超高压作用下扇贝闭壳肌色差变化探析

巩 雪

哈尔滨商业大学 轻工学院 黑龙江 哈尔滨 150028

0 引言

我国是世界上最大的水产养殖国家，扇贝是主要的养殖产品之一，因高蛋白、低脂肪和营养丰富，深受广大消费者的喜爱。扇贝深加工的关键工序是开壳取肉。近年来，超高压脱壳技术受到食品行业的广泛关注。该技术既能对扇贝进行脱壳和灭菌处理，又能保持食品原有色泽、天然风味、新鲜度和营养价值。然而，采用不同的超高压处理工艺参数会使食品的感官品质有所不同。因此，探索扇贝的最佳超高压处理工艺参数对食品质量和安全具有重要意义。

色差[1-2]是人们评价食品新鲜度的重要指标。相悦等[3]研究了花鲈在冰藏过程中鱼肉色泽变化与新鲜度的关系，结果表明色泽变化是鱼肉中的脂质与肌红蛋白氧化作用的结果，能够直观地反映鱼肉的新鲜度。李肖婵等[4]研究了超高压作用下即食小龙虾的色泽与产品质量和性能的关联性，发现色差可以直接反映食品中色素的降解程度和脂质的氧化程度，能够反映小龙虾在储存中的品质劣变程度，在加工过程中保持食品的色泽至关重要。李永安等[5]研究了温度对三文鱼色差变化的影响，结果表明色差与鱼肉中虾青素的含量相关，可作为评定三文鱼品质的重要指标。杨兆甜等[6]对色差评价在食品领域的应用情况进行了研究，得出食品的色泽可以表征食品在储存过程中的品质特性和变化，能够影响消费者的购买意愿。

本研究将不同超高压工艺参数下处理的扇贝闭壳肌研磨后，利用色差计测得各个试样的绿红度值（a*）、蓝黄度值（b*）和亮度值（L*），并根据色差计算公式，得出不同试验条件下扇贝闭壳肌总色差值（ΔE）的变化规律，找到最佳超高压脱壳工艺参数，以期为后续扇贝超高压保鲜包装技术的研究提供理论参考。

1 试验

1.1 试验材料与仪器

1）试验原料

试验所需扇贝为渤海笔架山海域盛产的海湾扇贝，购买于辽宁省锦州市渤海大学海鲜市场，购买时尽量挑选大小相近的个体，扇贝平均质量为（48±5）g，最长轴直径为（97±5）mm，在鲜活的状态下运送至试验室进行预处理。包装所需PE/PP/PA复合包装袋购买于淘宝佳美塑料包装店铺。

2）主要试剂

硼酸、高氯酸，均为分析纯，购于北京世纪奥科生物技术有限公司；氢氧化钠、无水乙醇、丙三醇等，均为分析纯，购于上海国药集团化学试剂有限公司。

3）主要仪器

超高压处理设备，HPP.L2-600型，天津市华泰森淼生物工程技术股份有限公司；色差计，CR-400型，日本 Konica Minolta 公司；高速离心机，H1850型，湖南湘仪试验室仪器开发有限公司；分析天平，PL602-L型，美国Mettler Toledo公司。

1.2 试样处理

1.2.1 扇贝的预处理

将清理完毕的扇贝置于包装袋中，每个包装袋放入2个，并加入50 mL淡盐水保鲜，封口后进行超高压处理。

1.2.2 超高压处理

对扇贝施加不同强度（100, 200, 300, 400 MPa）的超高压处理，保压一定的时间（0, 60, 120, 180,240 s）后取出。

1.3 扇贝闭壳肌色差的测定

将经过超高压处理的扇贝闭壳肌取下并剪碎，研磨至泥状装入器皿中，压实、排出气泡。测定时，每个样品重复搅拌3次即3组平行实验，每次记录L*、a*、b*数值，其中L*表示亮度值（L*=0 指示黑色，L*=100 指示白色），L*值越低表示样品的亮度越小；a*表示颜色的绿红度值（a*为负值指示绿色，正值指示品红）；b*表示颜色的蓝黄度值（b*为负值指示蓝色，正值指示黄色）。利用记录的L*、a*、b*数值，通过式（1）计算闭壳肌的色差值ΔE，以反映扇贝闭壳肌色差的总体变化[7-8]。

2 超高压作用下扇贝闭壳肌色差的变化

色差是扇贝感官特征评价的一个重要指标。扇贝的色泽也是消费者直观判断扇贝新鲜度和品质的主要因素[9]。超高压作用会促使扇贝闭壳肌发生脂肪氧化、色素降解等反应，影响闭壳肌的色泽，从而导致扇贝的市场接受度降低。

2.1 超高压作用下扇贝闭壳肌a*的变化

根据试验结果，绘制了在不同强度的超高压作用下、保压时间不同时扇贝闭壳肌a*的变化规律曲线，结果如图1所示。

图1 超高压作用下扇贝闭壳肌a*的变化曲线Fig.1 Changes of a* value of adductor muscle of scallop under ultra high pressure

由图1可以看出，随着试验压力的增加，扇贝闭壳肌的a*逐渐降低，当压力超过200 MPa后，a*开始大幅度降低，且a*始终为负值，说明闭壳肌颜色偏向绿色。保压时间越长，闭壳肌a*的变化幅度越大，当保压时间为0 s时，试验压力为100, 400 MPa时闭壳肌a*分别为-4.21和-7.24，与初始值相比，a*分别提高了1.17%和降低了69.95%；当保压时间为240 s时，a*随着压力变化的最明显，当压力为100 MPa时，闭壳肌a*为-3.53，与初始值相比，闭壳肌的a*升高了17.13%，当压力升高至400 MPa时，a*为-12.3，比初始值降低了188.73%。

通过对比保压时间为0 s和240 s时闭壳肌a*的变化程度可以看出，随着保压时间的延长，a*变化幅度越明显，这主要是由于闭壳肌纤维蛋白质高级结构间的非共价键在超高压的作用下发生改变，致使肌肉中的肌红蛋白发生氧化反应变为高铁肌红蛋白[10]。

2.2 超高压作用下扇贝闭壳肌b*的变化

根据试验结果，绘制了在不同强度的超高压作用下、保压时间不同时扇贝闭壳肌b*的变化规律曲线，结果如图2所示。

图2 超高压作用下扇贝闭壳肌b*的变化曲线Fig.2 Changes of b* value of adductor muscle of scallop under ultra high pressure

由图2可知，随着试验压力的增加，扇贝闭壳肌的b*随之增大，且由初期的负值逐渐增大为正值，说明闭壳肌的颜色由蓝色逐渐向黄色转变；当保压时间为0 s和60 s时，随着试验压力的增加闭壳肌b*的变化不明显，但当保压时间延长至120 s甚至更长时，闭壳肌b*的变化幅度显著增大，且随着保压时间的延长而增大；当保压时间为0 s时，试验压力为100 MPa和400 MPa的闭壳肌b*分别为-12.81和-11.49，与初始值相比，分别降低了3.56%和提高了7.11%；当保压时间为240 s时，在不同试验压力下，闭壳肌b*分别为-6.00, -4.68, 3.73和3.99，与初始值相比，分别提高了51.50%, 62.17%, 130.15%和132.26%。由此可见，保压时间的延长可以提高闭壳肌的b*，且b*随着试验压力的增大而增大，特别是当压力由200 MPa升高至300 MPa时，变化趋势最为明显。

随着试验压力的增大b*逐渐增大，由初始的偏向于蓝色逐渐偏向于黄色，这主要是由于扇贝闭壳肌中含有丰富的虾青素，它具有比较强的抗氧化性，当试验压力较低（P≤200 MPa）时，闭壳肌纤维蛋白质与其体内的虾青素结合力较强，使闭壳肌的颜色呈现出蓝色；当试验压力较高（P＞200 MPa）时，闭壳肌纤维中蛋白质的高级结构在压力作用下展开，使蛋白质与虾青素的结合力减弱，闭壳肌的颜色也逐渐转变成了黄色[11]。

2.3 超高压作用下扇贝闭壳肌L*的变化

根据试验结果，绘制了在不同强度的超高压作用下、保压时间不同时扇贝闭壳肌L*的变化规律曲线，结果如图3所示。

图3 超高压作用下扇贝闭壳肌L*的变化曲线Fig.3 Changes of L* value of adductor muscle of scallop under ultra high pressure

由图3可知，随着试验压力的增大，扇贝闭壳肌的L*变化趋势存在着一定的差异。在相同试验压力下，扇贝闭壳肌的亮度L*随着保压时间的增大而增大，这是由于保压时间的延长使闭壳肌熟化，由透明逐渐变成白色。对于同一保压时间而言，不同强度的试验压力下，扇贝闭壳肌的L*基本呈现出先升高后趋于稳定的趋势。当试验压力P≤300 MPa时，扇贝闭壳肌的L*随压力的增大而增大，这主要是由于压力的作用使扇贝闭壳肌纤维中的蛋白质发生变性，肌浆蛋白及原纤维蛋白等发生凝聚引起的闭壳肌表面颜色变化，使闭壳肌的整体亮度提升；当试验压力P＞300 MPa时，闭壳肌表面开始出现熟化现象甚至完全熟化变成白色，使闭壳肌的品质降低，亮度变化不大[12-13]。

2.4 超高压作用下扇贝闭壳肌ΔE的变化

扇贝闭壳肌的总色差值ΔE是根据及各试验压力和保压时间所对应的a*、b*和L*经过计算得到的，因此闭壳肌的总色差值ΔE是在各试验条件下，闭壳肌的亮度值和色度值综合作用的结果，它与闭壳肌的a*、b*和L*都存着一定的联系。根据试验结果，绘制了在不同强度的超高压作用下、保压时间不同时扇贝闭壳肌ΔE的变化规律曲线，结果如图4所示。

图4 超高压作用下扇贝闭壳肌ΔE的变化曲线Fig.4 Changes of ΔE value of adductor muscle of scallop under ultra high pressure

由图4可知，超高压短时间（0, 60 s）作用下，随着试验压力的增大闭壳肌的ΔE持续增大；当保压时间延长至120 s甚至更长时，在一定试验压力范围内（P≤300 MPa），ΔE随着压力的增大而显著增大，但P＞300 MPa的试验压力会使闭壳肌的ΔE出现小幅降低。对于同一试验压力，随着保压时间的延长，闭壳肌的ΔE也随之增大。对于同一保压时间，闭壳肌的色差值随着试验压力的增大，变化幅度不同。当保压时间为240 s时，各试验压力所对应的ΔE值分别为16.08, 27.42, 46.48和45.90，总色差值显著提升；试验压力由200 MPa增大至300 MPa的过程中，ΔE值提升幅度尤其明显。

在超高压的作用下，闭壳肌的色度值、亮度值的变化决定了闭壳肌总色差值的变化。根据试验结果，当试验压力超过300 MPa或者保压时间超过120 s时，扇贝闭壳肌的总色差值均大于12.0，与新鲜扇贝闭壳肌的色差呈现出较大的差异，这主要是由于闭壳肌组织中的类胡萝卜素、肌红蛋白和血红蛋白等血红色素在超高压的作用下发生变化，引起闭壳肌肌肉纤维颜色的变化，同时超高压作用导致了闭壳肌纤维蛋白质变质，使闭壳肌透明度降低，亮度提升，色度变化，这也是导致闭壳肌色差值改变的重要因素。该结论与相关研究[14-15]所得到的结果是一致的。

3 基于扇贝闭壳肌总色差值的超高压工艺参数优化

3.1 试验因素水平表

根据单因素试验结果和试验数据的显著性分析，选定了参数优化的试验压力范围为100～300 MPa、保压时间为60～180 s，以试验压力（X1）和保压时间（X2）为自变量，以扇贝闭壳肌的色差（a*：Y1；b*：Y2；L*：Y3；ΔE：Y4）为响应值，进行了二因素五水平的试验设计，因素水平表如表1所示。

表1 试验因素水平表Table 1 The level of experimental factors

3.2 试验安排与结果

根据中心组合设计（central composite design，CCD）原理[16-19]，进行了试验安排和设计，以及超高压工艺参数优化试验，优化试验安排与试验结果如表2所示。

表2 试验安排与结果Table 2 The experimental arrangement and results

3.3 超高压对扇贝闭壳肌色差影响的响应面分析

3.3.1 对扇贝闭壳肌a*的影响

根据表2优化试验条件下所得闭壳肌的绿红度值结果，可以得到了扇贝闭壳肌在不同超高压条件下a*的变化规律，并建立了回归方程：

对所建立的回归模型进行方差分析，分析结果如表3所示。

表3 Y1的回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model for Y1

由表3可知，建立的回归方程极显著（F=1061.00，P＜0.0001），说明回归模型可以有效地表征响应值（Y1）与试验压力（X1）、保压时间（X2）的关系，失拟项F值为0.48，P值为0.3212＞0.05，说明与模型变量相比，失拟项的影响不显著，模型比较准确高效；该回归模型的相关系数R2=0.9907，调整后的相关系数两个相关系数的取值都接近于1，证明回归模型具有比较好的拟合度[20-22]，可以有效地说明扇贝闭壳肌的绿红度值与试验因素之间的变化规律。

在Y1的回归模型中，除了一次项X2不显著之外，其它的一次项、二次项和交互项均呈现出极显著性，说明各试验因素及其交互作用对响应值变化非常明显，即闭壳肌的a*与试验压力、保压时间具有很强的非线性关联[23-24]。

根据所建立的回归方程，可以绘制响应值与试验因素间相应的响应面曲线和等高线，拟合得到的响应面曲线的陡峭程度和等高线的形状可以直观地反映各试验因素与响应值之间的变化趋势及交互作用的影响。根据试验数据和回归模型，可以得到扇贝闭壳肌a*与试验压力、保压时间之间的响应面曲线和等高线，结果如图5所示。

图5 扇贝闭壳肌a*与试验因素的响应面曲线和等高线Fig.5 Response surface curves and contours of scallop adductor muscle a* and experimental factors

由图5可以看出，响应面曲线具有较大的陡峭程度，说明扇贝闭壳肌绿红度值与试验因素之间的关系极显著；等高线呈现出比较标准的椭圆形且最大值集中在一个区域内，说明试验因素的交互作用非常显著，对响应值的变化量影响也很明显，这与方差分析所得的结论基本一致。由等高线图还可以看出，扇贝闭壳肌的a*最大值集中在50～200 MPa、60～190 s所围成的椭圆范围内；再根据响应面得到闭壳肌a*的极大值为-3.495，取得该极值时对应的试验参数为试验压力100 MPa、保持180 s。

根据所得优化结果，在优化试验条件下进行了3次重复试验，得到扇贝闭壳肌a*的平均值为-3.63，误差约为3.86%，说明该模型可以比较准确地预测不同试验条件下扇贝闭壳肌的a*变化。

彩图

3.3.2 对扇贝闭壳肌b*的影响

根据表2优化试验的结果，得到了扇贝闭壳肌蓝黄度值随试验条件变化的规律，并建立了回归方程：

对所建立的回归模型进行方差分析，结果如表4所示。回归方程中的各变量与响应值之间影响的显著性取决于F检验的结果，F值越大、P值越小表示显著程度越高。

由表4可知，所建立回归方程的F=38.64，P＜0.0001，说明该回归模型极显著；失拟项P=0.1200＞0.05不显著，说明该回归方程可以很好地反映试验因素X1、X2与扇贝闭壳肌b*之间的关系；对响应值Y2的影响极显著（P＜0.01），影响不显著（P＞0.05），由此可以判断，试验因素对扇贝闭壳肌b*的影响由强至弱为：X1（试验压力）、X2（保压时间）。

表4 Y2的回归模型方差分析Table 4 The variance analysis of regression model of Y2

根据方差分析结果（见表4），所建立的各试验因素X1、X2与扇贝闭壳肌b*之间回归方程的相关系数R=0.9650，调整相关系数说明该回归方程的拟合度比较高，可以有效地预测扇贝闭壳肌b*与试验压力、保压时间之间的关系，试验数据的离散程度较小，可靠性较高。

根据试验数据和回归模型，可以得到扇贝闭壳肌蓝黄度值与试验压力、保压时间之间的响应面曲线和等高线，结果如图6所示。

图6 扇贝闭壳肌b*与试验因素的响应面曲线和等高线Fig.6 The response surface curve and contour line of scallop adductor muscle b* and experimental factors

彩图

由图6可知，随着试验压力增大、保压时间延长，扇贝闭壳肌的b*呈现先降低再升高的变化趋势，这与单因素所得试验结果相符。响应曲面的坡度比较明显，说明两因素对扇贝闭壳肌b*的影响比较显著，这与回归方程方差分析结果一致。等高线形状趋近于椭圆形，说明试验压力和保压时间的交互作用对扇贝闭壳肌b*的影响极显著，这一结果也与方差分析结果一致。

根据Design-Expert 10.0软件的分析结果，可以确定当试验压力X1=300 MPa、保压时间X2=180 s时，扇贝闭壳肌b*取得极大值为3.043。根据优化试验条件进行3次重复试验，测定扇贝闭壳肌b*平均值为3.140，误差约为3.19%，说明预测值与实测值比较接近，建立的回归模型能比较准确地预测扇贝闭壳肌b*与各试验因素之间的变化关系。

3.3.3 对扇贝闭壳肌L*的影响

根据表2的试验结果，本研究对扇贝闭壳肌L*与各试验因素的变化规律进行分析，得到扇贝闭壳肌L*与试验压力、保压时间之间的关系。建立的回归方程如下：

对所建立的回归模型进行方差分析，结果如表5所示。

表5 Y3的回归模型方差分析Table 5 The variance analysis of regression model for Y3

由表5中的方差分析可知，建立的回归方程极显著（F=425.51，P＜0.0001），失拟项P值为0.6100＞0.05，为不显著，说明模型的拟合度很好，可以很好说明扇贝闭壳肌L*的变化规律。模型的相关系数R2为0.9944，调整相关系数为 0.9769，变异系数C.V.=1.23%，说明所建立的回归方程能够很好地预测超高压处理后闭壳肌的亮度值（Y3）与试验压力（X1）和保压时间（X2）的变化关系。

由表5中的回归系数显著性分析结果可知，一次项X1和X2、交互项X1X2和二次项对闭壳肌亮度值的影响均具有极显著性（P＜0.01）。比对各试验因素的F值可知，试验因素对扇贝闭壳肌L*的影响由强到弱为：X1（试验压力）、X2（保压时间）。

根据试验数据和回归模型，可以得出闭壳肌亮度值与试验压力、保压时间之间的响应面曲线和等高线，结果如图7所示。

图7 扇贝闭壳肌L*与试验因素的响应面曲线和等高线Fig.7 Response surface curve and contour line of scallop adductor muscle L* and experimental factors

彩图

由图7可知，当试验压力增加、保压时间延长时，扇贝闭壳肌L*的变化规律性不强。由等高线图可以看出，等高线轮廓趋近于椭圆形，这也进一步说明了试验因素交互作用的显著性。扇贝闭壳肌L*与试验因素X1、X2的响应面曲线比较陡峭，说明试验因素对响应值的影响比较显著，这与方差分析的结果一致。

扇贝闭壳肌L*与试验因素X1、X2的响应面和等高线的分析结果表明，当试验压力X1=300 MPa、保压时间X2=180 s时，闭壳肌亮度取得极大值为91.60。在优化试验条件下进行了3次重复试验，得到扇贝闭壳肌L*平均值为92.32，这与预测值比较接近，说明本研究所建立的回归方程能够很好地反映闭壳肌亮度值与试验压力、保压时间之间的关系。

3.3.4 对扇贝闭壳肌ΔE的影响

利用Design-Expert 10.0软件进行试验设计，并对表2中的扇贝闭壳肌ΔE与试验压力、保压时间进行二次回归拟合。建立的二元二次回归方程为：

对所建立的回归模型进行方差分析，结果如表6所示。

表6 Y4的回归模型方差分析Table 6 The variance analysis of regression model for Y4

由表6可知，回归模型呈现出极显著性（F=372.82，P＜0.0001），失拟项的F值为13.76，P值为0.6300＞0.05，相关系数R2=0.9936，调整相关系数变异系数C.V.=5.56%，说明所建立的模型拟合程度良好，并可以很好地说明扇贝闭壳肌总色差值与试验因素之间的变化规律。此外，在回归方程中除了以外的其他各项（包括一次项、交互项和二次项）对响应值的影响都比较显著，均显示出了极强的显著性（P＜0.01）。根据各因素的F值结果可以看出，试验因素对扇贝闭壳肌ΔE的影响由强到弱为：X1（试验压力）、X2（保压时间）。

为了直观地探究试验因素与响应值之间的关系，根据试验数据和回归模型，绘制了闭壳肌总色差值与试验压力、保压时间之间响应面曲线和等高线，结果如图8所示。

图8 扇贝闭壳肌色差值与试验因素的响应面曲线和等高线Fig.8 Response surface curve and contour line of scallop color difference value and experimental factors

彩图

由图8可知，随着试验压力增加、保压时间延长，扇贝闭壳肌的总色差值逐渐增大，响应面曲线具有较大坡度，等高线也趋于椭圆形，这也说明了试验因素的交互作用比较明显，这与方差分析所得结果一致。

扇贝闭壳肌ΔE与试验因素X1、X2的响应面和等高线的分析结果表明，当试验压力X1=300 MPa、保压时间X2=180 s时，闭壳肌ΔE取得极大值为43.12。在优化试验条件下进行了3次重复试验，得出该条件下闭壳肌总色差值的平均值为43.74，实测值与预测值之间的误差为1.44%，这说明回归模型可以很好地反映出闭壳肌总色差值与试验压力、保压时间之间的响应关系。

为了简化试验，基于单因素试验结果，利用CCD试验设计方法进行优化，得到扇贝闭壳肌色差取得极大值时所对应的工艺参数，并利用Design-Expert软件进行分析计算，得到超高压处理扇贝的最佳工艺参数为试验压力206 MPa、保压时间100 s。此条件下扇贝闭壳肌的a*=-5.01,b*=-12.19,L*=67.12, ΔE= 11.61，该色差值与初始值比较接近。可见，本优化工艺提高了扇贝闭壳肌的亮度，改善了扇贝闭壳肌色泽。

4 结论

在不同超高压条件下处理扇贝，利用色差计测得扇贝闭壳肌的a*、b*和L*，并根据色差计算公式，得出不同试验条件下扇贝闭壳肌的ΔE，通过研究ΔE的变化规律，找到最佳试验条件，得到结论如下。

1）随着试验压力的增大，扇贝闭壳肌a*逐渐降低，b*随之提高，L*呈现出先升高后稳定的趋势，ΔE则呈现出先升高后降低的趋势。

2）对于同一试验压力，随着保压时间的延长，闭壳肌的总色差值ΔE随之增大，对于同一保压时间，当试验压力由200 MPa增至300 MPa的过程中，ΔE提升幅度尤为明显。

3）通过超高压试验和优化试验，得到扇贝闭壳肌色差取得最优值时的工艺参数为：试验压力P=206 MPa、保压时间t=100 s。此时扇贝的色差值与初始值比较接近，红度和蓝度值得到改善，亮度值提高，即改善了扇贝闭壳肌的色泽和感官。