竹莢魚浸漬凍結液配方的優化與應用效果

王雪松,謝晶,2,3*

1(上海海洋大學 食品學院,上海,201306) 2(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(上海海洋大學),上海,201306) 3(上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺,上海,201306)

浸漬凍結具有凍結速度快、能耗低、凍結質量好等優點,具有可觀的應用前景。然而,浸漬凍結過程中存在一些問題,比如凍結液質量下降和凍結液溶質滲入被凍物品等現象影響了浸漬式快速凍結技術的推廣應用。目前,多元載冷劑是浸漬凍結技術的研究重點,一方面可以明顯降低載冷劑冰點,從而提高凍結食品品質;另一方面,使用三元組分或更為復雜的溶液可限制溶質滲透。張濤等[1]通過響應面法優化了乙醇、低聚果糖、檸檬酸、CaCl2、丙二醇等組成食品級低溫凍結液,凍結點可達-63.5 ℃,黏度4.64 mPa·s;楊賢慶等[2]研究了以甜菜堿、丙二醇、NaCl為主要組分,添加少量甘氨酸、低聚木糖、甘露醇,組成凍結點為-38.1 ℃的多元凍結液;YANG等[3]研究發現由乙醇、NaCl、葡聚糖、活性蛋白、菊花素和柚皮素組成的浸漬凍結液用于暗紋東方河豚冷凍,可以很好保持其品質。PINHO等[4]發現在鹽水冷凍液中使用葡萄糖會減少凍結過程中鹽的滲透;LUCAS等[5]研究發現,在NaCl水溶液(4.55 mol/kg)中加入2 mol/kg的蔗糖,1 h內NaCl的滲透量減少40%。

載冷劑的選擇是食品浸漬冷凍技術推廣的關鍵問題。選擇載冷劑需考慮如下因素:(1)凍結溫度低,必須低于凍結的運行溫度;(2)傳熱系數大,即導熱系數大,而黏度要小;(3)性質穩定,安全、無毒、不燃不爆、腐蝕性小、價格低。目前在食品浸漬冷凍中所用的載冷劑主要有鹽水溶液(NaCl、CaCl2)、醇類水溶液(乙醇、乙二醇、丙二醇與丙三醇等)、糖類(蔗糖、轉化糖、葡萄糖、果糖、山梨糖醇與玉米糖等)的水溶液。徐慧文[6]研究發現,CaCl2組的魚肉滲鹽量低于NaCl組,且凍結品質好于乙醇、丙二醇、乙二醇組溶液。丙二醇揮發性低、對食品滲透性較低,其濃度對凍結點的影響與乙醇類似,對設備的腐蝕性小,而且安全性符合食品要求。因而丙二醇在載冷劑中可代替乙醇和鹽[7]。海藻糖是一種天然的抗凍劑,具有保護生物細胞和生物活性物質的功能。WU等[8]研究發現海藻糖可以較好地抑制凍藏過程中鱸魚魚糜肌原纖維蛋白的變性。另外,海藻糖使冰點下降的程度與蔗糖一樣,已在食品工業中用于降低冰淇淋和其他冷凍制品的凝結點,且甜度遠低于蔗糖[9]。

本實驗選用食品級的海藻糖、丙二醇、CaCl2和水組成四元低溫冷凍液,通過單因素試驗及響應面分析試驗找到其最佳配比,以期今后應用于水產品的浸漬凍結過程。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮竹莢魚由臺州市弘帆漁業服務有限公司提供,選取大小均一的個體,魚體長度16～20 cm,單體質量(100±40)g,采用一層冰一層魚的方式運回實驗室進行凍結處理。

丙二醇、海藻糖、CaCl2,均為食品級,儀衡(上海)生物科技有限公司;Bradford法蛋白濃度測定試劑盒,南京建成生物工程研究所。

1.2 儀器與設備

MDF-U54V-80 ℃超低溫冰箱,日本松下公司;Fluke 2640A網絡型多點溫度采集儀,美國福祿克電子儀器儀表公司;H-2050R冷凍離心機,湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;UV-1102紫外可見分光光度儀,上海天美儀器有限公司;DSC823e差式掃描儀,梅特勒-托利多儀器有限公司;Physica MCR301高級流變儀,奧地利安東帕有限公司;CR-400色彩色差計,日本柯尼卡美能達公司;TA.XT Plus質構儀,英國Stable Micro Systems公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 速凍液凍結點的測定

將配制好的凍結液置于-80 ℃超低溫冰箱進行凍結,并將熱電偶探頭浸入凍結液中,記錄凍結過程中溫度隨時間變化數據,并得出相對應的凍結曲線。凍結液在降溫過程中存在一段出現略微升溫現象的曲線。對此段平緩曲線上的溫度求取平均值,可視為該凍結液的近似凍結點[2,10]。

1.3.2 凍結液黏度的測定

使用旋轉流變儀進行測量,使用同軸圓筒型夾具系統,溫度選擇4 ℃,剪切速率變化范圍為0～1 000 s-1,選取剪切速率為8 s-1時的黏度為凍結液黏度[11]。

1.3.3 凍結液比熱的測定

采用藍寶石比熱法,使用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry,DSC)進行測定[12]。通過公式(1)計算待測樣品的比熱容:

(1)

式中:m1,藍寶石質量,mg;m2,樣品質量,mg;Y0,T1時基線的DSC數值,mW;Y1,T1時藍寶石的 DSC數值,mW;Y2,T1時待測樣品的DSC數值,mW;C1,藍寶石的比熱容,J/(mg· K);T1取40 ℃。

1.3.4 Box-Behnken實驗設計

本實驗通過查表(ASHRAE手冊2005)對丙二醇和CaCl2進行單因素分析,考慮到復配冷凍液的熱物性變化,確定主要研究的丙二醇質量分數為8%～12%,CaCl2質量分數為10%～20%,并通過預實驗測試不同質量分數海藻糖溶液(5%、10%、15%、20%、25%)的凍結點、比熱和黏度,確定海藻糖質量分數為5%～15%為宜。進行Box-Behnken響應面試驗,自變量為海藻糖(A)、丙二醇(B)、CaCl2(C)的質量分數,以凍結液的凍結點絕對值、黏度、比熱為響應值,設計了3因素3水平的響應面分析實驗,試驗因素水平見表1。

表1 載冷劑配比的響應面試驗因素水平表Table 1 Response surface test factors and levels for refrigerant ratio

1.3.5 不同凍結方式的對比實驗

將新鮮竹莢魚均分為3組,分別做如下處理:

第1組直接置于-30 ℃冰箱凍結;第2組直接浸漬在優化后的復配冷凍液(-30 ℃)中凍結;第3組直接浸漬在目前食品工業中常用25% CaCl2冷凍液(-30 ℃)中進行凍結。當魚中心溫度降至-18 ℃時,用濾紙吸干樣品表面殘留的液體,放置于4 ℃冰箱中解凍后進行相關理化指標的分析。

1.3.6 保水率的測定

持水力參考TAN等[13]的方法,每組樣品重復 3 次,按公式(2)計算:

(2)

式中:m3,離心前的竹莢魚質量,kg;m4,離心后的竹莢魚質量,kg。

1.3.7 凍結速率的測定

根據BULUT等[14]的方法,把熱電偶的探頭分別插入竹莢魚魚體的幾何中心(魚體長度一半的位置)和魚體表面,通過多點溫度采集儀實時記錄魚體凍結過程的溫度變化。凍結速率采用國際制冷學會提出的方法計算,如公式(3)所示:

(3)

式中:δ0,食品表面與熱中心的最短距離,cm;τ0,食品表面達到0 ℃后至熱中心溫度達初始凍結點以下15 ℃所需的時間,h。

1.3.8 鹽溶性蛋白含量的測定

根據WANG等[15]的方法,魚肉中的鹽溶性蛋白含量使用Bradford法蛋白濃度測定試劑盒進行測定。

1.3.9 魚肉滲鹽量的測定

參考徐慧文等[16]的方法進行測定。

1.4 數據處理與分析

通過Design-Expert 10軟件進行分析,繪制響應曲面圖,得到復合凍結液最佳配比。除特殊說明外,實驗均設3組平行,數據使用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 響應面分析與實驗結果

根據表1進行試驗分組,試驗共17組,1～12為析因試驗,13～17為中心試驗,用來估計試驗誤差。各組的試驗結果見表2。

通過Design-Expert 10軟件對表2的各組實驗數據進行回歸擬合,試驗因素對3種響應值的影響可分別用以下回歸方程表示:

Y黏度=5.54+1.78A+0.97B+1.90C-0.010AB+1.17AC+0.012BC+0.50A2+0.56B2+0.32C2

Y凍結點=22.12+3.53A+1.21B+10.20C+0.76AB+2.30AC+1.45BC+2.36A2-0.31B2+2.75C2

Y比熱= 4.48-0.15A-0.091B-0.41C-0.038AB+0.014AC-0.20BC+0.12A2+0.11B2+0.03C2

表2 響應面分析試驗結果Table 2 Experimental results of response surface analysis

表3 回歸方程的方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression equation

為更直觀地反映各項因素對凍結液傳熱性能的影響,根據模型方程,通過Design Expert軟件對凍結液配方進行響應曲面圖分析。圖1是3因素間交互作用對凍結液黏度影響的響應面圖。當海藻糖添加量不變時,凍結液黏度隨著丙二醇添加量的增加而緩慢增加;當丙二醇添加量不變時,凍結液黏度隨著海藻糖添加量的增加而快速降低,說明海藻糖對凍結液黏度的影響較丙二醇顯著,曲線較陡(圖1-a);同樣CaCl2對黏度的影響較海藻糖大(圖1-b);圖1-c也顯示出CaCl2對黏度的影響較丙二醇顯著。結合表3可知,3因素對凍結液黏度的影響大小為:CaCl2>海藻糖>丙二醇。

圖1 海藻糖、丙二醇和CaCl2各因素交互作用對凍結液黏度影響的響應面圖Fig.1 Response surface diagram of the interaction of trehalose,propylene glycol and CaCl2 on the viscosity of quick-freezing liquid

圖2是3因素間交互作用對凍結液凍結點絕對值影響的響應面圖。由圖2-a可以看出,在CaCl2質量分數為15%,海藻糖的添加量不變時,凍結點隨著丙二醇添加量的增加而緩慢下降;而當丙二醇添加量不變時,凍結點隨著海藻糖添加量的增加而快速下降,這說明海藻糖對凍結點降低的影響較丙二醇顯著。圖2-b、2-c則分別表明,CaCl2對速凍液凍結點的影響較海藻糖、丙二醇顯著。這與表3中各影響因素對速凍液凍結點影響順序一致,即CaCl2>海藻糖>丙二醇。

由單因素分析可知,比熱均隨3種物質濃度的增加而降低。根據表3中的F值大小判斷各影響因素對速凍液比熱的影響程度,F值越大,影響越大,影響程度依次為CaCl2>海藻糖>丙二醇。

在黏度取最小值,凍結點、比熱取最大值的條件下,通過Design-Expert 10軟件擬合實驗結果,得到復配凍結液的最佳配方是5.001%海藻糖,8.092%的丙二醇,19.998%的CaCl2,根據模型方程的預測,復配凍結液的理論黏度、凍結點、比熱分別為4.863 mPa·s、-29.490 ℃、4.701 kJ/(kg·℃)。根據響應面優化的結果,以5%海藻糖、8.1%丙二醇、20% CaCl2為配方,進行驗證實驗來檢驗模型預測的準確性,在此條件下重復3次,測得最佳凍結液黏度、凍結點、比熱分別為4.784 mPa·s、-29.860 ℃、4.864 kJ/(kg·℃),均與預測值較接近,說明通過該響應面模型優化復配凍結液配比是合理可信的。

圖2 海藻糖、丙二醇和CaCl2各因素交互作用對凍結液凍結點影響的響應面圖Fig.2 Response surface diagram of the interaction of trehalose,propylene glycol and CaCl2 on the freezing point of quick-freezing liquid

2.2 不同凍結方式對竹莢魚品質的影響

凍結速率會影響凍結食品內冰晶大小及分布,凍結方式按凍結速率可分為慢速凍結(0.1～1.0 cm/h)、中速凍結(1～5 cm/h)、快速凍結(5～20 cm/h)[17]。由表4可知,各組凍結速率大小:復配浸漬組>工業浸漬組>冰箱凍結組。

表4 不同凍結方式對竹莢魚品質影響結果Table 4 Effect of different freezing methods on the quality of T.japonicus

在相同的凍結溫度下,浸漬凍結組均快于冰箱凍結,這是由于凍結液的傳熱系數遠大于氣體;復配浸漬組屬于快速凍結,因其凍結液黏度小于工業浸漬組,且比熱大于工業浸漬組,表明冷凍液的傳熱熱阻小且熱容量大,因此其傳熱性能增強,凍結速率提高[7,18]。

持水力是用于評價食品組織保水性的重要指標,由表4可知,復配浸漬液凍結的竹莢魚持水力顯著高于工業浸漬組和冰箱凍結組,最接近新鮮對照組,最能保持魚肉組織中的水分。這是由于快速凍結使組織內冰層的伸展速度大于水分遷移速度,冰晶細小且量多,分布接近新鮮物料中原來水分分布狀態,最能保持魚肉中的水分狀態。辛美麗[19]的研究也表明了-35 ℃浸漬快速凍結顯著減少魚肉汁液損失。

表4中各凍結組的鹽溶性蛋白含量大小順序為:復配浸漬組>工業浸漬組>冰箱凍結組。蛋白含量反映魚肉蛋白變性程度,可以看出復配浸漬組的鹽溶性蛋白含量較高,蛋白變性程度最小,這是由于快速凍結降低魚肉蛋白的變性,且海藻糖具有抗凍的特性,可以降低冷凍過程中冰晶對蛋白結構的破壞[20]。

滲鹽量的增加會直接影響凍品的品質。徐慧文等[21]的研究表明CaCl2浸漬凍結速率越快,浸漬時間越短,滲鹽量越低。本實驗中的復配浸漬凍結組的CaCl2含量低,凍結速率快,且糖類物質的添加也有助于降低凍結過程中鹽的吸收[22]。因此,復配浸漬組的滲鹽量顯著低于工業浸漬凍結組,可以有效地阻止凍結過程中的滲鹽量。

彈性和紅度值是評價魚肉感官品質的重要指標[23-24]。3種不同凍結速率處理后,復配浸漬液凍結組的樣品彈性最好,顯著高于工業浸漬組和冰箱凍結組,這可能是由于快速凍結減少了魚肉水分散失,以及蛋白質的冷凍變性,從而保持魚肉的質地。色澤上,復配浸漬液凍結組的紅度值最接近新鮮樣品,顯著低于冰箱凍結,這一結果可能是因為海藻糖提高了竹莢魚凍藏期間顏色的穩定性[25]。

3 結論

本實驗利用了Box-Behnken實驗設計和響應面分析法優化了CaCl2浸漬液配方,得到竹莢魚浸漬冷凍的多元凍結液最佳配比為:以占凍結液總質量分數計,5%海藻糖、8.1%丙二醇、20% CaCl2。此條件下的凍結液的黏度、凍結點、比熱分別為4.784 mPa·s、-29.860 ℃、4.864 kJ/(kg·℃)。并運用該最佳復配凍結液(-30 ℃)進行竹莢魚凍結實驗,與冰箱凍結、工業浸漬凍結相對比,該凍結方式具有最佳的凍結速率,凍結后的樣品持水力變化最小,魚肉彈性與紅度值最接近對照組,蛋白變性程度最低,并可有效減少浸漬凍結過程中鹽的滲透。綜合各指標,優化后的復配凍結液可提高竹莢魚凍品品質。