超声辅助凝胶化对鲢鱼糜凝胶特性的影响*

李斌，陈海琴，赵建新，范大明，黄建联，高文华，陈卫，张灏

1(江南大学食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡，214122)

2(福建安井食品股份有限公司，福建厦门，361022)

3(南京先欧仪器制造公司，江苏 南京，210000)

鲢鱼是我国重要的4种淡水鱼之一，具有易饲养、成长快、成本低等特点。但由于鲢鱼肉质风味不及其他淡水鱼，其常被用来加工成鱼糜制品。凝胶强度是评价鱼糜及其制品的重要指标，国内外关于提高鱼糜凝胶强度的方法研究有很多，目前常用的主要包括外源添加物添加和加工工艺的优化。其中，外源添加物又分为:(1)对鱼糜凝胶网络形成有促进作用的物质，如微生物 Tgase［1］、淀粉［2］、植物油［3］等;(2)鱼糜中对凝胶网络有解聚作用的物质的抑制剂，如蛋白酶抑制剂［4］。通过添加外源物虽然在一定程度改善了鱼糜凝胶强度，但存在添加量控制的问题，而且添加物本身有可能带来一定的食品安全问题。加工工艺的优化主要有漂洗工艺的优化［5］、超高压辅助凝胶化［6］、微波法［7］等。超声波作为近年来发展迅速的一种高新技术，在食品中的应用越来越广泛。超声在食品加工中得以广泛应用主要是基于超声的机械效应、温热效应、理化效应(弥散作用、触变作用、空化作用等)，这些效应不仅能显著改善食品的理化特性，而且超声波辅助加工技术具有效率高、能耗低等特点。有学者［8］发现，超声辅助猪肉腌制可以显著改善腌制猪肉的质构并促进盐液在猪肉中的传质，缩短腌制时间。目前关于利用超声来辅助提高鱼糜凝胶强度的研究还很少［9］，且超声输出设备内声场分布的测定、不同声功率强度的超声波对鱼糜凝胶特性的影响至今仍未见报道。

为此，本文测定了超声波输出设备中的声场分布，并以鲢鱼糜为实验对象，研究了不同声功率强度的超声波对鱼糜凝胶的凝胶强度、持水率、白度及微观结构的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

斩拌机，上海申发机械有限公司;灌肠机，双马机械公司;电子分析天平，上海精密科学仪器有限公司;双槽恒温水浴锅、超声波输出设备(800W，20KHz)，南京先欧仪器制造公司;超声波声功率强度测定仪，杭州成功超声设备有限公司;D-78532型高速冷冻离心机，德国Hettich公司;TA-XT2i质构分析仪，英国Stable Micro System公司;UltraScan Pro1166色差仪，美国Hunterlab公司;冷冻干燥系统，美国LABCONCO公司;S-4800场发射扫描电子显微镜，日本日立柱式会社。

1.2 实验方法

1.2.1 设备内声场的测定

在超声波输出设备中建立坐标系，所建坐标系如图1所示。用超声波声功率强度测定仪测定每个坐标点的声功率强度，分3次测定，求平均值后用origin作出设备内选定平面的超声波声功率强度分布图。

图1 超声输出设备内坐标系的建立Fig.1 The coordinate system for the ultrasonic output device

1.2.2 鱼糜凝胶的制备和超声波处理

将冷冻鲢鱼糜经4℃解冻至半解冻状态，解冻后用温度计测量鱼浆表面温度不得高于10℃或中心温度不高于-3℃。取解冻好的鱼糜，称取500 g，用斩拌机进行斩拌。先空斩2 min，添加3%的食盐后盐斩5 min。在斩拌过程中打浆筒始终处于冰水浴中，间隔1 min停止斩拌，翻动鱼糜防止持续产热，保持鱼浆温度在12℃以下。按照物料水分含量计算加水量，将每组鱼糜样品的终水分均调至78%。将斩拌好的鱼浆充填于φ 40 mm×25 mm的圆柱体铝盒中，开口端用盖子封闭。采用二段式加热对鱼糜凝胶化，即40℃凝胶化20 min，90℃凝胶化30 min，制得鱼糜凝胶。在40℃凝胶化处理过程中，放置在超声输出设备中用超声辅助凝胶化的为实验组(由声场分布图中选出不同声强的6个位置)，同等条件下在水浴中凝胶的为对照组。本文中超声组和对照组处理时间皆为20 min，超声处理过程中向设备中加入适量冰水，同时从设备出水口放出等量水，以确保设备中水浴温度始终维持在(40±1)℃。超声处理时用不同声功率强度的超声处理。

1.2.3 凝胶强度的测定

参考Benjakul等［10］的方法，从铝盒中取出鱼糜样品用质构仪测定熟化鱼糜的破断力和凹陷深度(用球形探头 P5/S，测定速度1 mm/s，测定深度15 mm)。凝胶强度由破断力和凹陷深度的乘积求得。每组至少测定5个平行样求平均值。

1．教材体系的新变化。(1)凸显教材的多功能性。由于化学课程与教学论形成了一些分支并独立成书后如果不开设选修课，就弱化了本教材的功能，造成学生认知机构的不完整。为此，把独立出去的分支教材《化学教学论实验》《化学微格教学》《化学教学测量与评价》《化学学习论》等与《化学课程与教学论》再回归为一本，发挥教材的多功能性。(2)教材体例的新变化。在每一章都设置了一些栏目。如:每一章前面用“思维导图”进行引导，使学生瞬间可浏览到一个清新直观的网络图，概览整章的知识脉络，增加对教材知识的概括性理解。

1.2.4 持水率的测定

参考Chung等［11］的方法。将制得的鱼糜切成2 mm厚的薄片并称重，测得质量为m1，用滤纸将鱼糜包裹后放入离心管中，离心力5 000 g下离心20 min后称量经离心后的鱼糜切片的质量为m2，持水率计算:

1.2.5 白度的测定

白度值与L*、a*、b*有关，其中L*为样品的亮度;a*表示样品的红绿值，+a*表示样品偏红，－a*表示样品偏绿;b*表示样品的黄蓝值，+b*表示样品偏黄，－b*表示样品偏蓝。参照Benjakul等［9］的方法，将样品切成5 mm厚的圆柱体，用色差仪在室温下测定熟化鱼糜的L*、a*、b*，计算熟化鱼糜的白度值:

1.2.6 扫描电镜(SEM)分析

将制备好的鱼糜样品切成1～2 mm的薄层，用2.5%的戊二醛固定过夜。固定后的样品用0.1 mol/L的磷酸盐缓冲液(pH 7.2)漂洗数次，然后依次用体积分数30%、50%、70%、80%、90%的乙醇溶液梯度漂洗脱水，脱水后的样品用LABCONCO冷冻干燥系统冻干。冻干后的样品用日立S-4800场发射扫描电子显微镜(SEM)观察样品的结构。

2 结果与讨论

2.1 超声输出设备内的声场分布

超声处理条件不同，对鱼糜凝胶特性的影响也不同，而超声输出设备中不同位置的声功率强度可能不同，其处理效果也不同，因此测定了设备中的声场分布，结果见图2。

图2 超声输出设备内声场分布图Fig.2 The acoustic field in the ultrasonic output device

从图2可以看出，设备内各坐标点的声功率强度明显不同，分布在0.40～0.99 W/cm2。设备边缘处的声强相对较弱，中间区域的声强相对较强，这与设备内超声换能器的分布位置相关。超声换能器是超声输出设备中将高频电能转换为机械能(即超声波)的装置，设备中的超声波由其传递至工作槽，一台超声输出设备中有多个换能器，位于设备底部，由不锈钢钢板与工作槽隔开。实验中所用超声设备中的换能器位于底部中间区域，所以设备中间区域的声强较大，而边缘区域声强较小。

2.2 超声波声功率强度对凝胶强度的影响

凝胶强度是评价鱼糜凝胶特性的一个重要指标。为了探讨不同超声条件对鱼糜凝胶特性的影响，鱼糜超声处理时放置于设备中不同区域，测定了不同声功率强度的超声波处理对鱼糜凝胶强度的影响，结果见图3。

图3 不同声强的超声处理对鱼糜凝胶的影响Fig.3 The effect of ultrasound with different acoustic intensity on the breaking force，deformation and gel strength of surimi gels

由图3可以看出，声功率强度较小的超声处理对鱼糜凝胶的破断力、破断距离和凝胶强度3个指标无显著影响，当声功率强度达到0.49 W/cm2及以上时，这3个指标才有所改善。且在0.49～0.85 W/cm2间随着声功率强度的增加，3个指标皆呈增加趋势。鱼糜的破断力主要反映蛋白质分子间的紧密程度，破断距离则主要表征蛋白质分子间作用力的强弱程度［9］。比较超声对破断力和破断距离的影响程度可以看出破断力随声功率强度的变化与破断距离随声功率强度的变化相当。以声功率强度0.85 W/cm2为例，相比于对照组，超声处理的鱼糜凝胶破断力提高了10.93%，破断距离提高了9.76%。由此可以推断超声对鱼糜凝胶特性的影响表现在对凝胶蛋白质分子间紧密程度和分子间作用力强弱的提高。本文中0.85 W/cm2的超声处理与对照组相比，凝胶强度提高了21.10%，改善效果没有达到预期，可能是0.85 W/cm2的超声处理强度较低。

2.3 超声波对鱼糜持水率的影响

为了进一步探讨超声条件对鱼糜其他凝胶特性的影响，测定了不同声功率强度的超声处理对鱼糜凝胶持水率的影响，结果见图4。

图4 不同声强的超声对鱼糜凝胶持水率的影响Fig.4 The effect of ultrasound with different acoustic intensity on the water-holding capacity of surimi gels

由图4可以看出当超声波声功率强度达到0.49 W/cm2及以上时，超声处理的鱼糜凝胶的持水率较对照组有所提高，且随着声功率强度的增加，鱼糜持水率呈增加趋势。而当超声波声功率强度较小时，超声处理对鱼糜凝胶的持水率无显著影响。此趋势与2.2中超声对鱼糜凝胶强度的影响几乎相同。这说明鱼糜凝胶的持水能力与凝胶强度是密切相关的，二者都反映了鱼糜凝胶性能的优劣。凝胶性能好的鱼糜样品，凝胶中的蛋白间相互作用充分，形成的凝胶网络结构更加致密均匀，水分可以被更好的束缚在凝胶网络结构中，所以其持水能力也更好，鱼糜的凝胶特性也更好。

2.4 超声波对鱼糜白度的影响

白度反映了鱼糜制品的色泽，与产品的感官品质有很大关联。为此考察了不同声功率强度的超声处理对鱼糜凝胶L*、a*、b*及白度的影响，结果见表1。

由表1可以看出，与对照组相比，不同声功率强度的超声处理对鱼糜亮度L*和黄色度b*几乎没有影响，而对红色度a*有显著影响，超声处理的鱼糜凝胶的红色度与对照组相比更低，红色度的变化主要是由于肉中高铁肌红蛋白的含量以及变化引起的［12］，而在超声空化效应下，鱼糜凝胶中的肌红蛋白更容易发生氧化作用生成高铁肌红蛋白，而更多高铁肌红蛋白的生成会导致红色度a*的减小［13］。鱼糜凝胶的白度主要与亮度L*有关，本文中所用声功率强度超声处理对鱼糜凝胶白度无显著影响，表明低功率强度的超声处理对鱼糜的白度无不利影响。

表1 超声波对鱼糜色度的影响Table 1 The effect of ultrasound on the chrominance of the surimi

2.5 超声波对鱼糜凝胶超微结构的影响

鱼糜凝胶的超微结构反映了凝胶网格结构的致密性和均匀性，凝胶强度高的鱼糜凝胶有致密度和均匀度更高的网格结构［14-16］。因此我们考察了声功率强度为0.85 W/cm2的超声波处理对鱼糜凝胶超微结构的影响，放大倍数为5 000倍，结果见图5。

图5 鱼糜凝胶的微观结构Fig.5 The microstructure of surimi gelation

由图5可以看出，2个鱼糜样品的微观结构存在着较明显的差异，超声处理过的样品比对照样的致密度和均匀度更好，而对照组样品凝胶结构孔洞较多。这在一定程度上解释了0.85 W/cm2的超声波处理过的样品的凝胶强度和持水率都较对照组要高的原因。凝胶网格结构致密度和均匀度更好的鱼糜对水分子的束缚作用更强，持水率也会因此增加［17］。由此推断在超声波的机械效应、空化效应下，鱼糜凝胶中的肌原纤维蛋白分子间的交联作用较对照组更充分，使得鱼糜凝胶的网格结构更加致密、均匀，对网格结构中的水分束缚作用更强，这可能是0.85 W/cm2的超声波处理的样品的持水率较对照组高的原因。

3 结论

(1)超声波输出设备内各点的声功率强度值与换能器的位置相关，越靠近换能器的位置，其声功率强度值越大。

(2)不同声功率强度的超声波对鲢鱼糜凝胶特性影响不同，当声功率强度达到0.49 W/cm2及以上时，超声波对鱼糜的凝胶强度、持水率才有一定程度的改善，且在本研究中的最高声功率强度0.85 W/cm2范围内，随着声功率强度的增加，改善效果呈增加趋势。超声对鱼糜凝胶的白度无显著影响，不影响产品的色泽。

(3)声功率强度为0.85 W/cm2的超声对鱼糜凝胶的超微结构有影响，其处理的鱼糜凝胶的致密度和均匀度较对照组更好，表明超声可以增强鲢鱼糜凝胶的网格结构。

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