利用低场核磁共振技术研究二氧化碳气调贮藏下蛋清水分变化

徐 雷,贾 飞,罗长瑶,赵方慧,高 芳,刘 毅,戴瑞彤,李兴民

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

利用低场核磁共振技术研究二氧化碳气调贮藏下蛋清水分变化

徐 雷,贾 飞,罗长瑶,赵方慧,高 芳,刘 毅,戴瑞彤,李兴民*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

本文以25 ℃下二氧化碳气调贮藏实验组和不作特殊处理对照组鸡蛋为研究对象,分别贮藏0、10、20、30、40 d,测定其新鲜度,并利用低场核磁共振分析仪测定蛋清水分情况及横向弛豫时间,探究在不同贮藏条件下,蛋清水分状态变化和迁移的规律。结果表明,贮藏过程中,实验组不易流动水含量无显著变化,T23显著升高(p<0.05);而对照组不易流动水含量显著上升(p<0.05),T23显著降低(p<0.05),说明二氧化碳气调贮藏可以抑制蛋白质结合水能力的降低。通过相关性分析可知,实验组T22值与哈夫单位和蛋黄指数相关系数为-0.998(p<0.05)和+0.997(p<0.05),对照组T22值与蛋清pH相关系数为+1.000(p<0.01),表明T22可预测鸡蛋的新鲜度。

鸡蛋,气调贮藏,低场核磁共振,新鲜度,水分变化

鸡蛋是人类丰富而平衡的膳食营养来源,它富含蛋白质、脂肪酸、铁、磷、多种维生素和微量矿物质[1]。鸡蛋消费通常有淡旺季之分,很难根据市场集中调整分散农户的养殖规模。同时鸡蛋在贮藏过程中会出现哈夫单位下降,pH升高,蛋黄指数下降等品质下降甚至腐败变质的现象。引起鸡蛋腐败变质的因素有很多,比如微生物、外界温湿度等[2-7]。适当延长鸡蛋货架期有助于缓解旺季鸡蛋供应矛盾,减少消费淡季的经济损失,因此,研究鸡蛋的保鲜技术就显得十分必要。目前国内外常用的鸡蛋贮藏保鲜方法有液浸法、冷藏法、涂膜法、气调法等[8-9],其中气调保鲜法最小限度地影响新鲜鸡蛋的特征,符合天然、无添加剂的消费观念,备受人们推崇[10-11]。气调法是把鲜蛋贮藏在高二氧化碳的气体环境中,从而减弱蛋内酶的活性,减缓代谢速度,抑制微生物生长,保持蛋的品质[12-13]。

鸡蛋中74%是水分,水分在鸡蛋蛋清中主要以三种形式存在,结合水、不易流动水和自由水[14]。水分状态的改变影响蛋清的理化性质,如pH、起泡性、凝胶性等,蛋清作为重要的食品原料,这些加工特性会影响到蛋清在工业生产中的应用。除此以外,还可能影响抗氧化性和酶活性等[15],改变蛋清发生的生理生化反应强度。因此,研究鸡蛋贮藏过程中蛋清水分状态的变化情况对工业生产和基础研究都有重要意义。

因此为了更好地研究鸡蛋保鲜技术,有必要对鸡蛋储藏过程中水分变化的规律进行进一步研究。本研究将低场核磁共振技术应用到鸡蛋水分变化的研究当中,全面了解贮藏过程中水分变化规律与鸡蛋新鲜度的关系,为更好地研究鸡蛋保鲜方法提供理论基础。

表1 25 ℃下二氧化碳气调贮藏40 d对鸡蛋哈夫单位的影响Table 1 Haugh unit of shell egg samples during 40 days storage at 25 ℃

注:不同大写英文字母代表同一行内差异显著(p<0.05);表2、表3同。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

产后24 h内的新鲜白来杭鸡蛋 由中国农业大学实验牧场提供;CO2气体 纯度99.5%,北京千禧京城气体销售有限公司;食品级真空包装袋 20 cm×30 cm×16丝,PET与PE复合材料。

PRX-350A智能人工气候箱 宁波海曙赛福实验仪器厂;DZ-300A多功能真空封装机 温州市成久包装机械有限公司;AY220万分之一电子天平 日本岛津技迩有限公司;法克曼蛋清分离器 德国法克曼公司;游标卡尺 0～150 mm,精度0.02 mm,上海申韩量具有限公司;FA25超细匀浆器 上海FLUKO 流体机械制造有限公司;PH 211台式酸度计 意大利哈纳科仪公司;PQ001核磁共振分析仪 苏州(上海)纽迈电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品分组及处理 选择蛋壳洁净、大小均匀、无裂痕的新鲜白来杭鸡蛋132枚,用照蛋灯对鸡蛋进行辅助检查确认,随机抽出12枚测定鸡蛋蛋白pH、哈夫单位、蛋黄指数及蛋清水分情况,确定新鲜鸡蛋的基础值。再将其余120枚鲜蛋分成2组,每组60枚鸡蛋。第一组为直接置于空气中不加包装的对照组。第二组为实验组:CO2气调包装组。为防止水蒸气影响实验,每个包装袋中放入1袋硅胶干燥剂(50 g/袋),之后放入6枚鸡蛋,充入气体为纯度大于99%的二氧化碳,充气包装的充气时间是30 s,充气压力为0.02 MPa,充气结束后用封口机封口。检查真空包装袋的气密性,确保不漏气。将充气包装之后的鸡蛋和对照组鸡蛋编号后贮藏于智能人工气候箱内。在温度为25 ℃,空气相对湿度为45%的条件下贮藏。分别贮藏10、20、30、40 d,检测鸡蛋新鲜度指标,即哈夫单位、pH和蛋黄指数,并使用低场核磁共振仪测定其蛋清水分情况。

1.2.2 哈夫单位、蛋清pH、蛋黄指数的测定 称重后,参照程文杰等[16]的方法测鸡蛋的哈夫单位(HU);将蛋黄与蛋清分离,将蛋清用匀浆机10000 r/min匀浆5 s之后测定pH;用游标卡尺测量蛋黄高度和蛋黄直径,蛋黄指数为蛋黄高度和直径之比。

1.2.3 蛋清水分低场核磁共振测定 将蛋清在10000 r/min的转速下匀浆3 s,每份样品准确取10 mL,置于核磁共振专用试管中。每组做3次平行。测定横向弛豫时间T2,温度设为32.00 ℃,打开核磁共振分析软件Analyst Software Ver 3.3(上海纽迈电子科技有限公司提供),并开启射频单元电源。确定O1值:在参数设置中选择硬脉冲序列Q-FID,将装有标准油样的核磁试管放入仪器磁体箱中,寻找中心频率,确定O1值。进入硬脉冲CPMG序列设置参数:SW=100 kHz,RFD=0.200 ms,Tw=2500 ms,NECH=14000,TE=0.221 ms,NS=4,进行检测。保存数据并用核磁共振弛豫时间反演拟合软件反演出T2时间分布情况。

1.2.4 数据分析 实验过程中,3次平行取平均值,最后的实验结果以平均值±标准差(SD)的方式表示,实验统计分析采用SPSS 17.0数据分析软件进行单因素方差(one-way ANOVA)分析,采取多重比较法,在显著性水平α=0.05下进行分析,p<0.05代表显著性差异,在图表中使用不同的大写英文字母代表其差异性,同时使用SPSS 17.0数据分析软件进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 哈夫单位值的变化

哈夫单位是美国农业部蛋品标准规定的检验和表示蛋品新鲜度的指标,国际上许多国家已把哈夫单位作为评定鸡蛋质量的主要指标[17]。哈夫单位72以上为AA级,55～71为A级,31～45为B级,30以下为C级[18]。AA级和A级鸡蛋代表适合消费者食用,B级和C级代表不适合和不能食用。

在25 ℃的贮藏条件下,两组鸡蛋的哈夫单位值随着时间变化情况如表1所示。两组鸡蛋的哈夫单位值均随贮藏时间延长而降低。经过30 d的贮藏期,实验组鸡蛋哈夫单位值在AA级水平，经过40 d的贮藏期,哈夫单位值仍然保持在A级水平。而对照组的鸡蛋经过10 d的贮藏后,已下降至A级,30 d后,哈夫单位值已降至B级,不再适合消费者食用。由此看出,在25 ℃的贮藏条件下,二氧化碳气调保鲜鸡蛋效果明显,有效延长鸡蛋保鲜期至40 d。在4 ℃的低温条件下贮藏用于零售的鸡蛋,鸡蛋在贮藏30 d后平均哈夫单位值在AA级水平[19]。二氧化碳气调保鲜和4 ℃低温保鲜对鸡蛋的保鲜效果均很明显[11,20]。为了延长鸡蛋的保鲜期,可以在达不到低温贮藏条件的地区使用二氧化碳气调保鲜的方法保存鸡蛋,延长鸡蛋的货架期。

表3 25 ℃下二氧化碳气调贮藏40 d对鸡蛋蛋黄指数的影响Table 3 Yolk index of shell egg samples during 40 days storage at 25 ℃

2.2 pH的变化

鸡蛋在贮藏过程中,由于酶和微生物等因素的作用,鸡蛋蛋清会发生腐败分解等反应,产生碱性物质引起蛋清pH上升。实验组和对照组鸡蛋pH变化如表2所示。

由表2可以得出,新鲜鸡蛋蛋白pH为8.72。对照组鸡蛋蛋白贮藏20 d后pH显著(p<0.05)上升,从8.72提高到9.11,此后随着贮藏时间的延长,蛋白pH继续显著(p<0.05)上升。二氧化碳气调组的鸡蛋贮藏10 d后蛋清的pH显著(p<0.05)下降,从8.72降低到7.19,随着贮藏时间延长,40 d后的蛋清的pH显著(p<0.05)上升。说明25 ℃贮藏温度下和对照组比较,气调包装组能显著降低鸡蛋蛋清的pH。

CO2气调抑制蛋清pH上升的原理与CO2溶解到蛋清中有关,还可能与某些蛋白质的变化有关。蛋清主要蛋白之一溶菌酶占蛋清总蛋白3.5%左右,能分解革兰氏阳性菌的细胞壁达到杀菌的作用。有研究发现蛋清溶菌酶活性与pH有关,在pH6～6.5活性最强,pH5～7范围内酶活性相对比较稳定,在pH大于7时酶活性急剧下降[21]。说明CO2组的蛋清溶菌酶活性比对照组强,能帮助鸡蛋抵御革兰氏阳性菌的入侵,减缓蛋白质被微生物分解的速度。蛋白质分解受到抑制,减少碱性化合物生成,抑制蛋清pH的上升。

2.3 蛋黄指数的变化

蛋黄指数也是表征鸡蛋新鲜度的重要指标。25 ℃温度条件下贮藏,CO2气调贮藏对鸡蛋蛋黄指数的影响如表3所示。新鲜鸡蛋的蛋黄指数是0.372。随着贮藏时间的延长,对照组鸡蛋蛋黄指数显著(p<0.05)下降,二氧化碳气调组鸡蛋的蛋黄指数无显著(p>0.05)变化。说明二氧化碳气调能够有效抑制蛋黄指数的降低。

2.4 低场核磁共振分析贮藏过程中蛋清不同状态水分变化

应用低场核磁共振仪得到样品反演T2(横向弛豫时间)图谱,如图1所示,按照波峰所在的位置定义水分状态,反演谱T2值越大说明这部分水分与其他分子结合程度越弱。其中弛豫时间最短的T21对应的水定义为结合水,这部分水与其他分子结合程度最紧密。弛豫时间为T22的定义为不易流动水,与其他分子结合的紧密性仅次于结合水。弛豫时间最长的T23被定义为自由水,主要为结构水和体积水,这部分水具有水溶液中的水分子流动性[22-23]。

图1 鸡蛋蛋清核磁共振T2反演图谱Fig.1 Nuclear magnetic resonance T2 mapping of egg white

2.4.1 蛋清水分T2峰面积比例变化情况 蛋清不同状态的水分占总水分的比例情况如表4所示。贮藏0 d的新鲜鸡蛋结合水和自由水含量占总水比例分别为5.83%、94.17%,此时并未检测到不易流动水。

0～40 d的贮藏期内,对照组的结合水比例无显著性变化(p>0.05)。实验组的结合水比例先变大,后变小。气调组结合水的变化说明二氧化碳气调贮藏可能会降低蛋清蛋白与水的结合能力,引起蛋清水分中结合水的比例降低。这可能是因为二氧化碳溶解到蛋清中,改变了蛋清pH导致的。

由实验组和对照组不易流动水比例情况均可以看出,鸡蛋贮藏10 d后有其他状态的水分向不易流动水状态发生了迁移。随着贮藏时间延长,实验组不易流动水所占比例无显著性变化,对照组不易流动水的比例显著性上升。当生物体代谢缓慢时,自由水可以向不易流动水发生部分转换;当生物体代谢旺盛时,部分不易流动水和结合水会转换为自由水。这说明二氧化碳气调贮藏可能降低了鸡蛋内部的代谢活动。

表4 鸡蛋贮藏过程中蛋清不同状态水的含量变化Table 4 Content of different states of water from egg white during storage

注:不同大写英文字母代表同一列值差异显著(p<0.05);“-”代表未检出;表5同。

表5 鸡蛋贮藏过程中蛋清水分弛豫时间T2变化情况Table 5 The changes of relaxation time(T2)in egg white during storage

蛋清自由水比例初始值为94.17%,对照组和实验组鸡蛋蛋清中的自由水经过40 d贮藏均有显著性(p<0.05)下降,实验组鸡蛋贮藏20 d后自由水比例降到了92.45%,贮藏至40 d,无显著性(p>0.05)变化。对照组鸡蛋在40 d的贮藏期内自由水比例不断降低,且变化显著(p<0.05)。这与贮藏过程中水分的散失和不同状态的水分发生迁移有关。说明二氧化碳气调包装可以有效抑制鸡蛋贮藏过程中自由水比例的降低,通过减少水分散失以及代谢消耗等途径,减缓自由水比例的降低。

实验组采用二氧化碳气调包装贮藏,蛋清中溶解的二氧化碳降低了鸡蛋蛋清的pH至7左右,使得蛋清蛋白中部分蛋白和水分的状态均发生变化,蛋清中进行的多种生理生化反应会受到影响。鸡蛋中的蛋白质和水分会相互作用,蛋白结构的变化会导致蛋白-水相互作用改变,引起水分变化和迁移,也会改变蛋白质的性质如起泡性、凝胶性等[24]。pH的降低会影响蛋清中酶的作用,酶作用引起的蛋白质氧化同样会导致结构变化,使蛋白质结合水能力下降,不易流动水“态变”为自由水[25]。从表4中数据可知,受pH影响的蛋白质结合水能力在蛋清水分变化中起主导作用。

2.4.2 蛋清水分T2弛豫时间变化情况 鸡蛋贮藏过程中蛋清三种不同状态水的弛豫时间T21、T22、T23的变化情况如表5所示。贮藏0 d的新鲜鸡蛋T21初始值为5.15 ms。贮藏20 d时实验组和对照组T21值均显著下降,实验组T21值降为3.00 ms,对照组T21值降为3.48 ms。

贮藏0 d和10 d的鸡蛋蛋清均没有测定出T22值,贮藏20～40 d的鸡蛋蛋清测出T22值。实验组贮藏20～40 d的T22平均值在25～40 ms之间,对照组贮藏20～40 d的T22平均值在12～22 ms之间。在20～40 d的贮藏期内,随着贮藏时间的延长,两组鸡蛋蛋清T22值没有显著变化。

鸡蛋蛋清T23初始值为510.49 ms,两种贮藏方式的鸡蛋在贮藏10 d后T23值均发生显著变化。实验组经过10 d贮藏后T23值显著上升为724.85 ms,对照组T23值显著下降为414.08 ms。在20～40 d的贮藏期内,两组鸡蛋T23值变化均不显著。实验组T23值下降后缓慢上升,对照组T23值上升后缓慢下降。说明实验组二氧化碳气调贮藏鸡蛋会改变蛋清中自由水的状态,使得自由水的动力学特性更趋活跃。对照组贮藏鸡蛋随着贮藏时间的延长,自由水的动力学特性会下降。

2.5 贮藏过程中蛋清不同状态水分变化与新鲜度的相关性分析

鸡蛋贮藏过程中蛋清水分与新鲜度指标相关性分析结果如表6所示,从弛豫特性获知,水分的弛豫时间越长,自由水含量越高,浓蛋白稀化的程度越高,蛋白高度相对越低,即哈夫单位值越低。由于鸡蛋储藏过程中,浓厚蛋白逐渐变为稀薄蛋白,结合水不断转化为自由水,使鸡蛋内的自由水分增加,由相关性的结果可知,实验组与对照组T22值与新鲜度指标均存在显著相关性,实验组T22值与哈夫单位和蛋黄指数相关系数为-0.998(p<0.05)和+0.997(p<0.05),对照组与T22值蛋清pH相关系数为+1.000(p<0.01)。林向阳等人的研究同样也发现弛豫参数T21、T22与各理化指标存在显著相关性,与本实验的对照组结论基本相同[26],这表明可以利用核磁共振技术预测鸡蛋的新鲜度。利用核磁共振技术研究食品品质具有对样品没有破坏,对水分的迁移和分布可以通过数据直观地分析等优点。实验组因为吸收二氧化碳,pH和蛋黄指数与对照组变化趋势不同,所以导致表6中部分水分状态与新鲜度指标的相关系数正负不同。

表6 鸡蛋贮藏过程中蛋清水分与新鲜度指标相关性分析Table 6 The analysis of correlations between the freshness indexes and water state in egg white during storage

注:**相关性在0.01水平上显著(双尾);*相关性在0.05水平上显著(双尾)。

鸡蛋在贮藏过程中会发生复杂的生化变化,包括微生物的生长繁殖、蛋白质氧化和脂质氧化、脂肪酸组成变化、蛋白质构象变化和浓蛋白的稀化等。鸡胚蛋贮藏过程中卵清蛋白、卵转铁蛋白和溶菌酶等高丰度蛋白与其他蛋白质之间发生了蛋白质的相互作用以及水解等[27]。研究发现鸡蛋在贮藏过程中脂质组分会发生显著变化,主要表现在磷脂含量的下降和游离氨基酸含量的升高,酯酶活性和脂质氧化也呈显著负相关,贮藏温度和时间均会影响到脂质氧化情况[28]。鸡蛋贮藏过程中发生的品质劣变如哈夫单位降低、pH上升等均可能与上述这些生化变化有关。

二氧化碳气调法把鲜蛋贮藏在高二氧化碳的气体环境中,从而减弱蛋内酶的活性,减缓生化反应速度,抑制微生物生长,保持蛋的品质。二氧化碳气调贮藏的鸡蛋蛋清pH为7.19～7.57,利于溶菌酶保持其活性[29]。有研究认为贮藏过程中溶菌酶的变性也是引起蛋清蛋白稀化,哈夫单位值下降的重要原因[30]。同时,从表6可知,当鸡蛋pH受到影响后,同样也会影响其中蛋白质与水的结合状态,从而减缓了新鲜度指标的下降,这就导致了蛋清水分状态与鸡蛋新鲜度指标之间的相关性的改变。

3 结论

通过对两组鸡蛋贮藏期间新鲜度和水分情况及横向弛豫时间的研究,结果表明实验组二氧化碳气调贮藏可以显著抑制鸡蛋新鲜度降低,贮藏40 d后哈夫单位仍为A级;实验组贮藏过程中不易流动水比例未显著变化,T23值显著增加,说明二氧化碳气调包装可以抑制蛋白质结合水能力的降低,并显著增强自由水动力学特性,从而减缓鸡蛋品质的下降。两组蛋清横向弛豫时间T22与新鲜度指标存在较好的相关性,实验组T22与哈夫单位和蛋黄指数相关系数分别为-0.998(p<0.05)和+0.997(p<0.05),对照组T22值与蛋清pH相关系数为+1.000(p<0.01),T22可作为反映鸡蛋新鲜度变化的指标。

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Using LF-NMR to study the changes of moisture content of egg white under carbon dioxide modified atmosphere storage

XU Lei,JIA Fei,LUO Chang-yao,ZHAO Fang-hui,GAO Fang,LIU Yi,DAI Rui-tong,LI Xing-min*

(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

In this research,to explore the mechenism of water state change and migration in egg white under carbon dioxide modified atmosphere(CDMAP)storage. Materials were eggs of white Leghorns,experimental group(EG)was carbon dioxide modified atmosphere packed,control group(CG)was without treatment. They were stored at 25 ℃ for 0,10,20,30,40 d. And egg freshness indexes and moisture content of egg white were determined respectively. The results showed that during the storage,the uneasy flowing water of EG did not change significantly,T23increased significantly. Otherwise the uneasy flowing water of CG increased significantly,T23decreased significantly. These proved that CDMAP could restrain the decline of water-protein combination capacity as well as boost the dynamic characteristics of free water. Through the correlation analysis,T22could be the indicator to predict the egg freshness as it correlated well with the egg freshness indexes of EG and CG.

egg;carbon dioxide modified atmosphere storage;LF-NMR;freshness;moisture content

2016-08-09

徐雷(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：农产品加工及贮藏工程，E-mail：xulei@cau.edu.cn。

*通讯作者:李兴民(1964-)，男，本科，副教授，研究方向：农产品加工及贮藏，E-mail：lixingmin@cau.edu.cn。

现代农业产业技术体系北京市家禽创新团队项目(CARS-PSTP)。

TS253.1

A

1002-0306(2017)02-0313-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.052