熱風(fēng)干過程中風(fēng)干肉水分的遷移

饒偉麗 魏相茹 王振宇 潘 騰 陳炳輝 張德權(quán)

(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193；2輔仁大學(xué)食品科學(xué)系,中國 臺灣 24205)

熱風(fēng)干是目前風(fēng)干肉加工采用的主要風(fēng)干方式[1-2],但低溫(35℃)熱風(fēng)干時(shí)風(fēng)干時(shí)間長、能耗高[3-4]。 因此,非常有必要研究35℃低溫?zé)犸L(fēng)干下的水分遷移機(jī)理,從而為縮短加工時(shí)間,降低生產(chǎn)能耗提供新思路。

19 世紀(jì)末20 世紀(jì)初,國內(nèi)外學(xué)者初步明確了低場核磁共振中弛豫吸收峰對應(yīng)肉中水分的存在形式及其空間位置,并在近年來開始運(yùn)用低場核磁共振來研究加工過程中水分存在形式的改變[5-6]。 研究學(xué)者使用氫質(zhì)子低場核磁共振技術(shù)(1H Low Field Nuclear Magnetic Resonance,1HLF-NMR)對生鮮肉中水分的分布和遷移進(jìn)行了廣泛研究,認(rèn)識到LF-NMR 的檢測信號不僅包含肉中水分的存在形式及其相互轉(zhuǎn)換,還包含蛋白質(zhì)與水分相互作用的信息[7-10]。 如Bertram等[8]發(fā)現(xiàn)LF-NMR 可以很好地預(yù)測豬肉加工過程中產(chǎn)品的保水性；McDonnell 等[9]、Liu 等[10]的研究結(jié)果同樣表明,LF-NMR 可以很好地檢測豬肉在腌制過程中肉中蛋白質(zhì)對水分的保持能力,并發(fā)現(xiàn)橫向弛豫時(shí)間T2和保水性顯著相關(guān)。 但目前1HLF-NMR 用于風(fēng)干過程中水分遷移的案例較鮮見[11-12]。 因此,本試驗(yàn)利用1HLF-NMR 研究了低溫(35℃)熱風(fēng)干中水分的狀態(tài)和遷移及水-蛋白的相互作用,初步解析風(fēng)干過程中水分遷移機(jī)制,以期為調(diào)控風(fēng)干過程中水分遷移速度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小尾寒羊和德美肉羊雜交8月齡公羊,內(nèi)蒙古草原宏寶有限公司；石英砂(分析純),上海滬試實(shí)驗(yàn)室器材股份有限公司；乙醇(75%),上海滬試實(shí)驗(yàn)室器材股份有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

D/GDWJB-100L 風(fēng)干箱,上海典和實(shí)驗(yàn)儀器廠；NMR-2011 低場核磁共振儀,上海紐邁電子科技有限公司；DH-101 烘干箱,天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；Digital Thermometer TP-3001,天津Cheerman 科技有限公司；FCR1000-UF-E 超純水機(jī),青島富勒姆科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料肉處理 選取小尾寒羊和德美肉羊雜交8月齡公羊6 只,清真屠宰后取后腿米龍,放于自封袋(2 300 mL O2·m-2·24 h-1,0℃)中,冰箱中7℃排酸。排酸至宰后24 h 時(shí),把每個(gè)米龍肉順纖維切成2 cm×2 cm×7 cm 的8 個(gè)肉條,放于4℃冰溫箱中至宰后48 h時(shí),再放入風(fēng)干箱進(jìn)行風(fēng)干。

1.3.2 熱風(fēng)干處理 采用溫度35±0.5℃、濕度60%±2%的風(fēng)干箱進(jìn)行低溫?zé)犸L(fēng)干,風(fēng)速為3 m·s-1。 把肉條穿到曲別針上,保持肉條垂直,風(fēng)干總時(shí)長為600 min,且分別于風(fēng)干100、200、300、400、500、600 min 時(shí)取出每只羊的1 個(gè)肉條,用于測定樣品的氫質(zhì)子低場核磁共振波譜圖。

1.3.3 風(fēng)干肉氫質(zhì)子低場核磁共振波譜的測量 用取樣器取出風(fēng)干肉的內(nèi)部,取樣器的直徑為風(fēng)干肉橫截面直徑的一半,然后分別對內(nèi)部和外部進(jìn)行氫質(zhì)子低場核磁共振波譜測定。 測量參數(shù)為：磁場強(qiáng)度0.5 T、主頻23 MHz、偏移頻率286.781 3 kHz；90°脈沖時(shí)間17 μs、180°脈沖時(shí)間35 μs；采樣點(diǎn)數(shù)54 996,重復(fù)時(shí)間3 000 ms,累加次數(shù)4 次,回波數(shù)2 000,核磁管直徑60 mm。 利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill 脈沖序列測定樣品中的橫向弛豫時(shí)間T2。 樣品的氫質(zhì)子低場核磁共振波譜圖的信號強(qiáng)度除以樣品的干物質(zhì)重為最終氫質(zhì)子低場核磁共振波譜圖。

1.3.4 風(fēng)干肉水分含量的測定 取3 g 左右已被絞碎的原料肉或風(fēng)干肉,加入10 g 石英砂和5 mL 乙醇,攪拌均勻后于103℃烘箱中烘干20 h。 按照公式計(jì)算樣品的水分含量：

1.3.5 風(fēng)干肉表面和中心溫度的測量 將熱電偶插到肉條的表皮和中心,放到風(fēng)干箱中固定好,熱電偶對表皮和中心的溫度每隔2 min 記錄一次。

1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)(statistic analysis system,SAS)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 每試驗(yàn)設(shè)立3個(gè)重復(fù)。 不同風(fēng)干時(shí)間的樣品間差異用單因素方差分析,顯著水平0.05,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)外部水分的存在形式

由圖1可知,風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)部和外部的氫質(zhì)子低場核磁共振T2在1～1 000 ms 的弛豫時(shí)間內(nèi)均分布有3 個(gè)峰。 按照Pearce 等[13]學(xué)者的理論,這3 個(gè)峰分別對應(yīng)風(fēng)干肉中3 種存在形式的水：第1 個(gè)峰為與大分子緊密結(jié)合的水—結(jié)合水(T2b),弛豫時(shí)間在1～7 ms 之間；第2 個(gè)峰為肌原纖維中的水—不易流動水(T21),弛豫時(shí)間在40～50 ms 之間；第3 個(gè)峰為肌原纖維網(wǎng)絡(luò)外水—自由水(T22),弛豫時(shí)間在280 ～340 ms 之間[13-14]。 該研究結(jié)果與Bertram 等[8,15]的研究結(jié)果相似。

2.2 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)外部的結(jié)合水(T2b)變化

T2b的變化是風(fēng)干過程中水-肉蛋白相互作用發(fā)生改變的直接結(jié)果[7,16]。 因?yàn)樗趾偷鞍踪|(zhì)中的質(zhì)子可以相互交換,且這種交換受到蛋白質(zhì)變性和聚集的影響[17-18]。 研究證實(shí),隨著蛋白質(zhì)中水分含量的增加,蛋白質(zhì)的α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角含量增加,β-折疊含量下降,這會導(dǎo)致分子內(nèi)氫鍵強(qiáng)度減弱,會使蛋白質(zhì)表面的質(zhì)子更容易與水中的質(zhì)子進(jìn)行交換[19],最終影響T2b的弛豫時(shí)間和吸收面積。 由表1可知,風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)部的T2b峰頂點(diǎn)時(shí)間沒有顯著變化；風(fēng)干肉內(nèi)部的T2b峰面積呈逐漸升高趨勢,結(jié)合水含量在風(fēng)干500 min 時(shí)升高,但無顯著差異。 由表2可知,當(dāng)風(fēng)干時(shí)間超過400 min 后,風(fēng)干肉外部的T2b峰頂點(diǎn)時(shí)間顯著下降；當(dāng)風(fēng)干時(shí)間超過200 min 后,風(fēng)干肉外部的T2b峰面積顯著升高,并于風(fēng)干500 min 時(shí)達(dá)到最大值38.82,表明風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)部和外部中水-蛋白相互作用不同,這可能是外部水分脫除快,水-蛋白相互作用變化更劇烈導(dǎo)致的。

2.3 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)外部的不易流動水(T21)變化

由圖1可知,與內(nèi)部相比,風(fēng)干過程中風(fēng)干肉外部的T21弛豫隨著風(fēng)干時(shí)間的延長,峰變寬,這主要是由于風(fēng)干肉在風(fēng)干過程中內(nèi)外部水-蛋白相互作用多樣化導(dǎo)致的。 風(fēng)干過程中水分由外向內(nèi)脫除(圖2),風(fēng)干肉表面水分快速脫除形成一層硬殼,而接近硬殼部位的水分含量還保持較高水平,在本試驗(yàn)的取樣過程中,外部包含硬殼和接近硬殼部分,水分含量不均勻,造成水-蛋白相互作用多樣化[20]。

由表1、2 可知,風(fēng)干過程中風(fēng)干肉、內(nèi)外部的不易流動水(T21) 變化不同。 隨著風(fēng)干時(shí)間的延長,

圖1 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)部和外部弛豫時(shí)間T2 的變化Fig.1 Distribution of LF-NMR T2 relaxation of inner and external part of dried meat during air drying

表1 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)部弛豫時(shí)間T2 的峰頂點(diǎn)時(shí)間和峰面積Table1 The relaxation times and area of all water populations of T2 of inner part of dried meat

風(fēng)干肉內(nèi)部的T21峰頂點(diǎn)時(shí)間呈下降趨勢,并在風(fēng)干600 min 時(shí)達(dá)到最低；風(fēng)干肉內(nèi)部的T21峰面積逐漸下降,400 min 時(shí)略有上升,隨后下降并在風(fēng)干結(jié)束時(shí)達(dá)到最小值398.60。 而風(fēng)干肉外部,當(dāng)風(fēng)干時(shí)間達(dá)到500 min 時(shí),風(fēng)干肉外部的T21峰頂點(diǎn)時(shí)間下降明顯,但無顯著差異；當(dāng)風(fēng)干時(shí)間超過200 min,風(fēng)干肉外部T21峰面積就顯著降低,并于風(fēng)干結(jié)束時(shí)達(dá)到最小值226.64。

2.4 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)外部的自由水(T22)變化

由表1可知,風(fēng)干過程中風(fēng)干肉內(nèi)部的T22峰頂點(diǎn)時(shí)間和峰面積均沒有顯著變化。 由表2可知,風(fēng)干肉外部的T22峰頂點(diǎn)時(shí)間隨著風(fēng)干時(shí)間的延長呈下降趨勢,在風(fēng)干500 min 時(shí),不易流動水含量降低明顯,但無顯著差異；風(fēng)干肉外部的T22峰面積呈先長高后下降的趨勢,在風(fēng)干600 min 時(shí)達(dá)到最低。 按照Pearce等[13]的理論,T22峰面積的減小表明風(fēng)干肉外部中自由水在風(fēng)干后期顯著減小；同時(shí)T22峰頂點(diǎn)時(shí)間的顯著下降表明肌原纖維外的空間減小,這符合實(shí)際風(fēng)干中風(fēng)干肉發(fā)生纖維橫向收縮的現(xiàn)象。

表2 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉外部弛豫時(shí)間T2 的峰頂點(diǎn)時(shí)間和峰面積Table2 The relaxation times and area of all water populations of T2 of external part of dried meat

2.5 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉中心和表皮水分含量的變化

由圖2可知,風(fēng)干100 min 時(shí),風(fēng)干肉中心水分含量略低于表皮,隨著風(fēng)干時(shí)間的延長,風(fēng)干肉表皮的水分含量顯著下降,而風(fēng)干肉中心的水分含量下降緩慢,造成風(fēng)干肉從內(nèi)到外的水分梯度。 35℃風(fēng)干過程中,風(fēng)干肉表面的水分快速脫除,而內(nèi)部的水分遷移慢,造成了表面硬殼的形成。

圖2 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉中心和表皮水分含量的變化Fig.2 Moisture content of inner and external part of dried meat during air drying

2.6 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉表皮和中心溫度變化

由圖3可知,風(fēng)干肉內(nèi)部起始溫度低于表皮溫度,隨著風(fēng)干時(shí)間的延長,與表皮相比,風(fēng)干肉中心溫度快速上升,且逐漸趨于平衡,這是由于加熱介質(zhì)將熱量傳給風(fēng)干肉表面,風(fēng)干肉本身又將熱量以傳導(dǎo)形式傳向肉中心,形成自中心向外的溫度梯度,導(dǎo)致水分從高到低傳遞,這符合傳質(zhì)傳熱規(guī)律。

圖3 風(fēng)干過程中風(fēng)干肉表皮和中心溫度Fig.3 Temperature of inner and external part of dried meat during air drying

3 討論

本研究結(jié)果表明,風(fēng)干過程中風(fēng)干肉氫質(zhì)子低場核磁共振T2在1～1 000 ms 的弛豫時(shí)間內(nèi)分布有3 個(gè)峰,分別對應(yīng)存在于風(fēng)干肉中的3 種形式的水,即大分子緊密結(jié)合的水—結(jié)合水(T2b)、肌纖維中的水—不易流動水(T21)和肌纖維網(wǎng)絡(luò)外水—自由水(T22)[13,21]。在風(fēng)干過程中,這3 種狀態(tài)水分的弛豫時(shí)間均顯著降低。 本研究中,T2b和T22的峰頂點(diǎn)弛豫時(shí)間大于Bertram 等[15]在生鮮肉研究中的峰頂點(diǎn)弛豫時(shí)間(T2b的峰頂點(diǎn)時(shí)間在0 ～4 ms 范圍內(nèi),T22的峰頂點(diǎn)時(shí)間在140～350 ms 范圍內(nèi)),這是因?yàn)門2的弛豫時(shí)間受很多因素的影響[22],如冷凍方式(液氮冷凍、鼓風(fēng)冷凍和小型凍結(jié)間冷凍)、冷凍條件(-10 或-20℃冷凍5 d、8 d或18 周)等[23-24]。 因此,本試驗(yàn)中風(fēng)干肉T2b和T22的峰頂點(diǎn)弛豫時(shí)間大于前人研究[15]結(jié)果,這可能是由于本研究中使用的原料肉是經(jīng)解凍后風(fēng)干,原料肉存在差異。

在風(fēng)干過程中由于肌球蛋白頭部發(fā)生變性,肌原纖維蛋白表面疏水性增加,溶解性降低,導(dǎo)致水-肌原纖維蛋白相互作用減弱,這是風(fēng)干過程中不易流動水向自由水遷移的一個(gè)重要因素。 Pearce 等[13]學(xué)者認(rèn)為,在生鮮肉中T21時(shí)間常數(shù)的變化意味著肌纖維內(nèi)空間的改變,而T22時(shí)間常數(shù)表示肌纖維膜和肌纖維外空間的變化,即T21時(shí)間的增加表示肌纖維之間空間的增加或者肌節(jié)的縮短,T22時(shí)間的增加表示肌纖維外區(qū)域空間的增加。 本研究結(jié)果表明,T2分布的峰面積同樣受水-蛋白相互作用的影響。 在生鮮肉的研究中,大都認(rèn)為是肌原纖維內(nèi)質(zhì)子(基本上是水,還有部分脂肪,本試驗(yàn)中脂肪不會引起質(zhì)子數(shù)量的變化)數(shù)量的增加導(dǎo)致T21吸收強(qiáng)度或峰面積的增加[25-26]；肌原纖維外質(zhì)子數(shù)量的增加導(dǎo)致T22吸收強(qiáng)度或峰面積的增加[27]；蛋白大分子表面緊密結(jié)合的質(zhì)子數(shù)量的增加導(dǎo)致T2b吸收強(qiáng)度或峰面積的增加[28]。 但以上并不能很好地解釋本研究的結(jié)果。 本研究中,當(dāng)水分含量從65%下降至60%時(shí),風(fēng)干肉T21、T2b和T22的峰面積均未顯著降低。 因此,可認(rèn)為除受樣品中水分含量的影響外,風(fēng)干肉的T2吸收強(qiáng)度或峰面積還受到水-蛋白相互作用的影響。 但是,風(fēng)干肉中的蛋白質(zhì)在風(fēng)干過程中變性程度如何,以及對水合能力有何影響,仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

低場核磁共振波譜T2的弛豫時(shí)間和信號強(qiáng)度改變,表明風(fēng)干肉35℃風(fēng)干過程中水-蛋白相互作用模式發(fā)生了改變,這是水分遷移速度變化的重要原因。相比于內(nèi)部,風(fēng)干肉外部的水分更容易脫除,水-蛋白相互作用模式多樣。 35℃風(fēng)干過程中風(fēng)干肉表面的水分快速脫除,而內(nèi)部的水分遷移慢,造成了表面硬殼的形成,硬殼中結(jié)締組織的收縮很可能是肌纖維間孔隙減小的原因。 此外,風(fēng)干肉收縮導(dǎo)致內(nèi)部孔隙直徑減小,會影響風(fēng)干過程中水分的遷移。 本研究為調(diào)控風(fēng)干過程中水分遷移速度,實(shí)現(xiàn)風(fēng)干肉工業(yè)化加工提供了理論依據(jù)。