冷藏期间三文鱼片的力学特性变化

王一帆， 宋晓燕， 刘宝林

(上海理工大学 生物系统热科学研究所，上海，200093)



冷藏期间三文鱼片的力学特性变化

王一帆， 宋晓燕， 刘宝林*

(上海理工大学 生物系统热科学研究所，上海，200093)

摘要三文鱼的质地(力学特性)是决定其食用价值的重要因素，常规的力学检测主要是利用质构仪进行质构剖面分析(textujre profile analysis,TPA)测试。为了验证动态力学测试仪(dynamic mehanical analysis,DMA)在三文鱼品质检测中的可行性，使用DMA动态应力扫描模式对生鲜三文鱼进行了应力松弛测试，并与TPA测试结果进行了相关性分析。结果表明：DMA测得的三文鱼应力松弛参数变化规律与三文鱼的品质变化规律一致，均随着贮藏时间的延长而不断减小,而且可用二阶Maxwell模型进行拟合(R2>0.99)；通过相关性分析发现，DMA测得的弹性模量以及主松弛时间分别与TPA测得的弹性指标和咀嚼性之间在0.01水平分别显著相关。表明DMA可用于三文鱼品质的评估和货架期的预测，其中，弹性模量E0、E1和主松弛时间最为重要。

关键词三文鱼；质构剖面分析(TPA)；动态力学分析(DMA)；力学特性

在贮藏期内，三文鱼的感官、物理 (力学特性) 、化学(TVB-N、TMA-N)及微生物(k值、菌落总数)等指标的变化均可用来衡量其品质的变化[1-3]。与化学和微生物指标的检验相比，力学特性检验具有操作简便、检验成本低和结果更加直观等优点[4]。三文鱼等水产品的力学特性对消费者感官方面的接受度[5-6]和后期产品加工性能都有至关重要的影响[7-8]。目前研究中应用最广泛的是食品力学特性测定方法——TPA (texture profile analysis) 质构剖面分析法[9]，又被称为2次咀嚼测试(two bite test)，它通过模拟人类口腔的咀嚼运动，对样品进行2次压缩，得到测试曲线，进而分析样品的质构特性参数[10]。例如，有学者对牛肉[11]、凡纳滨对虾[12]、脆肉鲩[13]等水产品的TPA特性进行了研究，发现TPA 测定结果与感官评定结果之间存在一致性，可以用来衡量其品质的变化。

三文鱼肉由肌肉组织、结缔组织、脂肪组织等组成，既具有黏性也具有弹性，形变时会产生损耗，可以将其看作一种具有流变学特性的生物材料[14]，使用专门用于检测流变类食材力学特性的方法来研究检测储存期内三文鱼的力学特性变化规律更为合适。动态力学分析(dynamic mechanical analysis,DMA)主要用于材料学领域中流变特性(如应力松弛)的研究，是研究材料黏弹性的重要手段[15]。它可以反映材料的硬、软、脆性、黏性和弹性等力学特性，其力解析度可达到1.0×10-5N，应变解析度精确到1 nm。

本文在恒定实验温度下，利用DMA的动态应力扫描模式对冷藏三文鱼片样品进行应力松弛测试，应用Maxwell模型对测试结果进行拟合，得到三文鱼片样品的应力松弛参数，并与TPA测试结果进行了相关性分析。

1材料与方法

1.1试验材料与仪器

试验材料：三文鱼在产地(英格兰)进行捕捞宰杀、取出内脏后冰藏运输空运至上海市，再由冷藏车运输至上海东方水产中心，而后迅速运至实验室。在无菌环境下去皮、骨、头、尾后冰温保存。从宰杀到实验室开始切片之间的总时间不超过5 d。

试验仪器：动态力学测试仪(DMA Q800)，TA有限公司；质构仪(TA.XTPlus)，Stable Micro Systems公司；无霜冰箱(BCD-251WBSV，海尔股份有限公司；洁净工作台(VD-850)，沪净净化设备厂。

1.2试验方案

1.2.1取样与冷藏

如图1所示，将三文鱼中段切割为质量(50±1) g、长宽厚分别为100mm×60mm×8mm的鱼片，置于保鲜盒内，在4℃的冰箱内贮藏。每隔24 h用取样器取样[样品为直径(12.00±0.50)mm、厚度(8.00±0.50)mm的圆柱形]做应力测试,总测试时间为7 d。

图1　三文鱼鱼片取样部位Fig.1　Sampling part of the Salmon samples

1.2.2DMA应力松弛测试

在DMA的Stress Relaxation模式下，测试30%形变量时应力随时间的变化曲线。每次测定5个样品，取5次数据的平均值作为结果。测试条件:加载形变量设定为30%，初始加载应力为0.100 0 N,松弛时间为5 min,试验温度25 ℃。

1.2.3TPA测定

在湿度(80±4)%、温度(25±1) ℃的环境条件下，用质构仪对三文鱼样品进行TPA质地测定，采用直径36mm的平底柱形探头P/36。测试条件为：测前速率3 mm/s,测试速率1 mm/s，测后速率1 mm/s,压缩程度50%,停留间隔5 s,数据采集速率200 pps,触发值5 g。每组测试10个样品，取10个样品的平均值作为结果。

1.3数据的分析

使用软件EXCEL 2013对试验结果进行处理。使用统计分析软件Origin 8对三文鱼样品的DMA应力松弛测试结果进行非线性拟合分析和作图。使用SPSS 20对试验数据进行One-Way ANOVA单因素方差分析(显著水平α=0.05)，并对三文鱼样品的DMA和TPA测试数据进行双侧检验双变量相关性分析。

2结果与分析

2.1三文鱼片样品的应力松弛

2.1.1三文鱼片样品的应力松弛曲线

图2表明，在相同的松弛时间下，三文鱼片样品的松弛模量随冷藏时间的增加而减小。这是因为随冷藏时间的延长，鱼肉的肌丝逐步发生断裂，肌原纤维结构逐渐模糊，肌原纤维及肌纤维间水样变化[16-17]，肌肉组织的完整性被破坏，造成黏弹性发生了变化[18]。

图2　三文鱼样品7 d贮藏期内松弛模量随松弛时间变化曲线Fig. 2　Stress relaxation curve of salmon file samples during storage

2.1.2应力的Maxwell模型非线性拟合

半固体食品的松弛模量常用广义Maxwell模型(公式1)拟合计算[7]，该模型由胡克体和阻尼体串联后再与胡克体并联组成。胡克体是模拟组织网络结构的可逆变形，即理想弹性体,阻尼体则是模拟线形分子的不可逆变形，即理想黏性体。用该模型可以反映高分子形成的网络结构及其中的相互作用[19]。

(1)

式中：E0、Ei代表模型的弹性组成部分，即三文鱼肉的弹性模量(储能模量)，MPa；ti代表主松弛时间，min。它是应力松弛特性中重要的参数，表示应力松弛到起始应力的1/e 倍时所需要的时间，是黏性和弹性行为共同作用的结果[20]。

分别以一阶模型、二阶模型和三阶模型对三文鱼样品松弛模量数据进行非线性拟合，

拟合度R2结果见表1。由表1可知，一阶三参数模型拟合度较低(R2<0.99)，而二阶五参数模型和三阶七参数模型的拟合度均R2在0.99以上，说明二阶和三阶模型均能较好描述三文鱼的应力松弛现象。其中，二阶的拟合参数相较于三阶更好，故选择二阶五参数模型来描述三文鱼的应力松弛现象更为合适。因此，下述内容将针对二阶五参数模型的拟合结果做深入分析。

2.1.3应力松弛模型参数变化

三文鱼样品应力松弛测试的二阶模型拟合结果见表2。随着贮藏时间的增长，E0、E1、t1和t2均呈下降趋势。它们发生显著变化的起始时间分别为第4天、第5天、第4天和第7天。弹性模量E0和E1的变化与三文鱼片样品的弹性指标变化有关，是胶原结构发生变化和持水性下降等因素作用的综合结果[21]。松弛时间与肌原纤维蛋白分子间的黏结力密切相关，松弛时间越长，肌原纤维蛋白分子间黏结力越大，互相滑动所需的时间越长[20]。表2中松弛时间t1、t2的变化是由于贮藏期间肌球蛋白发生变性或劣变，导致>凝胶基质的弹性降低及保水性变差[22]，最终引起肌原纤维蛋白分子间的黏结力随着贮藏时间的延长而减少。而E2的不规律变化则可能代表了其他组织结构特征(如细胞间作用力、细胞外流体和空气间隙中的自由水等)的变化[23]。

表1　三文鱼样品松弛模量非线性拟合度R2

目前少有基于应力松弛参数的三文鱼剩余货架期研究，仅从应力松弛各项参数的变化无法明确三文鱼的品质变化，还需要对它们的变化规律与三文鱼品质之间的关系做深入分析。而TPA测试与三文鱼品质之间的关系已经有大量研究，因此，有必要利用TPA的质构测定结果对上述应力松弛参数进行相关性评价分析。

表2　三文鱼样品贮藏期间应力松弛参数的变化

注：表2中同列不同字母表示显著性差异P<0.05。

2.2TPA质构测定结果分析

由表3可知，三文鱼片样品冷藏期间凝聚性未呈现规律性显著变化，硬度呈先上升后下降变化趋势，弹性、回复性和咀嚼性均随贮藏时间的延长而减小。

(1)三文鱼片样品的凝聚性的变化是因为细胞水分流失、胶原蛋白和肌纤维结构发生力变化所致[24]。贮藏期内三文鱼样品的硬度呈现先上升再下降的变化趋势与是因为鱼肉在此过程中经历了僵硬、解僵和软化过程[3]，同时也与蛋白质的分解和三级结构的比例(包括共价结构和高糖基化)有关。

(2)TPA测得的质构参数中反映弹性指标的有弹性和回复性。冷藏期间三文鱼片样品的弹性呈现减小趋势，第5天出现显著变化。有学者研究表明，弹性的下降与鱼肉持水性的下降和肌原纤维结构的变化有关[21]，并与感官评分的结果具有一致性[12]。回复性与弹性不同，它反映了食品以弹性变形保存的能量。冷藏期间三文鱼片的回复性在贮藏期内不断减小，即三文鱼肉抗拒牙齿的力不断减小，恢复形变的速度减缓，导致口感变差[13]。

(3)咀嚼性是指将固体食品咀嚼到可吞咽时需做的功，它的降低与肌球蛋白变性导致的肌肉间结合力下降有关，也是肌肉硬度降低、肌肉细胞间凝聚力降低以及肌肉弹性减小的综合结果。由表3可知，冷藏期间样品的咀嚼性不断减小，这与靳春秋等[3]和ASHTON等[8]的结论相一致，对于生食三文鱼片而言，咀嚼性的减小将严重影响生食三文鱼片的口感与品质。

为验证DMA应力松弛试验在三文鱼片品质变化分析中的可行性，有必要将TPA质构特性中最能代表三文鱼片品质变化的指标——弹性、回复性和咀嚼性，与DMA应力松弛试验(Maxwell二阶模型)拟合的参数进行相关性分析。

2.3DMA和TPA结果相关性分析

弹性模量E0和E1反映了三文鱼片样品的弹性，它们与胶原结构和持水性的变化有关。将它们分别与TPA测得的弹性指标(弹性和回复性)进行相关性分析后发现，弹性模量E0在0.01水平上与回复性显著相关，弹性模量E1在0.01水平上与弹性显著相关。DMA应力松弛试验得到的松弛时间t1和TPA测得的咀嚼性都是黏、弹性共同作用的结果，与肌肉间的黏结力有关，两者的相关性分析结果表明松弛时间t1与咀嚼性在0.01水平显著相关，如图3所示。

表3　三文鱼样品在贮藏期间质构参数的变化

注：表3同列数据具有不同肩上标字母表示差异显著(P<0.05)。

综合上述相关性分析结果可知，在使用DMA对三文鱼片进行应力测试时，基于二阶Maxwell模型来拟合所得到的弹性模量E0、E1以及松弛时间t1可以作为评价三文鱼片品质变化的重要参数，说明DMA可以用于三文鱼品质测定和预测货架期的研究。

相比传统的TPA测试，DMA在测试中可精确控制样品的形态与尺寸(精确到0.01 mm)、施加应力大小(精确到0.000 1 N)和操作温度(精度0.1℃，温度范围从-150～600℃)，这些条件对生鲜食品力学测定的精确度尤为重要，而力学特性分析的精密度将直接影响以其为基础建立的货架期预测模型的准确度。今后若将DMA应力松弛参数和TPA测试结果分别与理化指标进行比较分析，便可得出更适合代表三文鱼品质变化的力学特性分析方法与指标。

图3　三文鱼样品七d内回复性与E0、弹性与E1以及咀嚼性与松弛时间t1的变化曲线和相关性Fig.3Changes and the correlation coefficient between resilience and E0,springiness and E1,stress relaxation time and chewing during storage注：**表示在0.01水平(双侧)显著相关。

2结论

本试验利用DMA对冷藏三文鱼片进行应力松弛测试，DMA所测得的松弛模量与三文鱼片品质的变化规律一致，均随着贮藏时间的延长而不断下降。通过Maxwell模型对三文鱼片的松弛模量进行了非线性拟合，对比一阶、二阶和三阶模型后发现，二阶五参数Maxwell模型对三文鱼样品的DMA测试结果拟合度最高(R2>0.99)，能较好描述三文鱼片的应力松弛现象。由二阶Maxwell模型拟合得到的松弛参数与TPA测试结果做相关性分析后发现，DMA测得的弹性模量E0和E1以及松弛时间t1分别与TPA测得的回复性、弹性和咀嚼性显著相关，可以作为评价三文鱼片品质变化的重要参数，说明DMA可以用于三文鱼品质测定和货架期预测的研究。

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Changes in mechanical properties of salmon fillets during the cold storage

WANG Yi-fan, SONG Xiao-yan, LIU Bao-lin*

(Institute of Biothermal Science and Technology， University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

ABSTRACTTexture is an important index in quality assessment of salmon products. The conventional mechanical testing is Texture Profile Analysis (TPA). In order to verify weather Dynamic Mechanical Analysis(DMA) is also feasible for determining the quality of salmon fillets, stress relaxation curve was drew by DMA , and non-linear fitting equations based on Maxwell model was compared with the tests of TPA. The results showed that the stress relaxation modulus of salmon fillets were very similar with real salmon quality: it decreased during the storage period , and fit with Second-order Maxwell model (R2> 0.99). The correlation analysis showed that resilience and elastic modulus (E0)、springiness and elastic modulus (E1)、stress relaxation time and chewing during storage are all significantly correlated. Therefore, DMA can be used for quality assessment and shelf-life prediction of salmon fillets. The elastic modulus(E0、E1) and the main relaxation time are more important factors.

Key wordssalmon； texture profile analysis (TPA)； dynamic mechanical analysis (DMA)； mechanical properties

收稿日期：2015-06-26，改回日期：2015-10-08

基金项目：中国博士后科学基金面上项目(2014M561491)；国家科技支撑计划(2013BAD19B00)资助

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201603038

第一作者：硕士研究生(刘宝林为通讯作者，E-mail:blliuk@163.com)。