南极磷虾粉制备过程中蒸煮条件的优化

马田田,欧阳杰,谈佳玉,王凯欣,沈 建

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,农业部远洋渔船与装备重点实验室,国家水产品加工装备研发分中心,上海 200092)

南极磷虾(Euphausiasuperba)以群居方式生活在南极大陆架、冰架和海岛附近。南极磷虾生物储量可观,年可捕获量为1亿吨,是当前世界海洋捕捞产量的总和[1-3]。南极磷虾个体较小,体长约4～6 cm,肌体呈砖红色透明态,以微小浮游植物作为主要食物来源,捕捞区域主要在48海区[4-7]。南极磷虾营养价值高,氨基酸组成合理,必需氨基酸含量丰富,脂肪酸组成丰富,不饱和脂肪酸占比大,是优质的海洋蛋白质来源和天然的健康食品[8-10]。我国南极磷虾主要加工产品包括冻虾、虾肉、虾粉[11];南极磷虾因自身含水量高,致使其易腐败变质且运输成本较高[12];南极磷虾因群居在南极海域,生存环境特殊,捕捞船行程远,储能空间大,致使其捕捞作业困难度增加且运输量有限[13]。

基于提高南极磷虾运输量、减少运输成本和保存南极磷虾营养物质的目的考虑,将南极磷虾通过合理的加工方式制成南极磷虾粉越来越受关注。南极磷虾粉作为一种优质蛋白原料,其蛋白能被人们较好地消化、吸收和利用,如徐蓓蓓等[14]研究不同南极磷虾产品中蛋白营养价值,论证南极磷虾产品可作为良好的蛋白质来源。南极磷虾粉富含脂质,是提取南极磷虾油的一种重要原料,南极磷虾油的营养价值不低于鱼油,如Bunea等[15]研究发现南极磷虾脂质中的ω-3多不饱和脂肪酸主要与磷脂相连接,而鱼类脂质中的ω-3多不饱和脂肪酸主要与甘油三酯相连接,南极磷虾脂质具有不同于鱼类脂质的独特功能和营养特性。目前,南极磷虾粉加工主要包括蒸煮、分离、干燥、粉碎四个步骤,如赵伟等[16]采用陆上模拟实验,南极磷虾经蒸煮、离心、冷冻、干燥、粉碎后制得虾粉,结果表明虾粉完全满足提油用虾粉的要求。在南极磷虾粉制备中,蒸煮是第一个加工环节,起着保留南极磷虾中营养物质的关键作用,主要是通过蒸煮使南极磷虾体内复杂的自溶酶受到抑制或失去活性。目前,已有关于蒸煮装置、蒸煮方式、蒸煮工艺等的研究,如覃干景等[17]发明的南极磷虾快速蒸煮设备可有效缩短蒸煮时间短,使蛋白质迅速凝固,从而大幅提高南极磷虾粉加工转化率和品质;薛长湖等[18]发明的南极磷虾快速蒸煮装置,在提高南极磷虾蒸煮效率的同时能够有效回收南极磷虾中肌浆蛋白,从而提高南极磷虾粉产率;谈佳玉[19]探索了四种蒸煮方式对南极磷虾虾青素影响,结果表明100 ℃直接水煮30 s后50 ℃直接水煮9 min的组合蒸煮方式最佳,能有效减少蒸煮对虾粉中虾青素的破坏;魏荣男[20]开展了南极磷虾粉蒸煮工艺研究,结果表明在最大程度地保证成本效益、蒸煮完全、品质及得率条件下,较优的蒸煮温度为55～60 ℃。而关于将南极磷虾粉作为蛋白质或脂肪的提取原料为研究对象,针对蒸煮条件分别对虾粉蛋白质、脂肪含量影响的研究尚未见报道。

本文基于南极磷虾中蛋白酶和脂肪酶两类酶受到抑制或失去酶活条件不同以及目前市场和实际生产需要,以冻南极磷虾为原料,采用不同条件蒸煮南极磷虾,分别对比分析蒸煮温度、升温时间、保温时间对南极磷虾粉中蛋白质、脂肪含量影响,旨在为南极磷虾粉产品开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冻南极磷虾 上海开创远洋渔业有限公司;浓硫酸、硫酸钾、五水硫酸铜、氢氧化钠、乙醇、石油醚、甲基红、溴甲酚绿、甲基橙 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;牛白蛋白 生物试剂,上海纯优生物科技有限公司。

YP-4002电子天平 上海精密仪器仪表有限公司;HH-2电热恒温水浴锅 常州朗越仪器制造有限公司;GTR16-2高速台式冷冻离心机 北京时代北利离心机有限公司;BPG-96A精密鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;KDN-818全自动凯氏定氮仪 上海纤检仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 南极磷虾制粉工艺 冻南极磷虾→流水解冻→沥水→蒸煮→离心→干燥→粉碎筛分→虾粉

1.2.1.1 原料预处理 冻南极磷虾采用流水解冻的方式,水温为25 ℃左右;解冻后的南极磷虾利用网筛沥去表面水,用于蒸煮实验。

1.2.1.2 南极磷虾粉的制备 称取流水解冻沥水后的南极磷虾,以一定的蒸煮温度、升温时间和保温时间蒸煮南极磷虾,离心脱去部分水后置于80 ℃烘箱中干燥至磷虾水分含量低于8%,干燥后的磷虾粉碎40目筛分制成虾粉,测定虾粉中蛋白质、脂肪含量。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 蒸煮温度对南极磷虾粉蛋白质、脂肪的影响 取流水解冻沥水后的南极磷虾三份,每份约100.0 g。固定保温时间为4.0 min,升温时间为2.0 min,南极磷虾的蒸煮温度依次设为40、50、60、70、80、90、100 ℃,测定南极磷虾粉中蛋白质、脂肪含量。

1.2.2.2 升温时间对南极磷虾粉蛋白质、脂肪的影响 取流水解冻沥水后的南极磷虾三份,每份约100.0 g。固定蒸煮温度为70 ℃,保温时间为4.0 min,南极磷虾的升温时间依次设为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 min,测定南极磷虾粉中蛋白质、脂肪含量。

1.2.2.3 保温时间对南极磷虾粉蛋白质、脂肪的影响 取流水解冻沥水后的南极磷虾三份,每份约100.0 g。固定蒸煮温度为70 ℃,升温时间为2.0 min,南极磷虾的保温时间依次设为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 min,测定南极磷虾粉中蛋白质、脂肪含量。

1.2.3 正交试验 在单因素实验的基础上,分别以南极磷虾粉中蛋白质、脂肪含量为考察指标,综合考察蒸煮温度、升温时间、保温时间三因素的影响,采用正交试验进一步优化南极磷虾粉蒸煮条件,得出三个影响因素的主次顺序,蒸煮条件的主要组合以及各因素的显著性分析。正交试验设计见表1、表2所示。

表1 提蛋白用的南极磷虾粉蒸煮条件正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experimentfor cooking conditions of Antarctic krill powder

表2 提脂肪用的南极磷虾粉蒸煮条件正交试验因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experimentfor cooking conditions of Antarctic krill powder for fat extraction

1.2.4 蛋白质、脂肪的测定

1.2.4.1 蛋白质提取及测定 南极磷虾粉中蛋白质提取及测定参考国家标准,采用微量凯氏定氮法[21],称取一定量制备的虾粉,利用全自动凯氏定氮仪进行样品消化、蒸馏,根据每次滴定耗用溶液毫升数,计算南极磷虾粉中蛋白质含量。

1.2.4.2 脂肪提取及测定 南极磷虾粉中脂肪提取及测定参考国家标准,采用索氏抽提法[22],用滤纸包取一定量制备的虾粉置于索氏抽提器中,70 ℃抽提4～6 h,后取出虾粉包,让石油醚挥发后,置于105 ℃烘箱内烘至恒重,根据测定前后虾粉重量差计算其脂肪含量。

1.3 数据处理

运用SPASS进行数据处理分析,运用Excel进行绘图;设置三组平行实验,重复实验3次,实验数据用平均值来表示。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 蒸煮温度对南极磷虾粉蛋白质、脂肪含量影响 由图1可知,随着蒸煮温度增加,南极磷虾粉中蛋白质含量呈现先上升后下降的变化趋势;在蒸煮温度为70 ℃时,蛋白质含量最高,含量约为61%。在40～70 ℃范围内,随温度上升蛋白质含量呈上升趋势,陈怡炫等[23]研究南极磷虾粗酶液中蛋白酶基础酶学性质发现,当温度超过40 ℃,随温度升高,南极磷虾蛋白酶酶活性降低,结合此实验分析产生该变化趋势的原因是随温度上升,蛋白酶受到的抑制逐渐增大,蛋白质的酶解反应速率降低,且蛋白的热变性反应较弱;在70～100 ℃范围内,随温度上升蛋白质含量呈下降趋势,戚亭等[24]研究南极磷虾蛋白功能性发现当温度超过75 ℃,随温度升高,南极磷虾蛋白变性逐渐加剧,结合此实验分析产生该变化趋势的原因是随温度上升,蛋白热变性反应加快,且蛋白酶逐渐失活。因此,提蛋白用的蒸煮温度选择为70 ℃。

图1 蒸煮温度对南极磷虾粉蛋白质含量影响Fig.1 Effect of cooking temperatureon protein content of Antarctic krill powder

由图2可知,随着蒸煮温度增加,南极磷虾粉中脂肪含量呈现先上升后下降的变化趋势;在40～80 ℃范围内,随着蒸煮温度升高脂肪含量呈上升趋势,尚宪明[25]通过研究南极磷虾脂肪酶酶学性质发现,反应温度在35～65 ℃时,该脂肪酶都具有酶活力,但脂肪酶的酶促反应速率急剧下降,结合此实验分析产生该变化趋势的原因是随温度上升,脂肪的酶解反应速率降低,且脂质氧化分解反应较弱;在蒸煮温度为80 ℃时,脂肪含量最高,含量约为20%。在80～100 ℃范围内,随着蒸煮温度升高脂肪含量呈下降趋势,孙德伟[9]通过研究南极磷虾脂质性质发现,其具有高热敏性特征,结合此实验分析产生该变化趋势的原因是随温度上升,脂肪的高温氧化分解,且脂质酶逐渐失活。因此,提脂肪用的蒸煮温度选择为80 ℃。

图2 蒸煮温度对南极磷虾粉脂肪含量影响Fig.2 Effect of cooking temperatureon fat content of Antarctic krill powder

2.1.2 升温时间对南极磷虾粉蛋白质、脂肪含量影响 由图3可知,随升温时间的增加,南极磷虾粉中蛋白质含量先迅速上升后缓慢下降;在升温时间为1.5 min时,蛋白质含量最高,含量约为60%。在0.5～1.5 min内,随升温时间增加蛋白质含量呈上升趋势,陈怡炫等[23]研究发现40～50 ℃范围内,南极磷虾蛋白酶活力呈迅速下降趋势,50 ℃后呈缓慢下降趋势,结合此实验现象分析随升温时间增加南极磷虾在40～50 ℃的受热时间增加,酶活力下降显著,蛋白酶解反应受到充分抑制;在1.5～3.5 min内,随升温时间增加蛋白质含量呈下降趋势,呈现此实验现象的原因可能是升温时间增加导致蛋白质变性加剧。因此,提蛋白用的升温时间选择为1.5 min。

图3 升温时间对南极磷虾粉蛋白质含量影响Fig.3 Effect of heating up timeon protein content of Antarctic krill powder

由图4可知,随升温时间增加,南极磷虾粉中脂肪含量先上升后下降;在0.5～2.5 min内,随升温时间增加脂肪含量呈上升趋势,主要是因脂肪酶活力随升温时间增加逐渐下降。升温时间为2.5 min时,脂肪含量最高,含量约为20%。在2.5～3.5 min内,随升温时间增加脂肪含量呈下降趋势,主要是因脂肪高温氧化反应随升温时间增加逐渐加剧。因此,提脂肪用的升温时间选择为2.5 min。

图4 升温时间对南极磷虾粉脂肪含量影响Fig.4 Effect of heating up timeon fat content of Antarctic krill powder

2.1.3 保温时间对南极磷虾粉蛋白质、脂肪含量影响 由图5可知,随着保温时间延长,南极磷虾粉中蛋白质含量先迅速增加后缓慢下降;保温时间为3 min时,蛋白质含量最高,含量约为57%。在0～3 min内,随保温时间延长蛋白质含量迅速增加,主要是蛋白酶在高温条件下,随保温时间延长酶活性随之降低;在3～7 min内,随保温时间延长,蛋白质含量缓慢下降,产应此实验现象的原因一方面是蛋白的酶解反应速率下降,另一方面是蛋白的热变性加剧。因此,提蛋白用的保温时间选择为3 min。

图5 保温时间对南极磷虾粉蛋白质含量影响Fig.5 Effect of holding time onprotein content of Antarctic krill powder

由图6可知,随着保温时间延长,南极磷虾粉中脂肪含量先上升后下降;在0～4 min内,随着保温时间延长脂肪含量逐渐上升,主要是脂肪的酶解反应速率逐渐降低。在保温时间为4 min时,脂肪含量最高,含量约为21%。在4～7 min内,随着保温时间增加脂肪含量逐渐下降,主要是脂肪在高温长时条件下氧化反应逐渐加剧。因此,提脂肪用的保温时间选择为4 min。

图6 保温时间对南极磷虾粉脂肪含量影响Fig.6 Effect of holding timeon fat content of Antarctic krill powder

2.2 正交试验结果与分析

2.2.1 提蛋白用磷虾粉蒸煮条件正交试验结果与分析 提蛋白用磷虾粉蒸煮条件正交试验结果与方差分析见表3、表4。由表3中极差大小可得,实验因素的主次顺序是:蒸煮温度、保温时间、升温时间。提蛋白用磷虾粉蒸煮条件的最优组合是A2B2C3,即蒸煮温度为70 ℃,升温时间为1.5 min,保温时间为4.0 min。在上述条件下进行验证实验得出最大蛋白质含量为63.4%。查F分布表得F2-0.01(2,2)=99.00,F2-0.05(2,2)=19.00,由表4方差表可得,蒸煮温度对磷虾粉蛋白质含量具有极显著性影响(P<0.01),保温时间对磷虾粉蛋白质含量具有显著性影响(P<0.05)。

表3 提蛋白用磷虾粉蒸煮条件正交试验及结果分析Table 3 Result and analysis of orthogonal experimentalfor cooking conditions of krill powder for protein extraction

表4 提蛋白用磷虾粉蒸煮条件正交试验方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experimentalon cooking conditions of krill powder for protein extraction

2.2.2 提脂肪用磷虾粉蒸煮条件正交试验结果与分析 提脂肪用磷虾粉蒸煮条件正交试验结果与方差分析见表5、表6。由表5中极差大小可得,实验因素的主次顺序是:蒸煮温度、保温时间、升温时间。提脂肪用磷虾粉蒸煮条件的最优组合是D2E2F3,即蒸煮温度为80 ℃,升温时间为2.5 min,保温时间为5.0 min。在上述条件下进行验证实验得出最大脂肪含量为23.4%。查F分布表得F2-0.01(2,2)=99.00,F2-0.05(2,2)=19.00,由表6方差表可得,蒸煮温度对磷虾粉脂肪含量具有显著影响(P<0.05)。

表5 提脂肪用磷虾粉蒸煮条件正交试验及结果分析Table 5 Result and analysis of orthogonal experimental factorsfor cooking conditions of krill powder for fat extraction

3 结论

蒸煮作为南极磷虾粉加工的重要步骤之一,合理的蒸煮条件能有效保留南极磷虾营养成分。经不同蒸煮条件处理后,制成的南极磷虾虾粉中蛋白质、脂肪含量均有改变。在蒸煮过程中,最优实验条件是:蒸煮温度为70 ℃,保温时间为4.0 min,升温时间为1.5 min,蛋白质含量达63.4%,能有效保留南极磷虾中蛋白质,为南极磷虾蛋白质提取提供优质原料;蒸煮温度为80 ℃,保温时间为5.0 min,升温时间为2.5 min,脂肪含量达23.4%,可最小程度破坏南极磷虾中脂肪,为南极磷虾油制备提供良好原料。在未来的南极磷虾粉产品加工中,可根据产品需求和市场需要采用不同蒸煮条件加工制备南极磷虾粉,从而更好地保证原料品质,提高产品等级。