南美白对虾红变因素及控制技术研究

魏玖红,娄永江,魏丹丹,宋 美,方 磊

(宁波大学 海洋学院,国家虾蟹类加工技术研发分中心(宁波),浙江宁波 315211)



南美白对虾红变因素及控制技术研究

魏玖红,娄永江*,魏丹丹,宋 美,方 磊

(宁波大学 海洋学院,国家虾蟹类加工技术研发分中心(宁波),浙江宁波 315211)

针对南美白对虾在冷藏及销售过程中的红变现象,研究南美白对虾红变的相关影响因子以及探索最佳抑制红变条件。在pH、温度、盐度和光照条件分别对南美白对虾红变影响的实验基础上,设计正交实验来确定最佳抑制红变条件;通过添加小分子氨基酸进行了红变抑制剂的筛选。结果表明:pH、温度、阳光直射对南美白对虾红变的影响显著(p<0.01),盐度无显著影响(p>0.05);正交实验发现,低温冻藏、避光处理时可减缓南美白对虾的红变;添加1～1.5 mg/mL的L-半胱氨酸或甘氨酸,且调pH至7.3～8.3时可在一定程度上抑制南美白对虾的红变。

南美白对虾,虾青蛋白,红变

南美白对虾(Penaeusvannamei)学名凡纳对虾,其味道鲜美,高蛋白低脂肪,为高营养价值的水产品,深受消费者喜爱。由于南美白对虾死后易发生色泽变化,导致其感官品质与商业价值下降。虾体色变主要由两方面原因造成。其一是虾体中酪氨酸及衍生物在酚氧化酶(Phenoloxidase,PO)的作用下积聚成黑色素[1]。其二是游离的虾青素不稳定,但与脱辅基蛋白形成虾青蛋白时具有稳定的结构和功能,产生鲜活南美白对虾的青色[2-4]。随着虾体死后蛋白质的变性,束缚虾青素的共价键[5]、氢键、疏水键遭到破坏,导致虾青素游离,显现原本的桔红色,使南美白对虾红变。控制南美白对虾黑变的技术已较成熟[6-10],酚氧化酶是一种含有铜离子的金属酶,其对pH敏感。吕艳芳等[11]研究发现,酸性环境下,酚氧化酶中铜离子因被解离而失活,pH为6.2～8.0时酶活性不断上升,pH为8时最高。因此,控制pH为酸性可抑制南美白对虾体内酚氧化酶的活性,并在一定程度上抑制虾的黑变。但酸性溶液却易导致南美白对虾红变加剧,而抑制红变的技术却鲜有报道。本文从研究虾青素稳定性、抑制虾青素游离等方法,研究了如何有效抑制南美白对虾的红变,得到有效抑制南美白对虾红变的环境条件及红变抑制剂,可为南美白对虾的色变控制及贮运保鲜提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜南美白对虾 宁波市海鲜市场,大小控制在40～50只/500 g,保活运至实验室后暂养;CaCl2、NaCl、Na2CO3(AR);柠檬酸、丝氨酸、甘氨酸、L-半胱氨酸(食品级) 上海索莱宝生物科技有限公司,纯度≥99%。

电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9070AS) 宁波江南仪器厂;色彩色差计(CR-400) 柯尼卡美能达影像(香港)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 前处理 挑选色泽相近、大小均一的鲜活南美白对虾,剔除死亡、肢体残缺、发黑变红等异常个体,用碎冰猝死后用清水清洗干净,沥干后随机分组。

1.2.2 pH对南美白对虾红变的影响 用柠檬酸和Na2CO3调节溶液pH,设定pH梯度5.37、6.02、6.52、6.92、7.32、7.51、8.28、8.86。测定南美白对虾的原始色差值后于上述溶液中浸泡30 min,取出沥水,平摊置于空气中(温度15～18 ℃)每隔30 min测量1次色差值。

1.2.3 温度对南美白对虾红变的影响 通常南美白对虾通过冰藏、常温放置、国家冷库规定的冻藏温度储藏等途径进行保存。因此设定温度梯度为0±2、15±2、-15±2 ℃,测定南美白对虾的原始色差值后平摊置于上述温度梯度下每隔30 min测量1次。

1.2.4 盐度对南美白对虾红变的影响 设置盐度为2.5%的NaCl溶液、2.5%的CaCl2溶液。测定南美白对虾原始色差值后置于上述溶液中浸泡30 min,取出沥水,平摊置于空气中(温度15～18 ℃)每隔30 min测量1次色差值,同时以自来水浸泡处理作为空白对照。

1.2.5 光照条件对南美白对虾红变的影响 选取室内阳光直射、室内遮光处理、室内自然光照、室内90 μW/cm2的紫外灯照射4个处理条件,测定南美白对虾原始色差值后置于上述条件下,每隔30 min测量一次。

1.2.6 正交实验设计 在单因素实验结果的基础上,为进一步考察各因素对南美白对虾红变的影响及它们之间的相互关系,选取pH、温度、光照三个因素,每个因素选择3个水平,采用L9(34)正交表设计安排实验对红变的影响,因素水平安排见表1。pH梯度浸泡处理30 min后进行后续实验,3 h后测其色差改变值,每组实验取3～5只虾,测量5次,取平均值。

表1 正交实验因素和水平表

Table 1 Experiment design of three factors and three levels of orthogonal experiment

水平因素ApHB温度(℃)C光照条件173-15自然光照2780遮光处理38315紫外照射

1.2.7 氨基酸、油酸防红变抑制筛选 选用小分子氨基酸、油酸溶液对南美白对虾浸泡处理30 min后,置于4 ℃冰箱中冷藏,测其Δa*改变值。实验分组如表2,C-E组用Na2CO3调pH为7.8,以未经处理、等量蒸馏水浸泡处理的南美白对虾置于4 ℃冰箱中冷藏作为对照组。

表2 处理条件分组

Table 2 Group of treatment conditions

编号处理条件A对照组B蒸馏水C1mg/mL甘氨酸D1mg/mL丝氨酸E1mg/mLL-半胱氨酸F1mg/mL油酸(无水乙醇为溶剂)H油酸原液涂抹处理

1.2.8 防红变抑制剂浓度优化 将1.2.7中得到的防红变抑制剂进行最佳浓度筛选,按照比例以蒸馏水为溶剂配制成500 mL保鲜剂,用Na2CO3调pH为7.8。将南美白对虾置于对应的溶液中,浸泡处理30 min后置于4 ℃冰箱中冷藏,3 d后测其色差,以未经处理的南美白对虾置于4 ℃冰箱中冷藏作为空白对照。

1.3 数据处理

采用excel软件作图,SPSS软件进行实验设计及数据分析,各数据均重复测定3～5次,取平均值。

2 结果与分析

2.1 pH对南美白对虾红变的影响

pH对南美白对虾红变的影响见图1,由图可知酸性溶液能够加快Δa*的改变速率,即可以加速红变。用pH为5.37,6.02,6.52的溶液浸泡处理南美白对虾30 min,15 ℃下放置180 min时其红变速率极显著升高(p<0.01)。pH为7.3～8.3的弱碱溶液浸泡处理后,南美白对虾的红变速率较酸性条件低,pH=8.28时红变速率最低(p<0.01),3 h后Δa*接近0.2。

图1 pH对南美白对虾红变的影响Fig.1 Effect of pH on Penaeus vannamei reddening

分析原因可能有:(1)南美白对虾主要生长于中性偏碱环境[12],因此南美白对虾经过与其相近生长环境的pH溶液浸泡后其红变程度较小,与其生长环境的pH相差太大时,红变速率升高。(2)南美白对虾中蛋白质的酸等电点pH约为5.6[3],碱等电点约为8.65～9.3[13],pH接近等电点时易引起蛋白质的变性。酸度、碱度过高时使得维持虾青素-蛋白质结合物二级结构的氢键[14]、疏水键遭到破坏,蛋白质变性引起的虾青素游离导致了南美白对虾的红变现象。

2.2 温度对南美白对虾红变的影响

由图2知,-15 ℃到15 ℃时随着温度的升高,红变速率显著升高。不同温度处理组对南美白对虾的红变速率影响差异极显著(p<0.01)。-15 ℃放置180 min后与原始色泽相较南美白对虾的红变程度不显著(p>0.05)。其余处理条件,与原始色泽相较180 min后红变值均差异极显著(p<0.01)。

图2 温度对南美白对虾红变的影响Fig.2 Effect of temperature on Penaeus vannamei reddening

随着温度升高,蛋白质变性速度加快,使得虾青蛋白的结构被破坏,虾青素游离,导致南美白对虾红变速率加快。潘创等人[9]研究发现在40 ℃以下加热时可使得虾青蛋白出现可逆性变性,并且温度也是影响南美白对虾黑变的重要因素[15],因此南美白对虾运输、贮藏时应尽量保证-15～0 ℃的低温环境。

2.3 盐度对南美白对虾红变的影响

南美白对虾的生长环境中通常含有少量的Na+、Ca2+及其它金属盐离子。黄凯等人[16]发现在养殖过程中,添加一定的盐度会提高其存活率。但研究发现(图3),2.5% NaCl溶液、2.5% CaCl2溶液与自来水对比,不会影响南美白对虾的红变速率,对其红变结果没有显著影响(p>0.05)。为此,南美白对虾预处理时可用自来水代替盐水清洗,降低成本。

图3 盐度对南美白对虾红变的影响Fig.3 Effect of salinity on Penaeus vannamei reddening

2.4 光照条件对南美白对虾红变的影响

由图4可知,与其它处理组相比,180 min时,阳光直射能够极显著(p<0.01)地加速南美白对虾的红变速率。由于阳光含有能量,导致虾体温度升高,加速其蛋白质变性,且在直射条件下阳光中的紫外线能够破坏虾青素结构,使虾青素-蛋白质结合状态遭到破坏,加速南美白对虾的红变。与室内避光、室内自然光照射处理相比,90 μW/cm2的紫外线照射也能加快南美白对虾的红变速率(p<0.01)。而室内自然光照与室内避光处理组间差异显著(p<0.05)。

图4 光照条件对南美白对虾红变的影响Fig.4 Effect of light conditions on Penaeus vannamei reddening

刘朝阳等人[17]研究发现虾青素结构不稳定,对热、氧、自然光、紫外照射敏感,酸、碱、加热及光照等条件都会引起虾青素的异构化。因此南美白对虾在贮存、销售中应尽量保证避光条件,避免自然光、阳光直射、紫外照射导致的虾青素游离引起的红变现象。

2.5 正交实验结果与分析

正交实验结果与直观分析如表3,比较各因素的极差可知,温度是影响南美白对虾红变的主要因素,其次为光照条件、pH,pH7.3～8.3时不是影响南美白对虾红变的主要因素。优化后最佳的贮藏条件为A2B1C2,即经过pH7.8的溶液浸泡后于遮光处理、-15 ℃的条件下贮藏,3 h后Δa*=0.09。

表3 正交实验的结果与直观分析

Table 3 The results and intuitive analysis of the orthogonal experiment

实验号ApHB温度(℃)C光照空白列色差改变值(Δa∗)111110192122203131333096421230095223105862312072731320358321304593321068K1146063136145K2139134108138K314823618915k1049021045048k2046045036046k3049079063050R002058027004

对该正交实验进行方差分析,由于MSA

2.6 氨基酸、油酸防红变抑制筛选

考虑到小分子氨基酸的成本、安全、渗透速度、与虾青素的结合能力等因素,选取甘氨酸、丝氨酸、L-半胱氨酸、油酸加入到南美白对虾中进行防红变抑制,结果见图5。

由图5知,南美白对虾于1 mg/mL的甘氨酸、L-半胱氨酸、丝氨酸溶液分别浸泡处理30 min后,可在一定程度上抑制南美白对虾的红变。33.5 h后南美白对虾红变程度依次为F>B>A>H>D>C>E,C、D、E、H组的Δa*小于对照组,C组Δa*=0.50,D组Δa*=0.75,E组Δa*=0.36。对上述结果通过SPSS软件进行差异显著性分析,结果如表5。

表4 正交实验的方差分析

Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment

因素偏差平方和自由度均方F值p显著性温度(B)050422025212578068<001∗∗光照(C)01128200564576932<001∗∗误差00039400010总和062098

注:*为显著(p<0.05),**为极显著(p<0.01)。

表5 差异显著性分析

Table 5 analysis of significant difference

项目ABCDEFHAB0984C0000∗∗0000∗∗D0000∗∗0000∗∗0060E0000∗∗0000∗∗04830002∗∗F0000∗∗0000∗∗0000∗∗0000∗∗0000∗∗H00560014∗0000∗∗0037∗0000∗∗0000∗∗

图5 不同添加剂对红变速率的影响Fig.5 Influence of different additives on the red rate

注:*为显著(p<0.05),**为极显著(p<0.01)。由表5知,与A、B空白对照比较,C、D、E、F组差异极显著(p<0.01),H组差异不显著。C(1 mg/mL甘氨酸处理)、D(1 mg/mL丝氨酸处理)、E(1 mg/mL L-半胱氨酸处理)组能显著降低南美白对虾的红变程度,F组油酸溶液(无水乙醇为溶剂)显著加快南美白对虾的红变程度。

由于虾青素长链结构两端分别含有羟基结构[18],甘氨酸、L-半胱氨酸、丝氨酸既有氨基又有羧基,可与虾青素形成氢键、弱相互作用力等,使得虾青素羟基中的孤对电子饱和,避免虾青素变为游离状态。从而抑制蛋白-虾青素结合状态被破坏导致的南美白对虾红变现象。空白对照的Δa*=1.26,而F组Δa*=2.17,F组油酸溶液(无水乙醇为溶剂)使得南美白对虾红变速率升高,浸泡30 min后Δa*=1.51,可能由于乙醇溶液可加剧虾壳中蛋白质变性,且可以作为虾青素的溶剂,把虾壳中的虾青素浸提到虾体表面,所以加速南美白对虾红变。

2.7 甘氨酸、L-半胱氨酸浓度优化

由2.6可知,甘氨酸、丝氨酸、L-半胱氨酸、油酸可一定程度抑制南美白对虾的红变。考虑到油酸的水不溶性,应用到南美白对虾的保鲜中具有一定的难度,而丝氨酸会导致南美白对虾的黑变加速,因此选取甘氨酸、L-半胱氨酸作南美白对虾防红变抑制剂。

甘氨酸、L-半胱氨酸的使用量参照GB2760-2014。其未对甘氨酸、L-半胱氨酸在虾类中的使用作规定,甘氨酸的用量参照肉制品中的最大使用量为3 g/kg,分别取浓度为0～1.5 mg/mL的甘氨酸或L-半胱氨酸进行最佳浓度优化,3 d后南美白对虾的色泽变化Δa*见图6。分析可知随着甘氨酸或L-半胱氨酸浓度的增大,抑制南美白对虾红变的效果越好。1.5 mg/mL的 L-半胱氨酸、1 mg/mL的甘氨酸效果最好,而1 mg/mL与1.5 mg/mL的L-半胱氨酸相比,差异不显著。因此在南美白对虾中添加1～1.5 mg/mL的L-半胱氨酸或甘氨酸时可一定程度上抑制南美白对虾的红变。

图6 甘氨酸、L-半胱氨酸与Δa*关系Fig.6 Relationship between Δa*and Glycine,L-cysteine

3 结论

pH为5.3～6.5的酸性溶液能显著加快南美白对虾的红变速率(p<0.01),pH为7.3～8.3时其红变程度最低(p<0.01)。温度也是影响其红变的重要因素,随着温度的升高,红变速率显著加快(p<0.01)。且阳光直射、90 μW/cm2的紫外线照射能显著加快其红变(p<0.01)。因此南美白对虾的红变抑制应于低温冻藏、避光条件下进行;添加1～1.5 mg/mL的L-半胱氨酸或甘氨酸,且调pH为7.3～8.3时可在一定程度上抑制南美白对虾的红变。本文的研究结果可为南美白对虾的色变控制及贮运保鲜提供一定的参考价值。

[1]Benjakul S,Visessanguan W,Phongkanpai V,et al. Anti-oxidative activity of caramelisation products and their preventive effect on lipid oxidation in fish mince[J]. Food chemistry,2005,

90(1):231-239.

[2]裘晖,朱晓立.虾青素的结构与功能[J].食品工程,2007(1):16-18.

[3]潘创,Shoichiro,Ishizaki,等. pH调节法分离凡纳滨对虾壳中β虾青蛋白的研究[J]. 南方水产科学,2014(3):276-280.

[4]阚建全.食品化学[M].第2版.北京:2008,308.

[5]Cianci M,Rizkallah P J,Olczak A,et al. Structure of lobster apocrustacyanin A 1 using softer X-rays[J]. Acta Crystallographica,2001,57(9):1219-29.

[6]潘纳弟,王玲,余静霞,等. 南美白对虾保鲜防黑变技术研究[J]. 食品工业,2013(9):52-55.

[7]凌萍华,李清纯,谢晶. 4-HR对涂膜南美白对虾的黑变抑制和残留量分析[J]. 食品工业科技,2010(12):309-312 .

[8]杨会成,吴亮亮,廖妙飞,等. 无硫复合保鲜剂抑制南美白对虾黑变作用研究[J]. 中国渔业质量与标准,2012,02(2):52-58 .

[9]党昕.多酚氧化酶特异性卵黄抗体的制备及其抑制虾类黑变效果研究[D]. 青岛:中国海洋大学,2013.

[10]刘金昉,刘红英,李丽娜.复合防黑变保鲜剂在南美白对虾保鲜中的应用[J]. 食品科技,2014(5):139-144.

[11]吕艳芳,魏春娇,王娇,等. 南美白对虾酚氧化酶的提取及生化特性[J]. 食品科学,2014,35(7):113-117.

[12]朱振乐. 南美白对虾淡水工厂化养殖技术要点[J]. 渔业致富指南,2002(10):28-28.

[13]张海花,汪俏梅,胡家恕,等. 聚丙烯酸分离纯化苦瓜种仁碱性蛋白的方法及影响因素[J]. 生物工程学报,2007,23(4):735-740.

[14]潘创,Shoichiro,Ishizaki,等. 南美白对虾壳中虾青蛋白性质的研究[J].大连海洋大学学报,2014(3):276-280.

[15]施佩影,李仁伟,刘文营.不同贮藏温度对南美白对虾黑变的影响[J].湖州师范学院学报,2014(8):35-39.

[16]黄凯,王武,卢洁,等.盐度对南美白对虾的生长及生化成分的影响[J].海洋科学,2004,28(9):20-25.

[17]刘朝阳,范士亮.虾青素在水产动物健康养殖中的应用研究探讨[J]. 科学养鱼,2012(3):73-74.

[18]刘宏超,杨丹.从虾壳中提取虾青素工艺及其生物活性应用研究进展[J]. 化学试剂,2009,31(2):105-108.

Study on thePenaeusvannameireddening factors and its control measures

WEI Jiu-hong,LOU Yong-jiang*,WEI Dan-dan,SONG Mei,FANG Lei

(School of Marine Sciences,Ningbo University,National shrimp and crab Processing Technology R & D center(Ningbo),Ningbo 315211,China)

TopreventPenaeus vannameiturningredinthefrozenprocessorinmarketing,thisstudyfocusedonfactorsthatledtoshrimp’sreddeningandexploredtheoptimalcountermeasuresagainstreddening.ExperimentswerecarriedouttoinvestigatefactorssuchaspH,temperature,salinityandlightintensity.Theoptimalcountermeasuresagainstreddeningweredeterminedbyorthogonalexperimentaldesign.Inhibitoragainstshrimp’sreddeningwasselectedbyexperimentofadditionwithsmallmoleculeaminoacid.TheresultsshowedthatpH,temperatureandsunlighthadasignificanteffectonP. vannameireddening,butsalinity’sinfluencewasinsignificant.Orthogonalexperimentaldesignrevealedthatreddeningwouldslowdownwhentheshrimpwerefrozenandkeptfromlight.Moreover,with1～1.5mg/mLL-cysteineandthepHat7.3～8.3,P. vannamei,insomeway,couldbefreefromreddening.

Penaeus vannamei;Astaxanthinprotein;reddening

2016-04-08

魏玖红(1990-)，女，硕士，研究方向：水产品保鲜与加工， E-mail：wjhforever@126.com。

*通讯作者:娄永江(1965-)，男，硕士，研究方向：水产品保鲜与加工， E-mail：louyongjiang@nbu.edu.cn。

TS254.1

A

1002-0306(2016)19-0148-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.020