冷藏期間三文魚片的力學特性變化

王一帆， 宋曉燕， 劉寶林

(上海理工大學 生物系統(tǒng)熱科學研究所，上海，200093)

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冷藏期間三文魚片的力學特性變化

王一帆， 宋曉燕， 劉寶林*

(上海理工大學 生物系統(tǒng)熱科學研究所，上海，200093)

摘要三文魚的質(zhì)地(力學特性)是決定其食用價值的重要因素，常規(guī)的力學檢測主要是利用質(zhì)構(gòu)儀進行質(zhì)構(gòu)剖面分析(textujre profile analysis,TPA)測試。為了驗證動態(tài)力學測試儀(dynamic mehanical analysis,DMA)在三文魚品質(zhì)檢測中的可行性，使用DMA動態(tài)應力掃描模式對生鮮三文魚進行了應力松弛測試，并與TPA測試結(jié)果進行了相關性分析。結(jié)果表明：DMA測得的三文魚應力松弛參數(shù)變化規(guī)律與三文魚的品質(zhì)變化規(guī)律一致，均隨著貯藏時間的延長而不斷減小,而且可用二階Maxwell模型進行擬合(R2>0.99)；通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，DMA測得的彈性模量以及主松弛時間分別與TPA測得的彈性指標和咀嚼性之間在0.01水平分別顯著相關。表明DMA可用于三文魚品質(zhì)的評估和貨架期的預測，其中，彈性模量E0、E1和主松弛時間最為重要。

關鍵詞三文魚；質(zhì)構(gòu)剖面分析(TPA)；動態(tài)力學分析(DMA)；力學特性

在貯藏期內(nèi)，三文魚的感官、物理 (力學特性) 、化學(TVB-N、TMA-N)及微生物(k值、菌落總數(shù))等指標的變化均可用來衡量其品質(zhì)的變化[1-3]。與化學和微生物指標的檢驗相比，力學特性檢驗具有操作簡便、檢驗成本低和結(jié)果更加直觀等優(yōu)點[4]。三文魚等水產(chǎn)品的力學特性對消費者感官方面的接受度[5-6]和后期產(chǎn)品加工性能都有至關重要的影響[7-8]。目前研究中應用最廣泛的是食品力學特性測定方法——TPA (texture profile analysis) 質(zhì)構(gòu)剖面分析法[9]，又被稱為2次咀嚼測試(two bite test)，它通過模擬人類口腔的咀嚼運動，對樣品進行2次壓縮，得到測試曲線，進而分析樣品的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)[10]。例如，有學者對牛肉[11]、凡納濱對蝦[12]、脆肉鯇[13]等水產(chǎn)品的TPA特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)TPA 測定結(jié)果與感官評定結(jié)果之間存在一致性，可以用來衡量其品質(zhì)的變化。

三文魚肉由肌肉組織、結(jié)締組織、脂肪組織等組成，既具有黏性也具有彈性，形變時會產(chǎn)生損耗，可以將其看作一種具有流變學特性的生物材料[14]，使用專門用于檢測流變類食材力學特性的方法來研究檢測儲存期內(nèi)三文魚的力學特性變化規(guī)律更為合適。動態(tài)力學分析(dynamic mechanical analysis,DMA)主要用于材料學領域中流變特性(如應力松弛)的研究，是研究材料黏彈性的重要手段[15]。它可以反映材料的硬、軟、脆性、黏性和彈性等力學特性，其力解析度可達到1.0×10-5N，應變解析度精確到1 nm。

本文在恒定實驗溫度下，利用DMA的動態(tài)應力掃描模式對冷藏三文魚片樣品進行應力松弛測試，應用Maxwell模型對測試結(jié)果進行擬合，得到三文魚片樣品的應力松弛參數(shù)，并與TPA測試結(jié)果進行了相關性分析。

1材料與方法

1.1試驗材料與儀器

試驗材料：三文魚在產(chǎn)地(英格蘭)進行捕撈宰殺、取出內(nèi)臟后冰藏運輸空運至上海市，再由冷藏車運輸至上海東方水產(chǎn)中心，而后迅速運至實驗室。在無菌環(huán)境下去皮、骨、頭、尾后冰溫保存。從宰殺到實驗室開始切片之間的總時間不超過5 d。

試驗儀器：動態(tài)力學測試儀(DMA Q800)，TA有限公司；質(zhì)構(gòu)儀(TA.XTPlus)，Stable Micro Systems公司；無霜冰箱(BCD-251WBSV，海爾股份有限公司；潔凈工作臺(VD-850)，滬凈凈化設備廠。

1.2試驗方案

1.2.1取樣與冷藏

如圖1所示，將三文魚中段切割為質(zhì)量(50±1) g、長寬厚分別為100mm×60mm×8mm的魚片，置于保鮮盒內(nèi)，在4℃的冰箱內(nèi)貯藏。每隔24 h用取樣器取樣[樣品為直徑(12.00±0.50)mm、厚度(8.00±0.50)mm的圓柱形]做應力測試,總測試時間為7 d。

圖1　三文魚魚片取樣部位Fig.1　Sampling part of the Salmon samples

1.2.2DMA應力松弛測試

在DMA的Stress Relaxation模式下，測試30%形變量時應力隨時間的變化曲線。每次測定5個樣品，取5次數(shù)據(jù)的平均值作為結(jié)果。測試條件:加載形變量設定為30%，初始加載應力為0.100 0 N,松弛時間為5 min,試驗溫度25 ℃。

1.2.3TPA測定

在濕度(80±4)%、溫度(25±1) ℃的環(huán)境條件下，用質(zhì)構(gòu)儀對三文魚樣品進行TPA質(zhì)地測定，采用直徑36mm的平底柱形探頭P/36。測試條件為：測前速率3 mm/s,測試速率1 mm/s，測后速率1 mm/s,壓縮程度50%,停留間隔5 s,數(shù)據(jù)采集速率200 pps,觸發(fā)值5 g。每組測試10個樣品，取10個樣品的平均值作為結(jié)果。

1.3數(shù)據(jù)的分析

使用軟件EXCEL 2013對試驗結(jié)果進行處理。使用統(tǒng)計分析軟件Origin 8對三文魚樣品的DMA應力松弛測試結(jié)果進行非線性擬合分析和作圖。使用SPSS 20對試驗數(shù)據(jù)進行One-Way ANOVA單因素方差分析(顯著水平α=0.05)，并對三文魚樣品的DMA和TPA測試數(shù)據(jù)進行雙側(cè)檢驗雙變量相關性分析。

2結(jié)果與分析

2.1三文魚片樣品的應力松弛

2.1.1三文魚片樣品的應力松弛曲線

圖2表明，在相同的松弛時間下，三文魚片樣品的松弛模量隨冷藏時間的增加而減小。這是因為隨冷藏時間的延長，魚肉的肌絲逐步發(fā)生斷裂，肌原纖維結(jié)構(gòu)逐漸模糊，肌原纖維及肌纖維間水樣變化[16-17]，肌肉組織的完整性被破壞，造成黏彈性發(fā)生了變化[18]。

圖2　三文魚樣品7 d貯藏期內(nèi)松弛模量隨松弛時間變化曲線Fig. 2　Stress relaxation curve of salmon file samples during storage

2.1.2應力的Maxwell模型非線性擬合

半固體食品的松弛模量常用廣義Maxwell模型(公式1)擬合計算[7]，該模型由胡克體和阻尼體串聯(lián)后再與胡克體并聯(lián)組成。胡克體是模擬組織網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的可逆變形，即理想彈性體,阻尼體則是模擬線形分子的不可逆變形，即理想黏性體。用該模型可以反映高分子形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其中的相互作用[19]。

(1)

式中：E0、Ei代表模型的彈性組成部分，即三文魚肉的彈性模量(儲能模量)，MPa；ti代表主松弛時間，min。它是應力松弛特性中重要的參數(shù)，表示應力松弛到起始應力的1/e 倍時所需要的時間，是黏性和彈性行為共同作用的結(jié)果[20]。

分別以一階模型、二階模型和三階模型對三文魚樣品松弛模量數(shù)據(jù)進行非線性擬合，

擬合度R2結(jié)果見表1。由表1可知，一階三參數(shù)模型擬合度較低(R2<0.99)，而二階五參數(shù)模型和三階七參數(shù)模型的擬合度均R2在0.99以上，說明二階和三階模型均能較好描述三文魚的應力松弛現(xiàn)象。其中，二階的擬合參數(shù)相較于三階更好，故選擇二階五參數(shù)模型來描述三文魚的應力松弛現(xiàn)象更為合適。因此，下述內(nèi)容將針對二階五參數(shù)模型的擬合結(jié)果做深入分析。

2.1.3應力松弛模型參數(shù)變化

三文魚樣品應力松弛測試的二階模型擬合結(jié)果見表2。隨著貯藏時間的增長，E0、E1、t1和t2均呈下降趨勢。它們發(fā)生顯著變化的起始時間分別為第4天、第5天、第4天和第7天。彈性模量E0和E1的變化與三文魚片樣品的彈性指標變化有關，是膠原結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和持水性下降等因素作用的綜合結(jié)果[21]。松弛時間與肌原纖維蛋白分子間的黏結(jié)力密切相關，松弛時間越長，肌原纖維蛋白分子間黏結(jié)力越大，互相滑動所需的時間越長[20]。表2中松弛時間t1、t2的變化是由于貯藏期間肌球蛋白發(fā)生變性或劣變，導致>凝膠基質(zhì)的彈性降低及保水性變差[22]，最終引起肌原纖維蛋白分子間的黏結(jié)力隨著貯藏時間的延長而減少。而E2的不規(guī)律變化則可能代表了其他組織結(jié)構(gòu)特征(如細胞間作用力、細胞外流體和空氣間隙中的自由水等)的變化[23]。

表1　三文魚樣品松弛模量非線性擬合度R2

目前少有基于應力松弛參數(shù)的三文魚剩余貨架期研究，僅從應力松弛各項參數(shù)的變化無法明確三文魚的品質(zhì)變化，還需要對它們的變化規(guī)律與三文魚品質(zhì)之間的關系做深入分析。而TPA測試與三文魚品質(zhì)之間的關系已經(jīng)有大量研究，因此，有必要利用TPA的質(zhì)構(gòu)測定結(jié)果對上述應力松弛參數(shù)進行相關性評價分析。

表2　三文魚樣品貯藏期間應力松弛參數(shù)的變化

注：表2中同列不同字母表示顯著性差異P<0.05。

2.2TPA質(zhì)構(gòu)測定結(jié)果分析

由表3可知，三文魚片樣品冷藏期間凝聚性未呈現(xiàn)規(guī)律性顯著變化，硬度呈先上升后下降變化趨勢，彈性、回復性和咀嚼性均隨貯藏時間的延長而減小。

(1)三文魚片樣品的凝聚性的變化是因為細胞水分流失、膠原蛋白和肌纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生力變化所致[24]。貯藏期內(nèi)三文魚樣品的硬度呈現(xiàn)先上升再下降的變化趨勢與是因為魚肉在此過程中經(jīng)歷了僵硬、解僵和軟化過程[3]，同時也與蛋白質(zhì)的分解和三級結(jié)構(gòu)的比例(包括共價結(jié)構(gòu)和高糖基化)有關。

(2)TPA測得的質(zhì)構(gòu)參數(shù)中反映彈性指標的有彈性和回復性。冷藏期間三文魚片樣品的彈性呈現(xiàn)減小趨勢，第5天出現(xiàn)顯著變化。有學者研究表明，彈性的下降與魚肉持水性的下降和肌原纖維結(jié)構(gòu)的變化有關[21]，并與感官評分的結(jié)果具有一致性[12]?；貜托耘c彈性不同，它反映了食品以彈性變形保存的能量。冷藏期間三文魚片的回復性在貯藏期內(nèi)不斷減小，即三文魚肉抗拒牙齒的力不斷減小，恢復形變的速度減緩，導致口感變差[13]。

(3)咀嚼性是指將固體食品咀嚼到可吞咽時需做的功，它的降低與肌球蛋白變性導致的肌肉間結(jié)合力下降有關，也是肌肉硬度降低、肌肉細胞間凝聚力降低以及肌肉彈性減小的綜合結(jié)果。由表3可知，冷藏期間樣品的咀嚼性不斷減小，這與靳春秋等[3]和ASHTON等[8]的結(jié)論相一致，對于生食三文魚片而言，咀嚼性的減小將嚴重影響生食三文魚片的口感與品質(zhì)。

為驗證DMA應力松弛試驗在三文魚片品質(zhì)變化分析中的可行性，有必要將TPA質(zhì)構(gòu)特性中最能代表三文魚片品質(zhì)變化的指標——彈性、回復性和咀嚼性，與DMA應力松弛試驗(Maxwell二階模型)擬合的參數(shù)進行相關性分析。

2.3DMA和TPA結(jié)果相關性分析

彈性模量E0和E1反映了三文魚片樣品的彈性，它們與膠原結(jié)構(gòu)和持水性的變化有關。將它們分別與TPA測得的彈性指標(彈性和回復性)進行相關性分析后發(fā)現(xiàn)，彈性模量E0在0.01水平上與回復性顯著相關，彈性模量E1在0.01水平上與彈性顯著相關。DMA應力松弛試驗得到的松弛時間t1和TPA測得的咀嚼性都是黏、彈性共同作用的結(jié)果，與肌肉間的黏結(jié)力有關，兩者的相關性分析結(jié)果表明松弛時間t1與咀嚼性在0.01水平顯著相關，如圖3所示。

表3　三文魚樣品在貯藏期間質(zhì)構(gòu)參數(shù)的變化

注：表3同列數(shù)據(jù)具有不同肩上標字母表示差異顯著(P<0.05)。

綜合上述相關性分析結(jié)果可知，在使用DMA對三文魚片進行應力測試時，基于二階Maxwell模型來擬合所得到的彈性模量E0、E1以及松弛時間t1可以作為評價三文魚片品質(zhì)變化的重要參數(shù)，說明DMA可以用于三文魚品質(zhì)測定和預測貨架期的研究。

相比傳統(tǒng)的TPA測試，DMA在測試中可精確控制樣品的形態(tài)與尺寸(精確到0.01 mm)、施加應力大小(精確到0.000 1 N)和操作溫度(精度0.1℃，溫度范圍從-150～600℃)，這些條件對生鮮食品力學測定的精確度尤為重要，而力學特性分析的精密度將直接影響以其為基礎建立的貨架期預測模型的準確度。今后若將DMA應力松弛參數(shù)和TPA測試結(jié)果分別與理化指標進行比較分析，便可得出更適合代表三文魚品質(zhì)變化的力學特性分析方法與指標。

圖3　三文魚樣品七d內(nèi)回復性與E0、彈性與E1以及咀嚼性與松弛時間t1的變化曲線和相關性Fig.3Changes and the correlation coefficient between resilience and E0,springiness and E1,stress relaxation time and chewing during storage注：**表示在0.01水平(雙側(cè))顯著相關。

2結(jié)論

本試驗利用DMA對冷藏三文魚片進行應力松弛測試，DMA所測得的松弛模量與三文魚片品質(zhì)的變化規(guī)律一致，均隨著貯藏時間的延長而不斷下降。通過Maxwell模型對三文魚片的松弛模量進行了非線性擬合，對比一階、二階和三階模型后發(fā)現(xiàn)，二階五參數(shù)Maxwell模型對三文魚樣品的DMA測試結(jié)果擬合度最高(R2>0.99)，能較好描述三文魚片的應力松弛現(xiàn)象。由二階Maxwell模型擬合得到的松弛參數(shù)與TPA測試結(jié)果做相關性分析后發(fā)現(xiàn)，DMA測得的彈性模量E0和E1以及松弛時間t1分別與TPA測得的回復性、彈性和咀嚼性顯著相關，可以作為評價三文魚片品質(zhì)變化的重要參數(shù)，說明DMA可以用于三文魚品質(zhì)測定和貨架期預測的研究。

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Changes in mechanical properties of salmon fillets during the cold storage

WANG Yi-fan, SONG Xiao-yan, LIU Bao-lin*

(Institute of Biothermal Science and Technology， University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

ABSTRACTTexture is an important index in quality assessment of salmon products. The conventional mechanical testing is Texture Profile Analysis (TPA). In order to verify weather Dynamic Mechanical Analysis(DMA) is also feasible for determining the quality of salmon fillets, stress relaxation curve was drew by DMA , and non-linear fitting equations based on Maxwell model was compared with the tests of TPA. The results showed that the stress relaxation modulus of salmon fillets were very similar with real salmon quality: it decreased during the storage period , and fit with Second-order Maxwell model (R2> 0.99). The correlation analysis showed that resilience and elastic modulus (E0)、springiness and elastic modulus (E1)、stress relaxation time and chewing during storage are all significantly correlated. Therefore, DMA can be used for quality assessment and shelf-life prediction of salmon fillets. The elastic modulus(E0、E1) and the main relaxation time are more important factors.

Key wordssalmon； texture profile analysis (TPA)； dynamic mechanical analysis (DMA)； mechanical properties

收稿日期：2015-06-26，改回日期：2015-10-08

基金項目：中國博士后科學基金面上項目(2014M561491)；國家科技支撐計劃(2013BAD19B00)資助

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201603038

第一作者：碩士研究生(劉寶林為通訊作者，E-mail:blliuk@163.com)。