鰱魚鱗凍預制菜的熬煮工藝優化及其凝膠特性

任夢婷，孫若文，尹濤，尤娟，熊善柏

華中農業大學食品科學技術學院/國家大宗淡水魚加工技術研發分中心（武漢）/環境食品學教育部重點實驗室，武漢430070

鰱是我國“四大淡水魚”之一，為濾食性魚類，具有生長速度快、抗病能力強、可改善水質的優點，常與其他魚類混合養殖。2021年我國鰱產量約384萬t［1］。水產品加工副產物包括魚皮、魚鱗、魚骨等，其中魚鱗占副產物總質量的2%～5%［2］。在生產中，部分魚鱗可用來提取膠原蛋白，但是加工過程中需要用酸或堿進行脫鈣，給環境治理增加壓力［3-4］。因此，亟需拓展鰱魚鱗加工的新途徑，以提升其附加值。

“預制菜”是指是一類通過現代化、標準化方式集中生產，再經冷凍或真空包裝儲存，以“半成品”狀態銷售的菜。淡水魚預制菜因食用方便，受到眾多消費者的青睞，市場份額逐步增加，具有廣闊的市場前景。預制菜行業的蓬勃發展，為魚鱗凍的流通提供了條件。

鰱主要用于魚糜加工，其副產物中的魚鱗易集中回收、清潔度高，適合用于魚凍預制菜加工。從魚鱗中提取的膠原蛋白經加工制成魚鱗凍，安全營養，含有大量水溶性膠原蛋白，有補鈣、美容、強身、健腦的功效，與其他膠原蛋白相比，魚鱗凍更易被人體消化吸收，且制作工藝簡單，無需大型設備即可完成。顧楊娟等［5］研究了草魚魚鱗凍的工藝優化，得出最佳提膠溫度為100 ℃，時間為2 h，在酸處理條件下料水比為1∶5，未前處理和酶處理條件下料水比為1∶4。李燕等［6］采用感官評價及折曲試驗的方法來設計實驗，得出熬煮時間為90～120 min，水鱗比為2∶1～3∶1時產品呈最佳狀態。

然而，目前未見鰱魚鱗凍預制菜加工工藝和特性研究的相關報道。因此，本研究采用響應面試驗設計方法，以得率和凝膠強度為目標參數，對鰱魚鱗凍熬煮工藝進行優化，進一步對制備的鰱魚鱗凍的凝膠特性進行表征，以期為鰱魚鱗的增值利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鰱魚鱗由湖北省洪湖市井力水產食品股份有限公司提供，將其用自來水漂洗后備用?？ɡz購自山東省滕州市香凝生物工程有限責任公司。

1.2 儀器與設備

數顯恒溫水浴鍋，上海力辰邦西儀器科技有限公司；YP 30002電子天平，上海衡際科學儀器有限公司；TA-XT plus型質構儀，英國Stable Micro System公司；DSC204型差示量熱掃描儀，德國耐馳公司；NMI20-025V-I低場核磁共振（low frequency nuclear magnetic resonance， LF-NMR）儀，蘇州紐曼分析儀器股份有限公司；AR-2000ex動態流變儀，英國TA公司。

1.3 魚鱗凍的制備工藝

魚鱗凍的加工工藝流程為：鰱魚鱗→解凍→清洗→加自來水、卡拉膠熬煮→過濾→冷藏→包裝。

鰱魚鱗在室溫條件下解凍后，用自來水漂洗干凈，除去表面的血跡及黏液，瀝干，備用。設置一定的水鱗比、熬煮溫度、熬煮時間及卡拉膠含量，用保鮮膜封口，防止水分蒸發。水浴加熱提膠，用濾網（篩孔孔徑0.85 mm）過濾濾液，將濾液置于4 ℃冷藏，濾液呈凝膠狀后進行包裝，冷藏。

1.4 熬煮工藝優化設計

參考顧楊娟等［5］及李燕等［6］的制備工藝參數，采用響應面試驗設計方法，選擇水鱗比、熬煮溫度、熬煮時間、卡拉膠用量4個變量3個水平，設計29組試驗，分別測定樣品的得率和凝膠強度。本試驗采用綜合加權法評價樣品性質。設定評價指標順序為凝膠強度>得率，凝膠強度和得率指標的權重系數分別為0.7、0.3。綜合評分=凝膠強度×0.7 +得率×0.3。響應面試驗設計見表1。

表1 響應面試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment design

1.5 得率的計算

稱取成品魚鱗凍質量為m1，瀝干后魚鱗質量為m2，每個樣品取3個平行測3次，取平均值。得率計算如下：

1.6 凝膠強度的測定

參考張芷蕓等［7］的方法測定，并做適當修改。采用TA-XT plus質構儀測定凝膠強度，參數設定：使用P/0.5S探頭，下壓高度為4 mm，下壓速度為1.0 mm/s。凝膠強度為破斷力與破斷距離的乘積（g·mm）。每組樣品，測定3個平行樣，取平均值。

1.7 魚鱗凍的凝膠性質測定

稱取備用的鰱魚鱗30 g，分別設置水鱗比為3∶1、4∶1、5∶1，以水和魚鱗的總質量為100%計，添加0.8%卡拉膠，在90 ℃水浴鍋中反應90 min，經濾網（篩孔孔徑0.85 mm）過濾后置于4 ℃環境中密封冷藏。所制備的魚鱗凍分別用于動態流變學、熱力學及水分分布測試。

參考沙小梅等［8］的方法測定流變學特性，取一定量的魚鱗凍樣品置于載物臺與圓形平板（直徑為4 cm）之間，用手術刀切除多余的樣品，載物臺與平板間隙為1 000 μm。將液體石蠟逐滴加到保溫蓋的縫隙中，防止水分蒸發。采用溫度掃描方式，參數設置如下：振動頻1 Hz，應變力0.5%，從5 ℃加熱到45 ℃，升溫速度為5 ℃/min。

準確稱取魚鱗凍5～10 mg于40 μL鋁質坩堝中，壓蓋密封，利用空坩堝作為參比。所使用的氣體為氮氣，反應氣流速20 mL/min，干燥氣流速 60 mL/min。由5 ℃升至45 ℃，升降溫速度：2 ℃/min。利用PeakFit v 4.12軟件對DSC曲線進行分析，得出吸熱轉變峰溫度（Tp）和熱焓值（ΔH）。

將低溫環境下保存的魚鱗凍切成5 cm×5 cm大小塊狀，待用。進行低場核磁信號采集，首先對QFID序列進行單次采樣后，用標樣尋找中心頻率（SF1）和偏移頻率（O1）。再利用CPMG脈沖序列設定采樣參數：頻率主值（SF）20 MHz，偏移頻率（O1）620 117.20 Hz，90°脈寬（P1）9.52 μs，180°脈寬（P2）18.48 μs，接收機帶寬（SW）200 kHz。在完成信息收集后，使用反演對話框重建算法SIRT進行100萬次的迭代計算，得到橫向弛豫時間（T2）。

1.8 數據處理

數值為“平均值±標準差”，每組試驗重復3次。采用 Design-Expert 和SPSS 26.0對數據進行處理， LSD檢驗（α=0.05）。采用Origin 2019繪圖。

2 結果與分析

2.1 熬煮工藝優化結果

魚鱗凍熬煮工藝的響應面試驗結果見表2，采用 Design-Expert對表2數據進行分析，得到水鱗比（A）、熬煮溫度（B）、熬煮時間（C）、卡拉膠用量（D）與綜合加權分（Y）的回歸方程為：Y=79.96?33.33A?9.11B+4.02C+9.90D+7.38AB?1.90AC?0.57AD+0.17BC?1.91BD+1.98CD+14.35A2?7.15B2+0.040C2?1.54D2。模型的方差分析結果見表3。綜合加權分二次多項回歸模型的F值為11.27，P值為 0.000 1，相關系數R2=0.918 5，表明模型擬合度好，可用于預測和驗證鰱魚鱗凍工藝優化后的參數值。由表3可見，水鱗比及卡拉膠用量對鰱魚鱗凍的綜合加權分影響極顯著（P<0.01），熬煮溫度的影響顯著（P<0.05），熬煮時間及其他交互項的影響不顯著（P>0.05）。

表2 響應面實驗設計與結果Table 2 Experimental design and results

表3 響應面回歸方程的方差分析Table 3 Analysis of variance for response surface regression equations

圖1為4個變量對綜合加權分影響的響應面圖。由圖1可見，隨著水鱗比的增加，鰱魚鱗凍的綜合加權分減少。熬煮溫度、熬煮時間和卡拉膠含量對綜合加權分影響不明顯。由圖1可以看出，水鱗比對魚鱗凍的綜合加權分影響明顯，水鱗比值越大， 可促進魚鱗中的膠原向水中溶解，凝膠濃度越大，得到的魚鱗凍凝膠強度越大；但隨著水鱗比的增加，凝膠強度逐漸下降，說明膠原在提取過程達到平衡狀態，水的增加使膠原濃度越來越低，對應凝膠強度降低。由此判定對魚鱗凍綜合加權分影響的順序由大到小依次為：水鱗比、卡拉膠含量、熬煮溫度、熬煮時間?？梢妼︳~鱗凍樣品影響最顯著的變量為水鱗比。

圖1 各變量對魚鱗凍綜合加權分影響的響應面圖Fig. 1 Response surface diagram of the effect of various variables on the comprehensive weighted score of silver carp scale jelly

2.2 熬煮參數的優化和驗證

利用 Design-Expert 軟件對模型方程求一階偏導，得到一組優化的理論工藝參數：水鱗比為3.04∶1，熬煮溫度為80.783 ℃，熬煮時間為97.095 min，卡拉膠用量為0.987%。為便于實際操作，調整水鱗比為3∶1，熬煮溫度為80 ℃，熬煮時間為90 min，卡拉膠用量為1%，綜合加權分預測值為145.886，經過驗證試驗，得到魚鱗膠產品的得率3.62%，凝膠強度為206.59 g·mm，綜合加權分為145.699，與預測值十分接近，說明回歸模型能較好地預測鰱魚鱗凍的熬煮加工工藝條件，最優參數組合有較強的可行性。

2.3 魚鱗凍的動態流變學特性

根據響應面試驗結果，對魚鱗凍樣品影響最顯著的變量為水鱗比，進一步研究不同水鱗比對魚鱗凍凝膠特性的影響。當水鱗比分別為3∶1、4∶1、5∶1時，溫度掃描過程中的彈性模量（G′）如圖2所示。隨著溫度升高，G′值逐漸降低。結果表明，魚鱗凍的融膠過程如下：在5～20 ℃，凝膠開始融化，G′值呈下降趨勢，在20～28 ℃，3種樣品的G′值均迅速下降；在30～45 ℃，G′值的下降程度明顯減弱，趨于穩定，樣品由凝膠狀變為黏稠溶液狀。因此，可以初步確定魚鱗膠樣品的膠融溫度在24～27 ℃。

圖2 不同水鱗比對彈性模量的影響Fig.2 Effects of different water to scale ratios on elastic modulus

2.4 魚鱗凍的水分分布

不同水鱗比的魚鱗凍的低場核磁共振圖分析結果見表4?？梢姴煌局髼l件下的魚鱗凍均存在著2種不同狀態的水分群，其中的自由水為魚鱗凍的主要水分群。峰面積占比PT23和PT21、PT22有顯著性差異（P<0.05），隨著水鱗比的增加而顯著增大。不同水鱗比的峰面積之間沒有顯著性差異，隨著水鱗比的增大，自由水占比相應增大。以上結果表明，隨著水鱗比的增加，結合水向自由水轉變，自由水占比超過89%，流動性逐漸增加。

表4 不同水鱗比的魚鱗凍的弛豫時間和相應的峰面積Table 4 The relaxation time and corresponding peak areas of fish scale gels with different waterto scale ratios

2.5 魚鱗凍的熱力學性質

從魚鱗凍膠的DSC熱譜圖（圖3）可以看出，不同水鱗比的魚鱗凍的熱流變化趨勢大致相同。如圖3所示，水鱗比為3∶1、4∶1、5∶1的魚鱗凍峰值溫度分別為24.52、25.27和27.03 ℃，與流變特性測定的最大融化溫度范圍一致；熱焓值分別為0.10、0.07和0.03 J/g。在升溫過程中，魚鱗凍凝膠開始融化，魚鱗明膠的熱流逐漸升高，對應在熱譜圖中凝膠過程形成一個凸起的峰，峰值所對應的溫度為明膠的膠融溫度（TP），代表魚鱗明膠由三股螺旋結構向無規則卷曲轉化。隨著水鱗比的增加，熱焓值顯著降低，說明魚鱗凍的熱穩定性降低。

圖3 不同水鱗比的魚鱗凍DSC圖Fig.3 DSC chart of fish scale gels with different water to scale ratios

3 討論

水鱗比對魚鱗凍的得率和凝膠強度的影響最大，熬煮時加水量越多，可促進膠原向水中溶解，得到的魚鱗凍越多。隨著熬煮時間的延長，產生了更多能量來破壞鍵能，釋放出更多游離的α-鏈和β-鏈，因此，熬煮時間越長，魚鱗凍的得率越高［9］。有學者設置不同溫度和時間來提取石斑魚的魚皮明膠， 結果表明溫度越高、時間越長，則回收率越高［10］。陳瑩艷等［4］通過正交試驗研究發現對得率的影響大小的因素依次為時間、pH值、溫度，與本試驗結果基本相符。

在加熱條件下，魚鱗明膠中保持三螺旋的次級鍵及部分肽鍵發生斷裂，膠原分子解鏈，不溶性膠原轉化為可溶性膠［11］。有研究發現，高溫雖然可以提高膠原蛋白轉化成明膠的速度，但卻會使明膠進一步水解，使得魚鱗凍的凝膠強度呈現先上升后下降的趨勢［12］。熬煮時間越長，釋放出來的多肽鏈發生肽斷裂的機會也越大，由三螺旋結構向無規則卷曲結構轉變［13］，使得產品明膠的黏度和凝膠強度降低。鄭紅［14］研究證明添加卡拉膠的魚糜的凝膠強度高于未添加卡拉膠的魚糜，與本研究的結果一致。顧楊娟等［15］研究草魚魚鱗凍制備工藝發現影響凍力的因素高低依次為料水比、提膠溫度、提膠時間，與本試驗研究結果相符。

彈性模量（G′）反映黏彈性物質的類固體特性，即彈性。溫度在20～28 ℃時，魚鱗凍的彈性模量（G′）迅速下降，其原因可能是溫度升高破壞了以氫鍵為主的低溫凝膠化網絡結構，導致凝膠結構破壞，由三股螺旋結構解鏈成單鏈［16］。彈性模量值與魚鱗凍的膠原蛋白濃度、肽鏈結構有關，隨著水鱗比減小，用水量越少，魚鱗凍中膠原蛋白濃度相對越高，熱穩定性越好，與凝膠強度的變化結果相符。

水分狀態及其分布可直觀地反映魚鱗凍持水能力的變化［17］。橫向弛豫時間T2反映了魚鱗凍的水分與物質結合的緊密度，T2越短，說明結合得越緊密，水流動性越差［18］；T2越長，表明水分越自由［19］。參照現有劃分方法，將橫向弛豫時間T21（峰頂時間<10 ms）的水分定義為強結合水，流動性較差；將橫向弛豫時間為T22（10 ms<峰頂時間<100 ms）的水分定義為弱結合水，受一定束縛；將橫向弛豫時間為T23（峰頂時間>100 ms）的水分定義為自由水，具有較強流動性［20］。隨著水鱗比增加，T23信號峰位置向右偏移，弛豫時間顯著增加，說明魚鱗凍水分自由度變大，可能是因為含水量增加導致明膠濃度降低，形成網絡致密性下降，對水的束縛降低，水由強結合水轉為自由水，水分的流動性增加。

DSC熱譜圖中，隨著水鱗比增加，熱焓值下降，表明魚鱗凍的熱穩定性降低。是由于水分增加降低了明膠濃度，破壞魚鱗凍的有序網絡結構，抑制凝膠網絡的形成，使凝膠處于不穩定狀態，此結果與凝膠強度的變化一致。若結合水（受束縛水）包裹著聚合物和結合水，形成類似“籠形”的“聚集體”，在空間允許時，自由的水分子會形成更多的氫鍵［21］。根據水分分布試驗，隨水鱗比的增加，禁錮在空間網狀結構中的自由水增多可能導致吸熱峰的峰值向高溫區偏移。

綜合來看，水鱗比對水分分布、流變特性、膠融溫度等都有顯著影響，鰱魚鱗可用于新型凝膠類預制菜加工。筆者僅研究了魚鱗凍的加工工藝及凝膠特性，但其品質的變化尚不清楚，后續將針對魚鱗凍在生產及冷藏中的品質變化作進一步研究。