王文潔,沈紫斌,陳云云,徐霞,虞舟,丁玉庭,周緒霞*
1(浙江工業(yè)大學 食品科學與工程學院,浙江 杭州,310014) 2(浙江省深藍漁業(yè)資源高效開發(fā)利用重點實驗室,浙江 杭州,310014) 3(國家遠洋水產(chǎn)品加工技術研發(fā)分中心(杭州),浙江 杭州,310014) 4(中國水產(chǎn)舟山海洋漁業(yè)有限公司,浙江 舟山,325400)5(舟山匯豐冷藏物流發(fā)展有限公司,浙江 舟山,316102)
冷庫是食品長期存放的主要制冷設備之一,其庫內流場分布的均勻性對食品品質產(chǎn)生影響[1-2],通過計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)分析流場(溫度、流速)分布能實現(xiàn)凍品所處的貯藏環(huán)境的可視化模擬。食品在不同堆碼方式下冷庫流場分布存在差異,合理的食品堆碼能使庫內流場分布均勻、減小貨物表面的流速和溫度波動[3],從而起到延緩食品腐敗變質、降低冷庫能耗的作用。
冷庫由于空間規(guī)模大,傳統(tǒng)實驗難以準確獲得冷庫內的流場變化[4],因此大量國內外學者采用CFD對冷庫內的流場進行了研究,通過建立物理數(shù)學模型、設定相關參數(shù)等模擬庫內不同堆碼方式導致的溫度和氣流分布變化規(guī)律,從而找到最佳的食品堆碼方式,節(jié)省了大量人力、財力[5-6]。目前有關冷庫內食品堆碼方式對品質的研究僅在模擬階段,孫海亭等[7]分析了蘋果擺放方式對冷庫內的流場影響,CHOURASIA等[8]通過數(shù)值模擬研究了不同堆碼方式下馬鈴薯周圍流場變化,結果發(fā)現(xiàn)與堆碼寬度、體積相比,馬鈴薯的堆碼高度對產(chǎn)品的冷卻時間和冷卻溫度影響更大,胡耀華等[9]通過研究獼猴桃的堆碼方式對冷庫流場的影響,發(fā)現(xiàn)貨箱堆碼越密集,越不利于獼猴桃保鮮。上述的研究僅能對食品貯藏環(huán)境的流場進行描述,不能準確表示冷庫內不同位置處的品質變化,缺乏實際貨物受冷庫流場變化引起的品質劣變規(guī)律研究,因此研究貨物堆碼方式對品質的影響有重要意義。
鮐魚屬于遠洋暖水中上層的回游魚類,是我國重要的經(jīng)濟魚種之一,鮐魚由于組氨酸含量較高,在捕撈后極易腐壞變質[10],因此鮐魚通常在捕撈后立即進行保鮮處理,之后置于冷庫內進行凍藏。在冷庫凍藏過程中,鮐魚受流場影響,魚體內部冰晶升華、水分分布狀態(tài)發(fā)生改變,魚肉產(chǎn)生干耗、品質發(fā)生劣變。因此本文以鮐魚為研究對象,分析了3種不同堆碼方式下冷庫的流場差異對鮐魚貯藏品質的影響;實驗通過測定3組魚肉的理化指標(干耗率、蛋白變性、脂肪氧化、魚肉微觀組織結構和水分分布等)分析了不同位置處魚肉品質隨貯藏時間變化的差異,并對3組的理化指標進行了主成分分析。本研究旨在通過CFD分析不同堆碼方式下的流場變化,從冷庫溫度場和氣流場角度揭示堆碼方式對魚肉品質的影響機制,以期為冷庫內合理堆碼貨物、延長貨架期提供理論依據(jù)。
實驗鮐魚由舟山匯豐冷庫提供,2021年8月捕撈自東海,經(jīng)船載凍結后以每箱10 kg裝箱,并于匯豐冷庫(-22 ℃)暫存,10月經(jīng)運冷藏車運送至浙江工業(yè)大學食品學院,貯藏于(-18±2) ℃小型冷庫內。
硼酸、氧化鎂、溴甲酚綠、甲基紅、鹽酸、乙醇、三氯乙酸、2-硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid, TBA)、氯化鈉、尿素、5,5’-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)、乙二胺四乙酸、三羥甲基氨基甲烷、酒石酸鉀鈉、硫酸銅等均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。
TU-19雙光束紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限責任公司;Bechman高速冷凍臺式離心機,美國Beckman-Coulter公司;T25高速分散機,德國IKA公司;K9840凱氏定氮儀,海能未來技術集團股份有限公司;HTS-XT傅立葉紅外光譜儀,德國布魯克儀器公司;MZsoMR23-60H-I巖心核磁共振成像儀,蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。
1.3.1 冷庫貨物堆碼方式
冷庫尺寸為3.269 m×1.950 m×2.600 m,庫內安有一臺風機,尺寸為1.810 m×0.385 m×0.650 m,出風方式為直吹式通風,風速為6.0 m/s,溫度為-18 ℃。庫內鮐魚用紙箱包裝置于貨架上,貨箱尺寸為0.515 m×0.315 m×0.120 m,貨物具體堆碼方式見圖1。
a-冷庫三維示意圖;b-俯視圖;c-側視圖圖1 冷庫貨物堆放示意圖Fig.1 Schematic diagram of stacking mackerel in cold storage
1.3.2 數(shù)值模擬
模擬采用軟件ANSYS 19.0分析,貨架對氣流的影響忽略不計,數(shù)學模型選擇k-ε紊流模型,算法為Simple。風機出風口風速為6.0 m/s,溫度為-18 ℃,風機背面為回風口,庫壁選擇HEAT FLUX項,冷風機外殼選擇第一類邊界條件,冷風機壁面無滑移,各個方向的速度v=0 m/s。庫壁材料為聚氨酯泡沫,傳熱系數(shù)KW=0.295 W/(m2·K),庫外壁溫度取20 ℃;庫壁熱流密度為q=12.685 W/m2,貨物材料屬性為密度964.889 kg/m3、比熱容2.558 kJ/(kg·K)、熱導率1.492 W/(m·K)。
1.3.3 取樣方式
將貨物按1.3.1節(jié)進行堆碼后進行貯藏實驗,選擇每堆貨物的第一層隨機取樣,取樣點如圖1所示,分別為T1(堆碼高度1.060 m距后壁1.040 m)、T2(堆碼高度2.260 m距后壁1.040 m)、T3(堆碼高度2.260 m距后壁2.005 m)3種堆碼方式下的第一層貨物。實驗周期為6個月,每月取一次樣,魚肉采用隨機取樣,每次從3個位置的第一層貨箱中各隨機取3條鮐魚,魚肉取出后均至于4 ℃冰箱中解凍6 h,取背部肉進行理化指標測定。
1.3.4 干耗率
干耗率參考AOAC方法測定,按照公式(1)計算:
(1)
式中:WL為冷凍干耗率,%;m0為凍魚初始質量,g;m1為貯藏期間的凍結質量,g。
1.3.5 揮發(fā)性鹽基氮(total volatile base nitrogen,TVB-N)值
參考GB 5009.228—2016《食品安全國家標準 食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》。
1.3.6 TBA值
參考GB 5009.181—2016《食品安全國家標準 食品中丙二醛的測定》。
1.3.7 肌原纖維蛋白提取及含量測定
參考汪經(jīng)邦等[11]的方法提取肌原纖維蛋白,蛋白濃度用雙縮脲法測定。
1.3.8 總巰基含量測定
參考李秀霞等[12]方法,總巰基(—SH)含量計算如公式(2)所示:
(2)
式中:a表示吸光值,b表示待測液蛋白質量濃度,mg/mL,c表示分子吸光系數(shù),為13 600 mol/(cm·L),d表示稀釋倍數(shù)11.25。
1.3.9 Ca2+-ATPase活性
參考SRIKET等[13]的方法,將肌原纖維蛋白質量濃度稀釋至4 mg/mL,取3.5 mL蛋白稀釋液,加入0.3 mL 0.5 mol/L Tris-馬來酸溶液和0.5 mL 0.1 mol/L CaCl2溶液,加入0.25 mL 20 mmol/L ATP溶液混勻,25 ℃水浴10 min,加入2.5 mL預冷15%三氯乙酸溶液,5 000 r/min離心5 min,取0.5 mL上清液,加入2.5 mL蒸餾水,2 mL硫酸亞鐵-鉬酸銨,25 ℃靜置1 min,660 nm測吸光值。
1.3.10 傅里葉變換紅外光譜測定
參考SHANG等[14]的方法,將攪碎的魚肉凍干,按1∶100(質量比)與干燥后的溴化鉀充分研磨,測定范圍為400~4 000 cm-1。
1.3.11 組織微觀結構
參考KAALE等[15]的方法測定,樣品切成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm大小,浸沒在Clarke溶液(無水乙醇∶冰醋酸=3∶1,體積比)中固定24 h,之后用乙醇進行梯度脫水,石蠟包埋,切片機切成4 μm薄片,進行HE染色,光學顯微鏡下放大100倍觀察。
1.3.12 水分分布
采用MZsoMR23-60H-I核磁共振儀測定樣品并成像,選擇CPMG序列,分析參數(shù)設置:SF1=12 MHz、O1=559 029.1 Hz、P1 =6 μs、P2=10 μs、TD=61 874、SW=250 kHz、TW=3 000 ms、RFD=0.08 ms、RG1=20、DRG1=2、NS=8、TE=0.20 ms、NECH=3 300。
1.3.13 數(shù)據(jù)分析
實驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel分析,Origin 2021繪圖,采用SPSS 26.0對測定數(shù)據(jù)進行主成分分析。
為比較不同堆碼方式下庫內流場分布變化,實驗選擇標準k-ε模型進行穩(wěn)態(tài)模擬,分析穩(wěn)定狀態(tài)時冷庫內的氣流和溫度分布情況。
2.1.1 溫度場分析
冷庫整體溫度分布如圖2-a所示,整體溫度維持在-16~-18 ℃,僅庫后壁、風機回風口和冷庫邊緣區(qū)域的溫度較高,但整體溫差小于2 ℃。圖2-b、圖2-c為3堆貨物的中間位置溫度分布切面圖,從2個切面的分布圖可以看出,T1處的溫度略高于T2和T3,但3個位置處的溫度差異小于1 ℃,說明在本冷庫內溫度場的分布較均勻,不同位置處魚肉的貯藏溫度差異不顯著。
a-冷庫整體溫度分布;b-Y=357.5 mm溫度分布圖;c-Y=1 592.5 mm溫度分布圖圖2 冷庫不同位置溫度場分布情況Fig.2 Distribution of temperature field in different positions of cold storage
2.1.2 氣流場分析
貨物存在時冷庫的氣流場分布情況如圖3所示,空氣從出風口吹出沿庫壁流動,流速逐漸變小。由圖3-a可知,在無貨物大面積遮擋時,庫前壁形成一個大回流區(qū),后壁存在局部小渦流,而圖3-b中,由于貨物堆放過高阻擋了氣流的流動,氣流回流受到阻礙,導致冷庫前中后部位均出現(xiàn)小渦流,圖3-a的氣流分布均勻性更好。從流速分布圖可看出,圖中2.260 m堆放高度的頂層流速明顯高于1.060 m的頂層流速,而靠近風機處的流速也大于遠離風機處的流速,3個位置的流速大小為T2>T3>T1。說明貨物堆碼高度及堆碼位置對冷庫內的氣流分布產(chǎn)生影響,不同位置處氣流流速差異大,并且對貨物區(qū)的表層位置影響最顯著,堆碼過高的T2位置氣流集中,流速可達到6 m/s,而堆碼低的T1流速小于0.7 m/s,表明3組貯藏環(huán)境中的氣流場存在顯著差異。
a-Y=357.5 mm氣流分布圖;b-Y=1 592.5 mm氣流分布圖圖3 冷庫Y=357.5 mm和Y=1 592.5 mm切面氣流場分布情況Fig.3 Distribution of airflow field in the sections of cold storage with Y=357.5 mm and Y=1 592.5 mm
食品干耗的本質是由食品內的水分與外界濕空氣的熱濕交換引起,影響熱濕交換的主要因素為食品自身特性和外界貯藏環(huán)境(溫度、濕度、流速等)[16],PHIMOLSIRIPOL等[17]和EMRAGI等[18]的研究表明溫度波動和出風速度對食品干耗產(chǎn)生影響。不同位置處魚肉干耗損失情況如圖4所示,3組鮐魚的干耗率均隨凍藏時間延長而上升,在貯藏末期,T1、T2、T3組魚肉的干耗率分別為1.3%、3.1%、2.5%,T2組的干耗最嚴重。這是因為當貨物堆碼方式不同時,魚肉表面的熱濕交換程度產(chǎn)生差異,高流速區(qū)的冷空氣快速流動加速了魚肉表面的水分升華,導致干耗損失嚴重,干耗的發(fā)生會導致魚肉表面孔隙增多,加速魚肉的氧化變質,因此流速大的位置更不利于鮐魚的貯藏。
圖4 貯藏期間不同位置鮐魚干耗率的影響Fig.4 The effect of different positions on weight loss of mackerel during storage
脂肪氧化是魚肉產(chǎn)生酸臭味或哈喇味、營養(yǎng)價值下降的主要原因之一,鮐魚屬于多脂魚,因此脂肪氧化對冷凍鮐魚的品質起重要作用,通過測定TBA值可反映鮐魚脂肪氧化程度,TBA值越高表示魚肉脂肪氧化越嚴重[19]。由圖5可知,鮐魚初始TBA值為0.44 mg/kg,3組鮐魚的TBA值隨貯藏時間上升,在凍藏階段,T1組魚肉的TBA值始終低于T2、T3,貯藏末期,鮐魚脂肪氧化程度為T2>T3>T1。說明在凍藏過程中,不同堆碼方式對上層魚肉的脂肪氧化程度產(chǎn)生差異性影響,流速越大的位置魚肉脂肪氧化程度越大。
圖5 貯藏期間不同位置處鮐魚TBA值Fig.5 TBA value of mackerel at different positions during storage
魚肉在貯藏過程中受內源酶和微生物等生化作用的影響,蛋白質會發(fā)生降解并產(chǎn)生多種含氮物質,導致TVB-N值升高。圖6-a顯示,貯藏期間,3組的TVB-N值持續(xù)上升,第2個月時,僅T1組的TVB-N值小于15 mg/100 g,處于一級鮮度,另外兩組均為二級鮮度;在末期,3組的TVB-N含量為T2>T3>T1,表明T1的鮮度最佳。圖6-b為鮐魚肌原纖維蛋白中總巰基含量的變化,當魚肉與空氣接觸時,肌原纖維蛋白中的活性巰基被氧化成二硫鍵,內部巰基裸露并繼續(xù)發(fā)生氧化反應,導致總巰基含量下降、蛋白穩(wěn)定性降低[20-21];由圖6-b可知,凍藏期間3組的總巰基含量下降,貯藏末期T1、T2、T3組的總巰基含量分別為29.1、25.3、26.7 nmol/mg,各階段含量為T1>T3>T2,表明T1的蛋白穩(wěn)定性最好。Ca2+-ATPase活性則反映了魚肉肌球蛋白的變性程度[22],圖6-c為貯藏期間鮐魚的Ca2+-ATPase活性變化,可以看出Ca2+-ATPase活性大小為T1>T3>T2組,結果與總巰基含量變化一致。由圖6可以看出T2的蛋白降解和氧化變性程度最大,其次為T3、T1,說明流速大的位置放置的食品中蛋白降解變性程度也越大。
a-TVB-N值;b-總巰基含量;c-Ca2+-ATPase活性圖6 貯藏期間不同位置處鮐魚蛋白降解變性程度Fig.6 The degree of protein degradation and denaturation of mackerel at different positions during storage
圖7為貯藏期間鮐魚紅外圖譜,圖中顯示出多個吸收峰:1 600~1 700 cm-1酰胺Ⅰ帶、1 500~1 600 cm-1酰胺Ⅱ帶、1 220~1 350 cm-1酰胺Ⅲ帶、3 300 cm-1附近的N—H伸縮振動、1 440~1 470 cm-1的C—H彎曲振動等。圖中3組的酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶的峰信號強度均隨時間下降,貯藏末期酰胺Ⅱ、Ⅲ帶的峰逐漸平緩,峰位置變化不明顯;酰胺Ⅰ帶在60 d時吸收峰在1 658 cm-1附近,120 d時T1組處于1 630~1 640 cm-1,T2、T3組在1 640~1 650 cm-1,180 d時,3組峰位在1 642 cm-1附近,表明蛋白結構隨貯藏時間不斷發(fā)生改變,二級結構發(fā)生了從α-螺旋(1 650~1 660 cm-1)向β折疊(1 630~1 640 cm-1)、無規(guī)則卷曲(1 640~1 650 cm-1)轉化。
圖7 不同位置處鮐魚隨時間變化的FTIR圖譜Fig.7 FTIR spectra of mackerel at different positions with time
研究表明酰胺Ⅰ帶與肽鏈之間的交聯(lián)程度有關,交聯(lián)越緊密則振動頻率越大[23],而α-螺旋結構與維持蛋白結構穩(wěn)定的氫鍵有關,蛋白變性使氫鍵斷裂,α-螺旋向β折疊、β轉角(1 660~1 700 cm-1)轉化,并繼續(xù)向無規(guī)則卷曲轉變,其中β轉角和無規(guī)則卷曲屬于無序結構,因此α-螺旋展開會導致蛋白有序結構減少、穩(wěn)定性下降[24-25]。由圖7可知,各周期內T1組的酰胺Ⅰ帶峰強均最大,且120 d時峰位在β折疊范圍,T2、T3組在無規(guī)則卷曲范圍,表明T1的肽鏈結合更緊密,具有更穩(wěn)定的蛋白結構。
鮐魚肌肉組織微觀結構直觀反映了魚肉組織的破碎程度。由圖8可知,第90天時,T1組的肌肉結構致密,大部分細胞保持完整,細胞間間隙小,其次為T3組;而T2組細胞間間隙大,肌肉破碎,組織結構松散,品質最差。隨貯藏時間延長,第180天時,3組對應的肌肉纖維完整性與90 d相比均受到不同程度的破壞,肌纖維間隙和斷裂程度增加。從3組的魚肉組織結構破壞程度可看出T1的魚肉組織破壞程度較低,品質保持最好,T2的細胞組織破碎程度最大,品質最差。實驗結果表明魚肉在不同堆碼方式下,其肌肉組織結構的破碎程度存在差異,表面流速小的T1組魚肉肌纖維間隙小,細胞完整性好,而流速大的T2組細胞損傷程度明顯增大。
a-90 d; b-180 d圖8 貯藏期間不同位置處鮐魚微觀結構Fig.8 Microstructure of mackerel at different positions during storage
低場核磁可檢測水分遷移情況,通過橫向弛豫時間T2和峰面積占比能表征魚肉內的水分分布狀態(tài)[26]。圖9-a可觀察到,第0天時T2圖譜為4個波峰,而90 d時T2、T3組為3個波峰,第180天時3組均變?yōu)?個波峰,說明在貯藏過程中魚肉水分狀態(tài)發(fā)生了改變[27]。水分分布狀態(tài)分為結合水(T2a強結合水、T2b弱結合水,0~10 ms)、不易流動水(T22,10~100 ms)和自由水(T23,>100 ms),圖9-a可知,與第0天相比3組T22的峰面積下降,T23的峰面積上升。圖9-b中,第90天時,T1、T2和T3組自由水占比為1.834%、3.297%、3.177%,說明隨貯藏時間延長魚肉組織結構被破壞,持水力下降,膜內部分水分向膜外流動,自由水含量上升[28]。180 d時T1、T2和T3組自由水占比為2.507%、1.527%、1.867%,貯藏過程中T2組和T3組的魚肉自由水含量呈先上升后下降趨勢,這可能是由于貯藏后期蛋白質降解、自由水增加的同時,魚肉內的自由水受流速影響升華速度大于自由水的轉化速度,導致自由水相對含量下降,而T1組由于流速較小,水分升華速度慢,自由水相對含量也更大。
a-T2弛豫時間;b-不同狀態(tài)的水分相對含量圖9 貯藏期間不同位置處水分分布狀態(tài)Fig.9 Water distribution at different positions during storage
圖10為核磁成像偽彩圖,紅色表示質子密度高,藍色表示質子密度低,紅色越深表明水質子信號越強,即水分含量越高[29]。從偽彩圖可知第0天時鮐魚呈現(xiàn)大范圍紅色,貯藏180 d后,信號明顯下降,表明在貯藏期間魚肉水分含量顯著下降。第180天時,T1組紅色信號最多,T2組的紅色信號最少,說明T2組魚肉水分流失最嚴重,表明流速大的位置魚肉水分損失也更大。
圖10 不同位置處鮐魚的MRI偽彩圖Fig.10 Different positions on pseudo color of 1H MRI of mackerel
將3個位置處的理化指標進行主成分分析。由表1可知,前2個主成分累計貢獻率達86.473%,說明這2個主成分能反映鮐魚品質的大部分信息,可作為數(shù)據(jù)分析的有效成分。因此提取這2個因子進行分析,主成分1方差貢獻率為55.121%,其中載荷量較大的變量為干耗率、TVB-N含量、TBA值、Ca2+-ATPase活性和總巰基含量,主成分2方差貢獻率為31.352%,載荷量較大的變量為自由水、不易流動水及結合水,說明主成分1和主成分2的指標對不同位置處鮐魚品質的響應顯著。
表1 主成分特征值和方差貢獻率Table 1 Principal component eigenvalue and variance contribution rate
根據(jù)表2的主成分特征向量建立魚肉品質評價數(shù)學模型,計算公式如下:
表2 主成分載荷矩陣和特征向量Table 2 Principal component load matrix and eigenvector
F1=0.410X1+0.443 1X2+0.445X3-0.445X4-0.442X5+0.165X6+0.112X7-0.027X8-0.049X9
F2=-0.006X1+0.008X2-0.011X3-0.038X4+0.020X5-0.193X6+0.535X7+0.583X8+0.578X9
綜合得分=0.551 21F1+0.313 53F2
將3個位置處鮐魚貯藏期間各指標的標準值代入綜合得分計算方程,得到不同位置處魚肉各階段的綜合得分,分值越高表示綜合品質越好。由圖11可知,貯藏期間3個位置處的鮐魚綜合得分均下降,說明魚肉品質不斷劣變,3組的綜合得分排序為T1>T3>T2,表明T1的總體品質最好,與實測結果相吻合,證明堆碼位置與魚肉的品質變化有強相關性,流速小的位置更有利于魚肉的保藏。
圖11 不同位置處鮐魚在貯藏期間的品質綜合得分Fig.11 Comprehensive quality score of mackerel in different positions during storage
冷庫內鮐魚的堆碼方式對魚肉貯藏品質產(chǎn)生影響,當魚肉處于流速越大的位置,其品質劣變越嚴重。T2組魚肉表面流速大、流場分布不均勻,受流場影響鮐魚表面水分升華速度快于另外兩組,水分升華導致魚肉表面形成孔洞、干耗損失嚴重,加速了魚肉脂肪氧化和蛋白的變性,使維持蛋白質穩(wěn)定的氫鍵斷裂,肌原纖維結構破壞,魚肉持水力下降,品質劣變加劇,而T1組魚肉表面流場分布最均勻,因此品質劣變也最緩慢。主成分分析建立的魚肉綜合評價模型同樣顯示T1綜合品質最佳,T2品質最差,表明冷庫中流速小的位置更有利于魚肉貯藏。堆碼方式不同引起的品質差異根本原因在于流場的變化,即不同位置處魚肉的貯藏環(huán)境不同,越靠近風機或堆放越高的位置其氣流場和溫度場分布越不均勻,魚肉鮮度也越差。本研究結果可為合理擺放貨物、延長食品的貨架期提供理論依據(jù)。但本實驗中由于冷庫空間的局限性,貨物與風機之間距離的設置比實際冷庫中偏小,在實際操作過程中可根據(jù)冷庫的實際情況進行流場分析以確定最優(yōu)化的堆碼方式。