基于低壓核磁共振(LF-NMR)技術對東海帶魚(Trichiurus lepturus)保鮮品質及水分遷移特性的研究*

周卓穎 謝 超① 俞群娣 張家瑋 鄭霖波 鄭 煒 葉常青

基于低壓核磁共振(LF-NMR)技術對東海帶魚()保鮮品質及水分遷移特性的研究*

周卓穎1謝 超1①俞群娣1張家瑋1鄭霖波1鄭 煒2葉常青2

(1. 浙江海洋大學食品與藥學學院 浙江舟山 316022; 2. 舟山市常青海洋食品有限公司 浙江舟山 316021)

為探究東海帶魚()在低壓核磁共振(LF-NMR)技術下的品質變化及水分遷移特性, 以揮發性鹽基氮(TVB-N)含量、pH、水分含量為指標, 并分析NMR橫向弛豫時間2反演譜圖和MRI成像, 研究不同電場強度(DY1～DY4分別為0, 2, 2.5, 3 kV/m)對帶魚內部水分遷移及品質的影響。分析TVB-N數據發現, DY3(=2.5 kV/m)、DY4(=3 kV/m)在貯藏后期表現出更佳的保鮮優勢。在0～40 d貯藏期內, 不同電場強度條件下的帶魚pH值均呈先降后升趨勢。電場的添加能降低自由水的流動性, 抑制微生物生長, 減少帶魚體內水分流失。分析NMR橫向弛豫時間2反演譜圖發現,21、22、23峰面積均有不同程度減小, 其中22信號幅度變化最大, 表明電場的添加能改變帶魚體內水分遷移路徑, 維持較高的水分含量, 增加帶魚持水性和保水性。MRI成像圖表明在貯藏期間, 電場處理后帶魚水分保有率得到了提升, 保鮮效果優于未施加電場帶魚, 且電場強度越大, 體外遷移水分越少。實驗表明低壓核磁共振(LF-NMR)技術對東海帶魚具有良好的保鮮效果, 對低壓核磁共振(LF-NMR)技術的保鮮應用提供一定的理論指導作用。

低壓靜電場; 東海帶魚(); 水分遷移特性; 低壓核磁共振(LF-NMR)

帶魚()在海洋水產品中是相對產量較高的一種魚類, 為暖溫性近底層重要經濟魚類, 是我國海洋四大海產之一, 廣泛分布于東亞大陸架海域(吳仁協等, 2019)。帶魚自身富含多種營養物質, 營養成分全面, 食用后對人體有很多功效, 如有益于脾胃虛寒, 增進食欲而達到很好的健體補虛功效, 可以為機體提供豐富的蛋白質; 可有效預防癌癥, 對血癌、胃癌等有防治作用; 不飽和脂肪酸含量豐富, 具有增強機體免疫力等功效(郭艷利等, 2018; 邵穎, 2019)。

水產品中水分的含量最高, 而且水分作為水產品中非常重要的組分, 其存在形式和各區域分布狀況對水產品品質和貯藏期間的穩定性等有著顯著的影響。這些影響包括蛋白質變性、酶活性下降、彈性硬度變化等物化反應, 都與水有密切關系。帶魚具備水產品的易腐特性, 微生物能在其組織結構中獲得良好的生存環境從而大量繁殖, 同時產生一系列生化反應, 從而使得帶魚在貯運中品質迅速下降。其中關于水分的表現有魚肉發生大量結構膨脹, 結合水和肌間截留水轉變成為自由水, 導致水產品質量變差。證明了水產品質量的改變與水分的移動有一定的聯系(王尊等, 2017)。為了監測研究帶魚物理化學性質可以成為水產品新鮮度的判斷標準(Horigane, 2013), 因此, 采取適當的處理方式延長其貯藏期, 可顯著提升水產品的貯藏品質。

低場核磁共振(low field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)是近年來開發的一種高科技檢測技術。大多研究者將其靈活運用在食品學、醫學、生物學等各個領域。在檢測中, 它具備了多種優勢, 如操作便捷、穩定性高, 得出結果效率高等, 除此之外, 加設磁場檢測肌肉中氫原子核的馳豫特性可以得到被檢樣品水分的變化, 能為判斷肌肉損傷腐爛幅度提供準確靠譜的判斷依據(房鵬祥等, 2021)。分析水分的不同活躍形態以及水分與肌肉組織間纖維致密程度, 可以分成多個水分類型。通過測定氫原子核在磁場中的縱向弛豫時間1和橫向弛豫時間2, 分析所得物理特性;2測定結果能將食品中的三種類型水(結合水、不易流動水、自由水)加以區分, 同時得出三種類型水分的轉換關聯, 因此通常用它來表征水分的遷移特性(錢韻芳等, 2018)。

本文通過水分含量對帶魚40 d內水分遷移情況進行初探, 再結合低場核磁共振技術進行NMR橫向弛豫時間2反演譜圖分析、MRI成像分析, 旨在得出不同時期帶魚內部不同水分狀態和不同部位的水分遷移情況, 探究電場強度對帶魚微凍貯藏期水分遷移的影響。研究水分在食品內的含量及分布情況, 以及各種條件下水分遷移形式和特點, 運用低溫貯藏、外加電場等方法食品水分遷移進程, 對提升食品貯藏品質和保鮮效果有一定指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮舟山東海帶魚(), 采購自浙江舟山漁港, 挑選魚皮濕滑、無破損品質完好(體長約0.8～1.0 m, 厚約2～3 cm)、通體銀白錚亮的個體, 經過處理后進行包裝袋封裝, 設定溫度為–4 °C, 分別進行電場保存。

1.2 試驗試劑

本試驗所用試劑包括氧化鎂(MgO)、硼酸(H3BO3)、鹽酸(HCl)、三氯乙酸(C2HCl3O2)等, 具體見表1所示。

表1 實驗試劑

Tab.1 The experimental reagents

1.3 儀器與設備

本試驗所用儀器與設備包括水分含量儀、品質分析成像儀、分析天平、電熱恒溫干燥箱、自動溫度記錄儀等, 具體見表2所示。

表2 儀器與設備

Tab.2 Instruments and equipment

1.4 方法

1.4.1 樣品處理 新鮮帶魚冰袋裝箱0 °C從碼頭運至實驗室, 即刻進行清洗、稱重、分裝等工作, 瀝水晾干后使用封口機套袋封口, 對封口袋進行個體隨機分組后放入0 °C冰箱備用。

1.4.2 分組與電場設置 處理好的帶魚分為4組, 具體貯藏條件見表3。

表3 樣品分組與貯藏條件

Tab.3 Sample grouping and storage conditions

注: 表中代表電場強度,代表溫度,代表電場頻率,代表貯藏時間

1.4.3 總揮發性鹽基氮的測定 參考國標GB 5009.228—2016。為防止管路堵塞, 上機前將氧化鎂用量從1 g減少至0.25 g。采用0.01 mol/L鹽酸滴定, 加入5滴溴甲酚綠和1甲基紅作為指示劑, 當滴定出現紅紫色即停止。計算公式見式(1)。

定氮儀參數設定: 硼酸30 mL、蒸餾時間180 s、淋水量10 mL、自動加堿功能OFF。

, (1)

式中,為揮發性鹽基氮含量(mg/100 g);為樣品質量(g);1為測定值(mL);2為空白值(mL);為鹽酸濃度(mol/L); 100為換算系數。

1.4.4 pH的測定 pH計雙點法校正, 校正點選定為pH 6.86、pH 4.00。

1.4.5 水分含量的測定 截取小片帶魚背部肌肉, 使用101～105 °C直接干燥法, 每隔30 min測定一次, 重復操作至誤差≤2 mg達到恒重。

1.4.6 NMR橫向弛豫時間2反演譜圖分析 通過低場核磁共振技術(NMR)測定, 原理是利用原子核躍遷產生核磁共振, 靜磁場中射頻自旋體系(1)引發內源性能量反轉, 微觀體系達到內平衡的時間即為橫向弛豫時間(2) (Nishimura, 2018)。2譜反演參數: 磁體溫度(35 °C); 主頻(SF=20.8 MHz); 90°脈沖(6 μs); 180°脈沖(12 μs); 采樣點數(131 072); 重復時間(5 000 ms); 累加次數(NS=2次); 回波時間(0.26 ms); 回波個數(4 096) (藍蔚青等, 2019)。

1.4.7 MRI成像分析 參考謝小雷等(2013)的方法并作適當修改, 通過磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)將2參數三維坐標化, 以圖像形式提供水分空間信息(陳成等, 2015)。MRI成像參數: 磁體溫度(35 °C); 主頻(20.8 MHz); 90°脈沖(6 μs); 180°脈沖(12 μs); 采樣點數(128×128); 回波時間(TE=0.36 ms);重復時間(TR=5 000 ms); 序列(SE序列); 累加次數(1次) (Wang, 2018)。

1.4.8 數據處理 采用Origin和Excel整合數據, 制作數據關系圖, 采用SPSS 21做誤差分析,<0.05則差異顯著,>0.05則無顯著差異, 指標進行3次平行實驗。

2 結果與討論

2.1 總揮發性鹽基氮含量

揮發性鹽基氮(total volatile basic nitrogen, TVB-N)包括食品中堿性的胺及氨類等分解產物, 是水產品、肉類新鮮程度指標中最具代表性的指標(吳迪迪等, 2019), 其值越大代表氨基酸被破壞程度越大。高蛋白食品貯藏終點會發散臭味多是因為TVB-N含量過高所致。如圖1所示, 在低壓靜電場協同低溫的貯藏條件下, 0～40 d帶魚TVB-N值逐漸增大, 整體呈現上升趨勢。0 d時測得新鮮帶魚TVB-N為9.84 mg/100 g, 符合SC/T 3102-2010中一級品質帶魚(TVB-N ≤13 mg/100 g)的定義。10 d時DY1的TVB-N上升了7.12 mg/100 g, 其余三組上升幅度不大, 保持在同一水平。30 d時DY1帶魚有輕微腥臭味, 魚眼發黃, 測得TVB-N為35.64 mg/100 g, 已不符合新鮮帶魚(TVB-N ≤30 mg/100 g)的標準, 電場處理帶魚的TVB-N則在30 mg/100 g以下。由此可見電場可通過抑制生物體內蛋白質的降解來減慢TVB-N上升速度。40 d時DY2、DY3組TVB-N分別為28.94、28.15 mg/100 g, 未超出合格品范圍限定, DY4組帶魚TVB-N值為32.44 mg/100 g, 出現輕微腐敗。這表明3 kV/m電場強度的持續施加雖然能在前中期延緩TVB-N上升, 但隨貯藏時間延長, 過高的電場強度并不能繼續抑制堿性物質的增加, 故DY4組TVB-N值在保鮮結束時已超過標準。

圖1 電場強度對微凍貯藏帶魚TVB-N的影響

2.2 pH值

pH值指酸堿度, 貯藏過程中pH值的變化能直觀地反映出樣品的酸堿性(胡云峰等, 2021), pH的波動幅度代表了魚體蛋白質被微生物和酶分解的速率和解析程度。新鮮帶魚pH為7.11, 隨貯藏時間的延長, pH值呈先降后升趨勢。如圖2所示, 帶魚pH在10 d有最低值, 究其原因與帶魚出水后進入死僵狀態有關, 糖原、ATP被分解為乳酸, 乳酸比例上升使得pH下降。從20 d開始, DY1、DY2、DY3、DY4的pH卻出現意外的上升, 貯藏至30 d時pH值波動較小, 波幅維持在±0.16之內, 40 d時pH達到最大值, DY1、DY2、DY3、DY4分別為7.67、7.30、7.24、7.47, 均比貯藏初期7.11高。這可能是因為貯藏后期微生物數量上升, 腐敗菌和內源酶聯合作用將帶魚肌肉組織中的肌球蛋白、肌漿蛋白等蛋白質分解成堿性含氮物質, 因此pH才會上升。水產品新鮮度和pH波動幅度大小相關, 波動幅度越大, 自分解反應越激烈, 不利于儲運保鮮(李來好等, 2009)。與DY1相比, DY2、DY3、DY4的pH波動幅度更小, 表明電場對pH波動幅度有顯著作用。電場能改變細胞膜跨膜電位差, 以此降低微生物活性和水解酶活性, 使pH維持在初始水平附近(Schottroff, 2019)。

圖2 電場強度對微凍貯藏帶魚pH的影響

2.3 水分含量的測定

圖3展示了0～40 d電場結合微凍貯藏帶魚水分含量的變化情況, 在貯藏期間水分含量總體呈現出不斷的下降。新鮮帶魚水分含量為78.49%, 貯藏至20 d, DY1、DY2、DY3、DY4水分含量分別為50.14%、53.16%、54.23%、57.10%, DY1降幅最大。貯藏至40 d四組樣品水分含量分別為34.25%、38.24%、41.05%、44.56%, 組間、組內差異顯著(<0.05)。組內差異顯著說明水分會隨貯藏時間延長流失, 這可能與蛋白質結構改變和微生物增長有關。組間差異顯著說明外加電場可能引起肌肉內水分子的共振, 使水分子結構發生改變, 從而降低了自由水的流動性, 同時電場抑制微生物生長, 減緩微生物繁殖破壞細胞結構的速率(段偉文, 2019)。

圖3 電場強度對微凍貯藏帶魚水分含量變化的影響

2.4 新鮮帶魚T2譜圖

通過低場核磁共振技術(NMR)測定的新鮮帶魚2橫向弛豫時間光譜如圖4所示。按照自由流動程度將生物體水分稱為結合水、不易流動水和自由水。圖中第一個峰代表結合水橫向弛豫時間21, 這部分水通過偶極作用與帶魚體內大分子結合十分緊密; 第二個峰代表不易流動水橫向弛豫時間22, 這部分水存在于細胞膜結構和亞顯微結構, 流動性強于21結合水; 第三個峰代表自由水橫向弛豫時間23, 這部分水流動性最強, 是貯藏過程中最容易損失和最先損失的部分(宋偉等, 2015)。經過歸一化處理后21、22、23峰面積分別為32 575 907.5、1 673 423 122.1、437 205 362.3, 峰占比分別為1.5%、78.0%、20.5%, 不易流動水占新鮮帶魚水分分布比例最高, 只有1.5%的結合水。

2.5 NMR橫向弛豫時間T2反演譜圖分析

圖5展示了20 d帶魚90°脈沖和180°脈沖的2橫向弛豫時間反演譜圖, 可以看出貯藏一段時間后帶魚產生水分遷移,21、22、23峰面積均有不同程度減小。其中22信號幅度變化最大,21、23次之, 且三個峰有向右移動的趨勢, DY4→DY1峰面積及比例呈遞減趨勢, DY1、DY2、DY3、DY4的22峰面積分別為613 285 530.7、736 884 414.5、843 959 697.5、976 446 178.8, 峰占比分別為74.68%、79.36%、81.94%、84.12%。圖6展示了40 d時四組帶魚2橫向弛豫時間反演譜圖,22峰面積分別為145 619 368.6、292 459 342.0、361 152 881.5、747 460 174.9, 峰占比分別為68.14%、75.44%、78.12%、81.11%,22峰面積和峰占比下降的同時23峰面積和峰占比卻出現了上升趨勢,21峰面積也有明顯增大。對內來說, 峰占比的變化說明三種形態水在進行相互的轉換, 構成細胞膜和亞顯微結構的不易流動水比例會下降; 對外來說, 峰面積減小說明帶魚水分含量減少, 新鮮度降低。組間差異說明電場能改變帶魚體內水分遷移路徑, 維持較高的水分含量, 增加帶魚持水性和保水性, 電場強度越高持水力越強, 這與水分含量的結果一致。

圖4 新鮮帶魚T2譜

注: 圖中的峰主要反饋新鮮帶魚中不同種類水的存在,峰面積表示其含量。黃色和紅色(帶黃點)為同一曲線, 黃色曲線表示信號值為0, 紅色(帶黃點)曲線表示該橫向弛豫時間下出峰, 藍色部分表示與紅色曲線(帶黃點)的出峰進行明顯區別

圖5 第20天帶魚橫向弛豫時間T2譜

圖6 第40天帶魚橫向弛豫時間T2譜

2.6 MRI成像分析

MRI成像圖可以直觀體現樣品內部水分分布。暖色越深, 數值越高, H質子密度越大, 水分含量越高(Tan, 2018); 冷色越深, 數值越低, H質子密度越小, 水分含量越低(胡斐斐等, 2021)。圖7分別展示了0、20、40 d各組帶魚MRI的H質子分布情況, 新鮮帶魚肉片中心區域顏色深厚且鮮艷, 隨著貯藏時間延長, 紅色區域逐漸減少, 紅色由中心向外部擴散, 直觀地表征出了帶魚貯藏時的汁液流失和水分遷移現象。貯藏至20 d, DY1和DY2組MRI黃色增多, 紅色減少, DY3和DY4組中心區域仍有部分紅色。貯藏至40 d, DY1組圖像完全變成了藍綠色, 水分流失嚴重, DY2和DY3大部分區域為黃色, 紅色消失, 僅DY4組有零星紅色, 印證了NMR橫向弛豫時間2趨勢走向。實驗表明電場處理后帶魚水分保有率得到了提升, 保鮮效果優于未施加電場帶魚, 且電場強度越大, 體外遷移水分越少。

圖7 帶魚MRI成像圖

注: a. 新鮮帶魚MRI; b. DY1-20 d MRI; c. DY2-20 d MRI; d. DY3-20 d MRI; e. DY4-20 d MRI; f. DY1-40 d MRI; g. DY2-40 d MRI; h. DY3-40 d MRI; i. DY4-40 d MRI。圖例數值表示該部位信號值, 中心顏色越接近紅色表示該部位含水量較高, 水分流失情況較少; 反之則表示該部位含水量較低, 水分流失嚴重

3 結論

本文通過測定TVB-N、pH、水分含量、分析NMR橫向弛豫時間2反演譜圖和MRI成像, 得出不同時期帶魚內部不同水分狀態和不同部位的水分遷移情況, 研究電場強度(0, 2, 2.5, 3 kV/m)對帶魚內部水分遷移的影響, 得到了以下主要結論: 貯藏前期TVB-N數據均相差不大, 貯藏中期電場組DY2、DY3、 DY4相對于對照組有著明顯的保鮮效果, DY3、DY4(=3 kV/m)在貯藏后期具有更佳的保鮮優勢。在0～40 d貯藏期內, DY1、DY2、DY3、DY4帶魚pH值均呈先降后升趨勢。

(1) 帶魚體內水分會隨貯藏時間延長流失, 電場能降低自由水的流動性, 抑制微生物生長, 減緩微生物繁殖破壞細胞結構的速率, 未施加電場處理的帶魚水分含量最低。

(2)2橫向弛豫時間由三個峰組成, 分別代表結合水、不易流動水和自由水。21、22、23峰面積在貯藏期間均有不同程度的減小, 其中22信號幅度變化最大, 結合三種類型水相互轉換, 構成細胞膜結構和亞顯微結構的不易流動水比例會下降。電場能改變帶魚體內水分遷移路徑, 維持較高的水分含量, 增加帶魚持水性和保水性, 電場強度越高持水力越強。

(3) 由MRI成像分析結果可知, 電場處理后帶魚水分保有率得到了提升, 保鮮效果優于未施加電場帶魚, 且電場強度越大, 體外遷移水分越少。

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STUDY ON PRESERVATION AND WATER RETENTION IN HAIRTAILFROM THE EAST CHINA SEA IN LF-NMR TECHNOLOGY

ZHOU Zhuo-Ying1, XIE Chao1, YU Qun-Di1, ZHANG Jia-Wei1, ZHENG Lin-Bo1, ZHENG Wei2, YE Chang-Qing2

( 1. College of Food and Medicine, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China; 2. Zhoushan Changqing Marine Food Limited Company, Zhoushan 316021, China)

To understand the quality change and water migration in hairtailunder low-pressure nuclear magnetic resonance, the influence of electric field in different intensities (Groups DY1～DY4:=0, 2, 2.5, 3 kV/m, respectively) on the internal water migration and quality of hairtail was studied in experiment, in which the content of volatile base nitrogen (TVB-N), pH, and water content were measured, and the2inversion of NMR transverse relaxation time and MRI imaging were analyzed. Results of TVB-N data analysis show that DY3(=2.5 kV/m) and DY4(=3 kV/m) showed better fresh-keeping advantages in the storage period. During the storage period of 0～40 d, the pH value of hairtail under different electric field intensities decreased at the beginning and then increased in tendency. The application of electric field could reduce the fluidity of free water, inhibit the growth of microorganism, and reduce the water loss in hairtail. By analyzing the2inversion spectra of NMR transverse relaxation time, the22and23peak areas decreased to different degrees, and the amplitude of22signal changed the most, indicating that the application of electric field can change the water migration path in the fish, maintain higher water content, and increase water retention and water retention of the fish. MRI imaging showed that during storage, the water retention rate of hairtail was improved after electric field treatment, and the preservation effect was better than that without the treatment, and the greater the electric field intensity, the less water migrated. The experimental results show that LF-NMR technology had a good effect on the preservation of hairtail of the East China Sea. This study provided a theoretical base for the application of LF-NMR technology in the preservation of ribbonfish and other similar fishes.

low-voltage electrostatic field;in the East China Sea; migration of water; low field nuclear magnetic resonance (LF-NMR)

*2019年浙江省省級重點研發項目, 2019C02077號。周卓穎, 碩士研究生, E-mail: 18857092767@163.com

謝 超, 博士, 副教授, E-mail: xc750205@163.com

2021-09-12,

2021-10-08

TS254

10.11693/hyhz20210900210