温度波动对冻藏南美白对虾品质的影响

孙志利,张洁玲,陈小宝,陈兰,候思聪,任彤,焦峰,梁迪,李金涛

(天津商业大学 机械工程学院,天津,300400)

南美白对虾,又名凡纳滨对虾,由于其生长发育快、环境适应性和病毒抵御性强、且营养美味,现已成为全球最重要的水产养殖对虾物种之一[1]。南美白对虾在贮藏过程中很容易受到外部环境以及内部微生物的影响而产生生化降解,导致腐败变质[2]。为了抑制其腐败变质的速度,人们多采用冷冻的方法进行贮藏[3]。但由于冻藏期间温度波动的存在,会引起细胞内小冰晶的减少、消失和大冰晶的生长,以及细胞汁液的浓缩,进而引起细胞机械受损以及蛋白质和脂肪的变性,加速肉的腐败,降低其可食性[4]。

司徒慧媛等[5]研究发现冷链流通过程中,金鲳鱼因温度波动而存在潜在的质量安全风险。崔昊昕等[4]研究了-3.5 ℃微冻情况下温度波动对猪肉和鲑鱼质量的影响,发现温度波动会导致肌肉结构完整性的破坏,加速食品的腐败变质。温度波动对冻品的品质控制很重要,研究也很多,但是大多集中在冷链流通过程中温度变化对冻品品质的影响,以及微冻贮藏时温度波动对冻品品质的影响,关于温度波动对冷冻贮藏冻品品质影响的研究较少[6]。因此,本研究将南美白对虾置于-18 ℃的冷柜中,并给冷柜设置不同的温度波动(±0.5、±2、±4、±6、±8 ℃),探究不同温度波动对冻藏南美白对虾挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)值、硫代巴比妥酸反应物(thiobarbituric acid reactive substance,TBARS)值、L*值、硬度、弹性、咀嚼性等指标的影响[7],并与-40 ℃条件下的冻藏结果做对比。研究结果为降低低温贮藏设备中的温度波动提供理论依据,以减少虾类制品的冷冻损失。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

南美白对虾购买自天津市北辰区天利水产批发配送中心,选取新鲜、虾体长度(15.00±0.62) cm,质量(28.35±1.06) g的南美白对虾,30 min内运送到试验室,用冰水猝死。

试验所用试剂：氧化镁、甲基红指示剂、溴甲酚绿指示剂、乙醇,网化(山东)化学科技有限公司;丙二醛、三氯乙酸、乙二胺四乙酸二钠,天津卓越创鑫科技有限公司;硼酸、盐酸、硫代巴比妥酸,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

UDK159全自动凯氏定氮仪,意大利VELP公司;AH100B高压纳米均质机,上海ATS ENGINEERING INC公司;Thermo Evolution 201紫外可见分光光度计,美国Thermo Scientific公司;SPX-100B-D型振荡培养箱,上海博迅实业有限公司医疗设备厂;JC-SY型数显恒温水浴锅,上海成顺仪器仪表有限公司;Ultrascan PRO台式分光光度计,美国Hunterlab公司;TA-XT plus物性测试仪,英国Stable Micro System公司。

1.3 实验方法

1.3.1 实验设计

本实验设计了5个温度波动组和1个对照组,不同温度波动组冷柜的温度分别为(-18±0.5)、(-18±2)、(-18±4)、(-18±6)、(-18±8) ℃,对照组冷柜温度为-40 ℃。每组冷柜中的样品又都以南美白对虾全虾和南美白对虾虾仁2种方式冻藏。

将猝死后的南美白对虾随机分为2组,其中一组带壳,另一组去掉头部、尾部、虾线和虾壳制成虾仁,用预冷蒸馏水冲洗干净后,置于真空包装袋中抽真空并在速冻机中速冻处理到-18 ℃。之后把南美白对虾全虾和虾仁分别冻藏在不同温度波动组的冷柜中,冷冻贮藏总时长120 d,以30 d为1周期,定期取出南美白对虾样品放到4 ℃冰箱中解冻,解冻时长为12 h[8],而后测定不同温度波动组和对照组中全虾和虾仁的各物化指标。

其中不同温度波动组的冷柜通过可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)实现对冷柜温度波动的控制[8]。在冻藏过程中,用PT 100热电阻对冷柜温度进行实时记录,冷柜的温度波动监测结果如图1所示。可以看出温度波动幅度与波动频率的关系,其中(-18±0.5) ℃组温度波动频率为10 min/次,(-18±2) ℃组温度波动频率为17 min/次,(-18±4) ℃组温度波动频率为28 min/次,(-18±6) ℃组温度波动频率为42 min/次,(-18±8) ℃组温度波动频率为53 min/次[6]。

a-(-18±0.5) ℃组;b-(-18±2) ℃组;c-(-18±4) ℃组;d-(-18±6) ℃组;e-(-18±8) ℃组图1 不同冷柜温度波动情况监测图

1.3.2 TVB-N的测定

将不同试验组冻藏的南美白对虾取出,在4 ℃冰箱中解冻12 h后去除虾头、虾尾、虾线、虾壳(虾仁状态冻藏的南美白对虾无需处理)并绞碎搅匀。之后按照GB 5009.228—2016 《食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》中的自动凯氏定氮仪法测定冻藏样品的TVB-N值[9]。每组测试5个平行样品,取平均值。

1.3.3 TBARS值的测定

将不同试验组冻藏的南美白对虾取出,在4 ℃冰箱中解冻12 h后去除虾头、虾尾、虾线、虾壳(虾仁状态冻藏的南美白对虾无需处理)并绞碎搅匀。之后按照GB 5009.181—2016 《食品安全国家标准 食品中丙二醛的测定》中的分光光度法测定冻藏样品的丙二醛(malondialdehyde,MDA)质量分数。TBARS值用丙二醛质量分数表示[10]。每组测试5个平行样品,取平均值。

1.3.4L*值的测定

采用分光光度计测定南美白对虾的明度值(L*值)。先放置白板和光阱在台式分光光度仪的反射口校色,之后用样品夹将被测虾肉样品固定在反射口进行测量,样品测量过程中要保证样品将反射口完全覆盖。每组测试5个平行样品,并取其平均值。

1.3.5 硬度、弹性、咀嚼性的测定

南美白对虾样品的硬度、弹性、咀嚼性等质构特性采用TA-XT plus质构分析仪来测定[11]。以虾肉样品腹部靠近头部第二节为测试点,采用刀具为P 0.5,选取全质构分析(texture profile analysis,TPA)模式测定南美白对虾的各质构指标。测试参数：测试前速率3 mm/s,测试速率1 mm/s,测试后速率1 mm/s,压缩程度30%,停留隔时间5 s,参考王强等[12]的方法并做修改。每组测试5个平行样品,并取其平均值。

2 结果与分析

2.1 南美白对虾TVB-N值变化

TVB-N是水产品中蛋白质分解的产物,是判断水产品新鲜程度的一个重要指标[13]。根据GB 2733—2015 《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》规定[14],海水鱼虾TVB-N值以30 mg/100 g为初步腐败的界限标准。

在不同工况下冻藏120 d的南美白对虾TVB-N值变化如图2所示,其中每组测试的5个样品的标准偏差(standard deviation,SD)≤0.27 mg/100 g。新鲜南美白对虾的TVB-N值为4.95 mg/100 g,与屈彤彤等[15]的研究结果相近。随着时间延长,不同温度波动组的TVB-N值都缓慢增加。全虾组在不同温度波动的冷柜中冻藏至第120天时,(-18±0.5)、(-18±2)、(-18±4)、(-18±6)、(-18±8) ℃组TVB-N值分别增长到16.89、18.44、21.74、25.86、32.01 mg/100 g,-40 ℃对照组增长到15.16 mg/100 g,最小温度波动组(-18±0.5) ℃组的TVB-N值最接近对照组-40 ℃。估算全虾组TVB-N值在(-18±8) ℃下冻藏至第108天时超过国标规定的初步腐败界限30 mg/100 g,已经不可食用。虾仁组在(-18±8) ℃下贮藏第120天时升高至25.95 mg/100 g,并未超过国标规定的合格水平,且虾仁组总体TVB-N值普遍低于全虾组。

a-全虾组;b-虾仁组图2 120 d内南美白对虾TVB-N值变化

温度波动幅度越大,TVB-N值增长越快,这一方面是由于较大的温度波动导致生成更大的冰晶,加剧了细胞汁液的浓缩,引起蛋白质更为严重的变性;另一方面可能是因为温度波动的增大加速了氧化酶等氧化因子的产生,提高了虾肉蛋白的分解速度,不利于冻藏虾肉肉质的保持[16]。虾仁组TVB-N值较小主要是因为全虾头部含有肠胃、生殖腺等器官,氧化酶和微生物含量较多,促进了蛋白质的分解,因而TVB-N值相对较大[17]。

2.2 南美白对虾TBARS值变化

南美白对虾体内的脂肪大多是由人体所必需的不饱和脂肪和脂肪酸组成的,其在冻藏过程中极易氧化酸败从而导致虾肉的腐败变质。脂肪氧化后的产物可以和硫代巴比妥酸[18](thiobarbituric acid method,TBA)反应生成TBARS,因此TBARS值能够直观地反映脂肪氧化程度[19]。

120 d内TBARS值变化如图3所示,其中每组测试的5个样品的SD≤0.009 3 mg MDA/kg。新鲜的虾TBARS值为0.12 mg MDA/kg,随着时间延长,不同温度波动组南美白对虾的TBARS值都逐渐增大。全虾组冻藏120 d后,(-18±0.5)、(-18±2)、(-18±4)、(-18±6)、(-18±8) ℃组TBARS值分别上升至0.72、0.75、0.82、0.87、1.06 mg MDA/kg,-40 ℃对照组增长至0.7 mg MDA/kg。虾仁组冻藏120 d后TBARS值分别上升至0.68、0.79、0.81、0.82、1.02 mg MDA/kg,-40 ℃对照组增长至0.62 mg MDA/kg。

a-全虾组;b-虾仁组图3 120 d内南美白对虾TBARS值变化

显然,对于全虾组和虾仁组,温度波动越大,TBARS值增长越明显,且(-18±0.5) ℃组TBARS值更接近-40 ℃对照组。一方面是因为温度波动幅度增大会导致细胞内生成更大的冰结晶,冰结晶产生的压力会导致更多的脂肪酸转移到细胞表面,与空气接触而发生氧化。另一方面是因为更大的冰晶会造成细胞更严重的机械损伤,细胞内部释放出的氧化酶增多,加剧了脂质的氧化。且TBARS值的变化趋势与TVB-N值的变化趋势相吻合,这是因为脂肪氧化产生的酮、醛等物质会促进蛋白质变性。

2.3 南美白对虾L*值变化

色差是比较直观地反映南美白对虾冻藏品质的感官指标,色差总是以(试样-标样)的值来计算。L*为0代表黑,L*为100代表白,如果ΔL*为正,代表试样比标样浅,如果ΔL*为负,代表试样比标样深。

120 d内L*值变化如图4所示,其中每组测试的5个样品的SD≤0.20。由图4可知,随着时间的延长,不同温度波动组冻藏后虾肉组织L*值都逐渐增大,ΔL*为正,代表虾肉组织逐渐发白,其结果与齐贺等[20]的研究结果一致。由图可知,冻藏初期全虾组和虾仁组颜色变化较慢,在冻藏第30～60天过程中,颜色变化最快。在冻藏120 d后,(-18±8) ℃组贮藏的全虾肌肉L*值升高了17.46%,远高于其他温度波动组L*值升高程度,(-18±0.5) ℃组冻藏的全虾肌肉L*值升高了11.11%,最接近-40 ℃对照组全虾肌肉L*值的升高量(10.33%)。虾仁组冻藏120 d后,(-18±8) ℃组冻藏的虾仁肌肉L*值升高了22.13%,(-18±0.5) ℃组贮藏的虾仁肌肉L*值升高了13.01%,最接近-40 ℃对照组虾仁肌肉L*值的升高量(10.94%)。

a-全虾组;b-虾仁组图4 120 d内南美白对虾L*值变化

南美白对虾在冻藏过程中组织颜色变浅,一方面是因为细胞中脂肪、蛋白质等的变性使细胞保水能力变弱,细胞内部的水分转移到细胞表面,对光产生反射所致[21];另一方面是因为大冰晶导致的细胞机械损伤,使得细胞内部的水分通过这些空隙向外流出[22],同样加强了对光的反射作用。且温度波动幅度越大,细胞保水能力的降低越明显,机械损伤越严重,虾肉组织颜色越浅。

2.4 南美白对虾硬度值变化

硬度表现为样品达到一定变形所需要的最大载荷,蛋白质变性会引起冻藏虾肉硬度的改变,在一定范围内,硬度越大表示虾肉肉质越好。120 d内硬度值变化如图5所示,其中每组测试的5个样品的SD≤4.91 g。由图5可知,随冻藏时间的延长,温度波动组和对照组南美白对虾样品的硬度均大幅下降。新鲜南美白对虾的硬度值为1 341.00 g,冻藏至第120天时,-40 ℃组全虾硬度下降幅度为35.93%,(-18±0.5) ℃组全虾硬度下降了39.15%,(-18±8) ℃组全虾硬度值下降幅度为52.54%,可见温度波动越小,南美白对虾硬度下降幅度越小,越接近-40 ℃组。而虾仁组在(-18±8) ℃条件下冻藏至120 d时,虾肉组织硬度下降幅度为49.12%。虾仁组硬度下降程度普遍低于全虾组。

a-全虾组;b-虾仁组图5 120 d内南美白对虾硬度变化

南美白对虾硬度下降是因为在冻藏过程中,冰晶的增长导致肌原纤维之间的间隙逐渐增大,肌纤维断裂,使肌肉组织结构变得稀疏,导致细胞组织的硬度下降[23]。温度波动幅度越大,生成的冰结晶越大,肌纤维断裂程度越严重,因此硬度下降更快。

2.5 南美白对虾弹性变化

弹性反映了肉可以被拉伸并恢复到原来状态的长度[24],其变化情况如图6所示,其中每组测试的5个样品的SD≤0.004 1 mm。全虾组南美白对虾冻藏120 d时,(-18±0.5)、(-18±2)、(-18±4)、(-18±6)、(-18±8) ℃组弹性下降幅度依次为21.12%、23.1%、25.8%、35.17%、46.1%,-40 ℃对照组弹性下降幅度为18.52%,虾仁组南美白对虾冻藏120 d时不同温度波动组弹性下降幅度依次为17.3%、19.77%、24.25%、34.24%、43.6%,-40 ℃对照组弹性下降幅度为15.71%。随冻藏时间的延长,温度波动组和对照组南美白对虾样品的弹性均逐渐下降,较小温度波动组南美白对虾品质更接近-40 ℃对照组。且弹性的变化趋势与硬度相吻合。

a-全虾组;b-虾仁组图6 120 d内南美白对虾弹性变化

弹性下降是因为在冻藏过程中,在水解酶对蛋白质的分解作用下,肌肉组织空间结构发生改变,失去固有弹性[15]。温度波动幅度越大,水解酶的活性越强,弹性值下降越快。

2.6 南美白对虾咀嚼性变化

咀嚼性表示肉在咀嚼或切割时所需的剪切力[25],其变化情况如图7所示,其中每组测试的5个样品的SD≤2.77 g。随冻藏时间的延长,温度波动组和对照组南美白对虾样品的咀嚼性均明显下降,全虾组冻藏至120 d时,-40 ℃对照组咀嚼性下降程度为9.69%,(-18±0.5) ℃组咀嚼性下降了11.7%,虾仁组冻藏至120 d时,-40 ℃对照组咀嚼性下降程度为10.93%,(-18±0.5) ℃组咀嚼性下降了14.8%,温度波动越小,咀嚼性越接近-40 ℃对照组品质。

咀嚼性下降速度随温度波动幅度增大而增大,一方面是因为冰结晶的增长导致肌细胞内肌原纤维的变形,另一方面是因为结合水减少使得肌原纤维蛋白质发生凝集,导致虾肉剪切力降低,从而引起咀嚼性的下降。

3 结论

比较分析南美白对虾在温度为-18 ℃、温度波动为±0.5、±2、±4、±6、±8 ℃条件下冻藏120 d内的品质变化规律,并对照-40 ℃情况下冻藏时的品质,得出以下结论：

a)随着冻藏时间延长,南美白对虾的TVB-N值、TBARS值、L*值逐渐增大,硬度、弹性、咀嚼性等质构特性值则显著降低。

b)在-18 ℃条件下冻藏,温度波动幅度越小,南美白对虾冻藏品质越高,(-18±0.5) ℃下冻藏效果最接近在-40 ℃下的冻藏效果。可见通过减小温度波动幅度能够有效抑制冻藏南美白对虾肌肉组织中冰结晶的生长,减小对其肌肉纤维结构的破坏,进而减缓劣变速度。

c)以虾仁状态冻藏时,南美白对虾受温度波动影响相对较小,各物化指标劣变速度对比全虾状态更慢,更有利于其保存。

d)本文在考虑温度波动幅度对南美白对虾冻藏品质的影响时,并未控制温度波动频率不变,建议后续研究过程中,通过在冷柜中置入电热棒等方式控制温度波动频率为定值。