不同干燥方法对罗非鱼片品质和微观结构的影响.pdf

第 28 卷第 15 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.152012年8月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringAug.2012221不同干燥方法对罗非鱼片品质和微观结构的影响刘书成1,2，张常松1,2，吉宏武1,2，章超桦1,2，洪鹏志1,2，高加龙1,2（1.广东普通高校水产品深加工重点实验室，湛江 524088；2.广东海洋大学食品科技学院，湛江 524088）摘要：为了解不同干燥方法对罗非鱼片干燥后品质和微观结构的影响，采用热风干燥、真空冷冻干燥、超临界 CO2干燥等 3 种方法对罗非鱼片进行干燥，研究其对营养成分、微生物、感官特征、复水性能、质构特征、微观结构等的影响。结果表明：与热风干燥和真空冷冻干燥相比，超临界 CO2干燥的鱼片，粗蛋白含量高，脂肪含量较低；且在杀灭微生物方面有着显著的优势；但其鱼片的收缩率和复水特性稍差于真空冷冻干燥，而其感官、质构和微观结构等品质均与真空冷冻干燥的相当，而所有品质都明显优于热风干燥；结合经济性等综合考虑，罗非鱼片应用超临界 CO2干燥是可行的。研究结果可为罗非鱼片干燥技术的选择提供参考。关键词：干燥，微观结构，质构特征，品质，罗非鱼片doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.15.035中图分类号：TS254.4文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-15-0221-07刘书成，张常松，吉宏武，等.不同干燥方法对罗非鱼片品质和微观结构的影响J.农业工程学报，2012，28(15)：221227.Liu Shucheng,Zhang Changsong,Ji Hongwu,et al.Effects of drying methods on qualities and microstructure of tilapia filletJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(15):221227.(inChinese with English abstract)0引言罗非鱼是重要的淡水养殖品种之一。近几年，中国的罗非鱼产量达 100 多万 t，约占全球的 1/3 多。罗非鱼由于其肉质洁白少刺，营养丰富，受到欧美市场的青睐。干制是罗非鱼的主要加工方法之一。国内外研究者分别采用热风干燥1-2、真空微波干燥3、真空冷冻干燥4、热泵干燥5、超临界 CO2干燥6以及联合干燥7-9等方法对罗非鱼片的干燥进行了研究，然而这些干燥方法都有各自的优缺点，没有任何一种干燥方法能够在各方面都是理想的。干燥食品应在营养、色泽、风味和组织结构等方面满足消费者的要求。因此，本研究采用 3 种方法干燥罗非鱼片，以营养、微生物、感官、复水、质构、微观结构等特性为指标，通过分析比较干品品质特征来评价 3种干燥方法的优缺点，以期为罗非鱼片的干制选择合适的生产技术，同时为超临界 CO2干燥技术在食品工业中的应用和发展提供参考。1材料与方法1.1材料及预处理罗非鱼，每条质量 500600 g，体长 2025 cm，购于当地市场。新鲜罗非鱼经去头、去内脏和去鳞皮等处理后，清洗干净，从鱼脊骨上方开始采肉切片，鱼片大收稿日期：2012-02-21修订日期：2012-06-29基金项目：广东省自然科学基金（10152408801000010）；广东省水产蛋白改性技术研究团队（2011A020102005）；广东海洋大学自然科学基金（C10126）作者简介：刘书成（1977），男，河南邓州人，教授，研究方向：水产品高值化加工与利用。湛江广东海洋大学食品科技学院，524088。Email：L小为 30 mm 30 mm 7 mm，清水漂洗，用滤纸吸去表面水分，然后将鱼片摊放在洁净干燥的不锈钢丝网上，待干燥试验。每次干燥用 3 片鱼片，罗非鱼片初始含水率为（79.92 1.25）%。1.2仪器与试剂HA221-50 超临界萃取装置（江苏南通华安超临界萃取有限公司）；DHG-9240A 型电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；FDU-1100 真空冷冻干燥设备（托普仪器有限公司）；SkyScan 1076微型CT（比利时SkyScan公司）；TMS-Pro 型物性分析质构仪（美国 FTC 公司）；TCP2 全自动色差计（北京奥依克光电仪器有限公司）；凯氏定氮仪（上海纤检仪器有限公司）；HYP-马弗炉（上海纤检仪器有限公司）；SPX-250B-Z 型生化培养箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）。硫酸铜、浓硫酸、氢氧化钠、盐酸、乙醚等试剂均为分析纯。1.3试验方法1.3.1干燥方法超临界 CO2干燥：干燥过程参考文献6，干燥温度57.5、压力 35 MPa、CO2流量 17.5 L/h，当鱼片含水率达 20%（湿基）左右时停止干燥，待测定品质用。真空冷冻干燥4：将罗非鱼片放置在-50的超低温冰柜中进行预冻，然后取出在真空冷冻干燥设备中进行干燥（加热板温度 45，干燥室压强 80 Pa），当鱼片含水率达 20%（湿基）左右时停止干燥，待测定品质用。热风干燥2：将罗非鱼片放置在 50的电热恒温鼓风干燥箱内进行干燥试验，风速为 1.5 m/s，当鱼片含水率达 20%（湿基）左右时停止干燥，待测定品质用。农业工程学报2012 年2221.3.2试验指标的测定粗蛋白：凯氏定氮法，参考 GB/T5009.5-2003；粗脂肪：索氏抽提法，参考 GB/T5009.5-2003；菌落总数测定依据 GB/T 4789.2-2010；大肠菌群测定依据 GB/T4789.3-2010。感官特征：主要观察色泽、收缩性、形状等，采用尼康 COOLPIX AW100s 相机（中国尼康映像仪器销售有限公司）拍照。色泽测定10-11：采用色差计（北京奥依克光电仪器有限公司）测定亨特色空间参数。L*，表示亮度，0 表示黑色，100 表示白色；a*表示红绿之间的色泽，100 表示红色，-80 表示绿色；b*表示黄蓝之间的色泽，100 表示黄色，-80 表示蓝色。微观结构：采用高分辨率 X 射线 Micro-CT 系统（比利时 SkyScan 公司）扫描和三维重建12，扫描分辨率 8 m，旋转角度 360，电压 88 kV，电流 112 A，曝光时间 800 ms。收缩率：它是干燥食品组织结构特性的最重要评价指标，收缩率大小直接影响总体密度、固体密度、总体孔隙度、孔隙尺寸和比体积等所有其他结构性指标；收缩率越大，产品品质越差，其复水就越困难；收缩率测定采用置换法测定鱼片的体积13，置换介质为洁净小米，计算公式如下00(%)100tsVVRV（1）式中，Rs为收缩率，%；V0为干燥前鱼片的体积，cm3；Vt为干燥后鱼片的体积，cm3。复水率：它是常用的干燥食品品质评价指标之一，反映了干燥方法对食品物理和化学性质的影响，复水率越大，产品品质越好。将干燥鱼片称质量后，置于 40的恒温水浴中进行复水试验，每隔 5 min 取出，用滤纸吸干鱼片表面水分，称量复水后的质量，直到复水平衡13，计算公式如下(%)100fgfgmmRm（2）式中，Rf为复水率，%；mf为鱼片复水后沥干质量，g；mg为干燥后鱼片质量，g。复原率：它也是评价干燥食品复水性能的指标之一，同样反映了干燥方法对食品物理和化学性质的影响，复原率越大，产品品质越好。先称量鱼片的鲜质量，然后再称量干鱼片放入 40恒温水浴中复水 60 min 后取出的沥干质量5，计算公式如下(%)100ffxmKm（3）式中，Kf为复原率，%；mf为鱼片复水后沥干质量，g；mx为鲜鱼片质量，g。硬度和弹性：采用 TMS-PRO 质构仪（美国 FTC 公司）的 TPA 模式在室温下测量复水鱼片的硬度和弹性；硬度是指使鱼片达到一定变形所需的力，测定中指第 1次压缩时的最大峰值，单位用 N 表示。弹性是指变形鱼片在去除压力后恢复到变形前的高度比率，测定中指用第二次压缩与第一次压缩的高度比值表示；弹性数值在01 之间变化，数值越大，鱼片的口感越好。测试采用直径为 5 mm 的圆柱型探头，测试前速率 1 mm/s，测试速率 1 mm/s，测试后速率 1 mm/s，样品变形量为 50%。3 种不同干燥方法制备的鱼片，在复水率达到 50%左右时用于测试，3 者含水率无显著差异（p0.05）。1.3.3数据处理每个试验重复 3 次，结果用平均值 标准差表示。试验数据处理采用 Excel 软件和 JMP7.0 软件。2结果与分析2.1不同干燥方法对罗非鱼片营养成分的影响从表 1 看出，超临界 CO2干燥鱼片的粗蛋白含量显著高于热风和真空冷冻干燥的（p0.05），但是粗脂肪含量显著低于与热风和真空冷冻干燥的（p0.05），标注不同字母表示有显著差异（p0.05），也即 2 种干燥方法制备的鱼片颜色基本一致；热风干燥制备的罗非鱼片的红度 a和黄度 b参数值均显著高于超临界 CO2干燥和真空冷冻干燥（p0.05），亮度L参数值显著低于超临界 CO2干燥和真空冷冻干燥（p0.05）；标注不同字母表示有显著差异（p0.05）。2.3不同干燥方法对罗非鱼片微生物数量的影响从表 3 看出，超临界 CO2干燥的鱼片中细菌总数和大肠菌群都低于热风干燥和真空冷冻干燥，尤其是细菌总数少了 2 个数量级，说明超临界 CO2干燥在杀灭微生物方面有着显著的优势。这可能与干燥环境有关。超临界 CO2干燥是在密闭环境中进行，并且超临界 CO2具有一定的杀菌作用14-15；真空冷冻干燥是在低温下进行的，低温环境对微生物有一定的抑制作用，但并不能杀死微生物；热风干燥是在开放环境中进行，干燥温度又不是很高，干燥时间长，可能导致微生物的生长繁殖。表 3不同干燥方法对罗非鱼片微生物数量的影响Table 3Effect of drying methods on quantity of microorganismsof tilapia fillets微生物新鲜鱼片热风干燥超临界 CO2干燥真空冷冻干燥细菌总数/(cfu g-1)1.3 1061.2 1057.0 1031.7 105大肠菌群/(MPN(100g)-1)9042025852.4不同干燥方法对罗非鱼片收缩率的影响从图 2 看出，不同干燥方法对罗非鱼片干品的收缩率有显著的影响（p0.05）；真空冷冻干燥的鱼片收缩率最小，超临界 CO2干燥的收缩率次之，热风干燥的收缩率最大。这与其干燥机理有关。真空冷冻干燥能够保持样品的基本结构特征，形成多孔性；但同时由于鱼片初始含水率高，降低了无定形基质的黏弹性，当水分升华后，在重力作用下，细胞结构无法再维持原状，即产生组织结构轻微塌陷，但只导致轻微程度的收缩16-17。热风干燥容易使鱼片形成致密的结构，使收缩率达到较高的水平。超临界 CO2干燥虽然在干燥过程中能够形成多孔结构，保持鱼片原有形状，但干燥结束后，由于卸压排出 CO2导致鱼片多孔结构在一定程度上塌陷12,18，而呈现出一定的外观收缩，但是其收缩率低于热风干燥。因此，从鱼片收缩率角度来看，真空冷冻干燥优于超临界 CO2干燥，而超临界 CO2干燥又优于热风干燥。注：标注不同字母表示在 0.05 水平上有显著差异图 2不同干燥方法对罗非鱼片干品收缩率的影响Fig.2Effect of drying methods on shrinkage rate of tilapia fillets2.5不同干燥方法对罗非鱼片复水率的影响从图 3 看出，干燥方法对罗非鱼片干品的复水率有显著的影响（p0.05）；复水率和复水速度从高到底依次为真空冷冻干燥、超临界 CO2干燥、热风干燥。产品复水性能主要取决于物料细胞和结构的破坏程度19-20。在干燥过程中，如果物料内部发生了不可逆转的细胞破坏和错位，导致细胞完整性丧失，毛细管收缩，组织结构塌陷，就会降低干品的复水性能20-21。真空冷冻干燥鱼片的表面和内部都有大量孔隙，为干品复水时水分的渗入提供了良好途径，使其复水速度快，复水率高。超临界 CO2干燥的鱼片的表面和内部也具有较多空隙，细胞组织结构相对保持较好，复水过程中水分也能较迅速的渗入空隙，使得复水速度和复水率大于热风干燥。热风干燥的鱼片，收缩率较大，空隙塌陷，组织结构致密，复水时水分较难渗入，导致复水速度和复水率都较低。因此，从鱼片复水率角度来看，真空冷冻干燥优于超临界 CO2干燥，而超临界干燥又优于热风干燥。图 3不同干燥方法对罗非鱼片干品复水率的影响Fig.3Effect ofdrying methodson rehydration rateof tilapia fillets农业工程学报2012 年2242.6不同干燥方法对罗非鱼片复原率的影响从图 4 看出，干燥方法对罗非鱼片干品的复原率有显著影响（p0.05）；复原率从高到底依次为真空冷冻干燥、超临界 CO2干燥、热风干燥。复原率大小与鱼片微观结构是密切相关的，干鱼片组织结构中空隙越多，复水能力越好，就越容易达到较高复原率，相反，鱼片组织结构越致密，复水能力就相对较差，复原率也就较低。真空冷冻干燥能够保持鱼片较好的多孔组织结构，收缩率较小，复水性能好，因此其复原率也是最好的；超临界 CO2干燥虽然也能保持鱼片较好的多孔组织结构，但是卸压过程容易造成空隙塌陷，使复原率低于真空冷冻干燥的；热风干燥对鱼片组织结构有严重破坏，空隙严重塌陷，复水较为困难，因此复原率最低。虽然超临界CO2干燥和热风干燥都存在空隙塌陷，但是这 2 种干燥方法造成的空隙塌陷却有着本质区别，超临界 CO2干燥造成的空隙塌陷是在空隙形成之后，而热风干燥的空隙塌陷是在干燥过程中，也就是在空隙没有形成之前，因此热风干燥鱼片的复原率显著低于超临界 CO2干燥。注：标注不同字母表示在 0.05 水平上有显著差异图 4不同干燥方法对罗非鱼片干品复原率的影响Fig.4Effect of drying methods on recovery rate of tilapiafillets2.7不同干燥方法对罗非鱼片硬度和弹性的影响从图 5 看出，热风干燥的罗非鱼片干品硬度最大，与其他 2 种干燥方法之间有显著差异（p0.05）。3 种干燥方法对罗非鱼片干品的弹性没有显著的影响（p0.05），值都在 0.7 左右。超临注：标注不同字母表示在 0.05 水平上有显著差异图 5不同干燥方法对罗非鱼片硬度的影响Fig.5Effect of drying methods on hardness of tilapia fillets界 CO2干燥和真空冷冻干燥鱼片的具有较多的空隙，组织疏松，当受到力的挤压作用，很容易发生不可逆的形变，空隙坍塌，因此其复水后硬度较小；而热风干燥在促使水分蒸发的同时，也使得肌纤维逐渐收缩和紧密连接，造成物料内部发生不可逆转的破坏和错位，导致部分细胞完整性丧失，使得鱼片复水后的硬度较大20-21。因此，从鱼片质构特征来看，超临界 CO2干燥与真空冷冻干燥相当，而明显优于热风干燥。2.8不同干燥方法对罗非鱼片微观结构的影响采用 Micro-CT 对新鲜鱼片和干鱼片的进行扫描，然后进行三维重建，结果见图 6 和图 7。a.新鲜鱼片b.超临界 CO2干燥c.真空冷冻干燥d.热风干燥图 6不同干燥方法的罗非鱼片外观 Micro-CT 图Fig.6Micro-CT images of appearance of tilapia fillets dried bydifferent methodsa.新鲜鱼片b.超临界 CO2干燥c.真空冷冻干燥d.热风干燥图 7不同干燥方法的罗非鱼片横切面 Micro-CT 图Fig.7Micro-CT images of transection of tilapia fillets dried bydifferent methods第 15 期刘书成等：不同干燥方法对罗非鱼片品质和微观结构的影响225从图 6 看出，新鲜鱼片与干燥鱼片的外观特征具有明显的差异。新鲜鱼片由于含水率较高，经扫描后看不清肌肉组织纹理构造，而且有些模糊；热风干燥的鱼片，由于组织结构的严重破坏，使得肌肉组织紧密收缩，也看不清楚肌肉组织纹理结构；超临界 CO2干燥的鱼片，能够清楚地看到肌肉组织纹理结构，而且基本能保持鱼片原有形状；真空冷冻干燥的鱼片，也能够清楚地看到肌肉组织纹理结构，而且能较好的保持鱼片原有形状。从图 7 看出，新鲜鱼片与干燥鱼片的内部微观结构具有明显的差异。新鲜鱼片的横切面图可以明显看出肌肉组织中均匀的分布着大量水分；热风干燥的鱼片，横切面图呈现的是失水后均匀分布的肌肉组织，组织结构受到严重破坏而塌陷，紧密的收缩在一起，没有空隙存在；超临界 CO2干燥和真空冷冻干燥的鱼片，横切面图都明显的呈现肌肉组织结构疏松，具有分布较为均匀的多孔结构，另外这 2 种方法干燥的鱼片还具有明显的裂隙，这可能是干燥后，由于水分子的丧失，而导致肌纤维发生分离而呈现出裂隙。从鱼片微观结构来看，超临界 CO2干燥和真空冷冻干燥均能较好的保持产品原有的外观形状，而且产品呈现出疏松多孔的结构特征，而热风干燥则造成产品的外观形状和微观结构受到严重破坏，而呈现收缩致密的结构特征。因此，超临界 CO2干燥鱼片的微观结构与真空冷冻干燥的相近，而明显优于热风干燥的。这主要与其干燥机理有关。真空冷冻干燥是先将物料中的水冻结成冰晶，然后在低温高真空状态下，直接升华为水蒸汽，当冰晶升华时，物料形状不会受到较大影响，形成疏松的多孔性结构22。超临界 CO2干燥是利用超临界 CO2萃取携带出鱼片中水分，而同时超临界 CO2占据了原来水分的位置，限制了组织结构的塌陷，因此也能够形成疏松的多孔性结构12,18,23-25。热风干燥则是利用鱼片表面水分的快速蒸发和内部水分由内向外的扩散，干燥温度不适宜就非常容易造成肌肉发生快速收缩，组织塌陷而形成致密的结构25。2.9不同干燥方法的经济性分析热风干燥是一种传统的干制方法，其设备简单，产品生产成本较低，但是干制品的品质较差。目前，真空冷冻干燥是一种对干制品品质影响最小的干制方法，但是设备昂贵，生产过程能耗大，产品生产成本高，仅适合于附加值较高的产品。超临界 CO2干燥的介质来源于化工厂，实现了废气的二次利用，价格低廉，而且在干燥过程中可以循环利用。CO2无毒无害，干燥过程是在低温、避光、密闭和无氧环境下进行，可以避免产品中对热、氧、光敏感成分的损失，而且能够形成多孔疏松的组织结构，对产品品质的影响较小。超临界 CO2干燥设备虽然比较贵，但是设备还可以用于萃取，实现干燥和萃取两用，提高设备使用率。超临界 CO2干燥的运行成本包括设备损耗、动力消耗等。超临界 CO2设备属于高压设备，使用寿命较长，设备损耗年均相对较少；超临界设备的动力消耗主要是维持高压泵、加热系统（3060）和制冷系统（0左右）等，与真空冷冻干燥相比，超临界 CO2干燥设备动力消耗的成本相对较低。因此，从环境保护、产品品质、设备投资、运行成本和产品市场等角度综合考虑，罗非鱼片超临界 CO2干燥的工业化生产是可行的，而且会产生较好的经济效益；超临界CO2干燥技术特别适合于低脂肪的高附加值产品，也是未来干燥领域发展的方向之一。3结论采用 3 种方法干燥罗非鱼片，比较分析其品质和微观结构特征，得出结论如下：与热风干燥和真空冷冻干燥相比，超临界 CO2干燥的罗非鱼片，蛋白含量高，脂肪含量低；超临界 CO2干燥在杀灭微生物方面有着显著的优势；除了收缩率和复水特性稍差于真空冷冻干燥的之外，超临界 CO2干燥鱼片的感官、质构、微观结构等品质均与真空冷冻干燥的相当，明显优于热风干燥的。结合经济性等综合考虑，罗非鱼片应用超临界 CO2干燥是可行的。参考文献1段振华，尚军，徐松，等.罗非鱼的热风干燥特性及其主要成分含量变化研究J.食品科学，2006，27(12)：479482.Duan Zhenghua,Shang Jun,Xu Song,et al.Study 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