凡纳滨对虾肉糜凝胶动力学模型研究

李晓龙，袁莉莉，刘书成，解万翠，吉宏武，毛伟杰

（广东省水产品加工与安全重点实验室，广东普通高等学校水产品深加工重点实验室，广东海洋大学食品科技学院，广东湛江524088）

凡纳滨对虾肉糜凝胶动力学模型研究

李晓龙，袁莉莉，刘书成，解万翠，吉宏武，毛伟杰*

（广东省水产品加工与安全重点实验室，广东普通高等学校水产品深加工重点实验室，广东海洋大学食品科技学院，广东湛江524088）

为了研究虾肉糜的凝胶特性，改善虾肉肠的品质，研究了凡纳滨对虾肉糜在低温凝胶化后，高温加热过程中虾肉糜的凝胶强度、失水率、白度及蛋白质组成变化，并在此基础上探索蛋白质组成和虾肉糜凝胶强度度之间的关系，绘制了升温曲线，建立了虾肉糜凝胶一级反应动力学模型。结果表明，升温的过程中，凝胶的强度和白度有不同程度的提高，失水率呈先降低后升高的趋势，盐溶性蛋白质和水溶性蛋白质含量降低，而不溶性蛋白质的含量升高；虾肉糜的实际升温曲线和用公式预测的升温曲线有很高的拟合度；凝胶率在80%之前，符合一级动力学方程，但凝胶形成约80%后，形成速率明显减小，不再符合一级动力学方程。

凡纳滨对虾，肉糜，蛋白质，凝胶，动力学模型

凡纳滨对虾是我国养殖量最大的虾品种，其蛋白含量高，营养丰富[1]。但我国对虾多以鲜售和冷藏为主，深加工产品较少。近年来，随着虾肉肠产品的面市，虾肉肠产业化成为虾深加工的重要方向之一。目前，虾肉肠的品种较少，而且还存在硬度和弹性差等问题。凝胶化是虾肉肠加工中的一个重要环节，直接关系到虾肉肠的质构品质。凝胶化过程中，蛋白质发生变性，自身结构被破坏[2]。凝胶化过程受到很多因素的影响，例如体系的温度、pH、离子强度和蛋白质浓度等。Atchara[3]研究了不同的加热温度和时间对虾肉糜胶特性的影响。国外有研究表明，肉糜采取二段加热的方式，先在0～40℃的条件下放置一定时间，然后再进行高温加热，可以形成与直接高温加热相比，更具弹性和强度的凝胶[4]。目前，关于低温静置过程，已经证明是转谷氨酰胺酶催化的肌球蛋白质交联反应[5]。但是，关于虾肉糜凝胶化过程的高温加热部分研究的还较少。

动力学模型已广泛应用于食品的加工过程中。动力学模型常用来描述或预测加工过程中，食品中因素成分的变化，以此来优化加工条件。对于鱼虾等水产品，动力学的研究主要集中在蛋白变性[6]、水分含量变化[7]等方面，但关于虾肉糜加工过程中凝胶化动力学研究较为少见。

本文研究了虾肉糜凝胶化高温加热过程中，虾肉糜的凝胶强度、失水率、白度及蛋白质组成的变化，并尝试建立凝胶形成率和时间变化的一级反应动力学模型，为预测和控制虾肉肠的品质提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冷冻凡纳滨对虾虾仁 购于国联水产有限公司；盐酸、氢氧化钠、氯化钾、氯化钠、尿素、2-巯基乙醇等 均为分析纯。

HR286型飞利浦三合一搅拌器 珠海经济特区飞利浦家庭电器有限公司；SGY-35型手压灌装机 惠利机械有限公司；HH.S21-6型恒温水浴锅 上海跃进医疗器械厂；VX5000R型无纸记录仪 杭州盘古自动化系统有限公司；TMS-PRO型质构仪 美国FTC公司；WSC-S型色差仪 上海物理光学仪器厂；TGL-20M型高速台式离心机 湛江裕鑫实业有限公司；FA2004型电子分析天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 虾肉糜凝胶的制备 将冷冻虾仁从冷库中取出，自然解冻至半解冻状态。然后于碎肉机中斩拌1min，加入3%食盐，继续斩拌2min至混合虾肉糜呈乳白色粘稠状。将混合虾肉糜灌装至直径3cm聚乙烯肠衣中，两端扎紧。在30℃恒温水浴锅中保温60min，然后在90℃水浴锅中加热，每隔10℃取出一份样品，冰水冷却后，放在4℃冰箱中放置过夜，备用。

1.2.2 凝胶强度的测定方法 将制备好的样品从4℃冰箱中取出，放置至室温，剥去肠衣，将其切成30mm长的圆柱体。破断力和硬度由质构仪测定，探头直径为5mm，穿刺速度78mm/s。每组实验重复6次，实验结果为6次测定结果的平均值。

破断力（N）：穿刺曲线上的第一个峰值；凝胶形成率：假定虾肉糜的最终破断力为100，将中间过程的破断力和最终破断力的比值称为凝胶形成率。

1.2.3 白度的测定 将鱼糜凝胶切成5mm薄片，用色差仪测定样品的L*，a*和b*值（重复6次，取平均值）[8]，白度计算公式如下：

其中：L*—黑色（0）到亮色（100）；a*—红色（60）到绿色（-60）；b*—黄色（60）到蓝色（-60）。

1.2.4 失水率的测定 将样品切成厚5mm薄片并称质量M1，下面放3张滤纸，上面放两张滤纸，用5kg重物压2min，取出样品称重得M2。失水率按下式计算，每个样品重复6次取平均值[9]。

1.2.5 蛋白质的分离及测定 分离参考Hashimoto[10]的方法，略有修改。称取3g样品，加入30mL缓冲液A（15.6mmol/L Na2HPO4，3.5mmol/L KH2PO4，pH7.5），10000r/min均质2min后，7000r/min离心30min。重复上述操作三次，收集上清液，加入10倍体积的5%的三氯乙酸沉淀，得到的即为水溶性蛋白质；向离心得到的沉淀中加入30mL缓冲液B（0.45mol/L KCl，15.6mmol/L Na2HPO4，3.5mmol/L KH2PO4，pH7.5），10000r/min均质2min后，7000r/min离心30min。重复上述操作三次，收集上清液，即得盐溶性蛋白；沉淀为不溶性蛋白。

蛋白质的测定方法参照GB 5009.5-2010。

1.2.6 数据处理 应用JMP软件对实验结果进行统计分析，结果以平均值表示。

1.2.7 凝胶动力学模型的建立 将无纸记录仪的探针插入样品中心，深度为1.5cm。仪器每隔两秒自动测试中心温度，整个测定时间为30min。测试完后绘制升温曲线。

1.2.7.1 虾肉糜中心温度方程的建立 为了模拟圆柱体的导热过程，假设有一个半径为a，高为b的有限圆筒，以圆筒的轴为Z轴，轴的中点为原点，建立圆筒的直角坐标系[11]。

虾肉肠中心温度的公式为：

式中，热传导率k=5.2×10-3（J/cm·s·℃）；比热C= 3.6（J/g·℃）；密度ρ=1.06（g/cm3）；虾肉糜的热扩散率通过热传导率、比热、密度计算α=0.136（cm2/s）。

1.2.7.2 凝胶形成率的计算方法 假设，虾肉糜加热过程中，蛋白质的变化过程如图1所示。

图1 热处理过程中蛋白质的变化Fig.1 The change of protein during heating

Zayas等[12]对凝胶化过程进行了如下描述，鱼糜两段加热过程中，第一步是蛋白质变性过程，第二步是蛋白质重组过程。可以看做，xPN→xPD→（PD）N，其中：x代表蛋白质的数量，PD代表天然蛋白质，PD代表变性蛋白质。虾肉糜凝胶化过程中，蛋白质也经历了变性-交联的过程。对于第二步的高温加热过程，本研究做了如下的假设。如图1所示，A～C过程是蛋白质通过共价键交联的过程；C～D过程为部分蛋白质在高温下发生了热变性，蛋白质之间通过非共价键更加紧密的联系在一起。参考Gossett[13]对鸡蛋加热过程建立的动力学模型，在本研究中建立中做如下假设：

a.将凝胶过程视为一级化学反应过程，如式（4）所示。

一级动力学方程基础方程式：

其中热变性前凝胶开始形成时的蛋白质浓度设为C0，蛋白质变性后的凝胶浓度为C，初期条件：t=0，C=C0。

根据Arrhenius方程，凝胶形成速率：

式中，A为指前因子，Ea为活化能（假定不随温度发生变化）、R是理想气体常数（8.314J/mol·K），T为热力学温度。

b.破断力代表虾肉糜质构特性的重要指标，具有代表性。因此以虾肉糜破断力作为凝胶形成速率指标，表示凝胶形成过程。

1.2.7.3 A和Ea推测方法 指前因子A和反应活化能Ea决定了反应速率k，本文采用黄金分割法对其进行推测。首先假定一个A值，通过Fortran语言进行编程计算后，计算凝胶形成率的变化，然后将计算值和实际测得值比较，再用另外假定的A值进行计算并计算出误差，反复计算后，得出A的最小值，Ea在30～100kJ/mol范围内取值，分别计算，确定误差最小时的A和Ea值。

2 结果与分析

2.1 升温过程中虾肉糜硬度的变化

图2 虾肉糜破断力及温度的变化趋势Fig.2 The temperature and breakforce model of minced shrimp during heating

图2描绘了虾肉糜升温过程中，样品硬度的变化趋势。虾肉糜的硬度大致经历了三个阶段的变化：a.虾肉糜在30～40℃时，虾肉糜为黏糊状，硬度无法检测到；b.40～70℃时，样品的硬度有显著的提高（p＜0.05）；c.70～90℃时，样品的硬度变化不明显（p＞0.05）。在升温过程中，虾肉糜经历了从无规则糊状物，到具有良好的硬度的凝胶体的过程。

低温静置后，虾肉糜经过凝胶化过程形成了三维结构，但是水分大多以体相水形式存在，使得样品无法成型，依旧为胶粘的糊状。加热初期，虾肉糜硬度显著增加（p＜0.05），这可能与内源性转谷氨酰胺酶的催化作用有关。转谷氨酰胺酶在45℃左右时具有最高活性，它可以催化转酰基反应，促进蛋白质之间的交联，蛋白质原有的疏水性结构被破坏，更紧密的结合在一起，从而提高了蛋白质的凝胶性能。温度继续升高，蛋白质热变性加剧，肌原纤维蛋白原有的晶格结构被破坏，蛋白质重新交联，从而导致虾肉糜内部结构固定更加紧密，硬度增加。在升温过程中经历了凝胶劣化的温度区间，凝胶是否发生劣化还需进一步研究。

2.2 虾肉糜升温过程中白度及失水率变化趋势

由表1可以看出，虾肉糜的升温过程中，虾肉糜的亮度逐渐增加，颜色随温度的升高向红、黄方向变化，样品的白度逐渐升高，且在40～60℃和90℃时变化较快，中间过程的变化较缓慢。这说明，高温加热对提高虾肉糜的亮度有显著作用。

表1 升温过程白度的变化Table 1 The variation of whiteness during heating

图3 升温过程中失水率的变化Fig.3 The variation of the water loss rate during heating

对失水率进行分析可得，70℃之前，样品的失水率较低，高于70℃时，失水率显著上升（p＜0.05）。虾肉糜中存在蛋白质-蛋白质、蛋白质-水两种作用力。温度较低时，蛋白质通过二硫键交联，形成的三维结构将水包裹在其中。温度继续升高时，蛋白质-蛋白质间的作用加剧，水被挤出而导致了失水率的增高[14]。失水率的变化趋势符合对虾肉糜高温过程做出的两段式假设。

2.3 虾肉糜升温过程中蛋白质种类及含量变化

图4描述了虾肉糜升温过程中，不同温度时盐溶性蛋白、水溶性蛋白及不溶性蛋白的含量（以干基计）的变化趋势。如图4所示，凡纳滨对虾肌肉中的蛋白质以盐溶性蛋白居多，含量高达67.63%，其次是水溶性蛋白和不溶性蛋白，含量分别为26.29%、6.08%。低温静置后，盐溶性蛋白质含量显著下降（p＜0.05），不溶性蛋白质含量显著上升（p＜0.05），这表明低温静置过程中，盐溶性蛋白质部分发生变性转变为了不溶性蛋白质。高温加热过程中，虾肉糜的盐溶性蛋白质和水溶性蛋白质含量都呈下降的趋势，与此同时，不溶性蛋白质含量上升。高温加热过程中，盐溶性蛋白和水溶性蛋白质都发生了部分变性，转变为不溶性蛋白质。通过与虾肉糜凝胶硬度比较可以发现，随着不溶性蛋白的增多，虾肉糜凝胶硬度也有了相应的提高。

图4 虾肉糜升温过程中蛋白质组成的变化Fig.4 The variation of the protein composition during heating

2.4 虾肉糜凝胶过程动力学模型

2.4.1 虾肉糜升温曲线 由图5可以看出，经30℃60min凝胶化过程后的虾肉糜，在90℃的水浴锅中加热时，升温速度先较为缓慢，然后急剧增加，在加热时间为10min时，中心温度已经接近90℃。利用式（4）计算得到的升温曲线与虾肉糜实际升温曲线有很高的拟合度。

图5 虾肉糜的升温曲线Fig.5 The heating curve of minced shrimp

2.4.2 凝胶动力学模型 将图1转化为凝胶形成率曲线，如图6所示。

图6 凝胶形成率变化趋势Fig.6 The trend of gel forming rapid during heating

从图6可以看出，在凝胶形成率为80%之前，反应符合一级动力学方程。之后，凝胶形成速率低于计算值。黄金分割法解析结果证明Ea为96kJ/mol，A为8.2×1013时误差最小。将其代入式（5），得凝胶形成速率随温度变化的方程为，

综上所述，虾肉糜高温加热过程中，凝胶形成速度分为两个阶段。第一个阶段为凝胶率在80%之前，这个过程中凝胶形成速率较快，实际凝胶形成率与预测值具有较高的拟合度，符合一级动力学方程，升高温度可以缩短这段时间。凝胶形成约80%后，形成速率明显减小，不再符合一级动力学方程。这一段的反应模式还需要进一步分析。

3 结论

虾肉糜升温过程中，理化性质发生了很大变化。随着升温的进行，样品的硬度和白度呈不断增加的趋势；样品的失水率在70℃时显著增加，之后随着温度的增加变化不显著（p＞0.05）；虾肉糜的盐溶性蛋白质和水溶性蛋白质含量总体下降，不溶性蛋白质含量上升。

经数学分析，凝胶形成率为80%之前，符合Arrhenius方程，之后凝胶形成率则低于预测值，形成这一变化的原因还需进一步的研究。虾肉糜加热过程中，经过了劣化温度，此过程中虾肉糜有没有发生劣化值得进一步探讨。

[1]卢光涛，何绪刚，毙世同，等.南美白对虾肌肉品质评价[J].水产渔业，2008，28（4）：10-11.

[2]Wonnop V，Soottawat B，Siriporn R.Changes in composition and functional properties of proteins and their contributions to Nham characteristics[J].Meat Science，2004，66：579-588.

[3]Atchara T，Soottawat B，Wonnop V.Gelling properties of white shrimp（Penaeus vannamei）meat as influenced by setting condition and microbial transglutaminase[J].Food Science and Technology，2007，40：1489-1497.

[4]Theofania T，Efimia D，Maria G.Shelf life modelling of frozen shrimp at variable temperature conditions[J].LWT-Food Science and Technology，2009，42：664-671.

[5]刘丽媛，谢晶，励建荣.预测南美白对虾品质变化的动力学模型的建立[J].食品工业科技，2009，30（6）：278-280.

[6]Dima J B，Baron P J，Zaritzky N E.Mathematical modeling of the heat transfer process and protein denaturation during the thermal treatment of Patagonian marine crabs[J].Journal of Food Engineering，2012，113：623-634.

[7]Darvishi H，Farhang A，Hazbavi E.Mathematical Modeling of Thin-Layer Drying of Shrimp[J].Global Journal of Science Frontier Research，2012，12（3）：82-89.

[8]杨贤庆，李来好，周婉君.提高鲮鱼鱼糜凝胶特性的研究[J].湛江海洋大学学报，2003，23（4）：25-29.

[9]祖海珍.转谷氨酸胺酶对大豆分离蛋白和肌原纤维混合蛋白成胶性的影响[D].南京：南京农业大学，2005.

[10]Hashimoto K，Watabe S，Kono M，et al.Muscle protein composition of sardine and mackerel[J].Bulletin of the Japanese Society of Scientific Fisheries，1979，45：1435-1441.

[11]西元淳一，鈴木英昌.サメ肉すり身加熱中における伝熱とゲル强度について[J].水産ねり製品技術研究会誌，1989（9）：537-544.

[12]Zayas，Joseph F.functionality of proteins in foods[M].USA：Dept.of Foods and Nutrition，1997：310-320.

[13]Gossett P W，Rizvi，Baker R C.Quantitative Analysis of Gelation in Egg Protein System[J].Food Technology，1984，38（5）：67-96.

[14]杨芳，潘思轶.大豆蛋白凝胶复合体系水分状态的研究进展[J].食品科学，2008，29（10）：680-684.

Study on modelling of forming kinetic of Vannamei shrimp mince gel

LI Xiao-long，YUAN Li-li，LIU Shu-cheng，XIE Wan-cui，JI Hong-wu，MAO Wei-jie*
（Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety，Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution，College of Food Science and Technology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

The objective of this study was to investigate the gel property of shrimp sausages and improve its quality.Gel strength，water loss rate，whiteness and protein composition during heating were studied.On this basis，the relationship between protein composition and gel strength of shrimp mince was explored.Temperature curve was also drawn，while a dynamic model was made upon gel formation rate.Results showed that，gel strength and whiteness were increased in some degree.Water loss rate decreased during heating from the begining，then had a slight change，following a rise in the end.The percentage of salt-soluble protein and water-soluble protein dropped off during the whole processing，while the water-insoluble protein increased. The fitting degree between the actual temperature curve and the predicted one was high.Before 80%of gel was formated，the kinetic equation was complied well.However，when the gel formation rate was above 80%，the rate of gel formation was reduced significantly，and no longer met the equation.

Vannamei shrimp；minced；protein；gel；dynamic model

TS254.1

A

1002-0306（2014）08-0149-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.08.025

2013－08－21 *通讯联系人

李晓龙（1989-），男，硕士研究生，研究方向：水产品加工及贮藏工程。

国家虾产业技术体系建设（CARS-48）；广东海洋大学校选课题（121344）。