基于電子鼻技術(shù)研究殼聚糖/ε-聚賴氨酸復(fù)合膜對中國對蝦的保鮮效果

張 振,柏 韻,郭雪松,李丹丹,*,李 然,*

(1.錦州醫(yī)科大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧錦州 121001;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧沈陽 110866)

中國對蝦是中國的特產(chǎn),是我國分布最廣的對蝦類,在國際市場上廣受歡迎[1]。蝦肉中的蛋白質(zhì)含量豐富,必需氨基酸指數(shù)為72.98%,是高品質(zhì)蛋白質(zhì)[2],同時脂肪含量較低。然而,蝦肉中的高蛋白質(zhì)和含水量使蝦在死后肌肉組織較松軟,自溶作用迅速,新鮮度下降明顯,易發(fā)生腐敗,嚴(yán)重影響其營養(yǎng)價值和食用性[3],因此,蝦的保鮮問題已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。殼聚糖是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)經(jīng)過脫乙酰作用后得到的產(chǎn)物,具有良好的成膜性能[4]、抑菌性[5]、安全無毒性[6]等優(yōu)良性能被廣泛關(guān)注,其作為保鮮劑正日益成為果蔬貯藏保鮮研究的熱點(diǎn)。

對蝦在貯藏過程中的氣味變化是評價其鮮度的重要指標(biāo)之一。傳統(tǒng)的感官評價方法主觀因素較大,精確性低[7]。電子鼻檢測是一種操作簡單、檢測速度快,靈敏度高的技術(shù),主要通過氣味指紋信息對氣體或揮發(fā)性成分做定性或定量的檢測,目前在食品領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[8],同時可以對樣品進(jìn)行多重分析[9]。

本實(shí)驗通過響應(yīng)面確定復(fù)合涂膜的最佳配比,同時以空白組和單獨(dú)涂膜組進(jìn)行對比,對中國對蝦進(jìn)行保鮮。利用電子鼻主成分分析(PCA)方法和線性判別分析(LDA)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,并且結(jié)合感官評價、pH、揮發(fā)性鹽基氮值,探究涂膜處理對中國對蝦保鮮的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

中國對蝦 選擇平均體重(15±2) g的中國對蝦，購自中國錦州市大潤發(fā)超市,將新鮮的蝦樣在購買后1 h內(nèi)轉(zhuǎn)移到實(shí)驗室;殼聚糖(脫乙酰度為大于85%,食品級)、卡拉膠 河南洪鑫食化有限公司;ε-聚賴氨酸 山東欣鼎生物科技有限公司;鹽酸、氧化鎂、磷酸三丁酯、硼酸 分析純,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

PEN3便攜式電子鼻 德國Airsense公司;FA2004N分析天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司;DK-98-Ⅱ電子萬用爐 天津市泰斯特儀器有限公司;KQ3200B型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;PHS-3C型精密pH計 上海雷磁儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 原料預(yù)處理 將購買回的中國對蝦冰凍致死,備用。將殼聚糖溶解在含1%冰醋酸的蒸餾水中,然后依次加入卡拉膠和ε-聚賴氨酸,150 W超聲20 min輔助溶解,制成復(fù)合保鮮劑。將中國對蝦隨機(jī)分成三組,一組為無處理的空白組,其余兩組分別在殼聚糖單獨(dú)保鮮劑和復(fù)合保鮮劑中浸泡5 min,取出于室溫瀝干,分裝到聚乙烯無菌密封袋中,4 ℃冰箱中貯藏。

1.2.2 TBA測定 準(zhǔn)確稱取樣品5～10 g,置于100 mL有蓋三角瓶內(nèi),加入25 mL三氯乙酸混合液,振搖半小時。用雙層濾紙過濾,除去油脂,濾液重復(fù)用雙層濾紙過濾一次。準(zhǔn)確移取上述濾液5 mL置于25 mL比色管內(nèi),加入5 mL TBA溶液,混勻,加塞,置于90 ℃水浴內(nèi)保溫40 min,取出,冷卻1 h,移入小試管內(nèi),8000 r/min離心5 min,上清液傾入25 mL納氏比色管中于532 nm波長比色,對照標(biāo)準(zhǔn)曲線y=1.0097x+0.0129得到微克數(shù)(同時做空白實(shí)驗,用5 mL蒸餾水代替上述濾液置于25 mL比色管中,其余步驟不變)。

1.2.3 響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計 通過預(yù)實(shí)驗得到殼聚糖、ε-聚賴氨酸和卡拉膠最佳添加量,利用Box-Behnken實(shí)驗,以三者不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)為考察因子,以貯藏期第1、4、8、12 d硫代巴比妥酸值(TBA)含量的總和作為響應(yīng)值,建立響應(yīng)值與考察因子之間的二次多項式回歸模型。

表1 因素水平表

1.2.4 電子鼻檢測 稱取1 g蝦肉,攪碎后置于50 mL小燒杯中,用雙層保鮮膜封口,頂空時間20 min。經(jīng)預(yù)實(shí)驗確定的電子鼻參數(shù)為:樣品進(jìn)樣速率300 mL/min,載氣速率300 mL/min,清洗時間60 s,檢測時間60 s。電子鼻傳感器性能描述見表2[10]。

表2 電子鼻傳感器性能描述

1.2.5 pH的測定 稱取1 g剁碎的蝦肉,加入9 mL煮沸后冷卻的蒸餾水,均勻攪拌,靜置 30 min,用pH計測定上清液pH。

1.2.6 揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)的測定 參照GB 5009.228-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定[11],按半微量定氮法測定TVB-N。

1.2.7 感官評定 根據(jù)趙海鵬[12]感官評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改動。評定小組由7人組成(六女一男),蝦的評定項目由體表色澤、氣味、肌肉形態(tài)組成,總分值在 9 分(非常新鮮)和0 分(完全腐敗)之間,3分以下為不可接受,具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 感官評定評分表

1.2.8 統(tǒng)計分析 數(shù)據(jù)表示為平均值,做三次平行。使用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計、Winmuster、SPSS軟件進(jìn)行分析。顯著性p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面實(shí)驗

2.1.1 二次多項式回歸模型的建立及顯著性檢驗 利用Design-Expert 8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計,以儲藏期內(nèi)TBA含量總和(Y)為響應(yīng)值,響應(yīng)面實(shí)驗結(jié)果如表4所示,對表進(jìn)行回歸分析,得到回歸方程Y=0.705-0.328A-0.582B-0.829C+0.025AB+0.086AC+1.7137BC+0.086A2+0.835B2+1.345C2。

表4 響應(yīng)面實(shí)驗設(shè)計結(jié)果

2.1.2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化 為檢驗回歸方程有效性,對回歸模型進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗,結(jié)果如表5所示,F模型=23.10,p=0.0002<0.01,說明回歸模型差異顯著,回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=0.9674,實(shí)驗誤差小,而方程的失擬項F值=0.8,p=0.5559>0.05差異不顯著,該二次回歸模型是適當(dāng)?shù)?與實(shí)際實(shí)驗擬合較好,用該模型適合優(yōu)化復(fù)合涂膜對中國對蝦品質(zhì)變化的影響。對各實(shí)驗指標(biāo)進(jìn)行顯著分析,A、B、C、BC、A2、C2均有極顯著差異(p<0.01)。

表5 響應(yīng)面回歸方程方差分析表

三維(3D)響應(yīng)曲面可以作為回歸方程的圖形來表示,用于確定變量的最優(yōu)值,并被廣泛用于更好地理解所考慮范圍內(nèi)變量之間的相互作用[13]。如圖1(a)所示,當(dāng)ε-聚賴氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、卡拉膠處于一定水平時,TBA值先隨殼聚糖濃度的增加而降低,然后逐漸增大。這可能是由于殼聚糖在蝦殼上形成了保護(hù)膜,阻礙了部分氧和微生物,使得脂肪氧化速率和微生物代謝減少,隨著貯藏期的增加,細(xì)菌繁殖能力增強(qiáng),使得TBA的含量不斷上升。如圖1(b)所示,當(dāng)卡拉膠膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定水平時,隨著ε-聚賴氨酸質(zhì)量的增加,TBA總量先減少后增加,這是由于ε-聚賴氨酸具有廣譜抗菌活性,細(xì)胞壁完整性和微生物蛋白質(zhì)合成受到破壞,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡,但ε-聚賴氨酸不具有良好的抗氧化性,小分子(醛、酮、酸等),脂肪氧化程度增加。圖1(c)顯示當(dāng)殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、ε-聚賴氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定水平時,隨著卡拉膠含量的增加,TBA含量先降后升,膜性能先隨著卡拉膠添加量的增加而增加,水蒸汽透過率和細(xì)胞呼吸作用減弱,但添加量超過一定量后膜性能下降,脂肪氧化率增加,導(dǎo)致TBA值升高。

圖1 響應(yīng)面實(shí)驗曲面圖

2.1.3 確定復(fù)合涂層的最佳比例 通過Design-Expert V 8.0.6分析的結(jié)果顯示,復(fù)合涂膜的最佳配方為殼聚糖1.81 g/L,卡拉膠0.19 g/L,ε-聚賴氨酸0.13 g/L。在這個條件下,進(jìn)行驗證實(shí)驗。三次實(shí)驗結(jié)果的平均值為0.3028 mg/mL,與預(yù)測值0.3007 mg/mL接近,模型可靠。

2.2 電子鼻檢測

2.2.1 電子鼻傳感器響應(yīng)值變化分析 如圖2所示,三中處理方法的響應(yīng)值在60 s內(nèi)均可達(dá)到穩(wěn)定,不同處理方法的響應(yīng)值均有明顯不同,說明中國對蝦在貯藏過程中的氣味變化可以用電子鼻PEN3系統(tǒng)檢測。圖2為三種處理方法在貯藏第13 d時，對中國對蝦氣味檢測的雷達(dá)圖,如圖3所示,傳感器7(W1W)、傳感器9(W2W)和傳感器2(W5S)響應(yīng)值較明顯。雷達(dá)圖可以直觀地表示不同涂膜處理的差異,其中空白組的響應(yīng)值最大,說明在貯藏期內(nèi)空白組中的中國對蝦有大量揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生,氣味明顯。復(fù)合涂膜組的響應(yīng)值少于殼聚糖單獨(dú)涂膜,說明涂膜均可有效地抑制揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生,且復(fù)合涂膜效果優(yōu)于單獨(dú)涂膜。

圖2 電子鼻對3種涂膜處理的響應(yīng)曲線

圖3 電子鼻對3種涂膜處理的雷達(dá)圖

2.2.2 不同涂膜處理對蝦的電子鼻響應(yīng)值的PCA分析 圖4為貯藏13 d時,不同涂膜處理對中國對蝦的PCA分析的響應(yīng)值。第1主成分貢獻(xiàn)率為99.37%,第2主成分貢獻(xiàn)率為0.35%,兩者之和達(dá)到99.72%,數(shù)據(jù)有效可靠。涂膜處理組均與空白組距離較遠(yuǎn),說明在貯藏期間空白組中的揮發(fā)性成分與涂膜組有明顯區(qū)別,但圖中復(fù)合組和殼聚糖組之間有部分重合,說明主成分分析并不能完全將此兩種方法區(qū)分開,因此還需要進(jìn)行LDA分析。

圖4 不同涂膜處理對中國對蝦的PCA分析

2.2.3 不同涂膜處理對蝦的電子鼻響應(yīng)值的LDA分析 圖5為貯藏13 d時不同涂膜處理對中國對蝦的LDA分析,如圖5所示,各處理組之間距離較遠(yuǎn),沒有任何重疊,說明LDA分析可以更好的區(qū)分三種處理方法,在貯藏期間不同處理組的揮發(fā)性物質(zhì)有一定的區(qū)別。第1、第2貢獻(xiàn)率之和達(dá)到99.89%,數(shù)據(jù)可靠。

圖5 不同涂膜處理對中國對蝦的LDA分析

2.2.4 Loadings分析 Loadings分析是對不同傳感器的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析,對電子鼻各傳感器重要性進(jìn)行判別[14]。傳感器的響應(yīng)值越接近原點(diǎn)(0,0),則該傳感器的識別作用基本可以不計;當(dāng)傳感器的響應(yīng)值距原點(diǎn)越遠(yuǎn),則該傳感器的識別性能越強(qiáng)[15]。圖6為貯藏13 d時空白組Loadings分析圖。如圖6可知,總貢獻(xiàn)率為99.72%,其中傳感器W1W(無機(jī)硫化物)和W2W(有機(jī)硫化物)對第一主成分貢獻(xiàn)率較大,W5S(氮氧化合物)和W3C(氨水)傳感器對第2主成分貢獻(xiàn)率較大。研究表明[16]中國對蝦隨著貯藏期的增加,微生物作用明顯,蝦肉中的蛋白質(zhì)等發(fā)生降解,一些揮發(fā)性物質(zhì)隨之產(chǎn)生,其中三甲胺、硫化氫、氨氣等物質(zhì)尤為突出,這與電子鼻檢測結(jié)果一致,說明可以用電子鼻技術(shù)監(jiān)測和檢驗中國對蝦貯藏期內(nèi)揮發(fā)性物質(zhì)。

圖6 中國對蝦的Loadings分析

2.3 感官評價

研究顯示,pH的變化可以有效地反映對蝦的新鮮度[17]。由圖7可知,新鮮對蝦的pH在7左右,隨貯藏天數(shù)的增加,pH呈先下降后上升的趨勢,其中空白組下降最明顯,這是由于蝦肉中生成乳酸等酸性物質(zhì)[18],而復(fù)合涂膜處理延緩了這一反應(yīng)。隨著時間繼續(xù)增加,pH開始增加,這是因為蝦肉中的堿性物質(zhì)開始增多,肌肉中的蛋白質(zhì)等含氮物質(zhì)開始被分解成三甲胺、吲哚、組胺等物質(zhì)[19]。三組處理方法中,復(fù)合涂膜組的pH升高得最為緩慢,說明涂膜處理可以有效地延緩蝦肉中各物質(zhì)的變化,使對蝦呈現(xiàn)較好的品質(zhì)。

圖7 中國對蝦貯藏期間pH變化

揮發(fā)性鹽基氮是水產(chǎn)品新鮮度鑒定的最有效方法之一[20]。根據(jù)國標(biāo)GB 2733-2015,鮮、凍動物性水產(chǎn)品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[21],海水魚、蝦中揮發(fā)性鹽基氮的可接受值低于30 mg/100 g。從圖8可知,三個實(shí)驗組中的TVB-N值都呈現(xiàn)上升趨勢,但復(fù)合涂膜組在前5 d上升幅度較小,其次是殼聚糖組,空白組上升最明顯,說明涂膜處理可以延緩蛋白質(zhì)分解,在復(fù)合組中添加的ε-聚賴氨酸抑菌和卡拉膠增加了膜的抑菌性和機(jī)械性,使得保鮮效果更好。從數(shù)據(jù)上看,空白組早第9 d超出標(biāo)準(zhǔn),殼聚糖組和復(fù)合組分別在第11 d和第13 d超出標(biāo)準(zhǔn),延長保質(zhì)期2～4 d。

圖8 中國對蝦貯藏期間TVB-N變化

如圖9所示,貯藏期間中國對蝦感官品質(zhì)逐漸下降,其中空白組下降最明顯。根據(jù)感官評分表,分?jǐn)?shù)低于3分被認(rèn)定為不可接受?？瞻捉M在第9 d達(dá)到2.9分,殼聚糖組在第11 d到達(dá)3.1分,接近不可接受值,復(fù)合涂膜組在第13 d的評分為2.9分。殼聚糖成膜后在對蝦表面形成保護(hù),有效地降低蝦肉中揮發(fā)性物質(zhì)的產(chǎn)生,使蝦的氣味與空白組相比有較好的感官評分,復(fù)合組中加入了ε-聚賴氨酸阻礙了微生物的繁殖,卡拉膠可以增強(qiáng)膜的性能,因此復(fù)合涂膜比殼聚糖單獨(dú)涂膜更有效果。

圖9 中國對蝦貯藏期間感官評價變化

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面實(shí)驗得到復(fù)合膜的最佳配比為:復(fù)合涂膜的最佳配方為殼聚糖1.81 g/mL,卡拉膠0.19 g/mL,ε-聚賴氨酸0.13 g/mL。此條件下TBA含量為0.3028 mg/mL。

電子鼻檢測方法中,通過PCA和LDA兩種方法對貯藏期間的中國對蝦響應(yīng)值進(jìn)行分析,其中PCA方法殼聚糖組和復(fù)合組有小部分重疊,并不能完全區(qū)分三個處理組。而LDA則顯示三種處理方法可以被有效區(qū)分,說明LDA方法更有益于用來檢測中國對蝦中揮發(fā)性物質(zhì)變化。采用Loadings負(fù)荷加載方法分析,總貢獻(xiàn)率為99.72%,其中傳感器W1W(無機(jī)硫化物)和W2W(有機(jī)硫化物)對第一主成分貢獻(xiàn)率較大,W5S(氮氧化合物)和W3C(氨水)傳感器對第2主成分貢獻(xiàn)率較大。

感官評價、pH和揮發(fā)性鹽基氮的實(shí)驗結(jié)果表明,三種處理方法之間有明顯區(qū)別,這與電子鼻檢測結(jié)果一致,說明電子鼻系統(tǒng)可以用來評價對蝦的新鮮程度。其中復(fù)合涂膜處理可以更有效地對中國對蝦進(jìn)行保鮮,與空白組相比可將保質(zhì)期延長4 d。