基于電子鼻技術研究殼聚糖/ε-聚賴氨酸復合膜對中國對蝦的保鮮效果

張 振,柏 韻,郭雪松,李丹丹,*,李 然,*

(1.錦州醫科大學食品科學與工程學院,遼寧錦州 121001;2.沈陽農業大學食品學院,遼寧沈陽 110866)

中國對蝦是中國的特產,是我國分布最廣的對蝦類,在國際市場上廣受歡迎[1]。蝦肉中的蛋白質含量豐富,必需氨基酸指數為72.98%,是高品質蛋白質[2],同時脂肪含量較低。然而,蝦肉中的高蛋白質和含水量使蝦在死后肌肉組織較松軟,自溶作用迅速,新鮮度下降明顯,易發生腐敗,嚴重影響其營養價值和食用性[3],因此,蝦的保鮮問題已經成為人們研究的熱點。殼聚糖是由自然界廣泛存在的幾丁質經過脫乙酰作用后得到的產物,具有良好的成膜性能[4]、抑菌性[5]、安全無毒性[6]等優良性能被廣泛關注,其作為保鮮劑正日益成為果蔬貯藏保鮮研究的熱點。

對蝦在貯藏過程中的氣味變化是評價其鮮度的重要指標之一。傳統的感官評價方法主觀因素較大,精確性低[7]。電子鼻檢測是一種操作簡單、檢測速度快,靈敏度高的技術,主要通過氣味指紋信息對氣體或揮發性成分做定性或定量的檢測,目前在食品領域已得到廣泛應用[8],同時可以對樣品進行多重分析[9]。

本實驗通過響應面確定復合涂膜的最佳配比,同時以空白組和單獨涂膜組進行對比,對中國對蝦進行保鮮。利用電子鼻主成分分析(PCA)方法和線性判別分析(LDA)方法對數據進行處理分析,并且結合感官評價、pH、揮發性鹽基氮值,探究涂膜處理對中國對蝦保鮮的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

中國對蝦 選擇平均體重(15±2) g的中國對蝦，購自中國錦州市大潤發超市,將新鮮的蝦樣在購買后1 h內轉移到實驗室;殼聚糖(脫乙酰度為大于85%,食品級)、卡拉膠 河南洪鑫食化有限公司;ε-聚賴氨酸 山東欣鼎生物科技有限公司;鹽酸、氧化鎂、磷酸三丁酯、硼酸 分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司。

PEN3便攜式電子鼻 德國Airsense公司;FA2004N分析天平 上海精密科學儀器有限公司;DK-98-Ⅱ電子萬用爐 天津市泰斯特儀器有限公司;KQ3200B型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;PHS-3C型精密pH計 上海雷磁儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理 將購買回的中國對蝦冰凍致死,備用。將殼聚糖溶解在含1%冰醋酸的蒸餾水中,然后依次加入卡拉膠和ε-聚賴氨酸,150 W超聲20 min輔助溶解,制成復合保鮮劑。將中國對蝦隨機分成三組,一組為無處理的空白組,其余兩組分別在殼聚糖單獨保鮮劑和復合保鮮劑中浸泡5 min,取出于室溫瀝干,分裝到聚乙烯無菌密封袋中,4 ℃冰箱中貯藏。

1.2.2 TBA測定 準確稱取樣品5～10 g,置于100 mL有蓋三角瓶內,加入25 mL三氯乙酸混合液,振搖半小時。用雙層濾紙過濾,除去油脂,濾液重復用雙層濾紙過濾一次。準確移取上述濾液5 mL置于25 mL比色管內,加入5 mL TBA溶液,混勻,加塞,置于90 ℃水浴內保溫40 min,取出,冷卻1 h,移入小試管內,8000 r/min離心5 min,上清液傾入25 mL納氏比色管中于532 nm波長比色,對照標準曲線y=1.0097x+0.0129得到微克數(同時做空白實驗,用5 mL蒸餾水代替上述濾液置于25 mL比色管中,其余步驟不變)。

1.2.3 響應面實驗設計 通過預實驗得到殼聚糖、ε-聚賴氨酸和卡拉膠最佳添加量,利用Box-Behnken實驗,以三者不同質量分數為考察因子,以貯藏期第1、4、8、12 d硫代巴比妥酸值(TBA)含量的總和作為響應值,建立響應值與考察因子之間的二次多項式回歸模型。

表1 因素水平表

1.2.4 電子鼻檢測 稱取1 g蝦肉,攪碎后置于50 mL小燒杯中,用雙層保鮮膜封口,頂空時間20 min。經預實驗確定的電子鼻參數為:樣品進樣速率300 mL/min,載氣速率300 mL/min,清洗時間60 s,檢測時間60 s。電子鼻傳感器性能描述見表2[10]。

表2 電子鼻傳感器性能描述

1.2.5 pH的測定 稱取1 g剁碎的蝦肉,加入9 mL煮沸后冷卻的蒸餾水,均勻攪拌,靜置 30 min,用pH計測定上清液pH。

1.2.6 揮發性鹽基氮(TVB-N)的測定 參照GB 5009.228-2016食品安全國家標準 食品中揮發性鹽基氮的測定[11],按半微量定氮法測定TVB-N。

1.2.7 感官評定 根據趙海鵬[12]感官評定標準進行改動。評定小組由7人組成(六女一男),蝦的評定項目由體表色澤、氣味、肌肉形態組成,總分值在 9 分(非常新鮮)和0 分(完全腐敗)之間,3分以下為不可接受,具體評分標準見表3。

表3 感官評定評分表

1.2.8 統計分析 數據表示為平均值,做三次平行。使用Box-Behnken響應面設計、Winmuster、SPSS軟件進行分析。顯著性p<0.05。

2 結果與分析

2.1 響應面實驗

2.1.1 二次多項式回歸模型的建立及顯著性檢驗 利用Design-Expert 8.0.6進行響應面設計,以儲藏期內TBA含量總和(Y)為響應值,響應面實驗結果如表4所示,對表進行回歸分析,得到回歸方程Y=0.705-0.328A-0.582B-0.829C+0.025AB+0.086AC+1.7137BC+0.086A2+0.835B2+1.345C2。

表4 響應面實驗設計結果

2.1.2 響應面分析與優化 為檢驗回歸方程有效性,對回歸模型進行方差分析和顯著性檢驗,結果如表5所示,F模型=23.10,p=0.0002<0.01,說明回歸模型差異顯著,回歸方程相關系數R2=0.9674,實驗誤差小,而方程的失擬項F值=0.8,p=0.5559>0.05差異不顯著,該二次回歸模型是適當的,與實際實驗擬合較好,用該模型適合優化復合涂膜對中國對蝦品質變化的影響。對各實驗指標進行顯著分析,A、B、C、BC、A2、C2均有極顯著差異(p<0.01)。

表5 響應面回歸方程方差分析表

三維(3D)響應曲面可以作為回歸方程的圖形來表示,用于確定變量的最優值,并被廣泛用于更好地理解所考慮范圍內變量之間的相互作用[13]。如圖1(a)所示,當ε-聚賴氨酸質量分數為0、卡拉膠處于一定水平時,TBA值先隨殼聚糖濃度的增加而降低,然后逐漸增大。這可能是由于殼聚糖在蝦殼上形成了保護膜,阻礙了部分氧和微生物,使得脂肪氧化速率和微生物代謝減少,隨著貯藏期的增加,細菌繁殖能力增強,使得TBA的含量不斷上升。如圖1(b)所示,當卡拉膠膠質量分數為0、殼聚糖質量分數達到一定水平時,隨著ε-聚賴氨酸質量的增加,TBA總量先減少后增加,這是由于ε-聚賴氨酸具有廣譜抗菌活性,細胞壁完整性和微生物蛋白質合成受到破壞,最終導致細胞死亡,但ε-聚賴氨酸不具有良好的抗氧化性,小分子(醛、酮、酸等),脂肪氧化程度增加。圖1(c)顯示當殼聚糖質量分數為0、ε-聚賴氨酸質量分數達到一定水平時,隨著卡拉膠含量的增加,TBA含量先降后升,膜性能先隨著卡拉膠添加量的增加而增加,水蒸汽透過率和細胞呼吸作用減弱,但添加量超過一定量后膜性能下降,脂肪氧化率增加,導致TBA值升高。

圖1 響應面實驗曲面圖

2.1.3 確定復合涂層的最佳比例 通過Design-Expert V 8.0.6分析的結果顯示,復合涂膜的最佳配方為殼聚糖1.81 g/L,卡拉膠0.19 g/L,ε-聚賴氨酸0.13 g/L。在這個條件下,進行驗證實驗。三次實驗結果的平均值為0.3028 mg/mL,與預測值0.3007 mg/mL接近,模型可靠。

2.2 電子鼻檢測

2.2.1 電子鼻傳感器響應值變化分析 如圖2所示,三中處理方法的響應值在60 s內均可達到穩定,不同處理方法的響應值均有明顯不同,說明中國對蝦在貯藏過程中的氣味變化可以用電子鼻PEN3系統檢測。圖2為三種處理方法在貯藏第13 d時，對中國對蝦氣味檢測的雷達圖,如圖3所示,傳感器7(W1W)、傳感器9(W2W)和傳感器2(W5S)響應值較明顯。雷達圖可以直觀地表示不同涂膜處理的差異,其中空白組的響應值最大,說明在貯藏期內空白組中的中國對蝦有大量揮發性物質產生,氣味明顯。復合涂膜組的響應值少于殼聚糖單獨涂膜,說明涂膜均可有效地抑制揮發性物質產生,且復合涂膜效果優于單獨涂膜。

圖2 電子鼻對3種涂膜處理的響應曲線

圖3 電子鼻對3種涂膜處理的雷達圖

2.2.2 不同涂膜處理對蝦的電子鼻響應值的PCA分析 圖4為貯藏13 d時,不同涂膜處理對中國對蝦的PCA分析的響應值。第1主成分貢獻率為99.37%,第2主成分貢獻率為0.35%,兩者之和達到99.72%,數據有效可靠。涂膜處理組均與空白組距離較遠,說明在貯藏期間空白組中的揮發性成分與涂膜組有明顯區別,但圖中復合組和殼聚糖組之間有部分重合,說明主成分分析并不能完全將此兩種方法區分開,因此還需要進行LDA分析。

圖4 不同涂膜處理對中國對蝦的PCA分析

2.2.3 不同涂膜處理對蝦的電子鼻響應值的LDA分析 圖5為貯藏13 d時不同涂膜處理對中國對蝦的LDA分析,如圖5所示,各處理組之間距離較遠,沒有任何重疊,說明LDA分析可以更好的區分三種處理方法,在貯藏期間不同處理組的揮發性物質有一定的區別。第1、第2貢獻率之和達到99.89%,數據可靠。

圖5 不同涂膜處理對中國對蝦的LDA分析

2.2.4 Loadings分析 Loadings分析是對不同傳感器的貢獻率進行分析,對電子鼻各傳感器重要性進行判別[14]。傳感器的響應值越接近原點(0,0),則該傳感器的識別作用基本可以不計;當傳感器的響應值距原點越遠,則該傳感器的識別性能越強[15]。圖6為貯藏13 d時空白組Loadings分析圖。如圖6可知,總貢獻率為99.72%,其中傳感器W1W(無機硫化物)和W2W(有機硫化物)對第一主成分貢獻率較大,W5S(氮氧化合物)和W3C(氨水)傳感器對第2主成分貢獻率較大。研究表明[16]中國對蝦隨著貯藏期的增加,微生物作用明顯,蝦肉中的蛋白質等發生降解,一些揮發性物質隨之產生,其中三甲胺、硫化氫、氨氣等物質尤為突出,這與電子鼻檢測結果一致,說明可以用電子鼻技術監測和檢驗中國對蝦貯藏期內揮發性物質。

圖6 中國對蝦的Loadings分析

2.3 感官評價

研究顯示,pH的變化可以有效地反映對蝦的新鮮度[17]。由圖7可知,新鮮對蝦的pH在7左右,隨貯藏天數的增加,pH呈先下降后上升的趨勢,其中空白組下降最明顯,這是由于蝦肉中生成乳酸等酸性物質[18],而復合涂膜處理延緩了這一反應。隨著時間繼續增加,pH開始增加,這是因為蝦肉中的堿性物質開始增多,肌肉中的蛋白質等含氮物質開始被分解成三甲胺、吲哚、組胺等物質[19]。三組處理方法中,復合涂膜組的pH升高得最為緩慢,說明涂膜處理可以有效地延緩蝦肉中各物質的變化,使對蝦呈現較好的品質。

圖7 中國對蝦貯藏期間pH變化

揮發性鹽基氮是水產品新鮮度鑒定的最有效方法之一[20]。根據國標GB 2733-2015,鮮、凍動物性水產品衛生標準[21],海水魚、蝦中揮發性鹽基氮的可接受值低于30 mg/100 g。從圖8可知,三個實驗組中的TVB-N值都呈現上升趨勢,但復合涂膜組在前5 d上升幅度較小,其次是殼聚糖組,空白組上升最明顯,說明涂膜處理可以延緩蛋白質分解,在復合組中添加的ε-聚賴氨酸抑菌和卡拉膠增加了膜的抑菌性和機械性,使得保鮮效果更好。從數據上看,空白組早第9 d超出標準,殼聚糖組和復合組分別在第11 d和第13 d超出標準,延長保質期2～4 d。

圖8 中國對蝦貯藏期間TVB-N變化

如圖9所示,貯藏期間中國對蝦感官品質逐漸下降,其中空白組下降最明顯。根據感官評分表,分數低于3分被認定為不可接受。空白組在第9 d達到2.9分,殼聚糖組在第11 d到達3.1分,接近不可接受值,復合涂膜組在第13 d的評分為2.9分。殼聚糖成膜后在對蝦表面形成保護,有效地降低蝦肉中揮發性物質的產生,使蝦的氣味與空白組相比有較好的感官評分,復合組中加入了ε-聚賴氨酸阻礙了微生物的繁殖,卡拉膠可以增強膜的性能,因此復合涂膜比殼聚糖單獨涂膜更有效果。

圖9 中國對蝦貯藏期間感官評價變化

3 結論

通過響應面實驗得到復合膜的最佳配比為:復合涂膜的最佳配方為殼聚糖1.81 g/mL,卡拉膠0.19 g/mL,ε-聚賴氨酸0.13 g/mL。此條件下TBA含量為0.3028 mg/mL。

電子鼻檢測方法中,通過PCA和LDA兩種方法對貯藏期間的中國對蝦響應值進行分析,其中PCA方法殼聚糖組和復合組有小部分重疊,并不能完全區分三個處理組。而LDA則顯示三種處理方法可以被有效區分,說明LDA方法更有益于用來檢測中國對蝦中揮發性物質變化。采用Loadings負荷加載方法分析,總貢獻率為99.72%,其中傳感器W1W(無機硫化物)和W2W(有機硫化物)對第一主成分貢獻率較大,W5S(氮氧化合物)和W3C(氨水)傳感器對第2主成分貢獻率較大。

感官評價、pH和揮發性鹽基氮的實驗結果表明,三種處理方法之間有明顯區別,這與電子鼻檢測結果一致,說明電子鼻系統可以用來評價對蝦的新鮮程度。其中復合涂膜處理可以更有效地對中國對蝦進行保鮮,與空白組相比可將保質期延長4 d。