熱水協(xié)同超高壓快速 復(fù)鮮冷凍牛肉工藝優(yōu)化

張 璐,潘 見,謝慧明,孫 忱,李 穎

(合肥工業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品生物化工教育部工程研究中心,安徽合肥 230009)

冷凍牛肉因貯藏時間長,蛋白質(zhì)含量高,脂肪含量低而深受消費(fèi)者喜愛。冷凍牛肉在解凍過程中易出現(xiàn)汁液流失、變色、質(zhì)地改變等問題。韓少東[1]利用蒸汽循環(huán)分階段換熱,使肉品解凍,該方法雖能減少汁液流失,但過程復(fù)雜,耗能較高且不能保證肉類安全。史智佳等[2]通過高溫、低溫兩個階段解凍來縮短解凍時間,但不能解決自然解凍過程中變色、汁液流失、質(zhì)地改變等問題。

超高壓解凍作為新型的解凍方式雖有很多優(yōu)點(diǎn)[3],但低壓處理(100～300 MPa)對肉色有一定影響[4],例如水漬樣白化等,且解凍時間隨著肉塊增大而大幅度延長,而小肉塊(0.1～0.5 kg)所需解凍時間雖短但不論肉塊大小都會發(fā)生重結(jié)晶[5]。

本實(shí)驗(yàn)擬通過調(diào)節(jié)超高壓低壓進(jìn)水端溫度、肉塊與進(jìn)水體積比(以下簡稱水肉比)、超高壓處理壓力與保壓時間,檢測熱水協(xié)同超高壓快速復(fù)鮮后牛肉的汁液損失率、肉色、硬度等指標(biāo),并以新鮮牛肉和常壓解凍的牛肉作對比,對熱水協(xié)同超高壓快速復(fù)鮮冷凍牛肉工藝進(jìn)行優(yōu)化。從而使解凍后的牛肉品質(zhì)更加接近鮮肉品質(zhì),即冷凍牛肉復(fù)鮮。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮牛肉 市售,合肥周谷堆農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場;超高壓包裝袋 16 cm×25 cm,合肥向東食品包裝材料公司;蒸餾水 分析純,實(shí)驗(yàn)室自制;氯化鈉 分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;營養(yǎng)瓊脂 分析純,杭州微生物試劑有限公司。

YCB630/2.550 L型超高壓設(shè)備 兵器工業(yè)第五二研究所;G-135型電子天平 德國梅特勒-托利多公司;DZ-400型真空包裝機(jī) 上海創(chuàng)靈包裝機(jī)械制造有限公司;TES-1310型瞬時溫度計 臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司;TA.XTplus型物性測試儀 英國Stable Micro System公司;DW-GL388型超低溫立式冷凍柜 上海躍核儀器有限公司;WSF分光測色儀 上海圣科儀器設(shè)備有限公司;JB-CJ-1FC型無菌操作臺 新加坡StreamLine-lab公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)鮮工藝流程 新鮮牛肉分割成1 kg/塊裝入包裝袋中,利用真空封口機(jī)進(jìn)行真空包裝,包裝后置于-60 ℃超低溫冷凍冰箱冷凍1 h后貯存于-18 ℃冰箱備用。將包裝完好的冷凍牛肉樣品置于超高壓容器內(nèi),向其中注入一定溫度與體積的溫水,于一定壓力與保壓時間條件下處理,解凍后的牛肉仍保持真空包裝狀態(tài),置于0～4 ℃下冷藏。

1.2.2 熱水溫度與保壓時間的關(guān)系 通過熱量衡算,即對比解凍一定質(zhì)量的牛肉所需要的熱量計算出熱水需提供的熱量,并跟據(jù)超高壓容器的體積確定熱水體積及溫度。在本節(jié)中為方便計算,選取水肉比為1∶1,分析超高壓處理壓力為200 MPa,熱水溫度在20～50 ℃時熱水溫度與保壓時間的關(guān)系,以便為后續(xù)工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)選取合適的熱水溫度及保壓時間。

1.2.3 工藝優(yōu)化

1.2.3.1 單因素實(shí)驗(yàn) 采取上述1.2.1的工藝復(fù)鮮冷凍牛肉,復(fù)鮮條件為:固定條件壓力200 MPa,保壓時間40 min,考察不同熱水溫度(30、35、40、45、50 ℃)對復(fù)鮮牛肉汁液損失率、肉色、硬度的影響;固定條件熱水溫度40 ℃,保壓時間40 min,考察不同壓力(0.1、100、150、200、250、300 MPa)對復(fù)鮮牛肉汁液損失率、肉色、硬度的影響;固定條件熱水溫度40 ℃,壓力150 MPa,考察不同保壓時間(25、30、35、40、45 min)對復(fù)鮮牛肉汁液損失率、肉色、硬度的影響。根據(jù)上述復(fù)鮮條件進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),考察各因素變量對復(fù)鮮后牛肉的汁液損失率、肉色、硬度的影響,并以常溫常壓解凍牛肉作對比。

1.2.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過方差分析確定顯著因素及其水平,然后進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計,正交優(yōu)化試驗(yàn)因素與水平見表1?？疾鞙囟?A)、壓力(B)、保壓時間(C)對復(fù)鮮后牛肉汁液損失率、肉色、硬度的影響,優(yōu)化熱水協(xié)同超高壓快速復(fù)鮮工藝條件。

表1 正交優(yōu)化試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal array design

1.2.4 冷凍牛肉理化指標(biāo)檢測

1.2.4.1 牛肉的汁液損失率檢測 測量解凍前牛肉的重量ma,解凍處理,解凍后的樣品在85 ℃水浴鍋中蒸煮20 min,蒸煮后冷卻到室溫,然后再次稱重mb,最后計算汁液損失率公式如下:

式中:ma為解凍前牛肉質(zhì)量,mb為蒸煮后牛肉質(zhì)量。

1.2.4.2 解凍后牛肉的肉色檢測 采用便攜式色度儀測定白度值(L*)、紅度值(a*),光源D65,測量直徑8 mm。樣品色度測定前,用標(biāo)準(zhǔn)白板校正色度計,白板的參數(shù)為:L*=97.83、a*=-0.43,每個樣品隨機(jī)取3個點(diǎn)測定冷凍前和解凍后的肉色。

1.2.4.3 解凍后牛肉的硬度檢測 選擇適當(dāng)重量的新鮮無筋牛肉洗凈,把牛肉切成2 cm×2 cm×1.5 cm的小塊,分別裝入包裝袋,隨機(jī)分條件編號,儲存在4 ℃冰箱中待測。

利用物性測試儀的TPA檢測探頭兩次下壓測定牛肉的質(zhì)地特性,相應(yīng)質(zhì)地參數(shù)即為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。樣品在室溫下測定,每個樣品進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為:下壓樣品變形量50%,測試前探頭下降速度為5 mm/s,測試速度為1 mm/s,測試后探頭回程速度為5 mm/s,觸發(fā)力為3 g,探頭類型為P/100。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 熱水溫度與保壓時間的關(guān)系

水肉比為1∶1,壓力200 MPa時,熱水溫度與保壓時間的關(guān)系如圖1所示:

圖1 熱水溫度與保壓時間的關(guān)系Fig.1 The relationship between hot water temperature and pressure maintaining time

由圖1可以看出,隨著熱水溫度升高,保壓時間逐漸減少,當(dāng)水溫大于40 ℃后，保壓時間變化趨勢減緩?？赡苁怯捎趥鳠崴俾孰S著溫度的升高先急速增大,后逐漸減小并逐漸趨于平衡。結(jié)果表明:在不發(fā)生重結(jié)晶且凍肉完全解凍的情況下，熱水協(xié)同可提高超高壓解凍速率,因此選取熱水溫度30～50 ℃、保壓時間25～45 min進(jìn)行后續(xù)工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.2 冷凍牛肉超高壓快速解凍復(fù)鮮工藝條件確定

2.2.1 熱水溫度對冷凍牛肉復(fù)鮮后汁液損失率、肉色、硬度的影響 由圖2A可以看出,縱向?qū)Ρ?常壓解凍的汁液損失率高于200 MPa超高壓解凍,即超高壓解凍可以降低肉類汁液損失率,這可能是由于水的相變溫度隨壓力的變化而減小,因此可在低溫狀態(tài)快速解凍,減少汁液損失率;橫向?qū)Ρ?隨著熱水溫度的升高,兩種解凍方式汁液損失率均逐漸升高,這是由于溫度升高,細(xì)胞內(nèi)冰晶大量解凍,向內(nèi)回流的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于向外流出的速率,造成大量汁液損失[6],另外不同的解凍方式使得細(xì)胞受損傷程度也不同,造成汁液流失率也不同[7]。

圖2 熱水溫度對冷凍牛肉汁液損失率、肉色、硬度值的影響Fig.2 Effects of hot water temperature on the loss rate,meat color,hardness value

由圖2B可以看出,溫度改變對肉色的影響呈非線性關(guān)系。超高壓解凍白度值(L*)隨著溫度的升高,呈現(xiàn)N字形,先增大后減小再增大,在45 ℃達(dá)到最低;紅度值(a*)隨著溫度的升高先增大后減小,熱水溫度的改變對a*值有一定影響(p<0.05),在45 ℃時a*值最高?？赡苁怯捎谌庵蠱etMbase的活性隨著溫度和壓力的改變而改變,在200 MPa壓力作用下酶的活性增大使肉色呈現(xiàn)鮮紅色[8]。常壓解凍L*值隨著溫度升高呈逐漸下降趨勢,a*值先增大后減小,這可能是由于牛肉中高鐵肌紅蛋白還原酶隨著溫度的升高活性逐漸增大,加快了高鐵肌紅蛋白還原速率使肉呈現(xiàn)鮮紅色。200 MPa超高壓解凍L*值大于常壓解凍,200 MPa超高壓解凍a*值小于常壓解凍,即常壓解凍后肉色比200 MPa超高壓解凍更紅,可能是由于高壓作用使牛肉中蛋白二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,造成白化,使肉色整體偏白[8]。

由圖2C可以看出,溫度改變對解凍后的牛肉硬度的影響呈線性關(guān)系。橫向?qū)Ρ?隨著溫度的升高,硬度值逐漸下降,即肉的嫩度逐漸增加;縱向?qū)Ρ?高壓解凍后硬度值低于常壓解凍,隨著溫度的升高兩者差距逐漸縮小。這是由于溫度升高使牛肉組織中進(jìn)行一系列生化反應(yīng),例如肌動球蛋白解離成肌球蛋白纖絲和肌動蛋白纖絲,使肌肉恢復(fù)松弛,肉質(zhì)更加柔軟,硬度降低[9]。

由表2～表5可知,4項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果均為極顯著(p<0.01),故選擇超高壓介質(zhì)溫度35、40、45 ℃進(jìn)行后續(xù)的正交試驗(yàn)。

表2 熱水溫度對冷凍牛肉復(fù)鮮后汁液損失率影響的方差分析Table 2 Analysis of the variance of the effect of the temperature of hot water on the juice loss rate of the beef after rejuvenation

表3 熱水溫度對冷凍牛肉復(fù)鮮后L*值影響的方差分析Table 3 Analysis of the effect of the temperature of hot water on the L* value of the beef after rejuvenation

表4 熱水溫度對冷凍牛肉復(fù)鮮后肉色a*值影響的方差分析Table 4 Analysis of the effect of the temperature of hot water on the a* value of the beef after rejuvenation

表5 熱水溫度對冷凍牛肉復(fù)鮮后硬度影響的方差分析Table 5 Analysis of the effect of the temperature of hot water on the hardness value of the beef after rejuvenation

2.2.2 壓力對冷凍牛肉復(fù)鮮后汁液損失率、肉色、硬度的影響 從圖3A可以看出,隨著壓力的增大,汁液損失率逐漸增大;壓力低于200 MPa時的汁液損失率低于常壓解凍(0.1 MPa)的;壓力大于200 MPa時的汁液損失率大于常壓解凍的。這可能是由于隨著壓力的增大,解凍速率加快,細(xì)胞的壓力增大,導(dǎo)致冰度過結(jié)晶區(qū)的速率過快,進(jìn)而冰轉(zhuǎn)化成水的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)胞復(fù)原的速率[5],從而汁液流失加劇。

圖3 壓力對冷凍牛肉汁液損失率、肉色、硬度值的影響Fig.3 Effect of pressure on the loss rate of frozen juice and meat color,hardness value

從圖3B可以看出,超高壓解凍處理對于肉色的影響較大。隨著壓力的增大,復(fù)鮮后的牛肉白度值(L*值)逐漸增大,且大于對照組(新鮮牛肉)與常壓解凍后的牛肉的白度值,這可能是由于超高壓處理引起了牛肉中蛋白質(zhì)變性,產(chǎn)生膠凝、聚集等作用,使蛋白質(zhì)白化[10-13]。隨著壓力增大,紅度值(a*值)逐漸減小,壓力小于200 MPa時,復(fù)鮮后牛肉的a*值大于對照組與常壓解凍牛肉的a*值,這可能是由于超高壓(≤200 MPa)處理時,牛肉中的氧合肌紅蛋白含量大于高鐵肌紅蛋白含量,使肉呈現(xiàn)鮮紅色,a*值增大;當(dāng)壓力大于200 MPa時,牛肉中的氧合肌紅蛋白含量低于高鐵肌紅蛋白含量[14],使肉呈現(xiàn)褐色,a*值減小,王瑋等[8]的研究也表明低壓雖使牛肉中MetMbase活性增大,但壓力大于200 MPa后活性逐漸降低。

從圖3C可以看出,常壓解凍的牛肉硬度值最大,超高壓處理壓力大于180 MPa時,解凍后牛肉的硬度值低于對照組。復(fù)鮮后牛肉的硬度值隨著壓力的增大而逐漸減小,這是由于硬度值越大,嫩度值越低,超高壓處理可以增加肉類的嫩度[15-16]。

由表6～表9可知,4項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果均為極顯著(p<0.01),故選擇壓力100、150、200 MPa進(jìn)行后續(xù)的正交試驗(yàn)。

表6 壓力對冷凍牛肉復(fù)鮮后汁液損失率影響的方差分析Table 6 Analysis of the variance of effect of pressure on the juice loss rate of the beef after rejuvenation

表7 壓力對冷凍牛肉復(fù)鮮后肉色L*值影響的方差分析Table 7 Analysis of effect of pressure on the L* value of the beef after rejuvenation

表8 壓力對冷凍牛肉復(fù)鮮后肉色a*值影響的方差分析Table 8 Analysis of effect of pressure on the a* value of the beef after rejuvenation

表9 壓力對冷凍牛肉復(fù)鮮后硬度影響的方差分析Table 9 Analysis of the variance of effect of pressure on the hardness value of the beef after rejuvenation

2.2.3 保壓時間對冷凍牛肉復(fù)鮮后汁液損失率、肉色、硬度的影響 由圖4A可以看出,熱水協(xié)同超高壓復(fù)鮮后牛肉的汁液損失率相對于未超高壓處理的樣品顯著降低(p<0.05),且隨著保壓時間的延長,汁液損失率逐漸增大,在保壓時間35 min后趨于平緩逐漸接近未處理樣品汁液損失率,這可能是由于隨著保壓時間延長,牛肉細(xì)胞內(nèi)外汁液逐漸處于平衡,冰晶融化成水的速率逐漸等于細(xì)胞復(fù)原的速率,汁液流失減少。

由圖4B可以看出,在保壓時間25 min后,肉色白度值(L*值)隨著保壓時間的延長呈N字型,先上升后微微降低再上升;紅度值(a*值)呈現(xiàn)倒N型,先下降后升高再降低,35 min時紅度接近未處理樣品,40 min時紅度優(yōu)于未處理樣品。這可能是由于隨著保壓時間由25 min延長至45 min,MetMbase活力先增大后減小,保壓時間40 min時活性中心達(dá)到最大程度暴露,使得活力增強(qiáng),保壓時間延長,MetMbase結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改變或者損傷,導(dǎo)致活力有輕微下降,表現(xiàn)為肉色白化[17]。

圖4 保壓時間對冷凍牛肉汁液損失率(A)、肉色(B)、硬度(C)的影響Fig.4 Effect of frozen beef dwell time on juice loss(A),meat color(B)and hardness value(C)

由圖4C可以看出,未處理的樣品硬度值最高,經(jīng)過超高壓處理后的樣品硬度值隨著保壓時間的延長先下降后升高,在40 min時硬度值最低,可能由于超高壓處理增加了肉的嫩度,但一定時間后肉塊在高壓作用下逐漸緊實(shí),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,相互聚合凝膠,硬度開始增加[18]。

表10 保壓時間對冷凍牛肉復(fù)鮮后汁液損失率影響的方差分析Table 10 Analysis of the effect of pressure dwelling time on the juice loss rate of the beef after rejuvenation

表11 保壓時間對冷凍牛肉復(fù)鮮后肉色L*值影響的方差分析Table 11 Analysis of the effect of pressure dwelling time on color of the beef after rejuvenation

表12 保壓時間對冷凍牛肉復(fù)鮮后肉色a*值影響的方差分析Table 12 Analysis of the effect of pressure holding time on the flesh color a* value of frozen beef after thawing

表13 保壓時間對冷凍牛肉復(fù)鮮后硬度值影響的方差分析Table 13 Analysis of effect of pressure dwelling time on the hardness value of the beef after rejuvenation

由表10～表13可知,4項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果均為極顯著(p<0.01),故選擇保壓時間35、40、45 min進(jìn)行后續(xù)的正交試驗(yàn)。

2.3 溫度協(xié)同超高壓解凍冷凍牛肉正交試驗(yàn)

2.3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,確定影響冷凍牛肉解凍肉色的主要因素及其因素水平,主要因素有熱水溫度、超高壓處理壓力、保壓時間,以汁液損失率、肉色和硬度為考察指標(biāo),設(shè)計L9(34)正交試驗(yàn)表,數(shù)據(jù)為多次平行實(shí)驗(yàn)的平均值。

正交試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果見表14。在考察范圍內(nèi),通過表15～表18的方差分析得出:在影響汁液損失率的因素中壓力極顯著,熱水溫度較顯著,保壓時間不顯著,若要求汁液損失率低,根據(jù)K值的大小得出的理論最佳工藝組合為A2B1C2,即熱水溫度40 ℃、壓力100 MPa、保壓時間40 min;在影響牛肉色的各因素中壓力顯著,熱水溫度較顯著,保壓時間不顯著,若要求肉色呈鮮紅色,根據(jù)色差兩個指標(biāo)L*值與a*值的K值的大小得出的理論最佳工藝組合為A2B1C2以及A2B2C2,即熱水溫度40 ℃、壓力100 MPa或者150 MPa、保壓時間40 min;在影響硬度值的各因素中壓力極顯著,熱水溫度較顯著,保壓時間不顯著,若要求肉質(zhì)硬度降低,根據(jù)K值的大小得出的理論最佳工藝組合為A2B3C2,即熱水溫度恒溫40 ℃、壓力200 MPa、保壓時間40 min。

表14 正交試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 14 Orthogonal array design with analysis of experimental results

表15 汁液損失率正交方差分析表Table 15 Analysis of variance of juice loss rate

表16 色差L*值正交方差分析表Table 16 Analysis of variance of meat color L* value

表17 色差a*值正交方差分析表Table 17 Analysis of variance of meat color a* value

表18 硬度值正交方差分析表Table18 Analysis of variance of hardness value

2.3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析 4個考察指標(biāo)所得的各個因素的影響程度不一致,所得的最佳工藝條件也不一致,需進(jìn)行進(jìn)一步分析與驗(yàn)證。

對于因素A熱水溫度,對前3個考察指標(biāo)都有較顯著影響,對硬度值指標(biāo)影響不顯著,A2熱水溫度為最佳,故選擇熱水溫度為40 ℃;對于因素B壓力,在4個指標(biāo)中均為顯著影響,壓力適中可以滿足硬度以及肉色需求,在B1條件下汁液損失率最低,在B2條件下肉色最佳,在B3條件下硬度值最佳,但綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益及市場對肉色的需求大于對硬度值的需求大于汁液損失率,故選擇壓力為150 MPa;對于因素C保壓時間,在前3個指標(biāo)中均為不顯著因素,對硬度值有影響,C2為理論最佳工藝條件,故選擇保壓時間為40 min。因此正交試驗(yàn)確定的超高壓工藝條件為A2B2C2。

2.3.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果 直觀分析得出汁液損失率指標(biāo)工藝條件為A3B1C2,色差L*、a*以及硬度指標(biāo)工藝條件均為A2B1C2,正交試驗(yàn)工藝條件均為A2B2C2,將上述工藝條件與200 MPa非熱水協(xié)同解凍的樣品、40 ℃常壓解凍的牛肉樣品以及新鮮牛肉進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),以汁液損失率、色差值、硬度值作為考察指標(biāo)。如表19所示。

表19 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 19 Results of verification experiments

由表19可以看出,熱水協(xié)同超高壓復(fù)鮮冷凍牛肉的最優(yōu)工藝為熱水溫度40 ℃、壓力150 MPa、保壓時間40 min。在此條件下,與200 MPa超高壓解凍相比,解凍時間降低25%,汁液損失率升高約13.44%,色度值L*降低約18.89%,紅度值a*升高約139.81%,硬度值降低約17.5%;與常壓解凍處理的牛肉樣品相比,汁液損失率降低約10%,肉色紅度值升高約7.49%,白度值升高約10.55%,硬度降低約50%;與新鮮肉類相比,汁液損失率升高約13%,肉色紅度值升高約5.98%,白度值升高約35.93%,硬度值增加約16%。本實(shí)驗(yàn)以護(hù)色為主要目的綜合考慮市場需求及經(jīng)濟(jì)效益,因此選取冷凍牛肉解凍處理工藝熱水溫度40 ℃,壓力150 MPa,保壓時間40 min。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以汁液損失率、肉色以及硬度值為考察指標(biāo),考察了熱水溫度、壓力以及保壓時間對冷凍牛肉復(fù)鮮的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:熱水協(xié)同超高壓復(fù)鮮冷凍牛肉的最優(yōu)工藝為熱水溫度40 ℃、壓力150 MPa、保壓時間40 min。在此條件下熱水協(xié)同超高壓工藝可快速復(fù)鮮冷凍牛肉。