基于空氣(普通包裝)和真空包裝條件下鱸魚片脂肪氧化指標建立鱸魚貨架期預測模型

鞠 健,胡佳慧,熊光權,喬 宇,*,廖 李,汪 蘭,吳文錦,丁安子,石 柳

(1.湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所,湖北省農業科技創新中心農產品加工分中心,湖北武漢 430064; 2.湖北工業大學生物工程與食品學院,湖北武漢 430068)

鱸魚(Lateolabraxjaponicus)又名花鱸，其肉質鮮嫩,營養價值豐富,體內富含蛋白質、VA、VB、鈣、鎂、鋅、硒等營養元素,具有補肝腎、益脾胃的功效,深受廣大消費者喜愛[1]。特別是鱸魚中所含的二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA),是腦黃金和深海魚油的主要構成元素,對降低血膽固醇的含量和預防血脂異常等具有一定的作用,十分有益于人體健康[2]。然而,與高含量的不飽和脂肪酸相比,鱸魚中具有抗氧化活力的維生素E含量較低,因此鱸魚在貯藏過程中很容易與空氣中的氧發生自由基連鎖反應,加之鱸魚體內自身所攜帶的酶類及在貯藏過程中微生物生長繁殖產生的酶等都會加劇鱸魚脂肪的氧化,導致一些酸類,醛類和胺類物質的產生,促發腐敗,致使鱸魚因肌肉組織結構和風味劣化而失去營養價值[3]。

水產品的品質在貯藏期間會隨著時間的延長而不斷變化,如何通過一種有效快速的方法來評估水產品在貯藏期間品質和鮮度的變化并能夠較為準確的預測其剩余貨架期顯得尤為重要。大量研究表明,食品在貯藏期間品質的變化可以通過化學動力學模型得到很好的反應[47]。周果等[8]以揮發性鹽基氮(TVBN值)、魚品鮮度(K值)及菌落總數(TVC)為指標,研究了梭子蟹在冷藏、冰藏和冰溫貯藏期間的變化,通過零級化學動力學模型與Arrhenius方程建立了適合梭子蟹的貨架期預測模型,結果表明該預測模型具有較高的擬合度,預測值與實測值的相對誤差在10%以內;郭全友等[9]根據大黃魚在不同貯藏溫度下的腐敗速率與溫度的相關性開發出了3種貨架期預測模型(Exponential、Schoolfield和Squareroot),經過對模型的驗證后表明其誤差分別為0%～13.8%、0.9%～9.8%和0.2%～22.1%。但目前關于貨架期預測模型的相關研究均是在普通包裝即空氣條件下進行的,而對真空包裝條件下水產品品質變化動力學和相關預測模型的研究還尚未見報道,且有關鱸魚貨架期預測模型的研究尚屬空白。因此,本文以鱸魚為原料,研究其在微凍(2 ℃)、冰溫(0 ℃)和冷藏(4 ℃)過程中AV,POV和TBA值的變化規律,并運用化學動力學模型建立基于鱸魚脂肪氧化指標變化的貨架期模型,用以預測鱸魚魚片在貯藏期間的脂肪氧化情況及剩余貨架期,為提高鱸魚片在貯藏過程中的品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鱸魚 規格(800±50) g,活體,購于武商量販農科城店;尼龍包裝袋(PA) 市售;硫酸、鹽酸、氯化鈉、乙醇、1,1,3,3四乙氧基丙烷、2硫代巴比妥酸、無水碳酸鈉、碳酸氫鈉、酒石酸鉀鈉、氯化鎂、高氯酸、氫氧化鈉 分析純(AR),國藥集團化學試劑有限公司;溴甲酚綠、甲基紅、次甲基藍 連云港市鑫源化工股份有限公司;平板計數營養瓊脂 北京奧博星生物技術有限責任公司;高氯酸 北京雙旋微生物培養制品廠;硫代巴比妥酸、沒食子酸 天津市光復精細化工研究所;正辛醇 天津市大茂化學試劑廠;茶多酚(純度95%) 上海夢荷生物科技有限公司;牛血清白蛋白 杭州吳天生物技術服務有限公司。

UV3802分光光度計 上海尤尼科儀器有限公司;BS210 型電子天平 德國 Sartorius Instruments 有限公司;CR00 色差計 柯尼卡美能達株式會社;DGX9143B 電熱恒溫鼓風干燥箱 上海雷磁儀器生產廠;SPX250BZ 生化培養箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠;SWCJ凈化工作臺 蘇州凈化設備有限公司;FG2便攜式 pH計 梅特勒托利多儀器(上海)有限公司;101B2型均質機 上海一恒科技有限公司;KjeltecTM 8400型凱氏定氮儀 德國FOSS公司;HH6數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;真空包裝機 諸城市昊坤裝備科技有限公司;超純水系統 上海博飲環?？萍加邢薰?手壓式薄膜封口機 永康市喜尚工有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理 將購回的鱸魚宰殺后用無菌水洗凈,去皮,分別取背部和腹部魚肉切成5 cm×5 cm×0.5 cm的魚片。在無菌操作臺上將切好的鱸魚片裝入已經滅菌的保鮮袋中(滅菌條件121 ℃,15 min),將魚片樣本隨機分成2個處理組:a. 空氣包裝組,即將魚片直接采用封口機進行封口包裝;b. 真空包裝組,即采用真空包裝機進行抽真空處理并分別置于2、0和4 ℃冰箱中貯藏,每隔3 d 取樣進行檢測,每份樣品準備三份,用作平行實驗。

1.2.2 氧化指標的測定

1.2.2.1 酸價(AV)和過氧化值(POV)的測定 稱取5 g 1.2.1中處理的樣品,分別按照國標GB/T5009.372003中酸價滴定的方法和過氧化值滴定的方法進行測定。其中單位用(mg KOH·g-1)來表示，過氧化值單位為meq·kg-1[10]。

1.2.2.2 TBA值的測定 參照Salih等[11]的方法。分別取背部和腹部魚肉置于含有25 mL超純水的燒杯中混均,加入25 mL的5%三氯乙酸(TCA)溶液,混勻,室溫下靜置30 min,過濾;用5% TCA定容至50 mL,將上清液與TBA溶液(0.02 mol/L)按1∶1混勻。置于80 ℃的恒溫水浴中加熱40 min,冷卻,在532 nm下測定吸光度。TBA值用丙二醛(MDA)的質量分數表示,單位為mg MDA/kg。

式中:C為丙二醛質量,mg;m為樣品質量,g。

1.2.3 鱸魚感官鑒定 感官評定主要是依據魚肉的色澤、氣味、組織形態和組織彈性指標進行評定[13]。評定人員由6名經過培訓的評價員組成,定期對鱸魚片進行評定。具體評定標準如表1所示。實驗采用加權評分法,各指標權重設置為:色澤20%、氣味30%、組織形態30%、組織彈性20%。各特性的平均分乘以其權重即為該特性分值,各特性分值之和為感官評定分。

表1 鱸魚感官評分標準Table 1 Standard for sensory evaluation of weevers

1.3 數據處理

采用EXCEL 2007軟件和SPSS軟件進行數據處理和方差分析,Origin 8.5軟件作圖,并選擇合適的貨架期模型進行非線性擬合。

2 結果與分析

2.1 不同貯藏溫度下鱸魚背、腹部魚片脂肪氧化指標的變化

2.1.1 不同溫度下AV值的變化趨勢 AV值是衡量油脂變質程度的重要指標,也是國際通用的衡量食品腐敗程度的一項重要指標[1415]。如圖1所示,鱸魚背部魚片的初始AV值為1.98 mg KOH·g-1,腹部魚片的初始AV值為1.46 mg KOH·g-1,三個溫度下,鱸魚背腹部魚片在整個貯藏期間的AV值均呈顯著上升趨勢(p<0.05)。在2 ℃貯藏條件下,空氣和真空包裝處理組中的鱸魚背腹部魚片的AV值在貯藏9 d之前沒有顯著性的差異(p>0.05),從第9 d后空氣包裝組中的AV值顯著高于真空包裝組(p<0.05),第12 d時空氣背部、空氣腹部、真空背部和真空腹部魚片的AV值已分別達到了4.56、4.77、3.93和4.07 mg KOH·g-1。到貯藏末期第21 d時鱸魚背、腹部魚片的AV值分別達到了空氣背部5.61 mg KOH·g-1、空氣腹部5.96 mg KOH·g-1、真空背部5.08 mg KOH·g-1和真空腹部5.19 mg KOH·g-1,與初始值相比分別提高了255.5%、308.2%、156.6%、183.3%。0和4 ℃貯藏條件下的鱸魚背、腹部魚片AV值的變化趨勢與2 ℃時的相似,但在整個貯藏期間空氣包裝組與真空包裝組存在顯著差異(p<0.05)。在0 ℃貯藏到第18 d時,,空氣組鱸魚背、腹部魚片的AV值分別為5.47和5.88 mg KOH·g-1,真空組為4.66 和5.44 mg KOH·g-1;在4 ℃貯藏到第12 d時,空氣組鱸魚背、腹部魚片的AV值分別為5.03和5.24 mg KOH·g-1,真空組為4.42 和4.64 mg KOH·g-1。由此可見,在相同的包裝方式,相同貯藏時間下,貯藏溫度越高魚片AV值上升也越快。這說明魚片脂肪氧化速率隨溫度升高而加快。然而,在整個貯藏期間真空包裝組中鱸魚背腹部魚片的AV值始終低于空氣包裝組。這可能是由于真空處理致使魚肉中脂肪氧化酶的活力下降,在一定程度上也抑制了一些好氧腐敗微生物的生長繁殖。

2.1.2 不同溫度下POV值的變化趨勢 POV值是衡量油脂氧化酸敗程度的又一項重要指標。通常情況下,POV值越低,食品的酸敗程度就越低[1617]。如圖2所示,鱸魚背腹部魚片在2 和0 ℃貯藏期間POV值的變化趨勢與AV值的變化趨勢相似。4 ℃ 貯藏溫度下鱸魚背、腹部魚片POV值增加最快,且在貯藏末期9～12 d內增加最為顯著,腹部魚片到第12 d時空氣組和真空組腹部魚片已由初始值0.89 meq·kg-1分別增加到5.93和4.53 meq·kg-1,增加了566.3%和408.9%。而背部魚片初始值為1.55 meq·kg-1,到第12 d時空氣組和真空組分別增加到了5.37和4.10 meq·kg-1,分別增加了246.5%和164.5%。2 ℃溫度下貯藏鱸魚背、腹部魚片POV值的變化整體也呈現上升趨勢,到第21 d時空氣組背、腹部魚片分別為4.68、5.09 meq·kg-1、真空組背、腹部魚片分別為4.49 和4.18 meq·kg-1。0 ℃ 貯藏溫度下鱸魚背、腹部魚片POV值的升高趨勢則介于其他兩個溫度之間。在整個貯藏期間鱸魚背、腹部魚片POV值不斷升高可能是因為魚片中所含有的不飽和脂肪酸在貯藏期間受到魚體自身所攜帶的酶類以及外在環境因素如空氣、光照等影響發生了酶促氧化和光氧化等一系列氧化反應,從而產生了氫過氧化物。最終這些物質又經過反復的相互分解,相互作用,繼而產生醛類、酮類、酸類、羥甲基和環氧化物等低分子物質,致使鱸魚片發生氧化變質。

圖2 2,0和4 ℃ 貯藏溫度下鱸魚片POV值的變化Fig.2 POV value of weever fillets stored at 2,0 and 4 ℃

2.1.3 不同溫度下TBA值的變化趨勢 TBA值也被廣泛的用于評價魚肉類制品脂肪的氧化程度,脂肪酸發生氧化的降解產物丙二醛能夠與TBA 反應生成穩定的紅色復合物[1820]。由圖3可知,在整個貯藏期間TBA值與AV和POV值的變化趨勢均相似,與貯藏時間呈正相關,這表明TBA、AV和POV值均能夠較好地表征鱸魚片在貯藏期間品質的劣化。在4 ℃ 貯藏溫度下鱸魚背、腹部魚片的TBA含量在前9 d時增加緩慢,隨后出現顯著(p<0.05)增加,到貯藏末期第12 d時,分別達到了空氣背部1.89 mg MDA ·kg-1、空氣腹部2.01 mg MDA ·kg-1、真空背部1.26 mg MDA ·kg-1和真空腹部1.87 mg MDA ·kg-1,比初始值分別增長了687.5%、528.1%、425%和484.4%。在2 ℃下貯藏的鱸魚背、腹部魚片的TBA值變化相對較為緩慢,到第21 d時分別為1.42、1.61、1.18和1.34 mg MDA ·kg-1。通常情況下魚肉中的TBA含量超過1 mg MDA ·kg-1時會開始出現令人難以接受的腥臭味。在4 ℃條件下貯藏的鱸魚背、腹部魚片到貯藏第12 d時已經產生了令人難以接受的腥臭味;在0 ℃貯藏魚片氧化程度比在4 ℃條件下貯藏的魚片氧化稍緩,但空氣組的魚片第15 d時TBA含量也約為1 mg MDA ·kg-1。因此,貯藏溫度越高,油脂氧化速率越快。另外,李婷婷等[21]已用TBA值來預測大西洋鮭的貨架期模型并且得到了比較可靠的預測結果。因此采用TBA 值建立的關于鱸魚背、腹部魚片的貨架期預測模型具有可行性。

圖3 2,0和4 ℃貯藏溫度下鱸魚片TBA值的變化Fig.3 TBA value of weever fillets stored at 2,0 and 4 ℃

2.1.4 不同溫度下感官評價 鱸魚背、腹部魚片的感官評分值在整個貯藏期間不斷下降且溫度越高下降越快(圖4)。在2 ℃下在第15 d時空氣包裝中背部和腹部魚片的感官評分值分別為5.4和5.3,而真空包裝中背、腹部魚片在第18 d時感官評分值為5.6和5.5。在0 ℃ 溫度下貯藏的普通包裝和真空包裝中背、腹部魚片的感官評分值在第15 d時分別為4.9、4.6、5.2和5.1。在4 ℃下空氣包裝組背部和腹部魚片的感官評分值在第9 d時分別為4.4、4.0,真空包裝組背部和腹部的感官評分值分別為5.3和4.9。從三個不同貯藏溫度下的鱸魚背、腹部魚片的感官評分值來看,鱸魚背部魚片的感官評分值高于腹部魚片,這與其它三個脂肪氧化指標的變化規律相一致,這表明鱸魚在貯藏期間其腹部魚片的脂肪氧化速率快于背部魚片。

圖4 2,0和4 ℃貯藏溫度下鱸魚片感官評價Fig.4 Sensory evaluation of salmon fillets stored at 2,0 and 4 ℃

2.2 貨架期預測模型的建立

由一級化學反應動力學方程式(1)改寫為(2)如下:

式(1)

A=A0×ekt

式(2)

式中,A、A0、t、k和n分別代表品質因子數、初始值、時間、反應速率和級數。

據相關文獻介紹,由微生物的生長繁殖及食品氧化所引起的腐敗變質一般遵循一級化學反應動力學[2223],而鱸魚肉在貯藏期間的腐敗變質主要是由微生物和脂肪氧化共同作用導致。且李婷婷等[21]在做大西洋鮭在冷藏期間脂肪氧化的貨架期預測模型時也證明了大西洋鮭在冷藏期間脂肪氧化指標的變化符合一級化學反應動力學模型,因此取n=1。然后用一級化學反應動力學模型對以上三個脂肪氧化指標進行擬合,得k值(表2)。

鱸魚在不同包裝方式下的決定系數R2如表2所述。R2決定了脂肪氧化指標與一級化學反應動力學方程的擬合程度,其值越大擬合精度越高。在2 ℃(271K)、0 ℃(273K)和4 ℃(277K)貯藏條件下各包裝方式中的鱸魚片R2≥0.82。其中TBA和POV值的擬合程度較高R2>0.90。由此可見,該動力學方程能夠較好地反映鱸魚在貯藏期間的氧化。

影響微生物生長繁殖的最重要的因素是溫度[24]。其中k是關于溫度的常數,通常情況下采用Arrhenius方程來表示k與溫度的變化關系:

式(3)

式中,k0:頻率因子;EA:活化能(J/mol);T:溫度(K);R:常數,8.3144 J/(mol·K);k0和 EA是與相關實驗物質本性有關的經驗常數。

2.3 空氣包裝下的鱸魚脂肪氧化指標的非線性擬合

表2中,鱸魚背、腹部各指標的決定系數R2均>0.820,其中TBA值的整體決定系數R2>0.900,POV值的擬合精度較高。由此可見一級化學反應動力學方程能夠較好地描述冷藏期間鱸魚背、腹部魚片的脂肪氧化。

表2 空氣包裝中的非線性擬合參數Table 2 Nonlinear fitting parameters of weever on fat oxidation indicators

k0及EA值的確定:用Arrhenius方程將各氧化指標的k值在不同貯藏溫度下擬合即得k0值和EA值:

如表3所示,背、腹部魚片各脂肪氧化指標的R2均>0.900。R2越大表明相關性越高。相關性越高則越能較好地反映在不同的貯藏溫度下鱸魚背、腹部魚片反應速率常數隨貯藏溫度變化的關系。由上表還得到關于鱸魚背部AV和TBA值的活化能小于腹部,POV值的活化能則大于腹部。這可能是因為AV值和TBA值在背部中的變化更敏感,反之POV值在腹部中更加敏感。

表3 k值對不同貯藏溫度的擬合結果Table 3 The fitting results of reaction rate constant k for temperature

由圖5可見三個脂肪氧化指標的k值整體與溫度呈正相關,這表明它們均可很好地與擬合曲線相擬合。

圖5 三種氧化值指標的k值與Arrhenius方程擬合Fig.5 Oxidation indicators k values fitting with Arrhenius equation

由(2)、(3)公式推導得出:

F(A)=k×t=k0×e-E/RT×t=lnAlnA0

式(4)

經上述公式推導可得貨架期預測模型公式:

式(5)

式中：A0:初始脂肪氧化指標的數值;A:貯藏 t時間后的脂肪氧化指標的數值;EA:活化能(J/mol);T:絕對溫度(K);R:氣體常數。

根據鱸魚背、腹部魚片在3個貯藏溫度下所得到的k0值與EA值帶入式(5),可以計算出空氣包裝中鱸魚背、腹部魚片在貯藏過程中AV值、POV值和TBA值的貨架期預測模型:

關于AV值的貨架期預測模型:

關于POV值的貨架期預測模型:

關于TBA值的貨架期預測模型:

其中,A0:初始腹部TBA值,A:儲藏 t時間后的腹部TBA值。

鱸魚背、腹部魚片在貯藏溫度下貨架期預測模型的驗證與評價。貯藏溫度下鱸魚背、腹部魚片的感官評價以5分作為可接受的最低限值。當冷藏鱸魚背、腹部魚片TBA含量超過1 mg MDA ·kg-1時,用所建立的鱸魚貨架期預測模型的預測值與實驗值對貨架期模型進行驗證(表4)。

表4 空氣包裝條件下鱸魚貨架期模型驗證結果Table 4 The shelflife model validation results of weever on fillets in the air package

由表4可以看出,在三個不同的貯藏溫度下鱸魚片關于三個脂肪氧化指標的相對誤差均在±10.40%內。這表明預測值與實驗值的結果誤差較小,在允許的范圍內。其中鱸魚背部魚片TBA的預測值與實驗值的平均相對誤差較小為0.83%,其次是背部魚片POV值平均相對誤差為1.09%;而腹部魚片AV值的預測值與實驗值平均相對誤差最大為7.95%。這表明關于背部魚片的TBA值的貨架期模型更為準確。

2.4 真空包裝下的鱸魚脂肪氧化指標的非線性擬合

表5中,鱸魚背、腹部各脂肪氧化指標的決定系數R2均大于0.820,其中TBA 值的決定系數R2最高,均大于0.968,POV值的擬合精度較高。由此可見一級化學反應動力學方程能夠較好地描述冷藏期間鱸魚背、腹部魚片的脂肪氧化情況。

表5 真空包裝的鱸魚背、腹部魚片脂肪氧化指標非線性擬合參數Table 5 Nonlinear fitting parameters of weever on fat oxidation indicators

將2 ℃(271 K)、0 ℃(273 K)和4 ℃(277 K)貯藏條件下得到的鱸魚魚片的AV值、POV值和TBA值的反應速率常數k用Arrhenius方程在不同貯藏溫度下擬合,可得到 k0及 EA的數值如下:

表6中,鱸魚背、腹部各脂肪氧化指標中的相關系數均較大(R2≥0.830),其中,背部 AV 值的相關系數最大為0.999;腹部AV值和POV值的相關系數都是0.993。從表6中還可以看出,背部魚片AV、POV、TBA指標的活化能EA均小于腹部魚片。這可能是因為在真空包裝條件下這三個指標的變化在背部魚肉中更容易實現的緣故。

表6 反應速率常數k對不同溫度的擬合結果Table 6 The fitting results of reaction rate constant k for temperature

AV值、POV值和TBA值的反應速率常數k值隨溫度的變化規律與空氣包裝條件下的變化規律相同。其中POV值的擬合精度最高,表明與Arrhenius 方程的擬合效果最好。這三個實驗指標的化學反應速率常數k的數據點均可以很好的與擬合曲線相擬合。這表明用Arrhenius方程可以很好的表達在不同的貯藏溫度下鱸魚片AV值、POV值和TBA值的反應速率常數隨貯藏溫度變化的關系(圖6)。

圖6 三種氧化指標的反應速率常數k與Arrhenius方程擬合Fig.6 Oxidation indicators reaction rate constant k fitting with Arrhenius equation

根據鱸魚背、腹部魚片在3個貯藏溫度下所得到的k0值與EA值帶入式(5),可以計算出真空包裝中鱸魚背、腹部魚片在貯藏過程中AV值、POV值和TBA值的貨架期預測模型:

關于AV值的貨架期預測模型:

關于POV值的貨架期預測模型:

關于TBA值的貨架期預測模型:

其中,A0:初始腹部TBA值,A:儲藏 t時間后的腹部TBA值。

鱸魚背、腹部魚片在貯藏溫度下貨架期預測模型的驗證與評價。貯藏溫度下鱸魚背、腹部魚片的感官評價以5分作為可接受的最低限值。當冷藏鱸魚背、腹部魚片TBA值超過1 mg MDA ·kg-1時,用所建立的鱸魚貨架期預測模型的預測值與實驗值對貨架期模型進行驗證(表7)。

由表7可以看出在真空包裝條件下所建立的關于三個指標的實際值與預測值的相對誤差在±10.06%內。這表明在真空包裝條件下所建立的貨架期預測模型可以很好地預測貯藏期間鱸魚片的脂肪氧化變化和貨架期。其中鱸魚背部魚片AV值的平均相對誤差較小為2.3%,其次是背部POV值為3.23%;而腹部TBA值的平均相對誤差最大為7.97%。這表明在真空包裝條件下所建立的關于鱸魚背部的AV值和POV值的貨架期模型較為準確。

表7 真空包裝下鱸魚貨架期模型驗證結果Table 7 The shelflife model validation results of weever on fillets in the vacuum package

3 結論

在三個不同的貯藏溫度下(2、0和4 ℃)將鱸魚片的脂肪氧化指標 AV值、POV值和TBA值與一級化學反應動力學模型擬合發現在空氣和真空包裝方式下關于AV值和POV值有很好的擬合效果,TBA值擬合效果較好。所以選擇將AV值、POV值和TBA值作為貨架期評判指標建立預測模型。通過對模型驗證后得到預測值與實驗值相對誤差均在±10.60%以內,且真空包裝組所建立的三個值的預測模型平均相對誤差較小,但普通包裝組所得的貨架期模型平均相對誤差也在允許的范圍內。因此,根據鱸魚在貯藏期間的脂肪氧化指標所建立的預測模型能很好地預測冷藏溫度下鱸魚背、腹部魚片的貨架期,可為預測和控制鱸魚片在貯藏期間的品質提供現實參考。

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