皱纹盘鲍足肌热处理过程中品质变化的动力学初探

王兆琦，薛长湖，丛海花，孙兆敏，贾 敏，张文杰

(中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛 266000)

皱纹盘鲍足肌热处理过程中品质变化的动力学初探

王兆琦，薛长湖*，丛海花，孙兆敏，贾 敏，张文杰

(中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛 266000)

热处理一直是鲍鱼加工的关键工艺之一。以皱纹盘鲍足肌为样品，研究60、70、80、90、100℃下水浴加热640s的过程中，蒸煮损失、颜色和硬度随时间的动力学变化及规律。结果表明:蒸煮损失随时间和温度升高不同程度的递增，一段时间后趋于稳定，大部分蒸煮损失发生在80s内，遵循一级反应动力学改进模型;时间越长，温度越高，肉色越偏黄(b*)，色变越大(ΔE)，颜色变化遵循零级反应动力学模型;硬度随时间先急剧增大，再急剧减小，最后缓慢减小趋于稳定，温度越高，变化过程越迅速，遵循二级反应动力学模型。综合考量下，高温短时间的热处理有利于获得高品质的皱纹盘鲍。

皱纹盘鲍，热处理，动力学，品质变化，颜色

鲍鱼隶属于软体动物门、腹足纲、前鳃亚纲、原始腹足目、鲍科、鲍属［1］，是一种经济价值很高的海珍品，盛行于中国、日本、韩国以及东南亚等国家，我国北方的经济代表种是皱纹盘鲍(Haliotis discus hannaiIno)［2］。鲍鱼主要可食部分是足肌，肉质柔嫩细滑，味道鲜美，营养丰富，肌肉中富含胶原蛋白，对人体有诸多益处。许东晖等［3］研究发现，鲍鱼多糖具有抑制小鼠体内肿瘤细胞生长和提高机体抗氧化能力的作用。在鲍鱼加工中，适宜的热处理能有效延长鲍鱼的贮藏期，较为常用的是蒸煮，此外还有挤压、蒸炒、灭菌、红外、微波等。食品受热能引起诸多品质的下降，例如营养相关的质量损失、颜色和质构特性的改变等，这些品质会显著影响消费者的购买。目前针对鲍鱼热处理过程的研究主要集中在质构和感官特性两方面［4－6］，关于颜色方面的研究资料有限。此外，食品品质研究与动力学模型的结合是有必要的，早在1994年就有学者将零级和一级动力学模型用于肌肉食品的品质研究［7－8］，而关于皱纹盘鲍热处理过程的品质动力学研究还未被报道。本研究采用聚乙烯袋封口的方法，使整个热处理过程切丁皱纹盘鲍足肌不与水接触，减少除热效应以外的其他因素影响，针对温度和时间两个关键条件，研究蒸煮损失、颜色和硬度的动力学变化及规律，为热处理工艺的开发与优化提供理论参考、数据支持和全新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

皱纹盘鲍鲜活 购于青岛市南山水产品批发市场，鲜重(99.9±7.3)g，壳长(8.899±0.287)cm，壳宽(5.826±0.318)cm;宰杀去除壳和内脏后鲜重(46.3± 4.7)g。

HH－2型数显恒温水浴锅 常州国华电器有限公司;AB135－S电子天平 瑞士METTLER TOLEDO公司;T－200型电子天平 美国双杰兄弟(集团)有限公司;TMS－PRO型单轴向压缩和拉伸型质构仪

美国food technology corporation;2073A型欧丽牌多功能食品加工机 上海海厨电器有限公司;RE－2000B型旋转蒸发器 上海亚莱生化仪器厂;SH2－D(Ⅲ)循环水真空泵 上海申光仪器仪表有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 热处理 将宰杀好的皱纹盘鲍足肌切丁，大小为10mm×10mm×8mm(长×宽 ×厚)，误差± 1mm。切丁能缩短样品内部升温时间，减小传热对动力学研究影响，提高样品均匀性。将样品逐个装入聚乙烯袋封口［9］，放入已升至指定温度的水浴锅中，温度变化控制在±1.0℃内，热处理结束后于0℃冰水混合物中迅速冷却至25℃以下。热处理温度和采样时间分别:60℃——0、20、40、80、160、240、320、480、640s;70℃——0、10、20、40、80、160、320、480、640s;80℃——0、10、15、30、80、120、160、320、640s; 90℃——0、5、7、10、40、80、160、320、640s;100℃——0、5、7、10、15、40、80、320、640s。

1.2.2 一般成分含量的测定 水分:参照国标GB/T 5009.3－2010，常压直接干燥法;总灰分:参照国标GB/T 5009.4－2010，干法灰化—灼烧恒重法;粗脂肪:Folch法［10］;粗蛋白:参照国标 GB/T 5009.5－2010，凯氏定氮法，转换系数为6.25。测定结果均取3次测定的平均值。

1.2.3 蒸煮损失的测定 用热处理前后样品质量差值与处理前质量的百分比来衡量，测定公式见式(1):

其中:m0－热处理前质量，g;m1－热处理后质量，g;CWeight－蒸煮损失，%。测定结果取3次测定的平均值。

1.2.4 颜色的测定 颜色采集系统由照明(40cm× 40cm)摄影棚、2只 50Hz20W 节能灯)和成像(NikonD90数码相机，伟峰FT－6662A型三脚架)两部分组成［11］。用样品切面(与足肌面相对)和足肌面的CIE L*、a*、b*以及色变ΔE来衡量，ΔE计算公式见式(2)［12］:

1.2.5 硬度的测定 使用单轴向压缩和拉伸型质构仪室温下进行穿刺检测，用压缩周期中最大峰处力的大小来衡量。使用圆柱型探头，直径2mm。测定程序:探头速度100mm/min，增加至力大于3000gf时停止。每个样品选3个不同部位测量，测定结果取9次测量的平均值。

1.2.6 动力学模型及数据分析处理 等温条件热处理过程中，食品某一品质随时间的变化可用以下动力学模型表示，见式(3):

其中，P是时间为t时食品某一品质的指标值，k是反应速率常数，n是反应级数［13］。当n=0、1、2时，对式(3)两边求积分，得到以下零级、一级和二级反应动力学模型方程，见式4～式6:

其中，P0是t=0时指标初始值，Pt是t时的指标值［14］。食品某一品质的动力学反应级数是由相关系数R2来确定的［15］，R2越大，说明拟合效果越好。

针对蒸煮损失等指标，一级反应动力学模型改进得到以下转换分数模型，见式(7):

其中，f是描述时间为t时指标变化量占总变化量的比例，P∞是 t=∞时指标达平衡状态下的非零值［9，14］。

Arrhenius模型是反映温度与反应速率常数关系的常用模型，经典表达式为式(8):

其中，k0是指前因子［16］，Ea是反应活化能(kJ/ mol)，R是通用气体常数(8.314J/(mol·K))，Tabs是绝对温度(K)。

数据采用Microsoft Office Excel 2010软件处理，包括录入和计算等;采用Origin 7.5软件拟合，包括线性、非线性拟合和动力学模型参数计算等;采用SPSS13.0软件进行统计学分析，包括方差分析，多重比较使用Ducan法，显著性水平(p＜0.05，p＜0.01)。

2 结果与讨论

2.1 一般成分含量

皱纹盘鲍的一般成分含量及他人测定结果参见表1。

2.2 蒸煮损失的变化

不同温度下皱纹盘鲍热处理过程中蒸煮损失的变化参见图1。随时间和温度升高，蒸煮损失不同程度的递增，统计学分析表明，热处理温度(60、70、80、90、100℃)和时间(80、320、640s)对皱纹盘鲍蒸煮损失的大小有极显著影响(p＜0.01)。这与肖桂花等［4］(皱纹盘鲍)、García－Segovia等［9］(牛肉)、Kong等［14］(三文鱼)的研究结果相似。蒸煮损失产生的可能原因是:高温使肌肉中蛋白质发生热变性［19］，肌肉收缩，结构破坏，持水能力下降，水等多种物质流出。图中可见，大部分的蒸煮损失发生在热处理前80s，各个温度在这段时间内的蒸煮损失分别占整个过程的80.4%、81.9%、80.0%、83.7%和74.6%。

表1 皱纹盘鲍的一般成分含量(%)Table 1 General composition of Haliotis discus hannai Ino(%)

图1 皱纹盘鲍5个温度下热处理过程中蒸煮损失的变化Fig.1 Cooking loss changes of Haliotis discus hannai Ino during thermal processing at five temperatures

蒸煮损失随时间先急剧增大，随后缓慢增大逐渐趋于平衡，各个温度分别达到7.315%、8.8087%、10.1822%、12.3773%和15.8586%的平衡点，二者关系可用式(9)表示:

蒸煮损失随时间的变化关系可用公式(7)的转换分数模型表示，已知CL0=0，得到式(10):

其中，由公式(9)得出，具体参数参见表2。反应速率常数k和热处理温度的关系遵循Arrhenius模型。拟合得出反应活化能Ea为10.60 kJ/mol，低于Bertola等［7］(牛肉，54.93kJ/mol)、Kong等［14］(三文鱼，36.98kJ/mol)和Lau等［20］(竹笋，50.82kJ/mol)的研究结果。可能的原因是:转换分数模型对90℃和100℃拟合效果一般;实验样品种类、大小不同。指前因子k0为1.97/s，R2为0.928。

表2 皱纹盘鲍5个温度下热处理后蒸煮损失的一级反应动力学参数Table 2 First－order kinetic parametersfor cooking loss of Haliotis discus hannai Ino after thermal processing at five temperatures

在工业生产实际中，常用的鲍鱼热处理时间均大于10min，因此该动力学模型具有一定的实际意义。同时，蒸煮损失和样品大小、形状等密切相关［21］，以上所得模型公式还有待于进一步的工业实验校正。为提高经济效益和节约能源，应尽可能的缩短热处理时间。

2.3 颜色的变化

图2 皱纹盘鲍5个温度下热处理过程中颜色参数的变化Fig.2 Color parameters changes of Haliotis discus hannai Ino during thermal processing at five temperatures

表3 皱纹盘鲍不同温度下热处理后ΔE的动力学参数Table 3 Kinetic parameters for ΔE of Haliotis discus hannai Ino after thermal processing at different temperatures

不同温度下皱纹盘鲍热处理过程中颜色参数的变化参见图2。其中，L*、a*和b*均以热处理前的值作对照，数据经热处理前的值与所有热处理前的平均值比较校正后得出。图2－A、2－E中，L*随时间(80、320、640s)的变化均不显著(p＞0.05)，随温度的变化分别为极显著(p＜0.01)和不显著(p＞0.05)。皱纹盘鲍内部肉色比足肌面肉色更明亮。图2－A中，热处理160s后，温度越高肉色越明亮。图2－E中，温度越高，L*变化越快。研究表明，随L*增大，肉品品相提高，更能吸引消费者［22］，这样看来，高温热处理更有利于获得色泽明亮的皱纹盘鲍。图2－B、2－F中，a*随时间和温度的变化分别为极显著(p＜0.01)和不显著(p＞0.05)。皱纹盘鲍内部肉色略偏绿，而足肌面肉色偏红。图2－B中，皱纹盘鲍经历“略偏绿－略偏红－偏绿”的色变过程，并且温度越高变化越快。图2－C、2－G中，b*随时间的变化规律分别为极显著(p＜0.01)和显著(p＜0.05)，而随温度的变化规律均为极显著(p＜0.01)。皱纹盘鲍内部肉色偏黄，浅于足肌面肉色。b*随时间和温度升高有不同程度的增大，即长时间高温热处理会加剧肉色变黄。图2－D、2－H中ΔE变化也有类似规律，时间越长，温度越高，色变越大。研究表明，海产食品受热发生色变的主要原因有:与颜色相关的蛋白变性、色素分解和美拉德褐变反应［23］。皱纹盘鲍中关于前两者的研究未见报道，但美拉德褐变反应是存在的［24］，本研究主要体现在b*增大上。

分别对切面和壳肌面的ΔE建立分阶段动力学模型。R2分析结果表明，零级反应动力学模型拟合效果最好，Arrhenius模型可用于对反应速率常数和温度关系的描述，具体参数参见表3。综合看来，高温短时间的热处理更有利于获得色泽良好的产品。

2.4 硬度的变化

不同温度下皱纹盘鲍热处理过程中硬度的变化参见图3。各个温度下硬度随时间先急剧增大，再急剧减小，最后缓慢减小趋于稳定。研究表明，硬度增大的原因是肌原纤维相关蛋白变性，发生凝聚，肌肉产生横向和纵向收缩;硬度减小的原因有肌原纤维相关蛋白解链，胶原蛋白溶解，凝胶化为可溶性明胶，肌纤维规则有序的网络结构瓦解［2，11，19］。两种作用同时存在，有先后强弱之分，综合导致上述变化，具体反应机制还有待于对微观组织结构的进一步研究。通过图3可知，热处理640s后，各个温度下皱纹盘鲍的硬度都比初始时低。主要原因是受热最终使皱纹盘鲍的肌纤维结构破坏，硬度与鲜活状态下相比最终降低。食物并不是硬度越低越好，过度的柔软会降低口感。综合看来，最佳的热处理时间应落在阶段2或阶段3的前半段。

图3 皱纹盘鲍5个温度下热处理过程中硬度的变化Fig.3 Hardness changes of Haliotis discus hannai Ino during thermal processing at five temperatures

根据R2分析结果，二级反应动力学模型对分阶段硬度变化拟合效果最好，反应速率常数和温度关系可用Arrhenius模型描述，具体参数参见表4。由R2可知，Arrhenius模型在阶段1和2处拟合效果很好，阶段3处拟合效果不好。主要原因是:阶段3内硬度随时间基本不变，即反应基本不发生，k与温度的关系不明确，拟合效果不好。

3 结论

皱纹盘鲍蒸煮损失随时间先急剧增大，随后缓慢增大逐渐趋于稳定，大部分蒸煮损失发生在前80s内，遵循一级反应动力学改进模型，热处理温度越高，蒸煮损失越大。热处理时间对皱纹盘鲍颜色的影响主要体现在b*和ΔE上，时间越长，肉色越偏黄，色变越大，能用零级反应动力学模型良好拟合，热处理温度越高，皱纹盘鲍肉色越明亮，越偏黄，色变越大。硬度随时间先急剧增大，再急剧减小，最后缓慢减小趋于稳定，用二级反应动力学模型能进行良好描述，最终皱纹盘鲍硬度经热处理后降低，热处理温度越高，变化过程越快。

表4 皱纹盘鲍5个温度下热处理后硬度的动力学参数Table 4 Kinetic parameters for hardness of Haliotis discus hannai Ino after thermal processing at different temperatures

综合看来，保证熟化前提下，高温短时间的热处理更有利于获得高品质皱纹盘鲍。在工业生产实际中，温度、时间的选择还需和皱纹盘鲍尺寸、灭菌环节、后续加工工艺、生产条件等实际情况相结合，动力学模型的推广与应用也需要生产实践的再校正。

［1］朱蓓薇.海珍品加工理论与技术的研究［M］.北京:科学出版社，2010:149－150.

［2］张亚琦.鲍鱼的物性学研究及加工工艺探讨［D］.青岛:中国海洋大学，2008.

［3］许东晖，许实波，王兵，等.皱纹盘鲍多糖抗肿瘤药理作用研究［J］.热带海洋，1999，18(4):86－90.

［4］肖桂华，朱蓓薇，董秀萍，等.热加工条件对鲍鱼腹足部分加工特性的影响［J］.大连工业大学学报，2012，31(1):1－7.

［5］Hatae K，Nakai H，Tanaka C，et al.Taste and texture of abalone meat after extended cooking［J］.Fisheries Science，1996，62:643－647.

［6］Chiou T K，Tsai CY，Lan H L.Chemical，physical and sensory changes of small abalone meat during cooking［J］.Fisheries Science，2004，70(5):867－874.

［7］Bertola N C，BevilacquaA E，ZaritzkyN E.Heat treatment effect on texture changes and thermal denaturation of proteins in beef muscle［J］.Journal of Food Processing and Preservation，1994，18(1):31－46.

［8］Bhattacharya S，Choudhury G S，Studebaker S.Color changes during thermal processing of Pacific chum salmon［J］.Journal of Aquatic Food Product Technology，1994，3(1):39－48.

［9］García－Segovia P，Andrés－Bello A，Martínez－Monzó J.Effect of cooking method on mechanical properties，color and structure of beef muscle(M.pectoralis)［J］.Journal of Food Engineering，2007，80(3):813－821.

［10］Folch J，Lees M，Sloan Stanley G H.A simple method forthe isolation and purification of total lipids from animal tissues［J］.The Journal of Biological Chemistry，1957，226:497－509.

［11］KongF B，Tang J M，Rasco B，et al.Quality changes of salmon(Oncorhynchusgorbuscha)muscle duringthermal processing［J］.Journal of Food Science，2007，72(2):103－111.

［12］郑元林，杨淑蕙，周世生，等.CIE 1976LAB色差公式的均匀性研究［J］.包装工程，2005，26(2):48－49.

［13］LabuzaT P，Riboh D.Theory and application of Arrhenius kinetics to the prediction of nutrient losses in foods［J］.Food Technology，1982，36(10):66－74.

［14］Kong F B，Tang J M，RascoB，et al.Kinetics of salmon quality changes during thermal processing［J］.Journal of Food Engineering，2007，83(4):510－520.

［15］Hill C G，Grieger－Block RA.Kinetic data:generation，interpretation，and use［J］.Food Technology，1980，34(2): 56－66.

［16］田玮，徐尧润.食品品质损失动力学模型［J］.食品科学，2000，21(9):14－18.

［17］陈炜，孟宪治，陶平.2种壳色皱纹盘鲍营养成分的比较［J］.中国水产科学，2004，11(4):367－370.

［18］袁起新，朱蓓薇，董秀萍，等.鲍鱼腹足胶原蛋白的提取及性质研究［J］.大连工业大学学报，2012，31(1):35－39.

［19］Bell J W，Farkas B E，Hale S A，et al.Effect ofthermal treatment onmoisture transport during steam cooking ofSkipjack Tuna(Katsuwonaspelamis)［J］.Journal of Food Science，2001，66 (2):307－313.

［20］Lau M H，Tang J，Swanson B G.Kinetics of textural and color changes in green asparagus during thermal treatments［J］.Journal of Food Engineering，2000，45(4):231－236.

［21］Laroche M.Weightloss during cooking.Its nature andmechanisms［J］.Viandes et produitscarnés，1980，1(1): 26－28.

［22］Resurreccion AV A.Sensory aspects of consumer choices for meat and meat products［J］.Meat Science，2004，66(1):11－20.

［23］Haard N F.Biochemistry and chemistry of color and colorchanges in seafoods.In:Flick G J，Martin R E，editors.Advances inseafood biochemistry:composition and quality［M］.Lancaster，PA:Technomic PublishingCompany Inc，1992，305－360.

［24］NathakaranakuleA，KraiwanichkulW，Soponronnarit S.Comparative study of different combinedsuperheated－steam drying techniquesforchicken meat［J］.JournalofFood Engineering，2006，80(4):1023－1030.

Kinetics of quality changes ofHaliotis discus hannaiIno foot muscle during thermal processing

WANG Zhao－qi，XUE Chang－hu*，CONG Hai－hua，SUN Zhao－min，JIA Min，ZHANG Wen－jie
(Department of Food Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266000，China)

Thermal processing is one of the key technics of abalone process.Cooking loss，color and hardness ofHaliotis discus hannaiIno foot muscles were studied to show kinetics changes and rules at 60，70，80，90，100℃with different time intervals up to 640s in water bath.Results showed that:cooking loss increased with increasing time and temperature in varying degrees.It leveled off after a period of rapid growth and was followed a first－order reaction.Most of cooking loss occurred during the first 80s.The b*and color difference(ΔE)ofHaliotis discus hannaiIno foot muscles were significantly affected by both processing time and temperature，they were observed and followed a zero－order reaction.Hardness first increased rapidly with increasing time，and then decreased rapidly.It finally decreased slowly and tended to a balance.A second－order reaction of kinetics model was used to describe it changes.Higher temperature and shorter cooking could get higher quality ofHaliotis discus hannaiIno.Key words:Haliotis discus hannaiIno;thermal processing;kinetics;quality changes;color

TS254.1

A

1002－0306(2012)21－0085－06

2012－04－25 *通讯联系人

王兆琦(1989－)，女，在读硕士，研究方向:食品加工与安全。

国家863计划项目(2011AA100803);长江学者和创新团队发展计划资助。