破碎方式对南极磷虾干燥特性和虾粉品质影响

马田田,欧阳杰,谈佳玉,沈 建,*

(1.上海海洋大学食品学院,上海 200120; 2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092)

南极磷虾生活在南极水域,资源丰富,生物资源储量保守估计为7.5亿吨,年可捕获量达1亿吨,是海洋渔业资源的重要组成部分[1-3]。南极磷虾肌肉干样中粗蛋白含量为62.80%,粗脂肪含量为5.80%,多不饱和脂肪酸含量达到41.31%,其中EPA和DHA的含量分别达到26.28%和11.42%[4-6],是21世纪最具有开发潜能的水产品之一。虾粉作为南极磷虾终极加工产品的重要形式之一,与鱼粉相比,南极磷虾虾粉因在适口性、抗氧化性、营养价值等方面的独特性,而具有很强的市场竞争力[7]。我国虾粉加工主要工艺流程:原料→蒸煮→离心脱水→一次干燥→二次干燥→粉碎→打包→入库[8-10]。国外虾粉主要工艺流程:磷虾捕捞→泵吸→虾水分离→低温暂储→泵输送→预加热→蛋白凝结→固液分离→一级干燥→二级干燥→冷却→粉碎→打包→入库[11-13]。

目前,国内外关于南极磷虾虾粉加工研究主要集中在品质评价、贮藏条件等方面,如魏荣男[14]主要研究了南极磷虾虾粉加工过程中蒸煮温度对虾粉品质特性的影响,陈京美等[15]综合评价了不同解冻方式对南极磷虾脂质品质的影响,Suontama等[16]对比分析了南极磷虾虾粉和鱼粉的营养成分,而关于机械力作用对南极磷虾干燥特性和虾粉品质的影响尚未见报道。在加工虾粉的过程中,机械力作用主要发生在虾粉加工过程的前处理工序[17-19]。破碎是水产品加工的主要前处理工序之一,目前在虾粉加工工艺中尚未见破碎方式的有关研究,搅拌、绞肉、斩拌是三种较常见的水产品破碎方式,三种破碎方式的破碎强度和作用方式不同[20-22],本文以冻南极磷虾为原料,采用搅拌机、绞肉机、斩拌机三种设备破碎南极磷虾,干燥粉碎筛分制备南极磷虾虾粉,对比分析南极磷虾在三种破碎方式下经不同破碎时间作用后的干燥效率和虾粉品质,优化形成破碎工艺流程,旨在为南极磷虾虾粉加工干燥工艺提供理论依据,以期得到高品质的南极磷虾粉。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冻南极磷虾 购自于上海开创远洋渔业有限公司,2017年新捕磷虾,冷冻车在-20 ℃条件下快速运至实验室,贮藏于-20 ℃冷库中备用;乙醇、磷酸二氢钠二水、十二水合磷酸氢二钠、考马斯亮蓝G250、牛白蛋白、石油醚 分析纯试剂,国药集团化学试剂有限公司;磷酸 优级纯试剂,国药集团化学试剂有限公司;虾青素 基准试剂,上海源叶生物科技有限公司。

MA150C-000230V1快速水分测定仪 赛多利斯中国有限公司;UV-2204PC紫外可见分光光度仪 上海精密仪器有限公司;GTR16-2高速台式冷冻离心机 北京时代北利离心机有限公司;HR2168搅拌机 珠江经济特区飞利浦电器有限公司;DJ18-A绞肉机 上海林生厨具有限公司;SC-5斩拌机 广州旭众食品机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 颗粒度和干燥温度对南极磷虾干燥特性的影响 统一采用水分测定仪测定干燥终点时间,将流水解冻蒸煮3 min的南极磷虾用水果刀均匀切成3、2、1、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1 cm的颗粒,每份约5.0 g,置于干燥皿中,以未经破碎处理的完整南极磷虾(长度为5～7 cm,0.7～0.9 g/个)做对照组,采用105 ℃直接干燥法干燥;重复上述步骤,将干燥温度依次设置90、100、110、120、130、140 ℃,水分测定仪显示End,此时的干燥时间为干燥终点时间,平行测定三次。

1.2.2 破碎方式和破碎时间对南极磷虾破碎度的影响 称取流水解冻蒸煮3 min的南极磷虾三份,每份约300.0 g,分别采用搅拌机、绞肉机、斩拌机三种设备破碎,转速均设为200 r/min,每种设备破碎时间依次设为15、30、45、60、75、90 s,筛分法测定不同处理条件下南极磷虾粒径分布情况[23],标准分样筛目数为20、10、6、4、3对应孔径依次为1、2、4、6、8 mm,平行测定三次。

1.2.3 破碎方式和破碎时间对南极磷虾干燥特性的影响 称取流水解冻蒸煮3 min的南极磷虾三份,每份约300.0 g,分别采用搅拌机、绞肉机、斩拌机三种设备破碎,每种设备破碎时间依次设为15、30、45、60、75、90 s,采用烘箱105 ℃直接干燥法测定不同破碎方式和时间下南极磷虾干燥终点时间(两次称重之差小于0.1 g视为恒重,即为干燥终点),平行测定三次。

1.2.4 破碎方式和破碎时间对南极磷虾虾粉品质的影响 将上述经不同破碎方式和时间处理的南极磷虾干燥粉碎40目过筛处理,测量制得的虾粉中水溶性蛋白质、粗脂肪、虾青素含量,比较分析破碎方式和时间对南极磷虾虾粉营养成分含量的影响。

1.2.5 营养成分检测

1.2.5.1 蛋白质的测定 水溶性蛋白质提取及测定参考李晓龙、贾俊强[24-27]略做修改。精确称取南极磷虾虾粉1.00 g于锥形瓶中,然后加入60 mL磷酸盐缓冲液(0.2 mol/L Na2HPO4溶液,0.2 mol/L NaH2PO4溶液,pH7.0),振荡摇匀,盖上瓶塞,置于0 ℃冰箱中静止60 min,于4 ℃条件下10000 r/min 离心15 min,收集上清液,重复三次,上清液即为水溶性蛋白溶液。

水溶性蛋白测定:蛋白质标准曲线绘制:取6只试管,分别加入1 mL蛋白质浓度为0、20、40、60、80、100 μg/mL的溶液,向各试管中加入5 mL考马斯亮蓝G-250溶液,摇匀,并放置5 min左右,用1 cm光径比色皿在595 nm下比色测定吸光度,以蛋白质浓度为横坐标,以吸光度为纵坐标绘制标准曲线,蛋白质标准曲线公式为:Y=0.004x-0.0001,R2=0.999。

样品测定:吸取上清液1 mL于试管中(每个样品重复3次),加入5 mL考马斯亮蓝G-250溶液,充分混匀并放置5 min左右,测定其在595 nm下的吸光度,并通过标准曲线查得水溶性蛋白质含量。

1.2.5.2 虾青素的测定 虾青素提取及测定参考孙来娣[28]略做修改。精确称取南极磷虾虾粉1.00 g于锥形瓶中,加入30 mL无水乙醇,振荡摇匀,盖上瓶塞置于50 ℃恒温水浴锅中4 h,取出锥形瓶,过滤瓶中溶液于容量瓶中作为待测样品。

虾青素测定:虾青素标准曲线绘制:称取5.0 mg虾青素标准样品,用无水乙醇定容至50 mL,分别移取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL于6个10 mL的容量瓶中,用无水乙醇定容至10 mL,使虾青素的浓度分别:1、2、3、4、5、6 ug/mL,于472 nm处测定吸光值,以虾青素浓度为横坐标,吸光值为纵坐标绘制标准曲线,虾青素标准曲线公式:Y=0.108x+0.0123,R2=0.999。

虾青素测定:吸取待测样品于石英比色皿中,于472 nm下测定其吸光度,并通过标准曲线查得虾青素含量(每个样品重复3次)。

1.2.5.3 粗脂肪的测定 粗脂肪提取及测定采用索氏抽提法,参考国标食品中脂肪的测定[29]略做修改。脂肪含量计算公式如下:

x(%)=(m1-m0)/m2×100

式中:x为样品中脂肪百分含量;m1为恒重后接受瓶和脂肪含量,g;m0为接受瓶质量,g,m2为样品质量,g,100为换算系数。

1.3 数据处理

运用Excel和Spass.19.0软件对试验数据进行处理分析,重复三次实验,用平均值±标准偏差来表示实验数据。显著性分析时,p<0.01记为极显著,p<0.05记为较显著,p>0.05记为不显著。

2 结果与分析

2.1 颗粒度和干燥温度对南极磷虾干燥特性的影响

105 ℃直接干燥法干燥不同颗粒度的样品,记录干燥终点时间,绘制颗粒度与干燥终点时间的干燥曲线,如图1所示;同一颗粒度不同干燥温度下干燥终点时间见表1所示。

表1 不同干燥温度和颗粒度下南极磷虾干燥终点时间(min)Table 1 Drying endpoint time of antarctic krill at different drying temperatures and grain degrees(min)

图1 不同颗粒度南极磷虾干燥终点曲线图Fig.1 Curve diagram of drying end point of antarctic krill with different grain degrees

105 ℃干燥南极磷虾实验可得:5.0 g样品,未经破碎处理的南极磷虾干燥终点时间在100 min左右,不同破碎程度的南极磷虾干燥终点时间范围为51～70 min,经破碎处理干燥效率可提升30.6%～48.6%。由图1可知,在0.2 cm粒径处干燥终点时间最短(51.4 min),在3 cm粒径处干燥终点时间最长(69.4 min);随着南极磷虾颗粒度的增大,其干燥终点时间整体呈现两个下降两个上升的趋势,在0.1～0.2 cm和0.8～1 cm呈现下降趋势,在0.2～0.8 cm和1～3 cm呈现上升趋势;由此可得南极磷虾干燥终点时间跟颗粒度有关,但不成线性关系。呈现此试验现象的原因主要有两个点:一是在相同的干燥温度、传热面积和样品量条件下,随着物料粒径的减小,物料的受热面积增大,干燥效率增加;二是随着物料粒径的减小,单位干燥空间内堆积的颗粒数越多,密度越大,物料间空隙减小,且一部分物料呈浆状或块状,易造成锁水,从而减低干燥效率。因此,随着粒径的减小,干燥终点时间成上升趋势,是由于物料的受热面积增大提高的干燥效率低于锁水作用降低的干燥效率所致,反之亦然。

同一颗粒度不同温度下干燥南极磷虾实验可得:由表1可知,90、120、130、140 ℃时,干燥效率最高对应的颗粒度均是0.1 cm;100 ℃时,干燥效率最高对应的颗粒度是0.2 cm;110 ℃时,干燥效率最高对应的颗粒度是0.4 cm。呈现此试验现象的原因主要有两个点:一是在传热面积、样品量和粒径相同的条件下,随着干燥温度的提高,物料单位时间内吸收的热量的增加,干燥效率提高;二是物料颗粒度减小,单位空间堆积的颗粒增加,颗粒间空隙减小,干燥效率降低。干燥温度由90 ℃升高到140 ℃的过程中,不同颗粒度的干燥效率均有显著提升,干燥效率最低加快43.71%,最高加快60.30%.

结合图1和表1可得如下结论:改变颗粒度和干燥温度均可提高南极磷虾干燥效率,其中改变颗粒度可提高30.6%～48.6%,改变干燥温度可提高43.71%～60.30%,基于提高南极磷虾干燥效率而又可最大限度保留虾粉中营养成分的考虑,提高干燥温度虽可提升干燥效率,但高温易降低虾粉品质,因此选择改变南极磷虾颗粒度是一种可行的方法。

2.2 破碎方式和破碎时间对南极磷虾破碎度的影响

根据粒径筛分数据绘制破碎时间与粒径分布柱状图,详见图2～图4。

图2 搅拌机不同作用时间下南极磷虾粒径图Fig.2 Particle size map of antarctic krill under different action time of blender注:不同小写字母表示同一粒径不同作用时间下 数据差异显著(p<0.05);图3图4同。

图3 绞肉机不同作用时间下南极磷虾粒径图Fig.3 Particle size map of antarctic krill under different action time of meat grind

图4 斩拌机不同作用时间下南极磷虾粒径图Fig.4 Particle size map of antarctic krill under different operation time of chopper

由图2搅拌机不同破碎时间下南极磷虾粒径分布图可知,随着破碎时间的增加,粒径为1、2 mm所占百分比均呈现增长趋势,6、8 mm以上呈现下降趋势,4 mm无显著变化,8 mm呈现先下降后上升趋势;整体分析可知,随着破碎时间的增长,南极磷虾基本都被破碎到8 mm以下的粒度,搅拌机的作用时间为60 s时,对南极磷虾的粒径分布影响比较显著(60 s时,8 mm以下粒径分布百分比与作用时间为30 s或90 s相比,具有显著性差异(p<0.05)。

由图3绞肉机不同破碎时间下南极磷虾粒径分布图可知,随着破碎时间的增加,粒径为1、2、4 mm所占百分比均呈现增长趋势,6、8 mm及以上所占百分比均呈现递减趋势;整体分析可知,随着绞肉机破碎时间的增长,南极磷虾基本都被破碎到8 mm及以下的粒度,6 mm及以上的颗粒逐渐转化为4 mm及以下的颗粒。

由图4斩拌机不同破碎时间下南极磷虾粒径分布图可知,随着破碎时间的增加,粒径为1、2 mm所占百分比均呈现增长趋势,6、8 mm以上所占百分比呈现下降趋势,4、8 mm所占百分比呈现先上升后下降的趋势;整体分析可知,随着破碎时间的增长,南极磷虾虽被进一步破碎,但仍存在25%左右8 mm以上的粒度,且破碎时间有由60 s增至90 s,对6、8 mm所占百分比无显著影响(p>0.05)。

结合图2、图3和图4可得出如下结论:考虑破碎方式和破碎时间对南极磷虾破碎度的影响,得出斩拌机对南极磷虾的破碎度较差,均匀性较低,随着破碎时间的增加,54%的南极磷虾被破碎到4 mm及以下的粒度;搅拌机和绞肉机的破碎度和均匀性较好,随着作用时间的增加,90%的南极磷虾被破碎到4 mm及以下的粒度。

2.3 破碎方式和破碎时间对南极磷虾干燥特性的影响

三种破碎方式和破碎时间下,105 ℃法干燥南极磷虾干燥终点时间与破碎时间曲线图见图5。

图5 三种破碎方式及时间下南极磷虾干燥终点曲线Fig.5 Curve diagram of drying end point of antarctic krill with three crushing methods and time

105 ℃干燥南极磷虾实验可得:300.0 g样品,未经破碎的南极磷虾干燥终点时间为190 min左右;由图5可知,采用搅拌机破碎南极磷虾,不同破碎时间干燥终点时间在90～130 min范围内;采用绞肉机破碎南极磷虾,不同破碎时间干燥终点时间在110～145 min范围内;采用斩拌机破碎南极磷虾,不同破碎时间干燥终点时间在120～180 min范围内,由此可得,破碎处理可在不同程度上缩短南极磷虾干燥终点时间,提高干燥效率,最高可提高33.3%;随着作用时间的增加,三种破碎设备处理的南极磷虾对应的干燥终点时间差距在逐渐缩小,搅拌机处理的南极磷虾干燥效率呈现下降趋势,绞肉机处理的南极磷虾干燥效率呈现先上升后下降的趋势,斩拌机处理的南极磷虾干燥效率呈现上升趋势,呈现此趋势的原因是搅拌机随着破碎时间的增加,浆状物料的锁水作用大于因物料受热面积增大而提高的干燥效率,从而呈下降趋势,绞肉机和斩拌机处理的南极磷虾干燥效率趋势分析同理。

图5的结果表明,不同破碎设备作用于南极磷虾时,由于作用力的不同,产生的破碎效果不同,进而对于南极磷虾干燥特性的影响不同。基于提高南极磷虾干燥效率的目的,搅拌机通过横向作用力破碎南极磷虾,适宜的作用时间为15 s,此时对应的南极磷虾干燥终点时间为90 min,南极磷虾干燥效率同比提升了52.6%;绞肉机通过挤压作用力破碎南极磷虾,适宜作用时间是60 s,此时对应的南极磷虾干燥终点时间为110 min,南极磷虾干燥效率同比提升了42.1%;斩拌机通过纵向作用力破碎南极磷虾,适宜作用时间是90 s,此时对应的南极磷虾干燥终点时间为120 min,南极磷虾干燥效率同比提升了36.8%。

2.4 破碎方式和破碎时间对南极磷虾虾粉品质的影响

根据记录的水溶性蛋白、虾青素、粗脂肪测定数据,带入相应公式计算相应物质含量,绘制三种破碎方式及时间下南极磷虾虾粉水溶性蛋白含量变化曲线图、虾青素含量变化曲线图、粗脂肪含量变化曲线图,详见图6～图8。

图6 三种破碎方式及时间下虾粉水溶性蛋白含量变化Fig.6 Changes of water-soluble protein contents in shrimp powder under three crushing methods and time

图7 三种破碎方式及时间下虾粉中虾青素含量变化Fig.7 Changes of astaxanthin contents in shrimp powder during three crushing methods and time

图8 三种破碎方式及时间下虾粉中脂肪含量变化Fig.8 Changes of fat contents in shrimp powder during three crushing methods and time

实验可得:未经破碎处理的南极磷虾虾粉中水溶性蛋白含量为7.99 mg/g,虾青素含量为82.97 μg/g,脂肪含量为18.32%;经破碎处理的南极磷虾虾粉中水溶性蛋白含量均在8.02 mg/g以上,虾青素含量均在121.08 μg/g以上,脂肪含量均在18.09%以下。破碎处理可有效增加物料表面积,但与此同时南极磷虾体内脂肪酶与南极磷虾肉的接触面积增大,从而可能加快脂肪在脂肪酶的作用下水解。破碎处理通过增加物料受热面积,在同一干燥条件下,可有效缩短物料受热时间,从而可能降低物料干燥过程中蛋白质热变性和虾青素降解。由此可得,破碎处理可在一定程度上降低南极磷虾虾粉中脂肪含量,提高水溶性蛋白和虾青素含量。

由图6～图8可知,随着破碎时间的增加,绞肉机处理的南极磷虾虾粉,水溶性蛋白含量变化呈现先增加后下降的趋势,在60 s时出现最高点即9.47 mg/g;虾青素含量变化呈现缓慢上升的趋势,在90 s时含量达到136.03 μg/g;脂肪含量变化呈现先迅速下降后平稳下降的趋势,在90 s时含量降至11.3%。随着破碎时间的增加,斩拌机处理的南极磷虾虾粉,水溶性蛋白含量变化呈现缓慢增加的趋势,在90 s时含量达到12.56 mg/g;虾青素含量变化呈现缓慢下降的趋势,在90 s时含量降至169.92 μg/g;脂肪含量变化呈现缓慢上升的趋势,在90 s时含量达到15.93%。随着破碎时间的增加,搅拌机处理的南极磷虾虾粉,水溶性蛋白含量变化呈现缓慢下降的趋势,在90 s时含量降至11.21 mg/g;虾青素含量变化呈现较快上升的趋势,在90 s时含量达到149.92 μg/g;脂肪含量变化呈现先上升后下降的趋势,在60 s时含量达到最高点16.52%。

以上结果表明,在不同破碎方式和时间条件下处理的南极磷虾干燥粉碎制成的虾粉中营养成分含量有所不同,主要是处理条件导致南极磷虾干燥受热程度不同,从而对虾粉中蛋白质、脂肪、虾青素含量造成影响。

3 结论

本文对比分析搅拌机、绞肉机、斩拌机破碎处理对南极磷虾干燥效率和虾粉营养成分的影响。结果表明,颗粒度和干燥温度对南极磷虾干燥效率均有明显影响,提高干燥温度虽可提升干燥效率,但高温易降低虾粉品质,因此选择改变南极磷虾颗粒度是一种可行的方法。基于提高南极磷虾干燥效率考虑,搅拌机作用时间是15 s,绞肉机作用时间是60 s,斩拌机作用时间是90 s;基于较好保留虾粉中营养成分考虑,斩拌机处理90 s制备的虾粉营养成分保留较好。综合考虑南极磷虾干燥特性和虾粉品质可得斩拌机处理90 s是一种较好的南极磷虾破碎工艺,此时南极磷虾对应的粒径分布是1 mm及以下占25%,1～2 mm占15%,2～4 mm占14%,4～6 mm占14%,6～8 mm占7%,8～12.5 mm占25%。