鱼丸煮制过程中品质变化动力学分析

赵庭霞，邓 力，李静鹏，曾雪峰，李丽丹，魏 瑶，石 宇

(1.贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州 贵阳 550025；2.北部湾大学食品工程学院，广西 钦州 535011)

0 引言

新鲜鱼类产品不易保存，运输过程腐败变质较快，经加工制作成鱼丸、鱼肠等鱼糜制品，可以有效解决水产行业主要瓶颈问题。鱼糜制品在保留了鱼肉原有营养价值的基础上，还可以添加香菇、木耳、土豆、紫薯等辅料或枸杞紫苏、莲藕山药等功能成分，既可以使产品口味丰富多样，又提高了产品营养价值，市场应用前景广阔[1-7]。

鱼丸口感鲜美，是一类较为畅销的水产加工产品。较多学者从鱼丸配方优化方向进行研究，得出口感更丰富，营养价值更高的产品[1-7]。但热处理是导致鱼丸品质变化的主要原因，加热方式不同对鱼糜制品的凝胶特性影响程度不同，从而影响鱼丸的品质，热处理后评估鱼丸的质地特性非常重要[8-9]。郑捷等[10]研究了加热方式对复合型蔬菜鱼丸品质的影响，提出两段式水浴加热鱼丸的质构特性较好，但少见鱼丸加热过程中综合品质动力学研究。

从热力学角度分析，食品的稳定性不好，而通过建立食品品质的动力学模型，能较好地反映食品在热处理过程中的变化规律。已有研究发现，食品的品质变化规律可用零级和一级动力学模型来描述[11]。如何将温度变化与烹饪品质联系，邓力[12-14]认为温度变化可由过程传递原理分析，并提出动力学是联系过程传递和烹饪品质的纽带。在此基础上，将动力学引入烹饪研究，提出了成熟值理论，且定量描述了表征烹饪品质因子的成熟值、过热值，为合理评定食品成熟与品质控制找到了较好的方式。随后，提出烹饪工艺存在优化空间的前提条件是成熟品质因子和过热品质因子的z值存在差异。目前，已有许多关于食品烹饪过程中的品质变化研究，包括水产类(虾仁)、再制生食(西式火腿)、肉类(猪肉、鱼肉、鸡肉)和蔬菜类(蒜薹、菠菜、竹笋)[15-22]。但针对鱼丸煮制过程中主要食品品质的相关动力学研究较少，且由于其特殊的结构和组成组分，肉类热处理过程测得的品质变化动力学参数不能直接引用，而动力学参数是烹饪工艺优化的前提条件，因此开展鱼丸煮制工艺分析、评价和优化需测定其煮制处理的动力学参数。从消费者角度分析，针对鱼丸品质，颜色变化可以给予消费者烹饪肉品最直观的感受，水分含量及肉的嫩度均是烹饪食品应考虑的重要因素[23]。故参考选择颜色、嫩度、水分含量作为表征鱼丸品质的指标。

为推进鱼丸产业化生产，开展鱼丸煮制过程中品质变化动力学研究是有必要的。本试验以鱼丸为对象，测定鱼丸在煮制过程中成熟品质因子(颜色、剪切力)和过热品质因子(水分含量)的变化趋势，获取相应的动力学参数，为鱼丸热处理研究提供基础数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鱼丸：购于贵阳花溪合力超市。

主要仪器：DK-8D型电热恒温水浴锅(上海一恒科技有限公司)；WSC-S型测色色差仪(上海精密科学仪器有限公司)；C-LM3B型数显式肌肉嫩度仪(东北农业大学工程学院)；MB90型水分测定仪(奥豪斯仪器(常州)有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 原材料处理

购买同一批鱼丸原料于-18 ℃冰箱中冷冻储存，防止肉品变质。煮制前需统一置于-4 ℃冰箱中进行解冻处理4 h。由预试验可知，在沸水中煮制鱼丸品质不稳定，使其不利于开展研究，故本试验选择70、75、80和85 ℃恒温水浴作为煮制条件。针对样品品质因子(颜色、水分含量、剪切力)测定均从加热开始的第10分钟取样，中间间隔10 min取样1次，至100 min停止取样。取出的样品于0 ℃冰水中迅速降温，目的在于避免鱼丸内部传热导致品质进一步变化。

1.2.2 颜色测定

参照文献[24]的方法，从冰水中取出鱼丸擦干，放置至室温后对其进行切片处理，选取3处表面颜色均匀无黑点无气泡部位，采用WSC-S型色差仪进行颜色测定。L*表示亮度值；w*表示白度值，每个条件下测3次取平均值。

1.2.3 剪切力测定

选取颜色测定后的鱼丸按需求进行切片，切割成1.5 cm×1.5 cm×0.5 cm长方体状，置于水平台上，采用肌肉嫩度仪测定并记录剪切力值，每个时间点测定3次并求平均值[25]。

1.2.4 水分含量测定

采用卤素快速水分测定仪测定鱼丸的水分含量，试验中每个时间点选用3个样品进行检测并求平均值。

1.3 理论基础

1.3.1 动力学模型

浓度对反应速率的影响程度可以通过反应级数来体现，级数的选择和确定有多种方式。积分法常用于食品领域。零级反应动力学积分式为

CA=CA0-kt

(1)

式中CA——反应物浓度，单位由实际测量物质确定

t——反应时间，min

k——反应速度常数，单位由实际测量物质确定

一级反应动力学积分式为

lnCA=lnCA0-kt

(2)

1.3.2 动力学参数计算

本研究选用两种常见模型：Arrhenius模型和z值模型计算煮制过程中鱼丸品质变化的D值、z值、反应速率k及反应活化能Ea值[26]。当煮制过程中鱼丸品质变化符合一级动力学反应时，可通过式(2)计算出反应速度常数k，根据式(3)计算出D值。

(3)

式中D——食品品质在特定温度下变化一个对数周期所需要的时间，min

z值的计算公式为

(4)

式中z——D值变化一个对数周期所需要的温度， ℃

T——温度，K

Arrhenius模型中，Ea值的计算公式为

(5)

式中R——8.314 J/(mol·K)

k0——指数前置因子

1.3.3 数据处理

对鱼丸各品质指标的变化采用Origin 2018软件进行线性和非线性拟合分析，分别获取零级和一级动力学反应的相关系数R2，并根据相关系数确定反应级数，若品质指标变化属于一级动力学反应，通过式(3)求出各指标不同温度下的D值。根据式(4)～(5)对lgD和T、lnk和1/T进行线性回归分析，求出相应z值和Ea值。

2 结果与分析

2.1 颜色变化

食品的色泽不仅是烹调食物的感官特性指标，也直接影响着消费者对烹调食物的接受程度[27]。煮制过程中鱼丸颜色变化如图1所示，鱼丸的亮度值(L*)随煮制时间延长而增加，源于煮制过程中汁液在肉表面的累积使得光反射增强，而试验数据显示白度值(w*)的变化趋势比人肉眼感官变化明显。

选用最小二乘法对鱼丸颜色变化进行拟合，并对其lgD-T、lnk-1/T进行线性回归分析，根据公式求出动力学模型及对应的参数，如表1、图2和图3所示。由表1可知，煮制过程中鱼丸颜色变化零级反应拟合的平均相关系数小于一级反应拟合的相关系数，说明其亮度值(L*)和白度值(w*)变化遵循一级反应动力学模型。煮制过程中鱼丸L*和w*变化的z值分别为19.37和33.43 ℃，活化能Ea值分别为119.99和69.52 kJ/mol。该结果与OHLSSON T[28]的研究结果接近，其猪肝泥和鱼饼L*的z值分别为21和25 ℃，稍大于鱼丸煮制颜色变化的z值。石宇等[16]测定了70～80 ℃温度范围内煮制西式火腿颜色变化，得到其L*、a*的z值分别为49.69和41.85 ℃，结果大于本试验鱼丸煮制颜色变化的z值。综上，表明鱼丸颜色变化对温度更加敏感。

图1 鱼丸煮制过程中颜色变化Fig.1 Changes of color during cooking process of fish ball

表1 不同加热条件下鱼丸L*和w*变化反应动力学参数

图2 鱼丸L*和w*变化的z值Fig.2 Curves of z values of changes of L* and w* in Fish ball

图3 鱼丸L*和w*变化的Arrhenius图Fig.3 Arrhenius diagram of changes of L* and w* in fish ball

2.2 水分含量变化

水分的存在形式和状态影响肉制品的嫩度[29]。因此在鱼丸煮制过程中，水分含量是表征过热的品质因子。鱼丸在煮制过程中的水分含量变化如图4所示，随着煮制时间的延长，鱼丸水分含量增加，且温度越高，变化速率越快。

图4 鱼丸煮制过程水分含量的变化Fig.4 Changes of moisture content during cooking process of fish ball

选用最小二乘法对鱼丸水分含量变化进行拟合，并对其lgD-T、lnk-1/T进行线性回归分析，根据公式求出动力学模型及对应的参数，如表2和图5所示。由表2可知，煮制过程中鱼丸水分含量变化零级反应动力学的平均相关系数等于一级动力学的平均相关系数，故默认水分含量变化遵循一级动力学模型。 煮制过程中鱼丸水分含量变化的Ea值为39.39 kJ/mol，z值为59.11 ℃。程芬等[20]研究了蒜薹油炒过程中的水分含量变化，测得其Ea值为46.70 kJ/mol，z值为62.50 ℃。石宇等[16]研究了西式火腿在煮制过程中的水分含量变化，测得其Ea值为52.22 kJ/mol，z值为44.45 ℃。本试验与以上研究水分含量变化规律一致，但由于温度范围与研究对象不同，导致与本试验得到的Ea值和z值有一定差异。

表2 不同温度煮制鱼丸水分含量变化反应动力学参数

表3 不同温度煮制鱼丸剪切力变化反应动力学参数

2.3 剪切力变化

炖煮时间的长短会影响肉品嫩度[30]。剪切力是一种能精确反映食品品质变化的客观测量肉类嫩度的方法[31]。因此，将剪切力作为鱼丸煮制过程中表征成熟的品质因子。煮制过程中鱼丸剪切力变化如图6所示，剪切力随煮制时间的延长而增加，煮制时间为100 min后，75 ℃剪切力最高，而70、80和85 ℃时，其剪切力随温度增加而增大但都低于75 ℃剪切力。该结果与石宇等[16]西式火腿低温烹饪能改善嫩度结论不一致，原因可能是鱼丸和西式火腿都属于再制食品，但二者组成成分及结构特性不同。

图6 鱼丸剪切力的变化Fig.6 Changes of shear force of fish ball

选用最小二乘法对鱼丸剪切力变化进行拟合，并对其lnk-1/T进行线性回归分析，根据公式求出反应动力学参数，如表3和图7所示。煮制过程中鱼丸剪切力变化零级反应动力学的平均相关系数大于一级动力学的平均相关系数，表明剪切力变化遵循零级动力学模型，Ea值为49.18 kJ/mol，相关系数为0.893 8。

图7 鱼丸剪切力变化的Arrhenius图Fig.7 Arrhenius plot for changes of shear force in fish ball

3 结论

煮制过程中鱼丸亮度值、白度值和水分含量的变化均遵循一级动力学模型，而剪切力变化遵循零级动力学模型。鱼丸亮度值和白度值的z值分别为19.37和33.43 ℃，Ea值分别为119.99和69.52 kJ/mol。水分含量的Ea值为39.39 kJ/mol，z值为59.11 ℃，大于亮度值和白度值的z值，满足烹饪操作优化的前提条件，证明鱼丸在煮制过程中存在优化空间，为推进鱼丸产业化生产提供基础动力学参数，也为家庭烹饪科学合理地利用热源提供指导，从而提高鱼丸的食用品质。后续研究在此基础上将对鱼丸煮制条件、品质稳定性等问题进行优化。