基于層次分析法優(yōu)化凡納濱對蝦(Penaeus vannamei)熱風干燥工藝

張澤偉,董春雨,吉宏武*,張迪,劉書成,2,蘇偉明

1(廣東海洋大學 食品科技學院,廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室,廣東省海洋生物制品工程實驗室,廣東省海洋食品工程技術(shù)研究中心,水產(chǎn)深加工廣東普通高等學校重點實驗室,廣東 湛江,524088)2(海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(大連工業(yè)大學),遼寧 大連,116034)

凡納濱對蝦(Penaeusvannamei)肉質(zhì)鮮美,營養(yǎng)價值高,為全世界最受歡迎的海產(chǎn)品之一[1]。同時也是我國重要的經(jīng)濟養(yǎng)殖蝦類,2020年總產(chǎn)量達到186.29萬t[2]。鮮蝦的易腐性、地域性和季節(jié)性等特性限制了其鮮活銷售,因此捕撈后需及時進行加工處理[3]。目前蝦的加工方式主要包括:冷凍、蒸煮、干燥等。與冷凍和蒸煮方式相比,干燥更具有優(yōu)勢,其不僅可延長貯藏時間、減少貯藏空間,還賦予產(chǎn)品濃郁的香氣,富有嚼勁的口感[4]。熱風干燥因設(shè)備投資少,操作簡單,適應性強,衛(wèi)生條件較好,仍是水產(chǎn)品主要加工方式[5]。

在干燥過程中,干燥溫度、時間和蝦干的水分含量等因素影響著蝦干的感官品質(zhì),如質(zhì)構(gòu)、色澤、氣味等。蔡林林等[6]研究發(fā)現(xiàn)干燥溫度與蝦仁的硬度呈正相關(guān);胡夢月等[7]報道了隨熱風干燥時間增長,水分含量減少,蝦干硬度增大,揮發(fā)性成分含量顯著增加,使蝦干呈現(xiàn)果香和濃郁的烤肉香。因此在評價蝦干的品質(zhì)優(yōu)劣時,需要同時考察蝦干的多種感官指標。感官評分是一種通過人的味覺、觸覺、視覺、嗅覺和聽覺等感官對食品品質(zhì)進行評分的科學方法,具有簡便、判斷迅速的優(yōu)點,但其屬于主觀評價的方法,其結(jié)果受感官人員個人嗜好,口味等不穩(wěn)定因素影響[8]。此外,蝦干的感官品質(zhì)指標較多,簡單的感官評價已無法滿足對蝦干制品的綜合評價。而層次分析法可把復雜問題表示為有序的遞階層次結(jié)構(gòu),是一種對各評價指標賦予權(quán)重系數(shù),通過權(quán)重系數(shù)與客觀數(shù)據(jù)進行定量計算,對方案進行綜合評分的決策方法[9]。該方法還能反映指標的重要程度,又避免單一指標評價的片面性,其計算結(jié)果客觀合理,得到的決策更加客觀化,可克服主觀評價的缺陷[10]。目前已逐步應用于中藥提取工藝[11]、鮮蝦品質(zhì)評價[12]、鮮蝦熱燙-冷凍工藝[13]等領(lǐng)域,然而在蝦干品質(zhì)的綜合評價中鮮見報道。

本研究以凡納濱對蝦為原料,控制熱風干燥溫度(65～105 ℃),調(diào)節(jié)干燥時間,使蝦干水分含量低于25%,對蝦干的色澤、質(zhì)構(gòu)特性、揮發(fā)性成分和初始菌落總數(shù)等指標進行測定,基于層次分析法對蝦干品質(zhì)進行綜合評價,以探究熱風干燥工藝和蝦干的品質(zhì)變化,為熱風干燥工藝的優(yōu)化和蝦干品質(zhì)質(zhì)控提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活的凡納濱對蝦[(18±2) g]購自湛江市霞山水產(chǎn)品批發(fā)市場,加冰保鮮,運送至實驗室。

壬酸甲酯標準品(純度≥99.8%,色譜純),美國Supelco公司;PCA平板計數(shù)瓊脂,北京陸橋技術(shù)股份有限公司;NaCl(分析純),廣東光華科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

InertCap?Pure-WAX石英毛細柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)、TQ8050 NX型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,日本島津公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相萃取頭,美國Supelco公司;DHG-9023A型電熱鼓風干燥箱,上海合恒儀器設(shè)備有限公司;CR-20色差儀,日本柯尼卡美能達公司;TMS-Pro型物性分析質(zhì)構(gòu)儀,美國FTC公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 蝦干制備

對蝦洗凈、瀝干附水,平鋪于不銹鋼絲網(wǎng)上,置于風速為0.5 m/s的恒溫鼓風干燥箱中。設(shè)置不同干燥溫度(65、75、85、95、105 ℃)進行干燥,烘至水分含量為25、22、19、16、13 g/100 g后停止干燥,將蝦干樣品取出放入干燥器中備用。蝦干水分含量的測定方法參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》。樣品命名格式為“溫度-水分含量”,例65-13。

1.3.2 質(zhì)構(gòu)的測定

根據(jù)段少奇等[14]的方法,稍作修改。將樣品剝殼,剪取蝦腹的第二腹節(jié),采用質(zhì)構(gòu)剖面分析(texture profile analysis,TPA)法測定蝦干的硬度和咀嚼性。測試參數(shù):平底柱形探頭P/0.5(直徑5 mm),初始力0.5 N,測試前速率1 mm/s,測試速率1 mm/s,測試后速率1 mm/s,變形程度25%,間隔2 s。每組樣品設(shè)定6個平行樣,取平均值。

1.3.3 蝦干制備

取頭胸側(cè)面與倒數(shù)第二腹節(jié),用色差儀分別測量其色澤,記錄L*、a*和b*值,其中L*代表明度值,值越大,越明亮;a*值表示紅-綠色度值,值越大,色澤越紅;b*值代表黃-藍色度,值越大,色澤越黃。每組樣品設(shè)定5個平行樣,取平均值。

1.3.4 初始菌落總數(shù)的測定

樣品烘干后,裝入已高溫滅菌的包裝袋中,封口,-70 ℃超低溫冰箱中保存?zhèn)溆?。菌落總?shù)的測定方法參照GB 4789.2—2022《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數(shù)測定》。

1.3.5 揮發(fā)性成分的萃取

參考ZHANG等[15]的方法,稍作改動。蝦干經(jīng)萬能粉碎機打碎成粉末。準確稱取2.00 g蝦粉裝入40 mL的頂空瓶內(nèi),加入2 μL的壬酸甲酯標準溶液(218.75 μg/mL,溶于甲醇),加蓋密封。將提前老化好的萃取針插入密封的頂空瓶中,將瓶子放置于60 ℃的恒溫水浴鍋中,萃取35 min。萃取完后立即將萃取針轉(zhuǎn)移到GC進樣口,于250 ℃下解吸5 min,同時啟動儀器采集檢測數(shù)據(jù)。

1.3.6 GC-MS條件

色譜條件:色譜柱為InertCap?Pure-WAX石英毛細柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為He,流速為1.0 mL/min;不分流進樣。程序升溫:柱子初溫40 ℃,保持3 min,以4 ℃/min升溫至100 ℃,保持2 min,再以8 ℃/min升至230 ℃,保持5 min。

MS條件:電子轟擊(electron ionization,EI)離子源,電子能量70 eV,接口溫度250 ℃,離子源溫度230 ℃,質(zhì)量掃描范圍m/z33～550,采集方式為Q3掃描。

1.3.7 揮發(fā)性成分定性與定量

依據(jù)揮發(fā)性成分的總離子流圖,對峰面積最大的前200個峰進行積分,通過對NIST05和Wiley07數(shù)據(jù)庫進行相似度檢索,選擇相似度達80%以上的成分結(jié)構(gòu)信息,確定各揮發(fā)性成分的名稱。

根據(jù)內(nèi)標物(壬酸甲酯)的質(zhì)量濃度與峰面積,與鑒定出的化合物的峰面積,計算出每種物質(zhì)的含量,計算如公式(1)所示:

(1)

式中:ρi,化合物的質(zhì)量濃度,ng/g;Ai和As,分別為化合物i的峰面積與內(nèi)標物的峰面積;m樣,蝦干樣品的質(zhì)量,g;ms,壬酸甲酯的質(zhì)量,ng。

1.3.8 氣味活性值(odor activity value,OAV)

OAV定義為香氣成分在香氣體系中的濃度(C)與其氣味閾值(T)的比值[16],按公式(2)計算:

(2)

OAV≥1的化合物被確定為對蝦熱風干制品的氣味活性物質(zhì),OAV≥10的化合物可進一步定義為主體氣味活性物質(zhì)[17]。

1.3.9 蝦干品質(zhì)綜合評價模型的建立與綜合評分計算[18]

核心指標的篩選:為了確定熱風干制蝦干的最佳工藝參數(shù)的試驗目的,結(jié)合測定的蝦干指標,篩選出與蝦干品質(zhì)相關(guān)的評價指標,分別為色澤(頭胸a*值、頭胸b*值、腹部a*值、腹部b*值)、揮發(fā)性成分(吡嗪類、醛類、胺類)、質(zhì)構(gòu)(硬度、咀嚼性)和菌落總數(shù)。

評價模型結(jié)構(gòu)的構(gòu)建:根據(jù)指標間的相互關(guān)系以及層次隸屬關(guān)系,構(gòu)建目標層、準則層、指標層和方案層。其蝦干品質(zhì)綜合評價模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 熱風干燥凡納濱對蝦品質(zhì)綜合評價模型結(jié)構(gòu)圖

指標的原始數(shù)據(jù)無量綱化:由于各指標數(shù)據(jù)所代表的特性不一致,為消除不同量綱和數(shù)量級對品質(zhì)評價的影響,需將各指標的原始數(shù)據(jù)進行無量綱處理。根據(jù)其特性確定理想值(x0),如a*值,b*值,吡嗪類、醛類、胺類的含量均為正指標,測定值越大越好;硬度、咀嚼性為中性指標,經(jīng)專家意見和感官人員評分,確定85-19樣品的硬度和咀嚼性最佳。菌落總數(shù)為負指標,測定值越小越好。

根據(jù)極差標準化法,將各指標的原始數(shù)據(jù)進行無量綱處理,化成0-1的標準化數(shù)值。如公式(3)、公式(4)所示:

(3)

(4)

式中:Ai,歸一化后的值,min(x1)、max(x2)和x0分別為指標系列中最小值、最大值和理想值。

判斷矩陣的構(gòu)造:為了判斷不同指標對綜合評價的重要性,需要確定各個指標的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析、專家意見和感官人員的評分,對影響蝦干品質(zhì)指標間的重要性進行定性評價,依據(jù)Saaty九標度法(表1)建立判斷矩陣,計算矩陣的最大特征向量λmax和各指標所對應的標準化特征向量,其標準化特征向量為各指標的權(quán)重系數(shù)。

表1 標度1-9的含義

檢驗判斷矩陣的一致性:根據(jù)公式(5)、公式(6)分別計算出一致性指標CI和一致性比率CR。

(5)

(6)

式中:n,矩陣的階數(shù);RI,隨機一致性指標均值,其值如表2所示。

表2 RI值

當CR<0.1時,說明判斷矩陣通過一致性檢驗;當CR≥0.1時,說明矩陣不具有合理一致性。矩陣構(gòu)建不合理,需再一次構(gòu)造判斷矩陣,再進行檢驗。

蝦干品質(zhì)綜合評分的計算:將歸一化的指標數(shù)據(jù)與對應的組合權(quán)重系數(shù)做內(nèi)積,即可得到各樣品的綜合評分Yi,見公式(7):

(7)

式中:aij,各指標歸一化的數(shù)值;mj,各種指標aij對應的組合權(quán)重系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

除質(zhì)構(gòu)和色澤測定外,均作3次平行試驗,結(jié)果用平均值±標準差表示,使用SPSS 23.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗顯著性差異(P<0.05)。Origin 2017對實驗數(shù)據(jù)進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風干燥對凡納濱對蝦蝦干色澤的影響

色澤是判斷蝦干品質(zhì)和影響消費者選購的主要指標之一。優(yōu)質(zhì)蝦干的蝦殼呈紅白色,有光澤,蝦肉呈橙紅色。干燥初期,隨著蝦體溫度升高,蛋白質(zhì)逐漸變性,與蛋白相結(jié)合的色素分子被釋放出來,蝦體呈現(xiàn)紅黃色[14]。如表3所示,隨著干燥的進行,蝦體的色澤發(fā)生了變化,當干燥溫度≥95 ℃,水分含量≤16%時,蝦干的頭胸部和腹部的a*、b*值顯著小于其他干燥條件。隨著干燥的進行,蝦體的蛋白質(zhì)、氨基酸和脂質(zhì)等物質(zhì)逐漸發(fā)生了美拉德反應和脂質(zhì)氧化反應等化學反應,造成類黑色素和脂質(zhì)氧化聚合物的堆積,以及類胡蘿卜色素分子的氧化和異構(gòu)化,引起了蝦體a*、b*值的下降。溫度的升高,水分含量的下降,都促進了反應的進行[19]。在干燥過程中,頭胸部和腹部的L*值變化不明顯。因此選取色澤作為熱風干燥凡納濱對蝦品質(zhì)綜合評價模型的準則層,選取頭胸部和腹部的a*、b*值作為色澤的指標層。

表3 不同干燥條件凡納濱對蝦頭胸部與腹部的色澤變化

2.2 熱風干燥對凡納濱對蝦蝦干初始菌落總數(shù)的影響

干制品的菌落總數(shù)是評定產(chǎn)品安全性,預測產(chǎn)品可食性的重要指標。如圖2所示,蝦干初始菌落總數(shù)隨干燥溫度的升高而下降;當溫度從65升至85 ℃,初始菌落總數(shù)顯著下降,之后隨溫度上升,菌落總數(shù)雖下降但變化不顯著。當干燥溫度為65和75 ℃,隨著干燥時間增加,水分含量下降,蝦干菌落總數(shù)顯著下降;當干燥溫度為85、95、105 ℃,蝦干的菌落總數(shù)不會隨水分含量的下降而減少。熱加工過程中,樣品的菌落總數(shù)會隨溫度的升高,加熱時間的增加而減少,減少到一定程度后,數(shù)量趨于穩(wěn)定。在干燥過程中,鮮蝦原始微生物群中脆弱或熱敏性的微生物先被殺滅,留下耐熱性較強的個體或芽孢,使滅菌后期菌落總數(shù)趨于穩(wěn)定[20]。根據(jù)GB 10136—2015《食品安全國家標準 動物性水產(chǎn)制品》,即食水產(chǎn)制品的微生物限量為5×104CFU/g,所有樣品的初始菌落總數(shù)均小于限量,產(chǎn)品菌落總數(shù)指標合格。

圖2 熱風干燥對凡納濱對蝦初始菌落總數(shù)的影響

2.3 熱風干燥對凡納濱對蝦蝦干質(zhì)構(gòu)的影響

如圖3所示,熱風干燥過程中,蝦干的硬度和咀嚼性受干燥條件影響,隨著干燥溫度上升,烘干時間增加,水分含量減少而硬度和咀嚼性逐漸增大,其中105-13蝦干硬度和咀嚼性最大。當水分含量相同時,使用較高溫度干燥的蝦干的硬度和咀嚼性較大。因為烘箱干燥主要是利用對流傳熱,其傳熱速度慢,較高的烘干溫度,導致蝦干表面溫度上升較快,出現(xiàn)表面溫度較高,而內(nèi)部溫度較低的現(xiàn)象;表面水分蒸發(fā)的速率大于水分從內(nèi)部擴散到表面的速率,導致表面發(fā)生硬化現(xiàn)象[21]。優(yōu)質(zhì)蝦干應蝦肉緊密、柔韌、有嚼勁;干燥溫度較低,水分含量較高的蝦干,其硬度和咀嚼性較小,蝦肉不緊密且發(fā)黏;干燥溫度較高,水分含量較低的蝦干,因大量水分從肌纖維內(nèi)部流出,使纖維之間黏結(jié),蝦肉變硬,難以咀嚼。根據(jù)數(shù)據(jù)分析、文獻參考、專家意見和感官人員評分,確定85-19樣品的硬度和咀嚼性最佳。因此將質(zhì)構(gòu)指標的原始數(shù)據(jù)進行無量綱處理時,樣品的硬度與咀嚼性小于樣品85-19時,使用公式(3),反之使用公式(4)。

a-硬度;b-咀嚼性

2.4 熱風干燥對凡納濱對蝦蝦干揮發(fā)性成分的影響

氣味是評價食品質(zhì)量的重要指標,也是消費者購買的重要判斷依據(jù)[22]。采用GC-MS分析蝦干揮發(fā)性化合物,以壬酸甲酯為內(nèi)標物進行定量,計算出蝦干的氣味活性物質(zhì),其結(jié)果如圖4、電子增強出版附表1所示(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032293)。隨著干燥溫度的上升,水分含量的減少,蝦干揮發(fā)性成分含量和種類都上升,分別從232.79 ng/g、39種(65-25)增加到1 426.22 ng/g、58種(105-13)。升高溫度能夠促進美拉德反應和脂類氧化降解等反應的發(fā)生與進行。其中吡嗪類、醛類和胺類是3類含量變化最大的揮發(fā)性化合物,其含量分別從35.04、51.44、61.00 ng/g(65-25)增加到495.11、313.77、385.62 ng/g(105-13),增加了13.13、5.10和5.32倍,3者的總含量占揮發(fā)性成分總含量從68.83%上升到87.99%;同時吡嗪類和醛類化合物種類也變豐富,分別從8、7種增加到19,12種。其結(jié)果與HU等[3]研究凡納濱對蝦的干燥過程中吡嗪類、醛類和三甲胺變化一致。

圖4 不同干燥條件凡納濱對蝦揮發(fā)性成分含量

蝦干的氣味活性物質(zhì)的數(shù)量和OAV隨著干燥溫度的上升,水分含量的減少,大幅度增加,分別從7種、90.47增加到17種、1 073.95。25種不同溫度、水分含量的蝦干樣品共篩選出24種氣味活性物質(zhì),其中吡嗪類4種、醛類10種、胺類1種、酮類2種、醇類3種、雜環(huán)類3種、含硫類1種。主體氣味活性物質(zhì)(OAV≥10)共10種,分別為2-乙基-5-甲基吡嗪(堅果味)、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(烤香味、煙熏味)、2,5-二甲基吡嗪(堅果香、烤香味)、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪(烤香味)、三甲胺(青草味、腥味)、2-乙酰-1-吡咯啉(爆米花味)、1-辛烯-3-醇(蘑菇味)、苯甲醛(水果味、花香味)、辛醛(煮土豆味、油脂味)、戊醛(果香)。氣味活性物質(zhì)的種類與文獻[15,23-24]研究結(jié)果相似。

吡嗪類化合物是蝦干制品中一種含量高、閾值低的揮發(fā)性化合物,通常呈現(xiàn)烘烤味、肉香味、堅果味等風味特征,對蝦干制品特征香氣的形成起至關(guān)重要的作用[25]。其主要來源于美拉德反應,在干燥過程中,先生成吡嗪的前體物α-氨基羰基化合物,再由2個α-氨基羰基化合物發(fā)生縮合反應,形成二氫吡嗪,然后二氫吡嗪可經(jīng)非氧化或氧化2個途徑形成吡嗪[26]。醛類因閾值較低且含量較高,對蝦干制品的風味貢獻較大。苯甲醛、3-甲基丁醛和2-甲基丁醛是蝦干制品重要的氣味活性化合物,是經(jīng)過苯丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸經(jīng)Strecker降解反應生成,主要貢獻了花果香、青草味、烤土豆味。戊醛、辛醛等烷基醛主要貢獻果香和煮土豆味,是來源于不飽和脂肪酸熱氧化降解反應[27]。三甲胺被認為是水產(chǎn)品中刺激性氣味和腥味的主要來源,作為一種評價水產(chǎn)品新鮮度的指標。在熱加工中,其主要是由膽堿、甜菜堿、蛋氨酸或三甲胺氧化物的熱分解產(chǎn)生。

吡嗪類、醛類和胺類的含量、種類和OAV的占比遠高于其他揮發(fā)性物質(zhì),同時在加熱過程中這些化合物含量變化明顯,因此選取揮發(fā)性成分作為熱風干燥凡納濱對蝦品質(zhì)綜合評價模型的準則層,選取吡嗪類、醛類和胺類作為揮發(fā)性成分的指標層。

2.5 基于層次分析法確定各指標權(quán)重系數(shù)

根據(jù)Saaty九標度法構(gòu)建判斷矩陣,共構(gòu)建了1個準則層和4個指標層的判斷矩陣,然后計算各指標的權(quán)重系數(shù)、λmax、和CR(表4),檢驗判斷矩陣的一致性。其中所有CR<0.1,表明所有的判斷矩陣都通過一致性檢驗。根據(jù)準則層和指標層的權(quán)重系數(shù)及關(guān)系,算出各指標的權(quán)重系數(shù),結(jié)果如表5所示。吡嗪類權(quán)重系數(shù)最大,醛類、硬度和咀嚼性次之。吡嗪類和醛類是蝦干的特征香氣,蝦干理化與衛(wèi)生指標相同,可能存在香氣特征有差異明顯現(xiàn)象,從而導致產(chǎn)品流通過程的質(zhì)量問題投訴事件頻發(fā),因此蝦香味作為蝦干的客觀評價重要指標無可替代[28]。

表4 判斷矩陣與一致性檢驗結(jié)果

表5 各指標的權(quán)重系數(shù)

2.6 蝦干品質(zhì)綜合評分

根據(jù)綜合評分Yi(公式7)的計算方式,得出熱風干燥凡納濱對蝦的綜合評分,結(jié)果如表6所示。其中85-19的綜合評分最高,為0.711 1分,105-22、85-13、85-16次之。此時蝦干色澤均勻,為紅黃色;蝦肉緊密,柔韌,有嚼勁;蝦香味濃郁;微生物指標合格;是一種品質(zhì)優(yōu)良的蝦干。

表6 熱風干燥凡納濱對蝦的綜合評分

3 結(jié)論

在熱風溫度65～105 ℃條件進行干燥,使蝦干最終水分含量為13%～25%,其硬度、咀嚼性與揮發(fā)性成分含量、種類和OAV等指標隨著干燥溫度上升,烘干時間增加,水分含量減少而逐漸增大,初始菌落總數(shù)反之。層次分析法共構(gòu)建1個準則層和4個指標層的判斷矩陣,所有的判斷矩陣均通過一致性檢驗。最終蝦干綜合評分最高的工藝為:干燥溫度85 ℃、蝦干水分含量19%。在該條件下,得到一種色澤為紅黃色,蝦肉緊密、柔韌、有嚼勁,蝦香味濃郁,微生物指標合格,品質(zhì)優(yōu)良的蝦干。層次分析法的構(gòu)建與運用,為評價蝦干品質(zhì)和確定生產(chǎn)工藝提供一種質(zhì)量評價方法。