液氮间歇式浸渍冻结对饺子冻裂率及感官品质特性的影响

雷萌萌,艾志录,潘中闪,潘治利,贾若南,黄忠民,*

(1.河南农业大学食品科学技术学院,河南郑州 450002; 2.国家速冻米面制品加工技术研发专业中心,河南郑州 450002; 3.农业农村部大宗粮食加工重点实验室,河南郑州 450002; 4.河南省冷链食品工程技术研究中心,河南郑州 450002)

近年来,随着人们生活节奏加快,速冻预制食品在现代饮食发展中的优势越来越凸显,速冻饺子和汤圆居于主导地位[1]。目前速冻饺子工业生产大都采用隧道冻结,行业能耗高,效率低,设备投资多,占地面积大。因此,创新开发新型冻结技术和设备,降低生产耗能提高效率,对速冻调理食品行业的发展有着非常重大而深远的意义[2-3]。

液氮冻结是利用液氮-196 ℃的超低温,使得食品中的水分在极短时间内迅速形成细小冰晶,是目前食品最快捷的冻结方式,主要有液氮浸渍冻结、液氮冷气循环式冻结和液氮喷淋冻结[4-5]。作为一种新型冻结技术,液氮冻结技术具有冻结速度快、设备占地面积小、安全稳定、无污染等优点[6-8],已经广泛应用于肉制品、水产品、果蔬、菌类产品等速冻食品生产中[9-10]。Kaale等[11-12]研究结果表明三文鱼冻结速率不同时,组织内形成冰晶大小不同,快速冻结时形成大量胞内小冰晶,慢速冻结则形成大量大冰晶。Alhamdan等[13]分别采用液氮超低温冻结、单体快速冷冻和传统的慢冻方式处理新鲜食品及测定其货架期,发现液氮冻结的食品在相同储存期内品质最好。王嵘等[14]研究了液氮在禽类食品中的应用,结果得出液氮冻结后的禽体解冻后可保持原有的色、香、味及新鲜状态;鲁珺等[15]研究了银鲳鱼在液氮速冻、平板速冻、冰柜速冻下品质及微观结构的变化,结果表明液氮深冷速冻对银鲳鱼冻藏品质维持效果最佳;樊建等[16]研究了液氮速冻松茸工艺,表明在一定的工艺条件下对新鲜松茸进行喷雾式流态化速冻,可很好保持松茸的营养和商品价值;章斌等[17]对香蕉片冻结过程的影响因素进行了研究,表明液氮速冻更有利于保持香蕉片的色泽、PPO和POD的活性,降低汁液的流失率。但是由于在急速降温过程中,食品组织内应力较大,组织致密的面米食品极易产生产品龟裂,冻裂率高等问题一直制约着液氮技术在速冻面米食品中的应用。

食品采用液氮冻结分为三个过程:当把食品放入液氮冻结液的初期,刚开始从初温到冰点时,液氮的冻结速度极快,食品表面迅速吸附冻结液,食品内部的水分与溶质开始发生热量传递,此时放出的是显热;中间过程食品内大部分水分结成冰晶,由于潜热比显热大约50～60倍,在冻结过程中绝大部分热量在此阶段放出,此时食品离开冻结液的液面后在间隔的时间段内内部结冰晶由外向里推移有一个缓冻的过程[18]。实验室前期采用改变和面时水面质量比、面团静置时间等对液氮浸渍冻结饺子的工艺进行优化,通过改变面坯组织水分状态,降低急速冷冻过程内应力,研究结果将饺子冻裂率降到37%[19],工业生产次品率仍较高,很难推广应用。在此基础上,本文通过探究液氮冻结浸入时间、间隔时间及浸入次数对饺子冻裂率的影响,确定液氮间歇式浸渍冻结饺子的最佳工艺条件,并以低温冰箱冻结、螺旋隧道式冻结为对比,分析液氮间歇式浸渍冻结对饺子皮色差、质构、感官品质、微观结构及饺子煮后感官品质的影响,以期为液氮冻结技术在速冻面米食品中的应用提供一定的理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

精制肉馅 双汇集团;饺子皮 购买于双汇公司门店,直径70 mm,厚度1.4～1.5 mm;大豆组织蛋白 山东御磐豆叶业蛋白有限公司;金龙鱼调和油 益海嘉里食品营销有限公司;低钠精纯盐 河南省卫群多品种盐有限公司;十三香 王守义十三香调味品集团有限公司;海天特级草菇老抽 广东省佛山市高明区沧江工业园东园;香菇、液氮(纯度99.999%) 市售。

单螺旋速冻隧道机(产量:60 kg/h,定制) 郑州亨利制冷设备有限公司;10 L保温液氮罐(定制) 新乡市新亚低温容器有限责任公司;TA-XAPLUS质构仪 英国Stable Micro Systems;CR-5色彩色差计 KONICA MINOLTA INC公司;SIEMENS冰箱 博西华家用电器有限公司;140-SA变温冷冻冷藏箱 浙江星星冷链集成股份有限公司;GM 320红外温度计 深圳市聚茂源科技有限公司;WK2102电磁炉 美的集团股份有限公司;SU3500 型扫描电子显微镜 日立仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备 饺子馅料主要由猪肉、香菇、大豆组织蛋白组成。大豆组织蛋白在60～70 ℃水中浸泡20 min,捞出后离心脱水后使用多功能搅拌机破碎至粒径为3～5 mm备用;将猪肉斩切成肉糜,香菇破碎至3～5 mm备用;将处理好的猪肉、香菇、大豆组织蛋白按照1∶1∶1质量比称量,加入适量的油、酱油、食用盐调制均匀。按照皮馅质量比1∶1.3,采用对折法进行饺子的包制[20],平均每个饺子的质量控制在18～20 g。

1.2.2 液氮间歇式浸渍冻结对饺子冻裂率的影响 在耐低温容器中装入液氮,将饺子置于漏勺中浸入到容器液面以下,一定时间后离开液面,间隔数秒后继续浸入,重复浸入直至饺子中心温度值达到-18 ℃为止。

1.2.2.1 液氮浸入时间对饺子冻裂率的影响 以20 s为单次浸渍基准时间,5 s为时间梯度,依次测量饺子在20、25、30、35、40 s下的冻裂率和热中心温度,分析液氮浸入时间对饺子冻裂率和热中心温度的影响。

1.2.2.2 液氮单次浸入时间、间隔时间和浸入次数对饺子冻裂率的影响 以单次浸入液氮时间2、3、4 s为基准,分别间隔10、12、15 s,重复浸入次数直至中心温度值达到-18 ℃为止,探究液氮单次浸入时间、间隔时间和浸入次数对饺子冻裂率和热中心温度的影响。

1.2.3 饺子及饺子皮冻结处理 将饺子皮分别采用低温冰箱冻结(-24 ℃,2 h)、螺旋隧道冻结(-37 ℃,30 min)、液氮间歇式浸渍冻结(-196 ℃,每次浸入2 s,间隔10 s,总浸入次数2次)三种冻结方式处理,分别进行色差值、质构特性的测定及微观结构的观察。

将包制好的饺子分别采用低温冰箱冻结(-24 ℃,2 h)、螺旋隧道冻结(-37 ℃,30 min)、液氮间歇式浸渍冻结(-196 ℃,每次浸入时间2 s,间隔时间10 s,总浸入次数8次)三种冻结方式处理,进行感官指标的测定。

1.2.4 饺子冻裂率的计算 判断饺子冻裂的规则为:饺子冻品置于常见亮度下,用肉眼观察饺子表皮层存在大于1 mm长或者宽的裂纹即为冻裂[12]。饺子冻裂率按下列公式计算:

冻裂率(%)=n/N×100

式(1)

式中:n为冻裂饺子总数;N为实验样品总数。

1.2.5 饺子皮色差的测定 饺子皮色泽测量采用CIE(Commission Internationale de L′Eclairage)L*a*b*表色系统测定法。其中,L*表示亮度;a*正值表示偏红,负值表示偏绿;b*正值表示偏黄,负值表示偏蓝[21]。取新鲜饺子皮作为空白对照,测定样品色差。

1.2.6 饺子皮质构特性的测定 取新鲜饺子皮作为空白对照组,把四组饺子皮分别放入煮沸的开水中煮3 min至白芯消失,然后用笊篱捞出,放入25 ℃水中冷却1 min,滤去表面的冷却水后,立即将饺子皮平铺在质构测定样品台中央,进行质构测定[22],质构测定参数为:采用P/50探头,压缩比70%,测前、测中、测后速度分别为3、1、5 mm·s-1,触发力为0.05 N。

1.2.7 饺子皮微观结构的观察 将1.2.3冻结处理的饺子皮进行真空冷冻干燥[23],冻干参数:捕水器温度-60 ℃,加热温度25 ℃,真空度设定值1 Pa,干燥时间24 h。冻干后的皮样切成约1 cm×1 cm的块状,选取较为平整的断面作为观察面向上贴在扫描电镜样品台上,利用喷涂仪对其进行镀金处理,使用扫描电子显微镜分别放大1000、2000倍对样品观察拍照,观察样品剖面形貌。

1.2.8 饺子感官品质的测定 每组随机拿取25个饺子放入3000 mL开水锅中进行煮制,煮制时间为5 min,将煮熟的饺子捞出20个进行感官品尝,锅中剩余5个饺子继续煮5 min,测定饺子的耐煮性[24],观察饺子汤的浑汤度。由10位人员组成评定小组,对饺子进行感官评定,记录感官评定的结果,评分取平均值,评分标准见表1。

表1 饺子感官品质评分表Table 1 Dumpling sensory quality score sheet

1.3 数据分析

使用SPSS 16.0、Excel 2016分析处理数据,每组实验重复9次,数据采用平均值±标准偏差表示。

2 结果与分析

2.1 液氮浸入时间对饺子冻裂率的影响

液氮浸入时间对饺子冻裂率的影响见表2,由表2可以看出,液氮浸入时间为20、25、30、35 s时饺子中心温度不能全部达到-18 ℃以下,在40 s时饺子的中心温度均达到-18 ℃以下,但饺子的冻裂率为66.7%,破损严重,与实验室前期研究结果一致[7]。这可能是由于液氮的温度极低,导致冷冻速度极快,从而在饺子表面与中心之间会产生极大的瞬时温差,膨胀压力较大,因此,液氮浸入时间越长,饺子越容易发生破裂[25]。

表2 液氮浸入时间对饺子冻裂率的影响Table 2 Effects of immersion time of liquid nitrogen on freezing cracking rate of dumplings

2.2 液氮单次浸入时间、间隔时间和浸入次数对饺子冻裂率的影响

以单次浸入液氮时间2、3、4 s为基准,间隔时间10、12、15 s为梯度,分析间隔时间和浸入次数对饺子冻裂率的影响,结果见表3。结果表明:随着浸入次数增加及单次浸入时间的延长,饺子中心温度呈下降趋势,冻裂率的总体变化呈上升趋势;随间隔时间的延长,冻裂率呈减小趋势,但是间隔时间过长,对液氮的消耗量较大。这可能是由于把饺子放入液氮冻结液的初期,液氮的冻结速度极快,饺子皮表面迅速吸附冻结液,饺子内部的水分开始冻结,当单次浸入液氮时间较短时,直接与液氮接触的饺子外部温度低、内部温度较高,因此在离开液氮冻结液的液面间隔时间内饺子由外向内发生温度传递,此时饺子整体冻结速率相对降低,不会使其因瞬时温差产生的膨胀压力而发生破裂[26-27]。当冻结速度超过一定极限时,热应力会引起食品的低温断裂;冻结速度越快,低温断裂越严重[28]。随着饺子浸入次数的增加,整体温度持续降低,达到一定的温度后由于温度过低饺子仍易发生冻裂;当单次浸入时间较长或间隔时间较短时,温差仍较大则易发生破裂;当间隔时间过长,则总体用时过长且液氮消耗量较大。因此,综合分析可得:液氮冻结饺子的最佳工艺时间参数为单次浸入2 s,间隔10 s,浸入8次时饺子中心温度均达到-18 ℃以下且冻裂率为0。本文液氮冻结处理饺子均按照此方法进行。

表3 液氮单次浸入时间、间隔时间 和浸入次数对饺子冻裂率的影响Table 3 Effects of single immersion time,interval time and immersion times of liquid nitrogen on freezing cracking rate of dumplings

2.3 液氮间歇式浸渍冻结对饺子皮色差的影响

以常规冻结方式螺旋隧道冻结、冰箱冻结处理为对比,液氮间歇式浸渍冻结对饺子皮色差的影响见表4。由表4可知,采用不同方式冻结后,饺子皮亮度均有不同程度的提高,冻结温度越低,亮度值越高,其中液氮间歇式浸渍冻结饺子皮L*值、a*值显著高于其他组别(P<0.05),与新鲜未冻结饺子皮差异最大。与新鲜饺子皮相比,隧道冻结组、液氮冻结组b*显著下降(P<0.05)。这可能是由于急速冻结过程形成极其细小的冰晶,使冷冻状态下的食物颜色变浅,从而更有效地散射光线,而随着冻结速率的增加,冰晶面积的比例减少,L*值、a*值增大,b*值减少[29-30]。

表4 液氮间歇式浸渍冻结对饺子皮色差的影响Table 4 Effects of intermittent freezing of liquid nitrogen on the color difference of dumpling wrappers

2.4 液氮间歇式浸渍冻结对饺子皮质构的影响

液氮间歇式浸渍冻结对饺子皮质构特性的影响见表5。由表5可知:三种不同冻结方式处理的饺子皮硬度差异显著(P<0.05),其中液氮间歇式浸渍冻结处理的饺子皮硬度最小,与新鲜未处理组差异不显著(P>0.05);三种冻结方式处理后饺子皮弹性无显著差异(P>0.05);与新鲜未处理组相比,液氮间歇式浸渍处理饺子皮弹性、黏聚性、胶着性、咀嚼性差异不显著(P>0.05)。这可能与饺子皮内部组织水分分布有关,冻结过程中,水分发生迁移,冰晶的生长对饺子皮内部网络结构造成一定机械破坏,使得饺子皮内外层含水量发生改变,硬度值提高,冻结速率越快,形成冰晶速度越快,水分迁移越小[31-32]。液氮冻结时冻结速率最快,水分迁移最小,因此煮后硬度最小,黏聚性、咀嚼性最接近新鲜未处理组饺子皮的质构品质特性。

表5 液氮间歇式浸渍冻结对饺子皮质构品质特性的影响Table 5 Effects of intermittent freezing of liquid nitrogen on the quality characteristics of dumpling wrappers

2.5 液氮间歇式浸渍冻结对饺子皮微观结构的影响

不同冻结方式处理饺子皮样的扫描电镜图见图1。由图1可知,在放大倍数1000×时,冰箱冻结处理的皮样淀粉颗粒裸露数量明显多于螺旋隧道冻结处理的皮样和液氮间歇式浸渍式冻结处理的皮样。结合放大倍数2000×时的扫描电镜图分析,冰箱冻结处理的皮样形成的孔洞明显较大且少,即冻结时形成了大量的大冰晶,较大的孔洞破坏了面筋蛋白网络的完整性,造成淀粉颗粒裸露在外。螺旋隧道冻结处理的皮样形成的孔洞较小且较多,面筋蛋白网络较完整,淀粉颗粒被蛋白网络包裹在内,煮制过程中可降低浑汤程度。液氮间歇浸渍式冻结处理的皮样由于液氮温度低,冻结时冻结速率快,形成了大量的小冰晶,因此饺子皮中形成孔洞最小且最多,可以使冷冻状态下的食物颜色变浅,从而更有效地散射光线,提高冷冻食品外观质量,同时改善了速冻产品的质构特性等部分品质,但是过多的孔洞可能破坏了面筋网络结构,导致饺子耐煮性较差,煮制过程中出现浑汤现象,有待进一步研究解决。

图1 不同冻结方式处理饺子皮样的扫描电镜图Fig.1 Scanning electron micrograph of dumpling wrapper samples treated by different freezing methods

2.6 液氮间歇式浸渍冻结对饺子的感官评定结果的影响

由表6可知,与新鲜未处理饺子相比,隧道冻结组、液氮冻结组感官总分差异不显著(P>0.05),冰箱冻结组显著降低(P<0.05)。液氮间歇式浸渍冻结后饺子色泽、外观评分显著提高(P<0.05),均优于其它两组;三种冻结方式处理后饺子的完整性均显著性降低(P<0.05),口感、饺子汤澄清度均无显著性差异(P>0.05);除隧道冻结组外,冰箱冻结组、液氮冻结组耐煮性显著降低(P<0.05)。可能由于液氮冻结时冻结速率较快,饺子皮内部形成多而小的孔洞,破坏了面筋网络结构,导致饺子耐煮性较差,饺子出现混汤现象,但是整体而言其口感与总分最接近新鲜未处理饺子。

表6 液氮间歇式浸渍冻结对饺子的感官品质的影响Table 6 Effects of intermittent freezing of liquid nitrogen on sensory quality of dumplings

3 结论

以冻裂率作为指标,可以得出液氮间歇浸渍式冻结饺子的最佳冻结工艺时间参数为:单次浸入液氮2 s,间隔时间为10 s,浸入8次,总时间86 s,此时饺子中心温度值均能达到-18 ℃以下且饺子冻裂率为0。液氮间歇式浸渍冻结处理样品的硬度较低、弹性最好、咀嚼性适中,色泽、感官品质和微观组织结构均优于传统冰箱冻结、螺旋隧道冻结,同时感官评分最接近新鲜未冻结饺子。通过扫描电子显微镜观察饺子皮微观结构结果表明,液氮间歇浸渍式冻结处理后饺子皮形成孔洞小而多,即形成了大量的小冰晶,可以使冷冻状态下的食物颜色变浅,从而更有效地散射光线,提高冷冻食品外观质量,同时改善了速冻产品的质构特性、提高了感官品质,但是过多的孔洞可能破坏了饺子皮中面筋网络结构,导致饺子耐煮性变差,有待进一步研究解决。本实验为液氮冻结在速冻面米食品的应用提供了一定的理论支持与技术支撑。