不同凍結(jié)溫度下牛肉水分的狀態(tài)變化

孫圳+謝小雷+李俠+岳鑒穎+張春暉

摘 要：研究3個凍結(jié)溫度（-8、-23、-38 ℃）條件下牛肉凍結(jié)過程中的水分狀態(tài)的變化。借助低場核磁共振波譜（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）與核磁成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)，分析牛肉在凍結(jié)過程中內(nèi)部水分狀態(tài)、弛豫時間T2、水分信號幅度及1H密度的變化。結(jié)果表明：樣品中心溫度降至

-38、-23、-18 ℃分別耗時176、350、315 min，說明-38 ℃處理能夠顯著提高牛肉凍結(jié)速率;3 個凍結(jié)溫度

LF-NMR分析表明，隨著凍結(jié)時間的延長，自由水和不易流動水的峰面積、弛豫時間T2及信號幅度均逐漸降低。3 個凍結(jié)溫度均能使樣品中的自由水全部凍結(jié)，而結(jié)合水均不被凍結(jié);-38 ℃能使不易流動水完全凍結(jié)，-18、

-23 ℃分別使73.04%、99.60%的不易流動水凍結(jié)。1H MRI 成像技術(shù)也進一步證實了LF-NMR分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：牛肉;冷凍;低場核磁共振波譜;核磁成像;水分遷移

The Transformation of Water States during Beef Freezing

SUN Zhen， XIE Xiaolei， LI Xia*， YUE Jianying， ZHANG Chunhui

（Comprehensive Key Laboratory of Agro-Products Processing， Ministry of Agriculture， Institute of Agro-Products Processing

Science and Technology， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100193， China）

Abstract： This paper studies the transformation of water states during beef freezing at 3 different temperatures （?18， ?23 and ?38 ℃）. Internal water state， T2 relaxation time， the change of signal amplitude and H proton density of frozen beef were analyzed by low field nuclear magnetic resonance （LF-NMR） and magnetic resonance imaging （MRI）. The results showed that the times elapsing until the internal temperature of the sample dropped to ?38， ?23 and -18 ℃ were 176， 350 and 315 min， respectively， suggesting the freezing of beef can be considerably sped up at -38 ℃. The LF-NMR data indicated that the peak areas of free water and immobile water， T2 relaxation time and signal amplitude decreased gradually with the extension of freezing time at each temperature. The free water in beef was completely frozen at all three temperatures， whereas no bound water was frozen. At ?38 ， ?18 and ?23 ℃， 100%， 73.04% and 99.60% of the immobile water was frozen， respectively. The LF-NMR analysis was confirmed by the results from 1H MRI.

Key words： beef; freezing; low field nuclear magnetic resonance （LF-MRS）; magnetic resonance imaging （MRI）; water transformation

中圖分類號：TS251.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2016）01-0015-06

DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.004

引文格式：

孫圳， 謝小雷， 李俠， 等. 不同凍結(jié)溫度下牛肉水分的狀態(tài)變化[J]. 肉類研究， 2016， 30（1）： 15-20. DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.004. ? ?http：//rlyj.cbpt.cnki.net

SUN Zhen， XIE Xiaolei， LI Xia， et al. The transformation of water states during beef freezing[J]. Meat Research， 2016， 30（1）： 15-20. （in Chinese with English abstract） DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.004. ? ?http：//rlyj.cbpt.cnki.net

牛肉中含有豐富的蛋白質(zhì)、必需氨基酸、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分，風(fēng)味獨特，深受消費者的喜愛。工業(yè)上，凍藏作為牛肉的主要保鮮方式，能夠抑制大多數(shù)微生物的生長，降低酶活性，延長肉品貨架期[1]。但凍藏過后的肌肉保水性一般會降低，造成經(jīng)濟損失[2]。凍結(jié)處理對原料肉水分狀態(tài)影響的研究較為匱乏，其凍結(jié)過程中的水分狀態(tài)變化過程尚不清楚。采用低場核磁共振分析（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）及1H核磁成像技術(shù)（magnetic resonance imaging，MRI），可以實時跟蹤肌肉凍結(jié)過程中水分狀態(tài)變化過程，如謝小雷等[3]利用LF-NMR研究了不同干燥方式對牛肉干干燥過程中水分遷移的影響，McDonnell等[4]利用LF-NMR研究了氯化鈉對豬肉中水分分布的影響。本研究以黃牛里脊肉為對象，選取生產(chǎn)上常用的3個凍結(jié)溫度（-18、

-23、-38 ℃），通過動態(tài)采集凍結(jié)過程中樣品的中心溫度，借助LF-NMR和MRI技術(shù)分析牛肉在-18、

-23、-38 ℃凍結(jié)過程中內(nèi)部水分狀態(tài)、弛豫時間T2、水分信號幅度及1H密度的變化[5]，揭示牛肉凍結(jié)過程中的水分狀態(tài)變化規(guī)律，以期為肉制品凍結(jié)貯藏方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

黃牛里脊肉（4 ℃條件下成熟36 h） 北京御香苑畜牧有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DW-86L386醫(yī)用低溫保存箱 青島海爾特種電器有限公司;YP10002電子天平 上海越平科學(xué)儀器有限公司;PQ-001核磁共振儀、MINI MR-60核磁共振成

像儀 上海紐邁電子科技有限公司;L93-1防水溫度記錄儀 杭州路格科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

將原料肉修整切割成5 cm×4 cm×4 cm的肉塊，并用保鮮膜包裹，進行凍結(jié)實驗[6]。

1.3.2 凍結(jié)實驗

將處理好的肉塊分別單層放置于-18、-23、

-38 ℃的冰箱中，進行空氣冷凍，使肉塊中心溫度由4 ℃分別降至上述冰箱設(shè)定溫度。凍結(jié)過程中，在肉塊中心溫度為4、0、-8、-12、-16、-18、-23、-28、

-32、-36、-38 ℃時取樣進行相關(guān)實驗指標的測定。

1.3.3 指標測定

1.3.3.1 凍結(jié)曲線

將熱電偶插入樣品內(nèi)部約2.5 cm處，共取3 組平行，實時記錄肉塊中心溫度，測定凍結(jié)曲線[6]。

1.3.3.2 水分組成的測定

參照Li等[7]的方法，采用核磁共振分析軟件中的

Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列測定樣品中的橫向弛豫時間T2。將精確稱量的樣品置于核磁共振成像儀永磁場中心位置的射頻線圈中心，進行磁共振波譜測定。CPMG脈沖序列參數(shù)為：主頻：23 MHz;偏移頻率：286.7813 kHz;90脈沖時間：17 μs;180脈沖時間：35 μs;采樣點數(shù)54 996;重復(fù)時間3 000 ms;累加次數(shù)4 次;回波數(shù)2 000。

1.3.3.3 1H密度成像的測定

參照Li Xin等[8]的方法并作適當修改，采用核磁共振成像系統(tǒng)自旋回波成像序列對樣品進行1H密度成像。將中心溫度為4、-18、-23、-38 ℃的樣品分別置于核磁共振成像儀永磁場中心位置的射頻線圈中心，進行成像實驗。主要參數(shù)為：重復(fù)時間2 000 ms;重復(fù)次數(shù)4 次;縱向弛豫時間T1：20 ms;根據(jù)CPMG序列測得的T2值，選擇自旋回波時間20 ms。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SAS 9.2軟件對結(jié)果進行Duncans方差檢驗分析，使用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）

進行顯著性分析（P<0.05）;所有分析圖均采用Origin 8.0軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同凍結(jié)溫度條件下樣品中心溫度變化

通過熱電偶實時監(jiān)測肉塊中心溫度，得到牛肉塊凍結(jié)曲線如圖1所示。

圖 1 凍結(jié)過程中環(huán)境及樣品內(nèi)部中心溫度變化

Fig.1 Changes in sample internal temperature and environmental temperature during beef freezing

由圖1可知，在-1.5 ℃左右，凍結(jié)速率減慢，凍結(jié)曲線的斜率降低，這是由于樣品中水結(jié)冰的過程需要釋放潛熱，導(dǎo)致樣品溫度保持相對恒定。隨后凍結(jié)速率再次上升，直到達到相應(yīng)的環(huán)境溫度，凍結(jié)過程結(jié)束，這與黃鴻兵[6]的研究結(jié)果相似。隨著凍結(jié)溫度的降低，樣品與冰箱環(huán)境溫度溫差越大，傳熱速率加快導(dǎo)致凍結(jié)速率越快，這一點可以從-18、-23、-38 ℃的凍結(jié)曲線可以看出。在-38℃條件下，樣品中心溫度通過潛熱釋放帶所需要的時間約為50 min，明顯較-23 ℃（130 min）和-18 ℃（150 min）短，且溫度越低凍結(jié)速率越快。同時比較將中心溫度降至所定環(huán)境溫度所需時間，-38 ℃耗時176 min，顯著低于-23 ℃（350 min）和-18 ℃（315 min）（P<0.05）。

2.2 冷凍溫度對水分狀態(tài)的影響

2.2.1 冷凍溫度對牛肉塊凍結(jié)過程中橫向弛豫時間T2的影響

A. -18 ℃;B. -23 ℃;C. -38 ℃;樣品中結(jié)合水弛豫時間T21：0～10 ms;不易流動水弛豫時間T22：10～100 ms;自由水弛豫時間T23：100～1 000 ms。

圖 2 冷凍溫度對樣品橫向弛豫時間T2的影響

Fig.2 Effect of freezing temperature on transverse relaxation time T2 of samples

由圖2可知，樣品在3 種冷凍過程中弛豫時間T2在1～1 000 ms的弛豫時間內(nèi)分布有3～4 個峰，這與Li Xin等[8]

用LF-NMR研究解凍牛肉的結(jié)果一致。肌肉水分分布的變化情況，可以通過LF-NMR通過測定1H的橫向弛豫時間T2來表征。1H的弛豫時間與水分的流動性密切相關(guān)。在食品體系中，水分狀態(tài)的不同，都會使弛豫時間T2發(fā)生改變。不同的弛豫時間T2，能夠容易地區(qū)分自由水和結(jié)合水。牛肉中有3 種不同活動狀態(tài)的水：位于高度組織化的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的結(jié)合水、肌原纖維蛋白外部含肌漿蛋白組分的不易流動水和自由水[9-10];

分別用T21（0～10 ms）、T22（10～100 ms）、T23（100～1 000 ms）對應(yīng)其峰面積，以表示3 種狀態(tài)水的含量[11]。不同溫度下3 種狀態(tài)水峰面積的結(jié)果如表1所示。隨著凍結(jié)過程的加深，樣品的中心溫度逐漸下降，3 種凍結(jié)溫度對應(yīng)的樣品中水分總峰面積在逐漸減小，這是因為樣品中自由水以及部分結(jié)合水隨著溫度的降低被凍結(jié)，而冰的1H信號不能被低場核磁共振儀捕捉到，從而造成水分總峰面積的減小[13]。

a.不易流動水;b.自由水;c.總水分。

圖 3 冷凍溫度對各組分水含量變化影響

Fig.3 Effects of freezing temperature on the contents of immobile， free and total water in samples

由圖3可知，自由水峰面積S23隨著凍結(jié)程度的加深逐漸降低，當樣品中心溫度達到-18 ℃時，自由流動水峰面積為零，自由水完全被凍結(jié)。不易流動水峰面積S22隨著凍結(jié)程度的加深而下降，樣品中心溫度為-38 ℃時，不易流動水峰消失;但樣品中心溫度在-18 ℃和-23 ℃時，不易流動水尚未被完全凍結(jié)，凍結(jié)率分別為73.04%和99.60%;這說明凍結(jié)溫度越低，不易流動水越容易被凍結(jié)。而在3 種凍結(jié)溫度下，結(jié)合水均不能被凍結(jié)，結(jié)合水峰面積在凍結(jié)過程中變化不大。這與趙彥星等[14]利用低場核磁技術(shù)研究比薩冷凍過程中水分狀態(tài)轉(zhuǎn)變的結(jié)果相一致。

2.2.2 冷凍溫度對不同狀態(tài)水橫向弛豫時間的影響

橫向弛豫時間T2是指1H自旋核在外加磁場受到射頻脈沖的激發(fā)后，系統(tǒng)內(nèi)部達到橫向熱平衡所需要的時間，其值越大反映水分子的流動性越強。3 種冷凍溫度對牛肉塊冷凍過程中橫向弛豫時間T21、T22、T23的影響結(jié)果如圖4所示。

a.結(jié)合水;b.不易流動水;c.自由水。

圖 4 冷凍溫度對樣品冷凍過程中橫向弛豫時間T21、T22、T23的影響

Fig.4 Effects of freezing temperature on T21， T22 and T23 of samples

由圖4可知，結(jié)合水橫向弛豫時間T21隨著溫度降低上下波動，不易流動水橫向弛豫時間T22和自由水橫向弛豫時間T23隨著凍藏溫度的降低均呈下降趨勢，這與龐之列等[15]報道的牛肉解凍過程中橫向弛豫時間變化趨勢一致。T22、T23均會隨著溫度的降低而降低，這表明凍藏溫度的降低能夠顯著降低樣品內(nèi)部不易流動水和自由水的流動性。-18 ℃處理中，在樣品中心溫度降低到

-18 ℃時，已完全捕捉不到自由水弛豫時間T23，說明自由水已完全被凍結(jié)。-23 ℃處理中，在樣品中心溫度達到-23 ℃時，不易流動水弛豫時間T22達到最小值。這說明部分不易流動水被凍結(jié)，流動性減弱。

2.2.3 冷凍溫度對不同狀態(tài)水信號幅度的影響

a. 結(jié)合水;b.不易流動水;c.自由水。

圖 5 冷凍溫度對樣品冷凍過程中信號振幅M21、M22、M23的影響

Fig.5 Effects of different freezing temperatures on M21， M22 and

M23 of samples

不易流動水和自由水存在于牛肉中性質(zhì)穩(wěn)定性較差，一般易受外界條件的影響，在冷凍過程中易被凍結(jié)含量減少從而信號幅度降低[16]。不易流動水以及自由水被凍結(jié)會造成信號幅度M22、M23值減少。

由圖5可知，隨著凍結(jié)程度的增大，樣品信號振幅M21、M22、M23值在冷凍過程中均呈下降趨勢。3 種凍結(jié)溫度下的結(jié)合水M21值均較為穩(wěn)定，Guo等[17]在研究豬肉腌制過程中水分變化中也發(fā)現(xiàn)相同現(xiàn)象。牛肉塊在各個不同冷凍溫度下的不易流動水M22值的變化趨勢基本一致，都呈現(xiàn)下降的趨勢;樣品中心溫度為-36 ℃時M22值變?yōu)?，這表明此時不易流動水已被完全凍結(jié)。3 種凍藏溫度下自由水M23值亦呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，當樣品中心溫度達到-18 ℃時，M23值為0，這表明樣品中的自由水已完全被凍結(jié)，這與Miklos等[18]研究結(jié)果相似。

2.3 不同冷凍溫度對1H密度的影響

a. -18 ℃;b. -23 ℃;c. -38 ℃。

圖 6 不同冷凍溫度下樣品的二維1H密度圖像

Fig.6 Proton density images of samples frozen at different temperatures

根據(jù)Elmasry等[19]的報道MRI技術(shù)能夠研究水分分布情況。1H密度圖像中圖像越亮，表明1H密度越高。由圖6可知，隨著冷凍溫度的降低，牛肉塊在3 種不同溫度的冷凍過程中的1H密度圖像的亮度均呈下降趨勢說明樣品內(nèi)部含水量越來越低，這與Borompichaichartkul等[20]用MRI技術(shù)研究玉米干燥過程中的1H密度圖像變化趨勢一致。其中

-18 ℃可看見樣品輪廓;-23 ℃時可勉強看見樣品的輪廓，但-38 ℃條件下牛肉塊的二維1H密度圖像已經(jīng)完全消失，這說明在該溫度下樣品中自由水以及不易流動水被凍結(jié)，1H信號不能被識別，導(dǎo)致了樣品輪廓消失。

3 結(jié) 論

較低的凍結(jié)溫度能顯著提高牛肉凍結(jié)速率。在

-18、-23、-38 ℃凍結(jié)溫度條件下，樣品中心分別達到相對應(yīng)的環(huán)境溫度后，自由流動水均被完全凍結(jié)，而不易流動水的凍結(jié)率分別為73.04%、99.60%、100%。其中，與-18 ℃相比，-23 ℃凍結(jié)溫度下，樣品水分凍結(jié)程度更高，僅有0.4%的水分處于游離狀態(tài)，具有較好的保藏效果;與-38 ℃凍結(jié)處理相比，二者保藏效果相似，但

-23 ℃凍結(jié)處理更加節(jié)約能源。基于凍結(jié)處理對樣品中水的流動性影響分析，可以選擇-23 ℃作為牛肉的凍藏溫度。

參考文獻：

[1] FAROUK M， SWAN J E. Effect of rigor temperature and frozen storage on functional properties of hot-boned manufacturing beef[J]. Meat Science， 1998， 49（2）： 233-247. DOI：10.1016/S0309-1740（97）00134-4.

[2] 余小領(lǐng). 冷凍和解凍工藝對豬肉保水性和組織結(jié)構(gòu)的影響研究[D]. 南京： 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2007.

[3] 謝小雷， 李俠， 張春暉， 等. 牛肉干中紅外-熱風(fēng)組合干燥工藝中水分遷移規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2014（14）： 322-330. DOI：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.14.040.

[4] McDONNELL C K， ALLEN P， DUGGAN E， et al. The effect of salt and fibre direction on water dynamics，distribution and mobility in pork muscle： a low field NMR study[J]. Meat Science， 2013， 95（1）： 51-58. DOI：10.1016/j.meatsci.2013.04.012.

[5] LI Chunbao， LIU Dengyong， ZHOU Guanghong， et al. Meat quality and cooking attributes of thawed pork with different low field NMR T（21）[J]. Meat Science， 2012， 92（2）： 79-83. DOI：10.1016/j.meatsci.2011.11.015.

[6] 黃鴻兵. 冷凍及凍藏對豬肉冰晶形態(tài)及理化品質(zhì)的影響[D]. 南京： 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2005.

[7] LI X， MA L Z， TAO Y， et al. Low field-NMR in measuring water mobility and distribution in beef granules during drying process[J]. Advanced Materials Research， 2012， 550/553： 3406-3410. DOI：10.4028/www.scientific.net/AMR.550-553.3406.

[8] LI Xin， SU Shanshan， MA Lizhen， et al. Low field-NMR in measuring water mobility and distribution in beef granules during microwave drying process[J]. Advanced Materials Research， 2012， 550/553： 3406-3410.DOI：10.4028/www.scientific.net/AMR.550-553.3406.

[9] AURSAND I G， ERIKSON U， VEIIYUIIN E. Water properties and salt uptake in Atlantic salmon fillets as affected by ante-mortem stress， rigor mortis， and brine salting： a low-field 1H NMR and 1H/23Na MRI study[J]. Food Chemistry， 2010， 120： 482-489. DOI：10.1016/j.foodchem.2009.10.041.

[10] HAN Minyi， ZHANG Yingjun， FEI Ying. Effect of microbial transglutaminase on NMR relaxometry and microstructure of pork myofibrillar protein gel[J]. European Food Research and Technology， 2009， 228： 665-670. DOI：10.1007/s00217-008-0976-x.

[11] BERNAU M， KREMER P V， LAUTERBACH E， et al. Evaluation of carcass composition of intact boars using linear measurements ?from performance testing， dissection， dual energy X-ray absorptiometry （DXA） and magnetic resonance imaging （MRI）[J]. Meat Science， 2015， 104： 58-66. DOI：10.1016/j.meatsci.2015.01.011.

[12] 阮榕生， 林向陽， 張錦勝. 核磁共振技術(shù)在食品和生物體系中的應(yīng)用[M]. 北京： 中國輕工業(yè)出版社， 2009： 90-94.

[13] 徐建國， 徐剛， 張緒坤， 等. 利用核磁共振成像技術(shù)分析胡蘿卜干燥過程中內(nèi)部水分傳遞[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2013， 29（12）： 271-276. DOI：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.12.034.

[14] 趙彥星. 冷凍比薩面餅工藝優(yōu)化與水分遷移控制的研究[D]. 天津： 天津科技大學(xué)， 2014.

[15] 龐之列， 殷燕， 李春保. 解凍豬肉品質(zhì)和基于LF-NMR技術(shù)的檢測方法[J]. 食品科學(xué)， 2014， 35（24）： 219-223. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201424042.

[16] 張緒坤， 祝樹森， 黃儉花， 等. 用低場核磁分析胡蘿卜切片干燥過程的內(nèi)部水分變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2012， 28（22）： 282-287. DOI：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.22.039.

[17] GUO L Y， SHAO J H， LIU D Y， et al. The distribution of water in pork meat during wet-curing as studied by low-field NMR[J]. Food Science & Technology Research， 2014， 20（2）： 393-399. DOI：10.3136/fstr.20.393.

[18] MIKLOS R， MORA-GALLEGO H， LARSEN F H， et al. Influence of lipid type on water and fat mobility in fermented sausages studied by low-field NMR[J]. Meat Science， 2014， 96（1）： 617-622. DOI：10.1016/j.meatsci.2013.08.025.

[19] ELMASRY G， SUN D W， ALLEN P. Non-destructive determination of water-holding capacity in fresh beef by using NIR hyperspectralimaging[J]. Food Research International， 2011， 44： 2624-2633. DOI：10.1016/j.foodres.2011.05.001.

[20] BOROMPCHICHARTKUL C， MORAN G， SRZEDNIKI G， et al. Nuclear magnetic resonance （NMR） and magnetic resonance imaging （MRI） studies of corn at subzero temperatures[J]. Journal of Food Engineering， 2005， 69（2）： 199-205. DOI：10.1016/j.jfoodeng.2004.07.018.