滲透劑預(yù)處理對(duì)扇貝柱熱泵干燥動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)特性的影響

劉 靜, 趙 亞, 石啟龍

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院, 山東 淄博 255000)

扇貝(Argopecten irradias)隸屬于軟體動(dòng)物門扇貝科,是我國(guó)主要的海產(chǎn)經(jīng)濟(jì)貝類之一。 新鮮扇貝含水率高,在體內(nèi)酶和微生物的作用下極易腐敗變質(zhì)。 熱泵干燥(heat pump drying, HPD)憑借干燥條件溫和、參數(shù)易于控制、節(jié)能和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于熱敏性物料(果蔬和水產(chǎn)品)的干燥[1]。但是,干燥后期難以將物料內(nèi)部的結(jié)合水除去,造成干燥效率低、能耗高等問(wèn)題,嚴(yán)重限制了HPD 技術(shù)在干燥領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了提高干燥效率,常采用熱力或非熱力預(yù)處理方法進(jìn)行干燥。 滲透脫水(osmotic dehydration,OD)作為一種非熱力預(yù)處理手段,廣泛應(yīng)用于果蔬干燥領(lǐng)域[2]。 然而,OD 預(yù)處理在水產(chǎn)品干燥領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少[3]。 目前,OD 預(yù)處理輔助干燥的研究?jī)H局限于通過(guò)干燥動(dòng)力學(xué)曲線表征物料總含水率的變化,而未對(duì)內(nèi)部水分組成及狀態(tài)分布進(jìn)行詳細(xì)探究。 低場(chǎng)核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)作為一種快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù),能夠通過(guò)橫向弛豫時(shí)間(transverse relaxation time,T2)分析物料內(nèi)部水分組成、水分分布以及水分子與周圍大分子間的相互作用[4],從而揭示物料干燥過(guò)程中動(dòng)力學(xué)特性、干制品品質(zhì)變化與水分狀態(tài)分布之間的內(nèi)在聯(lián)系。 水產(chǎn)品干燥過(guò)程中,干制品品質(zhì)變化與玻璃化轉(zhuǎn)變密切相關(guān)[5],生物聚合物由于具有提高基質(zhì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、增強(qiáng)物料加工及貯藏穩(wěn)定性作用,因此被用于干燥助劑[5]。 添加麥芽糊精(maltodextrin, MD)、蛋白質(zhì)、親水膠體等高分子物質(zhì),可降低南美白對(duì)蝦溫度與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的差值,提高干制品品質(zhì)[5]。 林雯雯等[6]研究表明:MD 預(yù)處理可抑制蝦仁塌陷形變,提高蝦仁持水力；乳清分離蛋白(whey protein isolate, WPI)預(yù)處理降低了凍干蝦仁的表觀密度和蝦青素?fù)p失,提高了蝦仁的持水力。 糖類一般作為抗凍劑在水產(chǎn)品冷凍/凍藏過(guò)程中廣泛使用。 石啟龍等[7]研究表明,添加糖類尤其菊糖(inulin,IN)和海藻糖(trehalose,Tre)顯著提高了蝦肉的貯藏穩(wěn)定性,延長(zhǎng)其貨架期。此外,研究表明,適宜添加劑預(yù)處理可提高羅非魚熱泵干燥[8]和冷凍干燥[9]品質(zhì)。 但是,尚未見IN、Tre、MD、WPI 作為滲透劑預(yù)處理對(duì)扇貝柱HPD 動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)特性影響方面的報(bào)道。 因此,本研究基于LF-NMR 技術(shù),探究OD 種類(IN、Tre、MD、WPI)和質(zhì)量濃度(50、100、150 g/L)對(duì)扇貝柱HPD 動(dòng)力學(xué)和干制品品質(zhì)的影響,以期為扇貝柱OD 輔助HPD 技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活扇貝,淄博市張店區(qū)水產(chǎn)市場(chǎng)。

WPI、IN、Tre(食品級(jí)),上海權(quán)旺生物科技有限公司；MD(食品級(jí)),山東西王集團(tuán)有限公司。 NaCl(分析純),天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

1HP-5 型熱泵除濕干燥設(shè)備,青島歐美亞科技有限公司；DHG-9140A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司；LabSwift-aw型水分活度儀,大昌華嘉商業(yè)(中國(guó))有限公司；TMS-2000 型物性分析儀,美國(guó)FTC 公司；WSC-S 型色差計(jì),上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；PL203 型電子天平,梅特勒-托利多儀器有限公司；HJ-3 型恒溫磁力攪拌器,江蘇省常州市金壇區(qū)榮華儀器制造有限公司；PQ001 型核磁共振分析儀,蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

新鮮扇貝清洗、取柱,將其置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaCl 溶液中預(yù)煮3 min,取出迅速冷卻,瀝干表面水分后,置于4 ℃冰箱中冷藏待用。 隨機(jī)抽取20 個(gè)扇貝柱,測(cè)定其滲透預(yù)處理前的初始指標(biāo)。 扇貝柱質(zhì)量和直徑分別為(2.79 ±0.75) g 和(1.69 ±0.26)cm,濕基含水率及蛋白質(zhì)、脂肪、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(82.23 ±0.62)%、(12.23 ±1.15)%、(2.13 ±0.18)%、(1.38 ±0.12)%。

1.3.2 滲透預(yù)處理

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)參考李敏等[8]滲透預(yù)處理羅非魚最佳質(zhì)量濃度范圍,本實(shí)驗(yàn)分別配置不同質(zhì)量濃度(50、100、150 g/L)的IN、Tre、MD、WPI 滲透液。 將扇貝柱隨機(jī)分成16 組,每組總質(zhì)量約100 g,以料液比(g/L)1∶10 分別置于含有不同質(zhì)量濃度浸漬液的燒杯中,以等體積蒸餾水浸泡處理的扇貝柱為對(duì)照組(CK)。 將含扇貝柱的燒杯置于40 ℃水浴鍋處理60 min,同時(shí)用玻璃棒攪拌溶液,取出扇貝柱,瀝干表面水分用于HPD 處理。

1.3.3 扇貝柱HPD 處理

扇貝柱在溫度45 ℃、風(fēng)速2 m/s 環(huán)境進(jìn)行HPD。 HPD 過(guò)程中定期取樣稱量,扇貝柱干基含水率(0.45 ±0.05) g/g 時(shí),干燥結(jié)束。

1.3.4 扇貝柱理化指標(biāo)測(cè)定

1.3.4.1 含水率測(cè)定

初始濕基含水率測(cè)定。 采用真空干燥法[10],稱取一定質(zhì)量的新鮮扇貝柱肉,切碎后放入稱量瓶中,然后置于真空干燥箱70 ℃、真空度0.098 MPa 干燥12 h,取出置于干燥器冷卻后稱量,然后重新置于干燥箱干燥,每隔2 h 取樣、稱量,直至前后2 次樣品質(zhì)量差小于等于3 mg。 初始濕基含水率w0計(jì)算見式(1)。

式(1)中,m0為新鮮扇貝柱質(zhì)量,g；m1為新鮮扇貝柱絕干質(zhì)量,g。

干基含水率測(cè)定。 HPD 過(guò)程中,每隔1 h 取樣,稱取扇貝柱質(zhì)量,干基含水率計(jì)算見式(2)[2]。

式(2)中,Mt為HPD 過(guò)程中t時(shí)刻扇貝柱干基含水率,g/g；mt為HPD 過(guò)程中t時(shí)刻扇貝柱質(zhì)量,g；m1為扇貝柱絕干質(zhì)量,g。

1.3.4.2 水分比測(cè)定

水分比(MR)是指樣品在一定干燥條件下未被干燥除去的水分。 MR 計(jì)算見式(3)[1]。

1.3.4.3 干燥速率測(cè)定

干燥速率(DR)計(jì)算見式(4)[1]。

式(4)中,Md為干基含水率,g/g；t為干燥時(shí)間,h；Md,i為i時(shí)刻干基含水率,g/g；Md,i+1為i+1 時(shí)刻干基含水率,g/g。

1.3.4.4 水分活度測(cè)定

采用水分活度儀測(cè)定樣品的水分活度(aw),取適量樣品平鋪于樣品池,測(cè)定環(huán)境溫度25 ℃。

1.3.4.5 色差測(cè)定

使用測(cè)色色差計(jì)測(cè)定干燥過(guò)程中扇貝柱色澤。ΔE計(jì)算見式(5)[5]。

式(5)中,L、a、b為熱泵干燥扇貝柱色度值,L0、a0、b0為干燥前扇貝柱色度值。

1.3.4.6 質(zhì)構(gòu)分析

參考Ortiz 等[11]的測(cè)定方法,使用物性分析儀測(cè)定樣品硬度和彈性(測(cè)試樣本容量n=15),結(jié)果取平均值。 物性分析儀參數(shù):直徑75 mm 圓柱探針,刀片厚度2 mm,測(cè)前速度1 mm/s；測(cè)量速度60 mm/s；測(cè)后速度60 mm/s,壓縮變形量50%。

1.3.4.7 復(fù)水率測(cè)定

采用朱智壯等[12]的方法,稱取一定質(zhì)量扇貝柱,置于100 ℃沸水中,維持5 min。 取出,瀝干表面水分,稱量。 復(fù)水率Rf計(jì)算見式(6)。

式(6)中,mf為復(fù)水后扇貝柱質(zhì)量,g；mg為復(fù)水前扇貝柱質(zhì)量,g。

1.3.4.8 低場(chǎng)核磁共振測(cè)定

使用脈沖核磁共振儀測(cè)定弛豫時(shí)間,取適量樣品置于直徑25 mm 核磁管中,測(cè)定條件:90°脈沖時(shí)間(P1)為5.52 μs,180°脈沖時(shí)間為11.04 μs,采樣點(diǎn)為384120,等待時(shí)間(TW)為4000 ms,累加次數(shù)為4,回波時(shí)間(TE)為0.3 ms,回波計(jì)數(shù)2000[13]。

1.3.5 綜合加權(quán)評(píng)分計(jì)算

參考李敏等[8]綜合加權(quán)評(píng)分值計(jì)算方法,綜合考慮樣品aw、ΔE、Rf、硬度和彈性等指標(biāo),對(duì)HPD 扇貝柱產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行加權(quán)評(píng)分。 以滿分100 分計(jì)各指標(biāo)權(quán)重,其中aw權(quán)重30；ΔE和Rf權(quán)重20；硬度和彈性權(quán)重15,所得總分作為最終判斷標(biāo)準(zhǔn)。

Rf、彈性值越大表示樣品品質(zhì)越好,故其評(píng)分計(jì)算見式(7)。

aw、ΔE和硬度值越小表示樣品品質(zhì)越好,故計(jì)算見式(8)。

式(7)、式(8)中,Yi為各指標(biāo)加權(quán)得分；a為各指標(biāo)權(quán)重分值；W0為各指標(biāo)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化值；Wi為各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的實(shí)際測(cè)定值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

扇貝柱OD 和后續(xù)HPD 均平行實(shí)驗(yàn)3 次,相關(guān)指標(biāo)測(cè)定至少重復(fù)3 次,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。 采用SPSS 19.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,差異顯著性進(jìn)行Duncan’s 多重比較。 采用Matlab 2018 軟件進(jìn)行線性分析,采用Origin 2018 軟件繪圖并進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透劑對(duì)扇貝柱熱泵干燥動(dòng)力學(xué)的影響

滲透劑預(yù)處理后扇貝柱HPD 動(dòng)力學(xué)特性如圖1 和圖2。 由圖1 可知,扇貝柱MR 隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低。 與CK 組相比,適宜滲透劑預(yù)處理后扇貝柱MR 下降趨勢(shì)更明顯；相同干燥時(shí)間時(shí),適宜種類和質(zhì)量濃度滲透劑預(yù)處理后的扇貝柱MR 更低。 扇貝柱干燥8 h 時(shí),CK、50 g/L IN、100 g/L Tre、150 g/L Tre、150 g/L MD 和50 g/L WPI 組的MR 分別降至0.322、0.301、0.281、0.238、0.301 和0.281。李敏等[8]在羅非魚HPD 過(guò)程中發(fā)現(xiàn),滲透劑預(yù)處理后羅非魚干燥時(shí)間也有類似的下降趨勢(shì)。

同種滲透劑不同質(zhì)量濃度預(yù)處理后扇貝柱呈現(xiàn)不同的干燥趨勢(shì)。 由圖1(b)和圖1(c)可知,總體來(lái)看,扇貝柱干燥時(shí)間隨滲透劑質(zhì)量濃度的增加而顯著縮短。 與CK 組相比,Tre 預(yù)處理質(zhì)量濃度為100、150 g/L 時(shí),可顯著縮短扇貝柱HPD 時(shí)間；然而,Tre質(zhì)量濃度為50 g/L 時(shí),扇貝柱HPD 時(shí)間反而延長(zhǎng)。這是由于非還原性二糖Tre 的保水吸濕性與滲透脫水性受質(zhì)量濃度影響較大,低質(zhì)量濃度(≤50 g/L)時(shí),Tre 良好的吸濕性大于對(duì)物料的滲透脫水性,從而導(dǎo)致干燥時(shí)間延長(zhǎng)；隨著Tre 溶液質(zhì)量濃度增加,Tre滲透脫水效果顯著高于保水吸濕效果,使得扇貝柱HPD 時(shí)間隨質(zhì)量濃度的增加而縮短[8,14]。 另外,高質(zhì)量濃度的MD 作為高分子物質(zhì)填充至扇貝柱組織,提高了扇貝柱的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,有效防止HPD 過(guò)程中樣品內(nèi)部組織的塌陷[6],避免物料收縮而造成的孔隙率降低,從而有效提高扇貝柱干燥效率。

圖1 不同滲透劑預(yù)處理對(duì)扇貝柱水分比的影響Fig.1 Effect of different osmotic agent pretreatments on moisture ratio of scallop adductors

此外,由圖1(a)和圖1(d)可知,與CK 組相比,IN 和WPI 質(zhì)量濃度為50 g/L 時(shí),可顯著縮短扇貝柱HPD 時(shí)間；但是當(dāng)預(yù)處理濃度為100、150 g/L 時(shí),扇貝柱HPD 時(shí)間隨2 種滲透劑質(zhì)量濃度的增加而延長(zhǎng)。 這是因?yàn)镮N 作為一種直鏈多聚糖,結(jié)構(gòu)中含有大量羥基,溶于水后會(huì)在IN 分子內(nèi)、分子間以及IN 與水分子之間形成氫鍵,進(jìn)而形成三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),水分子被包裹在IN 分子之間形成的凝膠顆粒,溶液質(zhì)量濃度越高,凝膠現(xiàn)象更顯著,從而導(dǎo)致扇貝柱干燥時(shí)間延長(zhǎng)[15]。 WPI 中蛋白質(zhì)含量較高,滲透預(yù)處理及后續(xù)干燥過(guò)程中能夠使水溶液狀態(tài)下的WPI 形成凝膠,成膠過(guò)程中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將大量水分子鑲嵌在凝膠結(jié)構(gòu)中[16]。 此外,也有可能高質(zhì)量濃度WPI 溶液中溶質(zhì)滲入扇貝柱,造成扇貝柱表面黏度增大,在扇貝柱表面形成一層膜,阻礙水分?jǐn)U散,從而增加了干燥時(shí)間[9]。

由圖2 可知,扇貝柱干基含水率從1.8 g/g 左右迅速降低,HPD 過(guò)程主要為降速干燥。 干燥前期,扇貝柱DR 迅速降低；干燥中后期,DR 趨于平緩。扇貝柱DR 隨MR 的降低而呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)。 適宜質(zhì)量濃度的滲透劑預(yù)處理顯著提高了干燥速率,在干燥中期和后期尤為明顯,這可能是由于滲透液中溶質(zhì)的滲入提高了扇貝柱的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,分子流動(dòng)性降低,有助于保持扇貝柱肌肉孔隙結(jié)構(gòu),促進(jìn)干燥中后期水分的擴(kuò)散,進(jìn)而提高干燥速率[9]。干燥過(guò)程中,水分依靠濕度梯度由材料內(nèi)部遷移至表面,然后再通過(guò)加熱介質(zhì)釋放到周圍環(huán)境中。 隨著滲透劑的應(yīng)用,扇貝柱肌肉內(nèi)部與外部水分通量的變化歸因于微觀結(jié)構(gòu)的改變,滲透溶液中溶質(zhì)的填充作用維持了物料孔隙率,形成理想的水分?jǐn)U散通道,從而促進(jìn)了水分的去除。 未來(lái)研究應(yīng)偏重于滲透預(yù)處理導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)變化,以期進(jìn)一步闡明適宜滲透劑預(yù)處理提高扇貝柱HPD 效率的機(jī)制。

圖2 不同滲透劑預(yù)處理對(duì)扇貝柱熱泵干燥速率的影響Fig.2 Effect of different osmotic agent pretreatments on heat pump drying rate of scallop adductors

2.2 滲透劑對(duì)熱泵干燥扇貝柱水分活度與品質(zhì)特性的影響

2.2.1 滲透劑對(duì)熱泵干燥扇貝柱水分活度的影響

食品中微生物的生長(zhǎng)、各類化學(xué)反應(yīng)和酶促褐變反應(yīng)的發(fā)生等現(xiàn)象與aw具有密切的聯(lián)系。 微生物的生長(zhǎng)引起食品腐敗變質(zhì),通常新鮮水產(chǎn)品aw均高于0.9,極其適宜微生物生長(zhǎng),對(duì)水產(chǎn)品進(jìn)行干燥后aw可降至0.7 以下,該范圍可抑制大部分微生物的生長(zhǎng)繁殖[17]。 表1 為各滲透劑預(yù)處理扇貝柱后以及HPD 后不同部位的aw。 與CK 組相比,采用IN、Tre、MD 和WPI 滲透劑預(yù)處理扇貝柱后,各組間以及組中aw無(wú)顯著差異(P＞0.05)。 這與食鹽滲透脫水處理藍(lán)圓鲹的aw變化結(jié)果不同[18]。 其原因可能是1)aw與組織中游離水含量變化相關(guān)[18],而扇貝柱含水率較高,滲透過(guò)程中組織游離水變化不大,導(dǎo)致aw變化不顯著；2)扇貝柱組織結(jié)構(gòu)致密,使?jié)B透預(yù)處理對(duì)扇貝柱表面影響較大,而對(duì)扇貝柱內(nèi)部未產(chǎn)生顯著影響,最終未影響滲透處理后扇貝柱整體aw。 扇貝柱HPD 后,150 g/L Tre 和100 g/L WPI預(yù)處理的扇貝柱表皮aw顯著降低(P＜0.05),相比于CK 組降低了13.51%、5.41%。 結(jié)合圖1,150 g/L Tre 和100 g/L WPI 組扇貝柱干燥時(shí)間顯著縮短,促進(jìn)水分?jǐn)U散,從而使aw顯著降低。 但是,150 g/L IN 組與CK 組無(wú)顯著性差異(P＞0.05),其余處理組間aw值都高于CK 組。 此外,由表1 可知,各處理組未對(duì)扇貝柱內(nèi)部aw產(chǎn)生積極影響,并且WPI 組aw顯著增加,各質(zhì)量濃度與CK 組相比分別增加了5.81%、4.65%和5.81%,這是由于WPI 分子中包含親水基團(tuán)和疏水基團(tuán),使WPI 在扇貝柱表面形成一層穩(wěn)定阻隔水分的蛋白膜[16],扇貝柱內(nèi)部水分無(wú)法有效擴(kuò)散,僅能使表層扇貝柱肉被干燥,而內(nèi)部組織中形成的不可逆凝膠使扇貝柱內(nèi)部aw高于表面。

表1 不同滲透劑預(yù)處理對(duì)熱泵干燥扇貝柱水分活度的影響Tab.1 Effects of different osmotic agent pretreatments on aw of heat pump dried scallop adductors

2.2.2 滲透劑對(duì)熱泵干燥扇貝柱品質(zhì)的影響

滲透處理后HPD 的扇貝柱品質(zhì)指標(biāo)變化見表2。 色差是評(píng)價(jià)食品品質(zhì)的重要指標(biāo),產(chǎn)品色澤的改變直接反映食品品質(zhì)變化。 由表2 可知,與CK 組相比,滲透預(yù)處理組扇貝柱ΔE顯著降低,不同滲透劑處理組間ΔE也存在顯著差異(P＜0.05)。 且溶液質(zhì)量濃度越低,ΔE越小。 與CK 組相比,IN 質(zhì)量濃度為50、100、150 g/L 時(shí),ΔE分別減小12.83%、10.17%、3.96%；WPI 質(zhì)量濃度為50、100、150 g/L時(shí),ΔE分別減小36.68%、19.72%、14.02%。 另外,Tre、MD 組ΔE相比于CK 組約降低40.00%,組間ΔE無(wú)顯著差異(P＞0.05)。 結(jié)合圖1,IN 和WPI組ΔE隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,這是由于經(jīng)過(guò)滲透處理,大量溶質(zhì)附著在扇貝柱組織中加劇了美拉德反應(yīng),隨著干燥的進(jìn)行,含水率逐漸降低,由美拉德反應(yīng)引起的非酶褐變迅速發(fā)生[19],導(dǎo)致扇貝柱亮度值降低,顏色變黃。 Tomaschunas 等[20]在制備香腸的實(shí)驗(yàn)中,同樣發(fā)現(xiàn)添加IN 會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品色澤加深。 Chuaychan 等[21]研究發(fā)現(xiàn),隨MD 比例的增加,斑點(diǎn)擬緋鯉明膠和明膠粉末白度值有所提高,褐變程度有所降低,MD 水平直接影響到明膠和明膠粉末的特性和抗氧化活性。

表2 不同滲透劑預(yù)處理后熱泵干燥扇貝柱的品質(zhì)參數(shù)Tab.2 Quality parameters of heat pump dried scallop adductors with different osmotic agent pretreatments

干燥影響扇貝柱質(zhì)構(gòu)特性,進(jìn)而影響到消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的接受度。 干燥扇貝柱硬度和彈性的變化在一定程度上可以反映產(chǎn)品質(zhì)地和組織結(jié)構(gòu)特性的變化。 由表2 可知,與CK 組相比,除質(zhì)量濃度100、150 g/L IN 和WPI 預(yù)處理組外,各滲透劑預(yù)處理組扇貝柱硬度顯著減小(P＜0.05)。 其中,100、150 g/L Tre 處理組硬度最小,比CK 組分別降低了17.38%、15.24%,更接近新鮮扇貝柱硬度。 張正敏等[22]探究Tre 部分替代蔗糖對(duì)豬肉脯品質(zhì)特性的影響,結(jié)果表明:適宜濃度Tre 可顯著改善豬肉脯質(zhì)構(gòu)特性。 另外,結(jié)合圖1 可知,干燥時(shí)間與硬度的變化呈正相關(guān),干燥時(shí)間越短硬度越小,這是由于較短的干燥時(shí)間,能有效避免蛋白質(zhì)變性,組織結(jié)構(gòu)更接近新鮮狀態(tài)。 Keenan 等[23]發(fā)現(xiàn),添加IN 使香腸具有滑嫩的口感,但也使肉質(zhì)硬度增加,與本研究中100、150 g/L IN 處理組扇貝柱硬度變化一致。 不同處理組扇貝柱彈性差異顯著(P＜0.05)。 150 g/L IN 和WPI 組彈性較CK 組分別增加了6.50%、3.23%,但是Tre 組彈性顯著降低,這可能是由于高質(zhì)量濃度Tre 進(jìn)入組織間隙,與組織內(nèi)部水分間形成2 種速率的競(jìng)爭(zhēng)平衡,Tre 對(duì)物質(zhì)傳輸通道產(chǎn)生壓縮,對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞,從而導(dǎo)致硬度降低的同時(shí)彈性降低[24]。

Rf是評(píng)價(jià)干制品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一,Rf越高,表明干制品復(fù)水后狀態(tài)越接近新鮮制品[12]。 不同滲透劑預(yù)處理組扇貝柱熱泵干燥Rf見表2。 滲透劑預(yù)處理對(duì)Rf影響顯著(P＜0.05),除150 g/L IN 處理組外,各滲透劑處理組扇貝柱Rf均隨滲透劑質(zhì)量濃度的增加而增大。 其中,150 g/L Tre 組Rf值最高,相比于CK 組增加了22.79%,其次是150 g/L MD 組。 滲透劑中溶質(zhì)滲入組織內(nèi)部,不僅增加了物料固形物比值,還具有一定的組織孔隙維系能力,在復(fù)水過(guò)程中,水分滲入的同時(shí)溶質(zhì)滲出,使組織結(jié)構(gòu)得到有效的復(fù)原。 另外,WPI 組Rf最接近CK 組,這是由于WPI 與扇貝柱蛋白質(zhì)相互作用,改變了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),使其疏水基團(tuán)暴露,疏水性增強(qiáng)進(jìn)而導(dǎo)致Rf較低[6]。 林雯雯等[6]研究預(yù)處理對(duì)凍干南美白對(duì)蝦仁貯藏品質(zhì)的影響中也得到了相似的結(jié)論。

2.3 熱泵干燥扇貝柱綜合加權(quán)評(píng)分分析

不同種類和質(zhì)量濃度滲透劑預(yù)處理扇貝柱HPD產(chǎn)品綜合加權(quán)評(píng)分如圖3。 由圖3 可得,IN、Tre、MD和WPI 4 種滲透劑預(yù)處理后扇貝柱綜合評(píng)分顯著提高,表明滲透劑作為扇貝柱HPD 預(yù)處理方式是有效的。 以綜合加權(quán)評(píng)分為最終評(píng)判指標(biāo),IN、Tre、MD、WPI 的優(yōu)化質(zhì)量濃度為100、150、100、50 g/L,其中以150 g/L Tre 處理組綜合加權(quán)得分最高,相比于CK 組提高了12.76%。 結(jié)合圖1,Tre 在提高干燥速率方面也同樣具有顯著優(yōu)勢(shì)。 選取4 種滲透劑綜合評(píng)分最高的處理組進(jìn)行LF-NMR 分析,探究滲透預(yù)處理對(duì)扇貝柱HPD 過(guò)程中水分狀態(tài)分布的影響。

圖3 不同滲透劑預(yù)處理對(duì)熱泵干燥扇貝柱綜合加權(quán)評(píng)分的影響Fig.3 Effect of different osmotic agent pretreatments on comprehensive weighted scores of heat pump dried scallop adductors

2.4 熱泵干燥扇貝柱LF-NMR 分析

不同種類和質(zhì)量濃度滲透劑預(yù)處理扇貝柱HPD 過(guò)程中橫向弛豫時(shí)間如圖4。 圖4 中,3 個(gè)峰(T21、T22、T23)分別代表扇貝柱肌肉組織中存在的3種不同狀態(tài)的水分(結(jié)合水、不易流動(dòng)水、自由水)[25]。A21、A22和A23分別代表T21、T22和T23這3 種水分峰的峰面積,即扇貝柱自由水、不易流動(dòng)水和結(jié)合水在總水分含量中所占的比例。 據(jù)報(bào)道,新鮮扇貝柱中自由水與結(jié)合水占比之和小于2%[13],扇貝柱肌肉組織中絕大多數(shù)水分流動(dòng)性較低,因此在干燥過(guò)程中很難除去。

由圖4 可知,隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),對(duì)照組與處理組扇貝柱的NMR 反演譜峰總面積呈減少趨勢(shì),譜峰整體向左偏移,表明干燥可以改變扇貝柱水分組成和狀態(tài)分布。 扇貝柱中T21峰面積A21呈略微增加趨勢(shì),但變化幅度不大,這是由于結(jié)合水與生物大分子緊密結(jié)合,隨著干燥的進(jìn)行,結(jié)合水的流動(dòng)性未受影響。 隨著干燥的進(jìn)行,扇貝柱組織中T22、T23峰向左遷移。 這表明,與T21相比,T22和T23與扇貝柱組織的結(jié)合程度更低,流動(dòng)性更強(qiáng)[26]。 例如,在相同干燥時(shí)間下,各處理組扇貝柱T21峰值分別下降至5.18、4.87、4.80、4.95、4.92 ms,由此可得,在扇貝柱HPD 過(guò)程中,扇貝柱組織中結(jié)合水變化很小,幾乎沒有偏移；而不易流動(dòng)水和自由水的弛豫時(shí)間顯著減少。 Zang 等[27]在利用LF-NMR 技術(shù)分析發(fā)現(xiàn),完整小黃魚熱風(fēng)干燥過(guò)程中不易流動(dòng)水顯著減少,水分比與峰面積間有較好的相關(guān)性。 Song 等[28]發(fā)現(xiàn),隨著熱風(fēng)干燥的進(jìn)行,鮑魚組織中強(qiáng)結(jié)合水幾乎不發(fā)生變化；弱結(jié)合水和不易流動(dòng)水則顯著下降。

圖4 不同滲透劑預(yù)處理對(duì)扇貝柱熱泵干燥過(guò)程中弛豫時(shí)間的影響Fig.4 Effect of different osmotic agent pretreatments on transverse relaxation time of scallop adductors during heat pump drying

圖5 為滲透預(yù)處理對(duì)扇貝柱干燥過(guò)程中T21、T22和T23峰面積占比的影響。 隨著干燥的進(jìn)行,A22顯著下降,表明扇貝柱中不易流動(dòng)水極不穩(wěn)定。 將扇貝柱中A22降至74%左右,CK、IN、Tre、MD 和WPI處理組所用時(shí)間分別為11、8、8、9、7 h。 這表明滲透預(yù)處理可以加快扇貝柱中不易流動(dòng)水的遷移速率,其中150 g/L Tre 和50 g/L WPI 促進(jìn)效果最顯著,這與圖1、圖2 的干燥動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。 隨著干燥的進(jìn)行,扇貝柱A21呈增大趨勢(shì),并在干燥后期基本趨于穩(wěn)定,這是由于干燥前期不易流動(dòng)水含量較高,部分不易流動(dòng)水在干燥過(guò)程中向結(jié)合水轉(zhuǎn)換,隨著干燥的進(jìn)行,不易流動(dòng)水含量降低,導(dǎo)致其向結(jié)合水的轉(zhuǎn)化逐漸減弱。 Luo 等[29]對(duì)熱泵干燥過(guò)程中羅非魚水態(tài)分布的研究中得到了相似的結(jié)論。A23占比基本保持在1% ～2%,這是由于干燥過(guò)程中自由水的去除與不易流動(dòng)水向自由水的轉(zhuǎn)化一直處于平衡狀態(tài),使得組織中自由水基本維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。 隨著干燥的進(jìn)行,扇貝柱中各水分組成及狀態(tài)分布變化為:結(jié)合水峰面積占比逐漸增加,不易流動(dòng)水峰面積占比逐漸降低,而自由水峰面積占比略有增加,但總體變化不大。

圖5 不同滲透劑預(yù)處理對(duì)扇貝柱熱泵干燥過(guò)程中弛豫時(shí)間峰面積占比的影響Fig.5 Effect of different osmotic agent pretreatments on peak area percentage of transverse relaxation time of scallop adductors during heat pump drying

扇貝柱肌肉組織中不易流動(dòng)水占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),干燥過(guò)程中,不易流動(dòng)水的擴(kuò)散直接影響干燥效率。因此,明確扇貝柱T22與干基含水率間的相關(guān)性有助于進(jìn)一步探究扇貝柱干燥進(jìn)程。 圖6 為各處理組扇貝柱T22與干基含水率相關(guān)性分析。 由圖6 可知,T22與干基含水率具有極強(qiáng)的相關(guān)性(R2＞0.920)。由此可以得出結(jié)論,扇貝柱干燥過(guò)程中,不易流動(dòng)水的去除決定了扇貝柱含水率變化。 Zhu 等[13]在探究超聲波功率對(duì)扇貝柱干燥過(guò)程中水分狀態(tài)分布的研究中發(fā)現(xiàn),扇貝柱干燥過(guò)程中含水率的變化與T22顯著相關(guān)(R2＞0.867)。 Song 等[28]在熱風(fēng)干燥鮑魚LF-NMR 分析中發(fā)現(xiàn),將LF-NMR 測(cè)定的不易流動(dòng)水與實(shí)際熱風(fēng)干燥鮑魚水分含量變化之間具有顯著相關(guān)性(R2=0.935)。 將LF-NMR 應(yīng)用于快速無(wú)損監(jiān)測(cè)食品干燥過(guò)程中水分狀態(tài)變化,同時(shí)確定食品干燥程度是簡(jiǎn)單有效的。

圖6 不同滲透劑預(yù)處理后扇貝柱T22與干基含水率的相關(guān)性Fig.6 Correlation between T22 and moisture content in dry basis of scallop adductors after pretreatment with different osmotic agents

3 結(jié)論

本研究基于綜合加權(quán)評(píng)分法和LF-NMR 技術(shù),探究不同種類和質(zhì)量濃度滲透劑預(yù)處理對(duì)扇貝柱HPD 干燥動(dòng)力學(xué)、品質(zhì)特性、水分狀態(tài)組成和分布規(guī)律的影響,以期為優(yōu)化扇貝柱HPD 工藝提供理論依據(jù)。 適宜質(zhì)量濃度滲透劑預(yù)處理能夠顯著提高扇貝柱HPD 效率,縮短干燥時(shí)間,改善干制品品質(zhì)。150 g/L Tre 滲透預(yù)處理所得HPD 扇貝柱干制品品質(zhì)較優(yōu),綜合加權(quán)評(píng)分與CK 組相比提高12.76%。扇貝柱HPD 遵循降速干燥規(guī)律,水分?jǐn)U散起主導(dǎo)作用。 滲透劑預(yù)處理后,干燥過(guò)程中扇貝柱組織中結(jié)合水峰面積占比增加,自由水峰面積占比保持穩(wěn)定,不易流動(dòng)水弛豫時(shí)間顯著縮短,峰面積占比顯著降低。 扇貝柱干燥過(guò)程中,含水率變化與不易流動(dòng)水T22變化密切相關(guān),LF-NMR 可快速、無(wú)損檢測(cè)扇貝柱HPD 過(guò)程中含水率變化,進(jìn)而調(diào)控扇貝柱HPD進(jìn)程。