高压脉冲电场对鱼骨液物理状态变化的影响.pdf

第 31 卷 第 8 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.8 2015年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr. 2015 251 高压脉冲电场对鱼骨液物理状态变化的影响 赫桂丹，殷涌光，闫晓侠，于庆宇 （吉林大学生物与农业工程学院，长春 131300） 摘 要：为了研究高压脉冲电场（high intensity pulsed electric fields, PEF）作用对物质物理状态变化的影响，该试验以鱼 骨液为研究对象，采用质构仪分析测试的方法，研究 PEF 作用下鱼骨液的流变学性质。通过主成分分析法确定 PEF 下鱼 骨液物理状态变化的综合指标公式，通过单因素试验和 Box-Behnken 中心设计法得出 PEF 作用鱼骨液最佳参数：液料比 9.81 mL/g、场强 23.10 kV/cm、脉冲数 10，综合指标达到 2.3312，此时鱼骨液的物理指标分别为第一压缩功 1.2 N，第二 压缩功 1.3 N，内聚性 1.21，弹性 9.25 mm，胶着性 0.11 N，说明经过 PEF 处理，鱼骨液在第一循环和第二循环内获得指 定形变所需要得能量增加，样品弹性增加，组成样品结构的内部键力降低，综合各物理状态指标的变化，说明 PEF 处理 后的鱼骨液物理状态得到了明显改善（P=0.001210.01） ，因此高压脉冲电场技术可以应用于鱼骨液的加工处理。 关键词：电场；优化；物理性质；鱼骨；主成分分析；Box-Behnken 设计 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2015.08.036 中图分类号：TS254 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-08-251-06 赫桂丹，殷涌光，闫晓侠，等. 高压脉冲电场对鱼骨液物理状态变化的影响J. 农业工程学报，2015，31(8)： 251256. He Guidan, Yin Yongguang, Yan Xiaoxia, et al. Effect of high intensity pulsed electric fields on physical changes of fishbone liquidJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8): 251256. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 世界各国淡水渔业发展迅猛，至今已占渔业总产量 的 40%1。 中国淡水养殖总产量占世界淡水养殖总产量的 2/3，是世界上水产品产量最大的国家，目前发达国家的 水产品加工率在 80%以上，而中国的水产品加工率不足 30%，其中淡水鱼加工率不到 20%2，除鲜销及少量冷冻 冷藏外运，淡水鱼的加工品仅占其总产量的 3%左右3， 大部分鱼类制品都将剩下的鱼骨作为下脚料处理，价格 低廉4。加工量比例较低，且加工技术含量低，高附加值 产品少；废弃物综合加工利用水平不高5。随着食品科技 的发展，尤其是水产加工业的发展，人们对鱼类资源的 充分利用提出了更高的要求。 高电压脉冲电场（high intensity pulsed electric fields, PEF）是一种全新的非热加工技术6，是一种将液态食品 作为电解质置于容器内，与容器绝缘的 2 个放电电极通 过高压电流，产生电脉冲进行作用的加工方法。最早对 于高压脉冲电场的研究主要集中在低温灭菌技术，直到 最近，人们发现高压脉冲电场因安全无害，具有传递均 匀、处理时间短、能耗低等特点，在液态食品的加工中 收稿日期：2014-12-25 修订日期：2015-03-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目（31301591） 作者简介：赫桂丹，女，吉林大安人，博士，工程师，主要从事农产品加工 及设备研究。长春 吉林大学生物与农业工程学院，131300。 Email： 通信作者：殷涌光，男，吉林白城人，教授，博士生导师，主要从事农产 品加工及设备研究。长春 吉林大学生物与农业工程学院，131300。 Email： 显示出特有的优越性，可以作为一种节能、高效的提取 技术7-9，可广泛应用于食品杀菌、提取和钝酶10-11，是 近十几年来最有前途的实现工业化应用的加工技术之 一。目前有利用高压脉冲电场技术成功从鱼骨液中提取 出鱼骨钙，硫酸软骨素12-14等有效成分的研究，但在提 取各化学成分的同时，高压脉冲电场技术对鱼骨液的物 理状态变化有何影响，国内外未见报道。为全面探讨高 压脉冲电场作用对鱼骨的综合影响，分析鱼骨液物理状 态变化与 PEF 参数间的特征规律，本文通过质构仪的方 法，分析鱼骨液的流变学性质研究 PEF 作用对鱼骨液物 理状态变化，利用高电压脉冲电场技术改善鱼骨液的物 理状态，综合各物理指标和化学指标，可以应用于加工 口服液饮料等产品，既为鱼骨的加工利用带来经济效益， 也为高电压脉冲电场技术的应用推广提供了理论参考。 1 材料与方法 1.1 材料和仪器 草鱼购于吉林长春欧亚超市，产自本地。首先将鱼 骨除肉剔净，粗碎成 34 cm 的骨块，然后将骨块进行 高压蒸煮 15 min（121，0.1 MPa），以除去脂肪和部分 蛋白质，使骨软化便于后面的粉碎，取出蒸煮的骨块， 用中药粉碎机精磨 10 min，(605)干燥至恒质量。鱼骨 粉的主要成分质量分数如下： 灰分质量分数 55.2 g/100 g， 粗蛋白质量分数 35.6 g/100 g，脂肪质量分数 7.5 g/100 g， 总糖质量分数 0.5 g/100 g，标准筛制备到 100 目，存储于 4冰箱备用。 自行设计的高电压脉冲电场装置；CT3 质构仪（美 农产品加工工程 农业工程学报 2015 年 252 国 Brookfield 公司）；FW135 型中药粉碎机（天津泰斯 特仪器公司）；101-1A 型电热鼓风干燥箱（上海实验仪 器厂有限公司）；JM-L50 胶体磨（河北厨房运用机械公 司）；JA10002 型电子天平（上海梅特勒公司）。 1.2 PEF 装置的设计 高压脉冲电场的系统装置如图 1 所示15。脉冲电源 的波形为三角波，其输出电压和电流的实际数值可由示 波器直接读出。其中高电压脉冲电源、示波器和处理室 是系统的主要工作部件，示波器用来测量脉冲电压、电 流及其波形。高电压脉冲电源产生的脉冲作用于处理室 内的电极，从而对流经处理室的样品进行处理。系统的 工作流程是：原料在料泵的作用下进入处理装置，在处 理室得到处理后，通过示波器指示波形、电压及电流， 流到成品罐。 图 1 高压脉冲电场系统装置图 Fig.1 Schematic of high intensity pulsed electric fields processing apparatus 1.3 试验方法 1.3.1 PEF 下鱼骨液物理状态变化综合指标公式的确定 本文采用主成分分析法确定 PEF 下鱼骨液物理状态 变化的综合指标公式。主成分分析法是一种多元分析方 法，从多个因子之间的相互关系入手，利用降维的思想， 将多指标用较少的指标去描述，并给多个指标进行重要程 度的排序，并转化为独立的综合指标的一种统计方法16。 评价鱼骨液物理状态变化的指标是第一压缩功、第二压 缩功、弹性、内聚性及胶着性等，采用主成分分析的方 法，对鱼骨液物理状态进行综合评价，将多指标转化为 单指标，确定指标权重，避免了人为赋予权重造成的主 观因素影响，按照各指标的权重综合评价鱼骨液的物理 状态，简化为一个综合指标公式，从而达到了简化分析 过程的目的。 本文采用 DPS 数据处理系统进行鱼骨液物理状态变 化的主成分分析。 1.3.2 PEF 下鱼骨液物理状态变化的质构分析 采用 CT3 质构仪对 PEF 处理的鱼骨液样品进行物理 状态性质测定，测定设置如下：测试类型为 TPA 质构分 析，目标为 10 mm，等待时间为 0，触发点负载为 0.01N， 测试速度为 1 mm/s，返回速度为 1 mm/s，循环次数为 2， 可恢复时间为 1 s，同一触发点为真，预测试速度为 2 mm/s，数据频率为 10 点/s，探头是 TA11/1000，夹具 是 TA-BT-KIT。 其中测定参数的要点如下： TPA 模式： 对样品执行 2 次压缩循环，并记录报告 5 个质构剖面分析结果；第一 压缩功：第一循环内，获得指定形变所需要的能量；第 二压缩功：第二循环内，获得指定形变所需要的能量； 弹性：当破坏力去掉时，材料恢复为其原来状态的速率； 内聚性：组成产品结构的内部键力，第二次压缩与第一 次压缩的正力面积之比；胶着性：用来估计食品达到吞 咽前所需要的能量。所有试验均做 3 次取平均值。 1.3.3 Box-Behnken 中心设计及响应面法确定 PEF 处 理鱼骨液最佳参数 响应面分析法（response surface methodology，RSM） 是一种寻找多因素系统中最佳条件的数学统计方法17， 依此可对函数的响应面和等高线进行分析来寻求最佳参 数。本文在单因素试验的基础上，根据 Box-Behnken 的 中心组合试验设计原理，采用响应面法对影响 PEF 处理 鱼骨液的参数进行三因素三水平中心组合设计，得出最 佳操作条件。试验因素设计见表 1。所有试验均进行 3 次重复取其平均值。 表 1 试验设计因素及编码水平 Table 1 Experimental design and code level 编码水平 Code level 因素 Factors 编码 Code -1 0 1 液料比 Liquid-to-solid ratio/(mLg-1) X1 9 10 11 电场强度 Electric field strength/(kVcm-1) X2 20 22.5 25 脉冲数 Pulse number X3 8 10 12 2 结果与分析 2.1 主成分分析法确定PEF下鱼骨液物理状态变化综 合指标公式 调节电场强度来确定 PEF 下鱼骨液物理状态变化的 综合指标公式。不同电场强度下鱼骨液中各物理参数变 化的质构仪测试结果如表 2 所示。 表 2 不同电场强度下鱼骨液中各物理参数变化的 质构仪测试结果 Table 2 Texture analyzer test results of fishbone liquid physical parameter under varying electric field intensity 电场强度 Electric field strength/ (kVcm-1) 第一循环 压缩功 First cycle compression work/N 第二循环 压缩功 Second cycle compression work/N 内聚性 Cohesivene- ss 弹性 Elastic /mm 胶着性 Ankylosis/N 0 0.10.01 00.01 1.840.15 80.11 0.180.06 5 0.20.02 0.10.01 1.770.04 20.05 10 0.20.01 0.10.01 1.470.07 5.680.090.050.01 15 0.20.01 0.20.02 1.420.03 5.960.080.010.01 20 0.30.03 0.20.01 1.210.05 60.02 25 0.50.02 0.20.02 0.990.02 9.71 30 0.30.01 0.10.01 0.160.01 8.71 注：液料比 12 mL/g，脉冲数 6。 Note: Liquid-to-solid ratio12 mL/g, pulse number 6. 以表 2 中的第一循环压缩功、第二循环压缩功、内 聚性、弹性和胶着性作为向量因子，通过主成分分析计 算将多指标转化为单指标，以确定指标的权重以及综合 评价公式。将结果进行主成分分析得到的结果如表3 所示： 第 8 期 赫桂丹等：高压脉冲电场对鱼骨液物理状态变化的影响 253 表 3 主成分分析结果 Table 3 Results of contribution rate by principal component analysis 主成分数 Principal component number 特征值 Eigenvalue 百分率 Percentage/% 累计百分率 Cumulative percentage/% 1 2.47052 49.41044 49.41044 2 1.88944 37.78884 87.19928 3 0.5642 11.28391 98.48318 4 0.06799 1.35979 99.84297 5 0.00785 0.15703 100 由表 3 中可以看出显示，前 3 个主分量所构成的信 息量占总信息量的 98.48%，几乎反映了全部信息。在这 3 个主分量中，第一主分量代表第一循环压缩功和第二循 环压缩功，第二主分量代表内聚性和弹性，第三主分量代 表胶着性，结合特征向量，所以综合评价指标的公式为： Y=0.4941(0.5932x1+0.4978x2)+0.3779(0.8250x3+0.3763x4) +0.11280.1147x5 （1） 式中：x1表示第一压缩功，x2表示第二压缩功，x3表示内 聚性，x4表示弹性，x5表示胶着性。 简化得到总的评价指标为： Y=0.29x1+0.24x2+0.31x3+0.14x4+0.01x5 （2） Y 是原始数据经过归一化处理计算得出来的。 通过此 综合评价指标公式，得出各指标的权重，分别为第一压 缩功权重 0.29，第二压缩功权重 0.24，内聚性权重 0.31， 弹性权重 0.14，胶着性权重 0.01，通过此公式综合评价 鱼骨液的物理状态，达到简化了分析过程的目的。 2.2 PEF 作用下液料比对鱼骨液物理状态的影响 固定电场参数，研究 PEF 液料比变化对鱼骨液物理 状态变化的影响。根据综合评价指标公式，得到综合指 标 Y 的变化趋势如图 2a 所示。 由图 2a 可以看出，随着液料比增加，评价指标 Y 逐 渐增加，液料比从 10 mL/g 增加 14 mL/g 时评价指标 Y 逐渐降低。这是由于当鱼骨样品的量一定时，随着溶剂 的量增加，样品颗粒周围有效成分浓度降低，从而有利 于改善鱼骨液物理状态，但是由于在 PEF 作用下，离子 发生高速运动，增加溶剂的量相当于降低了分子碰撞的 机会，溶剂量过高反而破坏鱼骨液结构状态，因此选 10 mL/g 为较佳液料比。 2.3 PEF 作用下电场强度变化对鱼骨液物理状态的影响 通过调节示波器电压以调整PEF电场强度， 研究PEF 电场强度变化对鱼骨液物理状态变化的影响。根据综合 评价指标公式， 得到综合指标 Y 的变化趋势如图 2b 所示。 由图 2b 可以看出，电场强度从 5 kV/cm 升高到 25 kV/cm 时，评价指标 Y 呈上升趋势，但是其电场强度 不能无限增大，否则不仅电极处会产生电火花，产生电 穿孔现象，而且过高电场强度会破坏鱼骨液弹性，不利于 改善鱼骨液的物理状态，因此选取 25 kV/cm 为适宜场强。 2.4 PEF 作用下脉冲数变化对鱼骨液物理状态的影响 通过调节频率以调整 PEF 脉冲数，研究 PEF 脉冲数 变化对鱼骨液物理状态变化的影响。根据综合评价指标 公式，得到综合指标 Y 的变化趋势如图 2c 所示。 由图 2c 可以看出， 脉冲数从 2 增加到 10 时， 评价指 标 Y 开始逐渐上升，而当脉冲数从 10 增加到 12 个时评 价指标 Y 开始变小。这是由于在 PEF 作用下，样品溶液 发生不可逆的细胞破壁现象，鱼骨液在第一循环和第二 循环内获得指定形变所需要得能量增加，样品弹性增加， 组成样品结构的内部键力降低，但是当继续增大脉冲数， 细胞膜被完全破坏后，导致一些大分子的降解和结构的 破坏，流变学性质发生损态变化而使得 Y 值变低，因此 选取 10 为适宜脉冲数。 图 2 PEF 操作参数变化对鱼骨液物理状态变化的影响 Fig.2 Effects of operating parameter on physical change of fishbone liquid by PEF 2.5 Box-Behnken 中心设计确定PEF 作用鱼骨液最佳参数 响应面法以最经济的方式，较少的试验次数和较短 的时间对所选的试验参数进行全面研究，为了进一步准 确确定 PEF 作用鱼骨液的最佳参数，综合单因素试验结 果，对影响 PEF 作用鱼骨液的电场强度、脉冲数、液料 比 3 个因素进行研究，以综合指标 Y 为响应值，设计了 三因素三水平中心组合设计，试验结果见表 4。 采用Design-Expert软件对17个试验点数据进行回归 计算，建立二次响应面回归模型，回归方程如下： Y=2.330.30X1+0.064X20.11X3+5.000E-003X1X2 1.000E-002X1X30.053X2X30.079X1 2 0.27X2 20.41X 3 2 （3） 农业工程学报 2015 年 254 式中：Y 为综合评价指标，X1表示液料比，mL/g，X2表 示场强，kV/cm，X3表示脉冲数。 表 4 高压脉冲电场作用下 Box-Behnken 设计试验及结果 Table 4 Results of Box-Behnken design test by high intensity pulsed electric fields 序号 Number 液料比 X1 Liquid-to-solid ratio/(mLg-1) 场强 X2 Electric field strength/ (kVcm-1) 脉冲数 X3 Pulse number 综合评价指标 Y Comprehensive evaluation index 1 10 20 12 1.55 2 10 22.5 10 2.33 3 10 25 8 1.85 4 10 25 12 1.52 5 11 22.5 12 1.71 6 10 22.5 10 2.32 7 9 22.5 12 1.75 8 11 20 10 1.85 9 10 20 8 1.67 10 9 25 10 2.09 11 10 22.5 10 2.33 12 10 22.5 10 2.34 13 11 25 10 2.04 14 11 22.5 8 1.91 15 9 20 10 1.92 16 9 22.5 8 1.99 17 10 22.5 10 2.31 对回归方程进行方差分析和方程系数显著性检验， 结果见表 5。 表 5 响应面回归方程方差分析 Table 5 ANOVA for response surface quadratic model 方差来源 Sources of variance 平方和 Sum of squares 自由度 Freedom 均方 Mean square F 值 F value P 值 P value 模型 Model 1.2676 9 0.1409 163.1016 0.05），X2X3影响极显著 （P0.01）。因此，在一定范围内调节电场强度、脉冲数 和液料比，可使处理效果达到最佳。 基于二次回归模型进行响应面绘图，如图 5 所示。 注：液料比为 10 mLg-1。 Note: Liquid-to-solid ratio10 mLg-1. 图 3 高压脉冲电场处理鱼骨液响应面曲图 Fig.3 Response surface of different factors of fishbone liquid by PEF 响应曲面图直观地反映了各因素对响应值的影响， 从图3可以看出， X2、X3的交互作用最强 （P=0.00910.01） ， 从响应面的最高点和等值线可以看出，在所选的范围内 存在极值，既是响应面的最高点，同时也是等值线最小 椭圆的中心点。编码值较大的 X2，X3反而使得响应值 Y 有减小的趋势，这可能是场强和脉冲数过高导致一些大 分子的降解和结构的破坏，流变学性质发生损态变化而 使 Y 值降低。通过模型的数据分析，得到最大响应值 Y 时 X1、X2和 X3对应的编码值分别是0.19，0.24，0.19， 与其对应的最佳参数为：液料比 9.81 mL/g、场强 23.10 kV/cm、脉冲数 9.62，由于受到 PEF 实际操作的影 响，脉冲数只能取整数，因此最佳脉冲数取 10，此时理 论综合指标达到 2.3283。 为了检验响应面法的可行性，采用得到的最佳参数 进行验证性试验，平均试验 3 次，测得综合评价指标 Y 值为 2.3312，与理论预测值相比相对误差为 0.12%，与理 论值非常接近，即进一步验证了数学回归模型的适合性， 可见该模型能较好地模拟和预测 PEF 处理效果，此时鱼 骨液的流变学指标分别为第一压缩功 1.2 N，第二压缩功 1.3 N，内聚性 1.21，弹性 9.25 mm，胶着性 0.11 N，而 未经过处理的鱼骨液流变学指标分别为第一压缩功第一 压缩功 0.1，第二压缩功 0，内聚性 1.84，弹性 8.0 mm， 胶着性 0.18 N。说明经过 PEF 处理，鱼骨液在第一循环 和第二循环内获得指定形变所需要得能量增加，样品弹 性增加，组成样品结构的内部键力降低，用来估计吞咽 前所需要的能量降低，采用 t 检验方法，检验 PEF 处理 前后指标变化显著性，P=0.001210.01，差异极显著，综 合各物理状态指标的变化，说明 PEF 处理后的鱼骨液物 理状态得到了明显改善。 3 结 论 1）本文通过对鱼骨液的流变学性质研究发现，利用 高压脉冲电场技术可以明显（P=0.001210.01）改善鱼骨 第 8 期 赫桂丹等：高压脉冲电场对鱼骨液物理状态变化的影响 255 液的物理状态，因此高压脉冲电场技术可以应用于鱼骨 液的加工处理。 2） 本文采用主成分分析法确定 PEF 下鱼骨液物理状 态变化的综合指标公式，达到了简化分析过程的目的。 3）本文通过单因素试验和 Box-Behnken 中心设计法 得出 PEF 作用鱼骨液最佳参数：液料比 9.81 mL/g、场强 23.10 kV/cm、脉冲数 10，综合指标达到 2.3312，此时鱼 骨液的物理指标分别为第一压缩功 1.2 N，第二压缩功 1.3 N，内聚性 1.21，弹性 9.25 mm，胶着性 0.11 N。因 此利用高电压脉冲电场技术处理鱼骨液不仅可以显著 （P=0.001210.01）改善鱼骨液的物理状态，也为鱼骨的 加工利用引进一种新的方法，同时也为高电压脉冲电场 技术的应用推广提供了理论参考，具有良好的开发前景。 参 考 文 献 1 欧阳杰，沈建. 淡水鱼加工技术研究进展J. 肉类研究， 2012，26(7)：2931. Ouyang Jie, Shen jian. Progress in the Research of Processing Technologies for Freshwater FishJ. Meat Research, 2012, 26(7): 2931. (in Chinese with English abstract) 2 米红波，千春录，傲特海，等. 淡水鱼鱼糕加工适性和微 冻特性的研究J. 中国食品学报，2012，12(3)：8495 Mi Hongbo, Qian Chunlu, Ao Tehai, et al. Processed characteristic and superchilled properties of kamaboko gels from nine different kinds of freshwater fishJ. Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2012, 12(3): 8495. (in Chinese with English abstract) 3 Lee K J, Powell M S, Barrows F T, et al. Evaluation of supplemental fishbone meal made from Alaska seafood processing byproducts and dicalcium phosphate in plant protein based diets for rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)J. Aquaculture, 2010, 302(3): 248255. 4 Hashiguchi T, Kobayashi T, Fongmoon D, et al. Demonstration of