不同干燥方法對南美白對蝦理化特性和微觀結構的影響

林雅文，劉佳晨，李艾靑，高 月，勵建榮，李學鵬,2,*

（1.渤海大學食品科學與工程學院，生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧 錦州 121013；2.大連工業大學 海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心，遼寧 大連 116034）

南美白對蝦（Penaeus vannamei）又名為凡納濱對蝦，是目前養殖產量最高的蝦品種之一。由于南美白對蝦比其他對蝦具有更快的生長速度、更強的耐病性和生存能力以及更高的經濟價值[1]，其已成為目前產量最高的對蝦。我國是世界上最大的南美白對蝦養殖國，截至2020年，我國南美白對蝦產量已經達到119.77萬 t，占我國海水養殖蝦總產量的80%[2]。南美白對蝦鮮香肥美，不僅具有豐富的蛋白質、氨基酸和其他重要營養物質，還是藥食同源物料，具有一定的食療價值，經常食用可幫助人們提高免疫力、保護心血管系統、增強體質等[3]，已逐漸成為國際漁業中的代表性資源。但因鮮蝦的含水量較高，易發生腐敗變質，嚴重影響其貯藏期[4]。目前，對蝦產品以冷凍產品為主，常利用低溫貯藏保鮮技術如冷藏、冰溫、微凍和凍藏等延長對蝦產品貨架期[5]，但冷凍通常能耗高，且長時間冷凍會導致對蝦品質劣變。目前水產品干燥脫水已成為食品加工業的重要組成部分。

干燥可將物料中的水分含量降低到足夠低的水平，以防止微生物生長，并減緩可能導致食品變質的酶促反應和其他生物反應。目前，常用于水產品的干燥方式主要有太陽能干燥[6]、熱風干燥（hot air drying，HAD）[7]、微波干燥[8]、真空冷凍干燥（vacuum freeze drying，VFD）[9]和熱泵干燥[10]等。郭雪霞等[11]研究了自然晾曬、HAD、太陽能干燥和VFD下南美白對蝦水分活度、質構、色澤、收縮率、復水率、能耗和基本營養成分的變化，發現53 ℃、7 m/s的太陽能干燥最適合南美白對蝦。王雅嬌[12]比較了HAD、太陽能熱風干燥和自然晾曬干燥南美白對蝦的干燥特性和品質，發現太陽能熱風干燥較適宜南美白對蝦。Li Deyang等[13]研究了不同干燥工藝對南美白對蝦脂肪變質和色澤特性的影響，發現冷凍干燥能更好地保持南美白對蝦的品質和色澤。中短波紅外干燥（medium-short wave infrared drying，MSWID）是一種能直接穿透物料，通過分子振動將輻射能轉化為熱能的紅外輻射干燥技術。其輻射波長為0.75～4.00 μm，與水的吸收波長（2.7～3.3 μm）相匹配，可以引起物料中水分子的劇烈振動，加速物料內部水分遷移，從而實現物料的快速干燥[14]。Moon等[15]利用MSWID和HAD兩種方法，比較在不同溫度下其對海參干燥特性和品質的影響。結果表明，MSWID的海參形態、顏色和結構特征都明顯優于HAD。MSWID具有熱能損失小、加熱效率高和節能環保等優點[16]，已成功應用于當歸[17]、白參[18]、紅薯[19]、稻米[20]、獼猴桃[21]、黃花菜[22]等產品的干燥加工。目前MSWID在南美白對蝦加工中的研究較少，不同溫度下MSWID和HAD對南美白對蝦干燥的影響尚鮮見報道。

本實驗以南美白對蝦為研究對象，利用MSWID和HAD技術研究不同干燥方法對南美白對蝦干燥特性、理化特性和微觀結構的影響，以期為南美白對蝦干燥技術的應用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冷凍南美白對蝦（（2 4.1 3±1.5 6）g、（13.56±0.20）cm）購自遼寧省錦州市某水產市場。

無水乙醇 天津市富宇精細化工有限公司；磷酸二氫鈉 上海凜恩科技發展有限公司；磷酸氫二鈉上海麥克林生化科技有限公司；戊二醛、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydracyl，DPPH）北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

X3-233A微波爐 廣東美的廚房電器制造有限公司；2100620型中短波紅外干燥箱 蘇州高鵬自動化設備有限公司；FX 101-0型電熱鼓風干燥箱 上海樹立儀器儀表有限公司；A590型紫外-可見分光光度計翱藝儀器（上海）有限公司；CR-400色差計 柯尼卡美能達（中國）投資有限公司；JSM-IT200型掃描電子顯微鏡捷歐路（北京）科貿有限公司；Biofuge Stratos型冷凍高速離心機 德國賀利氏公司；XHF-DY高速分散器寧波新芝生物科技股份有限公司；Universal TA質構儀上海騰拔儀器科技有限公司；NMI20-040V-I型低場核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）分析儀蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；DXRxi型顯微拉曼成像光譜儀 美國賽默飛世爾科技公司；zz-tp001精密電子天平 永康市戎睿商貿有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品熟化預處理

選擇體型完整、大小均勻一致的帶殼冷凍南美白對蝦于實驗前取出放入4 ℃冰箱中緩化1 h，將對蝦放入微波爐中進行熟化，微波功率為500 W，時間3 min，吸去微波熟化蝦表面水分，并自然冷卻到室溫備用。按照GB 5009.3-2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定方法》[23]中直接干燥法測定南美白對蝦初始水分含量及干物質質量。

1.3.2 南美白對蝦干燥及實驗參數

將熟化后的南美白對蝦進行MSWID，以HAD為對照組，設置MSWID溫度為50、60、70 ℃，功率1 125 W，輻射距離10 cm；HAD溫度為50、60、70 ℃。將試樣分別平鋪于中短波紅外干燥箱和熱風干燥箱的烘盤內，每1 h取出稱質量[24]，直至南美白對蝦水分含量為0.2 g/g（以干質量計，下同）為止[24]。水分含量按公式（1）計算。

式中：ωt為干燥至t時刻水分含量/（g/g）；mt為干燥至t時刻南美白對蝦總質量/g；m0為干物質質量/g。

1.3.3 色澤測定

選取不同干燥條件下的南美白對蝦第2、第3腹節進行色澤檢測，使用色差計，依據CIELAB表色系統對南美白對蝦的亮度（L*值）、紅綠度（a*值）、黃藍度（b*值）進行測定[25]。

1.3.4 質構特性測定

分別取不同方式干燥的南美白對蝦去殼，采用TA-XT-PLUS質構儀對其硬度、彈性、膠著性和咀嚼性進行測定。參數設置：選用P/0.5柱形探頭，測前速率1.0 mm/s，測試中速率1.0 mm/s，測后速率1.0 mm/s，壓縮比50%，間隔時間5.0 s[10]。

1.3.5 水分分布測定

MRI可對南美白對蝦氫質子密度成像進行分析。將熟化和干燥后的南美白對蝦置于射頻線圈中心，在32 ℃條件下進行成像實驗，獲得MRI圖像[26]。主要參數：FOVRead＝100 mm，FOVPhase＝100 mm，TR＝1 500 ms，TE＝9.415 ms，RFA90＝4.0%，RFA180＝6.3%，Averages＝8。

1.3.6 蝦青素含量的測定

參考張旭飛等[27]的方法略有改動。稱取2 g樣品，按料液比1∶7加入無水乙醇并置于50 mL離心管中，調整轉速為5 000 r/min，勻漿時間1 min，混合均勻后再40 ℃水浴搖床浸提2 h，于4 ℃、8 000 r/min下離心5 min，收集上清液，將沉淀按上述方法重復提取3 次直至無色，合并3 次上清液。為保證蝦青素不被分解破壞，提取過程全程溫度控制在4 ℃左右，將混勻后的上清液置于棕色玻璃瓶中，在472 nm波長處測定其吸光度，實驗重復3 次。

蝦青素標準曲線的繪制參考談佳玉[28]的方法略作改動。準確稱取一定量的蝦青素標準品，用無水乙醇溶解成2～12 μg/mL的蝦青素標準品乙醇溶液，在472 nm波長處測定其吸光度，通過繪制質量濃度與吸光度標準曲線得到回歸方程（y＝0.096x＋0.119 9；R2＝0.999 1），計算蝦青素含量。

1.3.7 抗氧化能力的測定

參考Xie Zhengjun等[29]的方法并稍作修改。DPPH溶液的配制：稱取0.002 g DPPH溶于50 mL無水乙醇中，避光保存。將3.0 mL蝦青素提取液置于離心管中，加入3.0 mL DPPH溶液，室溫下避光反應30 min，以無水乙醇進行調零，在517 nm波長處測定吸光度，實驗重復3 次。DPPH自由基清除率按公式（2）計算。

式中：A0為3.0 mL無水乙醇＋3.0 mL DPPH的吸光度；As為3.0 mL樣品溶液＋3.0 mL DPPH的吸光度；Ac為3.0 mL樣品溶液＋3.0 mL無水乙醇的吸光度。

1.3.8 微觀結構觀察

參考葉韜等[30]的方法略有改動。分別將熟化、干燥后的南美白對蝦剔除頭部和外殼，取其第3腹節，切成薄片，于2.5%（體積分數，下同）戊二醛溶液中浸泡24 h，再使用0.1 mol/L、pH 6.8的磷酸鹽緩沖液漂洗4 次，每次10 min，然后依次利用體積分數為50%、70%、80%和90%的乙醇溶液各沖洗40 min，最后使用無水乙醇沖洗3 次，脫水，冷凍干燥15 h后采用真空離子濺射儀噴金，利用掃描電子顯微鏡觀察其微觀結構，加速電壓為15 kV。

1.3.9 蛋白質二級結構測定

參考高瑞昌等[31]的方法略有改動。分別取熟化、干燥后南美白對蝦第3腹節于載玻片上，使用DXRxi型顯微拉曼成像光譜儀進行掃描。每個樣品測定3 次，計算南美白對蝦蛋白質二級結構的相對含量。

1.4 數據處理與分析

本實驗數據采用Excel 2007軟件進行處理，采用Origin 8.5軟件繪圖，使用SPSS Statistics 26軟件分析數據，采用單因素方差分析（one-way ANOVA），基于Duncan檢驗進行顯著性比較（P＜0.05），所有實驗平行測定3 次。實驗結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同干燥條件對南美白對蝦水分含量的影響

依據GB 5009.3-2016測得南美白對蝦初始水分含量為（2.82±0.04）g/g，熟化后南美白對蝦水分含量為（2.14±0.04）g/g。如圖1所示，隨著干燥時間的延長，南美白對蝦水分含量呈現降低的趨勢。隨著溫度的升高（50、60、70 ℃），南美白對蝦的干燥時間縮短（HAD時間分別為16、14、12 h；MSWID時間分別為15、13、10 h）；相同干燥溫度下，相比于HAD，MSWID時間分別縮短了6.25%、7.14%和16.67%。南美白對蝦的干燥過程為降速干燥，在干燥初期，南美白對蝦表面的自由水含量較高，隨著干燥的進行，自由水逐漸蒸發，溫度越高，自由水蒸發的速率越快。干燥后期，由于結合水與細胞壁和毛細管壁的結合能力較強，不易被干燥除去，水分含量降低速度緩慢，脫水能力減慢。且干燥后期南美白對蝦表面結殼，阻礙水分蒸發，所以干燥困難。相同干燥溫度下紅外射線穿透能力更強，物料內部產熱更快，短時間可使內物料的溫度梯度降低，水分遷移加速，而HAD僅能通過熱效應帶走物料表面的水分[32]，因此MSWID的干燥效果明顯強于HAD。Moon等[33]在對海參的干燥中也發現了類似的結果，即MSWID比HAD更省時。

圖1 不同干燥條件對南美白對蝦水分含量和干燥時間的影響Fig.1 Effects of different drying conditions on moisture content and drying time of P.vannamei

2.2 不同干燥條件對南美白對蝦色澤的影響

色澤被認為是南美白對蝦最重要的感官屬性之一，如表1所示，與熟化后南美白對蝦相比，干燥后的南美白對蝦L*值均顯著降低（P＜0.05），色澤變暗。在MSWID過程中，L*值隨著干燥溫度的升高逐漸升高；在HAD過程中，L*值隨著干燥溫度的升高而逐漸降低。在MSWID中隨著溫度的升高，b*值逐漸升高，這可能是因為隨著干燥溫度的升高，干燥時間縮短，蝦青素發生降解的過程變短，發生異構化的蝦青素減少，游離的蝦青素含量升高，導致b*值升高。本研究結果與Murali等[7]研究發現干燥后蝦的顏色變深類似，干燥過程中釋放的蝦青素產生褐變反應生成黃色色素，因此干燥后的蝦比熟化后顏色更鮮艷。

表1 不同干燥條件對南美白對蝦色澤的影響Table 1 Effects of different drying conditions on the color of P.vannamei

2.3 不同干燥條件對南美白對蝦質構特性的影響

質構是影響水產品品質的重要指標之一，常用來表征食品的組織狀態、結構等。如表2所示，干燥后南美白對蝦的質構指標除彈性外均明顯提高，這是因為干燥使南美白對蝦水分含量減少，蛋白質的網絡結構被破壞，隨著干燥溫度的升高，干燥過程失水迅速，肌纖維發生皺縮，使南美白對蝦硬度增大。干燥溫度對彈性的影響較小（P＞0.05）。中短波紅外輻射能量直接作用于南美白對蝦內部，使其組織結構膨脹并產生微孔結構，從而使其硬度低于相同溫度條件下的HAD對蝦。李文盛等[34]也報道由于HAD時間較長，表面硬化導致南美白對蝦硬度提高，本實驗結果與之一致。

表2 不同干燥條件對南美白對蝦質構特性的影響Table 2 Effects of different drying methods on texture characteristics of P.vannamei

2.4 相關性分析

采用Pearson雙尾檢驗對不同干燥方式處理下南美白對蝦的色澤和質構特性進行相關性分析。如圖2所示，不同干燥方式南美白對蝦色澤和質構指標之間無顯著相關性（P＞0.05）。由表1、2可以看出，L*、b*值與硬度、膠著性、咀嚼性在MSWID組呈正相關，而在HAD組則呈負相關，說明不同干燥方式對色澤與質構的影響不同。這是因為不同干燥方式對蝦體內的蝦青素降解程度不同，導致其顏色變化也不同。干燥過程破壞南美白對蝦的微觀結構，從而導致肌肉硬度增加，硬度高的產品膠著性與咀嚼性也較高，而咀嚼性的適當增加有利于形成良好的口感。

圖2 不同干燥條件下南美白對蝦色澤和質構特性的相關系數熱圖Fig.2 Heatmap showing correlation coefficients between color and texture characteristics of P.vannamei under different drying conditions

2.5 不同干燥條件對南美白對蝦中水分分布的影響

在食品科學領域，MRI已經被證明是研究水分分布的有效方法，其可根據不同位置氫質子共振頻率的不同，獲得不同的磁共振信號強度，并將其通過空間編碼技術轉變成圖像，進而研究樣品內水分分布情況以及加工過程中的結構變化[35]。MRI圖像不僅能展示南美白對蝦的形態學特征，還能表征其體內水分含量。由圖3可知，隨著干燥的進行，蝦干在兩種干燥方式下MRI圖像的亮度均逐漸降低，表明其內部的水分含量逐漸減少。因為蝦肉厚度不一，蝦尾部的水分含量明顯比腹部降低得快，后期水分信號的分布明顯集中在腹部。在同一時間，同一干燥方式下，干燥溫度越高，水分信號消失的越迅速，即干燥速率越快；在同一時間，MSWID組明顯比HAD組水分信號消失更迅速，即干燥更快。干燥至7 h時MRI圖像中水分信號逐漸消失。這與Cheng Shasha等[26]對白蝦干燥過程中水分含量的動態變化研究結果相似，即MRI的信號強度與樣品的水分含量成正比。橫截面中較亮區域的面積隨著干燥時間的延長而持續減小，圖像較亮區域從周邊到中心均勻減小，表明在干燥過程中南美白對蝦水分含量由外向內逐漸降低。由于中短波紅外輻射能量可直接穿透至蝦干內部，使內能轉化為熱能，內外同時作用，避免了因媒介產生的能量損失，所以MSWID組圖像的水分子信號比HAD組更加均勻。

2.6 不同干燥條件對南美白對蝦蝦青素含量的影響

蝦青素是一種抗氧化性極強的類胡蘿卜素，為甲殼類動物中的主要色素，具有抗氧化、抗衰老、抗腫瘤、改善視力和預防心腦血管疾病的作用[36]。由圖4可知，對比熟化后的樣品，經干燥后的南美白對蝦蝦青素含量降低。兩種干燥方式下蝦青素均發生一定程度的降解，且50、60 ℃干燥條件下的蝦青素含量存在顯著性差異（P＜0.05），60、70 ℃干燥條件下的蝦青素含量差異性不顯著（P＞0.05）。隨著溫度的升高，其對蝦青素的影響減小。蝦青素受熱極易發生降解，干燥溫度和時間是影響熱降解的兩個主要因素。宋素梅[37]以不同溫度貯藏南極磷蝦并提取蝦殼中的蝦青素，發現蝦青素保留率隨著溫度的升高而降低，且在蝦青素提取過程中以不同溫度進行皂化，結果顯示溫度越高，游離蝦青素含量越低。相同條件下干燥后MSWID組比HAD組蝦青素含量更低，可能是由于受輻射影響導致更多蝦青素被降解，Yagiz等[38]也發現大西洋鮭魚的蝦青素含量隨輻射強度的增加而降低。

圖4 不同干燥條件對南美白對蝦蝦青素含量的影響Fig.4 Effects of different drying conditions on astaxanthin content of P.vannamei

2.7 不同干燥條件對南美白對蝦抗氧化能力的影響

如圖5所示，溫度對南美白對蝦DPPH自由基清除率具有顯著性影響（P＜0.05）。50、60、70 ℃下HAD組和MSWID組蝦干的DPPH自由基清除率分別為56.8%、68.9%、64.8%和35.2%、36.5%、32.0%，同一溫度下MSWID組蝦干的DPPH自由基清除率顯著低于HAD組（P＜0.05），HAD處理組南美白對蝦的抗氧化能力與蝦青素含量的變化趨勢類似，這是由于在干燥過程中蝦青素易受溫度、光照等因素的影響發生熱降解，使其抗氧化能力發生相應變化[27]。而MSWID處理組南美白對蝦的抗氧化能力與蝦青素含量的變化趨勢相反，這可能是由于紅外輻射的干燥過程中蝦青素產生異構化，其生成的順式異構體的抗氧化能力比全反式異構體高，導致抗氧化能力與蝦青素含量的變化趨勢相反，這與Zhao Liyan等[39]的研究結果類似。

圖5 不同干燥條件對南美白對蝦DPPH自由基清除率的影響Fig.5 Effects of different drying conditions on DPPH free radical scavenging activity of P.vannamei

2.8 不同干燥條件對南美白對蝦肌肉組織結構的影響

如圖6所示，不同干燥條件下南美白對蝦肌肉的微觀結構圖像有明顯差異。熟化后南美白對蝦肌纖維排列整齊緊密，結構完整，肌肉紋理清晰，表面光滑緊密；干燥后蝦干的肌纖維失去了完整性，肌纖維結構出現斷裂、收縮，肌纖維間的空隙變大，整體空間結構不再致密。比較兩種干燥方式下南美白對蝦的微觀結構可以發現，在同一溫度下，MSWID組蝦干的微觀結構沒有HAD組緊密，且隨著溫度的升高，兩種干燥方式下蝦干肌纖維變形、斷裂和坍塌的現象均更嚴重。MSWID組蝦干肌纖維組織結構疏松，具有均勻的多孔結構，而HAD組溝壑更嚴重。這是因為隨著干燥溫度的升高，南美白對蝦細胞的組織結構被破壞，導致細胞坍塌。MSWID內外熱能共同干燥，干燥初期水分擴散速率遠小于干燥速率，隨著溫度的升高以及水分的快速蒸發，細小通道逐漸變大，蛋白質結構被破壞，形成多孔結構。相比于MSWID，HAD盡管也會出現細小的空洞，但水分遷移速率較慢，故產生的溝壑通道較小，干燥耗時較長。綜上，干燥使蝦干的微觀結構發生變化，蝦體發生皺縮，從而使其品質發生改變，同時，干燥使蝦干的肌纖維空隙變大，從而增加了水分的遷移速率，并提高了干燥速率，從而減少了干燥時間。這與謝小雷等[40]報道的干燥會破壞肌纖維的完整性，使肌束收縮、肌束間縫隙變大，從而導致致密結構喪失的結果一致。

圖6 不同干燥條件對南美白對蝦肌肉微觀結構的影響（500×）Fig.6 Effects of different drying conditions on microstructure of P.vannamei muscle (500 ×)

2.9 不同干燥條件對南美白對蝦蛋白質二級結構的影響

由圖7可知，熟化南美白對蝦經干燥后蛋白質α-螺旋的相對含量升高，β-折疊的相對含量減少，β-轉角和無規卷曲的相對含量基本不變，其中MSWID-70 ℃和HAD-70 ℃南美白對蝦蛋白質二級結構相對含量與熟化南美白對蝦基本一致。隨著MSWID和HAD溫度升高，南美白對蝦α-螺旋的相對含量呈先升高后降低的趨勢，β-折疊的相對含量呈先降低后升高的趨勢。干燥后α-螺旋相對含量的增加可能是因為干燥處理使得分子內氫鍵作用增強，導致蛋白質分子排列更加有序。Herrero等[41]認為β-折疊相對含量的增加可增強蛋白質的熱穩定性。干燥溫度越高，南美白對蝦蛋白質的熱穩定性越好。比較兩種干燥方式對南美白對蝦蛋白質二級結構的影響，發現MSWID對蛋白質二級結構的影響小于HAD，其α-螺旋和β-折疊相對含量的變化量相對較小，可能是由于MSWID時間短于HAD，分子間氫鍵增強作用有限[42]。

圖7 不同干燥條件對南美白對蝦蛋白質二級結構的影響Fig.7 Effects of different drying conditions on secondary structure of proteins in P.vannamei

3 結論

本實驗研究了MSWID和HAD對南美白對蝦干燥特性、色澤、質地、水分分布、蝦青素含量、抗氧化能力、蛋白質二級結構和微觀結構的影響。發現隨著干燥的進行，南美白對蝦水分含量及干燥速率逐漸降低。由于HAD時間長，其干燥后南美白對蝦硬度更高且色澤較MSWID組更暗。通過MRI圖像可知，隨著干燥的進行，南美白對蝦的水分信號從表面到內部區域逐漸減小直至消失，同一溫度下，MSWID比HAD組水分信號消失更快。干燥使蝦干的微觀結構發生變化，蝦體皺縮，MSWID組蝦干肌纖維組織結構疏松，具有均勻的多孔結構，而HAD組溝壑更嚴重，MSWID的多孔結構增強了水分的遷移速率，加快了干燥進程。相比于HAD，MSWID組南美白對蝦蛋白質二級結構中的α-螺旋和β-折疊相對含量的變化較小，蝦青素降解較多。

綜上所述，兩種方式比較而言，MSWID的干燥速率較快，干燥品質較好，能更好地對南美白對蝦進行干燥。MSWID作為一種新型干燥技術可以提高南美白對蝦的干制效率，但還需要從營養成分、風味成分和節能減排等多維度進行研究，進一步提高MSWID技術在南美白對蝦干制中的應用價值。