通電加熱下頻率、溫度對(duì)草魚魚塊和魚皮電導(dǎo)率的影響

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(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué)),食品熱加工工程中心,上海 201306)

通電加熱下頻率、溫度對(duì)草魚魚塊和魚皮電導(dǎo)率的影響

張烈,程裕東*,金銀哲*

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué)),食品熱加工工程中心,上海 201306)

為探索通電加熱作為淡水魚類加工方式的可行性,以草魚為研究對(duì)象,采用LCR測(cè)量?jī)x,測(cè)定了經(jīng)50 Hz,20 V交流電加熱后,草魚魚塊(并聯(lián)、串聯(lián))、碎魚肉、帶皮魚塊樣品在10～80 ℃溫度范圍、50～20 kHz頻率范圍內(nèi)的阻抗值,并計(jì)算樣品電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,三種樣品(并聯(lián)及串聯(lián)魚塊、碎魚肉)的電導(dǎo)率均呈現(xiàn)出隨頻率增大而增大、隨溫度升高而升高的趨勢(shì),其中,受魚塊內(nèi)部膜方向的影響,并聯(lián)、串聯(lián)樣品電導(dǎo)率有顯著差異(p<0.05);碎魚肉樣品消除了魚肉內(nèi)部膜的影響,其電導(dǎo)率值介于并聯(lián)、串聯(lián)樣品之間。帶皮魚塊樣品由于魚皮的存在,比起其他樣品有不同的電導(dǎo)率值,魚皮平行于電流放置時(shí)電導(dǎo)率值高于魚皮垂直電流放置的值。

通電加熱,草魚,電導(dǎo)率,魚皮,頻率,溫度

食品的加熱按其導(dǎo)熱方式可以分為兩類:表面熱傳導(dǎo)加熱,通過介質(zhì),如熱空氣、水、遠(yuǎn)紅外輻射等傳遞熱能;利用電能,包括通電、微波加熱等,直接產(chǎn)熱[1]。

材料由于具有導(dǎo)熱性,在通電時(shí)發(fā)熱的現(xiàn)象廣義上稱為通電加熱。通電加熱(ohmic heating,OH)又稱歐姆加熱或電阻加熱(resistance heating)。其導(dǎo)電方式是離子的定向移動(dòng),如食品中的電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì)等[2]。相較于傳統(tǒng)熱加工,通電加熱有加熱迅速且均一、能量轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。電導(dǎo)率是通電加熱研究中的重要參數(shù),體現(xiàn)了食品調(diào)節(jié)內(nèi)部電流的能力和在電場(chǎng)中的表現(xiàn)。

關(guān)于不同類別食品材料的通電加熱,已有很多報(bào)道。有液態(tài)類食品,Darvishi等人[4]用場(chǎng)強(qiáng)30～55 V/m的電壓加熱石榴汁,發(fā)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)加熱速率、電導(dǎo)率、系統(tǒng)總耗均有影響,并得出一組線性模型,以描述石榴汁加熱過程中的電導(dǎo)率變化,相關(guān)性良好;有固液混合態(tài)食品,楊銘澤等人[5]將10 mm的豬肉方丁置于食鹽溶液中,分別經(jīng)通電和電爐加熱煮制后測(cè)定品質(zhì),發(fā)現(xiàn)相同時(shí)間下,通電加熱煮制的豬肉口感更好;Engchuan等人[6]將豬肉丸置于蒸餾水中,進(jìn)行傳統(tǒng)加熱及兩種不同速率的通電加熱(4.9 ℃/min和24.5 ℃/min),發(fā)現(xiàn)以4.9 ℃/min速率加熱后肉丸質(zhì)感更好;Tad等人[7]對(duì)比了幾種熱帶魚魚糜經(jīng)通電和水浴加熱后的凝膠、破斷強(qiáng)度等,發(fā)現(xiàn)通電加熱后樣品有更高的凝膠強(qiáng)度、破斷力,較好的持水率、色澤,加熱時(shí)間更短。這些研究闡述了不同食品的通電加熱特性,為其應(yīng)用提供了基礎(chǔ);但目前的報(bào)道中,沒有關(guān)于淡水魚魚塊及魚皮電導(dǎo)率的研究。

在通電加熱時(shí),電壓、頻率、溫度[8-10]等外部因素,水分、脂肪、肌肉筋膜、樣品尺寸[11-13]等內(nèi)部因素均會(huì)影響食品的電導(dǎo)率。本研究以我國(guó)四大家魚之一草魚為對(duì)象,選用50 Hz,20 V交流電加熱草魚魚塊(并聯(lián)、串聯(lián))、碎魚肉、帶皮魚塊樣品,溫度范圍10～80 ℃,利用LCR儀測(cè)定50～20 kHz頻率段內(nèi)樣品的阻抗值(50 Hz為我國(guó)家用交流電頻率,20 kHz為工業(yè)上通電加熱常用頻率),計(jì)算樣品電導(dǎo)率,分析其對(duì)溫度、頻率的依存性,對(duì)比不同樣品的差異,深入了解草魚的通電加熱特性,探討通電加熱作為草魚加工方式的可行性。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1 魚塊樣品 鮮活草魚 上海市浦東新區(qū)古棕路農(nóng)工商超市,在實(shí)驗(yàn)室宰殺,去頭尾、內(nèi)臟,洗凈,置于-20 ℃冰箱(TOSHIBA電器有限公司)中冷藏。測(cè)量前將魚肉取出,切成方塊,尺寸為2 cm×2 cm×2 cm(長(zhǎng)×寬×厚),作為魚塊樣品備用,操作過程中未進(jìn)行切割的樣品及已切好的魚塊置于冰中;待樣品準(zhǔn)備完畢,將其放入濕度78%,溫度10 ℃環(huán)境中進(jìn)行恒溫(恒溫恒濕培養(yǎng)箱,SH-241),樣品中心溫度到達(dá)10 ℃后,開始測(cè)量。由于樣品內(nèi)部肌肉筋膜對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響[14],將魚塊分為并聯(lián)、串聯(lián)兩種模式進(jìn)行研究,其中,并聯(lián)指樣品內(nèi)的膜平行于電流方向;串聯(lián)則是指樣品內(nèi)部的膜垂直于電流方向,如圖1所示。

1.1.2 碎魚肉樣品 魚肉樣品中的肌肉筋膜可能影響其電導(dǎo)率,為了解去除肌肉筋膜的影響后樣品的通電加熱表現(xiàn),將-20 ℃下冷藏的草魚樣品取出,去皮、進(jìn)行切碎處理,制成碎魚肉樣品進(jìn)行測(cè)定。切好后的碎魚肉放在與魚塊樣品相同的初始條件下,待中心溫度達(dá)到10 ℃時(shí),進(jìn)行測(cè)量。

1.1.3 帶皮魚塊樣品 在實(shí)際加工消費(fèi)中,不僅有純魚肉食品,也有帶皮魚肉產(chǎn)品,對(duì)其電導(dǎo)率的研究可以完善草魚的通電加熱特性。為測(cè)定草魚魚皮對(duì)魚塊電導(dǎo)率的影響,取冷藏草魚的腹部肉,切成2 cm×2 cm×1 cm(長(zhǎng)×寬×厚)的帶皮方塊,進(jìn)行拼接,拼接時(shí)參照并聯(lián)、串聯(lián)魚塊樣品,將魚皮放置為平行于電流(A)、垂直于電流(B)兩種方式,參考圖1。初始溫度及加熱方式與魚塊樣品相同。

圖1 并聯(lián)、串聯(lián)魚塊及帶皮魚塊示意圖Fig.1 Scheme of parallel(a),series(b)fillet samples, fillet sample with skin A and B

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 通電加熱裝置 通電加熱自制裝置示意圖如圖2下。長(zhǎng)方體加熱腔體由聚乙烯材料與絕緣膠帶制成,長(zhǎng)2 cm,寬2 cm,高3 cm,樣品放入其中,上下蓋上厚度為0.5 cm的聚乙烯蓋子。鈦電極作為導(dǎo)電極板,與樣品接觸。通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱電壓(德力西單相調(diào)壓器TDGC2-2 kva),調(diào)壓器輸出端通過鱷魚夾(好奇實(shí)驗(yàn)用品旗艦店)與極板鏈接。將K型熱電偶(THERMIC MODEL 2100A,ETO DENKI公司)穿過蓋子上的小孔,插入樣品,在距樣品上表面1 cm,幾何中心處監(jiān)控溫度,每次加熱完畢后,取下鱷魚夾,將極板兩端連接LCR測(cè)量?jī)x(日置公司,3532-50),測(cè)定樣品阻抗值。

圖2 通電加熱裝置示意圖Fig.2 Scheme of ohmic heating apparatus

1.2.2 通電加熱方法 測(cè)量前,將魚塊樣品放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進(jìn)行恒溫,當(dāng)中心溫度到達(dá)10 ℃時(shí),將樣品取出,迅速放入加熱腔體內(nèi),蓋上蓋子,調(diào)節(jié)加熱電壓至20 V,將熱電偶置于樣品中心以監(jiān)控溫度。以10 ℃為間隔,分別將樣品加熱至20、30、40、50、60、70、80 ℃,待樣品加熱至指定溫度后,通過LCR測(cè)量?jī)x測(cè)定在50～20 kHz頻率范圍內(nèi)樣品的阻抗值。每個(gè)溫度進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)。

1.3電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是通電加熱研究中的重要指標(biāo)(闡述電導(dǎo)率的表征意義,計(jì)算方法,重要性。其表征了一種材料調(diào)節(jié)電流移動(dòng)的能力,是電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的比值,單位西門子每米(S/m),計(jì)算公式[15]如下:

式(1)

其中,L：極板之間的距離,m;A：樣品與電極之間的接觸面積,m2;R：樣品的電阻,Ω,與樣品的阻抗值Z數(shù)值相同,通過LCR測(cè)試儀測(cè)定所得。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。

1.4數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 8.0及Microsoft Excel 2010進(jìn)行處理、分析,采用t-test檢驗(yàn)顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1草魚魚塊的電導(dǎo)率

根據(jù)式(1)可知,食品樣品的電導(dǎo)率是與樣品阻抗值、加熱極板與樣品接觸面積相關(guān)的變量,本實(shí)驗(yàn)中,極板間距、樣品與極板接觸面積為定值,樣品阻抗值隨著實(shí)驗(yàn)條件變化,導(dǎo)致電導(dǎo)率的改變。

如圖3所示,草魚魚塊樣品的電導(dǎo)率與頻率、溫度有一定的相關(guān)性。并聯(lián)、串聯(lián)樣品的電導(dǎo)率,在50～20 kHz頻率范圍內(nèi),均呈現(xiàn)了隨頻率增大而增大的趨勢(shì)。在較低溫度范圍內(nèi)(10～40 ℃),電導(dǎo)率在頻率低于5000 Hz時(shí)增速較快,在5000 Hz之后增速有所減慢;在高溫范圍內(nèi)(50～80 ℃),樣品電導(dǎo)率隨頻率不斷增長(zhǎng),同樣在5000 Hz增速發(fā)生下降;而當(dāng)頻率達(dá)到10 kHz后,樣品電導(dǎo)率值有一定的下降。這是因?yàn)樵诘皖l率范圍內(nèi),有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組織存在α分布機(jī)理,當(dāng)施加電壓時(shí),細(xì)胞膜通透性的改變會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜上離子移動(dòng)的通道增加,細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性增強(qiáng);然而,在高于5 kHz的頻率范圍內(nèi),存在β分布機(jī)理,細(xì)胞膜逐漸失去通透性,表面形成的雙層離子結(jié)構(gòu)不能夠在這樣的高頻率下提供電容性電抗,造成細(xì)胞導(dǎo)電性比起低頻下的值有所降低[15]。

圖3 50～20 kHz頻率范圍內(nèi)經(jīng)20 V交流電加熱后并聯(lián)(a)、串聯(lián)(b)魚塊樣品電導(dǎo)率Fig.3 Electrical conductivity of parallel(a)and series(b)fillet samples under 50～20 kHz after 20 V ohmic heating

圖4 10～80 ℃范圍內(nèi),并聯(lián)、串聯(lián)樣品在50、20 kHz下的電導(dǎo)率對(duì)比Fig.4 Electrical conductivity of parallel and series fillet samples at 50 Hz and 20 kHz among 10～80 ℃

如圖4所示,對(duì)比50、20 kHz下兩種樣品的電導(dǎo)率數(shù)值,發(fā)現(xiàn)在同一頻率下,樣品電導(dǎo)率隨著溫度升高而升高,并且在所有溫度范圍內(nèi),20 kHz頻率下的樣品都具有更高的電導(dǎo)率值。經(jīng)通電加熱后樣品電導(dǎo)率的增加,主要是因?yàn)闃悠分须x子移動(dòng)性增強(qiáng),這也成為連續(xù)通電加熱的一個(gè)研究重點(diǎn)[16]。溫度升高、頻率增大都會(huì)使樣品內(nèi)部的離子移動(dòng)更加劇烈,使得樣品具有更強(qiáng)的導(dǎo)電性,呈現(xiàn)隨溫度、頻率升高而增大的規(guī)律,這種變化趨勢(shì)在其他研究中也有所體現(xiàn)[17]。

考察并聯(lián)、串聯(lián)樣品在10～80 ℃下的電導(dǎo)率對(duì)溫度的依存性,發(fā)現(xiàn)其增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同,均隨著溫度升高而增大。同一溫度下并聯(lián)樣品的電導(dǎo)率值較高,20 Hz下的電導(dǎo)率值比50 Hz下的高約0.3～0.7 S/m,總體電導(dǎo)率數(shù)值在0.1～1.2 S/m范圍內(nèi),與豬肉的電導(dǎo)率有近似范圍[18]。由于并聯(lián)樣品內(nèi)膜平行于電流方向,膜的存在對(duì)于樣品內(nèi)部離子移動(dòng)的阻礙相對(duì)較小,致使樣品有較高電導(dǎo)率;串聯(lián)樣品內(nèi)膜垂直于電流方向,對(duì)離子運(yùn)動(dòng)阻礙較大,電流相對(duì)不易通過樣品,從而電導(dǎo)率小于并聯(lián)樣品。兩種樣品電導(dǎo)率的差別也可以從圖5所示的加熱時(shí)間上體現(xiàn),并聯(lián)樣品在加熱時(shí),電流更容易通過,故加熱時(shí)間更短。

圖5 并聯(lián)、串聯(lián)樣品加熱時(shí)間對(duì)比Fig.5 Heating time of parallel and series fillet samples

2.2碎魚肉電導(dǎo)率

為消除魚肉內(nèi)部膜對(duì)樣品電導(dǎo)率的影響,制備碎魚肉樣品,并測(cè)定計(jì)算其電導(dǎo)率。如圖6所示,在50～20 kHz頻率范圍內(nèi),碎魚肉的電導(dǎo)率呈現(xiàn)了與2.1中魚塊樣品相同的變化趨勢(shì)?？疾?0、20 kHz下樣品電導(dǎo)率隨溫度變化的情況,發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率也顯示出了溫度升高,電導(dǎo)率隨之增大的趨勢(shì),在全溫度范圍內(nèi),20 kHz下碎魚肉樣品的電導(dǎo)率高于50 Hz下的值,說明了頻率的影響。對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,如圖7所示,50 Hz下R2=0.9641,20 kHz下R2=0.9906,擬合度較高。

圖6 50～20 kHz頻率范圍內(nèi)經(jīng)20 V交流電加熱后碎魚肉樣品電導(dǎo)率Fig.6 Electrical conductivity of minced fish samples under 50～20 kHz after 20 V heating

圖7 經(jīng)20 V交流電加熱后碎魚肉樣品在50 Hz,20 kHz下的電導(dǎo)率Fig.7 Electrical conductivity of minced fish samples at 50 Hz and 20 kHz after 20 V heating

將碎魚肉在兩個(gè)頻率下的電導(dǎo)率值與并聯(lián)、串聯(lián)樣品的值對(duì)比,發(fā)現(xiàn)碎魚肉的測(cè)量值介于并聯(lián)、串聯(lián)的值之間,說明膜的存在不影響樣品電導(dǎo)率的變化趨勢(shì),但是對(duì)數(shù)值有一定影響。當(dāng)肉的纖維與電場(chǎng)平行時(shí),離子在纖維方向運(yùn)動(dòng),阻力較小,所以電導(dǎo)率較大;而當(dāng)肉纖維方向垂直電場(chǎng)方向時(shí),離子要穿過肌纖維膜和結(jié)締組織膜,這使得離子在肉內(nèi)的運(yùn)動(dòng)阻力增大,所以,電導(dǎo)率最低;對(duì)于肉泥樣品,纖維結(jié)構(gòu)被破壞,離子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)比纖維垂直電場(chǎng)時(shí),所受的阻力減小,但又沒有纖維平行電場(chǎng)時(shí)暢通,所以電導(dǎo)率介于二者之間[19]。在本研究中,魚塊樣品中膜的方向極大影響了離子運(yùn)動(dòng)的阻力,從而造成了并聯(lián)、串聯(lián)樣品數(shù)值上的差異;對(duì)于碎魚肉樣品,由于膜被破壞,離子運(yùn)動(dòng)所受阻力介于并聯(lián)、串聯(lián)樣品之間,從而其電導(dǎo)率也介于兩者之間。

2.3帶皮魚塊樣品電導(dǎo)率

為考察魚皮對(duì)草魚電導(dǎo)率的影響,選擇腹部帶皮魚肉進(jìn)行拼接,測(cè)定其電導(dǎo)率,方法與其他樣品相同。在進(jìn)行拼接時(shí),A組樣品模擬并聯(lián)樣品,將魚皮平行于電流方向放置,B組樣品模擬串聯(lián)樣品,將魚皮垂直于電流方向放置。從圖8可以看出,在10 ℃下,拼接魚塊樣品的電導(dǎo)率均隨著頻率增長(zhǎng)而保持增長(zhǎng),其中,并聯(lián)樣品具有最大的電導(dǎo)率,串聯(lián)樣品與A組樣品電導(dǎo)率接近,B組樣品電導(dǎo)率最小,說明魚皮的存在影響了拼接魚塊的電導(dǎo)率值,與肌肉內(nèi)膜近似,魚皮與電流的相對(duì)方向?qū)Y(jié)果有很大的影響。對(duì)比四組樣品80 ℃下的測(cè)量值,發(fā)現(xiàn)樣品電導(dǎo)率先隨頻率的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),在10 kHz左右隨著頻率的增大而降低。其中,并聯(lián)、串聯(lián)樣品在高溫下電導(dǎo)率值接近,但并聯(lián)樣品仍有最高值,拼接樣品低于兩者,A組樣品的電導(dǎo)率仍大于B組樣品。目前還沒有考察魚皮對(duì)魚肉電導(dǎo)率影響的相關(guān)報(bào)道。

圖8 10、80 ℃下帶皮魚塊A、B與并聯(lián)、串聯(lián)樣品電導(dǎo)率Fig.8 Electrical conductivity of samples with skin(A,B) and parallel and series samples at 10 ℃ and 80 ℃

3 結(jié)論

電導(dǎo)率是食品通電加熱研究中的重要指標(biāo),體現(xiàn)了食品樣品調(diào)節(jié)電流移動(dòng)的能力。經(jīng)通電加熱后的草魚魚塊,不論樣品內(nèi)部膜與電流相對(duì)方向?yàn)榇怪被蚱叫?樣品的電導(dǎo)率都呈現(xiàn)了一定的溫度、頻率依存性,在同一溫度下,隨頻率的增大而增大,在同一頻率下,隨溫度的升高而升高,且高溫度范圍和低溫度范圍內(nèi)電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)不同;與金槍魚通電加熱特性相比[14],兩種魚肉樣品的電導(dǎo)率均隨溫度、頻率升高而增大,但變化規(guī)律有所不同,且由于成分的差異,草魚魚塊的電導(dǎo)率數(shù)值較低。為消除魚塊樣品內(nèi)膜對(duì)電導(dǎo)率的影響,對(duì)碎魚肉樣品的電導(dǎo)率進(jìn)行了考察,發(fā)現(xiàn)了相似的增長(zhǎng)趨勢(shì),且其電導(dǎo)率數(shù)值介于并聯(lián)、串聯(lián)樣品之間。為考察魚皮對(duì)草魚電導(dǎo)率的影響,進(jìn)行了拼接魚塊實(shí)驗(yàn),其電導(dǎo)率變化趨勢(shì)與普通魚塊樣品相同,不同拼接模式下,魚皮對(duì)其電導(dǎo)率有影響。本研究為草魚通電加熱下的電導(dǎo)率提供了一定的理論基礎(chǔ),通電加熱是一種優(yōu)良的食品熱加工手段,未來的研究可以基于裝置設(shè)計(jì)、樣品處理、條件控制等,從而達(dá)到更好的加工效果,提高草魚資源的利用率。

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Effectsoffrequencyandtemperatureontheelectricalconductivityofgrasscarp(Ctenopharyngodonidella)filletsandskinunderohmicheating

ZHANGLie,CHENGYu-dong*,JINYin-zhe*

(College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Engineering Research Center of Food Thermal-processing Technology,National Experimental Teaching Demonstration Center for Food Science and Engineering(Shanghai Ocean University),Engineering Research Center of Food Thermal-processing Technology,Shanghai 201306,China)

To verify the feasibility of ohmic heating(OH)as a food thermal processing method for freshwater fish,grass carp,which is one of the four domestic Chinese carps,was used as the object. The impedance of grass carp fillets(parallel,series),minced fish and samples with skin were measured with a LCR meter under 50 Hz～20 kHz after being heated via 50 Hz,20 V alternating current within a temperature range of 10～80 ℃,afterwards the electrical conductivity(EC)of all the samples were calculated and analyzed. The results showed that all samples displayed a tendency that EC increased with rising temperature and frequency. To fillets samples,due to the existence of membrane and its different direction against the electric current,there was significant difference between EC of parallel and series samples(p<0.05). The EC of minced fish was among the value of parallel and series samples with eliminating the influence of muscle membrane. The sample with skin showed distinct range of EC when compared with other groups of samples,which was influenced by skin,and electrical conductivity was higher when the skin was parallel to the current.

ohmic heating;grass carp;electrical conductivity;fish skin;frequency;temperature

2017-02-20

張烈(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：草魚的通電加熱，E-mail：zhanglietiger@163.com。

*通訊作者:程裕東(1961-)，男，博士，研究方向：食品熱加工，E-mail:ydcheng@shou.edu.cn。 金銀哲(1977-)，男，博士，副教授，研究方向：食品熱加工，E-mail：yzjin@shou.edu.cn。

上海高校知識(shí)服務(wù)平臺(tái)(ZF1206)。

TS254.1

:A

:1002-0306(2017)17-0065-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.013