加热方式对南美白对虾虾肉糜及其大豆分离蛋白复合物凝胶特性的影响

杨林莘，王冰冰，尹雅岚， 金银哲，程裕东

(上海海洋大学 食品学院，食品热加工工程中心，上海, 201306)

生产与科研经验

加热方式对南美白对虾虾肉糜及其大豆分离蛋白复合物凝胶特性的影响

杨林莘，王冰冰，尹雅岚， 金银哲*，程裕东

(上海海洋大学 食品学院，食品热加工工程中心，上海, 201306)

以南美白对虾(Penaeusvanmamei)虾肉糜为对象，以破断强度、凝胶形成速度、活化能以及单位质量样品吸收能量为分析指标，比较了微波和水浴两种加热方式对其凝胶形成的影响，并考察了添加大豆分离蛋白(SPI)乳化物在加热期间凝胶特性的变化规律。结果表明,虾肉糜凝胶的破断强度随着受热温度的升高而增大，在相同加热时间下，SPI乳化物含量的增加也会提高其破断强度。比较水浴和微波两种加热方式发现，单一虾肉糜微波加热的凝胶形成速度远远高于水浴加热凝胶形成速度，且在吸收相近或更低能量时，微波加热形成凝胶的破断强度较水浴加热更高。在微波加热条件下，SPI复合物形成凝胶所需活化能要明显低于单一虾肉糜，且随着SPI乳化物含量的增加，其虾肉糜凝胶形成速度略微降低。较传统水浴加热而言，微波加热更适于食品凝胶化的产业化发展。

南美白对虾虾肉糜；微波加热；水浴加热；凝胶特性；活化能

南美白对虾作为我国最主要的经济对虾品种[1]，因其产量巨大，营养丰富，深受国内外市场的关注[2-3]。但目前我国对虾产业仍以鲜销为主，精深加工处理的比例仅占到总产值的10%[2]。虾肉糜是目前国内外最常见的虾类加工产品，作为水产加工产业重要的中间素材，虾肉糜制品因其具有产品多样化、可长期保藏以及资源集约化等特点，倍受广大消费者的青睐。

虾肉糜制品作为一种凝胶食品，其凝胶特性是赋予其独特品质和口感的重要指标。目前，在应用和研究中主要采用的热促凝胶化手段有：热水或蒸汽加热、微波加热以及通电加热。近几年，工业生产中主要以热水或蒸汽加热手段促使食品凝胶化，该加热方式操作简便，成本低，满足工业化生产的特点，但由于其加热时间较长，在凝胶化过程中往往伴随有品质下降的现象[4]；通电加热作为一种新型的加热方式，具有效率高、机械损伤小等特点，但通电加热主要用于含颗粒食品的加热杀菌等，样品要求相对较高[4-6]。微波加热与水浴、蒸汽加热的区别在于产生热量的方式不同。微波加热具有加热迅速，加热效率高，适用于连续化生产等特点[7-9]，且由于微波的快速加热特点，肉糜制品可迅速通过凝胶劣化温度带，保持凝胶网状结构不被破坏，进而保证了食品的品质与口感。

国内外学者对水产品和虾肉糜制品的凝胶特性均作了大量研究。TAMMATINNA等[10]以南美白对虾虾肉糜作为研究对象，发现低温长时间的水浴加热处理后的凝胶特性要优于高温短时间的效果；周玉莹等[11]研究了4种添加剂柠檬酸、NaHCO3、乳酸钙、谷氨酰转氨酶对虾肉凝胶强度的影响；李晓龙等[12]发现虾肉糜在加热过程中，凝胶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，盐溶性蛋白和水溶性蛋白降低；蓝蔚冰[13]考察了加工工艺对虾肉糜凝胶的影响，发现转谷氨酰胺酶(MTGase)、大豆分离蛋白以及复合磷酸盐等添加物均能有效地提高虾肉糜凝胶特性。然而，上述学者仅采用水浴加热或高压的方法对虾肉糜的凝胶特性进行了研究，但微波加热对虾肉糜凝胶化的影响研究未见报道，且添加植物蛋白和脂肪等辅料的联合作用对虾肉糜凝胶特性的影响也未被讨论。

为改善虾肉糜制品在加热期间的凝胶特性，大豆分离蛋白(SPI)乳化物作为添加剂被加入到南美白对虾肉糜中进行研究分析。本文分析比较了微波、水浴2种加热方式对南美白对虾肉糜凝胶强度的影响，考察了添加SPI乳化物时，虾肉糜凝胶特性的变化规律。同时通过计算微波、水浴加热凝胶形成速度和活化能分析了虾肉糜凝胶形成的动力学机理。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

南美白对虾，于2015年4月在上海市浦东新区临港新城农工商超市购买，实验前处于鲜活状态，放置于常温水中运送至实验室；尼龙模具，定制于鑫力五金塑胶制品有限公司。

大豆分离蛋白，购于谷神生物科技集团有限公司；金龙鱼菜籽油，购于上海嘉里食品工业有限公司；氯化钠(分析纯)以及Parafilm塑封膜，均购于上海国药集团化学试剂有限公司。

1.2仪器与设备

BS-224S分析天平，德国赛多利斯公司；DHG-9245数显电热鼓风干燥箱，上海慧泰仪器制造有限公司；微波工作站，加拿大FISO科技有限公司；2100A热电偶测温仪，日本江藤仪器公司；HSG-LC-2八口型恒温水浴锅，上海华琦科学仪器有限公司；A11-Basic分析用研磨机，德国艾卡仪器有限公司；TA-XT Plus质构仪，英国稳定微系统TA有限公司。

1.3实验方法

1.3.1 基本营养成分分析

南美白对虾的基本营养成分按国标法进行测定，水分含量根据GB/T 5009.3—2003测定；蛋白质含量根据GB/T 5009.5—2003测定；脂肪含量按照GB/T 5009.6—1985测定；灰分含量按照GB/T5009.4—1985测定。

1.3.2 虾肉糜的制备

单一虾肉糜制品：新鲜的南美白对虾去头去尾去壳，加入少量冰水，调节水分含量稳定在(80±0.5)%。先将虾肉放入分析用研磨机中斩拌3min，随后加入1%NaCl继续斩拌5min至虾肉糜呈灰白色黏稠状。为防止样品斩拌期间因摩擦升温而导致的蛋白质变性，采用低温间歇式斩拌的方法进行实验。不同SPI乳化物含量的虾肉糜样品按表1进行配制，其中SPI乳化物按照SPI∶植物油∶水的质量比为1∶1∶3来配制。

斩拌完全后，虾肉糜经真空脱气，后填充至内径30 mm、高25 mm的尼龙模具中，为排除虾肉糜中孔隙干扰，填充过程需尽量保证样品紧实。每个样品质量为(20±0.1)g。填充完毕后用塑封膜将样品进行密封，置于4 ℃冰箱中待用。

表1 南美白对虾虾肉糜及其大豆分离蛋白复合物样品组分

1.4样品处理

1.4.1 水浴加热处理

将待用样品放入恒温水浴锅中，分别在40，60，80 ℃下水浴加热1 h，并用热电偶监测样品的中心温度。加热完毕后，将样品迅速置于冰水中冷却1 h，然后于4 ℃冰箱中静置待用。

1.4.2 微波加热处理

将待用样品放入微波工作站中，使用低火档(2 450 MHz，150 W)对样品加热，加热时间分别为60、75、90、105和120 s。加热过程中，用光纤测温探头对样品的中心温度进行监测。加热完毕后，迅速置于冰水中冷却1 h，于4 ℃冰箱中静置待用。

1.5凝胶强度测定

将加热处理后的样品从4 ℃冰箱取出，放于室温中2 h后用质构仪测定其凝胶强度。测量时，将样品中心置于探头(P5S，直径5 mm)的正下方，探头穿刺速度为1 mm/s。为保证测量的准确性，每组样品进行5次平行实验。

1.6凝胶形成速度(KJ)

凝胶形成是一个复杂的物理化学反应，可以近似认为符合一级动力学反应。本研究根据KOSEKI等人[14]引用的凝胶形成速度(KJ)的概念来衡量虾肉糜加热过程中其凝胶形成特性。凝胶形成速度的计算方法如下：

(1)

式中：Jt，样品加热时间t后的破断强度g；J0，样品初始的破断强度，g；t，样品加热时间s。

1.7活化能(Ea)

活化能反映的是虾肉糜凝胶形成的难易程度。将不同条件下加热样品的凝胶形成速度的对数值(lgKJ)与温度的倒数(1/T)作图，即可得到阿伦尼乌斯曲线，凝胶形成所需要的活化能(Ea)用下述公式进行计算[15]：

(2)

式中：R为理想气体常数，8.314 J/mol·K；T，热力学温度，K；KJ，样品凝胶形成速度，s-1。

1.8单位质量样品吸收能量(Qm)

为了比较微波、水浴2种加热方式下凝胶形成的效率，即吸收相同能量时，具有更好凝胶强度的加热方式，凝胶形成效率更高。单位质量样品吸收能量Qm的计算方法如下[16]：

(3)

式中：Qm,单位质量样品吸收能量,kJ/kg；Qt,样品加热时间t时吸收的能量,kJ；C,样品的比热容,kJ/kg·℃；T0,样品加热凝胶化的初始温度℃；Tt,样品加热时间t后的温度,℃。

2 结果与讨论

南美白对虾的基本化学组分如表2所示。与常见鱼类蛋白质含量比较，可以发现南美白对虾蛋白质含量与鲑鱼蛋白质含量基本相同，比其他鱼类蛋白质含量高2%～3%[17-18]。其虾肉中蛋白质含量高达(19.24±0.11)%，脂肪含量仅为(1.26±0.08)%，属于高蛋白低脂肪的水产食品，且其独特的化学组成也更易于虾肉糜在加热过程中的凝胶形成。

表2 南美白对虾的基本化学成分 单位：%

2.1样品中心温度

80℃水浴加热过程中，样品中心温度随时间变化如图1所示。

图1 80℃下水浴加热条件下样品的时间温度曲线Fig. 1 The center temperature history of samples by water-bath heating (80 ℃)

经150 W微波加热后样品中心的时间温度曲线如图2所示。

图2 150 W下微波加热条件下样品中心温度Fig.2 The center temperature history of samples by microwave heating (150 W)

从图1、图2中可以看到，水浴加热样品中心温度达到80℃时所需时间为20 min，而微波加热达到80 ℃左右仅需120 s，仅为水浴加热时间的1/10，加热速度远远高于水浴加热。

2.2SPI乳化物对样品破断强度的影响

水浴加热过程中，SPI乳化物对虾肉糜破断强度的影响如图3所示。

图3 水浴、微波加热过程中SPI乳化物对破断强度的影响Fig. 3 Effects of SPI emulsionson breaking force during water-bath (a) and microwave (b) heating

由图3可知，虾肉糜经80 ℃水浴加热形成凝胶的破断强度要高于40℃和60℃。这是由于随着温度升高，虾肉糜凝胶形成的速度不断加快。当样品中心温度在60 ℃左右时，虾肉中存在碱性蛋白酶使已经形成的肌动球蛋白分子组成的网状结构破坏，疏水基团暴露，导致水分游离而使凝胶劣化[17]。而且，同一温度条件下，虾肉糜凝胶的破断强度随着SPI乳化物的增加而增大。(1) 是因为SPI乳化物在热促条件下也会发生分子重构形成凝胶；(2) 是由于SPI是丝氨酸蛋白酶蛋白酶抑制剂活性，可以降低虾肉蛋白的降解程度，最大程度保持凝胶的网状结构[19]。SUN等[20]发现蛋白和乳清蛋白浓缩物的添加会增加食品的凝胶强度。但LUO等[21-22]先后研究发现随着SPI含量的增加，鳕鱼和鲤鱼鱼糜的凝胶强度呈下降趋势。

同样，虾肉糜经微波加热时间越长，温度越高，形成凝胶的破断强度越大。在相同加热时间下，随着SPI乳化物含量的升高，虾肉糜形成凝胶的破断强度越大。

2.3加热方式对虾肉糜凝胶形成速度的影响

通过公式1可以计算出微波、水浴2种不同加热方式在不同条件下的凝胶形成速度。将绝对温度的倒数(1/T)设为横坐标，凝胶形成速度的对数值(lnKJ)为纵坐标，可以做出虾肉糜凝胶形成的阿伦尼乌斯曲线图，见图4。

A-单一虾肉糜；B-5%SPI复合物；C-10%SPI复合物图4 南美白对虾虾肉糜凝胶形成阿伦尼乌斯曲线Fig. 4 Arrhenius plots ofsingle minced white shrimp and SPI compounds

由图4可知，微波加热条件下，随着加热时间不同，即最终温度的不同，凝胶形成速度具有一定的差异，且加热时间越长，温度越高，凝胶形成速度越大。水浴加热下虾肉糜凝胶形成速度远远低于微波加热凝胶形成速度。同时，微波加热过程中，同一温度下，随着SPI乳化物含量的增加，凝胶形成速度减小。这是因为虾肉中的肌原纤维蛋白是凝胶形成的主体，SPI乳化物的添加会降低虾肉蛋白的浓度，阻碍肌原纤维蛋白网状结构的形成[23]。

2.4SPI乳化物对样品微波加热下凝胶形成所需活化能的影响

活化能反映了虾肉蛋白凝胶形成的难易程度。根据图4阿伦尼乌斯曲线可以得出，虾肉糜微波加热条件下凝胶形成所需要的活化能。如图5所示，单一虾肉糜凝胶形成所需要的活化能最高(1 440.89 J/mol)，随着SPI乳化物含量的增加，虾肉糜凝胶形成所需的活化能逐渐降低，且5%、10%SPI复合物凝胶形成所需活化能仅为单一虾肉糜的70%和60%。由于蛋白质是虾肉糜凝胶形成的主体，SPI乳化物含量的增加会降低虾肉中肌原纤维蛋白的含量，故虾肉糜大豆分离蛋白乳化物凝胶形成所需活化能低于单一虾肉糜，即更容易形成凝胶。这也进一步论证了SPI乳化物的添加能增强虾肉糜的破断强度。

A-单一虾肉糜；B-5%SPI复合物；C-10%SPI复合物图5 SPI乳化物对虾肉糜凝胶形成所需活化能的影响Fig. 5 Effects of SPI emulsion on activation energy of single minced white shrimp and SPI compounds

2.5加热方式对单位质量样品能量吸收的影响

为了比较水浴和微波加热凝胶形成的效率，即吸收相同能量时破断强度的大小，考察了终温相同或相近条件下虾肉糜能量吸收对其凝胶形成的影响。根据公式3计算出不同条件下样品的能量吸收值。

由图6可以看出，在单一虾肉糜样品中，通过水浴加热和微波加热的样品中心温度均在60 ℃左右时，微波加热形成凝胶的破断强度要高于水浴加热形成的凝胶。而当样品中心温度均在80 ℃左右时，微波加热形成凝胶的破断强度为水浴加热形成凝胶的2倍。因为将样品水浴加热到60 ℃左右时，停留时间较长，导致凝胶劣化较为严重，从而造成破断强度不高；而微波加热由于加热速度较快，可以快速通过凝胶劣化温度带，尽量避免了凝胶劣化的产生。

同样，在含有5%和10% SPI复合物样品中，当样品内部终温相近，吸收能量接近时，微波加热形成的凝胶具有更大的破断强度。可见，虾肉糜在微波加热条件下吸收相近甚至较少能量时却能获得更高的破断强度，明显优于水浴加热。不过，在含10%SPI复合物样品中，样品终温达到80 ℃左右时，经微波加热能量吸收略高于水浴加热能量吸收时，其破断强度却低于水浴加热形成破断强度，可能是由于微波加热的不均匀性造成的[8]。

A-单一虾肉糜；B-5%SPI复合物；C-10%SPI复合物图6 不同加热方式下能量吸收与破断强度的比较Fig. 6 Comparison of absorbed energy and breaking force by different heating processing

3 结论

本研究以南美白对虾虾肉糜为对象，比较了微波和水浴2种加热方式对其凝胶形成机理的影响，同时考察了添加大豆分离蛋白(SPI)乳化物在加热期间对虾肉糜凝胶特性的作用。随着SPI乳化物含量的增加，南美白对虾虾肉糜在微波、水浴2种加热方式下形成凝胶的破断强度均有增加，且在微波加热条件下，大豆分离蛋白乳化物的添加能明显降低样品形成凝胶所需的活化能。比较微波和水浴2种加热方式，微波加热凝胶形成速率要远远高于水浴加热，且在吸收相同或相近能量的单位样品中，微波加热形成的凝胶具有更高的破断强度。与传统水浴加热相比，微波加热能很好实现食品的凝胶特性，由于其低能耗、加热速率快的特点，微波加热在食品凝胶化产业领域具有广阔的发展前景。

[1] 黄凯,王武. 南美白对虾国外养殖发展概况及我国养殖现状、存在的问题与对策[J]. 内陆水产，2002,27(8): 41-43.

[2] 崔和,肖乐. 2011-2012我国对虾产业发展现状及展望[J]. 中国水产,2012,440(7):25-26.

[3] 邓伟, 黄太寿,张振东. 我国南美白对虾种业发展现状及对策建议[J]. 中国水产, 2013(12): 22-25.

[4] TADPITCHAYANHKOON P, PARK J W, YONGSAWATDIGUL J. Gelation characteristics of tropical surimi under water bath and ohmic heating[J]. LWT - Food Science and Technology, 2012, 46 (1): 97-103.

[5] MIAO Y, CHEN J Y, NOGUCHI, A. Studies on the ohmic thawing of frozen surimi[J]. Food Science and Technology Research, 2007, 13 (4): 296-300.

[6] KANJANAPONGKUL K, TIA S, WONGSA-NGASRI P, et al. Coagulation of protein in surimi wastewater using a continuous ohmic heater[J]. Journal of Food Engineering, 2009, 91 (2): 341-346.

[7] MEDA V, ORSAT V, RAGHAVAN V, et al. Microwave heating and the dielectric properties offoods[J]. The Microwave Processing of Foods, 2005,5(5): 61-75.

[8] YVAN L, KATSUYA M, DAICHI K, et al. Dielectric properties and model food application oftylose water pastes during microwave thawing and heating[J]. Journal of Food Engineering, 2016,178: 20-30.

[9] WAPPLING-RAAHOLT B, RISMAN P O, OHLSSON T. Microwave heating of ready meals - FDTD simulation tools for improving the heating uniformity[J]. Advances in Microwave and Radio Frequency Processing, 2006: 243-255.

[10] TAMMATINNA A, BENJAKUL S, VISESSANGUAN W, et al. Gelling properties of white shrimp (Penaeusvannamei) meat as influenced by setting condition and microbial transglutaminase[J]. Lwt-Food Science and Technology， 2007, 40 (9): 1 489-1 497.

[11] 周玉莹, 易美华, 谢福美. 几种添加剂对虾肉凝胶强度的影响[J]. 食品科学， 2009，30(24): 166-169.

[12] 李晓龙, 袁莉莉, 刘书成,等. 凡纳滨对虾肉糜凝胶动力学模型研究[J]. 食品工业科技. 2014(8): 149-152.

[13] 蓝尉冰. 凡纳滨对虾肌肉蛋白组成及其肉糜特性研究[D]. 湛江：广东海洋大学，2012.

[14] KOSEKI S, OOTAKE R, KATOH N, et al. Quality evaluation of frozen surimi by using pH stat for ATPase assay[J]. Fisheries Science, 2005, 71(2): 388-396.

[15] DAS I, DAS S K, BAL S. Drying kinetics of high moisture paddy undergoing vibration-assisted infrared (IR)drying[J]. Journal of Food Engineering, 2009, 95(1): 166-171.

[16] YU D U, SHRESTHA B L, BAIK O D. Thermal conductivity, specific heat, thermal diffusivity, and emissivity of stored canola seeds with their temperature and moisture content[J]. Journal of Food Engineering, 2015, 165: 156-165.

[17] BECHTEL P J. Properties of different fish processing by-products from pollock, cod and salman[J]. Journal of Food Processing and Preservation. 2003, 27 (2): 101-116.

[18] 张延华,马国红,宋理平,等. 4 种鱼肉的基本成分及胶原蛋白含量分析[J]. 农学学报. 2014， 4 (9)：79-81.

[19] 刘海梅. 大豆分离蛋白对微生物转谷氨胺酶诱导鲢鱼糜凝胶形成的影响[J]. 食品科学. 2009，30(5)：76-78.

[20] SUN X D, HOLLEY R A. Factors influencing gel formation by myofibrillar proteins in muscle foods[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2011, 10(1): 33-51.

[21] LUO Y K, SHEN H X, PAN D D. Gel-forming ability of surimi from grass carp (Ctenopharyngodonidellus): influence of heat treatment and soy protein isolate[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2006, 86 (5): 687-693.

[22] LUO Y K, KUWAHARA R, KANENIWA M, et al. Effect of soy protein isolate on gel properties of Alaska pollock and common carp surimi at different setting conditions[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2004, 84 (7): 663-671.

Effectsofheatingprocessingongelpropertiesofmincedwhiteshrimp(Penaeusvanmamei)andsoyproteinisolatecompounds

YANG Lin-xin,WANG Bing-bing, YIN Ya-lan, JIN Yin-zhe*,CHENG Yu-dong

(Engineering Research Center of Food Thermal-processing Technology, College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

The breaking force, gel-formation rate, activation energy and absorbed energy of unit mass were chosen as indexes to analyze the gel formation mechanism of minced white shrimp (Penaeusvanmamei) by different heating processing. The effect of addition of soy protein isolate (SPI) emulsion on gel properties were investigated during heating. Results indicate that breaking force of minced shrimp and SPI compounds increased with the increase of heating temperature, and the addition of soy protein isolate emulsion could improve breaking force. Compared with water-bath and microwave heating processing, the gel-formation rate of single minced shrimp by microwave heating was much higher than that by water-bath heating, and the breaking force introduced by microwave heating was higher than water-bath heating when these samples absorbed the similar energy. Moreover, the activation energy of SPI compounds was significantly higher (P< 0.05) than the single minced shrimp, and the gel formation rate reduced slightly with the increase of SPI emulsions. These results indicated that the microwave heating was more appropriate in the industrial development of gelation foods.

minced white shrimp; water-bath heating; microwave heating; gel properties; activation energy

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013423

硕士研究生(金银哲副教授为通讯作者，E-mail: yzjin@shou.edu.cn)。

上海高校知识服务平台，上海海洋大学水产动物遗传育种中心(ZF1206)

2016-11-17，改回日期：2016-12-27