基于层次分析法优化凡纳滨对虾(Penaeus vannamei)热风干燥工艺

张泽伟,董春雨,吉宏武*,张迪,刘书成,2,苏伟明

1(广东海洋大学 食品科技学院,广东省水产品加工与安全重点实验室,广东省海洋生物制品工程实验室,广东省海洋食品工程技术研究中心,水产深加工广东普通高等学校重点实验室,广东 湛江,524088)2(海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心(大连工业大学),辽宁 大连,116034)

凡纳滨对虾(Penaeusvannamei)肉质鲜美,营养价值高,为全世界最受欢迎的海产品之一[1]。同时也是我国重要的经济养殖虾类,2020年总产量达到186.29万t[2]。鲜虾的易腐性、地域性和季节性等特性限制了其鲜活销售,因此捕捞后需及时进行加工处理[3]。目前虾的加工方式主要包括:冷冻、蒸煮、干燥等。与冷冻和蒸煮方式相比,干燥更具有优势,其不仅可延长贮藏时间、减少贮藏空间,还赋予产品浓郁的香气,富有嚼劲的口感[4]。热风干燥因设备投资少,操作简单,适应性强,卫生条件较好,仍是水产品主要加工方式[5]。

在干燥过程中,干燥温度、时间和虾干的水分含量等因素影响着虾干的感官品质,如质构、色泽、气味等。蔡林林等[6]研究发现干燥温度与虾仁的硬度呈正相关;胡梦月等[7]报道了随热风干燥时间增长,水分含量减少,虾干硬度增大,挥发性成分含量显著增加,使虾干呈现果香和浓郁的烤肉香。因此在评价虾干的品质优劣时,需要同时考察虾干的多种感官指标。感官评分是一种通过人的味觉、触觉、视觉、嗅觉和听觉等感官对食品品质进行评分的科学方法,具有简便、判断迅速的优点,但其属于主观评价的方法,其结果受感官人员个人嗜好,口味等不稳定因素影响[8]。此外,虾干的感官品质指标较多,简单的感官评价已无法满足对虾干制品的综合评价。而层次分析法可把复杂问题表示为有序的递阶层次结构,是一种对各评价指标赋予权重系数,通过权重系数与客观数据进行定量计算,对方案进行综合评分的决策方法[9]。该方法还能反映指标的重要程度,又避免单一指标评价的片面性,其计算结果客观合理,得到的决策更加客观化,可克服主观评价的缺陷[10]。目前已逐步应用于中药提取工艺[11]、鲜虾品质评价[12]、鲜虾热烫-冷冻工艺[13]等领域,然而在虾干品质的综合评价中鲜见报道。

本研究以凡纳滨对虾为原料,控制热风干燥温度(65～105 ℃),调节干燥时间,使虾干水分含量低于25%,对虾干的色泽、质构特性、挥发性成分和初始菌落总数等指标进行测定,基于层次分析法对虾干品质进行综合评价,以探究热风干燥工艺和虾干的品质变化,为热风干燥工艺的优化和虾干品质质控提供基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜活的凡纳滨对虾[(18±2) g]购自湛江市霞山水产品批发市场,加冰保鲜,运送至实验室。

壬酸甲酯标准品(纯度≥99.8%,色谱纯),美国Supelco公司;PCA平板计数琼脂,北京陆桥技术股份有限公司;NaCl(分析纯),广东光华科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

InertCap®Pure-WAX石英毛细柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)、TQ8050 NX型气相色谱-质谱联用仪,日本岛津公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相萃取头,美国Supelco公司;DHG-9023A型电热鼓风干燥箱,上海合恒仪器设备有限公司;CR-20色差仪,日本柯尼卡美能达公司;TMS-Pro型物性分析质构仪,美国FTC公司。

1.3 实验方法

1.3.1 虾干制备

对虾洗净、沥干附水,平铺于不锈钢丝网上,置于风速为0.5 m/s的恒温鼓风干燥箱中。设置不同干燥温度(65、75、85、95、105 ℃)进行干燥,烘至水分含量为25、22、19、16、13 g/100 g后停止干燥,将虾干样品取出放入干燥器中备用。虾干水分含量的测定方法参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。样品命名格式为“温度-水分含量”,例65-13。

1.3.2 质构的测定

根据段少奇等[14]的方法,稍作修改。将样品剥壳,剪取虾腹的第二腹节,采用质构剖面分析(texture profile analysis,TPA)法测定虾干的硬度和咀嚼性。测试参数:平底柱形探头P/0.5(直径5 mm),初始力0.5 N,测试前速率1 mm/s,测试速率1 mm/s,测试后速率1 mm/s,变形程度25%,间隔2 s。每组样品设定6个平行样,取平均值。

1.3.3 虾干制备

取头胸侧面与倒数第二腹节,用色差仪分别测量其色泽,记录L*、a*和b*值,其中L*代表明度值,值越大,越明亮;a*值表示红-绿色度值,值越大,色泽越红;b*值代表黄-蓝色度,值越大,色泽越黄。每组样品设定5个平行样,取平均值。

1.3.4 初始菌落总数的测定

样品烘干后,装入已高温灭菌的包装袋中,封口,-70 ℃超低温冰箱中保存备用。菌落总数的测定方法参照GB 4789.2—2022《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》。

1.3.5 挥发性成分的萃取

参考ZHANG等[15]的方法,稍作改动。虾干经万能粉碎机打碎成粉末。准确称取2.00 g虾粉装入40 mL的顶空瓶内,加入2 μL的壬酸甲酯标准溶液(218.75 μg/mL,溶于甲醇),加盖密封。将提前老化好的萃取针插入密封的顶空瓶中,将瓶子放置于60 ℃的恒温水浴锅中,萃取35 min。萃取完后立即将萃取针转移到GC进样口,于250 ℃下解吸5 min,同时启动仪器采集检测数据。

1.3.6 GC-MS条件

色谱条件:色谱柱为InertCap®Pure-WAX石英毛细柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);载气为He,流速为1.0 mL/min;不分流进样。程序升温:柱子初温40 ℃,保持3 min,以4 ℃/min升温至100 ℃,保持2 min,再以8 ℃/min升至230 ℃,保持5 min。

MS条件:电子轰击(electron ionization,EI)离子源,电子能量70 eV,接口温度250 ℃,离子源温度230 ℃,质量扫描范围m/z33～550,采集方式为Q3扫描。

1.3.7 挥发性成分定性与定量

依据挥发性成分的总离子流图,对峰面积最大的前200个峰进行积分,通过对NIST05和Wiley07数据库进行相似度检索,选择相似度达80%以上的成分结构信息,确定各挥发性成分的名称。

根据内标物(壬酸甲酯)的质量浓度与峰面积,与鉴定出的化合物的峰面积,计算出每种物质的含量,计算如公式(1)所示:

(1)

式中:ρi,化合物的质量浓度,ng/g;Ai和As,分别为化合物i的峰面积与内标物的峰面积;m样,虾干样品的质量,g;ms,壬酸甲酯的质量,ng。

1.3.8 气味活性值(odor activity value,OAV)

OAV定义为香气成分在香气体系中的浓度(C)与其气味阈值(T)的比值[16],按公式(2)计算:

(2)

OAV≥1的化合物被确定为对虾热风干制品的气味活性物质,OAV≥10的化合物可进一步定义为主体气味活性物质[17]。

1.3.9 虾干品质综合评价模型的建立与综合评分计算[18]

核心指标的筛选:为了确定热风干制虾干的最佳工艺参数的试验目的,结合测定的虾干指标,筛选出与虾干品质相关的评价指标,分别为色泽(头胸a*值、头胸b*值、腹部a*值、腹部b*值)、挥发性成分(吡嗪类、醛类、胺类)、质构(硬度、咀嚼性)和菌落总数。

评价模型结构的构建:根据指标间的相互关系以及层次隶属关系,构建目标层、准则层、指标层和方案层。其虾干品质综合评价模型结构图如图1所示。

图1 热风干燥凡纳滨对虾品质综合评价模型结构图

指标的原始数据无量纲化:由于各指标数据所代表的特性不一致,为消除不同量纲和数量级对品质评价的影响,需将各指标的原始数据进行无量纲处理。根据其特性确定理想值(x0),如a*值,b*值,吡嗪类、醛类、胺类的含量均为正指标,测定值越大越好;硬度、咀嚼性为中性指标,经专家意见和感官人员评分,确定85-19样品的硬度和咀嚼性最佳。菌落总数为负指标,测定值越小越好。

根据极差标准化法,将各指标的原始数据进行无量纲处理,化成0-1的标准化数值。如公式(3)、公式(4)所示:

(3)

(4)

式中:Ai,归一化后的值,min(x1)、max(x2)和x0分别为指标系列中最小值、最大值和理想值。

判断矩阵的构造:为了判断不同指标对综合评价的重要性,需要确定各个指标的权重系数。根据数据分析、专家意见和感官人员的评分,对影响虾干品质指标间的重要性进行定性评价,依据Saaty九标度法(表1)建立判断矩阵,计算矩阵的最大特征向量λmax和各指标所对应的标准化特征向量,其标准化特征向量为各指标的权重系数。

表1 标度1-9的含义

检验判断矩阵的一致性:根据公式(5)、公式(6)分别计算出一致性指标CI和一致性比率CR。

(5)

(6)

式中:n,矩阵的阶数;RI,随机一致性指标均值,其值如表2所示。

表2 RI值

当CR<0.1时,说明判断矩阵通过一致性检验;当CR≥0.1时,说明矩阵不具有合理一致性。矩阵构建不合理,需再一次构造判断矩阵,再进行检验。

虾干品质综合评分的计算:将归一化的指标数据与对应的组合权重系数做内积,即可得到各样品的综合评分Yi,见公式(7):

(7)

式中:aij,各指标归一化的数值;mj,各种指标aij对应的组合权重系数。

1.4 数据处理

除质构和色泽测定外,均作3次平行试验,结果用平均值±标准差表示,使用SPSS 23.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA)检验显著性差异(P<0.05)。Origin 2017对实验数据进行绘图。

2 结果与分析

2.1 热风干燥对凡纳滨对虾虾干色泽的影响

色泽是判断虾干品质和影响消费者选购的主要指标之一。优质虾干的虾壳呈红白色,有光泽,虾肉呈橙红色。干燥初期,随着虾体温度升高,蛋白质逐渐变性,与蛋白相结合的色素分子被释放出来,虾体呈现红黄色[14]。如表3所示,随着干燥的进行,虾体的色泽发生了变化,当干燥温度≥95 ℃,水分含量≤16%时,虾干的头胸部和腹部的a*、b*值显著小于其他干燥条件。随着干燥的进行,虾体的蛋白质、氨基酸和脂质等物质逐渐发生了美拉德反应和脂质氧化反应等化学反应,造成类黑色素和脂质氧化聚合物的堆积,以及类胡萝卜色素分子的氧化和异构化,引起了虾体a*、b*值的下降。温度的升高,水分含量的下降,都促进了反应的进行[19]。在干燥过程中,头胸部和腹部的L*值变化不明显。因此选取色泽作为热风干燥凡纳滨对虾品质综合评价模型的准则层,选取头胸部和腹部的a*、b*值作为色泽的指标层。

表3 不同干燥条件凡纳滨对虾头胸部与腹部的色泽变化

2.2 热风干燥对凡纳滨对虾虾干初始菌落总数的影响

干制品的菌落总数是评定产品安全性,预测产品可食性的重要指标。如图2所示,虾干初始菌落总数随干燥温度的升高而下降;当温度从65升至85 ℃,初始菌落总数显著下降,之后随温度上升,菌落总数虽下降但变化不显著。当干燥温度为65和75 ℃,随着干燥时间增加,水分含量下降,虾干菌落总数显著下降;当干燥温度为85、95、105 ℃,虾干的菌落总数不会随水分含量的下降而减少。热加工过程中,样品的菌落总数会随温度的升高,加热时间的增加而减少,减少到一定程度后,数量趋于稳定。在干燥过程中,鲜虾原始微生物群中脆弱或热敏性的微生物先被杀灭,留下耐热性较强的个体或芽孢,使灭菌后期菌落总数趋于稳定[20]。根据GB 10136—2015《食品安全国家标准 动物性水产制品》,即食水产制品的微生物限量为5×104CFU/g,所有样品的初始菌落总数均小于限量,产品菌落总数指标合格。

图2 热风干燥对凡纳滨对虾初始菌落总数的影响

2.3 热风干燥对凡纳滨对虾虾干质构的影响

如图3所示,热风干燥过程中,虾干的硬度和咀嚼性受干燥条件影响,随着干燥温度上升,烘干时间增加,水分含量减少而硬度和咀嚼性逐渐增大,其中105-13虾干硬度和咀嚼性最大。当水分含量相同时,使用较高温度干燥的虾干的硬度和咀嚼性较大。因为烘箱干燥主要是利用对流传热,其传热速度慢,较高的烘干温度,导致虾干表面温度上升较快,出现表面温度较高,而内部温度较低的现象;表面水分蒸发的速率大于水分从内部扩散到表面的速率,导致表面发生硬化现象[21]。优质虾干应虾肉紧密、柔韧、有嚼劲;干燥温度较低,水分含量较高的虾干,其硬度和咀嚼性较小,虾肉不紧密且发黏;干燥温度较高,水分含量较低的虾干,因大量水分从肌纤维内部流出,使纤维之间黏结,虾肉变硬,难以咀嚼。根据数据分析、文献参考、专家意见和感官人员评分,确定85-19样品的硬度和咀嚼性最佳。因此将质构指标的原始数据进行无量纲处理时,样品的硬度与咀嚼性小于样品85-19时,使用公式(3),反之使用公式(4)。

a-硬度;b-咀嚼性

2.4 热风干燥对凡纳滨对虾虾干挥发性成分的影响

气味是评价食品质量的重要指标,也是消费者购买的重要判断依据[22]。采用GC-MS分析虾干挥发性化合物,以壬酸甲酯为内标物进行定量,计算出虾干的气味活性物质,其结果如图4、电子增强出版附表1所示(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032293)。随着干燥温度的上升,水分含量的减少,虾干挥发性成分含量和种类都上升,分别从232.79 ng/g、39种(65-25)增加到1 426.22 ng/g、58种(105-13)。升高温度能够促进美拉德反应和脂类氧化降解等反应的发生与进行。其中吡嗪类、醛类和胺类是3类含量变化最大的挥发性化合物,其含量分别从35.04、51.44、61.00 ng/g(65-25)增加到495.11、313.77、385.62 ng/g(105-13),增加了13.13、5.10和5.32倍,3者的总含量占挥发性成分总含量从68.83%上升到87.99%;同时吡嗪类和醛类化合物种类也变丰富,分别从8、7种增加到19,12种。其结果与HU等[3]研究凡纳滨对虾的干燥过程中吡嗪类、醛类和三甲胺变化一致。

图4 不同干燥条件凡纳滨对虾挥发性成分含量

虾干的气味活性物质的数量和OAV随着干燥温度的上升,水分含量的减少,大幅度增加,分别从7种、90.47增加到17种、1 073.95。25种不同温度、水分含量的虾干样品共筛选出24种气味活性物质,其中吡嗪类4种、醛类10种、胺类1种、酮类2种、醇类3种、杂环类3种、含硫类1种。主体气味活性物质(OAV≥10)共10种,分别为2-乙基-5-甲基吡嗪(坚果味)、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(烤香味、烟熏味)、2,5-二甲基吡嗪(坚果香、烤香味)、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪(烤香味)、三甲胺(青草味、腥味)、2-乙酰-1-吡咯啉(爆米花味)、1-辛烯-3-醇(蘑菇味)、苯甲醛(水果味、花香味)、辛醛(煮土豆味、油脂味)、戊醛(果香)。气味活性物质的种类与文献[15,23-24]研究结果相似。

吡嗪类化合物是虾干制品中一种含量高、阈值低的挥发性化合物,通常呈现烘烤味、肉香味、坚果味等风味特征,对虾干制品特征香气的形成起至关重要的作用[25]。其主要来源于美拉德反应,在干燥过程中,先生成吡嗪的前体物α-氨基羰基化合物,再由2个α-氨基羰基化合物发生缩合反应,形成二氢吡嗪,然后二氢吡嗪可经非氧化或氧化2个途径形成吡嗪[26]。醛类因阈值较低且含量较高,对虾干制品的风味贡献较大。苯甲醛、3-甲基丁醛和2-甲基丁醛是虾干制品重要的气味活性化合物,是经过苯丙氨酸、亮氨酸和异亮氨酸经Strecker降解反应生成,主要贡献了花果香、青草味、烤土豆味。戊醛、辛醛等烷基醛主要贡献果香和煮土豆味,是来源于不饱和脂肪酸热氧化降解反应[27]。三甲胺被认为是水产品中刺激性气味和腥味的主要来源,作为一种评价水产品新鲜度的指标。在热加工中,其主要是由胆碱、甜菜碱、蛋氨酸或三甲胺氧化物的热分解产生。

吡嗪类、醛类和胺类的含量、种类和OAV的占比远高于其他挥发性物质,同时在加热过程中这些化合物含量变化明显,因此选取挥发性成分作为热风干燥凡纳滨对虾品质综合评价模型的准则层,选取吡嗪类、醛类和胺类作为挥发性成分的指标层。

2.5 基于层次分析法确定各指标权重系数

根据Saaty九标度法构建判断矩阵,共构建了1个准则层和4个指标层的判断矩阵,然后计算各指标的权重系数、λmax、和CR(表4),检验判断矩阵的一致性。其中所有CR<0.1,表明所有的判断矩阵都通过一致性检验。根据准则层和指标层的权重系数及关系,算出各指标的权重系数,结果如表5所示。吡嗪类权重系数最大,醛类、硬度和咀嚼性次之。吡嗪类和醛类是虾干的特征香气,虾干理化与卫生指标相同,可能存在香气特征有差异明显现象,从而导致产品流通过程的质量问题投诉事件频发,因此虾香味作为虾干的客观评价重要指标无可替代[28]。

表4 判断矩阵与一致性检验结果

表5 各指标的权重系数

2.6 虾干品质综合评分

根据综合评分Yi(公式7)的计算方式,得出热风干燥凡纳滨对虾的综合评分,结果如表6所示。其中85-19的综合评分最高,为0.711 1分,105-22、85-13、85-16次之。此时虾干色泽均匀,为红黄色;虾肉紧密,柔韧,有嚼劲;虾香味浓郁;微生物指标合格;是一种品质优良的虾干。

表6 热风干燥凡纳滨对虾的综合评分

3 结论

在热风温度65～105 ℃条件进行干燥,使虾干最终水分含量为13%～25%,其硬度、咀嚼性与挥发性成分含量、种类和OAV等指标随着干燥温度上升,烘干时间增加,水分含量减少而逐渐增大,初始菌落总数反之。层次分析法共构建1个准则层和4个指标层的判断矩阵,所有的判断矩阵均通过一致性检验。最终虾干综合评分最高的工艺为:干燥温度85 ℃、虾干水分含量19%。在该条件下,得到一种色泽为红黄色,虾肉紧密、柔韧、有嚼劲,虾香味浓郁,微生物指标合格,品质优良的虾干。层次分析法的构建与运用,为评价虾干品质和确定生产工艺提供一种质量评价方法。