南極磷蝦粉制備過(guò)程中蒸煮條件的優(yōu)化

馬田田,歐陽(yáng)杰,談佳玉,王凱欣,沈 建

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家水產(chǎn)品加工裝備研發(fā)分中心,上海 200092)

南極磷蝦(Euphausiasuperba)以群居方式生活在南極大陸架、冰架和海島附近。南極磷蝦生物儲(chǔ)量可觀,年可捕獲量為1億噸,是當(dāng)前世界海洋捕撈產(chǎn)量的總和[1-3]。南極磷蝦個(gè)體較小,體長(zhǎng)約4～6 cm,肌體呈磚紅色透明態(tài),以微小浮游植物作為主要食物來(lái)源,捕撈區(qū)域主要在48海區(qū)[4-7]。南極磷蝦營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,氨基酸組成合理,必需氨基酸含量豐富,脂肪酸組成豐富,不飽和脂肪酸占比大,是優(yōu)質(zhì)的海洋蛋白質(zhì)來(lái)源和天然的健康食品[8-10]。我國(guó)南極磷蝦主要加工產(chǎn)品包括凍蝦、蝦肉、蝦粉[11];南極磷蝦因自身含水量高,致使其易腐敗變質(zhì)且運(yùn)輸成本較高[12];南極磷蝦因群居在南極海域,生存環(huán)境特殊,捕撈船行程遠(yuǎn),儲(chǔ)能空間大,致使其捕撈作業(yè)困難度增加且運(yùn)輸量有限[13]。

基于提高南極磷蝦運(yùn)輸量、減少運(yùn)輸成本和保存南極磷蝦營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的目的考慮,將南極磷蝦通過(guò)合理的加工方式制成南極磷蝦粉越來(lái)越受關(guān)注。南極磷蝦粉作為一種優(yōu)質(zhì)蛋白原料,其蛋白能被人們較好地消化、吸收和利用,如徐蓓蓓等[14]研究不同南極磷蝦產(chǎn)品中蛋白營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,論證南極磷蝦產(chǎn)品可作為良好的蛋白質(zhì)來(lái)源。南極磷蝦粉富含脂質(zhì),是提取南極磷蝦油的一種重要原料,南極磷蝦油的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值不低于魚(yú)油,如Bunea等[15]研究發(fā)現(xiàn)南極磷蝦脂質(zhì)中的ω-3多不飽和脂肪酸主要與磷脂相連接,而魚(yú)類(lèi)脂質(zhì)中的ω-3多不飽和脂肪酸主要與甘油三酯相連接,南極磷蝦脂質(zhì)具有不同于魚(yú)類(lèi)脂質(zhì)的獨(dú)特功能和營(yíng)養(yǎng)特性。目前,南極磷蝦粉加工主要包括蒸煮、分離、干燥、粉碎四個(gè)步驟,如趙偉等[16]采用陸上模擬實(shí)驗(yàn),南極磷蝦經(jīng)蒸煮、離心、冷凍、干燥、粉碎后制得蝦粉,結(jié)果表明蝦粉完全滿足提油用蝦粉的要求。在南極磷蝦粉制備中,蒸煮是第一個(gè)加工環(huán)節(jié),起著保留南極磷蝦中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的關(guān)鍵作用,主要是通過(guò)蒸煮使南極磷蝦體內(nèi)復(fù)雜的自溶酶受到抑制或失去活性。目前,已有關(guān)于蒸煮裝置、蒸煮方式、蒸煮工藝等的研究,如覃干景等[17]發(fā)明的南極磷蝦快速蒸煮設(shè)備可有效縮短蒸煮時(shí)間短,使蛋白質(zhì)迅速凝固,從而大幅提高南極磷蝦粉加工轉(zhuǎn)化率和品質(zhì);薛長(zhǎng)湖等[18]發(fā)明的南極磷蝦快速蒸煮裝置,在提高南極磷蝦蒸煮效率的同時(shí)能夠有效回收南極磷蝦中肌漿蛋白,從而提高南極磷蝦粉產(chǎn)率;談佳玉[19]探索了四種蒸煮方式對(duì)南極磷蝦蝦青素影響,結(jié)果表明100 ℃直接水煮30 s后50 ℃直接水煮9 min的組合蒸煮方式最佳,能有效減少蒸煮對(duì)蝦粉中蝦青素的破壞;魏榮男[20]開(kāi)展了南極磷蝦粉蒸煮工藝研究,結(jié)果表明在最大程度地保證成本效益、蒸煮完全、品質(zhì)及得率條件下,較優(yōu)的蒸煮溫度為55～60 ℃。而關(guān)于將南極磷蝦粉作為蛋白質(zhì)或脂肪的提取原料為研究對(duì)象,針對(duì)蒸煮條件分別對(duì)蝦粉蛋白質(zhì)、脂肪含量影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文基于南極磷蝦中蛋白酶和脂肪酶兩類(lèi)酶受到抑制或失去酶活條件不同以及目前市場(chǎng)和實(shí)際生產(chǎn)需要,以凍南極磷蝦為原料,采用不同條件蒸煮南極磷蝦,分別對(duì)比分析蒸煮溫度、升溫時(shí)間、保溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)、脂肪含量影響,旨在為南極磷蝦粉產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

凍南極磷蝦 上海開(kāi)創(chuàng)遠(yuǎn)洋漁業(yè)有限公司;濃硫酸、硫酸鉀、五水硫酸銅、氫氧化鈉、乙醇、石油醚、甲基紅、溴甲酚綠、甲基橙 分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;牛白蛋白 生物試劑,上海純優(yōu)生物科技有限公司。

YP-4002電子天平 上海精密儀器儀表有限公司;HH-2電熱恒溫水浴鍋 常州朗越儀器制造有限公司;GTR16-2高速臺(tái)式冷凍離心機(jī) 北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司;BPG-96A精密鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;KDN-818全自動(dòng)凱氏定氮儀 上海纖檢儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 南極磷蝦制粉工藝 凍南極磷蝦→流水解凍→瀝水→蒸煮→離心→干燥→粉碎篩分→蝦粉

1.2.1.1 原料預(yù)處理 凍南極磷蝦采用流水解凍的方式,水溫為25 ℃左右;解凍后的南極磷蝦利用網(wǎng)篩瀝去表面水,用于蒸煮實(shí)驗(yàn)。

1.2.1.2 南極磷蝦粉的制備 稱取流水解凍瀝水后的南極磷蝦,以一定的蒸煮溫度、升溫時(shí)間和保溫時(shí)間蒸煮南極磷蝦,離心脫去部分水后置于80 ℃烘箱中干燥至磷蝦水分含量低于8%,干燥后的磷蝦粉碎40目篩分制成蝦粉,測(cè)定蝦粉中蛋白質(zhì)、脂肪含量。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 蒸煮溫度對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)、脂肪的影響 取流水解凍瀝水后的南極磷蝦三份,每份約100.0 g。固定保溫時(shí)間為4.0 min,升溫時(shí)間為2.0 min,南極磷蝦的蒸煮溫度依次設(shè)為40、50、60、70、80、90、100 ℃,測(cè)定南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)、脂肪含量。

1.2.2.2 升溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)、脂肪的影響 取流水解凍瀝水后的南極磷蝦三份,每份約100.0 g。固定蒸煮溫度為70 ℃,保溫時(shí)間為4.0 min,南極磷蝦的升溫時(shí)間依次設(shè)為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 min,測(cè)定南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)、脂肪含量。

1.2.2.3 保溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)、脂肪的影響 取流水解凍瀝水后的南極磷蝦三份,每份約100.0 g。固定蒸煮溫度為70 ℃,升溫時(shí)間為2.0 min,南極磷蝦的保溫時(shí)間依次設(shè)為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 min,測(cè)定南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)、脂肪含量。

1.2.3 正交試驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別以南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)、脂肪含量為考察指標(biāo),綜合考察蒸煮溫度、升溫時(shí)間、保溫時(shí)間三因素的影響,采用正交試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化南極磷蝦粉蒸煮條件,得出三個(gè)影響因素的主次順序,蒸煮條件的主要組合以及各因素的顯著性分析。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1、表2所示。

表1 提蛋白用的南極磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experimentfor cooking conditions of Antarctic krill powder

表2 提脂肪用的南極磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experimentfor cooking conditions of Antarctic krill powder for fat extraction

1.2.4 蛋白質(zhì)、脂肪的測(cè)定

1.2.4.1 蛋白質(zhì)提取及測(cè)定 南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)提取及測(cè)定參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),采用微量凱氏定氮法[21],稱取一定量制備的蝦粉,利用全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行樣品消化、蒸餾,根據(jù)每次滴定耗用溶液毫升數(shù),計(jì)算南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)含量。

1.2.4.2 脂肪提取及測(cè)定 南極磷蝦粉中脂肪提取及測(cè)定參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),采用索氏抽提法[22],用濾紙包取一定量制備的蝦粉置于索氏抽提器中,70 ℃抽提4～6 h,后取出蝦粉包,讓石油醚揮發(fā)后,置于105 ℃烘箱內(nèi)烘至恒重,根據(jù)測(cè)定前后蝦粉重量差計(jì)算其脂肪含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPASS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,運(yùn)用Excel進(jìn)行繪圖;設(shè)置三組平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值來(lái)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 蒸煮溫度對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)、脂肪含量影響 由圖1可知,隨著蒸煮溫度增加,南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì);在蒸煮溫度為70 ℃時(shí),蛋白質(zhì)含量最高,含量約為61%。在40～70 ℃范圍內(nèi),隨溫度上升蛋白質(zhì)含量呈上升趨勢(shì),陳怡炫等[23]研究南極磷蝦粗酶液中蛋白酶基礎(chǔ)酶學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度超過(guò)40 ℃,隨溫度升高,南極磷蝦蛋白酶酶活性降低,結(jié)合此實(shí)驗(yàn)分析產(chǎn)生該變化趨勢(shì)的原因是隨溫度上升,蛋白酶受到的抑制逐漸增大,蛋白質(zhì)的酶解反應(yīng)速率降低,且蛋白的熱變性反應(yīng)較弱;在70～100 ℃范圍內(nèi),隨溫度上升蛋白質(zhì)含量呈下降趨勢(shì),戚亭等[24]研究南極磷蝦蛋白功能性發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過(guò)75 ℃,隨溫度升高,南極磷蝦蛋白變性逐漸加劇,結(jié)合此實(shí)驗(yàn)分析產(chǎn)生該變化趨勢(shì)的原因是隨溫度上升,蛋白熱變性反應(yīng)加快,且蛋白酶逐漸失活。因此,提蛋白用的蒸煮溫度選擇為70 ℃。

圖1 蒸煮溫度對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)含量影響Fig.1 Effect of cooking temperatureon protein content of Antarctic krill powder

由圖2可知,隨著蒸煮溫度增加,南極磷蝦粉中脂肪含量呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì);在40～80 ℃范圍內(nèi),隨著蒸煮溫度升高脂肪含量呈上升趨勢(shì),尚憲明[25]通過(guò)研究南極磷蝦脂肪酶酶學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn),反應(yīng)溫度在35～65 ℃時(shí),該脂肪酶都具有酶活力,但脂肪酶的酶促反應(yīng)速率急劇下降,結(jié)合此實(shí)驗(yàn)分析產(chǎn)生該變化趨勢(shì)的原因是隨溫度上升,脂肪的酶解反應(yīng)速率降低,且脂質(zhì)氧化分解反應(yīng)較弱;在蒸煮溫度為80 ℃時(shí),脂肪含量最高,含量約為20%。在80～100 ℃范圍內(nèi),隨著蒸煮溫度升高脂肪含量呈下降趨勢(shì),孫德偉[9]通過(guò)研究南極磷蝦脂質(zhì)性質(zhì)發(fā)現(xiàn),其具有高熱敏性特征,結(jié)合此實(shí)驗(yàn)分析產(chǎn)生該變化趨勢(shì)的原因是隨溫度上升,脂肪的高溫氧化分解,且脂質(zhì)酶逐漸失活。因此,提脂肪用的蒸煮溫度選擇為80 ℃。

圖2 蒸煮溫度對(duì)南極磷蝦粉脂肪含量影響Fig.2 Effect of cooking temperatureon fat content of Antarctic krill powder

2.1.2 升溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)、脂肪含量影響 由圖3可知,隨升溫時(shí)間的增加,南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)含量先迅速上升后緩慢下降;在升溫時(shí)間為1.5 min時(shí),蛋白質(zhì)含量最高,含量約為60%。在0.5～1.5 min內(nèi),隨升溫時(shí)間增加蛋白質(zhì)含量呈上升趨勢(shì),陳怡炫等[23]研究發(fā)現(xiàn)40～50 ℃范圍內(nèi),南極磷蝦蛋白酶活力呈迅速下降趨勢(shì),50 ℃后呈緩慢下降趨勢(shì),結(jié)合此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析隨升溫時(shí)間增加南極磷蝦在40～50 ℃的受熱時(shí)間增加,酶活力下降顯著,蛋白酶解反應(yīng)受到充分抑制;在1.5～3.5 min內(nèi),隨升溫時(shí)間增加蛋白質(zhì)含量呈下降趨勢(shì),呈現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因可能是升溫時(shí)間增加導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性加劇。因此,提蛋白用的升溫時(shí)間選擇為1.5 min。

圖3 升溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)含量影響Fig.3 Effect of heating up timeon protein content of Antarctic krill powder

由圖4可知,隨升溫時(shí)間增加,南極磷蝦粉中脂肪含量先上升后下降;在0.5～2.5 min內(nèi),隨升溫時(shí)間增加脂肪含量呈上升趨勢(shì),主要是因脂肪酶活力隨升溫時(shí)間增加逐漸下降。升溫時(shí)間為2.5 min時(shí),脂肪含量最高,含量約為20%。在2.5～3.5 min內(nèi),隨升溫時(shí)間增加脂肪含量呈下降趨勢(shì),主要是因脂肪高溫氧化反應(yīng)隨升溫時(shí)間增加逐漸加劇。因此,提脂肪用的升溫時(shí)間選擇為2.5 min。

圖4 升溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉脂肪含量影響Fig.4 Effect of heating up timeon fat content of Antarctic krill powder

2.1.3 保溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)、脂肪含量影響 由圖5可知,隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng),南極磷蝦粉中蛋白質(zhì)含量先迅速增加后緩慢下降;保溫時(shí)間為3 min時(shí),蛋白質(zhì)含量最高,含量約為57%。在0～3 min內(nèi),隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)蛋白質(zhì)含量迅速增加,主要是蛋白酶在高溫條件下,隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)酶活性隨之降低;在3～7 min內(nèi),隨保溫時(shí)間延長(zhǎng),蛋白質(zhì)含量緩慢下降,產(chǎn)應(yīng)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因一方面是蛋白的酶解反應(yīng)速率下降,另一方面是蛋白的熱變性加劇。因此,提蛋白用的保溫時(shí)間選擇為3 min。

圖5 保溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉蛋白質(zhì)含量影響Fig.5 Effect of holding time onprotein content of Antarctic krill powder

由圖6可知,隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng),南極磷蝦粉中脂肪含量先上升后下降;在0～4 min內(nèi),隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)脂肪含量逐漸上升,主要是脂肪的酶解反應(yīng)速率逐漸降低。在保溫時(shí)間為4 min時(shí),脂肪含量最高,含量約為21%。在4～7 min內(nèi),隨著保溫時(shí)間增加脂肪含量逐漸下降,主要是脂肪在高溫長(zhǎng)時(shí)條件下氧化反應(yīng)逐漸加劇。因此,提脂肪用的保溫時(shí)間選擇為4 min。

圖6 保溫時(shí)間對(duì)南極磷蝦粉脂肪含量影響Fig.6 Effect of holding timeon fat content of Antarctic krill powder

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)結(jié)果與方差分析見(jiàn)表3、表4。由表3中極差大小可得,實(shí)驗(yàn)因素的主次順序是:蒸煮溫度、保溫時(shí)間、升溫時(shí)間。提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件的最優(yōu)組合是A2B2C3,即蒸煮溫度為70 ℃,升溫時(shí)間為1.5 min,保溫時(shí)間為4.0 min。在上述條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得出最大蛋白質(zhì)含量為63.4%。查F分布表得F2-0.01(2,2)=99.00,F2-0.05(2,2)=19.00,由表4方差表可得,蒸煮溫度對(duì)磷蝦粉蛋白質(zhì)含量具有極顯著性影響(P<0.01),保溫時(shí)間對(duì)磷蝦粉蛋白質(zhì)含量具有顯著性影響(P<0.05)。

表3 提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)及結(jié)果分析Table 3 Result and analysis of orthogonal experimentalfor cooking conditions of krill powder for protein extraction

表4 提蛋白用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experimentalon cooking conditions of krill powder for protein extraction

2.2.2 提脂肪用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 提脂肪用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)結(jié)果與方差分析見(jiàn)表5、表6。由表5中極差大小可得,實(shí)驗(yàn)因素的主次順序是:蒸煮溫度、保溫時(shí)間、升溫時(shí)間。提脂肪用磷蝦粉蒸煮條件的最優(yōu)組合是D2E2F3,即蒸煮溫度為80 ℃,升溫時(shí)間為2.5 min,保溫時(shí)間為5.0 min。在上述條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得出最大脂肪含量為23.4%。查F分布表得F2-0.01(2,2)=99.00,F2-0.05(2,2)=19.00,由表6方差表可得,蒸煮溫度對(duì)磷蝦粉脂肪含量具有顯著影響(P<0.05)。

表5 提脂肪用磷蝦粉蒸煮條件正交試驗(yàn)及結(jié)果分析Table 5 Result and analysis of orthogonal experimental factorsfor cooking conditions of krill powder for fat extraction

3 結(jié)論

蒸煮作為南極磷蝦粉加工的重要步驟之一,合理的蒸煮條件能有效保留南極磷蝦營(yíng)養(yǎng)成分。經(jīng)不同蒸煮條件處理后,制成的南極磷蝦蝦粉中蛋白質(zhì)、脂肪含量均有改變。在蒸煮過(guò)程中,最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件是:蒸煮溫度為70 ℃,保溫時(shí)間為4.0 min,升溫時(shí)間為1.5 min,蛋白質(zhì)含量達(dá)63.4%,能有效保留南極磷蝦中蛋白質(zhì),為南極磷蝦蛋白質(zhì)提取提供優(yōu)質(zhì)原料;蒸煮溫度為80 ℃,保溫時(shí)間為5.0 min,升溫時(shí)間為2.5 min,脂肪含量達(dá)23.4%,可最小程度破壞南極磷蝦中脂肪,為南極磷蝦油制備提供良好原料。在未來(lái)的南極磷蝦粉產(chǎn)品加工中,可根據(jù)產(chǎn)品需求和市場(chǎng)需要采用不同蒸煮條件加工制備南極磷蝦粉,從而更好地保證原料品質(zhì),提高產(chǎn)品等級(jí)。