低溫蒸煮牛肉品質(zhì)評價模型的構(gòu)建與分析

孟祥忍， 王恒鵬， 吳 鵬， 陳勝姝， 屠明亮， 高子武

(揚州大學 旅游烹飪學院/江蘇省淮揚菜產(chǎn)業(yè)化工程中心, 江蘇 揚州 225000)

我國是牛肉生產(chǎn)大國，產(chǎn)量僅次于美國與巴西[1]。綜合國家統(tǒng)計局及海關(guān)數(shù)據(jù)，2018年我國牛肉消費量為774.46萬t，需求量較2017年同期增長3.68%，具有良好的行業(yè)前景。高溫蒸煮、油炸、烘烤等傳統(tǒng)烹飪方式在造成肉類口感下降和營養(yǎng)成分損失的同時，還伴有多環(huán)芳烴、雜環(huán)胺等有害物質(zhì)的產(chǎn)生[2]。低溫蒸煮溫度一般控制在50～80 ℃，能較好地保留住牛肉的營養(yǎng)成分，符合當代人對膳食品質(zhì)的高要求。Rinaldi等[3]研究表明，60～70 ℃的加熱溫度能抑制大部分細菌的生長，適用于魚肉、牛肉、羊肉的烹飪加工。目前在市場上，因嫩度、多汁性較好而受消費者歡迎的牛肉熟制程度一般為五分熟和七分熟，其對應(yīng)的加熱中心溫度分別為60～63 ℃、65～68 ℃，且中心溫度達65 ℃，牛肉的大部分蛋白質(zhì)(肌球蛋白及其亞基)已完全變性，具備了可食用性[4]。在低溫蒸煮過程中，采用真空包裝可避免食品在加工中的再污染，并極大降低揮發(fā)性風味成分、水分和營養(yǎng)物質(zhì)的流失[5]。同時，通過精準控制溫度和時間，使得烹飪產(chǎn)品具備較強的可復(fù)制性[6]。低溫蒸煮技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的時間不長，應(yīng)用研究仍以水產(chǎn)品為主[7-8]，針對肉類的相關(guān)研究較少。因此，將低溫蒸煮技術(shù)應(yīng)用于牛肉產(chǎn)品的后期加工，并對其加工品質(zhì)進行有效評估顯得尤為重要。

目前，我國對牛肉的品質(zhì)鑒別主要依靠感官評價，此法主觀性強，對評價者的專業(yè)水平要求較高，誤差較大，不易推廣。為減少主觀因素帶來的較大誤差，眾多學者通常采用理化指標結(jié)合感官評定或模糊數(shù)學綜合評判法進行各類產(chǎn)品的品質(zhì)評價[9-10]。

關(guān)于牛肉的品質(zhì)指標有很多，難以分清主次，而主成分分析(principal component analysis, PCA)法可將原來的評價指標重新組合，以較少的綜合指標反映原始指標的主要信息，目前已廣泛應(yīng)用于食品質(zhì)量評價領(lǐng)域[11-12]。本研究以澳洲西冷牛肉為研究對象，以100 ℃加熱為對照，測定其在不同低溫蒸煮環(huán)境中品質(zhì)指標的變化情況，利用PCA法建立真空低溫牛肉的品質(zhì)評價模型，并對照模糊數(shù)學綜合感官評分結(jié)果驗證模型的可靠性，旨在為低溫蒸煮產(chǎn)品評價方法的開發(fā)提供技術(shù)參考與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

澳洲冰鮮西冷牛肉(婆羅門牛，12月齡)，排酸成熟72 h，南京力伊敦國際貿(mào)易有限公司；硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、硼酸、氫氧化鈉、95%乙醇、鹽酸、無水乙醚、石油醚、碘、碘化鉀均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MK- 301型熱電偶接觸式測溫儀，杭州美控自動化技術(shù)有限公司；PHS- 3C型臺式酸度計，上海力辰儀器科技有限公司；GTR16- 2型高速冷凍離心機，北京時代北利離心機有限公司；TMS- Pro型物性測定儀，美國FTC公司；SC- 80C型全自動色差計，北京康光光學儀器有限公司；HH- 6型電熱恒溫水浴鍋，山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司；BS210S(1/1000)型電子天平，北京賽多斯儀器系統(tǒng)有限公司；ZH型真空包裝機，上海鑄衡電子科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1樣品處理

剔除西冷牛肉表面筋腱、肌膜，將其切割成規(guī)格為5×5×1.5 cm3的整塊肉樣。將肉樣分為5組，每組9塊。參考王君翠[13]的方法，略作修改。先將熱電偶溫度探頭插入未經(jīng)真空包裝的樣品中心位置，按組分別置于溫度為60、65、70、75、100 ℃的恒溫水浴鍋中進行加熱，密封袋開口朝上。開始加熱并計時，實時監(jiān)控樣品的中心溫度變化，記錄樣品中心溫度分別達到對應(yīng)水浴溫度時所需的加熱時間，每個條件重復(fù)3次，取平均值。將測試肉樣真空包裝后，利用每組樣品達到對應(yīng)中心溫度所需時間進行水浴加熱，當肉樣中心溫度達到60 ℃(加熱28～32 min)、65 ℃(加熱46～50 min)、70 ℃(加熱60～65 min)、75 ℃(加熱82～86 min)和100 ℃(加熱165～170 min)時，取出肉樣，冷卻至室溫(20±2) ℃，待測。

1.3.2嫩度的測定

選用肌肉嫩度儀進行牛肉樣品嫩度的測定。將肉樣用直徑1.27 cm的圓形取樣器沿與肌纖維平行的方向鉆取肉樣(避開筋腱)，孔樣長度不少于2.5 cm，取樣位置距離樣品邊緣不少于5 mm，兩個取樣的邊緣間距不少于5 mm，剔除有明顯缺陷的孔樣，測定樣品數(shù)量不少于3個，取樣后立即測定。

1.3.3保水性的測定

參照Zhou等[14]的離心方法，略作修改。取10.0 g左右的牛肉樣品切碎(粒徑1 mm3)，放入離心管中，記為Wa，置于轉(zhuǎn)速為7 000 r/min的冷凍離心機中離心20 min，離心結(jié)束后將肉樣取出，并用濾紙吸干樣品表面水分并稱重，記為Wb。按式(1)計算牛肉的保水性(water holding capacity,WHC)。

WHC=Wb/Wa×100%。

(1)

1.3.4pH值的測定

參照文獻[15]，采用pH儀測定。取10.0 g牛肉樣品剪碎，加入90 mL pH值為7.0的蒸餾水，浸泡30 min，并不停攪拌，再用pH儀進行檢測，待數(shù)值穩(wěn)定后讀數(shù)，測定樣品數(shù)量不少于3個，取平均值。

1.3.5色澤的測定

將便攜式色差儀經(jīng)白板校準(初始色值L*=0、a*=0、b*=0、C=0)，測定牛肉樣品的L*值(亮度)、a*值(紅度)、b*值(黃度)、C值(色彩強度)。將色差儀鏡頭垂直放置于牛肉表面測量，鏡口緊貼肉面(不能漏光)。每個樣品選取不同的截面測定3次，測量時將色差儀測定位置均勻分布牛肉肌肉表面，避開可見脂肪與筋腱，記錄L*、a*、b*及C值(a*2+b*2)0.5。

1.3.6蛋白質(zhì)、脂肪與水分含量的測定

參照文獻[16]，采用凱式定氮法進行牛肉中蛋白質(zhì)含量的測定；參照文獻[17]，采用酸水解法進行牛肉中粗脂肪含量的測定；參照文獻[18]，采用直接干燥法進行牛肉中水分含量的測定。

1.3.7感官評價方法

感官評價環(huán)境與正常消費環(huán)境相同，無異味、噪音。評定人員出入方便，評定區(qū)與制備區(qū)相隔離，通氣良好，溫度21～25 ℃，相對濕度55%～65%。感官評定小組由10位專業(yè)人士構(gòu)成，小組成員均經(jīng)培訓與篩選后產(chǎn)生，具體評價標準見表1。

表1 感官評價標準

1.3.8模糊數(shù)學綜合評價

1)因素集的建立。品評者分別對牛肉樣品的色澤(u1)、風味(u2)、多汁性(u3)、嫩度(u4)4個感官特性進行評分，得到樣品的因素集為U={U1，U2，U3，U4}。

2)評語集的建立。經(jīng)過評定小組討論，確定牛肉的評價等級為一級(v1)、二級(v2)、三級(v3)、四級(v4)、五級(v5)，得到評語集V={v1，v2，v3，v4，v5}。以100分為標準，各指標大于80分為一級，得分60～80分為二級，得分40～60分三級，得分20～40分為四級，得分小于20分五級。

3)權(quán)重集的確定。影響低溫蒸煮牛肉感官品質(zhì)的指標主要包括色澤、風味、多汁性、嫩度，本試驗采用頻數(shù)統(tǒng)計法來確定每個因素的權(quán)重，對參加評價因素的重要程度以1對1進行比較，重要的得1分，次要的得0分，自身比較得1分，具體權(quán)重結(jié)果見表2。

表2 感官指標權(quán)重的確定

經(jīng)計算，在綜合評判中各因素所占比重分別是0.21、0.29、0.25、0.25。因此，權(quán)重系數(shù)X={0.21，0.29，0.25，0.25}。

4)模糊矩陣的確立。同時請10位評委根據(jù)評語集V對各個樣品做出評判，統(tǒng)計各因素指標所得評語次數(shù)，并繪制成表，再將表中各數(shù)除以k值(k=10)，以獲得4個因素對5項評語的隸屬度R，按因素為行排列即得隸屬度矩陣。依據(jù)模糊變換原理，得到模糊關(guān)系評價集Y=XR。最后引進綜合評分矩陣T處理模糊關(guān)系評價集Y，根據(jù)感官評價的特殊性，設(shè)評價等級集K={k1，k2，k3，k4，k5}，得到低溫蒸煮牛肉樣品的模糊綜合評價總分T=Y×K。

1.3.9數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用平均值±標準差表示。采用Microsoft Office Excel 2003軟件與SPSS 17.0全因子模型對測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與主成分分析，差異顯著水平P為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫蒸煮過程中牛肉的品質(zhì)指標分析

研究真空低溫加熱過程中牛肉品質(zhì)指標的變化，結(jié)果見表3。嫩度是評價肉品質(zhì)量的重要指標之一[17]，牛肉的嫩度大小主要與其蛋白結(jié)構(gòu)在加熱過程中的變化有關(guān)[19]。表3顯示，以100 ℃為對照，在低溫蒸煮過程中，牛肉的嫩度隨溫度的升高呈先增大后減小趨勢，于70 ℃產(chǎn)生峰值，75 ℃又有明顯減小(P<0.05)，與Palka[20]、孫紅霞等[21]的研究結(jié)果一致。WHC在一定程度上影響肉的多汁性，當加熱溫度在60～65 ℃，牛肉的WHC有顯著提高(P<0.05)，在65 ℃低溫加熱條件下牛肉的WHC高達86.71%，而在100 ℃常溫加熱條件下降低至76.32%。pH值是衡量牛肉品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)[22]，低溫蒸煮對牛肉的pH值有顯著影響(P<0.05)，在65 ℃加熱條件下牛肉的pH值明顯降低，到70 ℃又有明顯升高，這可能與溫度破壞穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的化學鍵使其在加熱后酸性基團減少有關(guān)[23]。色澤是消費者在決定購買牛肉產(chǎn)品前首先考慮的重要屬性，在65 ℃加熱條件下牛肉的L*值顯著高于其他樣品組(P<0.05)。牛肉的紅度a*值隨加熱溫度的升高逐漸減小(P<0.05)，60 ℃與65 ℃加熱條件下的牛肉樣品具有較高的a*值，主要由于低溫加熱極大減少了對肌紅蛋白的破壞[24]。低溫蒸煮過程中牛肉黃度b*值的變化趨勢與L*值基本保持一致，牛肉的b*值在65 ℃加熱條件下達到最大，在70 ℃加熱條件下減小至2.02。C值主要表示肌肉的色彩強度，65 ℃加熱條件下的牛肉具有最好的色彩強度，而100 ℃對照組的牛肉色彩強度最差，顯示隨著加熱溫度的升高，牛肉逐漸變得黯淡、無光澤。隨著加熱溫度的升高，熱能的傳遞誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性，蛋白質(zhì)結(jié)合水被釋放，導(dǎo)致水分含量逐漸降低，脂肪和蛋白質(zhì)的相對含量稍有所增加，與Brugiapaglia等[25]的研究結(jié)果一致。

表3 低溫蒸煮過程中牛肉品質(zhì)指標的變化

同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)，相同表示差異不顯著(P>0.05)。

2.2 低溫蒸煮牛肉品質(zhì)評價模型的構(gòu)建

變量的共同度可用來表示各變量中所含原始信息能被提取的公因子所表達的程度。利用主成分分析法提取變量的共同度，結(jié)果見表4。由表4可知，所有變量的共同度均在85%以上，信息損失較少，進一步顯示了本試驗提取的幾個公因子對各變量的解釋是較強的。

利用主成分分析法計算低溫蒸煮牛肉的主成分因子特征值和方差貢獻率，結(jié)果見表5。通常選取特征根大于1的成分與累積貢獻率大于80%的主成分數(shù)目作為研究對象。由表5可知，第一主成分、第二主成分和第三主成分的特征根為5.809、2.462和1.381，均大于1，其累計貢獻率分別達58.085%、82.708%和96.514%，能較好地反映出低溫蒸煮牛肉品質(zhì)指標構(gòu)成的原始信息。低溫蒸煮牛肉主成分的載荷矩陣與特征向量如表6。

表4 主成分分析提取變量的共同度

根據(jù)第一、第二、第三主成分的特征根，結(jié)合載荷矩陣，計算出特征向量，結(jié)果見表6。分別將嫩度、WHC、pH值、L*、a*、b*、C、蛋白質(zhì)、脂肪、水分含量等標準化后的數(shù)據(jù)記作X1～X10，可得主成分的表達式，見式(2)至式(4)。

F1=-0.188X1-0.332X2-0.151X3+0.233X4+
0.378X5+0.300X6+0.412X7-0.353X8+
0.337X9+0.370X10；

(2)

F2=0.247X1+0.237X2+0.481X3-0.527X4+
0.257X5-0.386X6+0.072X7+0.073X8+
0.347X9+0.166X10；

(3)

F3=0.665X1+0.300X2-0.438X3+0.018X4-

0.071X5+0.229X6+0.030X7+0.435X8+

0.168X9-0.004X10。

(4)

式(2)至(4)中系數(shù)為各品質(zhì)指標的特征向量，F(xiàn)1、F2、F3為各主成分評分。以第一、第二、第三主成分初始特征根的方差貢獻率βi(i=1,2,3)為加權(quán)系數(shù)，可得低溫蒸煮牛肉的品質(zhì)評價模型，見式(5)。

表5 低溫蒸煮牛肉的主成分因子特征值及方差貢獻率

表6 低溫蒸煮牛肉的主成分載荷矩陣與特征向量

F=(0.580 85F1+0.246 23F2+0.138 05F3)/
0.965 14。

(5)

式(5)中系數(shù)為各主成分的方差貢獻率。

載荷絕對值越大，對主成分的貢獻越大[26]。由表6可知，第一公因子在X2、X5、X6、X7、X8、X9有較大載荷，主要從WHC、a*、b*、C、蛋白質(zhì)、脂肪、水分等指標反映低溫蒸煮牛肉的品質(zhì)；第二公因子在X3、X4、X6有較大載荷，主要從pH值、L*、b*等指標反映低溫蒸煮牛肉的品質(zhì)；第三公因子在X1有較大載荷，主要從嫩度方面反映低溫蒸煮牛肉的品質(zhì)。

為進一步明晰各類品質(zhì)指標在主成分中的作用，根據(jù)主成分載荷矩陣制作因子載荷圖，結(jié)果見圖1。由圖1可知，PC1中的8種品質(zhì)指標聚為4簇，蛋白質(zhì)單獨聚為一簇，脂肪和WHC聚為一簇，a*、C、水分聚為一簇，b*和L*聚為一簇。PC2中pH值單獨聚為一簇，PC3中嫩度單獨聚為一簇。綜合看來，PCA將對低溫蒸煮牛肉品質(zhì)產(chǎn)生影響的指標分為6種，即蛋白質(zhì)，脂肪和WHC，a*、C和水分，b*和L*，pH，嫩度等指標的共同作用構(gòu)成了低溫蒸煮牛肉的主要品質(zhì)。

圖1 低溫蒸煮牛肉的因子載荷圖Fig.1 Plot of factor loading of beef with sous vide cooking

通過式(5)計算，可得低溫蒸煮牛肉品質(zhì)的綜合評分，結(jié)果見表7。由表7可知，依據(jù)此品質(zhì)評價模型，顯示低溫65 ℃加熱條件下的牛肉綜合評分最高，低溫60 ℃次之，100 ℃加熱的牛肉綜合評分最低。從該模型得出低溫蒸煮牛肉的綜合評分與品質(zhì)排序，顯示綜合評分與排序越高，牛肉的品質(zhì)越好。因此，低溫蒸煮牛肉的品質(zhì)優(yōu)劣對應(yīng)的加熱溫度順序為：65、60、70、75、100 ℃。本研究所采用的熱加工方式主要模擬了低溫產(chǎn)品的實際操作過程，與萬紅兵等[27]研究結(jié)果較為接近，通過比較加熱(70～100 ℃, 0～180 min)處理牛肉嫩度的綜合得分，發(fā)現(xiàn)當肉塊中心溫度高于80 ℃時，中心溫度越高，牛肉的綜合得分越低。

2.3 模糊數(shù)學感官評價結(jié)果

通過10名感官評價員在專門試驗條件下對5組低溫蒸煮牛肉樣品進行4項指標的評價，將評價結(jié)果收集匯總并進行統(tǒng)計分析，得出感官評價結(jié)果，見表8。由表8可知，以60 ℃低溫蒸煮牛肉的色澤v表示牛肉評價等級：v1、v2、v3、v4、v5分別表示一級、二級、三級、四級、五級牛肉。

表7 低溫蒸煮牛肉品質(zhì)評價的綜合得分

表8 不同低溫蒸煮牛肉的感官評價結(jié)果

為例，7人評80～100分，3人評60～80分，無人評60分以下，則得到U1={0.7，0.3，0，0，0}，同理可得U2={0.6，0.3，0.1，0，0}，U3={0.7，0.3，0，0，0}，U4={0.9，0.1，0，0，0}，從而得到4個單因素對5項評語的隸屬度矩陣，即：

同理可得：

根據(jù)模糊變化原理，計算各樣品對評價因素的綜合隸屬度Y=XR，得到評價結(jié)果如下：

同理可得，Y2={0.875，0.125，0，0，0}，Y3={0.675，0.271，0.054，0，0}，Y4={0.625，0.229，0.146，0，0}，Y5={0.479，0.317，0.154，0.05，0}。

模糊綜合評價總分T=Y×K，由第1個樣品的Y1={0.721，0.25，0.029，0，0}和評價等級集K={90，70，50，30，10}，經(jīng)計算得出：

60 ℃真空低溫牛肉樣品的綜合評分T1=|0.721 0.25 0.029 0 0|×|90 70 50 30 10|=83.84

同理可得，T2=87.50，T3=82.42，T4=79.58，T5=74.50。

為便于分析，將低溫蒸煮牛肉的模糊數(shù)學綜合感官評分結(jié)果繪制成柱狀圖，如圖2。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)，相同表示無顯著差異(P>0.05)。圖2 低溫蒸煮牛肉的模糊數(shù)學綜合感官評分Fig.2 Fuzzy mathematical sensory score of beef with sous vide cooking

模糊數(shù)學感官評價法是通過運用模糊數(shù)學原理模擬人類判斷問題的思維方式，綜合考慮所有評定因素對總體效果的貢獻，能夠?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量作出準確、客觀與科學的評價[28]。由圖2可知，低溫65 ℃加熱條件下牛肉的感官評分最高，與其他加熱組差異顯著(P<0.05)；低溫60 ℃與70 ℃加熱條件下的牛肉感官評分無顯著差異(P>0.05)。隨著加熱溫度的升高，低溫蒸煮牛肉的感官評分總體呈先升高后降低趨勢，100 ℃牛肉的感官評分最低，表現(xiàn)為感官品質(zhì)最差。低溫蒸煮牛肉的感官評分由高到低對應(yīng)的加熱溫度依次為：65、60、70、75、100 ℃，與品質(zhì)評價模型的排序結(jié)果具有較好的一致性，顯示基于主成分分析法得到的低溫蒸煮牛肉品質(zhì)評價模型是真實可靠的。

2.4 真空低溫牛肉品質(zhì)評價模型的驗證

為驗證品質(zhì)評價模型的可靠性，將模型綜合得分F與感官評分進行person相關(guān)性分析，結(jié)果見表9。由表9可知，利用品質(zhì)評價模型獲得的低溫蒸煮牛肉綜合得分與模糊數(shù)學感官評分的相關(guān)系數(shù)高達0.963，具有極顯著相關(guān)性(P<0.01)，進一步證實了該評價模型的可靠性。

表9 低溫蒸煮牛肉模型得分與感官評分的相關(guān)性

* 表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

3 結(jié) 論

采用主成分分析(PCA)法對所有與牛肉品質(zhì)相關(guān)的理化指標進行綜合分析，建立了基于主成分分析法的低溫蒸煮牛肉的品質(zhì)評價模型。在該模型下，牛肉樣品的綜合得分為-1.783～1.834，與模糊數(shù)學綜合感官評分的排序結(jié)果具有一致性。利用PCA法構(gòu)建低溫蒸煮牛肉的品質(zhì)評價模型，可將多維問題簡單化，并對不同烹飪加熱產(chǎn)品質(zhì)量評價方法的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。