不同溫度液氮速凍對斑點叉尾品質的影響

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(1.湖北工業大學生物工程與食品學院,湖北武漢 430068; 2.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研究分中心,湖北武漢 430064; 3.長江大學生命科學學院,湖北荊州 434025)

斑點叉尾鮰(Channel catfish),又稱美洲鯰、河鯰、溝鯰,屬于鯰形目,鮰科,叉尾鮰屬,是一種原產于美洲的大型淡水魚類,鮰魚具有適應能力強、生長快、食性雜、抗病能力強、產量高、易養殖、肉質細嫩、無肉間細刺等特點,是世界公認的最適合加工的淡水魚之一。上世紀80年代后,我國開始引進鮰魚,目前已在我國20多個省市進行養殖,產量已經高達16.2噸/公頃[1]。鮰魚具有較高的營養價值,含有多種人體必需的氨基酸、維生素和大量的不飽和脂肪酸,深受消費者的喜愛[2]。在工業加工過程中,鮰魚脂肪含量高易發生氧化,進而促進蛋白質的變性、ATP降解等一系列劣變反應的進行,因而常采用冷凍的方式來維持產品品質,提高產品價值[3-4]。

食品加工中的冷凍方式主要有靜止空氣凍結、鼓風凍結和液氮凍結等。較于其他凍結方式具有以下優點:速凍快、產量高、質量好、干耗小、抗氧化、雜菌少、環境友好。另外,液氮的凍結設備占地面積小、結構簡單、操作方便、易于維護[5];隨著空氣分離技術的發展,液氮凍結成本也在逐漸下降,使得液氮凍結技術在食品行業中成為新的研究熱點[6]。液氮速凍能夠提高凍結速率,在凍結過程中能夠快速通過最大冰晶生成帶形成較小冰晶,對魚肉組織的損傷較小;此外,液氮無色、無味、化學性質穩定,不與其他物質發生化學反應,產品的質量和營養價值能夠更好地維持[7]。目前對液氮速凍的研究主要包括鮑魚、帶魚、銀鯧魚、蟹、魚丸等產品,其中常見研究采用液氮-20、-40、60 ℃、噴淋式、沉浸式等冷凍方式在維持品質方面的應用,但是關于液氮速凍溫度對鮰魚凍結品質的影響還未見報道。

因此,本研究通過液氮速凍柜來控制-60、-80、-100 ℃液氮速凍溫度,研究速凍溫度對鮰魚品質的影響,為液氮速凍技術在鮰魚流通、運輸、貯藏方面的應用及進一步研究提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮活的斑點叉尾鮰(Channel catfish) 約2 kg,購于湖北省武漢市白沙洲水產品批發市場;酒石酸鉀鈉 西隴化工股份有限公司;無水硫酸銅 Shanghai Macklin Biochemical Co.,Ltd;氫氧化鈉、氯化鈉、二甲苯、鹽酸、氨水、中性樹膠、無水乙醇、十二烷基硫酸鈉 國藥集團化學試劑有限公司;蘇木素-伊紅染液 武漢谷歌生物科技;寬范圍彩色預染蛋白質Marker:11～245 kDa 天根生化科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理 在4 ℃的冷庫中將鮰魚敲擊致暈,去除內臟,流水清洗干凈后,放置4 ℃環境中備用。將準備好鮰魚隨機分成4組,每組3條,然后進行如下處理并貯藏:

留取1組鮰魚作為新鮮樣品組,收集新鮮鮰魚樣品的組織滲出液備用,并進行相關指標的測定。將另外3組鮰魚樣品在溫度為-60、-80、-100 ℃的液氮速凍柜中進行液氮速凍,同時將溫度記錄儀探頭分別插入魚體的前背、中背、后背及腹腔中,待溫度達到設定溫度之后,液氮速凍30 min;然后將速凍的鮰魚樣品置于-18 ℃貯藏24 h;然后取出各組的鮰魚樣品稱重(m0),置于4 ℃進行約8～12 h解凍,待解凍完成后,收集解凍后組織滲出液并用解凍后的鮰魚背部魚肉樣品測各種指標。

1.2.2 冷凍組織切片制作及微觀結構分析 參考趙玉華等[8]方法,取0.1 cm×0.1 cm背部鮰魚肉,用于制作冷凍組織切片,將新鮮組織固定于4%多聚甲醛24 h以上,然后從固定液取出組織修平整,依次放入10 mL 15%、30%蔗糖溶液4 ℃冰箱脫水沉底,取出脫水組織稍吸干表面水,切面朝上置于包埋臺上,組織周圍滴上OCT包埋劑,將包埋臺放在Thermo冰凍切片機的速凍臺上速凍包埋,待OCT變白變硬后,將包埋臺固定于切片機上,先粗切織面,待修切平整后即可開始切片,切片厚度8～10 μm,然后將干凈的載玻片平放于切片上方,即可將組織貼于載玻片上,-20 ℃保存備用。

冷凍切片HE染色:冷凍切片用4%多聚甲醛固定15 min,PBS漂洗3次,5 min/次,然后用Harris蘇木素染3～8 min,自來水洗,1%鹽酸酒精分化數秒,自來水沖洗0.6%氨水返藍,流水沖洗;再將切片置于伊紅染液中染色1～3 min;然后將切片依次放入95%酒精I、5 min-95%酒精II、5 min-無水乙醇Ⅰ、5 min-無水乙醇Ⅱ、5 min-二甲苯Ⅰ、5 min-二甲苯Ⅱ、5 min-中脫水透明,從二甲苯拿出稍晾干,中性樹膠封片;用Nikon Eclipse CI光學顯微鏡鏡檢,最后用NMI20-025V-I成像系統采集圖像進行分析。

用image-ProPlus 6.0和Pannoramic Viewer 1.15.3軟件計算出細胞面積、細胞間隙、冰晶面積,用軟件處理過數據,作圖。

1.2.3 解凍損失率 參考劉歡[9]、Mortensen[10]等的方法,用濾紙吸去-60、-80、-100 ℃鮰魚解凍后魚肉表面的水分稱取質量(m1),按照下列公式計算:

整治手法：修繕和更換結構破損嚴重的建筑構件，現狀瓷磚貼面予以保留，裸露的磚墻墻面以白色防水涂料進行粉刷，勒腳部分用深灰色防水涂料粉刷，進行建筑節能改造。

式(1)

式中,m0-凍結魚肉的質量;m1-解凍后魚肉的質量。

1.2.4 加壓失水率 參考董開成[11]方法,將新鮮、-60、-80、-100 ℃鮰魚分別稱取2 g左右的白肉,準備大小為4 cm×4 cm的紗布。先稱取紗布質量m1,再稱取紗布與樣品的總質量m2,紗布對折包裹住樣品,向其上下各放8層濾紙使樣品置于濾紙中心位置,并放在YYW-2型應變控制式無側限壓力儀的加壓板中心,轉動搖把使試樣與加壓板剛好接觸,停止轉動搖把,將測力計的百分表讀數調至零點,然后進行手動加壓,順時針轉動搖把直至測力計的百分表讀數為145,開始計時并維持此數值5 min,測試結束后,逆時針轉動搖把,取下試樣,剝去上下8層濾紙,稱量加壓后紗布與樣品的總質量m3。計算公式如下:

式(2)

式中:X-樣品的加壓失水率,%;m1-紗布質量,g;m2-加壓前紗布與樣品的總質量,g;m3-加壓后紗布與樣品的總質量,g。

1.2.5 蒸煮損失率 參考王鳳玉[12]、Kl?[13]等方法,將新鮮、-60、-80、-100 ℃取背部鮰魚肉樣品魚肉稱10 g左右(m1)放入保鮮袋中,置于85 ℃水浴鍋中進行蒸煮,25 min后取出,冷卻至室溫,用濾紙拭去魚肉表面的水分,再稱重(m2),計算蒸煮損失率;計算公式如下:

式(3)

其中,m1-蒸煮前樣品的總質量,g;m2-蒸煮后樣品的總質量,g。

1.2.6 pH測定 用pH標準校正緩沖液校正便攜式pH計,然后用蒸餾水沖洗探頭,用濾紙擦拭干凈,將便攜式pH計探頭插入魚肉中,分別測定新鮮、-60、-80、-100 ℃鮰魚樣品的pH。

1.2.2.6 色澤 參考胡亞芹等[4]方法,將新鮮、-60、-80、-100 ℃背部鮰魚肉切成1 cm×1 cm大小的塊狀,去皮,用色度測定儀測定樣品的色度,白度按下列公式計算:

式(4)

式中,L*表示樣品的亮度;+a*表示樣品偏紅,-a*表示表示偏綠;+b*表示樣品偏黃,-b*表示樣品偏藍。

1.2.7 質構特性的測定 參考宋敏等[7]方法,將新鮮、-60、-80、-100 ℃鮰魚切成1 cm×1 cm大小的塊狀,并將魚塊置于質構儀A/CKB探頭下進行韌性(剪切力)的測定,力臂25 kg,測前速率5.0 mm/s,測中速率1.0 mm/s,測后速率5.0 mm/s,壓縮形變50%。每組平行測定6次。

1.2.8 解凍滲出液SDS-PAGE電泳 將新鮮滲出液、-60、-80、-100 ℃魚肉解凍的滲出液收集,并用雙縮脲法(按照NY/T1678-2008)測定蛋白質的濃度,用5% SDS調整滲出液的蛋白濃度至1.5 mg/mL,取100 μL 1.5 mg/mL蛋白濃度滲出液加50 μL上樣緩沖液,使蛋白濃度調至1 mg/mL,混勻并在沸水中加熱3 min,待冷卻至室溫儲存于-20 ℃冰箱冷凍備用。

然后,采用12%的分離膠濃度,5%的濃縮膠濃度,對制備好的新鮮滲出液、-60、-80、-100 ℃魚肉解凍的滲出液進行電泳,經考馬斯亮藍染色,脫色后觀察新鮮的與不同液氮速凍溫度處理后滲出液的蛋白條帶變化[14]。

CPMG測試后的樣品進行MSE序列成像測試,運用MRI成像軟件及MSE多層自旋回波序列采集樣品冠狀面質子密度像,成像系統分析參數為:成像厚度5 mm,MIR成像視野FOVRead=100 mm,FOVPhase=80 mm,Averages=4,TR=500 ms,TE=20 ms,Slices=1,Slice Width=3.0 mm。

1.3 數據處理

采用SPSS 20.0進行差異顯著性分析,實驗數據用GraphPad Prism5.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同液氮速凍溫度對鮰魚微觀組織結構的影響

本試驗采用冷凍切片觀察鮰魚樣品的微觀組織結構,如圖1所示。新鮮鮰魚肌纖維排列緊密,隨著液氮速凍溫度降低,肌纖維間的間隙逐漸增大,-100 ℃速凍使得肌纖維和周圍的膜結構之間出現分離,同時肌纖維完整性遭到破壞。采用速凍處理會使樣品組織形成的小而多的冰晶,對樣品組織的影響較其他冷凍方式較小,但是,樣品處理過程(液氮速凍后置于-18 ℃貯藏24 h)可能是較大溫差的存在導致冰晶再生長,因此對組織結構造成破壞。

2.2 不同液氮速凍溫度對鮰魚微觀組織形態的影響

對冷凍組織切片進行處理及分析,結果如圖1、圖2所示。新鮮樣品與不同液氮速凍溫度處理相比較,隨著液氮溫度降低,冰晶面積、細胞面積、細胞間隙呈現增大趨勢。不同液氮速凍溫度處理樣品間,隨著溫度降低冰晶面積呈現增大趨勢;-100 ℃速凍鮰魚細胞面積較-60、-80 ℃增大;-60 ℃速凍鮰魚細胞間隙較-80、-100 ℃小。冰晶面積隨著液氮溫度降低趨向于增大,造成冰晶面積增大原因是液氮速凍處理過的樣品溫度與貯藏溫度(-18 ℃)的溫差很大,導致冰晶再生長,使冰晶面積增大[16];-100 ℃速凍鮰魚細胞面積較-60、-80 ℃增大,因為冷凍過程中溫度降低能夠有效的增加細胞面積[17];-60 ℃速凍鮰魚細胞間隙較-80、-100 ℃小,因為隨著液氮速凍溫度降低肌原纖維和結締組織的降解會導致肌原纖維與肌節分離,造成細胞間隙增大[18-19]。

圖2 不同液氮速凍溫度對鮰魚組織切片冰晶面積、細胞面積和細胞間隙的影響Fig.2 Effect of different liquid nitrogen quick freezing temperatures on ice crystal area,cell area and cell gap of channel catfish tissue sections注:同一指標的不同小寫字母代表樣品間存在顯著差異(p<0.05)。

結果表明,不同液氮速凍溫度處理對于冰晶面積、細胞面積和細胞間隙存在顯著影響(p<0.05),進而對鮰魚的品質產生不同程度影響;考慮不同液氮速凍溫度對冷凍速度、冰晶面積、細胞面積和細胞間隙不同程度的影響,-80 ℃液氮速凍對鮰魚的速凍處理較為理想。

2.3 不同液氮速凍溫度對鮰魚解凍損失率的影響

如圖3所示,經過不同液氮速凍溫度處理后鮰魚解凍損失率間差異不顯著性(p>0.05)。因為不同液氮速凍溫度都已達到快速凍結,快速冷凍可以使樣品快速通過最大冰晶生成帶,使其形成小且多的冰晶,且分布均勻,對肌肉組織的破壞較小[12],所以-60、-80、-100 ℃速凍鮰魚的解凍損失率間差異不顯著性(p>0.05)。

圖3 不同液氮速凍溫度對鮰魚解凍損失率的影響Fig.3 Effects of different liquid nitrogen quick freezing temperatures on the thawing loss rate of channel catfish注:不同小寫字母代表樣品存在顯著差異(p<0.05);圖4～圖8同。

2.4 不同液氮速凍溫度對鮰魚加壓失水率的影響

如圖4所示,新鮮鮰魚肉加壓失水率較-60、-80、-100 ℃液氮速凍處理過樣品略小,但-60、-80、-100 ℃液氮速凍處理后加壓失水率之間差異不顯著(p>0.05);造成這種變化的原因可能是經過不同液氮速凍溫度之后,冰晶對肌肉組織具有一定機械破壞作用,因此相對于新鮮鮰魚肉加壓失水率要大一些[4];但-60、-80、-100 ℃液氮速凍形成的冰晶對肌肉組織機械破壞作用差別不大,因此其加壓失水率之間差異不顯著。

圖4 不同液氮速凍溫度對鮰魚加壓失水率的影響Fig.4 Effect of the different liquid nitrogen quick freezing temperature on the pressurized water loss rate of channel catfish

2.5 不同液氮速凍溫度對鮰魚蒸煮損失率的影響

如圖5所示,新鮮鮰魚肉蒸煮損失率較-60、-80、-100 ℃液氮速凍處理的蒸煮損失率小,即說明新鮮鮰魚與-60、-80、-100 ℃液氮速凍相比較,新鮮鮰魚有較好的持水性;但-60、-80、-100 ℃液氮速凍鮰魚蒸煮損失率之間差異不顯著(p>0.05)。這是由于鮰魚肉在解凍過程中,肌肉蛋白的構象發生改變,破壞了肌肉組織細胞,使其持水力下降,而且在蒸煮過程中,肌肉組織更容易發生聚合,降低了肌肉的持水力;同時經過不同液氮速凍溫度后,冰晶對肌肉組織具有一定機械破壞作用,所以相對于新鮮的鮰魚肉蒸煮損失率大[7]。但這種作用在-60、-80、-100 ℃液氮速凍之間差異不顯著,因此其蒸煮損失率之間無明顯變化。

圖5 不同液氮速凍溫度對鮰魚蒸煮損失率的影響Fig.5 Effect of different liquid nitrogen quick freezing temperature on the cooking loss rate of channel catfish

2.6 不同液氮速凍溫度對鮰魚pH的影響

如圖6所示,速凍溫度對鮰魚pH有顯著影響(p<0.05),液氮速凍處理樣品較新鮮樣品pH呈現先下降后略有上升趨勢;不同液氮速凍溫度處理后,隨著溫度降低樣品pH呈現先下降后上升。因為冷凍初期,宰殺后的鮰魚,體內缺氧,在無氧條件下發生無氧糖酵解產生乳酸,從而導致pH呈現下降的趨勢;而-100 ℃速凍鮰魚的pH略有回升,可能是冰晶破壞細胞使細胞液滲出較-60、-80 ℃要嚴重,使得細胞液中蛋白質經酶解后產生氨基酸及堿類物質,使-100 ℃ pH回升[7,20]。

圖6 不同液氮速凍溫度對鮰魚pH的影響Fig.6 Effect of different liquid nitrogen quick freezing temperature on the pH of channel catfish

2.7 不同液氮速凍溫度對鮰魚色澤的影響

如圖7所示,新鮮、-60、-80、-100 ℃速凍鮰魚白度存在一定差異,新鮮鮰魚與-60、-80、-100 ℃處理過鮰魚相比白度有一定增高,但-60、-80、-100 ℃速凍鮰魚白度之間差異不顯著性(p>0.05)?？赡苁墙涍^-60、-80、-100 ℃速凍之后,鮰魚肉脂肪的氧化速度較新鮮樣品速度減慢,使得液氮處理鮰魚肉白度較新鮮魚樣品有所增加;同時經過不同液氮速凍溫度之后,冰晶對肌肉組織的機械破壞較小,但與新鮮鮰魚肉相比冰晶對肌肉組織仍然有一定的機械破壞作用,使得水分滲出在魚肉表面形成水膜,使光的反射或折射增強,使得不同液氮速凍溫度處理過鮰魚肉白度較新鮮魚肉有所增加[4]。

圖7 不同液氮速凍溫度對鮰魚白度的影響Fig.7 Effects of different liquid nitrogen quick freezing temperatures on whiteness of channel catfish

2.8 不同液氮速凍溫度對鮰魚質構特性的影響

如圖8所示,新鮮鮰魚與-60、-80、-100 ℃速凍鮰魚的韌性之間存在顯著差異,但-60、-80、-100 ℃速凍鮰魚的韌性之間差異不顯著(p>0.05);引起這種變化可能是經過不同液氮速凍溫度之后,冰晶對肌肉組織具有一定機械破壞作用,所以相對于新鮮鮰魚肉韌性要小一些[6];但-60、-80、-100 ℃液氮速凍形成的冰晶對肌肉組織機械破壞作用差別不大,因此其韌性之間差異不顯著。

圖8 不同液氮速凍溫度對鮰魚韌性的影響Fig.8 Effect of different liquid nitrogen quick freezing temperatures on the toughness of channel catfish

2.9 不同液氮速凍溫度對鮰魚解凍滲出液SDS-PAGE電泳的影響

如圖9所示,新鮮、-60、-80、-100 ℃速凍處理鮰魚滲出液電泳間存在差異,隨著液氮溫度降低,電泳條帶顏色逐漸加深且條帶種類逐漸增多,表明隨著溫度降低滲出液中蛋白含量和種類逐漸增多。63 kDa和17～25 kDa隨著液氮速凍溫度降低樣品滲出液中蛋白含量逐漸增多。原因可能是隨著液氮速凍溫度降低,冰晶形成對樣品組織結構產生破壞加深,使得滲出液中蛋白含量及種類逐漸增多。

圖9 不同液氮速凍溫度對鮰魚滲出液SDS-PAGE電泳的影響Fig.9 Effect of different liquid nitrogen quick freezing temperatures on SDS-PAGE electrophoresis of channel catfish exudate注:A：新鮮鮰魚;B:-60 ℃;C:-80 ℃;D:-100 ℃。

2.10 不同液氮速凍溫度對鮰魚低場核磁共振水分的影響

低場核磁共振技術多以氫核(1H)為研究對象,1H核以非輻射方式從高能態轉變為低能態過程稱為弛豫;在肉及肉制品中弛豫時間的測量多用H質子橫向弛豫時間T2來表示。T2的分布可以表示肉中存在多種性質水分,橫向弛豫時間(T2)越短表明水分與底物結合越緊密,反之,水分則自由;其中T21(1～10 ms)代表與大分子結合的水,T22(30～100 ms)代表不可移動的水,T23(>100 ms)代表自由水[21]。

如表1和圖10所示,新鮮樣品與-60、-80 ℃液氮速凍處理樣品T21差異性不顯著(p>0.05),但其與-100 ℃液氮速凍處理樣品間差異顯著(p<0.05);新鮮樣品與-60、-80、-100 ℃液氮速凍處理樣品T22、T23差異性顯著(p<0.05);表明-60、-80、-100 ℃速凍處理主要對不可移動水(T22)、自由水(T23)產生影響;大分子結合水雖然與非水物質結合的很穩定,但-100 ℃速凍處理對大分子結合水產生影響,說明-100 ℃速凍處理使得樣品組織結構遭到冰晶的破壞,這與前面的微觀組織分析是一致的。

表1 不同液氮速凍溫度對鮰魚低場核磁共振水分的影響Table 1 Effect of different liquid nitrogen quick freezing temperatures on the moisture of low field nuclear magnetic resonance in channel catfish

圖10 不同液氮速凍溫度對鮰魚T2圖譜的影響Fig.10 Effect of different liquid nitrogen quick freezing temperatures on the T2 map of channel catfish

經過不同溫度液氮速凍處理之后,新鮮與-60、-80、-100 ℃鮰魚樣品T22、T23都存在顯著差異,但-60、-80、-100 ℃鮰魚樣品T22差異不顯著;-60 ℃與-80、-100 ℃鮰魚樣品T23之間存在顯著差異;表明經過不同溫度液氮處理之后,雖然液氮速凍形成的冰晶較小,但冰晶的形成使非極性基團周圍的水凝聚,破壞疏水性殘基及三維網狀結構,使水的自由度增加;同時,經過解凍之后鮰魚內部的脫水多孔層增加,使水的流動性增加,也造成水的自由度增加[22];不同液氮速凍溫度處理的鮰魚樣品不可移動水(T22)含量下降,而其自由水(T23)含量較新鮮鮰魚樣品有所升高[23],這與前面不同液氮速凍溫度處理對鮰魚樣品加壓失水率、蒸煮損失率及微觀組織結構的影響趨勢是一致的[15,24-25]。

2.11 不同液氮速凍溫度對鮰魚核磁共振成像(MRI)的影響

核磁共振成像(MRI)是利用磁場和射頻脈沖使樣品中氫核振動產生射頻信號,經過處理可以獲得高分辨率MRI成像,能直觀表現水分分布及遷移,水分含量越高,質子密度越高,MRI圖像亮度越強[15]。由圖11可以觀察到,質子密度加權像的亮度由低到高依次為新鮮、-60、-80、-100 ℃,且質子密度加權像的亮度分布比較均勻,其中-100 ℃液氮處理質子密度加權像的亮明顯提高,表明經過-100 ℃液氮速凍處理后鮰魚樣品表面水分(自由水)增多,這與前面微觀組織結構的細胞面積、細胞間隙和冰晶面積變化趨勢是一致的。

圖11 不同液氮速凍溫度對鮰魚核磁共振成像偽彩圖的影響Fig.11 Effects of different liquid nitrogen quick freezing temperatures on nuclear magnetic resonance imaging pseudo-color map of channel catfish

3 結論

經過不同液氮速凍溫度后,鮰魚樣品的解凍損失率、加壓失水率、蒸煮損失率、色澤、韌性等指標,其速凍處理的和新鮮鮰魚樣品比較差異性顯著,但是不同速凍溫度處理間差異不顯著;其pH新鮮鮰魚樣品、不同速凍處理差異性顯著;SDS-PAGE電泳結果表明,隨著液氮速凍溫度降低滲出液中蛋白質的種類和含量逐漸增多;微觀組織結構方面,經過不同液氮速凍溫度后,冰晶面積、細胞面積、細胞間隙也都呈現增大趨勢,其中-100 ℃液氮處理后顯著增大;低場核磁共振表明不同液氮速凍溫度處理之后,新鮮、-60、-80 ℃速凍處理鮰魚樣品的水分分布無顯著變化,但-100 ℃液氮處理的鮰魚樣品自由水顯著升高。本研究結果表明,一定溫度的液氮速凍對鮰魚品質無影響,但溫度降低到-100 ℃時會使得鮰魚品質降低;從冷凍速率和品質考慮,-80 ℃液氮處理更有利于鮰魚的速凍處理,這為液氮速凍在鮰魚流通、運輸、貯藏方面的進一步研究提供了一定的參考意義。