.湖北省農業科學院,農產品加工與核農技術研究所,湖北省農業科技創新中心,湖北武漢 430064;2.潛江市龍灣鎮水產技術服務中心,湖北潛江 433139)

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鉏曉艷1,鄒開封2,李新1,耿勝榮1,廖濤1,葉麗秀1,王偉瓊1,熊光權1,*

(1.湖北省農業科學院,農產品加工與核農技術研究所,湖北省農業科技創新中心,湖北武漢 430064;2.潛江市龍灣鎮水產技術服務中心,湖北潛江 433139)

為保持工業生產中淡水魚肉制品的嫩度,本文以鲌魚為對象系統研究了復合磷酸鹽、CaCl2和木瓜蛋白酶對魚肉剪切力的影響,運用響應面分析法優化嫩化工藝,并通過掃描電鏡觀察嫩化前后魚肉表面微觀結構的變化。結果表明,復合磷酸鹽濃度(0.8‰～1.6‰)、CaCl2濃度(1.0‰～2.0‰)和木瓜蛋白酶濃度(1.0‰～2.0‰)可顯著降低鲌魚肉剪切力。響應面分析結果顯示,影響魚肉剪切力的各因素主次順序為CaCl2>復合磷酸鹽>木瓜蛋白酶;最優嫩化劑組合為:復合磷酸鹽1.3‰、CaCl21.6‰、木瓜蛋白酶1.5‰,嫩化后魚肉的剪切力為0.073 kg/mm,與對照組魚肉相比顯著降低;掃描電鏡結果顯示,嫩化1.0 h后魚肉肌纖維間連接物減少,肌纖維膨脹,并出現裂紋,嫩化效果明顯。

鲌魚,嫩化,響應面法,掃描電鏡

鲌魚(Culteralburnus)為鲌亞科鲌屬上等經濟魚類,又名翹嘴鲌、白魚、大白刁等,其肉味鮮美、體型較大、易于加工,主要分布于黑龍江、黃河、長江、珠江等水系的干、支流及其附屬湖泊中[1]。一直以來,相關科研人員的研究工作集中在育種和運輸方面,而在調理加工技術研究上重視不夠[2-3]。肉的嫩度是肌原纖維蛋白和結締組織蛋白物理及生化狀態的反映[4],其中剪切力是評價肉品嫩度的重要指標之一[5]。魚肉經工業化加工后嫩度下降,一定程度上限制了名優魚加工產業的發展。目前肉質品的嫩化方法中鹽離子法和蛋白酶法受到關注較多[6-7],相關研究集中在實現了大規模工業化生產的牛肉[6,8]和豬肉[9-11]制品上,但復合嫩化效果的研究較少,在淡水魚肉制品上的研究應用也尚未見報道。本文以鲌魚為研究對象,研究復合磷酸鹽、CaCl2及木瓜蛋白酶對魚肉剪切力及彈性的影響,運用響應面法優化嫩化工藝,通過掃描電鏡對嫩化前后的魚肉微觀結構進行觀察,以期建立保持鲌魚加工前后魚肉嫩度的方法,為提高名優淡水魚調理品品質,實現工業化生產提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮鲌魚(個體大小和重量均勻,平均體重0.75 kg左右)、鹽和味精購于湖北省武漢市中百超市;木瓜蛋白酶(酶活6000 U/mg)購于廣西南寧龐博生物工程有限公司;焦磷酸鈉、聚磷酸鈉、偏磷酸鈉和CaCl2等均為食品級,購于湖北武漢泰晟生物科技有限公司。

TA-XTPlus型食品物性測試儀英國Stable Micro System公司;QUANTA掃描電鏡美國FEI公司。

1.2實驗方法

1.2.1原料處理選用鲌魚背部肉,去頭尾、腮鱗、內臟和魚皮,清洗后剔除原料中魚刺,將魚肉切成1.5 cm×1.5 cm×4 cm(長×寬×高)的條塊,清洗后用鹽1.0%(w/w)和味精0.2%(w/w)腌制1 h后進行嫩化實驗。

1.2.2嫩化單因素實驗將預處理后的質量相同的魚肉放入袋中,每袋20 g。按表1分別進行處理,當添加其中一種嫩化劑時,其他兩種嫩化劑使用量為0。嫩化劑及其用量范圍參考相關文獻[9-11],用量范圍符合GB2760-2014[12],20 ℃腌制1 h,裝袋后抽真空,-40 ℃速凍30 min取出,于-20 ℃冷庫冷藏12 h,浸水解凍30 min,汽烹3 min,冷卻后制樣。用TA-XTPlus型食品物性測試儀測定魚肉剪切力,并輔以彈性指標。以不加嫩化劑的組別作為對照。

表1　單因素實驗設計

1.2.3復合嫩化劑響應面實驗考慮到生產成本和單因素實驗中不同嫩化方法對魚肉的嫩化效果,本研究將復合磷酸鹽、CaCl2和木瓜蛋白酶進行復配(用量范圍符合GB2760-2014食品安全國家標準 食品添加劑使用標準[12])。以復合磷酸鹽濃度(X1)、CaCl2濃度(X2)、木瓜蛋白酶濃度(X3)3個因素作為多因素交叉組合實驗的考察因素,采用Box-Behnken設計,以剪切力為響應值,利用Design-Expert 8.0.6Trial軟件對實驗數據進行分析處理,以獲得最佳嫩化劑組合。每一個自變量的低、中、高實驗水平分別以-1、0、1進行編碼,實驗因素編碼表見表2。樣品處理后,裝袋抽真空,-40 ℃速凍30 min取出,于-20 ℃冷庫冷藏12 h,之后浸水解凍30 min,汽烹3 min,冷卻后制樣,測定魚肉剪切力。

表2　實驗因素水平編碼表

1.2.4剪切力和彈性測定剪切力:TA-XT plus質構儀,探頭:BSK,模式:hot dog,探頭下行速度:2.0 mm/s,探頭返回速度:10.0 mm/s,下行距離:25 mm。樣品厚度:15 mm,每組6個重復。彈性:TA-XT plus質構儀,探頭P/36R,模式TPA,測試前速度2.0 mm·s-1,測試速度:1.0 mm·s-1,測試后速度:1.0 mm·s-1,強度75%。

1.2.5掃描電鏡觀察對最優嫩化劑組合嫩化后的魚肉進行掃描電鏡觀察,以未嫩化魚肉為對照。取魚肉樣品,順著紋理切成1 cm×2 cm×2 mm的長方形小塊,根據Kim HW等法[13]進行固定、脫水和再固定處理,冷凍干燥24 h后按肌肉紋理橫切。將樣品送武漢大學測試中心用掃描電鏡(QUANTA)進行觀察。樣品用雙面膠粘于樣品臺上,用離子濺射器鍍鉑膜,膜厚度約為100 ?。測試條件為加速電壓10 kV,能量分辨率:Mn kα132 eV,放大倍數300倍,觀察并拍照具有代表性的表面微觀結構。

1.3數據處理

使用Microsoft Excel和Design-Expert 8.0.6 Trial進行數據處理及分析。運用ANOVA作方差分析。結果表示為平均值±標準偏差。

2　結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1復合磷酸鹽對魚肉剪切力和彈性的作用磷酸鹽是一種保水劑,可增加肉制品的持水性,改善肉的嫩度[14]。實驗選取復合磷酸鹽的配比為焦磷酸鈉∶三聚磷酸鈉∶偏磷酸鈉=3∶2∶2。根據圖1結果,復合磷酸鹽對魚肉的剪切力和彈性都有影響,隨著復合磷酸鹽濃度的升高剪切力值先增后降,在復合磷酸鹽濃度為0.8‰～1.6‰范圍內剪切力值較小,可能由于多聚磷酸鹽提高了肌動球蛋白的解離,加快了魚肉肌原纖維中的肌球蛋白和肌動蛋白溶解,使魚肉的持水性增加[6],嫩度增加,該結果與豬牛肉嫩化效果相似[7,10]。彈性值則隨著濃度的增加先增后趨于平緩,且彈性值越大,剪切力值越小,嫩化效果越好。由于復合磷酸鹽濃度為0.8‰～1.6‰時,肉樣剪切力較低彈性較高,因此選擇濃度0.8‰、1.2‰、1.6‰進入下一步實驗。

圖1　復合磷酸鹽濃度對魚肉剪切力和彈性的影響Fig.1　Effect of compound phosphate concentration on shearing force and springiness of CA samples

2.1.2CaCl2對魚肉剪切力和彈性的作用CaCl2對鈣激酶具有激活作用,一定濃度的Ca2+可促進魚肉中鈣激酶的活化,鈣激酶可導致橫紋肌的肌原纖維崩裂,從而使肌節部位斷裂,實現肉的嫩化[7,15]。由圖2結果可知,經CaCl2溶液處理后魚肉的剪切力與未處理組有較大差異,處理后魚肉剪切力值明顯降低,且隨著CaCl2濃度的增加剪切力呈下降趨勢,該結果與豬肉嫩化效果一致[9]。在CaCl2濃度3.0‰時,剪切力最低為0.076 kg/mm,但與CaCl2濃度1.0‰～2‰時的剪切力差異不顯著。在CaCl2濃度0.5‰～2.0‰范圍內,隨著濃度升高,彈性呈上升趨勢,當CaCl2的濃度為1.0‰、1.5‰和2.0‰時,彈性基本相當且達到最大值0.311,繼續提高CaCl2的濃度,肉的彈性反而大幅下降。CaCl2在1.0‰～2.0‰范圍時,肉樣剪切力最低且彈性最高,因此選擇1.0‰、1.5‰、2.0‰進行響應面實驗。

圖2　CaCl2濃度對魚肉剪切力和彈性的影響Fig.2　Effect of CaCl2 concentration on shearing force and springiness of CA samples

2.1.3木瓜蛋白酶對魚肉剪切力和彈性的作用木瓜蛋白酶是半胱氨酰基蛋白酶,可水解肉類的纖維蛋白和膠原蛋白,令肌肉肌絲和筋腱絲斷裂[16],使肉變得嫩滑。根據圖3結果,木瓜蛋白酶對鲌魚具有顯著的嫩化效果,當木瓜蛋白酶濃度小于1.5‰時,魚肉剪切力隨木瓜蛋白酶濃度的增加而明顯下降,當木瓜蛋白酶濃度為1.5‰時,剪切力值最低,可達(0.063±0.021) kg/mm。過高的木瓜蛋白酶濃度,使肌動球蛋白和結締組織過度降解造成肌肉的超微網狀結構遭到破壞,導致失水,嫩度下降[9]。魚肉的彈性值隨木瓜蛋白酶濃度的升高整體呈上升趨勢,當木瓜蛋白酶用量為2.0‰～2.5‰時,彈性最佳。由于木瓜蛋白酶在1.0‰～2.0‰范圍內,肉樣的剪切力較低彈性較大,因此選擇1.0‰、1.5‰、2.0‰作為響應面實驗的低、中、高實驗水平。

圖3　木瓜蛋白酶濃度對魚肉剪切力和彈性的影響Fig.3　Effect of papain concentration on shearing force and springiness of CA samples

2.2嫩化工藝響應面法優化

以復合磷酸鹽濃度(X1)、CaCl2濃度(X2)、木瓜蛋白酶濃度(X3)3個因素作為多因素交叉組合實驗的考察因素。由于剪切力是評價肉品嫩度的重要指標,也是本研究單因素實驗中的主指標,因此響應面Box-Behnken設計中選剪切力為響應值。利用Design-Expert8.0.6Trial軟件對實驗數據進行分析處理,以獲得最佳嫩化劑組合。實驗設計方案及結果見表3。

表3　響應面分析實驗設計方案與結果分析

2.3回歸模型方差分析

表4　響應面數據方差分析及回歸模型評估

注:**表示極顯著(p<0.01),*表示顯著(p<0.05)。

方差分析結果表明(表4),各因素對鲌魚嫩化效果的影響大小順序依次為：CaCl2濃度>復合磷酸鹽濃度>木瓜蛋白酶濃度。剪切力與復合磷酸鹽濃度、CaCl2濃度、木瓜蛋白酶濃度的標準三元二次回歸方程為:Y=0.072-0.005625X1-0.00725X2-0.002625X3-0.001X1X2-0.00075X1X3+0.0055X2X3+0.008825X12+0.015X22+0.007825X32。由表4可知,響應面回歸模型達到極顯著(p<0.01),失擬項不顯著(p>0.05),說明模型所擬合的二次回歸方程能正確反映剪切力Y與X1、X2和X3之間的關系,回歸模型可較好對優化實驗中的各種實驗結果進行預測[17]。決定系數R2為0.9617,說明模型的擬合度較好,剪切力的實際值與預測值間具有較好的擬合相關性。顯著性檢驗結果表明,復合磷酸鹽濃度、CaCl2濃度的一次項,復合磷酸鹽濃度、CaCl2濃度、木瓜蛋白酶濃度的二次項對剪切力均有極顯著影響(p<0.01),CaCl2與木瓜蛋白酶的交互作用對響應值(剪切力)有顯著影響(p<0.05)。

2.4響應面圖分析

響應面圖的顏色從藍色到紅色的變化表示剪切力從小到大的變化,變化越快表示坡度越大,即對實驗結果的影響更為顯著[18]。對復合磷酸鹽濃度、CaCl2濃度、木瓜蛋白酶濃度3因素進行兩兩交互作用分析,得到交互因子的響應面曲面圖(圖4),比較響應面圖可知,在所選范圍內存在極值,即響應面最低點。通過分析,得出復合嫩化劑嫩化魚肉的最佳組合是復合磷酸鹽濃度1.33‰、CaCl2濃度1.62‰、木瓜蛋白酶濃度1.55‰,在此條件下,剪切力的理論值為0.070 kg/mm。為進一步驗證響應面分析法的可靠性,采用最優理論值的修正條件(CaCl21.3‰、復合磷酸鹽1.6‰、木瓜蛋白酶1.5‰)嫩化魚肉,在此條件下,得剪切力的實際值為0.073 kg/mm,與理論值誤差為4.28%;與未嫩化的魚肉剪切力值相比,降低了0.133 kg/mm,嫩化作用明顯。

圖4　各因素交互作用對鲌魚肉的剪切力影響的響應面圖Fig.4　Response surface plot of interaction factors of three extraction conditions on shearing force of CA samples

2.5嫩化前后魚肉表面微觀結構觀察

肌肉微觀結構包括肌纖維的直徑、密度、肌纖維間組織等。用最優嫩化劑組合(CaCl21.3‰、復合磷酸鹽1.6‰、木瓜蛋白酶1.5‰)對鲌魚肉進行嫩化0.5～1.0 h,然后以未嫩化組為對照進行橫切面掃描電鏡觀察。結果由圖5可見,嫩化前肉質緊實,肌纖維分明,纖維間隙和纖維間連接物明顯(圖5a);嫩化0.5 h后的魚肉肌纖維膨脹,纖維間隙受到擠壓,纖維間連接物減少(圖5b),這跟肉眼觀察到的嫩化后魚肉塊變大結果相印證。嫩化1.0 h后,魚肉肌纖維出現大量裂紋、纖維間連接物進一步消失(圖5c)。這可能與鈣激酶促進肌纖維溶解及木瓜蛋白酶降解肌纖維間連接物的綜合作用有關[11,19]。就本實驗結果而言,嫩化時間與嫩化效果呈正相關,處理1.0 h可顯著提升魚肉半成品嫩度與口感。

圖5　鲌魚魚肉表面微觀結構觀察(300×)Fig.5　Surface microstructure of CA meat by SEM(300×)注:(a)嫩化0.0 h(對照);(b)嫩化0.5 h;(c)嫩化1.0 h。

3　結論

復合磷酸鹽、CaCl2和木瓜蛋白酶對于鲌魚魚肉均有一定嫩化作用,超聲波處理對魚肉也有嫩化作用,但其嫩化效果不如離子法和酶法,且操作成本較高。響應面分析結果表明影響魚肉剪切力的各因素主次順序為CaCl2>復合磷酸鹽>木瓜蛋白酶。最佳嫩化工藝為:復合磷酸鹽1.3‰、CaCl21.6‰、木瓜蛋白酶1.5‰,在此工藝條件下魚肉的剪切力值為0.073 kg/mm,與對照組魚肉相比,剪切力值顯著降低。嫩化1.0 h后魚肉肌纖維間連接物減少,肌纖維持水力增強、并出現裂紋,嫩化效果明顯。

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Tenderizing process optimization and surface morphology observation on meat ofCulteralburnus

ZU Xiao-yan1,ZOU Kai-feng2,LI Xin1,GENG Sheng-rong1,LIAO Tao1,YE Li-xiu1,WANG Wei-qiong1,XIONG Guang-quan1,*

(1.Institute for Farm Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology,Hubei Academy of Agricultural Sciences,Hubei Innovation Center of Agricultural Science and Technology,Wuhan 430064,China;2.Qianjiang City Longwan Town Aquatic Technology Service Center,Qianjiang 433139,China)

Culteralburnus(CA)were used to examine the tenderizing effects of compound phosphate,calcium chloride and papain by shearing stress in order to maintain the tenderness of semi-finished products from fresh water fish. Response surface methodology(RSM)and scanning electron microscope(SEM)were applied to optimize the tenderizer conditions and observe the surface microstructure of CA samples. The results showed that shearing force of CA samples was decreased significantly and the concentration of phosphate,calcium chloride and papain were 0.8‰～1.6‰,1.0‰～2.0‰ and 1.0‰～2.0‰ respectively. According to the results of RSM,the order influenced was chloride calcium(CaCl2)>phosphate>papain,the optimum composition of phosphate 1.3‰,CaCl21.6‰ and papain 1.5‰ was determined. Shearing force of CA samples was decreased to 0.073 kg/mm with optimum composition. In the case of surface microstructure results,the connective tissues in tenderized 1.0 h meat were less than it in the controls. Moreover,enlarged myofiber with cracks were observed on tenderized CA meat. In conclusion,obvious improvements on the meat tenderness were presented by the tenderizers at optimum composition.

Culteralburnus;tenderization;response surface methodology;scanning electron microscopy

2016-02-17

鉏曉艷(1981-)，女，博士，副研究員，研究方向：食品科學，E-mail:oriswa@sina.com。

熊光權(1965-)，男，大學本科，研究員，研究方向：淡水產品深加工，E-mail:xiongguangquan@163.com。

湖北省重大科技創新計劃(2015ABA038)；湖北省科技支撐計劃(2014BBA158)；湖北省農業科技創新中心項目(2016-620-000-001-036)；國家科技支撐計劃(2014BAA03B05)。

TS254.4

B

1002-0306(2016)16-0259-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.043