一種高壓水去魚鱗設備的研制及其對羅非魚肉組織結構的影響

密鑫宇,吳文錦,弋景剛,鄭曉偉,汪金林,徐 鵬,白 帆,*,趙元暉,*(.中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 6600;.湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所,湖北武漢 006;.河北農業大學機電工程學院,河北保定 07066;.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海 0009;.衢州鱘龍水產食品科技開發有限公司,浙江衢州 000)

羅非魚(Oreochromis),又名非洲鯽魚,是聯合國糧農組織(FAO)向全世界推廣養殖的優良品種,也是我國水產養殖業的重要品種。據《中國漁業統計年鑒2019》統計,2018年,我國羅非魚總產量高達162萬噸[1]。羅非魚肉質鮮嫩、魚刺少、價格低廉,因此廣泛應用于水產品加工業,產品以羅非魚片和冷凍羅非魚為主[2]。魚類產品剝制前處理工藝復雜,主要包括去鱗、去頭、去內臟(即“三去”)和清洗等工序。目前我國魚類加工業技術落后、發展方式粗放,機械化、自動化程度低,加工設備僅有10%達到世界先進水平,仍有約80%的魚類剝制前處理工序由人工完成[3]。這種處理方式生產效率低、勞動強度大、易造成污染、質量標準不易控制[4],嚴重影響了魚類產品的品質,阻礙了魚類產品加工業的發展。

去魚鱗是魚類加工的首要環節,該環節影響魚類加工效率、食品安全、品質及其深加工產品。目前,國內常用的去魚鱗設備有連續式彈簧刷去鱗機[5]、臥式多級滾筒去魚鱗設備[6],以及去鱗輥式去鱗機[7-8]。國外有瑞典Arenco公司研制的VMK 26型去鱗機[9]、比利時Cretel公司研制的RS 25型手動去鱗機[10]和德國Baader公司研制的IS-069型去鱗機[11]。這些設備都很高效,但是會對魚體表面造成較大的機械損傷。針對這個問題,本研究開發了低損的高壓水去魚鱗設備,通過優化設備的工藝參數,分析其在去魚鱗過程中對羅非魚組織結構的影響,為羅非魚自動化去魚鱗加工提供設備和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮活新吉富羅非魚(每條體重500±20 g) 青島膠州羅非魚良種場;戊二醛、乙醇、乙酸異戊酯、磷酸二氫鈉(NaH2PO4)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4) 均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

TMS-PRO型質構儀 美國Food Technology公司;JSM-5800 LV型掃描電子顯微鏡(SEM) 日本JEOL公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 去鱗設備 本試驗采用的去魚鱗設備由青島建亮科技有限公司制造,是一種采用高壓水噴射的方法去除魚鱗的設備,借鑒了水射流去魚鱗機[12-13],目的是為了實現高效、低損去魚鱗。該設備參數如表1所示;示意圖如圖1、圖2所示,包括高壓裝置、自動張緊裝置和夾緊驅動裝置。其中高壓裝置主要包括高壓水泵和位于4個不同方位的6支高壓噴槍(上下各1支,左右各2支),自動張緊裝置主要包括2個外側張緊輪和4個內側張緊輪,夾緊驅動裝置主要包括2條夾緊輸送皮帶和4個傳輸帶輪。根據試驗選用的羅非魚的平均尺寸(體長31.33 cm,體寬11.33 cm,厚度5.67 cm),確定了夾緊輸送皮帶的長度、寬度和間距,它可以將進入設備的魚體夾緊,并隨著傳輸帶輪的轉動運轉,從而帶動魚體向出口推進。傳輸帶輪轉速可調,分為0～10檔。內外兩側的張緊輪可以根據魚體寬度調節兩側皮帶的間距,從而能夠更好地夾住魚體。高壓水泵能夠給通入的水加壓從而產生高壓水,壓強需固定在(8.5±0.5) MPa(生產企業在制作樣機時,通過預實驗發現,當水壓低于(8.5±0.5) MPa時,尤其是低于8.0 MPa時,設備的去鱗效果非常不好;而當水壓高于(8.5±0.5) MPa時,尤其是高于9.0 MPa時,設備對魚體的損傷很大,魚體表皮出現嚴重破損。故生產企業制作設備時,把水壓固定在(8.5±0.5) MPa,是不可調節的)。高壓噴槍可對魚體進行立體式噴射,即可達到沖掉魚鱗的效果。沖掉的魚鱗掉入設備下方的料盤并收集。該設備創新性地采用高壓水噴射的方法取代傳統的器具刮擦的方法,目的是為了減輕設備對魚體的機械損傷。

表1 去魚鱗設備參數Table 1 Descaling equipment parameters

圖1 去魚鱗設備正視圖Fig.1 Front view of the descaling equipment注:1:高壓裝置;2:自動張緊裝置;3:夾緊驅動裝置。

圖2 去魚鱗設備俯視圖Fig.2 Top view of the descaling equipment注:1:高壓噴槍;2:夾緊輸送皮帶;3:外側張緊輪;4:內側張緊輪;5:傳輸帶輪。

1.2.2 試驗設計 本試驗以一條魚的一個側面為一個試驗樣本。試驗時,傳輸帶輪頻率設定在10～40 Hz范圍內(對應處理時間在25～30 s范圍內)。去鱗后按1.2.3的方法測定各項指標,除去鱗率測定外,各項指標的測定以手工去鱗作為對照。

1.2.3 指標測定

1.2.3.1 去鱗率的測定 參照王玖玖等[14-15]的方法,將魚體按如圖3所示的分布方式分為頭部、尾部、上部、中部和下部這5個部位,用硫酸紙分別描繪去魚鱗前后各部位魚鱗的輪廓,并通過坐標紙計算魚鱗面積,然后按下式計算去鱗率:

式中:R表示去鱗率,%;S1表示去鱗前的魚鱗面積,cm2;S2表示去鱗后的魚鱗面積,cm2。

圖3 魚體去鱗率測定取樣部位分布圖Fig.3 Distribution of diagram of sampling location for determination of fish body descaling rate

1.2.3.2 魚體損傷的評判 參照王玖玖等[15]的方法,采用感官評定的方法評判魚體損傷。魚體感官評分標準如表2所示,滿分為5分。請10名專業的感官評定員對去鱗后的魚體進行評判,取其評分平均值。

表2 魚體感官評分標準Table 2 Sensory scoring criteria of fish body

1.2.3.3 魚肉質構的測定 參照陳政等[16]的方法,將魚體按如圖4所示的分布方式分為背部、腹部和尾部,去鱗后2 h內取肉(肉塊大小為1.5 cm×1.5 cm×0.5 cm),測定各部位質構指標(TPA):硬度、彈性、咀嚼性。質構儀具體參數如下[17]:探頭:圓柱形探頭,直徑5 mm;力量感應元量程:1000 N;探頭回升到樣品表面上面的高度:10 mm;形變量:50%;檢測速度:1 mm/s;起始力:1 N。

圖4 魚體部位分布圖(魚肉質構的測定)Fig.4 Distribution of fish parts (measurement of fish texture)

1.2.3.4 微觀結構的觀測 參照趙冰等[18]、Wang等[19]的方法稍作修改:取背部魚肉,切成1 mm×1 mm×5 mm的小條,用體積分數為2.5%、pH7.2的戊二醛4 ℃浸泡過夜固定。用0.1 mol·L-1、pH6.8的PBS緩沖液洗滌2次,每次10 min;再分別用體積分數為20%、40%、60%、80%的乙醇進行脫水處理,每次10 min;再用100%的乙醇脫水處理2次,每次10 min;然后用同體積100%乙醇-乙酸異戊酯(1∶1,V/V)脫水處理2次,每次10 min,即可完成脫水。最后噴金處理,掃描電鏡(SEM)觀察肌纖維狀態。

1.3 數據處理

除微觀結構觀測外,各項指標的測定每組均設置3個平行,均重復3次。去鱗率、感官評分和質構指標均采用IBM SPSS Statistics 24軟件分析數據顯著性,P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 傳輸帶輪頻率對去鱗率的影響

去鱗率是評判去魚鱗設備的首要指標。不同頻率下各部位的去鱗率如表3所示。由表3可知,傳輸帶輪頻率越高,總體去鱗率越低。推測原因可能是傳輸帶輪頻率越高,魚體在設備中處理的時間越短,導致魚鱗去除越不充分,去鱗率就越低。當傳輸帶輪頻率為10、20 Hz時(即當處理時間為25和10 s時),相同部位以及總體的去鱗率差異不顯著,總體去鱗率均可達到98%左右(頭部除外)。而對于20、30和40 Hz,頭部和尾部的去鱗率差異不顯著,但對上部、中部和下部以及總體的去鱗率差異顯著(頻率越高,去鱗率越低)。故頻率的最優值應在10～20 Hz范圍內(即時間的最優值應在25～10 s范圍內)。

表3 不同頻率下各部位的去鱗率Table 3 Descaling rate of each part at different frequencies

2.2 傳輸帶輪頻率對魚體損傷的影響

在保證較高去鱗率、確定最佳參數范圍的前提下,選取10、15和20 Hz這三個頻率,通過感官評定的方法評判魚體損傷。不同頻率下的感官評定照片如圖5所示。由圖5可知,三個處理組總體表現均為魚體表皮稍有劃痕但無明顯傷口及缺肉,這說明高壓水去魚鱗設備對魚體的損傷難以避免但損傷較小。不同頻率下的感官評分如表4所示。由表4可知,各組的魚體感官評分無顯著性差異,這說明傳輸帶輪頻率對魚體損傷無顯著性影響;同時也說明設備去鱗與手工去鱗在魚體損傷方面無顯著性差異。

圖5 不同頻率下的魚體感官評定照片Fig.5 Sensory photos of fish at different frequencies注:a:手工去鱗;b:10 Hz(25 s);c:15 Hz(16 s);d:20 Hz(10 s)。

表4 不同頻率下的魚體感官評分Table 4 Sensory scoring of fish at different frequencies

2.3 傳輸帶輪頻率對魚肉質構的影響

肉類的質構參數一般包括硬度、彈性、咀嚼性等。硬度是牙齒通過咀嚼使食物達到一定程度變性時所用的力;彈性是指食品通過變形保存的能量能夠在撤去外力后使其恢復原來狀態的能力;咀嚼性是指將固態食品咀嚼到可吞咽狀態時所做功的大小,與硬度呈極顯著正相關[20]。羅非魚的背部肌肉占比最大(占比大于60%),相比腹部和尾部更為鮮嫩,故其品質是人們重點關注的對象[21];而在魚類加工業中,魚肉彈性是反映魚肉鮮度和感官品質的重要指標。因此本試驗應重點關注背部的質構指標,尤其是彈性這一指標。

不同頻率下各部位魚肉的質構指標(TPA)如表5所示。由表5可知,在背部的彈性方面,10 Hz處理組(0.55 mm)顯著低于手工去鱗組(0.67 mm);而15 Hz處理組和20 Hz處理組(均為0.77 mm)顯著高于手工去鱗組,即彈性更好。在背部的硬度和咀嚼性方面,10 Hz處理組(分別為3.2 N和0.41 mJ)均顯著低于手工去鱗組(分別為3.6 N和0.67 mJ);而15 Hz處理組(分別為4.0 N和0.74 mJ)和20 Hz處理組(分別為3.9 N和0.68 mJ)均與手工去鱗組無顯著性差異,即肉質保持更為完好。故可以認為,相比15 Hz處理組和20 Hz處理組,10 Hz處理組不能很好地保持肉質。推測原因可能是10 Hz處理組的魚體受到機械擠壓作用的時間較長,導致其彈性降低,肉質變差。故頻率的最優值應是15或20 Hz。

表5 不同頻率下各部位的質構指標(TPA)Table 5 Texture index(TPA)of each part at different frequencies

2.4 傳輸帶輪頻率對魚肉微觀結構的影響

除了對宏觀指標的測定和評判,還需要對微觀指標進行觀測。不同頻率下魚肉微觀結構的狀態如圖6所示。由圖6可知,相比手工去鱗,三個處理組的肌纖維都遭到了不同程度的破壞,這說明機械損傷是難以避免的。相比15 Hz處理組和20 Hz處理組,10 Hz處理組存在部分肌纖維斷裂的情況,說明其肌肉受到的破壞較為嚴重,這與質構指標的結果相符,也從微觀角度解釋了10 Hz處理組彈性顯著低于另外三組的原因。而相比15 Hz處理組,20 Hz處理組的肌纖維出現褶皺,推測原因可能是20 Hz處理組傳輸帶輪運轉速度較快,使得魚體受到皮帶的摩擦力較大,導致肌纖維出現褶皺。故當傳輸帶輪頻率為15 Hz時去鱗效果最佳。

圖6 不同頻率下魚肉微觀結構(肌纖維)掃描電鏡圖(×1000)Fig.6 Scanning electron micrographs of fish microstructure(muscle fiber)at different frequencies(×1000)注:a:手工去鱗;b:10 Hz(25 s);c:15 Hz(16 s);d:20 Hz(10 s)。

3 結論與展望

本研究研制了高壓水去魚鱗設備,在保證去鱗效果的同時,分析了該設備對羅非魚肉組織結構的影響,獲得最佳工藝參數,即當傳輸帶輪頻率為15 Hz時去鱗效果最佳,從而完善了羅非魚去魚鱗加工設備,為開發高效、低損的去魚鱗加工方式提供了理論依據和技術支持。但本研究的局限性在于:該設備的參數比較單一,還有改進和優化的空間;同時也缺乏與其他去魚鱗設備的對比研究。因此,后續研究可以對該設備加以改造升級,深入分析該設備對羅非魚品質的影響,并與其他去魚鱗設備進行對比研究,以此為依據進一步優化工藝參數,得出最佳工藝流程,為新設備在實際生產中的應用提供參考。