基于三文魚介電特性的模擬食品研發(fā)

陳瑩瑩，涂桂飛，欒東磊*

1(上海海洋大學,食品熱加工工程技術(shù)中心，上海，201306) 2(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)

隨著生活水平的提高，人們對海產(chǎn)品的消費需求迅速增長，三文魚(Salmosalar)以其鮮嫩的口感和豐富的營養(yǎng)，受到越來越多人的喜愛[1]。三文魚通常的吃法是生食，既不符合國人的飲食習慣又存在較大的安全隱患[2]。為了獲得常溫下可以長期保存的三文魚，通常采用高溫殺菌方式將三文魚制成罐頭食品，但是長時間高溫處理導致三文魚的營養(yǎng)和感官品質(zhì)下降嚴重。隨著冷鏈的發(fā)展，在0～4 ℃具有較長保質(zhì)期的高品質(zhì)巴氏殺菌產(chǎn)品逐漸被消費者認可。但是傳統(tǒng)巴氏殺菌傳熱速率慢、加熱時間長，在品質(zhì)提升方面潛力有限。而微波巴氏殺菌在降低殺菌時間、提高三文魚產(chǎn)品品質(zhì)方面具有較大潛力，是食品加工領(lǐng)域的研究熱點。微波巴氏殺菌工藝的研究需遵循與傳統(tǒng)工藝相同的安全標準，即保證冷點位置的熱處理程度滿足安全標準。但是微波加熱的冷點位置與傳統(tǒng)加熱方式不同，因此溫度分布及冷熱點位置的確定是微波巴氏殺菌工藝研發(fā)的基礎[3-6]?；诿览路磻幕瘜W標記法被廣泛用以分析微波加熱食品的溫度分布，其原理是還原糖和氨基酸反應生成棕色物質(zhì)，溫度越高，加熱時間越長，反應生成物越多，顏色越深[7]。該反應為不可逆反應，能夠記錄食品不同位置的熱處理程度，在加熱完成后對樣品進行切片處理，可以通過顏色的深淺程度獲得微波殺菌食品內(nèi)部的熱形及冷熱點位置[8-9]。

普通食品美拉德反應變色不明顯，所以在化學標記法的應用中，一般用D-核糖和L-賴氨酸作為美拉德反應的底物，與目標食品性質(zhì)匹配的模擬食品作為反應的載體。食品的介電特性是影響微波加熱溫度分布的主要因素，它描述了食品與電磁能相互作用的能力，主要包括介電常數(shù)和介電損耗2個參數(shù)，介電常數(shù)反映食品儲存電場能量的能力，介電損耗反映食品將電場能轉(zhuǎn)換為熱能的能力[10-11]。在微波加熱研究中，結(jié)冷膠[12]、土豆泥[13-14]和蛋白粉[15-16]已被用于制作模擬食品用以獲得微波加熱的溫度分布。結(jié)冷膠用于模擬高水分含量的食品，土豆泥用于模擬高淀粉含量的食品，蛋白粉用于模擬高蛋白含量的食品。由于三文魚魚肉中含量最高的是水和蛋白質(zhì)，本文以乳清蛋白粉為主要原料，研發(fā)介電特性和三文魚匹配，適用于微波巴氏殺菌的模擬食品。首先測量了20～110 ℃、頻率300～2 500 MHz時三文魚的介電特性，然后通過改變?nèi)榍宓鞍追酆渴鼓M食品與三文魚的介電特性一致，制得的模擬食品可以用于溫度分布和冷熱點位置的確定，為三文魚微波巴氏殺菌工藝開發(fā)提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

整條三文魚(Salmosalar)，美威水產(chǎn)(上海)有限公司，儲存于-18 ℃?zhèn)溆茫粷饪s乳清蛋白粉，南京高溯生物科技有限公司；結(jié)冷膠，美國唐瑞斯食品物料公司；D-核糖、L-賴氨酸，北京百靈威科技有限公司；CaCl2，上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器與設備

電子天平，盛博電子衡器有限公司；2X15-3恒溫磁力攪拌器，上海弘懿儀器設備有限公司；E5071C矢量網(wǎng)絡分析儀，是德科技(中國)有限公司；Testo 106高精度食品溫度計，德圖儀器國際貿(mào)易有限公司；25UG26威力微波爐，中山東菱威力電器有限公司；FLIR T420紅外熱像儀，美國菲力爾公司；PICOVACQ/1TC型無線溫度傳感器，安聯(lián)國際有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 乳清蛋白凝膠模擬食品的制作

參照ZHANG等[12]和WANG等[16]的方法并進行優(yōu)化，將1%(質(zhì)量分數(shù))的結(jié)冷膠粉溶于水中，放到恒溫磁力攪拌器中加熱至90 ℃左右，加入無水CaCl2，待CaCl2完全溶解，60 s后停止加熱。溶液溫度降低至60 ℃左右，加入一定量的D-核糖、L-賴氨酸和乳清蛋白粉，攪拌均勻，倒入事先準備好的模具中，冷卻形成乳清蛋白凝膠模擬食品。

1.3.2 介電特性的測量

矢量網(wǎng)絡分析儀在測量前先開機預熱半小時，依次用空氣、金屬短柱、去離子水校準，在特制的可調(diào)溫度測試腔內(nèi)測定三文魚的介電特性。掃描頻率范圍設置為300～2 500 MHz，頻率間隔2.5 MHz；溫度為20～110 ℃，溫度間隔10 ℃。將三文魚從-18 ℃置于4 ℃解凍，按圖1所劃分的部位取待測三文魚樣品，均勻塞入套筒內(nèi)，放入熱電偶進行跟蹤測量實時溫度，介電常數(shù)和介電損耗均平行測量3次，取其平均值。

圖1 三文魚不同部位劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of different parts of salmon

1.3.3 穿透深度的計算

穿透深度是指微波能量減少為原來的1/e(e=2.718 3)或36.8%時距離表面的深度，可用于表征食品物料對微波能衰減能力的大小，也是衡量微波加熱食品內(nèi)部溫度分布的重要參數(shù)[3]。穿透深度通常用于選擇加熱食品的合適厚度，使加熱過程更加均勻，如計算公式(1)所示：

(1)

式中：dp為穿透深度，m；c為光在真空中的傳播速度，c=3×108m/s，f為對應的測定頻率，Hz；ε′和ε″分別為介電常數(shù)和介電損耗。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.5軟件對數(shù)據(jù)進行分析制圖；Microsoft Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并擬合方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 三文魚的介電特性

圖2-A、2-B為20～110 ℃、頻率300～2 500 MHz內(nèi)三文魚腹部魚肉介電特性隨頻率、溫度的變化規(guī)律。溫度一定時，三文魚腹部魚肉的介電常數(shù)和介電損耗均隨頻率的升高而減小；頻率一定時，腹部魚肉介電常數(shù)隨溫度的升高而減小，介電損耗隨溫度的升高而增大，這與張文杰等[17]研究的扇貝，賈敏等[18]研究的鮑魚介電特性隨溫度、頻率變化規(guī)律相似。圖2-C、2-D為三文魚背部魚肉介電特性隨頻率、溫度的變化規(guī)律，圖2-E～圖2-F為三文魚尾部魚肉介電特性隨頻率、溫度的變化規(guī)律，背部、尾部魚肉介電特性隨頻率、溫度的變化規(guī)律與腹部魚肉相同。由圖2可知，在300～2 500 MHz，三文魚魚肉介電常數(shù)和介電損耗均與頻率呈負相關(guān)。

圖3為433、915、2 450 MHz頻率下，三文魚不同部位魚肉隨溫度的變化情況。由于433、915、2 450 MHz是食品工業(yè)中常用的頻率[15]，因此研究三文魚介電特性隨溫度變化時，選取這3個頻率。由圖3可知，三文魚介電常數(shù)與溫度呈負相關(guān)，介電損耗與溫度呈正相關(guān)。由圖3-A、圖3-B可以看出，在相同溫度、相同頻率下，尾部和背部魚肉的介電常數(shù)、介電損耗均大于腹部魚肉，這可能是由于三文魚腹部的脂肪含量高于三文魚背部和尾部[19-20]。由圖3可知，三文魚各部位介電特性差異較小，用模擬食品匹配三文魚介電特性時，可以用各部位的平均值。

2.2 乳清蛋白凝膠模擬食品的介電特性

圖4為433、915、2 450 MHz頻率下不同蛋白粉含量的模擬食品(2%、6%、10%)介電常數(shù)、介電損耗隨溫度的變化情況。由圖4可知，頻率一定時，在20～110 ℃下乳清蛋白凝膠模擬食品的介電常數(shù)隨著溫度的升高而降低，介電損耗隨著溫度的升高而升高，這與三文魚的介電特性變化規(guī)律一致。增加蛋白粉含量，相同頻率相同溫度下模擬食品的介電常數(shù)和介電損耗均降低，這是因為水分含量降低，水分子與物料分子的結(jié)合力越來越大，極化效果減小[21-22]。由圖4可以看出，2%、6%乳清蛋白含量的模擬食品介電常數(shù)和介電損耗均高于三文魚，10%乳清蛋白含量的模擬食品介電特性和三文魚最為接近。

A、C、E-三文魚腹部、背部、尾部魚肉介電常數(shù)；B、D、F-三文魚腹部、背部、尾部魚肉介電損耗圖2 三文魚不同部位介電特性隨頻率、溫度的變化規(guī)律Fig.2 Dielectric properties of different parts of salmon with frequency and temperature

A-三文魚介電常數(shù)；B-三文魚介電損耗圖3 433、915、2 450 MHz頻率下不同部位三文魚的介電特性Fig.3 Dielectric properties of salmon in different parts at 433,915 and 2 450 MHz

在433、915、2 450 MHz頻率下，以模擬食品的介電常數(shù)為因變量，加熱溫度T和乳清蛋白粉含量x為自變量，構(gòu)建回歸方程[23-25]。如表1所示，擬合度R2分別為0.980、0.994 9、0.996 4。表2為模擬食品介電損耗因數(shù)與蛋白粉含量和溫度的回歸方程，其R2分別為0.987 9、0.983 1、0.994 3。擬合度R2均大于0.98，可以用這些方程預測不同溫度下不同蛋白粉含量模擬食品的介電常數(shù)和介電損耗，為開發(fā)其他水產(chǎn)品的模擬食品提供參考。

A、C、E-433、915、2 450 MHz頻率下三文魚和模擬食品的介電常數(shù)；B、D、F-433、915、2 450 MHz頻率下三文魚和模擬食品的介電損耗圖4 不同蛋白粉含量的模擬食品(2%、6%、10%)介電常數(shù)、介電損耗隨溫度的變化規(guī)律Fig.4 Variation of dielectric constant and dielectricloss factor with temperature of model foods (2%, 6%, 10%)with different protein powder contents

表1 模擬食品介電常數(shù)與蛋白粉含量和溫度的回歸方程Table 1 Regression equation of dielectric constant ofmodel food with protein content and temperature

表2 模擬食品介電損耗因數(shù)與蛋白粉含量和溫度的回歸方程Table 2 Regression equation of loss factor of model foodwith protein content and temperature

2.3 三文魚介電特性與模擬食品的擬合

為了匹配三文魚的介電特性，將10%乳清蛋白含量的模擬食品介電特性與三文魚不同部位的平均值相比較。圖5為433、915和2 450 MHz下，三文魚與乳清蛋白凝膠模擬食品的介電特性曲線，其中模擬食品的組成(質(zhì)量分數(shù))為10%乳清蛋白粉、1%結(jié)冷膠、1%D-核糖、1%L-賴氨酸、0.3% CaCl2、86.7%蒸餾水。表3為三文魚和模擬食品介電常數(shù)、介電損耗隨溫度變化的回歸方程，R2>0.98，可以用于預測不同溫度下三文魚的介電特性，為計算機數(shù)值模擬提供支持。由圖5可以看出，模擬食品介電常數(shù)隨溫度變化和三文魚較為接近，介電常數(shù)隨溫度變化和三文魚基本一致，本文研發(fā)的模擬食品在20～110℃下介電特性隨溫度變化和三文魚一致，可以用于三文魚微波巴氏殺菌過程。

A-三文魚和模擬食品的介電常數(shù)；B-三文魚和模擬食品的介電損耗圖5 三文魚與模擬食品(10%蛋白粉)介電特性擬合Fig.5 Comparison of dielectric properties of model food(10% protein powder) and salmon

表3 三文魚和模擬食品介電特性的回歸方程Table 3 Regression equations for the dielectric propertiesof salmon and model food

2.4 穿透深度

圖6為20～110 ℃條件下，三文魚與模擬食品(10%乳清蛋白)穿透深度隨溫度的變化規(guī)律。隨著溫度的增加，三文魚和模擬食品的穿透深度不斷減小，這與WANG等[20]研究的三文魚穿透深度隨溫度變化一致。433 MHz頻率下20 ℃時三文魚和模擬食品的穿透深度分別為23.92、23.33 mm，110 ℃時穿透深度分別為10.50、10.03 mm；915 MHz頻率下20 ℃時三文魚和模擬食品的穿透深度分別為16.59、16.08 mm，110 ℃時穿透深度分別為7.76、7.33 mm；2 450 MHz下20 ℃時三文魚和模擬食品的穿透深度分別為8.07、8.74 mm，110 ℃時穿透深度分別為5.03、5.95 mm。從20℃上升到110℃，穿透深度減小為原來的一半，賈敏等[18]研究的鮑魚其穿透深度也具有相似的規(guī)律。此外，微波頻率從433 MHz升到915 MHz再升到2 450 MHz，三文魚和模擬食品的穿透深度在不斷減小。表4為三文魚和模擬食品穿透深度隨溫度變化的回歸方程，擬合度R2>0.99，可以用于預測不同溫度下三文魚的穿透深度，為計算機模擬提供理論依據(jù)。由圖5可知，在433、915、2 450 MHz頻率下，模擬食品的穿透深度與三文魚匹配的較好，因此可使用該配方的乳清蛋白凝膠模擬食品代替三文魚應用到微波熱處理系統(tǒng)中。

圖6 三文魚和模擬食品(10%蛋白粉)的穿透深度Fig.6 Penetration depth between salmon and model food (10% protein powder)

表4 三文魚和模擬食品穿透深度隨溫度變化的擬合方程Table 4 Regression equation for the penetration depthof salmon and model food with temperature

2.5 模擬食品微波熱處理實驗驗證

圖7-A、圖7-B為相同尺寸(10 cm × 6 cm × 1.6 cm)的乳清蛋白凝膠模擬食品和三文魚塊置于700 W微波爐中加熱60 s的上表面紅外熱形圖。圖7-C為模擬食品內(nèi)部化學標記法熱形圖，圖7-D為經(jīng)過MATLAB軟件處理的化學標記法熱形圖。圖7-E為無線溫度傳感器記錄的模擬食品和三文魚的冷熱點升溫曲線。本文研發(fā)的模擬食品經(jīng)過微波熱處理，其溫度分布和冷熱點位置與三文魚一致。因此該配方的模擬食品可以代替三文魚，用于微波巴氏殺菌溫度分布和冷熱點位置的確定，為三文魚微波巴氏殺菌工藝的開發(fā)提供了載體。

A-三文魚上表面紅外熱形圖；B-模擬食品上表面紅外熱形圖；C-模擬食品中部切面化學標記法熱形圖；D-模擬食品化學標記法熱形偽彩圖；E-冷熱點升溫曲線圖7 微波熱處理后溫度分布和冷熱點升溫曲線Fig.7 Temperature distribution after microwaveheat treatment and heating curves of cold and hot spots

3 結(jié)論

本研究對20～110 ℃、頻率300～2 500 MHz三文魚不同部位(腹部、背部、尾部)的介電特性進行測量，同時考察了乳清蛋白粉含量對模擬食品介電特性的影響。溫度一定時，不同部位三文魚介電常數(shù)和介電損耗隨著頻率的升高而降低；頻率一定時，介電常數(shù)隨著溫度的升高而減小，介電損耗隨溫度的升高而增大，且在相同溫度、相同頻率下尾部和背部魚肉的介電常數(shù)、介電損耗大于腹部魚肉，這可能是因為腹部魚肉的脂肪含量高于背部和尾部。433、915、2 450 MHz頻率下，三文魚介電特性及穿透深度隨溫度變化的回歸方程，擬合度R2>0.98，可以用于預測不同溫度下三文魚的介電特性及穿透深度。乳清蛋白粉含量增加，模擬食品的介電常數(shù)和介電損耗均減小。當模擬食品組成(質(zhì)量分數(shù))為乳清蛋白粉10%，結(jié)冷膠1%，D-核糖1%，L-賴氨酸1%，CaCl20.3%，蒸餾水86.7%時，模擬食品的介電特性與三文魚一致，可以用于三文魚微波巴氏殺菌溫度分布和冷熱點位置的確定，為三文魚微波巴氏殺菌工藝開發(fā)提供理論基礎。