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(上海海洋大學(xué),食品學(xué)院,食品熱加工工程中心, 食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué)),上海 201306)

對食品介電特性的研究已有大量的報道。FARBER-LORDA[10]、王竹怡[11]、WANG[12-13]和GUO[14]等研究了大米、豆類和核桃等粉末的介電特性;而對于葡萄糖和蔗糖固體粉末的介電特性還暫未見報道。何天寶[15]、張保艷[16]、OKIROR[17]、ZHANG[18]和郭文川[19]等研究了頻率、溫度、水分含量、鹽、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等對介電特性的影響;GUO[20]等研究了四種蜂蜜中添加蔗糖糖漿對介電特性的影響;WANG[21]等研究了鹽和蔗糖對馬鈴薯的介電特性的影響。然而,糖是重要的風(fēng)味改良劑,在肉制品中起到賦予甜味和助解的作用,并能增添制品的色澤和風(fēng)味,也常用來保藏肉類;伴隨著微波新型加工食品技術(shù)的興起,糖在實際生產(chǎn)和生活中應(yīng)用廣泛。單一葡萄糖對食品介電特性的影響暫未見報道。因此,蔗糖和葡萄糖添加到蝦肉中對介電特性和微波加熱的影響成為急需解決的問題。

本研究測定了葡萄糖和蔗糖粉末的介電特性以及葡萄糖和蔗糖對南極磷蝦蝦肉糜介電特性、升溫曲線和溫度分布的影響。研究結(jié)果可以為以南極磷蝦為原料,開發(fā)高品質(zhì)蝦肉糜制品的微波工業(yè)化生產(chǎn)提供參考和基本理論依據(jù),同時,對于推進(jìn)我國水產(chǎn)品精深加工技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的實際意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南極磷蝦蝦磚 (-18 ℃)于2016.11～12月捕獲于南極地區(qū),青島大康尚品商貿(mào)有限公司;封口膜(PARAFLIM) 美國Polysciences公司;蔗糖、葡萄糖和其它化學(xué)試劑(分析純) 上海國藥集團(tuán)。

JYL-C020E料理機(jī) 山東九陽股份有限公司;PNA-L網(wǎng)絡(luò)分析儀 美國Agilent公司;SH-241恒溫恒濕箱 日本ESPEC公司;BS224S分析天平 德國Sartorius公司;DHG-9245鼓風(fēng)干燥箱 上?；萏﹥x器制造有限公司;THERMIC MODEL 2100A熱電偶測溫儀 日本ETO DENKI公司;DZF-6021真空干燥箱 上海景邁儀器設(shè)備有限公司;MP522 pH計 上海三信儀表廠;松下NN-GD568M微波爐 深圳新世聯(lián)科技有限公司;光纖溫度計 加拿大FISO科技公司;TH7700紅外熱像儀 日本NEC San-Ei儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 成分的測定 水分含量、粗蛋白含量、粗脂肪含量、粗灰分含量測定分別采用直接干燥法(GB/T 14489.1-2008)、凱氏定氮法(GB/T 5511-2008)、索氏抽提法(GB/T 14772-2008)、直接灰化法(GB/T 6438-2007)。

1.2.2 蝦肉糜的制備 冷凍的南極磷蝦蝦磚(-18 ℃)在靜水中解凍1 h,將解凍后的南極磷蝦進(jìn)行去頭、去尾和去殼處理;將處理得到的蝦肉放在均質(zhì)機(jī)中以23000 r/min間歇性均質(zhì)3 min,將均質(zhì)后的蝦肉糜放在4 ℃冰箱中備用。

1.2.3 樣品的制備 葡萄糖和蔗糖晶體粉末的堆積密度測定采用GUO[14]等人的方法。分別稱取(2.0±0.1) g蔗糖和葡萄糖粉末添加到尼龍模具(高15 mm,內(nèi)徑10 mm)中,壓成與粉末含水率對應(yīng)的堆積密度的圓柱狀待測樣品。

將一定量的蝦肉糜和一定量的去離子水和糖混合,配制成糖含量分別為0%、1%、3%和5%的蝦肉糜復(fù)合物,然后,攪拌均勻后,真空脫氣處理1～2 min。蝦肉糜復(fù)合物的pH是通過pH計測定。稱取(5±0.1) g蝦肉糜填入模具(高15 mm,內(nèi)徑10 mm)中,用封口膜密封,放在4 ℃的冰箱中備用。

1.2.4 介電特性 純極性材料的介電特性可以用德拜公式推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)公式描述[22]

式(1)

式中,ε∞是高頻下的介電常數(shù)(分子定向不能達(dá)到極化),εs是低頻下的介電常數(shù)(靜態(tài)介電常數(shù)),f是頻率(Hz),τ=1/(2πfR)是弛豫時間,弛豫頻率(fR)是偶極子旋轉(zhuǎn)落后于驅(qū)動場π/2的數(shù)值。εs反映的是布朗運動和分子極化在靜態(tài)電場下的動態(tài)平衡。

式(2)

式(3)

由于蝦肉糜中主要是水,水是一個很強(qiáng)的極性溶劑。因此公式(2)和(3)可以用來解釋食品材料的介電特性。

1.2.5 介電特性的測量 樣品的介電特性是通過同軸探針連接網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量的。為了獲得穩(wěn)定的讀數(shù),在校準(zhǔn)和測量前,打開測量系統(tǒng)并在穩(wěn)定的環(huán)境下保持至少1 h。同軸探針采用空氣、短接塊和去離子水(25 ℃)校準(zhǔn),校準(zhǔn)完成后測量去離子水的介電特性以檢測校準(zhǔn)的有效性。葡萄糖和蔗糖粉末的介電特性在室溫(25 ℃)和頻率范圍(300～3000 MHz)下測量,分別稱取(0.3±0.01) g蔗糖和葡萄糖粉末添加到壓好的相應(yīng)的樣品表面,以便與探針有良好的接觸;然而,南極磷蝦蝦肉糜及其復(fù)合物介電特性的測定:頻率范圍是300～3000 MHz和溫度范圍是20～80 ℃以20 ℃為間隔。采用恒溫恒濕箱加熱樣品,同時采用熱電偶監(jiān)測樣品中心溫度的變化情況,當(dāng)樣品中心達(dá)到所設(shè)定的溫度后,立刻測量樣品的介電特性,每組三次平行。

1.2.6 穿透深度 穿透深度是介電加熱中一個重要的概念,被定義為微波能量減小到原來的1/e(e=2.718)或者36.8%時距離表面的深度[23]。在測得介電特性之后,電磁能在蝦肉糜中的穿透深度可以用如下公式計算:

式(4)

式中:dp為穿透深度(m);c=3×108m/s,為光在真空中傳播的速度;f為頻率(Hz);ε′和ε″分別為介電常數(shù)和介電損失率。

1.2.7 升溫曲線和溫度分布的測定 微波工作站是用來加熱和監(jiān)測樣品溫度變化。微波加熱條件設(shè)置為250 W和60 s,樣品的初始溫度為4 ℃。(20.0±0.1) g樣品被填入到尼龍模具中(高25 mm,內(nèi)徑30 mm),用2.0 cm厚度的聚乙烯泡沫包裹,放置在微波爐轉(zhuǎn)盤中心。用光纖插入到樣品的中心測量溫度變化,加熱時間是60 s,每5 s為一個間隔,記錄每個時間對應(yīng)的溫度值。加熱過之后,用細(xì)線快速把樣品切成兩半(縱切面),用紅外熱像儀測量縱切面的溫度分布。所有過程在30 s內(nèi)完成。當(dāng)微波爐恢復(fù)初始狀態(tài),測量下一個樣品。

1.2.8 統(tǒng)計分析 所有的實驗數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n≥3),實驗結(jié)果采用Excel 2007(Microsoft,Washington,USA)整理、Origin 9.0(OriginLab,Massachusetts,USA)作圖和SPSS 16.0(SPSS Co. Chicago,USA)分析數(shù)據(jù)間的顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 蔗糖和葡萄糖粉末的介電特性

由圖1所示,在300～3000 MHz頻率范圍內(nèi),蔗糖和葡萄糖粉末的介電常數(shù)和介電損失率均分別在1.70±0.15和0.03±0.11范圍內(nèi)。由圖1(a)所示,葡萄糖和蔗糖的介電常數(shù)隨著頻率的增加具有相似的變化規(guī)律且葡萄糖的介電常數(shù)略高于蔗糖:當(dāng)頻率在400 MHz時,介電常數(shù)減小到最低值;在400 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)時,介電常數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢;當(dāng)大于1 GHz時,介電常數(shù)基本保持不變。這可能與葡萄糖(8.0%)和蔗糖(0.03%)的水分含量有關(guān)。由圖1(b)所示,蔗糖和葡萄糖的介電損失率均隨著頻率的增大而減小且具有相似的大小和變化規(guī)律(波動下降)。王竹怡[11]等發(fā)現(xiàn)黑豆和紅蕓豆的介電性能在含水率分別為12%和32%時無明顯差異。由于水是典型的偶極子,與大部分食品組分相比,能吸收更多的電磁能,不同形式的水對食品介電性能影響有差異[24]。在低水分含量的食品中,水主要以結(jié)合水存在,介電特性值隨著水分含量的增加緩慢地增加[14]。而且,蔗糖和葡萄糖的純度和狀態(tài)也會影響介電特性。

圖1 在常溫下(25 ℃)蔗糖和葡萄糖粉末的介電常數(shù)和介電損失率Fig.1 The dielectric constant and dielectric loss factor of sucrose and glucose powder at 25 ℃注:(a):介電常數(shù);(b):介電損失率;圖2同。

2.2 南極磷蝦蝦肉糜的介電特性

圖3 在915 MHz和2450 MHz下溫度對不同蔗糖含量的南極磷蝦蝦肉糜介電常數(shù)和介電損失率的影響Fig.3 The effect of temperature on dielectric constant and dielectric loss factor of different sucrose content of minced Antarctic krill compound at 915 MHz and 2450 MHz 注:(a):915 MHz下介電常數(shù);(b):915 MHz下介電損失率;(c):2450 MHz下介電常數(shù);(d):2450 MHz下介電損失率;圖4同。

由圖2(a)所示,南極磷蝦蝦肉糜的介電常數(shù)隨著溫度的升高和頻率的增大而降低,可能是由于溫度的升高使分子間的震動增加,從而導(dǎo)致水分子的有序排列中斷[25]。介電常數(shù)由ε∞、εs、f和τ所確定,在給定的溫度下,ε∞、εs和τ幾乎是常數(shù),且介電常數(shù)和頻率的平方之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系。所以,隨著頻率的增大介電常數(shù)減小。在其它高水分含量食品也有類似趨勢被報道[26]。由圖2(b)所示,在300 MHz到2.3 GHz頻率范圍內(nèi),介電損失率隨著溫度的升高而增大,而在2.3 GHz到3 GHz頻率范圍內(nèi)時,溫度的升高反而使介電損失率降低。這與何天寶[15]等研究魚糜的拐點(890 MHz和1350 MHz)有所差異,可能是蝦肉糜與魚糜成分存在差異,尤其是水分和蛋白質(zhì)含量的差異導(dǎo)致拐點頻率的不同。在本研究中,南極磷蝦的基本組成成分:水分含量(77.83%±0.07%)(濕基)、粗脂質(zhì)含量(1.48%±0.50%)、粗蛋白含量(18.32%±0.15%)和灰分含量(2.31%±0.23%);而文獻(xiàn)中所使用的兩種魚糜的水分含量分別為76.5%和74.4%,蛋白質(zhì)含量分別為16.4%和14.8%[15]。在高水分含量的食品中,介電損失率主要包括偶極子損失和離子損失。偶極子損失和離子損失分別來自食品中水分子的轉(zhuǎn)動和離子遷移,在低頻率下離子傳導(dǎo)占主導(dǎo)優(yōu)勢,而隨著頻率的升高,離子傳導(dǎo)逐漸減弱,被逐漸加強(qiáng)的偶極旋轉(zhuǎn)所取代[16]。在微波頻率下,偶極子損失隨溫度的升高而降低,而離子損失隨著溫度的升高而升高[16]。

商業(yè)和家庭所用微波爐常采用特定頻段,而915 MHz和2450 MHz這兩種頻率分別被廣泛應(yīng)用于商業(yè)和家用微波爐。因此,在915 MHz和2450 MHz下介電特性的測定可以為以后的研究和蝦肉糜產(chǎn)品的大規(guī)模微波工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)的理論數(shù)據(jù)。下面主要討論在915 MHz和2450 MHz下蔗糖和葡萄糖添加量對南極磷蝦蝦肉糜介電特性的影響。

圖2 在溫度(20～80 ℃)和頻率(300～3000 MHz)下,南極磷蝦蝦肉糜的介電常數(shù)和介電損失率Fig.2 The dielectric constant and dielectric loss factor of minced Antarctic krill at temperature (20～80 ℃)and frequency(300～3000 MHz)

2.3 蔗糖對南極磷蝦蝦肉糜介電特性的影響

圖4 在915 MHz和2450 MHz下溫度對不同葡萄糖含量的南極磷蝦蝦肉糜介電常數(shù)和介電損失率的影響Fig.4 The effect of temperature on dielectric constant and dielectric loss factor of different glucose content of Antarctic krill surimi compound at 915 MHz and 2450 MHz

由圖3(a)和圖3(c)所示,在915 MHz和2450 MHz下,隨著溫度的升高,不同蔗糖含量的南極磷蝦蝦肉糜復(fù)合物介電常數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢,不同蔗糖含量的南極磷蝦蝦肉糜在同一溫度和頻率下,介電常數(shù)之間無明顯差異(p>0.05)。介電常數(shù)在915 MHz下比2450 MHz下高,例如在蔗糖含量為3%且溫度為20 ℃時,在915 MHz和2450 MHz下介電常數(shù)分別是61.00±0.63和55.64±0.65。由圖3(b)所示,在915 MHz下,隨著溫度的升高,不同蔗糖含量的南極磷蝦蝦肉糜介電損失率均呈現(xiàn)上升的趨勢,而在2450 MHz下時卻呈現(xiàn)下降的趨勢(如圖3(d)所示)。隨著蔗糖添加量的增加,不同蔗糖含量的南極磷蝦蝦肉糜復(fù)合物的介電損失率之間無明顯變化(p>0.05)。由于蔗糖具有低電導(dǎo)率,因此隨著蔗糖添加量的增加,介電常數(shù)和介電損失率均無明顯變化。這與Wang[21]等研究土豆中添加糖對介電常數(shù)和介電損失率也無明顯變化一致。

表1 在915 MHz和2450 MHz下不同糖類含量的南極磷蝦蝦肉糜復(fù)合物的穿透深度Table 1 The penetration depth of different sugar content of minced Antarctic krill compound at 915 MHz and 2450 MHz

2.4 葡萄糖對南極磷蝦蝦肉糜介電特性的影響

由圖4(a)和圖4(c)所示,在915 MHz和2450 MHz下,隨著溫度的升高,不同葡萄糖含量的南極磷蝦蝦肉糜復(fù)合物的介電常數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢;隨著葡萄糖添加量的增加,南極磷蝦蝦肉糜復(fù)合物在同一溫度和頻率下的介電常數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢。由圖4(b)所示,在915 MHz下,隨著溫度的升高,不同葡萄糖含量的南極磷蝦蝦肉糜介電損失率均呈現(xiàn)上升的趨勢,而在2450 MHz下時卻呈現(xiàn)下降的趨勢(如圖4(d)所示)。隨著葡萄糖添加量的增加,南極磷蝦蝦肉糜復(fù)合物在同一溫度和頻率下的介電損失率呈現(xiàn)下降的趨勢。這可能是由于葡萄糖可以結(jié)合水分子,導(dǎo)致自由水含量發(fā)生改變,從而改變介電特性。葡萄糖與蔗糖相比,具有更低的分子量,因而分子旋轉(zhuǎn)遭受較小的阻力使分子較易達(dá)到極化,導(dǎo)致蔗糖和葡萄糖對南極磷蝦蝦肉糜的介電行為不同;由圖5可知，添加蔗糖到蝦肉糜中,pH無明顯變化,而添加葡萄糖的蝦肉糜復(fù)合物的pH,隨著添加量的增加而下降,例如:未添加糖的蝦肉糜和添加5%葡萄糖的蝦肉糜復(fù)合物的pH分別為6.74±0.03和6.67±0.02;pH的改變會導(dǎo)致分子間的疏水作用和靜電驅(qū)動力重排/破壞,最終導(dǎo)致介電行為的改變[27]。

圖5 糖含量對南極磷蝦蝦肉糜pH的影響Fig.5 Effect of sugar content on the pH of minced Antarctic krill

2.5 穿透深度

如表1所示,在同一頻率和溫度下,5%葡萄糖含量的蝦肉糜復(fù)合物的穿透深度較5%蔗糖含量的蝦肉糜復(fù)合物和未添加糖的蝦肉糜大;在同一溫度下,915 MHz下的穿透深度較2450 MHz時大。王冰冰[28]等以南美白對蝦蝦肉糜復(fù)合素材研究中也發(fā)現(xiàn)穿透深度在915 MHz比2450 MHz大。在915 MHz時,未添加糖的蝦肉糜、5%蔗糖含量和5%葡萄糖含量的蝦肉糜復(fù)合物的穿透深度均隨著溫度的升高而減小;在2450 MHz時,未添加糖的蝦肉糜在40 ℃時具有最大的穿透深度,后隨著溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢,5%蔗糖含量和5%葡萄糖含量的蝦肉糜復(fù)合物的穿透深度也具有相似的規(guī)律。這與張保艷[16]等研究的羅非魚在915 MHz和2450 MHz下的穿透深度隨溫度的變化具有相似的規(guī)律。樣品溫度的改變導(dǎo)致其介電特性值發(fā)生改變,從而使穿透深度也發(fā)生改變[29]。在其它糖含量的蝦肉糜復(fù)合物也具有相似的規(guī)律。

2.6 升溫曲線

在微波加熱過程中,當(dāng)微波通過導(dǎo)電材料,由于材料中極性分子的振蕩和分子間的摩擦而產(chǎn)生熱量。由圖6所示,在微波加熱(2450 MHz)40 s過程中,未添加糖的蝦肉糜中心的升溫曲線較5%蔗糖和葡萄糖含量的蝦肉糜復(fù)合物高,可能由于添加糖之后蝦肉糜的介電損失率降低，在微波加熱40 s過程中，添加5%葡萄糖的蝦肉糜復(fù)合物比添加5%蔗糖的蝦肉糜復(fù)合物的升溫速率快，這時不同糖類含量的蝦肉糜復(fù)合物的中心溫度達(dá)到60 ℃左右,蝦肉糜中蛋白質(zhì)發(fā)生變性;在微波加熱40～60 s過程中,添加5%蔗糖的蝦肉糜復(fù)合物的升溫速率比添加5%葡萄糖的蝦肉糜復(fù)合物快。在微波加熱過程中,隨著樣品溫度的升高,樣品的介電特性發(fā)生改變,從而影響微波能量的吸收。

圖6 微波加熱過程中不同糖類含量的蝦肉糜復(fù)合物的升溫曲線Fig.6 The temperature history of different sugar content of minced Antarctic krill during microwave heating

2.7 溫度分布

圖7所示,微波加熱后樣品橫截面溫度分布是不均勻的,呈現(xiàn)中心溫度高,邊緣溫度低。在微波加熱60 s之后,未添加糖的蝦肉糜、添加5%蔗糖的蝦肉糜和添加5%葡萄糖的蝦肉糜復(fù)合物的中心溫度分別為63.10、61.60和60.09 ℃，可能是由于糖類的添加降低了蝦肉糜的介電損失率，而邊緣溫度在0 ℃左右。這可能是由于微波爐中電磁場分布不均勻造成的。溫度分布的中心溫度比升溫曲線的溫度低,是由于在測量過程中熱損失造成的。

圖7 微波加熱60 s后不同糖含量的蝦肉糜復(fù)合物的溫度分布Fig.7 The temperature distribution of different sugar content of minced Antarctic krill after microwave heating 60 s注:(a):未添加糖的蝦肉糜;(b):添加5%蔗糖的蝦肉糜; (c):添加5%葡萄糖的蝦肉糜。

3 結(jié)論

在本研究中主要考察了蔗糖和葡萄糖粉末的介電特性,溫度、頻率和糖類(蔗糖和葡萄糖)對南極磷蝦蝦肉糜介電特性的影響,以及5%蔗糖和葡萄糖添加量對蝦肉糜升溫曲線和溫度分布的影響。隨著頻率的增大,蔗糖和葡萄糖粉末的介電特性具有相似的變化規(guī)律和數(shù)值大小。隨著頻率的增大,南極磷蝦蝦肉糜的介電常數(shù)和介電損失率均呈現(xiàn)下降的趨勢;隨著溫度的升高,南極磷蝦蝦肉糜的介電常數(shù)減小,而介電損失率在2300 MHz時出現(xiàn)拐點。隨著蔗糖和葡萄糖添加量的增加,添加蔗糖對南極磷蝦蝦肉糜介電特性無顯著影響,而添加葡萄糖使介電常數(shù)增大而介電損失率減小。在同一溫度和5%糖含量下,葡萄糖的介電常數(shù)和穿透深度較蔗糖高,而介電損失率較蔗糖低。5%蔗糖和葡萄糖添加量可以降低蝦肉糜微波加熱的升溫速率和溫度分布。在微波加熱40 s內(nèi)，添加5%蔗糖的蝦肉糜升溫速率較添加5%葡萄糖的蝦肉糜慢；而在微波加熱40～60 s內(nèi)，添加5%蔗糖的蝦肉糜復(fù)合物的升溫速率較添加5%葡萄糖的蝦肉糜快。葡萄糖的添加可以與蝦肉糜中的氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng),可能會影響蝦肉糜復(fù)合物的某些特性。因此,本研究為南極磷蝦蝦肉糜制品及其微波工業(yè)化生產(chǎn)提供一定參考。

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