基于三甲胺/氧化三甲胺物質(zhì)的量比值動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)帶魚粉的貨架期

唐 森，吳國(guó)勇,*，趙海燕，張義浩，方毅林

（1.廣西科技師范學(xué)院食品與生化工程學(xué)院，廣西 來(lái)賓 546119；2.廣西科技師范學(xué)院 功能性食品配料工程技術(shù)研究中心，廣西 來(lái)賓 546119）

帶魚（Trichiurus lepturus），硬骨魚綱、鱸形目、帶魚科，與大黃魚、小黃魚及烏賊并稱為中國(guó)的四大海產(chǎn)[1-3]。帶魚性溫、味甘，具有暖胃、補(bǔ)氣、養(yǎng)血、健美以及強(qiáng)心補(bǔ)腎、舒筋活血、消炎化痰、清腦止瀉、消除疲勞、提精養(yǎng)神之功效[4-6]。食用魚粉的制備方法很多，如酶法水解、濕壓法、干壓法、酒精萃取脫脂等，其中以酶解制備法為佳[7-10]。

食品的品質(zhì)與質(zhì)量?jī)?yōu)劣的改變一般是指食品貯藏中化學(xué)的、物理的和微生物的變化，這些變化影響食品的貨架期[11-13]。盡管食品變質(zhì)反應(yīng)較為復(fù)雜，但通過對(duì)食品劣變機(jī)制的深入研究還是能找到確定食品貨架壽命的方法[14-15]。為此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)帶魚魚粉貯藏過程中的品質(zhì)變化和貨架壽命對(duì)于確保該產(chǎn)品的質(zhì)量安全具有重要的實(shí)際意義。由于帶魚魚粉中含有氧化三甲胺（trimethylamine oxide，TMAO），且TMAO在貯藏期間容易受到空氣、溫度等因素的影響發(fā)生分解，生成三甲胺（trimethylamine，TMA），降低魚粉的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[16-17]。因此可以利用TMA/TMAO物質(zhì)的量比值對(duì)帶魚魚粉進(jìn)行新鮮程度優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，且目前應(yīng)用TMA/TMAO物質(zhì)的量比值評(píng)價(jià)水產(chǎn)品新鮮程度已有報(bào)道[18-19]。而上述分解過程是一種化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)規(guī)律符合化學(xué)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，Arrhenius公式是預(yù)測(cè)食品新鮮程度隨溫度變化的經(jīng)典公式[20-22]。故此，以TMA/TMAO物質(zhì)的量為評(píng)價(jià)帶魚魚粉新鮮度的技術(shù)指標(biāo)，利用動(dòng)力學(xué)模擬可以在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)帶魚魚粉的貨架期，為帶魚魚粉的安全貯藏提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

酶解法制得的帶魚粉（水分含量7.12%、蛋白質(zhì)78.04%、總灰分6.37%、粗脂肪7.78%） 廣東興億海洋生物工程股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器公司；LD4-2低速離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠；PHS-25CW微機(jī)型pH/mV計(jì) 上海般特儀器有限公司；Agilent Cary 60紫外-可見分光光度計(jì) 安捷倫科技（中國(guó)）有限公司；SPX-250B-Z生化培養(yǎng)箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；LRH-250A生化培養(yǎng)箱廣東省醫(yī)療器械廠；ZFD-A5040A全自動(dòng)新型鼓風(fēng)干燥箱 上海智城分析儀器制造有限公司；JJ200電子天平常熟市雙杰測(cè)試儀器廠；改良式微量凱氏定氮蒸餾器天長(zhǎng)市旭立玻璃儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將帶魚魚粉用聚乙烯包裝袋密封包裝，每袋分裝50 g，分別置于37、20、5 ℃條件下貯藏。分別于貯藏2、3、7 d對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.2 感官性狀評(píng)定

由7 名感官評(píng)定人員進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，分別從外觀觀察魚粉的形狀、結(jié)構(gòu)、色澤、質(zhì)地、氣味和顆粒度等特征，評(píng)價(jià)魚粉新鮮度。其中沖調(diào)性的評(píng)定方法如下：取5.00 g樣品放入盛有100 mL 40 ℃水的燒杯中，用攪拌棒攪拌均勻后，觀察樣品溶解情況[23]。

1.3.3 TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的測(cè)定

應(yīng)用苦味酸比色法對(duì)食用魚粉中的TMA和TMAO進(jìn)行同時(shí)測(cè)定，此方法主要依靠TiCl3將樣品中的TMAO全部還原成TMA，此時(shí)，被還原的樣品中包含固有的TMA和TMAO還原得到的TMA，樣品中的TMAO含量由TMA總量與樣品中原有的TMA的量的差值換算得出。因此，此方法在測(cè)定樣品中TMAO含量的同時(shí)也將TMA含量同時(shí)測(cè)出。具體方法參照李豐[24]的方法。

1.3.4 TMA/TMAO物質(zhì)的量比值貨架期動(dòng)力學(xué)的建立

通常認(rèn)為，食品的新鮮程度或品質(zhì)、質(zhì)量可以用某一指標(biāo)的損失或增加進(jìn)行判定，當(dāng)該指標(biāo)的變化由微生物的繁殖或化學(xué)反應(yīng)所引起時(shí)，該指標(biāo)表示的動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)大多遵循零級(jí)或一級(jí)模式[25-27]。水產(chǎn)品及其制品在貯藏中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)通常遵循一級(jí)模式[28-31]，如公式（1）所示。

式中：A為貯藏t d后某理化指標(biāo)的值；A0為某理化指標(biāo)的初始值；t為貯藏時(shí)間/d；k為一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)。

將公式（1）等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)，可得公式（2）。

式中：食品新鮮程度指標(biāo)的變化速率k和貯藏溫度T之間的關(guān)系滿足Arrhenius方程，即：

式中：ka為溫度T時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)；ka0為指前因子（單位與k相同）；Ea為反應(yīng)的活化能/（kJ/mol）；T為貯藏溫度/K；R為氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））。

對(duì)等式（3）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得：

由等式（4）可知，lnka與呈線性關(guān)系，根據(jù)ln ka對(duì)所做的Arrhenius曲線圖，可求出ka0與Ea。將公式（3）代入公式（2）中，可以得出貨架期的預(yù)測(cè)模型：

式中：SL為食品的貨架期。

2 結(jié)果與分析

2.1 帶魚粉貯藏期間的感官性狀變化

圖1 不同貯藏溫度條件下帶魚粉感官評(píng)分的變化Fig. 1 Changes in sensory quality of hairtail fishmeal at different storage temperatures

由圖1可知，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，帶魚粉感官評(píng)分逐漸下降，且貯藏溫度越高，感官評(píng)分下降越明顯。5 ℃貯藏時(shí)，樣品在第42天左右達(dá)到感官拒絕；20 ℃貯藏時(shí)，樣品在第24天達(dá)到感官拒絕；而樣品在37 ℃貯藏時(shí)，在第12天左右，樣品出現(xiàn)結(jié)塊、有較大魚腥味、沖調(diào)性明顯下降等現(xiàn)象。

2.2 帶魚粉貯藏期間的TMA含量變化

圖2 不同貯藏溫度條件下帶魚粉的TMA含量變化Fig. 2 Changes in TMA content in hairtail fishmeal at different storage temperature

由圖2可知，在3 種不同貯藏溫度條件下，帶魚粉中的TMA含量隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)總體均呈持續(xù)積累狀態(tài)。在20 ℃和37 ℃條件下，TMAO容易被腐敗微生物分解，產(chǎn)生TMA，使得TMA含量在樣品中積累；5 ℃貯藏條件下，樣品中的TMA含量沒有在貨架期后急劇增加，這可能是由于不同批次樣品所攜帶的腐敗菌有差別和貯藏條件不同；在5、20、37 ℃貯藏溫度條件下，樣品達(dá)到感官拒絕時(shí)的TMA含量分別達(dá)0.309 7、0.403 4、0.237 5 mg/g。

2.3 帶魚粉貯藏期間的TMAO含量變化

圖3 不同貯藏溫度條件下帶魚粉的TMAO含量變化Fig. 3 Changes in TMAO content in hairtail fishmeal at different storage temperatures

由圖3可知，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，帶魚粉中的TMAO含量總體呈下降趨勢(shì)，這一變化趨勢(shì)與大菱鲆[32]、鱸魚[33]冷藏過程中TMAO含量的變化趨勢(shì)類似，這可能是由于樣品中存在著一條TMAO合成路徑。在5、20、37 ℃貯藏溫度條件下，樣品達(dá)到感官拒絕時(shí)的TMAO含量分別下降至0.967 9、0.760 8、0.734 8 mg/g。同樣地，可以利用TMAO穩(wěn)定變化的趨勢(shì)，對(duì)帶魚粉進(jìn)行腐敗程度的評(píng)價(jià)。

2.4 帶魚粉貯藏期間的TMA/TMAO物質(zhì)的量比值變化

圖4 不同貯藏溫度條件下帶魚粉TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的變化Fig. 4 Changes in TMA/TMAO molar ratio in hairtail fishmeal at different storage temperatures

由圖4可知，在3 個(gè)貯藏溫度下，帶魚粉貯藏初期TMA/TMAO物質(zhì)的量比值均呈緩慢上升趨勢(shì)，且分別在0.406 4、0.403 4、0.410 4處出現(xiàn)拐點(diǎn)，由感官評(píng)定可知此時(shí)到達(dá)貨架期。由此可知，樣品中TMA/TMAO物質(zhì)的量比值分別在達(dá)到感官拒絕時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，且TMA/TMAO物質(zhì)的量比值在貨架期所測(cè)得的數(shù)值均大于0.406 4。由此可以看出，不同溫度貯藏時(shí)，當(dāng)帶魚粉中TMA/TMAO物質(zhì)的量比值小于0.406 4時(shí)為安全食用范圍，并且在此范圍內(nèi)，數(shù)值越小，帶魚粉的新鮮程度越高。整個(gè)貯藏過程中，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的變化呈逐漸增大趨勢(shì)，且貯藏溫度越高，變化速率越大。

對(duì)貯藏過程中帶魚魚粉TMA/TMAO物質(zhì)的量比值變化用指數(shù)方程進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程如表1所示。

表 1 不同貯藏溫度條件下帶魚粉TMA/TMAO物質(zhì)的量比值隨時(shí)間變化的回歸方程Table 1 Regression equations describing TMA/TMAO molar ratio in hairtail fishmeal as a function of storage time at different temperatures

2.5 貯藏過程中TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)食品中TMAO分解轉(zhuǎn)化為TMA遵循一級(jí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的理論，對(duì)帶魚粉貯藏過程中TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的變化規(guī)律進(jìn)行描述，帶魚粉TMA/TMAO物質(zhì)的量比值動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)如表2所示。

表 2 不同貯藏溫度條件下帶魚粉TMA/TMAO物質(zhì)的量比值變化動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 2 Kinetic mode parameters for TMA/TMAO molar ratio changes in hairtail fishmeal at different storage temperatures

圖5 帶魚粉TMA/TMAO物質(zhì)的量比值變化的Arrhenius曲線Fig. 5 Arrhenius curve of TMA/TMAO molar ratio in hairtail fishmeal

帶魚粉的TMA/TMAO物質(zhì)的量比值變化的速率常數(shù)ka是溫度的函數(shù)，利用Arrhenius方程求出ka。由圖5可知，lnka對(duì)1/T所做的Arrhenius曲線具有良好的線性關(guān)系（R2=0.999 6），由此曲線斜率計(jì)算所得活化能（Ea）為3.77 kJ/mol，計(jì)算所得的指前因子ka0=10.11。

根據(jù)公式（5）可以得到帶魚粉的TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的貨架期預(yù)測(cè)模型，利用已建立的貨架期模型可以求出不同貯藏溫度條件下帶魚粉的貨架期以及貯藏過程中任意時(shí)刻的新鮮程度。TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的貨架期預(yù)測(cè)模型為

3 討 論

根據(jù)感官評(píng)價(jià)結(jié)果得到的37、20、5 ℃貯藏條件下帶魚粉的貨架期分別為12、24、42 d。帶魚粉中的TMA和TMAO受到貯藏條件和樣品差異性的影響，因此不同貯藏條件下貨架期終點(diǎn)時(shí)TMA和TMAO的含量有較大差異。故單一運(yùn)用這2 個(gè)指標(biāo)的評(píng)定結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大誤差，不能真實(shí)反映出帶魚粉的新鮮程度。

不同貯藏溫度條件下帶魚粉中的TMA/TMAO物質(zhì)的量比值隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增大，且隨著溫度的升高變化幅度增大，符合一級(jí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的變化對(duì)一級(jí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及Arrhenius方程有較高的擬合精度。Arrhenius方程中TMA/TMAO物質(zhì)的量比值變化反應(yīng)的活化能Ea為3.77 kJ/mol，指前因子ka0為10.11。帶魚粉的TMA/TMAO物質(zhì)的量比值的貨架期預(yù)測(cè)模型為