不同干燥方式下沙丁魚干燥特性的比較

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(1.生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,渤海大學食品科學與工程學院,遼寧錦州 121013;2.浙江興業集團有限公司,浙江舟山 316101;3.杭州海關,浙江杭州 310007;4.中國計量大學生命科學學院,浙江杭州 310018;5.浙江工商大學食品與生物工程學院,浙江杭州310018;6.中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266100)

沙丁魚是全球重要的海洋經濟魚類之一,主要有歐洲沙丁魚(Sardinapilchardus)、遠東擬沙丁魚(Sardinopssagax)、南美擬沙丁魚(Sardinopssagax)、金色小沙丁魚(Sardinellaaurita)等品種[1-4]。沙丁魚的營養價值豐富,含有大量的優質蛋白和鈣、磷、鐵等礦質元素,其肉質緊實、細嫩,魚油中富含多不飽和脂肪酸如DHA(docosahexaenoic acid)、EPA(eicosapentanoic acid)等,因而對健康十分有益[5-6]。多年來,沙丁魚被用做水產品罐頭加工的主要原料[7-8],除此之外還用于制成魚粉飼料以及提取魚油用于制造油漆,顏料以及人造奶油等。

干燥技術是最古老的食品保存方法之一,食品在傳統空氣干燥脫水的過程中,干燥過程會使產品品質發生脂肪氧化酸敗、微生物污染等不良的變化,新型的干燥方法使食品干燥過程加速的同時還可以減少經濟損失[9]。在水產品干制方面,一般使用真空冷凍干燥法、微波干燥法和低溫冷風干燥法等[10]。近年來,國內外研究者分別采用熱風干燥、真空微波干燥、真空冷凍干燥、熱泵干燥、超臨界CO2干燥以及聯合干燥等方法進行了大量研究[11-13],高昕等[14]用不同干燥方式研究鮑魚的組織結構及流變特性,發現熱風可以代替傳統的干燥方式。張常松等[15]用微波真空干燥方式研究了波紋巴非蛤肉并與熱風做了對比,發現在干燥速度與感官比微波真空比熱風好。沙丁魚作為豐富的海洋魚類資源之一,通常制作成罐頭或用傳統風干的方式制作成沙丁魚干進行銷售,為了提高傳統干燥方式干燥的沙丁魚品質,采用新型的干燥方式具有良好的前景。

因此,本研究以沙丁魚為試驗材料,采用冷風、熱風、微波真空、微波真空聯合冷風、微波真空聯合熱風的方式對沙丁魚進行干燥研究,比較不同干燥方式對干燥后沙丁魚肉質的影響,借助電鏡掃描、質構、核磁、拉曼等手段來探討不同方式對沙丁魚干燥后色澤、水分、肌肉纖維、蛋質二結構的影響,以期為生產實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮活的沙丁魚 購買于遼寧錦州水產批發市場;蘇木素伊紅染液試劑盒 北京索萊寶科技有限公司;戊二醛、甲醛、無水乙醇 均為分析純。

YH-100低溫循環干燥設備 大連中通食品機械有限公司;DHG-9145A鼓風干燥箱 上海恒科技術儀器有限公司;CR-400色彩色差計 日本KONICA MINOLTA公司;TA-XT PLUS質構儀 英國 STABLE MICRO SYSTEMS公司;NMI 20核磁共振成像儀 上海紐邁電子科技有限公司;Nikon80i顯微鏡 日本尼康公司;S-4800場發射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM) 日本日立公司;LabRAM HR Evolution拉曼分析儀 法國HORIBA Jobin Yvon公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 沙丁魚樣品預處理 將沙丁魚鮮樣去頭去內臟清洗干凈,每條的質量為(27±3) g,初始含水率為80%±1%。將處理好的沙丁魚分別進行熱風干燥((Hot-air,HA)、冷風干燥(Cold-air,CA)、微波真空干燥(Microwave vacuum,MV)、熱風微波真空干燥(Hot air microwave vacuum,HM)、冷風微波真空干燥(Cold air microwave vacuum,CM)。鮮樣及五種干燥方式得到的沙丁魚分別進行色差、質構、低場核磁、顯微鏡、掃描電鏡、拉曼指標的測定,每個指標三個平行。

1.2.2 干燥方式 每種干燥方式的條件根據文獻[11-15]并稍作改動,不同的干燥方式干燥速度不一樣,則取樣時間不同,每種方式干燥后的沙丁魚最終濕基含水率為20%±2%,干燥后的含水率的控制根據每次取樣稱重的質量計算濕基含水率來判斷,當含水率遠低于20%±2%時則視為棄樣。以鮮魚作為對照。

1.2.2.1 熱風干燥 將處理好的沙丁魚樣品用吸水紙將表面水分吸干,沒有水滴滴下后放進50 ℃的恒溫干燥箱內,采取單層均勻擺放,每次的干燥量為6條魚,每隔2 h取一次樣稱重。

1.2.2.2 熱風微波真空干燥 處理好的魚放進50 ℃的恒溫干燥箱內單層均勻擺放,干至含水率為60%±2%后放入功率為400 W,真空度為0.09 MPa的微波真空干燥箱內單層擺放,每次的干燥量為6條魚,前期熱風每隔1 h取一次樣稱重,后期每隔30 s取一次樣稱重。

1.2.2.3 冷風干燥 將處理好的沙丁魚放在冷風干燥箱內的樣品篩上,單層均勻擺放,參數設置:溫度上限20 ℃,溫度下限15 ℃,開機時間30 min,化霜時間3 min,風速1.5 m/s,每次的干燥量為6條魚,每隔8 h取一次樣稱重,快結束時2 h取一次樣稱重。

1.2.2.4 冷風微波真空 將處理好的沙丁魚放在冷風干燥箱內的樣品篩上,參數設置:溫度上限20 ℃,溫度下限15 ℃,開機時間30 min,化霜時間3 min,風速1.5 m/s,干至含水率為60%±2%后放入功率為400 W,真空度為0.09 MPa的微波真空干燥箱內繼續干燥,每次的干燥量為6條魚,前期8 h取一次樣稱重,后期每30 s取一次樣稱重。

1.2.2.5 微波真空 將處理好的魚放在微波真空箱的專用樣品托盤上,均勻單層擺放,放入功率為400 W,真空度為0.09 MPa的微波真空干燥箱干燥,每次的干燥量為6條魚,每1 min取一次樣稱重。

1.2.3 含水率的測定 將處理好的魚放入108 ℃的電熱鼓風箱中干燥,使魚體烘干至恒重,計算濕基含水率。濕基含水率按下列公式進行計算:

濕基含水率(%)=(m - m1)×100/m

其中m為物料初始的質量,m1為干燥一段時間物料的質量。

1.2.4 色差測定 用色差儀進行測定,色差儀首先進行校對后使用。然后選取魚背部肌肉,色差儀與肌肉垂直,最下端與肌肉相距1 cm,測定其亮度值L*、紅綠值a*、黃藍值b*。

1.2.5 質構測定 取不同干燥方式的魚的同一部位,切成約為3 cm×3 cm×2 cm的小塊,質構儀下壓2次。參數設置:采用P/0.5 s的探頭,測試前速度(pre-test speed)1.00 mm/s,測試速度(test speed)1.00 mm/s,測試后速度(post-test speed)1.00 mm/s;樣品壓縮形變量30%,感應力(trigger force)0.49 N,2次壓縮時間間隔為5 s;數據的采集速率為200.00 pps[16]。

1.2.6 低場核磁測定 取直徑約為10 mm,高度約為15 mm的魚背部肉塊置于核磁管的底部,放入磁場中心位置的射頻線圈的中心進行T2(弛豫時間)采集。用核磁成像儀分析軟件中的CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測定橫向弛豫時間,參數設置:SF1=22 MHz,O1=912.3423,P90=15 us,P180=30 us,TD=40026,SW=100.000 kHz,D3=80 us,TR=3500 ms,NS=8,T=250.00 us,每個樣3個平行,測完后用核磁共振T2反演軟件進行T2反演得到T2反演譜[17]。

1.2.7 顯微鏡觀察 將樣品切成與樣品托一樣大小,用膠水固定在樣品托上在-20 ℃下冷凍30 min,用冷凍切片機切成10 μm厚的薄片,置于載玻片上,用蘇木素伊紅染液進行染色后用光學顯微鏡觀察[18]。

1.2.8 冷場掃描電鏡 樣品切成3 mm×3 mm×1 mm的大小,放入4∶1配方混合的pH為7,0.1 mol/L的磷酸緩沖液中,該緩沖液中含體積分數為3%的戊二醛和2%的甲醛,在4 ℃的條件下浸泡24 h,將固定好的樣品依次放入體積分數為30%、50%、70%的乙醇溶液中,每個梯度分別脫水15 min后再依次放入體積分數為80%、90%、100%的乙醇溶液中,每個梯度脫水30 min,其中體積分數為100%乙醇溶液脫水3次。樣品置于通風櫥中風干后噴金觀察,電鏡分析加速電壓為3 kV[19]。

1.2.9 拉曼光譜分析 用手術刀切取魚背部的一小塊肉約10 mm×10 mm×2 mm,并將切好的樣品放置在樣品臺上,調整好光源選取要掃描的部位關掉光源進行拉曼掃描。

1.3 數據處理

結果與分析采用Excel 2010、Origin 8.5和SPSS軟件對數據進行統計處理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式對魚肉色差的影響

色度是評價產品外觀的主要因素,由表1可得:L*:微波真空>冷風微波真空>熱風微波真空>鮮樣>熱風>冷風;a*:冷風>熱風>微波真空>熱風微波真空>鮮樣>冷風微波真空,可以看出微波真空處理后的樣品亮度都有所提高,經過微波真空干燥后的亮度偏白,這與唐秋實等研究的結果相似[20],這可能是由于在微波真空干燥過程中輕微的膨化作用使得魚皮上的色素被破壞,隨著水汽的蒸發導致了其亮度高于鮮肉,微波真空、冷風微波真空和熱風微波真空之間無顯著性差異,并且紅度值的差異性也不顯著。黃度值b*的變化顯示,熱風>熱風微波真空>冷風微波真空>微波真空>冷風>鮮樣,該值的變化范圍在4.45～13.09之間,其中熱風微波真空和熱風干燥的黃度值大,同時這兩種方式之間無明顯差異,這可能是由于溫度高,使得肌肉中的氨基酸與還原糖反應生成棕色物質或者大分子物質類黑素,陸妙靈等[21]采用熱泵干燥金槍魚魚皮時發現色澤變化受溫度影響,溫度會引起美拉德反應的發生。孟艷麗等[22]在溫度對鰱魚肽美拉德反應的研究中發現,隨著溫度上升,褐變程度增加。總的來說冷風微波真空干燥方式達到的效果較好于其他的干燥方式,這主要是由于低溫、真空減少了氧氣的接觸并縮短了干燥時長避免了干燥方式對色澤的破壞[23]。總之,在干燥過程中的溫度和干燥時間是影響物料色變的主要因素[24],不同方式的作用原理也會產生影響。

表1 干燥方式對沙丁魚色澤的影響Table 1 Effect of different drying methods on the color of sardines

2.2 質構分析

從表2中不同干燥方式對沙丁魚的硬度、彈性和咀嚼度等質構參數的差異性結果來看,冷風和熱風干燥后的肌肉硬度明顯高于其他干燥方式,干燥后的質構特性與干燥過程中傳質作用相關。溫度對物料也有明顯的作用,由于表面蒸發速率大于內部,所以表面變干變硬[25],硬度和水分的流失與蛋白質的性質狀態有一定關系,隨著水分的流失,干燥時間的增加,更容易導致蛋白質變性使得硬度增大。硬度方面:冷風干燥>熱風干燥>微波真空干燥>鮮樣>熱風微波真空干燥>冷風微波真空干燥;彈性方面:熱風微波真空干燥>冷風微波真空干燥>微波真空干燥>熱風干燥>冷風干燥>鮮樣;咀嚼度:熱風干燥>冷風干燥>熱風微波真空干燥>微波真空干燥>冷風微波真空干燥>鮮樣;鮮樣與不同的干燥方式之間在硬度上有顯著性差異(p<0.05),相比于熱風和冷風干燥方式,微波真空與熱風微波真空、冷風微波真空干燥后的魚肉硬度都有所下降,可能是由于前期的干燥方式使部分水分蒸發,物料變得緊實,后期由于微波真空的膨化作用使得魚肉有了強烈的撕扯,使其硬度下降。可以看到冷風微波真空干燥方式的硬度最低,并低于鮮樣。微波真空和熱風微波真空、冷風微波真空干燥方式在彈性上不具有顯著性差異,而熱風和冷風干燥方式有良好的彈性。咀嚼度是硬度、彈性的綜合表現,反映了魚肉從咀嚼狀態到可吞咽狀態所需的能量,在一定范圍內,其值越大說明口感方面對應的“咬感”就越好[26],說明咀嚼度越大所消耗的能量越多,干燥方式中,熱風干燥后的咀嚼度最大,冷風-微波真空干燥方式最小。

表2 干燥方式對沙丁魚質構參數的影響Table 2 Effects of different drying methods on texture parameters of sardines

2.3 核磁共振分析

從圖1中可以看出沙丁魚肌肉中有3種主要的水分,分別是T2b(結合水)、T21(不易流動水)和T22(自由水)3種狀態的水,T2b反映的是與大分子緊密結合的水,作為結構的水分,T21反映的是高度組織化蛋白質結構內部的水分和細胞中的水分,其含量最高,T22反映的是肌原纖維蛋白外部的水分和細胞外部的水[27-29]。鮮樣與不同干燥方式的干燥樣品對比發現,干樣的峰面積減少,水分向左遷移,由于豫馳時間T2越大,自由度越高,則水更容易失去,說明自由度高的水向自由度低的水發生了遷移,并且水分與物質有結合更加緊密的趨勢,這與祝樹森等[30]的研究結果相似,不同干燥方式促使肌肉發生不同程度的收縮,使水與肌肉的結合程度發生了變化。

圖1 干燥方式對沙丁魚水分遷移變化的影響Fig.1 Effects of different drying methods on moisture migration changes of sardines

鮮樣與5種干燥方式相比較,干燥后的魚肉水份發生了向左遷移,豫馳時間T2變短,這說明肌肉與水分的結合更加緊密,干燥后的肌肉中水分的流動性減弱,H質子受到的束縛力增大,不同干燥方式導致水分與肌肉的結合程度不同,所以發生了不同程度的遷移。微波真空干燥方式與兩種聯合方式的T2遷移程度小于熱風干燥和冷風干燥,這可能是由于干燥采用的微波真空對肌肉有撕裂的作用,并且微波真空加熱是由內向外進行的,水分也會從內向外流失,導致了水份的流動性降低,同時,也因為不同干燥方式的溫度不同導致所用時間不同,則水分遷移的快慢不一樣,導致了同一部位的魚肉水分分布不均。通過核磁可以看出不同干燥方式使得魚肉中水分存在差異。

2.4 顯微鏡和掃描電鏡分析

由于干燥食品的質構特性會受到胞膜、細胞壁和中間層的萎縮或破裂等微觀結構變化的影響,結合顯微鏡與掃描電鏡對樣品的微觀結構進行觀察,如圖2、圖3所示。通過顯微鏡的圖可以看到,鮮樣的微觀肌肉組織整齊地排列,表面光滑,肌肉纖維束完整,界線明顯,在不同干燥方式之間,冷風干燥后的肌肉纖維束之間收縮厲害,纖維凌亂,冷風微波真空方式肌肉斷裂嚴重,熱風干燥后的肌肉纖維有塌陷且無光澤,熱風微波真空干燥使得肌肉之間界線消失,微波真空使得纖維變粗,這可能主要是由于微波的膨化作用使得其變粗,Therdthai等人[31]采用微波真空干燥薄荷葉片時發現,微波真空干燥后的葉片由于微波真空的膨化作用,其微觀結構具有多孔性,這與本研究具有相似性。

圖2 不同干燥方式處理后沙丁魚顯微鏡觀察圖(100×)Fig.2 Sardines microscope picture processed by different drying methods(100×)注:a為沙丁魚鮮樣；b為冷風干燥樣品；c為冷風-微波真空干燥樣品；d為熱風干燥樣品；e為熱風-微波真空干燥樣品；f為微波真空干燥樣品。

圖3 不同干燥方式處理后沙丁魚掃描電鏡圖(500×)Fig.3 SEM photos of sardines subjected to different drying methods(500×)注:a為沙丁魚鮮樣；b為冷風干燥樣品；c為冷風微波真空干燥樣品；d為熱風干燥樣品；e為熱風微波真空干燥樣品；f為微波真空干燥樣品。

將鮮樣與干樣進行冷場電鏡掃描(如圖3),對比后可以看大致的肌肉纖維結構,鮮樣的肌肉纖維束表面光滑緊實,纖維束完整,而干燥后的肌肉失去了肌纖維的完整性,肌肉纖維收縮,肌纖維束之間的空隙變大,整體空間結構不再致密,這與謝小雷等[32]研究具有相似性。冷風干燥后的肌肉纖維皺縮,肌纖維間空隙變大,纖維表面粗糙,但是排列整齊,而冷風微波真空干燥后的肌纖維斷裂最為嚴重,纖維之間的雜亂無章并且有空隙呈現網狀結構;熱風干燥后的肌肉纖維排列緊致,由于加熱使得肌束膜結構被破壞,減小了對水的束縛力,增強了纖維的收縮,當水從內部向外遷移流失時,肌肉組織中的孔徑消失,肌原纖維發生了變形,從而纖維結合的更加緊密[32-33],而熱風微波真空干燥方式,由于微波真空的膨化作用使得肌肉表面裂化,纖維斷裂,與熱風干燥相比更加粗糙;微波真空干燥后的肌肉纖維空間結構表面有許多空洞,肌肉纖維束中的單根肌纖維已被撕裂排列雜亂,呈現類似蜂窩狀。總的來說,干燥使得微觀結構的完整性被破壞,纖維的收縮增大,這使得肉質的質構特性會發生改變,肌纖維粗糙。Nathakaranakule等[34]發現,纖維之間的空隙增大,這可使得水分快速遷移,從而提高干燥速率。

2.5 拉曼分析

拉曼光譜可以提供與某些蛋白質構象轉換有關的信息,并且無需樣品預處理,是一種快速無損檢測方法[35]。從圖4中的拉曼位移中可以發現,不同的干燥方式與鮮樣相比酰胺Ⅰ帶都發生了向右偏移的現象,相較于鮮樣(1654.15 cm-1)的偏移程度:熱風微波真空(1664.87 cm-1)>冷風微波真空(1663.34 cm-1)>微波真空(1660.28 cm-1)>熱風(1657.21 cm-1)>冷風(1655.68 cm-1),同時,可以看到酰胺Ⅲ帶的波峰有相應的增強,這與周緒霞等[36]的研究結果相似。

圖4 不同干燥方式下沙丁魚肉二級結構的拉曼光譜圖(800～3200 cm-1)Fig.4 Raman spectra of the two grade structure of fish meat with different drying methods(800～3200 cm-1)

表3呈現的是酰胺Ⅰ帶中二級結構的百分比含量。通過表3可以看到α-螺旋含量在不同的干燥方式下都發生了相應的減少,而β-折疊、轉角、無規則卷曲都發生了相應的增加,酰胺Ⅰ帶中α-螺旋含量的減少,β-折疊含量的增加,表明在干燥的過程中,肌原纖維蛋白中的α-螺旋結構向β-折疊轉化,多肽鏈在空間中發生了重排現象[37]。Herrero等[38]研究用拉曼光譜測定添加大豆蛋白和熱處理后肉糊結構變化,發現加熱后的肉中α-螺旋明顯減少,β-折疊和轉折結構增加,在Liu等[39]的研究中也出現了類似的現象,隨著溫度的上升,伴隨著螺旋減少,折疊,無規卷曲的增加變化。由于不同的干燥方式作用的效果不同對二級結構的影響也會不同,可以看出冷風干燥對二級結構影響最小,這主要是冷風低溫狀態使得氧化發生緩慢,而其他方式由于溫度高以及膨化效應使得結構破壞加劇,而兩種聯合的干燥方式對二級結構的影響最大,聯合干燥方式,前期的方式經歷了較高溫度的同時也發生了不同程度的氧化產生了對二級結構的破壞,后期的方式要在很短的時間內將水分除去,所造成的傷害就會增大,導致了二級結構發生破壞,可能使得α-螺旋解旋形成了疏松的不規則結構。

表3 不同干燥方式下拉曼光譜酰胺Ⅰ帶各二級結構百分含量變化Table 3 Percentage changes of the secondary structure of the Raman spectrum amide I band under different drying conditions

3 結論

本研究通過不同的干燥方式對沙丁魚的色澤、質構、核磁、微觀結構以及蛋白質的二級結構變化進行了分析,微波真空干燥對白度有明顯影響(p<0.05),微波真空干燥方式可以較好地改善色澤,提高白度。不同的干燥方式中冷風微波真空處理后的魚肉有著良好的彈性,單一的干燥方式所用時間長,使魚肉的硬度和咀嚼度大,彈性小。不同的干燥方式使得魚肉中水分分布不均,冷風與熱風干燥后的魚肉中T2遷移程度大于其他的干燥方式,說明魚肉中的水與肌肉中大分子物質結合更為緊密。微觀結構表明每一種干燥方式對其都有不同程度的影響,帶有微波真空干燥的方式對肌肉纖維有一定的破壞作用,冷風微波干燥方式肌肉呈現疏松的網狀結構。干燥后魚肉的酰胺Ⅰ帶發生了向右偏移,酰胺Ⅲ帶有增強,從二級結構含量百分比變化中可以看出,冷風對蛋白二級結構的影響較小。總之,本研究進行的不同干燥方式都有其不同的變化,在實際生產應用中應結合經濟情況,節能情況和消費者的消費關注點等情況來選擇適合的干燥方式。