任夢婷，孫若文，尹濤，尤娟，熊善柏

華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院/國家大宗淡水魚加工技術研發(fā)分中心（武漢）/環(huán)境食品學教育部重點實驗室，武漢430070

鰱是我國“四大淡水魚”之一，為濾食性魚類，具有生長速度快、抗病能力強、可改善水質的優(yōu)點，常與其他魚類混合養(yǎng)殖。2021年我國鰱產(chǎn)量約384萬t［1］。水產(chǎn)品加工副產(chǎn)物包括魚皮、魚鱗、魚骨等，其中魚鱗占副產(chǎn)物總質量的2%～5%［2］。在生產(chǎn)中，部分魚鱗可用來提取膠原蛋白，但是加工過程中需要用酸或堿進行脫鈣，給環(huán)境治理增加壓力［3-4］。因此，亟需拓展鰱魚鱗加工的新途徑，以提升其附加值。

“預制菜”是指是一類通過現(xiàn)代化、標準化方式集中生產(chǎn)，再經(jīng)冷凍或真空包裝儲存，以“半成品”狀態(tài)銷售的菜。淡水魚預制菜因食用方便，受到眾多消費者的青睞，市場份額逐步增加，具有廣闊的市場前景。預制菜行業(yè)的蓬勃發(fā)展，為魚鱗凍的流通提供了條件。

鰱主要用于魚糜加工，其副產(chǎn)物中的魚鱗易集中回收、清潔度高，適合用于魚凍預制菜加工。從魚鱗中提取的膠原蛋白經(jīng)加工制成魚鱗凍，安全營養(yǎng)，含有大量水溶性膠原蛋白，有補鈣、美容、強身、健腦的功效，與其他膠原蛋白相比，魚鱗凍更易被人體消化吸收，且制作工藝簡單，無需大型設備即可完成。顧楊娟等［5］研究了草魚魚鱗凍的工藝優(yōu)化，得出最佳提膠溫度為100 ℃，時間為2 h，在酸處理條件下料水比為1∶5，未前處理和酶處理條件下料水比為1∶4。李燕等［6］采用感官評價及折曲試驗的方法來設計實驗，得出熬煮時間為90～120 min，水鱗比為2∶1～3∶1時產(chǎn)品呈最佳狀態(tài)。

然而，目前未見鰱魚鱗凍預制菜加工工藝和特性研究的相關報道。因此，本研究采用響應面試驗設計方法，以得率和凝膠強度為目標參數(shù)，對鰱魚鱗凍熬煮工藝進行優(yōu)化，進一步對制備的鰱魚鱗凍的凝膠特性進行表征，以期為鰱魚鱗的增值利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鰱魚鱗由湖北省洪湖市井力水產(chǎn)食品股份有限公司提供，將其用自來水漂洗后備用?？ɡz購自山東省滕州市香凝生物工程有限責任公司。

1.2 儀器與設備

數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海力辰邦西儀器科技有限公司；YP 30002電子天平，上海衡際科學儀器有限公司；TA-XT plus型質構儀，英國Stable Micro System公司；DSC204型差示量熱掃描儀，德國耐馳公司；NMI20-025V-I低場核磁共振（low frequency nuclear magnetic resonance， LF-NMR）儀，蘇州紐曼分析儀器股份有限公司；AR-2000ex動態(tài)流變儀，英國TA公司。

1.3 魚鱗凍的制備工藝

魚鱗凍的加工工藝流程為：鰱魚鱗→解凍→清洗→加自來水、卡拉膠熬煮→過濾→冷藏→包裝。

鰱魚鱗在室溫條件下解凍后，用自來水漂洗干凈，除去表面的血跡及黏液，瀝干，備用。設置一定的水鱗比、熬煮溫度、熬煮時間及卡拉膠含量，用保鮮膜封口，防止水分蒸發(fā)。水浴加熱提膠，用濾網(wǎng)（篩孔孔徑0.85 mm）過濾濾液，將濾液置于4 ℃冷藏，濾液呈凝膠狀后進行包裝，冷藏。

1.4 熬煮工藝優(yōu)化設計

參考顧楊娟等［5］及李燕等［6］的制備工藝參數(shù)，采用響應面試驗設計方法，選擇水鱗比、熬煮溫度、熬煮時間、卡拉膠用量4個變量3個水平，設計29組試驗，分別測定樣品的得率和凝膠強度。本試驗采用綜合加權法評價樣品性質。設定評價指標順序為凝膠強度>得率，凝膠強度和得率指標的權重系數(shù)分別為0.7、0.3。綜合評分=凝膠強度×0.7 +得率×0.3。響應面試驗設計見表1。

表1 響應面試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment design

1.5 得率的計算

稱取成品魚鱗凍質量為m1，瀝干后魚鱗質量為m2，每個樣品取3個平行測3次，取平均值。得率計算如下：

1.6 凝膠強度的測定

參考張芷蕓等［7］的方法測定，并做適當修改。采用TA-XT plus質構儀測定凝膠強度，參數(shù)設定：使用P/0.5S探頭，下壓高度為4 mm，下壓速度為1.0 mm/s。凝膠強度為破斷力與破斷距離的乘積（g·mm）。每組樣品，測定3個平行樣，取平均值。

1.7 魚鱗凍的凝膠性質測定

稱取備用的鰱魚鱗30 g，分別設置水鱗比為3∶1、4∶1、5∶1，以水和魚鱗的總質量為100%計，添加0.8%卡拉膠，在90 ℃水浴鍋中反應90 min，經(jīng)濾網(wǎng)（篩孔孔徑0.85 mm）過濾后置于4 ℃環(huán)境中密封冷藏。所制備的魚鱗凍分別用于動態(tài)流變學、熱力學及水分分布測試。

參考沙小梅等［8］的方法測定流變學特性，取一定量的魚鱗凍樣品置于載物臺與圓形平板（直徑為4 cm）之間，用手術刀切除多余的樣品，載物臺與平板間隙為1 000 μm。將液體石蠟逐滴加到保溫蓋的縫隙中，防止水分蒸發(fā)。采用溫度掃描方式，參數(shù)設置如下：振動頻1 Hz，應變力0.5%，從5 ℃加熱到45 ℃，升溫速度為5 ℃/min。

準確稱取魚鱗凍5～10 mg于40 μL鋁質坩堝中，壓蓋密封，利用空坩堝作為參比。所使用的氣體為氮氣，反應氣流速20 mL/min，干燥氣流速 60 mL/min。由5 ℃升至45 ℃，升降溫速度：2 ℃/min。利用PeakFit v 4.12軟件對DSC曲線進行分析，得出吸熱轉變峰溫度（Tp）和熱焓值（ΔH）。

將低溫環(huán)境下保存的魚鱗凍切成5 cm×5 cm大小塊狀，待用。進行低場核磁信號采集，首先對QFID序列進行單次采樣后，用標樣尋找中心頻率（SF1）和偏移頻率（O1）。再利用CPMG脈沖序列設定采樣參數(shù)：頻率主值（SF）20 MHz，偏移頻率（O1）620 117.20 Hz，90°脈寬（P1）9.52 μs，180°脈寬（P2）18.48 μs，接收機帶寬（SW）200 kHz。在完成信息收集后，使用反演對話框重建算法SIRT進行100萬次的迭代計算，得到橫向弛豫時間（T2）。

1.8 數(shù)據(jù)處理

數(shù)值為“平均值±標準差”，每組試驗重復3次。采用 Design-Expert 和SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進行處理， LSD檢驗（α=0.05）。采用Origin 2019繪圖。

2 結果與分析

2.1 熬煮工藝優(yōu)化結果

魚鱗凍熬煮工藝的響應面試驗結果見表2，采用 Design-Expert對表2數(shù)據(jù)進行分析，得到水鱗比（A）、熬煮溫度（B）、熬煮時間（C）、卡拉膠用量（D）與綜合加權分（Y）的回歸方程為：Y=79.96?33.33A?9.11B+4.02C+9.90D+7.38AB?1.90AC?0.57AD+0.17BC?1.91BD+1.98CD+14.35A2?7.15B2+0.040C2?1.54D2。模型的方差分析結果見表3。綜合加權分二次多項回歸模型的F值為11.27，P值為 0.000 1，相關系數(shù)R2=0.918 5，表明模型擬合度好，可用于預測和驗證鰱魚鱗凍工藝優(yōu)化后的參數(shù)值。由表3可見，水鱗比及卡拉膠用量對鰱魚鱗凍的綜合加權分影響極顯著（P<0.01），熬煮溫度的影響顯著（P<0.05），熬煮時間及其他交互項的影響不顯著（P>0.05）。

表2 響應面實驗設計與結果Table 2 Experimental design and results

表3 響應面回歸方程的方差分析Table 3 Analysis of variance for response surface regression equations

圖1為4個變量對綜合加權分影響的響應面圖。由圖1可見，隨著水鱗比的增加，鰱魚鱗凍的綜合加權分減少。熬煮溫度、熬煮時間和卡拉膠含量對綜合加權分影響不明顯。由圖1可以看出，水鱗比對魚鱗凍的綜合加權分影響明顯，水鱗比值越大， 可促進魚鱗中的膠原向水中溶解，凝膠濃度越大，得到的魚鱗凍凝膠強度越大；但隨著水鱗比的增加，凝膠強度逐漸下降，說明膠原在提取過程達到平衡狀態(tài)，水的增加使膠原濃度越來越低，對應凝膠強度降低。由此判定對魚鱗凍綜合加權分影響的順序由大到小依次為：水鱗比、卡拉膠含量、熬煮溫度、熬煮時間?？梢妼︳~鱗凍樣品影響最顯著的變量為水鱗比。

圖1 各變量對魚鱗凍綜合加權分影響的響應面圖Fig. 1 Response surface diagram of the effect of various variables on the comprehensive weighted score of silver carp scale jelly

2.2 熬煮參數(shù)的優(yōu)化和驗證

利用 Design-Expert 軟件對模型方程求一階偏導，得到一組優(yōu)化的理論工藝參數(shù)：水鱗比為3.04∶1，熬煮溫度為80.783 ℃，熬煮時間為97.095 min，卡拉膠用量為0.987%。為便于實際操作，調整水鱗比為3∶1，熬煮溫度為80 ℃，熬煮時間為90 min，卡拉膠用量為1%，綜合加權分預測值為145.886，經(jīng)過驗證試驗，得到魚鱗膠產(chǎn)品的得率3.62%，凝膠強度為206.59 g·mm，綜合加權分為145.699，與預測值十分接近，說明回歸模型能較好地預測鰱魚鱗凍的熬煮加工工藝條件，最優(yōu)參數(shù)組合有較強的可行性。

2.3 魚鱗凍的動態(tài)流變學特性

根據(jù)響應面試驗結果，對魚鱗凍樣品影響最顯著的變量為水鱗比，進一步研究不同水鱗比對魚鱗凍凝膠特性的影響。當水鱗比分別為3∶1、4∶1、5∶1時，溫度掃描過程中的彈性模量（G′）如圖2所示。隨著溫度升高，G′值逐漸降低。結果表明，魚鱗凍的融膠過程如下：在5～20 ℃，凝膠開始融化，G′值呈下降趨勢，在20～28 ℃，3種樣品的G′值均迅速下降；在30～45 ℃，G′值的下降程度明顯減弱，趨于穩(wěn)定，樣品由凝膠狀變?yōu)轲こ砣芤籂?。因此，可以初步確定魚鱗膠樣品的膠融溫度在24～27 ℃。

圖2 不同水鱗比對彈性模量的影響Fig.2 Effects of different water to scale ratios on elastic modulus

2.4 魚鱗凍的水分分布

不同水鱗比的魚鱗凍的低場核磁共振圖分析結果見表4?？梢姴煌局髼l件下的魚鱗凍均存在著2種不同狀態(tài)的水分群，其中的自由水為魚鱗凍的主要水分群。峰面積占比PT23和PT21、PT22有顯著性差異（P<0.05），隨著水鱗比的增加而顯著增大。不同水鱗比的峰面積之間沒有顯著性差異，隨著水鱗比的增大，自由水占比相應增大。以上結果表明，隨著水鱗比的增加，結合水向自由水轉變，自由水占比超過89%，流動性逐漸增加。

表4 不同水鱗比的魚鱗凍的弛豫時間和相應的峰面積Table 4 The relaxation time and corresponding peak areas of fish scale gels with different waterto scale ratios

2.5 魚鱗凍的熱力學性質

從魚鱗凍膠的DSC熱譜圖（圖3）可以看出，不同水鱗比的魚鱗凍的熱流變化趨勢大致相同。如圖3所示，水鱗比為3∶1、4∶1、5∶1的魚鱗凍峰值溫度分別為24.52、25.27和27.03 ℃，與流變特性測定的最大融化溫度范圍一致；熱焓值分別為0.10、0.07和0.03 J/g。在升溫過程中，魚鱗凍凝膠開始融化，魚鱗明膠的熱流逐漸升高，對應在熱譜圖中凝膠過程形成一個凸起的峰，峰值所對應的溫度為明膠的膠融溫度（TP），代表魚鱗明膠由三股螺旋結構向無規(guī)則卷曲轉化。隨著水鱗比的增加，熱焓值顯著降低，說明魚鱗凍的熱穩(wěn)定性降低。

圖3 不同水鱗比的魚鱗凍DSC圖Fig.3 DSC chart of fish scale gels with different water to scale ratios

3 討論

水鱗比對魚鱗凍的得率和凝膠強度的影響最大，熬煮時加水量越多，可促進膠原向水中溶解，得到的魚鱗凍越多。隨著熬煮時間的延長，產(chǎn)生了更多能量來破壞鍵能，釋放出更多游離的α-鏈和β-鏈，因此，熬煮時間越長，魚鱗凍的得率越高［9］。有學者設置不同溫度和時間來提取石斑魚的魚皮明膠， 結果表明溫度越高、時間越長，則回收率越高［10］。陳瑩艷等［4］通過正交試驗研究發(fā)現(xiàn)對得率的影響大小的因素依次為時間、pH值、溫度，與本試驗結果基本相符。

在加熱條件下，魚鱗明膠中保持三螺旋的次級鍵及部分肽鍵發(fā)生斷裂，膠原分子解鏈，不溶性膠原轉化為可溶性膠［11］。有研究發(fā)現(xiàn)，高溫雖然可以提高膠原蛋白轉化成明膠的速度，但卻會使明膠進一步水解，使得魚鱗凍的凝膠強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢［12］。熬煮時間越長，釋放出來的多肽鏈發(fā)生肽斷裂的機會也越大，由三螺旋結構向無規(guī)則卷曲結構轉變［13］，使得產(chǎn)品明膠的黏度和凝膠強度降低。鄭紅［14］研究證明添加卡拉膠的魚糜的凝膠強度高于未添加卡拉膠的魚糜，與本研究的結果一致。顧楊娟等［15］研究草魚魚鱗凍制備工藝發(fā)現(xiàn)影響凍力的因素高低依次為料水比、提膠溫度、提膠時間，與本試驗研究結果相符。

彈性模量（G′）反映黏彈性物質的類固體特性，即彈性。溫度在20～28 ℃時，魚鱗凍的彈性模量（G′）迅速下降，其原因可能是溫度升高破壞了以氫鍵為主的低溫凝膠化網(wǎng)絡結構，導致凝膠結構破壞，由三股螺旋結構解鏈成單鏈［16］。彈性模量值與魚鱗凍的膠原蛋白濃度、肽鏈結構有關，隨著水鱗比減小，用水量越少，魚鱗凍中膠原蛋白濃度相對越高，熱穩(wěn)定性越好，與凝膠強度的變化結果相符。

水分狀態(tài)及其分布可直觀地反映魚鱗凍持水能力的變化［17］。橫向弛豫時間T2反映了魚鱗凍的水分與物質結合的緊密度，T2越短，說明結合得越緊密，水流動性越差［18］；T2越長，表明水分越自由［19］。參照現(xiàn)有劃分方法，將橫向弛豫時間T21（峰頂時間<10 ms）的水分定義為強結合水，流動性較差；將橫向弛豫時間為T22（10 ms<峰頂時間<100 ms）的水分定義為弱結合水，受一定束縛；將橫向弛豫時間為T23（峰頂時間>100 ms）的水分定義為自由水，具有較強流動性［20］。隨著水鱗比增加，T23信號峰位置向右偏移，弛豫時間顯著增加，說明魚鱗凍水分自由度變大，可能是因為含水量增加導致明膠濃度降低，形成網(wǎng)絡致密性下降，對水的束縛降低，水由強結合水轉為自由水，水分的流動性增加。

DSC熱譜圖中，隨著水鱗比增加，熱焓值下降，表明魚鱗凍的熱穩(wěn)定性降低。是由于水分增加降低了明膠濃度，破壞魚鱗凍的有序網(wǎng)絡結構，抑制凝膠網(wǎng)絡的形成，使凝膠處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此結果與凝膠強度的變化一致。若結合水（受束縛水）包裹著聚合物和結合水，形成類似“籠形”的“聚集體”，在空間允許時，自由的水分子會形成更多的氫鍵［21］。根據(jù)水分分布試驗，隨水鱗比的增加，禁錮在空間網(wǎng)狀結構中的自由水增多可能導致吸熱峰的峰值向高溫區(qū)偏移。

綜合來看，水鱗比對水分分布、流變特性、膠融溫度等都有顯著影響，鰱魚鱗可用于新型凝膠類預制菜加工。筆者僅研究了魚鱗凍的加工工藝及凝膠特性，但其品質的變化尚不清楚，后續(xù)將針對魚鱗凍在生產(chǎn)及冷藏中的品質變化作進一步研究。