南極磷蝦在不同凍藏溫度下保鮮期預測模型

俞所銀，楊晉青，葛宇*，翁史昱，雷濤，虞成華，陸志蕓，包建強

1(上海市質量技術監督檢驗技術研究院，上海，200233) 2(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)

南極磷蝦(Euphausiasuperba)屬于高蛋白質物種，含人體必需的全部氨基酸，及多種礦物質[1-3],其生物量巨大約6.5～10.0億t[4]。隨世界人口的增加，南極磷蝦作為“潛在的巨大漁業資源”，正以較快的速度被開發為人類直接或間接食用的產品，如冷凍條蝦、南極磷蝦肉腸、南極磷蝦蛋白肽等。但由于捕撈技術的限制[5]、流通距離遠和蝦體大量自溶酶的存在，這些問題對南極磷蝦品質和鮮度有著重要的影響，因此建立“冷凍凍藏中南極磷蝦實用保鮮期(剩余貨架期)”的預測模型顯得十分必要。

VANl[6]認為，盡管食品腐敗機制不盡相同，但通過對變質過程的動力學研究可以預測食品保鮮期(shelf-life,SL,d)。根據英國食品科學與技術學會(Institute of Food Science and Technology，IFST)的定義[7]，食品保鮮期是指食品(安全的)自出廠之日起，經過流通環節到達消費者手中，保持質量不變的時間段(該食品的物化指標、感官特性、微生物含量在一個可接受的范圍內)。國內外對不同食品品質變化的動力學模型做了大量的研究[8-16]，但對南極磷蝦在凍藏過程中品質變化的動力學特性和保鮮期預測還未見報道。

本文研究了-18、-25、-30和-50 ℃貯藏下南極磷蝦感官品質、肉質的壓出水分(water-holding capacity，WHC)、菌落總數(total viable count，TVC)及總揮發性鹽基氮(total-volatile basic nitrogen，T-VBN)變化規律，通過數據分析、應用Arrhenius動力學方程建立品質對凍藏溫度、時間變化的保鮮期預測模型，為南極磷蝦流通過程中保鮮期預測模型提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

南極磷蝦：南極海域FAO48.2區科考捕撈，-20 ℃冷鏈運輸到實驗室，切割成(10 cm×10 cm×8 cm) 蝦磚若干，裝入食品級密封袋，分別在-18、-25、-30和-50 ℃下凍藏。間隔時間取樣測定各指標值，實驗時流水解凍，當蝦磚變軟時置于自制冰鍋上4 ℃剝蝦取肉。

1.2 實驗設備

TCL BD/BC-257，TCL BD/BC-492H電冰箱，廣東省惠州市TCL集團股份有限公司；海爾SC-230冷藏柜，上海創橫儀器有限公司；DW-86L288超低溫冰箱，青島海爾特種電器有限公司；電子天平(0.000 1 g)，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；CT14RD臺式高速冷凍離心機，上海天美生化儀器設備有限公司；C21-SK105美的電磁爐加熱器，廣東美的生活電器制造有限公司；JJ-2組織搗碎均漿機，江蘇金壇精達儀器制造廠；SG2-ELK便攜式酸度計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；可調定量加液器，上海求精玻璃儀器廠；LRH-100CL低溫培養箱，上海一恒科學儀器有限公司；DK-S28型電熱恒溫水浴鍋，上海精密實驗設備儀器有限公司；SW-CJ-1CU雙人單面超凈工作臺，上海松泰凈化科技有限公司；KDN-04C數顯溫控消化爐；半微量定氮蒸餾裝置；酸式滴定管；DHT型攪拌調溫電熱套，山東鄄城創新儀器有限公司。

1.3 實驗方法

取凍藏于-18、-25、-30和-50 ℃的南極磷蝦，每隔10 d測定其感官品質、WHC、TVC及T-VBN指標。

1.3.1 感官評定

蝦磚流水解凍后，挑選5只完整的蝦，由受過專門培訓的感官評定小組(5人) 根據表1[14]對不同凍藏溫度下南極磷蝦感官品質進行綜合評分，最后取平均值。若綜合評分在2分以下，則表明南極磷蝦的剩余保鮮期為“0”，不可接受。

表1 南極磷蝦感官評定Table 1 Sensory evaluation of Antarctic krill

1.3.2 持水率(WHC)的測定

根據路昊[14]方法稍作改動，選用“壓出液滴”測量法。稱取(2.00±0.01)g切碎南極磷蝦肉，置于80目銅網上，采用冷凍離心機3 000 r/min離心10 min。再稱量離心后樣品(去銅網)，所得質量差為壓出液滴量,如公式(1)所示。

(1)

1.3.3 菌落總數(TVC)的測定

根據GB 4789.2—2016測定[17]。

1.3.4 揮發性鹽基氮(T-VBN)的測定

按GB/T 2009.228—2016測定磷蝦肉揮發性鹽基氮[18]。

1.4 南極磷蝦保鮮期預測方法

1.4.1 動力學模型

大多數食品在加工、保存過程中，由于呼吸作用、酶反應、光降解等因素使得食品內部品質(M)發生變化[19]，不同反應級數的食品品質函數，見表2。

表2 不同反應級數的食品品質函數Table 2 Functions of food quality changes in different reaction orders

注：M-南極磷蝦凍藏第t天的品質指標值；M0-南極磷蝦初始品質指標值；t-南極磷蝦凍藏天數；k-南極磷蝦品質變化反應速率常數。

1.4.2 Arrhenius方程

Arrhenius方程結合各種參數、動力學方程被廣泛應用于食品保鮮期預測，其基本表達式如公式(2)、(3)所示。

(2)

對式(2)取對數：

(3)

式中：k,南極磷蝦速率常數(rate constant)；A,前置因子(又稱“頻率因子”)，相當于活化能為“0”時的反應速率；Ea,活化能，品質因子M或N變化所要克服的能量壁壘，J/mol；R,氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T,絕對溫度，K。

1.4.3 南極磷蝦保鮮期預測模型建立

南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃時不同品質指標的保鮮期，可根據各指標的動力學模型參數推導出保鮮期方程。將表2中0級、1級F(M)品質函數方程與Arrhenius方程式(2)結合，分別獲得保鮮期預測模型，如公式(4)和(5)所示，可以計算不同凍藏天數的品質保鮮期。

“0”級保鮮期預測模型：

(4)

“1”級保鮮期預測模型：

(5)

1.4.4 統計分析

各指標數據采用SPSS 18.0統計軟件、方差分析，DeltaGraph5軟件繪制曲線，試驗重復3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同凍藏溫度下南極磷蝦感官終點保鮮期及動力學參數的確定

南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏下感官評定見圖1[20]。

圖1 不同凍藏溫度下南極磷蝦感官評分變化Fig.1 Changes in sensory evaluation of Antarctic krill during storage at different frozen temperatures

根據俞所銀等[20]測得的南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏過程中各指標數據，按表2食品品質函數計算，分別進行“0級”線性回歸分析和“1級”非線性回歸分析，求得各指標的“化學反應級數、反應速率常數k(斜率)、線型回歸決定系數R2(determination coefficient)”見表3。從表3可以看出，感官評定的“0級”動力學回歸決定系數比“1級”動力學回歸系數的大，說明南極磷蝦感官評定指標“0級”動力學線性擬合更具有優勢[21]。

表3 不同凍藏溫度下南極磷蝦各指標的動力學參數Table 3 Kinetic parameters of various indicators for Antarctic krill during storage at different temperatures

續表3

指標反應級數溫度/℃速率常數(k)回歸系數(R2)∑R2最終級數WHC0級-18-25-30-50-0.068 8-0.068 8-0.073 9-0.051 80.857 10.925 50.989 00.984 23.7561級-18-25-30-50-0.001 6-0.001 4-0.001 5-0.000 90.902 00.942 00.964 70.971 23.7801級TVC0級-18-25-30-5026 153.06 056.12 750.61 049.60.678 00.568 30.517 80.511 42.2761級-18-25-30-500.013 80.011 50.008 60.006 30.927 10.930 80.981 30.966 93.8061級T-VBN0級-18-25-30-500.065 60.044 70.043 10.027 40.951 00.893 90.886 70.893 13.6251級-18-25-30-500.004 10.003 10.002 90.002 00.955 60.974 70.981 40.977 03.8891級

2.2 不同凍藏溫度下南極磷蝦肉WHC動力學參數的確定

南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏過程中WHC變化見圖2[20]。

圖2 不同凍藏溫度下南極磷蝦肉持水率的變化Fig.2 Changes in water-holding capacity of Antarctic krill during storage at different frozen temperatures

根據表3結果，南極磷蝦肉WHC屬于“1級”反應，選擇-18、-25、-30和-50 ℃(分別對應255、248、 243、 223 K)的速率常數k，繪制-ln(-k)～1/T(K)的Arrhenius圖，見圖3。

圖3 南極磷蝦持水率的Arrhenius圖Fig.3 Arrhenius plots for water-holding capacity of Antarctic krill during storage at different temperatures

根據公式(3)分別求得活化能Ea,A,其中A是Ea為0時的截距，將已知M0、M(≤30%)、Ea、A帶入“1級”保鮮期預測模型如公式(5)所示，求出預測保鮮期，見表4。

以表4中“相對誤差”為判別標準，表明除-50 ℃外，-18、-25、-30 ℃預測保鮮期模型測得的預測值與實測值之間的相對誤差≤10.0%，準確度較高。

2.3 不同凍藏溫度下南極磷蝦肉TVC動力學參數

南極磷蝦在-18、-25、-30、-50 ℃凍藏過程中TVC變化見圖4[20]。

根據表3結果，南極磷蝦肉TVC屬于“1級”反應，其Arrhenius見圖5。

將已知M0、M(6lg CFU/g)、Ea、A帶入“1級”保鮮期預測模型，如公式(5)所示，求出預測保鮮期，見表4。

表4 各指標預測值與實測值的比較Table 4 Comparison between measured and calculated shelf life for indicators of Antarctic krill during storage at different temperatures

注：相對誤差/%=[(預測保鮮期-實測保鮮期)/實測保鮮期]×100。

圖4 不同凍藏溫度下南極磷蝦菌落總數變化Fig.4 Growth of total viable countof Antarctic krill at different frozen temperatures

圖5 南極磷蝦肉菌落總數的Arrhenius圖Fig.5 Arrhenius plots for total viable count of Antarctic krill during storage at different temperatures

南極磷蝦TVC預測保鮮期模型所得的預測值，顯著大于實測值，相對誤差值顯著偏大，這主要與“剝蝦取肉”環節有關，因為取10.0 g左右的蝦肉約30 min左右，暴露在室外易引入微生物；此外南極磷蝦整體凍結，帶有嗜冷微生物，常溫正是繁殖的最適溫度，因此導致相對誤差偏大。

2.4 不同凍藏溫度下南極磷蝦肉T-VBN動力學參數

南極磷蝦在-18、-25、-30、-50 ℃凍藏過程中T-VBN變化見圖6[20]。

圖6 不同凍藏溫度下南極磷蝦揮發性鹽基氮含量變化Fig.6 Changes of total volatile basic nitrogen content in Antarctic krill at different frozen temperatures

根據表3結果，南極磷蝦肉中T-VBN屬于“1級”反應，其Arrhenius見圖7。

圖7 南極磷蝦肉揮發性鹽基氮的Arrhenius圖Fig.7 Arrhenius plots for total volatile nitrogen of Antarctic krill during storage at different temperatures

將已知M0、M(≥30 mg/100g)、Ea、A帶入“1級”保鮮期預測模型,如公式(5)所示，求出預測保鮮期，見表4。從表4可以看出，4組相對誤差值均在10.0%左右，準確度較高，說明表3中南極磷蝦肉T-VBN的動力學參數具有較高的準確性，南極磷蝦肉T-VBN預測保鮮期模型較為準確。

2.5 南極磷蝦保鮮期預測模型

南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏過程中的品質變化可以通過“0級”、“1級”反應動力學模型表示，因為反應速率常數k是關于溫度的函數，所以結合Arrhenius方程可以預測南極磷蝦在不同凍藏溫度下的保鮮壽命[22]。

通過表3可知，南極磷蝦在凍藏過程中WHC、T-VBN是“1級”反應動力學模型，回歸方程的決定系數R2>0.9，表明回歸方程具有很好的擬合精度，總體線性關系較好。根據表4，求出保鮮期預測模型，如公式(6)、(7)所示。

WHC保鮮期預測模型：

(6)

(不適用-50 ℃)

T-VBN保鮮期預測模型：

(7)

其模型的相關系數R2≥0.90，說明模擬效果良好。

式(6)和式(7)中：MWHC0、MT-VBN0，南極磷蝦初始品質指標值；MWHC、MT-VBN，南極磷蝦品質指標上限值(或第n天的值)，公式(6)對-50 ℃凍藏不使用。

2.6 南極磷蝦保鮮期預測模型的驗證和評價

為了進一步驗證南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏下預測保鮮期模型的可行性，以2.1“感官評定”獲得上述4種溫度下品質不可接受時對應的天數為驗證值，觀察“WHC預測值與實測值的相對誤差；根據GB/T 2733—2005海蝦中T-VBN≥25.00 mg/100g，即超過二級鮮度作為驗證值，見表5。

表5 預測值與實測值的比較Table 5 Comparison between measured and calculated shelf life of Antarctic krill during storage at different temperatures

從表5可以看出：-18、-25、-30和-50 ℃凍藏條件下的南極磷蝦肉達到T-VBN二級鮮度上限值(25 mg/100g)時，預測保鮮期分別為355、414、460、725 d，與實測保鮮期的相對誤差在±10.0%以內，說明應用本實驗建立的南極磷蝦肉T-VBN模型能反映凍藏南極磷蝦肉品質變化，且使用溫度范圍廣、準確度高，可以快速、可靠、實時預測-18～-50 ℃凍藏條件下南極磷蝦肉的保鮮期。

以“感官評價”終點為依據，驗證“WHC”在評價終點(天數)時預測保鮮期，并與相應的實測值比較，發現保鮮期預測值均在±10.0%左右，南極磷蝦肉WHC預測模型與感官評價具有一定的相關性，可以嘗試性聯用“感官評價”、“持水率”對南極磷蝦品質進行測定。

3 結論與討論

通過測定WHC來反映海蝦肉樣保鮮期變化的研究不多，本文對此進行了嘗試性的探索，線型回歸分析發現WHC屬于“1級”動力學反應，以感官評定終點為依據，結合Arrhenius方程得到在-30～-18 ℃溫度段南極磷蝦肉預測保鮮期模型。其模型的相關系數R2≥0.90，說明模擬效果良好。

本文同時研究了TVC對南極磷蝦肉樣保鮮期變化的關系。線性回歸分析發現其分別適用于“1級”反應，結合Arrhenius方程建立相應預測模型，但結果不甚理想。原因可能是南極磷蝦初始pH值為7.01，這可能與南極磷蝦生活環境和自身的滲透壓有關[25]，在凍藏過程中蛋白質一直在降解，呈堿性。但凍藏溫度對微生物的生長有抑制作用，使蛋白質分解速度降低，從-18、-25、-30、-50 ℃分別在270、310、390、550 d達到峰值可以證實。因此4種溫度pH值在8.5～8.6左右，與初始值相差微小，無法通過Arrhenius方程模型反應其動力學變化。蝦類一般比畜禽的肉容易腐敗，原因主要有：(1)蝦類本身的特性引起的。磷蝦肉組織松軟、含水量高，在捕撈、運輸、加工和銷售過程中，容易被微生物侵襲。鰓、腸內所帶的水中細菌為嗜冷性微生物，常溫正是繁殖的最適溫度。南極磷蝦體中酶活性較強，使蝦肉蛋白質等發生變質分解，為腐敗微生物創造有利條件。另外蝦類內含天然免疫素少。(2)南極磷蝦帶著易腐的內臟及帶菌的鰓進行凍藏，這些是微生物繁殖的良好培養基，因此更容易腐敗。(3)在“剝蝦取肉”環節存在耗時、溫度波動現象，引入外界微生物造成誤差。對凍藏南極磷蝦肉品質動力學分析，結合GB/T 2733—2005海蝦中T-VBN初步腐敗界限標準(30 mg/100g)，聯合Arrhenius方程得到在-50～-18 ℃溫度段內任一溫度下南極磷蝦肉預測保鮮期模型。其模型的相關系數R2≥0.95，說明模擬效果良好。

利用GB/T 2733—2005海蝦中T-VBN二級鮮度標準(25 mg/100g)值對模型驗證發現，化學指標T-VBN作為南極磷蝦肉鮮度指標，可以很好地作為動力學模型進行保鮮壽命的預測，T-VBN值的變化最能反應凍藏南極磷蝦肉保鮮期的變化。

試驗表明，凍藏溫度的變化是造成南極磷蝦肉質保鮮期變化的主要原因。而WHC、總蛋白含量可以結合感官評定對-18、-25、-30 ℃凍藏南極磷蝦保鮮期的測定。T-VBN預測保鮮期模型能較好地反映4種溫度下南極磷蝦肉質保鮮期的變化規律，相對誤差均在±10.0%左右，能夠較準確地預測不同溫度下、凍藏不同時間后某一指標數值的品質動力學模型。為今后建立可食性南極磷蝦肉保鮮期的快速判別模型提供了依據。