低压静电场处理对竹节虾(Penaeus japonicus)微冻贮藏过程中品质的影响

王杏娣,谢 超,梁瑞萍,张家玮,余 铭,张海玲

(1.浙江国际海运职业技术学院,浙江舟山 316021;2.浙江海洋大学食品与医药学院,浙江舟山 316022;3.浙江驰力科技股份有限公司,浙江舟山 316022;4.舟山富晟食品科技有限公司,浙江舟山 316022)

微冻保鲜是在已探明水产品冰点的情况下,将贮藏温度下降到其冰点下1～2.5 ℃,从而降低水产品体内微生物代谢与酶活性,进而达到保鲜目的的一种方法[3]。在此温度下贮藏的水产品,体内自由水不易流动和冻结,这些不易流动的水自动形成低温屏障,可以降低温度的波动对水产品品质的影响。Duun等[4]研究了四个不同温度贮藏条件下大西洋鲑鱼品质、质构、微观结构的变化,发现在-1.4～3.6 ℃的微冻贮藏能够大幅延长鲑鱼的保藏期。

目前研究表明,静电场能延长水产品储藏时间。静电场保鲜功效是通过改变细胞内部生物大分子理活性来达到的[5]。根据电场对微生物细胞中作用目标的不同,可将电场对微生物的抑制机制分为两个方面:一方面电场的存在影响了细胞的分裂速度。细胞在分裂过程中大量存在的纺锤体微管蛋白都具有很大的偶极具,电场会加剧扭曲或积累程度,抑制细胞分裂;另一方面电场会影响细胞内源酶促反应平衡。根据酶与底物作用的模型可以知道,电荷分布会随着酶与底物分子之间结合时构象的变化而变化,继而影响酶促反应。有研究发现,高压电场在罗非鱼肉片的保鲜过程中对微生物的增长有明显抑制,减缓了pH的波动幅度,鱼眼浑浊度有了显著改善[6]。李侠等[7]发现低压静电场与放电板隔距45 cm时牛肉的汁液损失率降低了4.18%,解冻效果亦优于无电场组。李苑等[8]发现3000 V电压静电场对三疣梭子蟹处理后,脂肪氧化程度与微生物总数均得到了抑制,同时也延长了货架期。高压静电场对果蔬类食品保鲜效果好,但高强度的电压可能会造成一些不安全隐患,这种局限性使其无法应用于大规模水产品保鲜;低压静电场布置简单,方便快捷,但单一低压静电场的低电压抑菌能力弱,保鲜效果不明显。目前对微冻保鲜的研究有很多,主要应用于水产品、肉制品等领域[3],但微冻贮藏与低压静电场联合进行水产品保鲜技术研究几乎没有,其应用领域值得探索。

本文以舟山竹节虾为原材料进行对照试验,通过对0～28 d内竹节虾冰点、pH、汁液流失率、挥发性盐基总氮(TVB-N)、菌落总数(TVC)、硫代巴比妥酸值(TBA)、质构分析(TPA)等理化指标分析以及组织微观结构观察,探索低压静电场结合微冻对舟山竹节虾贮藏过程中品质变化的影响,为虾类水产品保鲜技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海捕新鲜舟山竹节虾 购于舟山市东河菜场,放入0 ℃水产保鲜盒内快速运至实验室;乙醇、盐酸、氧化镁、2-硫代巴比妥酸、硼酸 均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;乙二胺四乙酸二钠 优级纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;三氯乙酸 优级纯,上海麦克林生化科技有限公司;磷酸缓冲液 北京索莱宝科技有限公司;多聚甲醛(RT) 生工生物工程(上海)股份科技有限公司;苏木精、伊红 分析纯,成都普思生物科技股份有限公司。

DSC200F3差示量热扫描仪 德国耐驰公司;TMS-PRO食品物性分析仪 美国FTC公司;FB124电子天平 上海仪天科学仪器有限公司;高精度数显匀浆机 IKA公司;U-5200紫外可见分光光度计 日本日立公司;GJ-3S高速搅拌机 日本EYELA公司;多用水浴恒温振荡器 上海喆图科学仪器有限公司;TG16B高速台式离心机 湖南凯达公司;HZQ-F160全温振荡培养箱 常州申光仪器有限公司;PB-10酸度计 赛多利斯公司;BCD-206STPQ冰箱 海尔集团有限公司;PROTOCOL3自动菌落分析仪 英国Synbiosis;SE&BA鲜霸电场装置 浙江驰力科技公司;低压静电放电板 浙江驰力科技公司;HM325石蜡切片机 北京恒三江仪器销售有限公司;DYP-990显微镜 上海点应光学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理与电场设置 将舟山竹节虾清洗至无明显污染,去除水分后装袋置于-4 ℃冰箱保鲜待用。低压静电场发生装置由一台SE&BA鲜霸主机和三块低压静电放电板组成,整套电场设备安装在冰箱内部后通电即可产生低压静电环境,后续的实验中实验组样品均放置在冰箱内。

1.2.2 样品分组 对照组:无静电场,-4 ℃条件下贮藏的竹节虾;实验组:添加静电场发生设备(输入电压220 V、输出电流0.2 mA),-4 ℃条件下贮藏的竹节虾,为更好探究电场对对竹节虾微冻过程中品质的影响,按照每组处理量100 g,每次取样量10 g,将测定间隔时间梯度增加,分别于0、3、6、10、15、21、28 d时测定各项理化指标。

“在我这里，没有不可能的事。”范坚强坚定地说。那副自信表情，让一杭开始动摇了，但他相信，雪萤绝不会背叛自己，唯一的解释是，雪萤找到记事本，但被范坚强的人夺走了。

1.2.3 DSC法对冰点的测定 DSC法测定冰点主要参考杨宏旭[9]对淡水鱼冰点的测定方法并加以改进。开始测量前,提前60 min开启仪器和计算机,称取试样5～15 mg,置于银质坩埚内,用镊子在锅盖上轻轻戳个小洞,然后盖上锅盖,用密封压机密封处理后进行扫描参数设置。参数设定:范围(-40 ℃/5.0 K/min)/15 ℃;温度矫正(TCALZERO.TXM);气氛(AIR80/20-/NITRO GEN/20/NITRO GEN/20)。

1.2.4 pH的测定 取5 g竹节虾肉搅拌后置于15 mL离心管中,加入10 mL超纯水后于均质机均质样品1 min,用PB-10酸度计测定样品pH。

1.2.5 汁液流失率的测定 参考Wilkinson等[10]的方法,取出包装好的竹节虾进行称重试验,将减去包装袋表面水分的剩余质量记为W1,将滤去包装袋内液体和表面水分的剩余重量记为W2,将包装袋质量记为W3,进行汁液流失率测算。汁液流失率计算公式为:

1.2.6 TVB-N的测定 参照GB 5009.228-2016《食品安全国家标准食品中挥发性盐基氮的测定》[11]中半微量定氮法进行竹节虾TVB-N的测定。

1.2.7 TVC的测定 参照GB 4789.2-2016《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》[12]进行竹节虾菌落总数的测定。

1.2.8 TBA的测定 将竹节虾置于20 ℃室温下自然解冻,去头去尾,称取10 g虾肉,搅碎后于烧杯中加入25 mL超纯水和5%三氯乙酸充分匀浆后搅拌均匀静置1 h,用上述浓度三氯乙酸将滤液定容至50 mL后取上清液5 mL并加入5 mL 0.02 mol/L的TBA溶液于10 mL具塞管振荡10 min,置于80 ℃水浴锅反应50 min,冷却一段时间后在532 nm处测定吸光度。TBA值计算公式为:

式中,X:TBA值(mg/kg);C:式样丙二醛浓度(μg/mL);V:样品溶液定容体积(mL);m:竹节虾质量(g);1000:换算系数。

1.2.9 TPA的测定 用TMS-PRO食品物性分析仪对竹节虾质构特性进行测算,测定指标包括硬度与弹性。参数设定:测量前探头下降速度3.0 mm/s，触发力5 g,测试速度为1.5 mm/s;测量后探头回程速度2.0 mm/s,下降距离5 mm,数据采集速率1/150 s,探头类型P/50。测试时需要注意探头下压方向应垂直于竹节虾肌肉纤维走向。

1.2.10 组织微观结构分析 参考胡玥等[13]的方法并稍作修改,取竹节虾背部肌肉截成长宽高6 mm的立方体肉块,放入多聚甲醛溶液固定36 h,梯度乙醇脱水,二甲苯透明样品,随后将肉块置入-18 ℃冷冻30 min,浸腊包埋,将肉块切成0.8 mm薄片,用苏木精-伊红染液染色,上电子显微镜观察。

1.3 数据处理

采用GraphPad Prism 8进行数据处理,采用Origin 2018 64Bit对数据作图,采用Proteus软件对扫描曲线进行分析,采用SPSS Statistics 21分析,P<0.05差异显著,P>0.05无显著差异,所有样品进行三次平行实验。

2 结果与分析

2.1 舟山竹节虾冰点的确定

图1是竹节虾的DSC升温扫描曲线。根据Bai等[14]对苹果冰点测定方法与杨宏旭[9]对青鱼的冰点测定方法,DSC热流曲线上的吸热峰对应水产品结晶的熔程,因此熔融峰爬升途中左侧拐点-0.3 ℃做切线与基线的交点所点即为样品的冰点。可以看出图1中该点所对应的温度为-1.8 ℃,可得出竹节虾的冰点为-1.8 ℃。本实验采用微冻贮藏作为保鲜方式,因微冻保鲜需要将贮藏温度保持在水产品冰点下1～2.5 ℃,结合实际仪器设备采用低于冰点2.2 ℃的温度,即-4 ℃对竹节虾进行保藏。

图1 舟山竹节虾DSC升温扫描曲线Fig.1 DSC heating scan curve of Zhoushan Penaeus japonicus

2.2 舟山竹节虾不同贮藏条件pH的变化

pH是判定水产品新鲜度的重要指标,同时也能准确反映出水产品贮藏过程中品质的变化。图2中初始pH为6.54,随时间变化两组竹节虾都表现出了先降后升的趋势。水产品捕捞上岸后,细胞失去了血液对其的氧气供应,从而产生乳酸,造成肌肉pH的下降;随微生物繁殖与酶的降解,蛋白质分解为含氮类碱性物质,造成肌肉pH升高[15]。对照组竹节虾pH在15 d降至6.26达到最低,之后又逐渐升高,于28 d达到6.38,波动幅度较大;实验组竹节虾的pH亦有先升后降的趋势,但波动幅度维持在初始值±0.04的范围内,波动幅度较小。李来好等[16]认为水产品贮藏过程中pH波动范围越小,水产品的新鲜度越好。两组竹节虾贮藏时pH差异显著(P<0.05),可能是电场加快了乳酸在体内的分解速率,使pH维持在较为稳定的状态[17]。可以看出低压静电场结合低温对竹节虾贮藏过程中能维持pH相对稳定。

图2 不同贮藏条件下舟山竹节虾pH的变化Fig.2 Changes of pH of Zhoushan Penaeus japonicus under different storage conditions注:图中不同字母表示数据有显著性差异(P<0.05),其中大写字母表示同一天内对照组与实验组之间比较,小写字母表示相同处理下0～28 d内比较;图3～图7同。

2.3 舟山竹节虾不同贮藏条件汁液流失率的变化

低温贮藏会因为温度波动等问题造成水产品体内汁液的流失,影响解冻后的品质[16]。由图3可得,在0～28 d的时间里竹节虾的汁液流失率呈现上升趋势,但当贮藏时间>0 d时,实验组汁液流失率均低于对照组。3 d时实验组与对照组汁液流失率分别为2.32%、1.22%,6 d时分别为3.98%和2.24%。可以看出,电场在贮藏至6 d时对竹节虾汁液流失率影响并不显著(P>0.05)。贮藏初期水产品肌肉组织完整,大冰晶尚未生成,仅有少部分自由水流失。28 d时实验组汁液流失率为5.01%,远低于对照组第15 d时汁液流失率5.95%,与对照组第10 d时汁液流失率4.98%相当。6～28 d低压静电场对竹节虾保鲜效果有显著影响(P<0.05)。有研究表明,静电场可对自由水与不易流动水的流动进行一定程度的限制,这些水汇聚成保护膜保护结合水不流失,从而减缓水产品结合水和不易流动水的损失[18]。这说明-4 ℃低压静电场能减少竹节虾汁液流失量。

图3 不同贮藏条件舟山竹节虾汁液流失率的变化Fig.3 Changes of juice loss rate of Zhoushan Penaeus japonicus under different storage conditions

2.4 舟山竹节虾不同贮藏条件TVB-N的变化

TVB-N是蛋白质分解后产生的碱性含氮物质的统称,TVB-N水平越高代表水产品可食用度越低[19]。图4可以看出,两组竹节虾的TVB-N值都呈现了上升的趋势。贮藏到第10 d对照组和实验组TVB-N值分别增长了6.36、3.66 mg/100 g,10～21 d时,两组竹节虾TVB-N值分别增长7.73、4.86 mg/100 g,均呈显著增速增长状态(P<0.05)。但经过低压静电场处理保藏的竹节虾TVB-N上升速度低于正常微冻的竹节虾。根据GB 2733-2015《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》[20]要求,海虾中TVB-N值应≤30 mg/100 g,第28 d时对照组竹节虾TVB-N增长至30.42 mg/100 g,超过了国标范围,已不可食用,而实验组竹节虾的TVB-N值仅为22.84 mg/100 g,为可食用状态。这可能是因为电场对微生物活性与酶活性产生了抑制,减少了碱性物质的产生,表现出低水平的TVB-N值[21]。这表明低压静电场协同微冻的保鲜方式在28 d内能减少竹节虾碱性含氮物质的产量,保证竹节虾处于可食状态。

图4 不同贮藏条件舟山竹节虾TVB-N的变化Fig.4 Changes of TVB-N in Zhoushan Penaeus japonicus under different storage conditions

2.5 舟山竹节虾不同贮藏条件TVC的变化

水产品贮藏期间会腐败变质,这通常是因为微生物生长与代谢产生的硫化物、醛、酮等物质[22],因此抑制微生物生长是提升水产品品质的重要手段。图5展示了正常微冻和微冻结合低压静电场条件下舟山竹节虾TVC的变化情况,可以看出两组竹节虾的TVC随贮藏时间的变化而增加。贮藏初期0～6 d对照组和实验组竹节虾菌落总数均增长迅速,TVC值分别为增长了42.91%和32.57%。有研究表明,在贮藏初期微生物代谢速度和酶活性高于贮藏后期水平,易于造成前期贮藏时高TVC增长速度[23]。贮藏中后期实验组TVC上升速度低于对照组,第28 d时其TVC值仅为5.48 lg CFU/g,远远低于对照组的7.06 lg CFU/g。静电场通过改变水产品细胞膜的跨膜电位影响微生物生长代谢,对微生物产生了杀灭抑制作用,表现为贮藏期低水平的TVC值[24]。因此,在-4 ℃添加低压静电场有助于减少竹节虾贮藏期菌落总数增长,减缓其腐败速度。

图5 不同贮藏条件舟山竹节虾TVC的变化Fig.5 Changes of TVC in Zhoushan Penaeus japonicus under different storage conditions

2.6 舟山竹节虾不同贮藏条件TBA的变化

舟山竹节虾脂肪含量较高,且具有不稳定结构的DHA占比较大,故TBA值一旦超量会产生不愉悦气味的气体,营养价值也会大大降低[25]。图6展示了两种不同环境下保藏的竹节虾的TBA值变化,由图6可以看出,实验组与对照组TBA值不断上升,但当贮藏时间大于0 d时,实验组竹节虾TBA值仍始终低于对照组竹节虾。第10～21 d的TBA曲线增长速度明显低于0～10 d的曲线增长速度,表现出较为平缓的曲线。第28 d,对照组和实验组TBA值分别达到了0.82、0.58 mg/kg,较第0 d分别增长了0.6和0.36 mg/kg。添加电场贮藏的竹节虾TBA含量明显低于没有添加电场的竹节虾,与Erkan等[26]得出的结论一致。可能是添加电场后,电荷之间形成了隔绝层,减少了氧气浓度,从而达到降低不饱和脂肪酸氧化程度的作用[27]。-4 ℃时低压静电场的添加可以显著减缓(P<0.05)竹节虾脂肪氧化程度。

图6 不同贮藏条件舟山竹节虾TBA的变化Fig.6 Changes of TBA in Zhoushan Penaeus japonicus under different storage conditions

2.7 舟山竹节虾不同贮藏条件TPA的变化

TMS-PRO食品物性分析仪可对食品硬度、弹性、咀嚼性、内聚性等物理性质进行准确量化分析,能避免人为因素对食品品质评价结果的主观影响,其中硬度和弹性是水产品贮藏时极易发生较大变化的两个参数[28]。图7为不同贮藏条件下竹节虾硬度(a)和弹性(b)的变化。图7(a)中两组样品硬度随时间变化均呈先上升后下降的趋势。出现此种现象是因为竹节虾在保藏过程中水分流失造成其壳肉分离继而硬度变大,之后硬度下降是因为虾中酶活力随时间变化而下降,水结成的冰晶扩大了肌肉组织之间的间隙导致蛋白质变形表现出硬度下降[29]。与实验组相比对照组硬度值波动幅度更大,对照组和实验组样品硬度在贮藏第15 d均达到最高峰,分别为6.42、5.45 kg。这可能是电场的添加延缓了肌肉中水分子的运动,蛋白质变性程度低。图7(b)为两种环境下竹节虾的弹性变化,实验组和对照组均呈下降趋势。贮藏至28 d时,对照组和实验组两组竹节虾弹性分别下降了41.49%和26.60%。贮藏过程中虾体内肌球蛋白、肌动蛋白被分解,分解释放的热量会使肌肉纤维收缩变软[30]。其次竹节虾在贮藏过程中,组织成分的腐败分解也会降低细胞的弹性。在贮藏期达到28 d时,实验组仍比对照组弹性值高14.89%。低压静电场中的正负电荷能降低蛋白质的分解速率,尚未被分解的细胞骨架蛋白可以阻碍大冰晶的产生[31],继而在整个贮藏期维持高水平的弹性。据此,竹节虾口感和品质的提升得益于低压静电场结合微冻保鲜对质构特性的改善。

图7 不同贮藏条件舟山竹节虾硬度(a)和弹性(b)的变化Fig.7 Changes of hardness(a)and elasticity(b)of zhoushan Penaeus japonicus in different storage conditions

2.8 舟山竹节虾不同贮藏条件组织微观结构的变化

H&E染色是观察1～100 μm范围组织微观结构最常用的方法,该法中苏木精-伊红染液对肌肉组织染色效果好,能观察到不同时期竹节虾中肌纤维走向与冰晶分布。图8分别展示了第3、15、28 d时不同条件贮藏的竹节虾肌肉组织结构纵向剖面变化。由图8(a)和图8(b)可以看出,3 d时两组竹节虾肌肉组织较为完整,无大的缝隙和冰晶,对照组竹节虾有微小缝隙;实验组竹节虾肌间缝隙少且小,肌肉结构更加完整排列更加整齐。从图8(c)和图8(d)图可以发现,贮藏到15 d对照组竹节虾肌肉组织附着了大量冰晶且出现了大小不一的间隙;实验组竹节虾肌肉组织仍十分均匀。贮藏到第28 d,对照组肌肉纤维之间产生了明显断裂和无规律扩散,肌纤维间隙因为冰晶的作用被明显扩大,肌内膜被完全破坏;实验组肌肉纤维连接依旧紧密无太大间隙,未见大冰晶生成。鱼类体内水分会随温度降低结晶,而贮藏期理化性质的改变会造成虾体内部温度波动导致冰晶重结晶[32]。通常冰晶融化后流动到其他位置亦会加剧微观组织结构的破损,但低压静电场的添加可以减缓微冻贮藏时竹节虾理化性质变化程度,改变物料的结冰点,降低肌肉组织结构破坏程度。

图8 舟山竹节虾不同贮藏条件肌肉组织微观结构变化Fig.8 Microstructure changes of muscle tissue in different storage conditions of Zhoushan Penaeus japonicas注:a、c、e分别表示对照组贮藏3、15、28 d的组织微观结构;b、d、f分别表示实验组贮藏3、15、28 d的组织微观结构。

3 结论

电场结合微冻条件下保鲜竹节虾相对普通微冻,能够更好地保持舟山竹节虾在贮藏过程中的品质,延缓了酶和微生物对肌肉组织的损害,延缓了脂肪氧化速率,肌肉保持了较好的弹性和咀嚼性。另外电场处理后,阻止了大冰晶的产生,肌肉微观组织破坏程度也相对较低。低压静电场的添加可以有效延缓竹节虾贮藏过程中的品质变化,竹节虾品质较好,pH波动范围≤0.04,汁液流失率仅为5.01%,TVB-N、TVC值远低于对照组,脂肪氧化程度显著降低(P<0.05),硬度和弹性下降缓慢,经H&E染色亦发现微观肌间结构完整,缝隙数量很少,无明显冰晶,经保鲜处理28 d后的竹节虾处于可食状态。该项技术成果对改变传统水产品的保鲜方式具有重要的指导意义。