基于層次分析法優化凡納濱對蝦(Penaeus vannamei)熱風干燥工藝

張澤偉,董春雨,吉宏武*,張迪,劉書成,2,蘇偉明

1(廣東海洋大學 食品科技學院,廣東省水產品加工與安全重點實驗室,廣東省海洋生物制品工程實驗室,廣東省海洋食品工程技術研究中心,水產深加工廣東普通高等學校重點實驗室,廣東 湛江,524088)2(海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心(大連工業大學),遼寧 大連,116034)

凡納濱對蝦(Penaeusvannamei)肉質鮮美,營養價值高,為全世界最受歡迎的海產品之一[1]。同時也是我國重要的經濟養殖蝦類,2020年總產量達到186.29萬t[2]。鮮蝦的易腐性、地域性和季節性等特性限制了其鮮活銷售,因此捕撈后需及時進行加工處理[3]。目前蝦的加工方式主要包括:冷凍、蒸煮、干燥等。與冷凍和蒸煮方式相比,干燥更具有優勢,其不僅可延長貯藏時間、減少貯藏空間,還賦予產品濃郁的香氣,富有嚼勁的口感[4]。熱風干燥因設備投資少,操作簡單,適應性強,衛生條件較好,仍是水產品主要加工方式[5]。

在干燥過程中,干燥溫度、時間和蝦干的水分含量等因素影響著蝦干的感官品質,如質構、色澤、氣味等。蔡林林等[6]研究發現干燥溫度與蝦仁的硬度呈正相關;胡夢月等[7]報道了隨熱風干燥時間增長,水分含量減少,蝦干硬度增大,揮發性成分含量顯著增加,使蝦干呈現果香和濃郁的烤肉香。因此在評價蝦干的品質優劣時,需要同時考察蝦干的多種感官指標。感官評分是一種通過人的味覺、觸覺、視覺、嗅覺和聽覺等感官對食品品質進行評分的科學方法,具有簡便、判斷迅速的優點,但其屬于主觀評價的方法,其結果受感官人員個人嗜好,口味等不穩定因素影響[8]。此外,蝦干的感官品質指標較多,簡單的感官評價已無法滿足對蝦干制品的綜合評價。而層次分析法可把復雜問題表示為有序的遞階層次結構,是一種對各評價指標賦予權重系數,通過權重系數與客觀數據進行定量計算,對方案進行綜合評分的決策方法[9]。該方法還能反映指標的重要程度,又避免單一指標評價的片面性,其計算結果客觀合理,得到的決策更加客觀化,可克服主觀評價的缺陷[10]。目前已逐步應用于中藥提取工藝[11]、鮮蝦品質評價[12]、鮮蝦熱燙-冷凍工藝[13]等領域,然而在蝦干品質的綜合評價中鮮見報道。

本研究以凡納濱對蝦為原料,控制熱風干燥溫度(65～105 ℃),調節干燥時間,使蝦干水分含量低于25%,對蝦干的色澤、質構特性、揮發性成分和初始菌落總數等指標進行測定,基于層次分析法對蝦干品質進行綜合評價,以探究熱風干燥工藝和蝦干的品質變化,為熱風干燥工藝的優化和蝦干品質質控提供基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活的凡納濱對蝦[(18±2) g]購自湛江市霞山水產品批發市場,加冰保鮮,運送至實驗室。

壬酸甲酯標準品(純度≥99.8%,色譜純),美國Supelco公司;PCA平板計數瓊脂,北京陸橋技術股份有限公司;NaCl(分析純),廣東光華科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

InertCap?Pure-WAX石英毛細柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)、TQ8050 NX型氣相色譜-質譜聯用儀,日本島津公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相萃取頭,美國Supelco公司;DHG-9023A型電熱鼓風干燥箱,上海合恒儀器設備有限公司;CR-20色差儀,日本柯尼卡美能達公司;TMS-Pro型物性分析質構儀,美國FTC公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 蝦干制備

對蝦洗凈、瀝干附水,平鋪于不銹鋼絲網上,置于風速為0.5 m/s的恒溫鼓風干燥箱中。設置不同干燥溫度(65、75、85、95、105 ℃)進行干燥,烘至水分含量為25、22、19、16、13 g/100 g后停止干燥,將蝦干樣品取出放入干燥器中備用。蝦干水分含量的測定方法參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》。樣品命名格式為“溫度-水分含量”,例65-13。

1.3.2 質構的測定

根據段少奇等[14]的方法,稍作修改。將樣品剝殼,剪取蝦腹的第二腹節,采用質構剖面分析(texture profile analysis,TPA)法測定蝦干的硬度和咀嚼性。測試參數:平底柱形探頭P/0.5(直徑5 mm),初始力0.5 N,測試前速率1 mm/s,測試速率1 mm/s,測試后速率1 mm/s,變形程度25%,間隔2 s。每組樣品設定6個平行樣,取平均值。

1.3.3 蝦干制備

取頭胸側面與倒數第二腹節,用色差儀分別測量其色澤,記錄L*、a*和b*值,其中L*代表明度值,值越大,越明亮;a*值表示紅-綠色度值,值越大,色澤越紅;b*值代表黃-藍色度,值越大,色澤越黃。每組樣品設定5個平行樣,取平均值。

1.3.4 初始菌落總數的測定

樣品烘干后,裝入已高溫滅菌的包裝袋中,封口,-70 ℃超低溫冰箱中保存備用。菌落總數的測定方法參照GB 4789.2—2022《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》。

1.3.5 揮發性成分的萃取

參考ZHANG等[15]的方法,稍作改動。蝦干經萬能粉碎機打碎成粉末。準確稱取2.00 g蝦粉裝入40 mL的頂空瓶內,加入2 μL的壬酸甲酯標準溶液(218.75 μg/mL,溶于甲醇),加蓋密封。將提前老化好的萃取針插入密封的頂空瓶中,將瓶子放置于60 ℃的恒溫水浴鍋中,萃取35 min。萃取完后立即將萃取針轉移到GC進樣口,于250 ℃下解吸5 min,同時啟動儀器采集檢測數據。

1.3.6 GC-MS條件

色譜條件:色譜柱為InertCap?Pure-WAX石英毛細柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為He,流速為1.0 mL/min;不分流進樣。程序升溫:柱子初溫40 ℃,保持3 min,以4 ℃/min升溫至100 ℃,保持2 min,再以8 ℃/min升至230 ℃,保持5 min。

MS條件:電子轟擊(electron ionization,EI)離子源,電子能量70 eV,接口溫度250 ℃,離子源溫度230 ℃,質量掃描范圍m/z33～550,采集方式為Q3掃描。

1.3.7 揮發性成分定性與定量

依據揮發性成分的總離子流圖,對峰面積最大的前200個峰進行積分,通過對NIST05和Wiley07數據庫進行相似度檢索,選擇相似度達80%以上的成分結構信息,確定各揮發性成分的名稱。

根據內標物(壬酸甲酯)的質量濃度與峰面積,與鑒定出的化合物的峰面積,計算出每種物質的含量,計算如公式(1)所示:

(1)

式中:ρi,化合物的質量濃度,ng/g;Ai和As,分別為化合物i的峰面積與內標物的峰面積;m樣,蝦干樣品的質量,g;ms,壬酸甲酯的質量,ng。

1.3.8 氣味活性值(odor activity value,OAV)

OAV定義為香氣成分在香氣體系中的濃度(C)與其氣味閾值(T)的比值[16],按公式(2)計算:

(2)

OAV≥1的化合物被確定為對蝦熱風干制品的氣味活性物質,OAV≥10的化合物可進一步定義為主體氣味活性物質[17]。

1.3.9 蝦干品質綜合評價模型的建立與綜合評分計算[18]

核心指標的篩選:為了確定熱風干制蝦干的最佳工藝參數的試驗目的,結合測定的蝦干指標,篩選出與蝦干品質相關的評價指標,分別為色澤(頭胸a*值、頭胸b*值、腹部a*值、腹部b*值)、揮發性成分(吡嗪類、醛類、胺類)、質構(硬度、咀嚼性)和菌落總數。

評價模型結構的構建:根據指標間的相互關系以及層次隸屬關系,構建目標層、準則層、指標層和方案層。其蝦干品質綜合評價模型結構圖如圖1所示。

圖1 熱風干燥凡納濱對蝦品質綜合評價模型結構圖

指標的原始數據無量綱化:由于各指標數據所代表的特性不一致,為消除不同量綱和數量級對品質評價的影響,需將各指標的原始數據進行無量綱處理。根據其特性確定理想值(x0),如a*值,b*值,吡嗪類、醛類、胺類的含量均為正指標,測定值越大越好;硬度、咀嚼性為中性指標,經專家意見和感官人員評分,確定85-19樣品的硬度和咀嚼性最佳。菌落總數為負指標,測定值越小越好。

根據極差標準化法,將各指標的原始數據進行無量綱處理,化成0-1的標準化數值。如公式(3)、公式(4)所示:

(3)

(4)

式中:Ai,歸一化后的值,min(x1)、max(x2)和x0分別為指標系列中最小值、最大值和理想值。

判斷矩陣的構造:為了判斷不同指標對綜合評價的重要性,需要確定各個指標的權重系數。根據數據分析、專家意見和感官人員的評分,對影響蝦干品質指標間的重要性進行定性評價,依據Saaty九標度法(表1)建立判斷矩陣,計算矩陣的最大特征向量λmax和各指標所對應的標準化特征向量,其標準化特征向量為各指標的權重系數。

表1 標度1-9的含義

檢驗判斷矩陣的一致性:根據公式(5)、公式(6)分別計算出一致性指標CI和一致性比率CR。

(5)

(6)

式中:n,矩陣的階數;RI,隨機一致性指標均值,其值如表2所示。

表2 RI值

當CR<0.1時,說明判斷矩陣通過一致性檢驗;當CR≥0.1時,說明矩陣不具有合理一致性。矩陣構建不合理,需再一次構造判斷矩陣,再進行檢驗。

蝦干品質綜合評分的計算:將歸一化的指標數據與對應的組合權重系數做內積,即可得到各樣品的綜合評分Yi,見公式(7):

(7)

式中:aij,各指標歸一化的數值;mj,各種指標aij對應的組合權重系數。

1.4 數據處理

除質構和色澤測定外,均作3次平行試驗,結果用平均值±標準差表示,使用SPSS 23.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗顯著性差異(P<0.05)。Origin 2017對實驗數據進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 熱風干燥對凡納濱對蝦蝦干色澤的影響

色澤是判斷蝦干品質和影響消費者選購的主要指標之一。優質蝦干的蝦殼呈紅白色,有光澤,蝦肉呈橙紅色。干燥初期,隨著蝦體溫度升高,蛋白質逐漸變性,與蛋白相結合的色素分子被釋放出來,蝦體呈現紅黃色[14]。如表3所示,隨著干燥的進行,蝦體的色澤發生了變化,當干燥溫度≥95 ℃,水分含量≤16%時,蝦干的頭胸部和腹部的a*、b*值顯著小于其他干燥條件。隨著干燥的進行,蝦體的蛋白質、氨基酸和脂質等物質逐漸發生了美拉德反應和脂質氧化反應等化學反應,造成類黑色素和脂質氧化聚合物的堆積,以及類胡蘿卜色素分子的氧化和異構化,引起了蝦體a*、b*值的下降。溫度的升高,水分含量的下降,都促進了反應的進行[19]。在干燥過程中,頭胸部和腹部的L*值變化不明顯。因此選取色澤作為熱風干燥凡納濱對蝦品質綜合評價模型的準則層,選取頭胸部和腹部的a*、b*值作為色澤的指標層。

表3 不同干燥條件凡納濱對蝦頭胸部與腹部的色澤變化

2.2 熱風干燥對凡納濱對蝦蝦干初始菌落總數的影響

干制品的菌落總數是評定產品安全性,預測產品可食性的重要指標。如圖2所示,蝦干初始菌落總數隨干燥溫度的升高而下降;當溫度從65升至85 ℃,初始菌落總數顯著下降,之后隨溫度上升,菌落總數雖下降但變化不顯著。當干燥溫度為65和75 ℃,隨著干燥時間增加,水分含量下降,蝦干菌落總數顯著下降;當干燥溫度為85、95、105 ℃,蝦干的菌落總數不會隨水分含量的下降而減少。熱加工過程中,樣品的菌落總數會隨溫度的升高,加熱時間的增加而減少,減少到一定程度后,數量趨于穩定。在干燥過程中,鮮蝦原始微生物群中脆弱或熱敏性的微生物先被殺滅,留下耐熱性較強的個體或芽孢,使滅菌后期菌落總數趨于穩定[20]。根據GB 10136—2015《食品安全國家標準 動物性水產制品》,即食水產制品的微生物限量為5×104CFU/g,所有樣品的初始菌落總數均小于限量,產品菌落總數指標合格。

圖2 熱風干燥對凡納濱對蝦初始菌落總數的影響

2.3 熱風干燥對凡納濱對蝦蝦干質構的影響

如圖3所示,熱風干燥過程中,蝦干的硬度和咀嚼性受干燥條件影響,隨著干燥溫度上升,烘干時間增加,水分含量減少而硬度和咀嚼性逐漸增大,其中105-13蝦干硬度和咀嚼性最大。當水分含量相同時,使用較高溫度干燥的蝦干的硬度和咀嚼性較大。因為烘箱干燥主要是利用對流傳熱,其傳熱速度慢,較高的烘干溫度,導致蝦干表面溫度上升較快,出現表面溫度較高,而內部溫度較低的現象;表面水分蒸發的速率大于水分從內部擴散到表面的速率,導致表面發生硬化現象[21]。優質蝦干應蝦肉緊密、柔韌、有嚼勁;干燥溫度較低,水分含量較高的蝦干,其硬度和咀嚼性較小,蝦肉不緊密且發黏;干燥溫度較高,水分含量較低的蝦干,因大量水分從肌纖維內部流出,使纖維之間黏結,蝦肉變硬,難以咀嚼。根據數據分析、文獻參考、專家意見和感官人員評分,確定85-19樣品的硬度和咀嚼性最佳。因此將質構指標的原始數據進行無量綱處理時,樣品的硬度與咀嚼性小于樣品85-19時,使用公式(3),反之使用公式(4)。

a-硬度;b-咀嚼性

2.4 熱風干燥對凡納濱對蝦蝦干揮發性成分的影響

氣味是評價食品質量的重要指標,也是消費者購買的重要判斷依據[22]。采用GC-MS分析蝦干揮發性化合物,以壬酸甲酯為內標物進行定量,計算出蝦干的氣味活性物質,其結果如圖4、電子增強出版附表1所示(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032293)。隨著干燥溫度的上升,水分含量的減少,蝦干揮發性成分含量和種類都上升,分別從232.79 ng/g、39種(65-25)增加到1 426.22 ng/g、58種(105-13)。升高溫度能夠促進美拉德反應和脂類氧化降解等反應的發生與進行。其中吡嗪類、醛類和胺類是3類含量變化最大的揮發性化合物,其含量分別從35.04、51.44、61.00 ng/g(65-25)增加到495.11、313.77、385.62 ng/g(105-13),增加了13.13、5.10和5.32倍,3者的總含量占揮發性成分總含量從68.83%上升到87.99%;同時吡嗪類和醛類化合物種類也變豐富,分別從8、7種增加到19,12種。其結果與HU等[3]研究凡納濱對蝦的干燥過程中吡嗪類、醛類和三甲胺變化一致。

圖4 不同干燥條件凡納濱對蝦揮發性成分含量

蝦干的氣味活性物質的數量和OAV隨著干燥溫度的上升,水分含量的減少,大幅度增加,分別從7種、90.47增加到17種、1 073.95。25種不同溫度、水分含量的蝦干樣品共篩選出24種氣味活性物質,其中吡嗪類4種、醛類10種、胺類1種、酮類2種、醇類3種、雜環類3種、含硫類1種。主體氣味活性物質(OAV≥10)共10種,分別為2-乙基-5-甲基吡嗪(堅果味)、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(烤香味、煙熏味)、2,5-二甲基吡嗪(堅果香、烤香味)、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪(烤香味)、三甲胺(青草味、腥味)、2-乙酰-1-吡咯啉(爆米花味)、1-辛烯-3-醇(蘑菇味)、苯甲醛(水果味、花香味)、辛醛(煮土豆味、油脂味)、戊醛(果香)。氣味活性物質的種類與文獻[15,23-24]研究結果相似。

吡嗪類化合物是蝦干制品中一種含量高、閾值低的揮發性化合物,通常呈現烘烤味、肉香味、堅果味等風味特征,對蝦干制品特征香氣的形成起至關重要的作用[25]。其主要來源于美拉德反應,在干燥過程中,先生成吡嗪的前體物α-氨基羰基化合物,再由2個α-氨基羰基化合物發生縮合反應,形成二氫吡嗪,然后二氫吡嗪可經非氧化或氧化2個途徑形成吡嗪[26]。醛類因閾值較低且含量較高,對蝦干制品的風味貢獻較大。苯甲醛、3-甲基丁醛和2-甲基丁醛是蝦干制品重要的氣味活性化合物,是經過苯丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸經Strecker降解反應生成,主要貢獻了花果香、青草味、烤土豆味。戊醛、辛醛等烷基醛主要貢獻果香和煮土豆味,是來源于不飽和脂肪酸熱氧化降解反應[27]。三甲胺被認為是水產品中刺激性氣味和腥味的主要來源,作為一種評價水產品新鮮度的指標。在熱加工中,其主要是由膽堿、甜菜堿、蛋氨酸或三甲胺氧化物的熱分解產生。

吡嗪類、醛類和胺類的含量、種類和OAV的占比遠高于其他揮發性物質,同時在加熱過程中這些化合物含量變化明顯,因此選取揮發性成分作為熱風干燥凡納濱對蝦品質綜合評價模型的準則層,選取吡嗪類、醛類和胺類作為揮發性成分的指標層。

2.5 基于層次分析法確定各指標權重系數

根據Saaty九標度法構建判斷矩陣,共構建了1個準則層和4個指標層的判斷矩陣,然后計算各指標的權重系數、λmax、和CR(表4),檢驗判斷矩陣的一致性。其中所有CR<0.1,表明所有的判斷矩陣都通過一致性檢驗。根據準則層和指標層的權重系數及關系,算出各指標的權重系數,結果如表5所示。吡嗪類權重系數最大,醛類、硬度和咀嚼性次之。吡嗪類和醛類是蝦干的特征香氣,蝦干理化與衛生指標相同,可能存在香氣特征有差異明顯現象,從而導致產品流通過程的質量問題投訴事件頻發,因此蝦香味作為蝦干的客觀評價重要指標無可替代[28]。

表4 判斷矩陣與一致性檢驗結果

表5 各指標的權重系數

2.6 蝦干品質綜合評分

根據綜合評分Yi(公式7)的計算方式,得出熱風干燥凡納濱對蝦的綜合評分,結果如表6所示。其中85-19的綜合評分最高,為0.711 1分,105-22、85-13、85-16次之。此時蝦干色澤均勻,為紅黃色;蝦肉緊密,柔韌,有嚼勁;蝦香味濃郁;微生物指標合格;是一種品質優良的蝦干。

表6 熱風干燥凡納濱對蝦的綜合評分

3 結論

在熱風溫度65～105 ℃條件進行干燥,使蝦干最終水分含量為13%～25%,其硬度、咀嚼性與揮發性成分含量、種類和OAV等指標隨著干燥溫度上升,烘干時間增加,水分含量減少而逐漸增大,初始菌落總數反之。層次分析法共構建1個準則層和4個指標層的判斷矩陣,所有的判斷矩陣均通過一致性檢驗。最終蝦干綜合評分最高的工藝為:干燥溫度85 ℃、蝦干水分含量19%。在該條件下,得到一種色澤為紅黃色,蝦肉緊密、柔韌、有嚼勁,蝦香味濃郁,微生物指標合格,品質優良的蝦干。層次分析法的構建與運用,為評價蝦干品質和確定生產工藝提供一種質量評價方法。