馬田田,歐陽杰,談佳玉,沈 建,*
(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 200120; 2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)
南極磷蝦生活在南極水域,資源豐富,生物資源儲量保守估計為7.5億噸,年可捕獲量達(dá)1億噸,是海洋漁業(yè)資源的重要組成部分[1-3]。南極磷蝦肌肉干樣中粗蛋白含量為62.80%,粗脂肪含量為5.80%,多不飽和脂肪酸含量達(dá)到41.31%,其中EPA和DHA的含量分別達(dá)到26.28%和11.42%[4-6],是21世紀(jì)最具有開發(fā)潛能的水產(chǎn)品之一。蝦粉作為南極磷蝦終極加工產(chǎn)品的重要形式之一,與魚粉相比,南極磷蝦蝦粉因在適口性、抗氧化性、營養(yǎng)價值等方面的獨(dú)特性,而具有很強(qiáng)的市場競爭力[7]。我國蝦粉加工主要工藝流程:原料→蒸煮→離心脫水→一次干燥→二次干燥→粉碎→打包→入庫[8-10]。國外蝦粉主要工藝流程:磷蝦捕撈→泵吸→蝦水分離→低溫暫儲→泵輸送→預(yù)加熱→蛋白凝結(jié)→固液分離→一級干燥→二級干燥→冷卻→粉碎→打包→入庫[11-13]。
目前,國內(nèi)外關(guān)于南極磷蝦蝦粉加工研究主要集中在品質(zhì)評價、貯藏條件等方面,如魏榮男[14]主要研究了南極磷蝦蝦粉加工過程中蒸煮溫度對蝦粉品質(zhì)特性的影響,陳京美等[15]綜合評價了不同解凍方式對南極磷蝦脂質(zhì)品質(zhì)的影響,Suontama等[16]對比分析了南極磷蝦蝦粉和魚粉的營養(yǎng)成分,而關(guān)于機(jī)械力作用對南極磷蝦干燥特性和蝦粉品質(zhì)的影響尚未見報道。在加工蝦粉的過程中,機(jī)械力作用主要發(fā)生在蝦粉加工過程的前處理工序[17-19]。破碎是水產(chǎn)品加工的主要前處理工序之一,目前在蝦粉加工工藝中尚未見破碎方式的有關(guān)研究,攪拌、絞肉、斬拌是三種較常見的水產(chǎn)品破碎方式,三種破碎方式的破碎強(qiáng)度和作用方式不同[20-22],本文以凍南極磷蝦為原料,采用攪拌機(jī)、絞肉機(jī)、斬拌機(jī)三種設(shè)備破碎南極磷蝦,干燥粉碎篩分制備南極磷蝦蝦粉,對比分析南極磷蝦在三種破碎方式下經(jīng)不同破碎時間作用后的干燥效率和蝦粉品質(zhì),優(yōu)化形成破碎工藝流程,旨在為南極磷蝦蝦粉加工干燥工藝提供理論依據(jù),以期得到高品質(zhì)的南極磷蝦粉。
凍南極磷蝦 購自于上海開創(chuàng)遠(yuǎn)洋漁業(yè)有限公司,2017年新捕磷蝦,冷凍車在-20 ℃條件下快速運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,貯藏于-20 ℃冷庫中備用;乙醇、磷酸二氫鈉二水、十二水合磷酸氫二鈉、考馬斯亮藍(lán)G250、牛白蛋白、石油醚 分析純試劑,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;磷酸 優(yōu)級純試劑,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;蝦青素 基準(zhǔn)試劑,上海源葉生物科技有限公司。
MA150C-000230V1快速水分測定儀 賽多利斯中國有限公司;UV-2204PC紫外可見分光光度儀 上海精密儀器有限公司;GTR16-2高速臺式冷凍離心機(jī) 北京時代北利離心機(jī)有限公司;HR2168攪拌機(jī) 珠江經(jīng)濟(jì)特區(qū)飛利浦電器有限公司;DJ18-A絞肉機(jī) 上海林生廚具有限公司;SC-5斬拌機(jī) 廣州旭眾食品機(jī)械有限公司。
1.2.1 顆粒度和干燥溫度對南極磷蝦干燥特性的影響 統(tǒng)一采用水分測定儀測定干燥終點(diǎn)時間,將流水解凍蒸煮3 min的南極磷蝦用水果刀均勻切成3、2、1、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1 cm的顆粒,每份約5.0 g,置于干燥皿中,以未經(jīng)破碎處理的完整南極磷蝦(長度為5~7 cm,0.7~0.9 g/個)做對照組,采用105 ℃直接干燥法干燥;重復(fù)上述步驟,將干燥溫度依次設(shè)置90、100、110、120、130、140 ℃,水分測定儀顯示End,此時的干燥時間為干燥終點(diǎn)時間,平行測定三次。
1.2.2 破碎方式和破碎時間對南極磷蝦破碎度的影響 稱取流水解凍蒸煮3 min的南極磷蝦三份,每份約300.0 g,分別采用攪拌機(jī)、絞肉機(jī)、斬拌機(jī)三種設(shè)備破碎,轉(zhuǎn)速均設(shè)為200 r/min,每種設(shè)備破碎時間依次設(shè)為15、30、45、60、75、90 s,篩分法測定不同處理條件下南極磷蝦粒徑分布情況[23],標(biāo)準(zhǔn)分樣篩目數(shù)為20、10、6、4、3對應(yīng)孔徑依次為1、2、4、6、8 mm,平行測定三次。
1.2.3 破碎方式和破碎時間對南極磷蝦干燥特性的影響 稱取流水解凍蒸煮3 min的南極磷蝦三份,每份約300.0 g,分別采用攪拌機(jī)、絞肉機(jī)、斬拌機(jī)三種設(shè)備破碎,每種設(shè)備破碎時間依次設(shè)為15、30、45、60、75、90 s,采用烘箱105 ℃直接干燥法測定不同破碎方式和時間下南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間(兩次稱重之差小于0.1 g視為恒重,即為干燥終點(diǎn)),平行測定三次。
1.2.4 破碎方式和破碎時間對南極磷蝦蝦粉品質(zhì)的影響 將上述經(jīng)不同破碎方式和時間處理的南極磷蝦干燥粉碎40目過篩處理,測量制得的蝦粉中水溶性蛋白質(zhì)、粗脂肪、蝦青素含量,比較分析破碎方式和時間對南極磷蝦蝦粉營養(yǎng)成分含量的影響。
1.2.5 營養(yǎng)成分檢測
1.2.5.1 蛋白質(zhì)的測定 水溶性蛋白質(zhì)提取及測定參考李曉龍、賈俊強(qiáng)[24-27]略做修改。精確稱取南極磷蝦蝦粉1.00 g于錐形瓶中,然后加入60 mL磷酸鹽緩沖液(0.2 mol/L Na2HPO4溶液,0.2 mol/L NaH2PO4溶液,pH7.0),振蕩搖勻,蓋上瓶塞,置于0 ℃冰箱中靜止60 min,于4 ℃條件下10000 r/min 離心15 min,收集上清液,重復(fù)三次,上清液即為水溶性蛋白溶液。
水溶性蛋白測定:蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制:取6只試管,分別加入1 mL蛋白質(zhì)濃度為0、20、40、60、80、100 μg/mL的溶液,向各試管中加入5 mL考馬斯亮藍(lán)G-250溶液,搖勻,并放置5 min左右,用1 cm光徑比色皿在595 nm下比色測定吸光度,以蛋白質(zhì)濃度為橫坐標(biāo),以吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線公式為:Y=0.004x-0.0001,R2=0.999。
樣品測定:吸取上清液1 mL于試管中(每個樣品重復(fù)3次),加入5 mL考馬斯亮藍(lán)G-250溶液,充分混勻并放置5 min左右,測定其在595 nm下的吸光度,并通過標(biāo)準(zhǔn)曲線查得水溶性蛋白質(zhì)含量。
1.2.5.2 蝦青素的測定 蝦青素提取及測定參考孫來娣[28]略做修改。精確稱取南極磷蝦蝦粉1.00 g于錐形瓶中,加入30 mL無水乙醇,振蕩搖勻,蓋上瓶塞置于50 ℃恒溫水浴鍋中4 h,取出錐形瓶,過濾瓶中溶液于容量瓶中作為待測樣品。
蝦青素測定:蝦青素標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制:稱取5.0 mg蝦青素標(biāo)準(zhǔn)樣品,用無水乙醇定容至50 mL,分別移取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL于6個10 mL的容量瓶中,用無水乙醇定容至10 mL,使蝦青素的濃度分別:1、2、3、4、5、6 ug/mL,于472 nm處測定吸光值,以蝦青素濃度為橫坐標(biāo),吸光值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,蝦青素標(biāo)準(zhǔn)曲線公式:Y=0.108x+0.0123,R2=0.999。
蝦青素測定:吸取待測樣品于石英比色皿中,于472 nm下測定其吸光度,并通過標(biāo)準(zhǔn)曲線查得蝦青素含量(每個樣品重復(fù)3次)。
1.2.5.3 粗脂肪的測定 粗脂肪提取及測定采用索氏抽提法,參考國標(biāo)食品中脂肪的測定[29]略做修改。脂肪含量計算公式如下:
x(%)=(m1-m0)/m2×100
式中:x為樣品中脂肪百分含量;m1為恒重后接受瓶和脂肪含量,g;m0為接受瓶質(zhì)量,g,m2為樣品質(zhì)量,g,100為換算系數(shù)。
運(yùn)用Excel和Spass.19.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,重復(fù)三次實(shí)驗(yàn),用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。顯著性分析時,p<0.01記為極顯著,p<0.05記為較顯著,p>0.05記為不顯著。
105 ℃直接干燥法干燥不同顆粒度的樣品,記錄干燥終點(diǎn)時間,繪制顆粒度與干燥終點(diǎn)時間的干燥曲線,如圖1所示;同一顆粒度不同干燥溫度下干燥終點(diǎn)時間見表1所示。
表1 不同干燥溫度和顆粒度下南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間(min)Table 1 Drying endpoint time of antarctic krill at different drying temperatures and grain degrees(min)
圖1 不同顆粒度南極磷蝦干燥終點(diǎn)曲線圖Fig.1 Curve diagram of drying end point of antarctic krill with different grain degrees
105 ℃干燥南極磷蝦實(shí)驗(yàn)可得:5.0 g樣品,未經(jīng)破碎處理的南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間在100 min左右,不同破碎程度的南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間范圍為51~70 min,經(jīng)破碎處理干燥效率可提升30.6%~48.6%。由圖1可知,在0.2 cm粒徑處干燥終點(diǎn)時間最短(51.4 min),在3 cm粒徑處干燥終點(diǎn)時間最長(69.4 min);隨著南極磷蝦顆粒度的增大,其干燥終點(diǎn)時間整體呈現(xiàn)兩個下降兩個上升的趨勢,在0.1~0.2 cm和0.8~1 cm呈現(xiàn)下降趨勢,在0.2~0.8 cm和1~3 cm呈現(xiàn)上升趨勢;由此可得南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間跟顆粒度有關(guān),但不成線性關(guān)系。呈現(xiàn)此試驗(yàn)現(xiàn)象的原因主要有兩個點(diǎn):一是在相同的干燥溫度、傳熱面積和樣品量條件下,隨著物料粒徑的減小,物料的受熱面積增大,干燥效率增加;二是隨著物料粒徑的減小,單位干燥空間內(nèi)堆積的顆粒數(shù)越多,密度越大,物料間空隙減小,且一部分物料呈漿狀或塊狀,易造成鎖水,從而減低干燥效率。因此,隨著粒徑的減小,干燥終點(diǎn)時間成上升趨勢,是由于物料的受熱面積增大提高的干燥效率低于鎖水作用降低的干燥效率所致,反之亦然。
同一顆粒度不同溫度下干燥南極磷蝦實(shí)驗(yàn)可得:由表1可知,90、120、130、140 ℃時,干燥效率最高對應(yīng)的顆粒度均是0.1 cm;100 ℃時,干燥效率最高對應(yīng)的顆粒度是0.2 cm;110 ℃時,干燥效率最高對應(yīng)的顆粒度是0.4 cm。呈現(xiàn)此試驗(yàn)現(xiàn)象的原因主要有兩個點(diǎn):一是在傳熱面積、樣品量和粒徑相同的條件下,隨著干燥溫度的提高,物料單位時間內(nèi)吸收的熱量的增加,干燥效率提高;二是物料顆粒度減小,單位空間堆積的顆粒增加,顆粒間空隙減小,干燥效率降低。干燥溫度由90 ℃升高到140 ℃的過程中,不同顆粒度的干燥效率均有顯著提升,干燥效率最低加快43.71%,最高加快60.30%.
結(jié)合圖1和表1可得如下結(jié)論:改變顆粒度和干燥溫度均可提高南極磷蝦干燥效率,其中改變顆粒度可提高30.6%~48.6%,改變干燥溫度可提高43.71%~60.30%,基于提高南極磷蝦干燥效率而又可最大限度保留蝦粉中營養(yǎng)成分的考慮,提高干燥溫度雖可提升干燥效率,但高溫易降低蝦粉品質(zhì),因此選擇改變南極磷蝦顆粒度是一種可行的方法。
根據(jù)粒徑篩分?jǐn)?shù)據(jù)繪制破碎時間與粒徑分布柱狀圖,詳見圖2~圖4。
圖2 攪拌機(jī)不同作用時間下南極磷蝦粒徑圖Fig.2 Particle size map of antarctic krill under different action time of blender注:不同小寫字母表示同一粒徑不同作用時間下 數(shù)據(jù)差異顯著(p<0.05);圖3圖4同。
圖3 絞肉機(jī)不同作用時間下南極磷蝦粒徑圖Fig.3 Particle size map of antarctic krill under different action time of meat grind
圖4 斬拌機(jī)不同作用時間下南極磷蝦粒徑圖Fig.4 Particle size map of antarctic krill under different operation time of chopper
由圖2攪拌機(jī)不同破碎時間下南極磷蝦粒徑分布圖可知,隨著破碎時間的增加,粒徑為1、2 mm所占百分比均呈現(xiàn)增長趨勢,6、8 mm以上呈現(xiàn)下降趨勢,4 mm無顯著變化,8 mm呈現(xiàn)先下降后上升趨勢;整體分析可知,隨著破碎時間的增長,南極磷蝦基本都被破碎到8 mm以下的粒度,攪拌機(jī)的作用時間為60 s時,對南極磷蝦的粒徑分布影響比較顯著(60 s時,8 mm以下粒徑分布百分比與作用時間為30 s或90 s相比,具有顯著性差異(p<0.05)。
由圖3絞肉機(jī)不同破碎時間下南極磷蝦粒徑分布圖可知,隨著破碎時間的增加,粒徑為1、2、4 mm所占百分比均呈現(xiàn)增長趨勢,6、8 mm及以上所占百分比均呈現(xiàn)遞減趨勢;整體分析可知,隨著絞肉機(jī)破碎時間的增長,南極磷蝦基本都被破碎到8 mm及以下的粒度,6 mm及以上的顆粒逐漸轉(zhuǎn)化為4 mm及以下的顆粒。
由圖4斬拌機(jī)不同破碎時間下南極磷蝦粒徑分布圖可知,隨著破碎時間的增加,粒徑為1、2 mm所占百分比均呈現(xiàn)增長趨勢,6、8 mm以上所占百分比呈現(xiàn)下降趨勢,4、8 mm所占百分比呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢;整體分析可知,隨著破碎時間的增長,南極磷蝦雖被進(jìn)一步破碎,但仍存在25%左右8 mm以上的粒度,且破碎時間有由60 s增至90 s,對6、8 mm所占百分比無顯著影響(p>0.05)。
結(jié)合圖2、圖3和圖4可得出如下結(jié)論:考慮破碎方式和破碎時間對南極磷蝦破碎度的影響,得出斬拌機(jī)對南極磷蝦的破碎度較差,均勻性較低,隨著破碎時間的增加,54%的南極磷蝦被破碎到4 mm及以下的粒度;攪拌機(jī)和絞肉機(jī)的破碎度和均勻性較好,隨著作用時間的增加,90%的南極磷蝦被破碎到4 mm及以下的粒度。
三種破碎方式和破碎時間下,105 ℃法干燥南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間與破碎時間曲線圖見圖5。
圖5 三種破碎方式及時間下南極磷蝦干燥終點(diǎn)曲線Fig.5 Curve diagram of drying end point of antarctic krill with three crushing methods and time
105 ℃干燥南極磷蝦實(shí)驗(yàn)可得:300.0 g樣品,未經(jīng)破碎的南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間為190 min左右;由圖5可知,采用攪拌機(jī)破碎南極磷蝦,不同破碎時間干燥終點(diǎn)時間在90~130 min范圍內(nèi);采用絞肉機(jī)破碎南極磷蝦,不同破碎時間干燥終點(diǎn)時間在110~145 min范圍內(nèi);采用斬拌機(jī)破碎南極磷蝦,不同破碎時間干燥終點(diǎn)時間在120~180 min范圍內(nèi),由此可得,破碎處理可在不同程度上縮短南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間,提高干燥效率,最高可提高33.3%;隨著作用時間的增加,三種破碎設(shè)備處理的南極磷蝦對應(yīng)的干燥終點(diǎn)時間差距在逐漸縮小,攪拌機(jī)處理的南極磷蝦干燥效率呈現(xiàn)下降趨勢,絞肉機(jī)處理的南極磷蝦干燥效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,斬拌機(jī)處理的南極磷蝦干燥效率呈現(xiàn)上升趨勢,呈現(xiàn)此趨勢的原因是攪拌機(jī)隨著破碎時間的增加,漿狀物料的鎖水作用大于因物料受熱面積增大而提高的干燥效率,從而呈下降趨勢,絞肉機(jī)和斬拌機(jī)處理的南極磷蝦干燥效率趨勢分析同理。
圖5的結(jié)果表明,不同破碎設(shè)備作用于南極磷蝦時,由于作用力的不同,產(chǎn)生的破碎效果不同,進(jìn)而對于南極磷蝦干燥特性的影響不同?;谔岣吣蠘O磷蝦干燥效率的目的,攪拌機(jī)通過橫向作用力破碎南極磷蝦,適宜的作用時間為15 s,此時對應(yīng)的南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間為90 min,南極磷蝦干燥效率同比提升了52.6%;絞肉機(jī)通過擠壓作用力破碎南極磷蝦,適宜作用時間是60 s,此時對應(yīng)的南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間為110 min,南極磷蝦干燥效率同比提升了42.1%;斬拌機(jī)通過縱向作用力破碎南極磷蝦,適宜作用時間是90 s,此時對應(yīng)的南極磷蝦干燥終點(diǎn)時間為120 min,南極磷蝦干燥效率同比提升了36.8%。
根據(jù)記錄的水溶性蛋白、蝦青素、粗脂肪測定數(shù)據(jù),帶入相應(yīng)公式計算相應(yīng)物質(zhì)含量,繪制三種破碎方式及時間下南極磷蝦蝦粉水溶性蛋白含量變化曲線圖、蝦青素含量變化曲線圖、粗脂肪含量變化曲線圖,詳見圖6~圖8。
圖6 三種破碎方式及時間下蝦粉水溶性蛋白含量變化Fig.6 Changes of water-soluble protein contents in shrimp powder under three crushing methods and time
圖7 三種破碎方式及時間下蝦粉中蝦青素含量變化Fig.7 Changes of astaxanthin contents in shrimp powder during three crushing methods and time
圖8 三種破碎方式及時間下蝦粉中脂肪含量變化Fig.8 Changes of fat contents in shrimp powder during three crushing methods and time
實(shí)驗(yàn)可得:未經(jīng)破碎處理的南極磷蝦蝦粉中水溶性蛋白含量為7.99 mg/g,蝦青素含量為82.97 μg/g,脂肪含量為18.32%;經(jīng)破碎處理的南極磷蝦蝦粉中水溶性蛋白含量均在8.02 mg/g以上,蝦青素含量均在121.08 μg/g以上,脂肪含量均在18.09%以下。破碎處理可有效增加物料表面積,但與此同時南極磷蝦體內(nèi)脂肪酶與南極磷蝦肉的接觸面積增大,從而可能加快脂肪在脂肪酶的作用下水解。破碎處理通過增加物料受熱面積,在同一干燥條件下,可有效縮短物料受熱時間,從而可能降低物料干燥過程中蛋白質(zhì)熱變性和蝦青素降解。由此可得,破碎處理可在一定程度上降低南極磷蝦蝦粉中脂肪含量,提高水溶性蛋白和蝦青素含量。
由圖6~圖8可知,隨著破碎時間的增加,絞肉機(jī)處理的南極磷蝦蝦粉,水溶性蛋白含量變化呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢,在60 s時出現(xiàn)最高點(diǎn)即9.47 mg/g;蝦青素含量變化呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢,在90 s時含量達(dá)到136.03 μg/g;脂肪含量變化呈現(xiàn)先迅速下降后平穩(wěn)下降的趨勢,在90 s時含量降至11.3%。隨著破碎時間的增加,斬拌機(jī)處理的南極磷蝦蝦粉,水溶性蛋白含量變化呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢,在90 s時含量達(dá)到12.56 mg/g;蝦青素含量變化呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,在90 s時含量降至169.92 μg/g;脂肪含量變化呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢,在90 s時含量達(dá)到15.93%。隨著破碎時間的增加,攪拌機(jī)處理的南極磷蝦蝦粉,水溶性蛋白含量變化呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,在90 s時含量降至11.21 mg/g;蝦青素含量變化呈現(xiàn)較快上升的趨勢,在90 s時含量達(dá)到149.92 μg/g;脂肪含量變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在60 s時含量達(dá)到最高點(diǎn)16.52%。
以上結(jié)果表明,在不同破碎方式和時間條件下處理的南極磷蝦干燥粉碎制成的蝦粉中營養(yǎng)成分含量有所不同,主要是處理條件導(dǎo)致南極磷蝦干燥受熱程度不同,從而對蝦粉中蛋白質(zhì)、脂肪、蝦青素含量造成影響。
本文對比分析攪拌機(jī)、絞肉機(jī)、斬拌機(jī)破碎處理對南極磷蝦干燥效率和蝦粉營養(yǎng)成分的影響。結(jié)果表明,顆粒度和干燥溫度對南極磷蝦干燥效率均有明顯影響,提高干燥溫度雖可提升干燥效率,但高溫易降低蝦粉品質(zhì),因此選擇改變南極磷蝦顆粒度是一種可行的方法?;谔岣吣蠘O磷蝦干燥效率考慮,攪拌機(jī)作用時間是15 s,絞肉機(jī)作用時間是60 s,斬拌機(jī)作用時間是90 s;基于較好保留蝦粉中營養(yǎng)成分考慮,斬拌機(jī)處理90 s制備的蝦粉營養(yǎng)成分保留較好。綜合考慮南極磷蝦干燥特性和蝦粉品質(zhì)可得斬拌機(jī)處理90 s是一種較好的南極磷蝦破碎工藝,此時南極磷蝦對應(yīng)的粒徑分布是1 mm及以下占25%,1~2 mm占15%,2~4 mm占14%,4~6 mm占14%,6~8 mm占7%,8~12.5 mm占25%。