南極磷蝦在不同凍藏溫度下保鮮期預(yù)測模型

俞所銀，楊晉青，葛宇*，翁史昱，雷濤，虞成華，陸志蕓，包建強(qiáng)

1(上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海，200233) 2(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306)

南極磷蝦(Euphausiasuperba)屬于高蛋白質(zhì)物種，含人體必需的全部氨基酸，及多種礦物質(zhì)[1-3],其生物量巨大約6.5～10.0億t[4]。隨世界人口的增加，南極磷蝦作為“潛在的巨大漁業(yè)資源”，正以較快的速度被開發(fā)為人類直接或間接食用的產(chǎn)品，如冷凍條蝦、南極磷蝦肉腸、南極磷蝦蛋白肽等。但由于捕撈技術(shù)的限制[5]、流通距離遠(yuǎn)和蝦體大量自溶酶的存在，這些問題對南極磷蝦品質(zhì)和鮮度有著重要的影響，因此建立“冷凍凍藏中南極磷蝦實(shí)用保鮮期(剩余貨架期)”的預(yù)測模型顯得十分必要。

VANl[6]認(rèn)為，盡管食品腐敗機(jī)制不盡相同，但通過對變質(zhì)過程的動力學(xué)研究可以預(yù)測食品保鮮期(shelf-life,SL,d)。根據(jù)英國食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)會(Institute of Food Science and Technology，IFST)的定義[7]，食品保鮮期是指食品(安全的)自出廠之日起，經(jīng)過流通環(huán)節(jié)到達(dá)消費(fèi)者手中，保持質(zhì)量不變的時(shí)間段(該食品的物化指標(biāo)、感官特性、微生物含量在一個(gè)可接受的范圍內(nèi))。國內(nèi)外對不同食品品質(zhì)變化的動力學(xué)模型做了大量的研究[8-16]，但對南極磷蝦在凍藏過程中品質(zhì)變化的動力學(xué)特性和保鮮期預(yù)測還未見報(bào)道。

本文研究了-18、-25、-30和-50 ℃貯藏下南極磷蝦感官品質(zhì)、肉質(zhì)的壓出水分(water-holding capacity，WHC)、菌落總數(shù)(total viable count，TVC)及總揮發(fā)性鹽基氮(total-volatile basic nitrogen，T-VBN)變化規(guī)律，通過數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用Arrhenius動力學(xué)方程建立品質(zhì)對凍藏溫度、時(shí)間變化的保鮮期預(yù)測模型，為南極磷蝦流通過程中保鮮期預(yù)測模型提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

南極磷蝦：南極海域FAO48.2區(qū)科考捕撈，-20 ℃冷鏈運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室，切割成(10 cm×10 cm×8 cm) 蝦磚若干，裝入食品級密封袋，分別在-18、-25、-30和-50 ℃下凍藏。間隔時(shí)間取樣測定各指標(biāo)值，實(shí)驗(yàn)時(shí)流水解凍，當(dāng)蝦磚變軟時(shí)置于自制冰鍋上4 ℃剝蝦取肉。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

TCL BD/BC-257，TCL BD/BC-492H電冰箱，廣東省惠州市TCL集團(tuán)股份有限公司；海爾SC-230冷藏柜，上海創(chuàng)橫儀器有限公司；DW-86L288超低溫冰箱，青島海爾特種電器有限公司；電子天平(0.000 1 g)，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；CT14RD臺式高速冷凍離心機(jī)，上海天美生化儀器設(shè)備有限公司；C21-SK105美的電磁爐加熱器，廣東美的生活電器制造有限公司；JJ-2組織搗碎均漿機(jī)，江蘇金壇精達(dá)儀器制造廠；SG2-ELK便攜式酸度計(jì)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；可調(diào)定量加液器，上海求精玻璃儀器廠；LRH-100CL低溫培養(yǎng)箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；DK-S28型電熱恒溫水浴鍋，上海精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器有限公司；SW-CJ-1CU雙人單面超凈工作臺，上海松泰凈化科技有限公司；KDN-04C數(shù)顯溫控消化爐；半微量定氮蒸餾裝置；酸式滴定管；DHT型攪拌調(diào)溫電熱套，山東鄄城創(chuàng)新儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取凍藏于-18、-25、-30和-50 ℃的南極磷蝦，每隔10 d測定其感官品質(zhì)、WHC、TVC及T-VBN指標(biāo)。

1.3.1 感官評定

蝦磚流水解凍后，挑選5只完整的蝦，由受過專門培訓(xùn)的感官評定小組(5人) 根據(jù)表1[14]對不同凍藏溫度下南極磷蝦感官品質(zhì)進(jìn)行綜合評分，最后取平均值。若綜合評分在2分以下，則表明南極磷蝦的剩余保鮮期為“0”，不可接受。

表1 南極磷蝦感官評定Table 1 Sensory evaluation of Antarctic krill

1.3.2 持水率(WHC)的測定

根據(jù)路昊[14]方法稍作改動，選用“壓出液滴”測量法。稱取(2.00±0.01)g切碎南極磷蝦肉，置于80目銅網(wǎng)上，采用冷凍離心機(jī)3 000 r/min離心10 min。再稱量離心后樣品(去銅網(wǎng))，所得質(zhì)量差為壓出液滴量,如公式(1)所示。

(1)

1.3.3 菌落總數(shù)(TVC)的測定

根據(jù)GB 4789.2—2016測定[17]。

1.3.4 揮發(fā)性鹽基氮(T-VBN)的測定

按GB/T 2009.228—2016測定磷蝦肉揮發(fā)性鹽基氮[18]。

1.4 南極磷蝦保鮮期預(yù)測方法

1.4.1 動力學(xué)模型

大多數(shù)食品在加工、保存過程中，由于呼吸作用、酶反應(yīng)、光降解等因素使得食品內(nèi)部品質(zhì)(M)發(fā)生變化[19]，不同反應(yīng)級數(shù)的食品品質(zhì)函數(shù)，見表2。

表2 不同反應(yīng)級數(shù)的食品品質(zhì)函數(shù)Table 2 Functions of food quality changes in different reaction orders

注：M-南極磷蝦凍藏第t天的品質(zhì)指標(biāo)值；M0-南極磷蝦初始品質(zhì)指標(biāo)值；t-南極磷蝦凍藏天數(shù)；k-南極磷蝦品質(zhì)變化反應(yīng)速率常數(shù)。

1.4.2 Arrhenius方程

Arrhenius方程結(jié)合各種參數(shù)、動力學(xué)方程被廣泛應(yīng)用于食品保鮮期預(yù)測，其基本表達(dá)式如公式(2)、(3)所示。

(2)

對式(2)取對數(shù)：

(3)

式中：k,南極磷蝦速率常數(shù)(rate constant)；A,前置因子(又稱“頻率因子”)，相當(dāng)于活化能為“0”時(shí)的反應(yīng)速率；Ea,活化能，品質(zhì)因子M或N變化所要克服的能量壁壘，J/mol；R,氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T,絕對溫度，K。

1.4.3 南極磷蝦保鮮期預(yù)測模型建立

南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃時(shí)不同品質(zhì)指標(biāo)的保鮮期，可根據(jù)各指標(biāo)的動力學(xué)模型參數(shù)推導(dǎo)出保鮮期方程。將表2中0級、1級F(M)品質(zhì)函數(shù)方程與Arrhenius方程式(2)結(jié)合，分別獲得保鮮期預(yù)測模型，如公式(4)和(5)所示，可以計(jì)算不同凍藏天數(shù)的品質(zhì)保鮮期。

“0”級保鮮期預(yù)測模型：

(4)

“1”級保鮮期預(yù)測模型：

(5)

1.4.4 統(tǒng)計(jì)分析

各指標(biāo)數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件、方差分析，DeltaGraph5軟件繪制曲線，試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同凍藏溫度下南極磷蝦感官終點(diǎn)保鮮期及動力學(xué)參數(shù)的確定

南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏下感官評定見圖1[20]。

圖1 不同凍藏溫度下南極磷蝦感官評分變化Fig.1 Changes in sensory evaluation of Antarctic krill during storage at different frozen temperatures

根據(jù)俞所銀等[20]測得的南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏過程中各指標(biāo)數(shù)據(jù)，按表2食品品質(zhì)函數(shù)計(jì)算，分別進(jìn)行“0級”線性回歸分析和“1級”非線性回歸分析，求得各指標(biāo)的“化學(xué)反應(yīng)級數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)k(斜率)、線型回歸決定系數(shù)R2(determination coefficient)”見表3。從表3可以看出，感官評定的“0級”動力學(xué)回歸決定系數(shù)比“1級”動力學(xué)回歸系數(shù)的大，說明南極磷蝦感官評定指標(biāo)“0級”動力學(xué)線性擬合更具有優(yōu)勢[21]。

表3 不同凍藏溫度下南極磷蝦各指標(biāo)的動力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters of various indicators for Antarctic krill during storage at different temperatures

續(xù)表3

指標(biāo)反應(yīng)級數(shù)溫度/℃速率常數(shù)(k)回歸系數(shù)(R2)∑R2最終級數(shù)WHC0級-18-25-30-50-0.068 8-0.068 8-0.073 9-0.051 80.857 10.925 50.989 00.984 23.7561級-18-25-30-50-0.001 6-0.001 4-0.001 5-0.000 90.902 00.942 00.964 70.971 23.7801級TVC0級-18-25-30-5026 153.06 056.12 750.61 049.60.678 00.568 30.517 80.511 42.2761級-18-25-30-500.013 80.011 50.008 60.006 30.927 10.930 80.981 30.966 93.8061級T-VBN0級-18-25-30-500.065 60.044 70.043 10.027 40.951 00.893 90.886 70.893 13.6251級-18-25-30-500.004 10.003 10.002 90.002 00.955 60.974 70.981 40.977 03.8891級

2.2 不同凍藏溫度下南極磷蝦肉WHC動力學(xué)參數(shù)的確定

南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏過程中WHC變化見圖2[20]。

圖2 不同凍藏溫度下南極磷蝦肉持水率的變化Fig.2 Changes in water-holding capacity of Antarctic krill during storage at different frozen temperatures

根據(jù)表3結(jié)果，南極磷蝦肉WHC屬于“1級”反應(yīng)，選擇-18、-25、-30和-50 ℃(分別對應(yīng)255、248、 243、 223 K)的速率常數(shù)k，繪制-ln(-k)～1/T(K)的Arrhenius圖，見圖3。

圖3 南極磷蝦持水率的Arrhenius圖Fig.3 Arrhenius plots for water-holding capacity of Antarctic krill during storage at different temperatures

根據(jù)公式(3)分別求得活化能Ea,A,其中A是Ea為0時(shí)的截距，將已知M0、M(≤30%)、Ea、A帶入“1級”保鮮期預(yù)測模型如公式(5)所示，求出預(yù)測保鮮期，見表4。

以表4中“相對誤差”為判別標(biāo)準(zhǔn)，表明除-50 ℃外，-18、-25、-30 ℃預(yù)測保鮮期模型測得的預(yù)測值與實(shí)測值之間的相對誤差≤10.0%，準(zhǔn)確度較高。

2.3 不同凍藏溫度下南極磷蝦肉TVC動力學(xué)參數(shù)

南極磷蝦在-18、-25、-30、-50 ℃凍藏過程中TVC變化見圖4[20]。

根據(jù)表3結(jié)果，南極磷蝦肉TVC屬于“1級”反應(yīng)，其Arrhenius見圖5。

將已知M0、M(6lg CFU/g)、Ea、A帶入“1級”保鮮期預(yù)測模型，如公式(5)所示，求出預(yù)測保鮮期，見表4。

表4 各指標(biāo)預(yù)測值與實(shí)測值的比較Table 4 Comparison between measured and calculated shelf life for indicators of Antarctic krill during storage at different temperatures

注：相對誤差/%=[(預(yù)測保鮮期-實(shí)測保鮮期)/實(shí)測保鮮期]×100。

圖4 不同凍藏溫度下南極磷蝦菌落總數(shù)變化Fig.4 Growth of total viable countof Antarctic krill at different frozen temperatures

圖5 南極磷蝦肉菌落總數(shù)的Arrhenius圖Fig.5 Arrhenius plots for total viable count of Antarctic krill during storage at different temperatures

南極磷蝦TVC預(yù)測保鮮期模型所得的預(yù)測值，顯著大于實(shí)測值，相對誤差值顯著偏大，這主要與“剝蝦取肉”環(huán)節(jié)有關(guān)，因?yàn)槿?0.0 g左右的蝦肉約30 min左右，暴露在室外易引入微生物；此外南極磷蝦整體凍結(jié)，帶有嗜冷微生物，常溫正是繁殖的最適溫度，因此導(dǎo)致相對誤差偏大。

2.4 不同凍藏溫度下南極磷蝦肉T-VBN動力學(xué)參數(shù)

南極磷蝦在-18、-25、-30、-50 ℃凍藏過程中T-VBN變化見圖6[20]。

圖6 不同凍藏溫度下南極磷蝦揮發(fā)性鹽基氮含量變化Fig.6 Changes of total volatile basic nitrogen content in Antarctic krill at different frozen temperatures

根據(jù)表3結(jié)果，南極磷蝦肉中T-VBN屬于“1級”反應(yīng)，其Arrhenius見圖7。

圖7 南極磷蝦肉揮發(fā)性鹽基氮的Arrhenius圖Fig.7 Arrhenius plots for total volatile nitrogen of Antarctic krill during storage at different temperatures

將已知M0、M(≥30 mg/100g)、Ea、A帶入“1級”保鮮期預(yù)測模型,如公式(5)所示，求出預(yù)測保鮮期，見表4。從表4可以看出，4組相對誤差值均在10.0%左右，準(zhǔn)確度較高，說明表3中南極磷蝦肉T-VBN的動力學(xué)參數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性，南極磷蝦肉T-VBN預(yù)測保鮮期模型較為準(zhǔn)確。

2.5 南極磷蝦保鮮期預(yù)測模型

南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏過程中的品質(zhì)變化可以通過“0級”、“1級”反應(yīng)動力學(xué)模型表示，因?yàn)榉磻?yīng)速率常數(shù)k是關(guān)于溫度的函數(shù)，所以結(jié)合Arrhenius方程可以預(yù)測南極磷蝦在不同凍藏溫度下的保鮮壽命[22]。

通過表3可知，南極磷蝦在凍藏過程中WHC、T-VBN是“1級”反應(yīng)動力學(xué)模型，回歸方程的決定系數(shù)R2>0.9，表明回歸方程具有很好的擬合精度，總體線性關(guān)系較好。根據(jù)表4，求出保鮮期預(yù)測模型，如公式(6)、(7)所示。

WHC保鮮期預(yù)測模型：

(6)

(不適用-50 ℃)

T-VBN保鮮期預(yù)測模型：

(7)

其模型的相關(guān)系數(shù)R2≥0.90，說明模擬效果良好。

式(6)和式(7)中：MWHC0、MT-VBN0，南極磷蝦初始品質(zhì)指標(biāo)值；MWHC、MT-VBN，南極磷蝦品質(zhì)指標(biāo)上限值(或第n天的值)，公式(6)對-50 ℃凍藏不使用。

2.6 南極磷蝦保鮮期預(yù)測模型的驗(yàn)證和評價(jià)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證南極磷蝦在-18、-25、-30和-50 ℃凍藏下預(yù)測保鮮期模型的可行性，以2.1“感官評定”獲得上述4種溫度下品質(zhì)不可接受時(shí)對應(yīng)的天數(shù)為驗(yàn)證值，觀察“WHC預(yù)測值與實(shí)測值的相對誤差；根據(jù)GB/T 2733—2005海蝦中T-VBN≥25.00 mg/100g，即超過二級鮮度作為驗(yàn)證值，見表5。

表5 預(yù)測值與實(shí)測值的比較Table 5 Comparison between measured and calculated shelf life of Antarctic krill during storage at different temperatures

從表5可以看出：-18、-25、-30和-50 ℃凍藏條件下的南極磷蝦肉達(dá)到T-VBN二級鮮度上限值(25 mg/100g)時(shí)，預(yù)測保鮮期分別為355、414、460、725 d，與實(shí)測保鮮期的相對誤差在±10.0%以內(nèi)，說明應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)建立的南極磷蝦肉T-VBN模型能反映凍藏南極磷蝦肉品質(zhì)變化，且使用溫度范圍廣、準(zhǔn)確度高，可以快速、可靠、實(shí)時(shí)預(yù)測-18～-50 ℃凍藏條件下南極磷蝦肉的保鮮期。

以“感官評價(jià)”終點(diǎn)為依據(jù)，驗(yàn)證“WHC”在評價(jià)終點(diǎn)(天數(shù))時(shí)預(yù)測保鮮期，并與相應(yīng)的實(shí)測值比較，發(fā)現(xiàn)保鮮期預(yù)測值均在±10.0%左右，南極磷蝦肉WHC預(yù)測模型與感官評價(jià)具有一定的相關(guān)性，可以嘗試性聯(lián)用“感官評價(jià)”、“持水率”對南極磷蝦品質(zhì)進(jìn)行測定。

3 結(jié)論與討論

通過測定WHC來反映海蝦肉樣保鮮期變化的研究不多，本文對此進(jìn)行了嘗試性的探索，線型回歸分析發(fā)現(xiàn)WHC屬于“1級”動力學(xué)反應(yīng)，以感官評定終點(diǎn)為依據(jù)，結(jié)合Arrhenius方程得到在-30～-18 ℃溫度段南極磷蝦肉預(yù)測保鮮期模型。其模型的相關(guān)系數(shù)R2≥0.90，說明模擬效果良好。

本文同時(shí)研究了TVC對南極磷蝦肉樣保鮮期變化的關(guān)系。線性回歸分析發(fā)現(xiàn)其分別適用于“1級”反應(yīng)，結(jié)合Arrhenius方程建立相應(yīng)預(yù)測模型，但結(jié)果不甚理想。原因可能是南極磷蝦初始pH值為7.01，這可能與南極磷蝦生活環(huán)境和自身的滲透壓有關(guān)[25]，在凍藏過程中蛋白質(zhì)一直在降解，呈堿性。但凍藏溫度對微生物的生長有抑制作用，使蛋白質(zhì)分解速度降低，從-18、-25、-30、-50 ℃分別在270、310、390、550 d達(dá)到峰值可以證實(shí)。因此4種溫度pH值在8.5～8.6左右，與初始值相差微小，無法通過Arrhenius方程模型反應(yīng)其動力學(xué)變化。蝦類一般比畜禽的肉容易腐敗，原因主要有：(1)蝦類本身的特性引起的。磷蝦肉組織松軟、含水量高，在捕撈、運(yùn)輸、加工和銷售過程中，容易被微生物侵襲。鰓、腸內(nèi)所帶的水中細(xì)菌為嗜冷性微生物，常溫正是繁殖的最適溫度。南極磷蝦體中酶活性較強(qiáng)，使蝦肉蛋白質(zhì)等發(fā)生變質(zhì)分解，為腐敗微生物創(chuàng)造有利條件。另外蝦類內(nèi)含天然免疫素少。(2)南極磷蝦帶著易腐的內(nèi)臟及帶菌的鰓進(jìn)行凍藏，這些是微生物繁殖的良好培養(yǎng)基，因此更容易腐敗。(3)在“剝蝦取肉”環(huán)節(jié)存在耗時(shí)、溫度波動現(xiàn)象，引入外界微生物造成誤差。對凍藏南極磷蝦肉品質(zhì)動力學(xué)分析，結(jié)合GB/T 2733—2005海蝦中T-VBN初步腐敗界限標(biāo)準(zhǔn)(30 mg/100g)，聯(lián)合Arrhenius方程得到在-50～-18 ℃溫度段內(nèi)任一溫度下南極磷蝦肉預(yù)測保鮮期模型。其模型的相關(guān)系數(shù)R2≥0.95，說明模擬效果良好。

利用GB/T 2733—2005海蝦中T-VBN二級鮮度標(biāo)準(zhǔn)(25 mg/100g)值對模型驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，化學(xué)指標(biāo)T-VBN作為南極磷蝦肉鮮度指標(biāo)，可以很好地作為動力學(xué)模型進(jìn)行保鮮壽命的預(yù)測，T-VBN值的變化最能反應(yīng)凍藏南極磷蝦肉保鮮期的變化。

試驗(yàn)表明，凍藏溫度的變化是造成南極磷蝦肉質(zhì)保鮮期變化的主要原因。而WHC、總蛋白含量可以結(jié)合感官評定對-18、-25、-30 ℃凍藏南極磷蝦保鮮期的測定。T-VBN預(yù)測保鮮期模型能較好地反映4種溫度下南極磷蝦肉質(zhì)保鮮期的變化規(guī)律，相對誤差均在±10.0%左右，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測不同溫度下、凍藏不同時(shí)間后某一指標(biāo)數(shù)值的品質(zhì)動力學(xué)模型。為今后建立可食性南極磷蝦肉保鮮期的快速判別模型提供了依據(jù)。