溫度波動對凍藏南美白對蝦品質的影響

孫志利,張潔玲,陳小寶,陳蘭,候思聰,任彤,焦峰,梁迪,李金濤

(天津商業大學 機械工程學院,天津,300400)

南美白對蝦,又名凡納濱對蝦,由于其生長發育快、環境適應性和病毒抵御性強、且營養美味,現已成為全球最重要的水產養殖對蝦物種之一[1]。南美白對蝦在貯藏過程中很容易受到外部環境以及內部微生物的影響而產生生化降解,導致腐敗變質[2]。為了抑制其腐敗變質的速度,人們多采用冷凍的方法進行貯藏[3]。但由于凍藏期間溫度波動的存在,會引起細胞內小冰晶的減少、消失和大冰晶的生長,以及細胞汁液的濃縮,進而引起細胞機械受損以及蛋白質和脂肪的變性,加速肉的腐敗,降低其可食性[4]。

司徒慧媛等[5]研究發現冷鏈流通過程中,金鯧魚因溫度波動而存在潛在的質量安全風險。崔昊昕等[4]研究了-3.5 ℃微凍情況下溫度波動對豬肉和鮭魚質量的影響,發現溫度波動會導致肌肉結構完整性的破壞,加速食品的腐敗變質。溫度波動對凍品的品質控制很重要,研究也很多,但是大多集中在冷鏈流通過程中溫度變化對凍品品質的影響,以及微凍貯藏時溫度波動對凍品品質的影響,關于溫度波動對冷凍貯藏凍品品質影響的研究較少[6]。因此,本研究將南美白對蝦置于-18 ℃的冷柜中,并給冷柜設置不同的溫度波動(±0.5、±2、±4、±6、±8 ℃),探究不同溫度波動對凍藏南美白對蝦揮發性鹽基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)值、硫代巴比妥酸反應物(thiobarbituric acid reactive substance,TBARS)值、L*值、硬度、彈性、咀嚼性等指標的影響[7],并與-40 ℃條件下的凍藏結果做對比。研究結果為降低低溫貯藏設備中的溫度波動提供理論依據,以減少蝦類制品的冷凍損失。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

南美白對蝦購買自天津市北辰區天利水產批發配送中心,選取新鮮、蝦體長度(15.00±0.62) cm,質量(28.35±1.06) g的南美白對蝦,30 min內運送到試驗室,用冰水猝死。

試驗所用試劑：氧化鎂、甲基紅指示劑、溴甲酚綠指示劑、乙醇,網化(山東)化學科技有限公司;丙二醛、三氯乙酸、乙二胺四乙酸二鈉,天津卓越創鑫科技有限公司;硼酸、鹽酸、硫代巴比妥酸,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

UDK159全自動凱氏定氮儀,意大利VELP公司;AH100B高壓納米均質機,上海ATS ENGINEERING INC公司;Thermo Evolution 201紫外可見分光光度計,美國Thermo Scientific公司;SPX-100B-D型振蕩培養箱,上海博迅實業有限公司醫療設備廠;JC-SY型數顯恒溫水浴鍋,上海成順儀器儀表有限公司;Ultrascan PRO臺式分光光度計,美國Hunterlab公司;TA-XT plus物性測試儀,英國Stable Micro System公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗設計

本實驗設計了5個溫度波動組和1個對照組,不同溫度波動組冷柜的溫度分別為(-18±0.5)、(-18±2)、(-18±4)、(-18±6)、(-18±8) ℃,對照組冷柜溫度為-40 ℃。每組冷柜中的樣品又都以南美白對蝦全蝦和南美白對蝦蝦仁2種方式凍藏。

將猝死后的南美白對蝦隨機分為2組,其中一組帶殼,另一組去掉頭部、尾部、蝦線和蝦殼制成蝦仁,用預冷蒸餾水沖洗干凈后,置于真空包裝袋中抽真空并在速凍機中速凍處理到-18 ℃。之后把南美白對蝦全蝦和蝦仁分別凍藏在不同溫度波動組的冷柜中,冷凍貯藏總時長120 d,以30 d為1周期,定期取出南美白對蝦樣品放到4 ℃冰箱中解凍,解凍時長為12 h[8],而后測定不同溫度波動組和對照組中全蝦和蝦仁的各物化指標。

其中不同溫度波動組的冷柜通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)實現對冷柜溫度波動的控制[8]。在凍藏過程中,用PT 100熱電阻對冷柜溫度進行實時記錄,冷柜的溫度波動監測結果如圖1所示。可以看出溫度波動幅度與波動頻率的關系,其中(-18±0.5) ℃組溫度波動頻率為10 min/次,(-18±2) ℃組溫度波動頻率為17 min/次,(-18±4) ℃組溫度波動頻率為28 min/次,(-18±6) ℃組溫度波動頻率為42 min/次,(-18±8) ℃組溫度波動頻率為53 min/次[6]。

a-(-18±0.5) ℃組;b-(-18±2) ℃組;c-(-18±4) ℃組;d-(-18±6) ℃組;e-(-18±8) ℃組圖1 不同冷柜溫度波動情況監測圖

1.3.2 TVB-N的測定

將不同試驗組凍藏的南美白對蝦取出,在4 ℃冰箱中解凍12 h后去除蝦頭、蝦尾、蝦線、蝦殼(蝦仁狀態凍藏的南美白對蝦無需處理)并絞碎攪勻。之后按照GB 5009.228—2016 《食品安全國家標準 食品中揮發性鹽基氮的測定》中的自動凱氏定氮儀法測定凍藏樣品的TVB-N值[9]。每組測試5個平行樣品,取平均值。

1.3.3 TBARS值的測定

將不同試驗組凍藏的南美白對蝦取出,在4 ℃冰箱中解凍12 h后去除蝦頭、蝦尾、蝦線、蝦殼(蝦仁狀態凍藏的南美白對蝦無需處理)并絞碎攪勻。之后按照GB 5009.181—2016 《食品安全國家標準 食品中丙二醛的測定》中的分光光度法測定凍藏樣品的丙二醛(malondialdehyde,MDA)質量分數。TBARS值用丙二醛質量分數表示[10]。每組測試5個平行樣品,取平均值。

1.3.4L*值的測定

采用分光光度計測定南美白對蝦的明度值(L*值)。先放置白板和光阱在臺式分光光度儀的反射口校色,之后用樣品夾將被測蝦肉樣品固定在反射口進行測量,樣品測量過程中要保證樣品將反射口完全覆蓋。每組測試5個平行樣品,并取其平均值。

1.3.5 硬度、彈性、咀嚼性的測定

南美白對蝦樣品的硬度、彈性、咀嚼性等質構特性采用TA-XT plus質構分析儀來測定[11]。以蝦肉樣品腹部靠近頭部第二節為測試點,采用刀具為P 0.5,選取全質構分析(texture profile analysis,TPA)模式測定南美白對蝦的各質構指標。測試參數：測試前速率3 mm/s,測試速率1 mm/s,測試后速率1 mm/s,壓縮程度30%,停留隔時間5 s,參考王強等[12]的方法并做修改。每組測試5個平行樣品,并取其平均值。

2 結果與分析

2.1 南美白對蝦TVB-N值變化

TVB-N是水產品中蛋白質分解的產物,是判斷水產品新鮮程度的一個重要指標[13]。根據GB 2733—2015 《食品安全國家標準 鮮、凍動物性水產品》規定[14],海水魚蝦TVB-N值以30 mg/100 g為初步腐敗的界限標準。

在不同工況下凍藏120 d的南美白對蝦TVB-N值變化如圖2所示,其中每組測試的5個樣品的標準偏差(standard deviation,SD)≤0.27 mg/100 g。新鮮南美白對蝦的TVB-N值為4.95 mg/100 g,與屈彤彤等[15]的研究結果相近。隨著時間延長,不同溫度波動組的TVB-N值都緩慢增加。全蝦組在不同溫度波動的冷柜中凍藏至第120天時,(-18±0.5)、(-18±2)、(-18±4)、(-18±6)、(-18±8) ℃組TVB-N值分別增長到16.89、18.44、21.74、25.86、32.01 mg/100 g,-40 ℃對照組增長到15.16 mg/100 g,最小溫度波動組(-18±0.5) ℃組的TVB-N值最接近對照組-40 ℃。估算全蝦組TVB-N值在(-18±8) ℃下凍藏至第108天時超過國標規定的初步腐敗界限30 mg/100 g,已經不可食用。蝦仁組在(-18±8) ℃下貯藏第120天時升高至25.95 mg/100 g,并未超過國標規定的合格水平,且蝦仁組總體TVB-N值普遍低于全蝦組。

a-全蝦組;b-蝦仁組圖2 120 d內南美白對蝦TVB-N值變化

溫度波動幅度越大,TVB-N值增長越快,這一方面是由于較大的溫度波動導致生成更大的冰晶,加劇了細胞汁液的濃縮,引起蛋白質更為嚴重的變性;另一方面可能是因為溫度波動的增大加速了氧化酶等氧化因子的產生,提高了蝦肉蛋白的分解速度,不利于凍藏蝦肉肉質的保持[16]。蝦仁組TVB-N值較小主要是因為全蝦頭部含有腸胃、生殖腺等器官,氧化酶和微生物含量較多,促進了蛋白質的分解,因而TVB-N值相對較大[17]。

2.2 南美白對蝦TBARS值變化

南美白對蝦體內的脂肪大多是由人體所必需的不飽和脂肪和脂肪酸組成的,其在凍藏過程中極易氧化酸敗從而導致蝦肉的腐敗變質。脂肪氧化后的產物可以和硫代巴比妥酸[18](thiobarbituric acid method,TBA)反應生成TBARS,因此TBARS值能夠直觀地反映脂肪氧化程度[19]。

120 d內TBARS值變化如圖3所示,其中每組測試的5個樣品的SD≤0.009 3 mg MDA/kg。新鮮的蝦TBARS值為0.12 mg MDA/kg,隨著時間延長,不同溫度波動組南美白對蝦的TBARS值都逐漸增大。全蝦組凍藏120 d后,(-18±0.5)、(-18±2)、(-18±4)、(-18±6)、(-18±8) ℃組TBARS值分別上升至0.72、0.75、0.82、0.87、1.06 mg MDA/kg,-40 ℃對照組增長至0.7 mg MDA/kg。蝦仁組凍藏120 d后TBARS值分別上升至0.68、0.79、0.81、0.82、1.02 mg MDA/kg,-40 ℃對照組增長至0.62 mg MDA/kg。

a-全蝦組;b-蝦仁組圖3 120 d內南美白對蝦TBARS值變化

顯然,對于全蝦組和蝦仁組,溫度波動越大,TBARS值增長越明顯,且(-18±0.5) ℃組TBARS值更接近-40 ℃對照組。一方面是因為溫度波動幅度增大會導致細胞內生成更大的冰結晶,冰結晶產生的壓力會導致更多的脂肪酸轉移到細胞表面,與空氣接觸而發生氧化。另一方面是因為更大的冰晶會造成細胞更嚴重的機械損傷,細胞內部釋放出的氧化酶增多,加劇了脂質的氧化。且TBARS值的變化趨勢與TVB-N值的變化趨勢相吻合,這是因為脂肪氧化產生的酮、醛等物質會促進蛋白質變性。

2.3 南美白對蝦L*值變化

色差是比較直觀地反映南美白對蝦凍藏品質的感官指標,色差總是以(試樣-標樣)的值來計算。L*為0代表黑,L*為100代表白,如果ΔL*為正,代表試樣比標樣淺,如果ΔL*為負,代表試樣比標樣深。

120 d內L*值變化如圖4所示,其中每組測試的5個樣品的SD≤0.20。由圖4可知,隨著時間的延長,不同溫度波動組凍藏后蝦肉組織L*值都逐漸增大,ΔL*為正,代表蝦肉組織逐漸發白,其結果與齊賀等[20]的研究結果一致。由圖可知,凍藏初期全蝦組和蝦仁組顏色變化較慢,在凍藏第30～60天過程中,顏色變化最快。在凍藏120 d后,(-18±8) ℃組貯藏的全蝦肌肉L*值升高了17.46%,遠高于其他溫度波動組L*值升高程度,(-18±0.5) ℃組凍藏的全蝦肌肉L*值升高了11.11%,最接近-40 ℃對照組全蝦肌肉L*值的升高量(10.33%)。蝦仁組凍藏120 d后,(-18±8) ℃組凍藏的蝦仁肌肉L*值升高了22.13%,(-18±0.5) ℃組貯藏的蝦仁肌肉L*值升高了13.01%,最接近-40 ℃對照組蝦仁肌肉L*值的升高量(10.94%)。

a-全蝦組;b-蝦仁組圖4 120 d內南美白對蝦L*值變化

南美白對蝦在凍藏過程中組織顏色變淺,一方面是因為細胞中脂肪、蛋白質等的變性使細胞保水能力變弱,細胞內部的水分轉移到細胞表面,對光產生反射所致[21];另一方面是因為大冰晶導致的細胞機械損傷,使得細胞內部的水分通過這些空隙向外流出[22],同樣加強了對光的反射作用。且溫度波動幅度越大,細胞保水能力的降低越明顯,機械損傷越嚴重,蝦肉組織顏色越淺。

2.4 南美白對蝦硬度值變化

硬度表現為樣品達到一定變形所需要的最大載荷,蛋白質變性會引起凍藏蝦肉硬度的改變,在一定范圍內,硬度越大表示蝦肉肉質越好。120 d內硬度值變化如圖5所示,其中每組測試的5個樣品的SD≤4.91 g。由圖5可知,隨凍藏時間的延長,溫度波動組和對照組南美白對蝦樣品的硬度均大幅下降。新鮮南美白對蝦的硬度值為1 341.00 g,凍藏至第120天時,-40 ℃組全蝦硬度下降幅度為35.93%,(-18±0.5) ℃組全蝦硬度下降了39.15%,(-18±8) ℃組全蝦硬度值下降幅度為52.54%,可見溫度波動越小,南美白對蝦硬度下降幅度越小,越接近-40 ℃組。而蝦仁組在(-18±8) ℃條件下凍藏至120 d時,蝦肉組織硬度下降幅度為49.12%。蝦仁組硬度下降程度普遍低于全蝦組。

a-全蝦組;b-蝦仁組圖5 120 d內南美白對蝦硬度變化

南美白對蝦硬度下降是因為在凍藏過程中,冰晶的增長導致肌原纖維之間的間隙逐漸增大,肌纖維斷裂,使肌肉組織結構變得稀疏,導致細胞組織的硬度下降[23]。溫度波動幅度越大,生成的冰結晶越大,肌纖維斷裂程度越嚴重,因此硬度下降更快。

2.5 南美白對蝦彈性變化

彈性反映了肉可以被拉伸并恢復到原來狀態的長度[24],其變化情況如圖6所示,其中每組測試的5個樣品的SD≤0.004 1 mm。全蝦組南美白對蝦凍藏120 d時,(-18±0.5)、(-18±2)、(-18±4)、(-18±6)、(-18±8) ℃組彈性下降幅度依次為21.12%、23.1%、25.8%、35.17%、46.1%,-40 ℃對照組彈性下降幅度為18.52%,蝦仁組南美白對蝦凍藏120 d時不同溫度波動組彈性下降幅度依次為17.3%、19.77%、24.25%、34.24%、43.6%,-40 ℃對照組彈性下降幅度為15.71%。隨凍藏時間的延長,溫度波動組和對照組南美白對蝦樣品的彈性均逐漸下降,較小溫度波動組南美白對蝦品質更接近-40 ℃對照組。且彈性的變化趨勢與硬度相吻合。

a-全蝦組;b-蝦仁組圖6 120 d內南美白對蝦彈性變化

彈性下降是因為在凍藏過程中,在水解酶對蛋白質的分解作用下,肌肉組織空間結構發生改變,失去固有彈性[15]。溫度波動幅度越大,水解酶的活性越強,彈性值下降越快。

2.6 南美白對蝦咀嚼性變化

咀嚼性表示肉在咀嚼或切割時所需的剪切力[25],其變化情況如圖7所示,其中每組測試的5個樣品的SD≤2.77 g。隨凍藏時間的延長,溫度波動組和對照組南美白對蝦樣品的咀嚼性均明顯下降,全蝦組凍藏至120 d時,-40 ℃對照組咀嚼性下降程度為9.69%,(-18±0.5) ℃組咀嚼性下降了11.7%,蝦仁組凍藏至120 d時,-40 ℃對照組咀嚼性下降程度為10.93%,(-18±0.5) ℃組咀嚼性下降了14.8%,溫度波動越小,咀嚼性越接近-40 ℃對照組品質。

咀嚼性下降速度隨溫度波動幅度增大而增大,一方面是因為冰結晶的增長導致肌細胞內肌原纖維的變形,另一方面是因為結合水減少使得肌原纖維蛋白質發生凝集,導致蝦肉剪切力降低,從而引起咀嚼性的下降。

3 結論

比較分析南美白對蝦在溫度為-18 ℃、溫度波動為±0.5、±2、±4、±6、±8 ℃條件下凍藏120 d內的品質變化規律,并對照-40 ℃情況下凍藏時的品質,得出以下結論：

a)隨著凍藏時間延長,南美白對蝦的TVB-N值、TBARS值、L*值逐漸增大,硬度、彈性、咀嚼性等質構特性值則顯著降低。

b)在-18 ℃條件下凍藏,溫度波動幅度越小,南美白對蝦凍藏品質越高,(-18±0.5) ℃下凍藏效果最接近在-40 ℃下的凍藏效果。可見通過減小溫度波動幅度能夠有效抑制凍藏南美白對蝦肌肉組織中冰結晶的生長,減小對其肌肉纖維結構的破壞,進而減緩劣變速度。

c)以蝦仁狀態凍藏時,南美白對蝦受溫度波動影響相對較小,各物化指標劣變速度對比全蝦狀態更慢,更有利于其保存。

d)本文在考慮溫度波動幅度對南美白對蝦凍藏品質的影響時,并未控制溫度波動頻率不變,建議后續研究過程中,通過在冷柜中置入電熱棒等方式控制溫度波動頻率為定值。