魚丸煮制過程中品質變化動力學分析

趙庭霞，鄧 力，李靜鵬，曾雪峰，李麗丹，魏 瑤，石 宇

(1.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025；2.北部灣大學食品工程學院，廣西 欽州 535011)

0 引言

新鮮魚類產品不易保存，運輸過程腐敗變質較快，經加工制作成魚丸、魚腸等魚糜制品，可以有效解決水產行業主要瓶頸問題。魚糜制品在保留了魚肉原有營養價值的基礎上，還可以添加香菇、木耳、土豆、紫薯等輔料或枸杞紫蘇、蓮藕山藥等功能成分，既可以使產品口味豐富多樣，又提高了產品營養價值，市場應用前景廣闊[1-7]。

魚丸口感鮮美，是一類較為暢銷的水產加工產品。較多學者從魚丸配方優化方向進行研究，得出口感更豐富，營養價值更高的產品[1-7]。但熱處理是導致魚丸品質變化的主要原因，加熱方式不同對魚糜制品的凝膠特性影響程度不同，從而影響魚丸的品質，熱處理后評估魚丸的質地特性非常重要[8-9]。鄭捷等[10]研究了加熱方式對復合型蔬菜魚丸品質的影響，提出兩段式水浴加熱魚丸的質構特性較好，但少見魚丸加熱過程中綜合品質動力學研究。

從熱力學角度分析，食品的穩定性不好，而通過建立食品品質的動力學模型，能較好地反映食品在熱處理過程中的變化規律。已有研究發現，食品的品質變化規律可用零級和一級動力學模型來描述[11]。如何將溫度變化與烹飪品質聯系，鄧力[12-14]認為溫度變化可由過程傳遞原理分析，并提出動力學是聯系過程傳遞和烹飪品質的紐帶。在此基礎上，將動力學引入烹飪研究，提出了成熟值理論，且定量描述了表征烹飪品質因子的成熟值、過熱值，為合理評定食品成熟與品質控制找到了較好的方式。隨后，提出烹飪工藝存在優化空間的前提條件是成熟品質因子和過熱品質因子的z值存在差異。目前，已有許多關于食品烹飪過程中的品質變化研究，包括水產類(蝦仁)、再制生食(西式火腿)、肉類(豬肉、魚肉、雞肉)和蔬菜類(蒜薹、菠菜、竹筍)[15-22]。但針對魚丸煮制過程中主要食品品質的相關動力學研究較少，且由于其特殊的結構和組成組分，肉類熱處理過程測得的品質變化動力學參數不能直接引用，而動力學參數是烹飪工藝優化的前提條件，因此開展魚丸煮制工藝分析、評價和優化需測定其煮制處理的動力學參數。從消費者角度分析，針對魚丸品質，顏色變化可以給予消費者烹飪肉品最直觀的感受，水分含量及肉的嫩度均是烹飪食品應考慮的重要因素[23]。故參考選擇顏色、嫩度、水分含量作為表征魚丸品質的指標。

為推進魚丸產業化生產，開展魚丸煮制過程中品質變化動力學研究是有必要的。本試驗以魚丸為對象，測定魚丸在煮制過程中成熟品質因子(顏色、剪切力)和過熱品質因子(水分含量)的變化趨勢，獲取相應的動力學參數，為魚丸熱處理研究提供基礎數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魚丸：購于貴陽花溪合力超市。

主要儀器：DK-8D型電熱恒溫水浴鍋(上海一恒科技有限公司)；WSC-S型測色色差儀(上海精密科學儀器有限公司)；C-LM3B型數顯式肌肉嫩度儀(東北農業大學工程學院)；MB90型水分測定儀(奧豪斯儀器(常州)有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 原材料處理

購買同一批魚丸原料于-18 ℃冰箱中冷凍儲存，防止肉品變質。煮制前需統一置于-4 ℃冰箱中進行解凍處理4 h。由預試驗可知，在沸水中煮制魚丸品質不穩定，使其不利于開展研究，故本試驗選擇70、75、80和85 ℃恒溫水浴作為煮制條件。針對樣品品質因子(顏色、水分含量、剪切力)測定均從加熱開始的第10分鐘取樣，中間間隔10 min取樣1次，至100 min停止取樣。取出的樣品于0 ℃冰水中迅速降溫，目的在于避免魚丸內部傳熱導致品質進一步變化。

1.2.2 顏色測定

參照文獻[24]的方法，從冰水中取出魚丸擦干，放置至室溫后對其進行切片處理，選取3處表面顏色均勻無黑點無氣泡部位，采用WSC-S型色差儀進行顏色測定。L*表示亮度值；w*表示白度值，每個條件下測3次取平均值。

1.2.3 剪切力測定

選取顏色測定后的魚丸按需求進行切片，切割成1.5 cm×1.5 cm×0.5 cm長方體狀，置于水平臺上，采用肌肉嫩度儀測定并記錄剪切力值，每個時間點測定3次并求平均值[25]。

1.2.4 水分含量測定

采用鹵素快速水分測定儀測定魚丸的水分含量，試驗中每個時間點選用3個樣品進行檢測并求平均值。

1.3 理論基礎

1.3.1 動力學模型

濃度對反應速率的影響程度可以通過反應級數來體現，級數的選擇和確定有多種方式。積分法常用于食品領域。零級反應動力學積分式為

CA=CA0-kt

(1)

式中CA——反應物濃度，單位由實際測量物質確定

t——反應時間，min

k——反應速度常數，單位由實際測量物質確定

一級反應動力學積分式為

lnCA=lnCA0-kt

(2)

1.3.2 動力學參數計算

本研究選用兩種常見模型：Arrhenius模型和z值模型計算煮制過程中魚丸品質變化的D值、z值、反應速率k及反應活化能Ea值[26]。當煮制過程中魚丸品質變化符合一級動力學反應時，可通過式(2)計算出反應速度常數k，根據式(3)計算出D值。

(3)

式中D——食品品質在特定溫度下變化一個對數周期所需要的時間，min

z值的計算公式為

(4)

式中z——D值變化一個對數周期所需要的溫度， ℃

T——溫度，K

Arrhenius模型中，Ea值的計算公式為

(5)

式中R——8.314 J/(mol·K)

k0——指數前置因子

1.3.3 數據處理

對魚丸各品質指標的變化采用Origin 2018軟件進行線性和非線性擬合分析，分別獲取零級和一級動力學反應的相關系數R2，并根據相關系數確定反應級數，若品質指標變化屬于一級動力學反應，通過式(3)求出各指標不同溫度下的D值。根據式(4)～(5)對lgD和T、lnk和1/T進行線性回歸分析，求出相應z值和Ea值。

2 結果與分析

2.1 顏色變化

食品的色澤不僅是烹調食物的感官特性指標，也直接影響著消費者對烹調食物的接受程度[27]。煮制過程中魚丸顏色變化如圖1所示，魚丸的亮度值(L*)隨煮制時間延長而增加，源于煮制過程中汁液在肉表面的累積使得光反射增強，而試驗數據顯示白度值(w*)的變化趨勢比人肉眼感官變化明顯。

選用最小二乘法對魚丸顏色變化進行擬合，并對其lgD-T、lnk-1/T進行線性回歸分析，根據公式求出動力學模型及對應的參數，如表1、圖2和圖3所示。由表1可知，煮制過程中魚丸顏色變化零級反應擬合的平均相關系數小于一級反應擬合的相關系數，說明其亮度值(L*)和白度值(w*)變化遵循一級反應動力學模型。煮制過程中魚丸L*和w*變化的z值分別為19.37和33.43 ℃，活化能Ea值分別為119.99和69.52 kJ/mol。該結果與OHLSSON T[28]的研究結果接近，其豬肝泥和魚餅L*的z值分別為21和25 ℃，稍大于魚丸煮制顏色變化的z值。石宇等[16]測定了70～80 ℃溫度范圍內煮制西式火腿顏色變化，得到其L*、a*的z值分別為49.69和41.85 ℃，結果大于本試驗魚丸煮制顏色變化的z值。綜上，表明魚丸顏色變化對溫度更加敏感。

圖1 魚丸煮制過程中顏色變化Fig.1 Changes of color during cooking process of fish ball

表1 不同加熱條件下魚丸L*和w*變化反應動力學參數

圖2 魚丸L*和w*變化的z值Fig.2 Curves of z values of changes of L* and w* in Fish ball

圖3 魚丸L*和w*變化的Arrhenius圖Fig.3 Arrhenius diagram of changes of L* and w* in fish ball

2.2 水分含量變化

水分的存在形式和狀態影響肉制品的嫩度[29]。因此在魚丸煮制過程中，水分含量是表征過熱的品質因子。魚丸在煮制過程中的水分含量變化如圖4所示，隨著煮制時間的延長，魚丸水分含量增加，且溫度越高，變化速率越快。

圖4 魚丸煮制過程水分含量的變化Fig.4 Changes of moisture content during cooking process of fish ball

選用最小二乘法對魚丸水分含量變化進行擬合，并對其lgD-T、lnk-1/T進行線性回歸分析，根據公式求出動力學模型及對應的參數，如表2和圖5所示。由表2可知，煮制過程中魚丸水分含量變化零級反應動力學的平均相關系數等于一級動力學的平均相關系數，故默認水分含量變化遵循一級動力學模型。 煮制過程中魚丸水分含量變化的Ea值為39.39 kJ/mol，z值為59.11 ℃。程芬等[20]研究了蒜薹油炒過程中的水分含量變化，測得其Ea值為46.70 kJ/mol，z值為62.50 ℃。石宇等[16]研究了西式火腿在煮制過程中的水分含量變化，測得其Ea值為52.22 kJ/mol，z值為44.45 ℃。本試驗與以上研究水分含量變化規律一致，但由于溫度范圍與研究對象不同，導致與本試驗得到的Ea值和z值有一定差異。

表2 不同溫度煮制魚丸水分含量變化反應動力學參數

表3 不同溫度煮制魚丸剪切力變化反應動力學參數

2.3 剪切力變化

燉煮時間的長短會影響肉品嫩度[30]。剪切力是一種能精確反映食品品質變化的客觀測量肉類嫩度的方法[31]。因此，將剪切力作為魚丸煮制過程中表征成熟的品質因子。煮制過程中魚丸剪切力變化如圖6所示，剪切力隨煮制時間的延長而增加，煮制時間為100 min后，75 ℃剪切力最高，而70、80和85 ℃時，其剪切力隨溫度增加而增大但都低于75 ℃剪切力。該結果與石宇等[16]西式火腿低溫烹飪能改善嫩度結論不一致，原因可能是魚丸和西式火腿都屬于再制食品，但二者組成成分及結構特性不同。

圖6 魚丸剪切力的變化Fig.6 Changes of shear force of fish ball

選用最小二乘法對魚丸剪切力變化進行擬合，并對其lnk-1/T進行線性回歸分析，根據公式求出反應動力學參數，如表3和圖7所示。煮制過程中魚丸剪切力變化零級反應動力學的平均相關系數大于一級動力學的平均相關系數，表明剪切力變化遵循零級動力學模型，Ea值為49.18 kJ/mol，相關系數為0.893 8。

圖7 魚丸剪切力變化的Arrhenius圖Fig.7 Arrhenius plot for changes of shear force in fish ball

3 結論

煮制過程中魚丸亮度值、白度值和水分含量的變化均遵循一級動力學模型，而剪切力變化遵循零級動力學模型。魚丸亮度值和白度值的z值分別為19.37和33.43 ℃，Ea值分別為119.99和69.52 kJ/mol。水分含量的Ea值為39.39 kJ/mol，z值為59.11 ℃，大于亮度值和白度值的z值，滿足烹飪操作優化的前提條件，證明魚丸在煮制過程中存在優化空間，為推進魚丸產業化生產提供基礎動力學參數，也為家庭烹飪科學合理地利用熱源提供指導，從而提高魚丸的食用品質。后續研究在此基礎上將對魚丸煮制條件、品質穩定性等問題進行優化。