牛肉加熱過程中水分遷移規(guī)律研究

朱瑩瑩，張 麗，汝 驊，石學彬，楊培強

（1.蘇州市職業(yè)大學食品營養(yǎng)與檢測系，食品營養(yǎng)與安全中心，蘇州市大學生營養(yǎng)與健康促進基地，江蘇 蘇州 215104；2.南京農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，國家肉品質量安全控制工程研究中心，江蘇 南京 210095；3.蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，江蘇 蘇州 215151）

牛肉富含蛋白質和微量元素，其氨基酸組成比例合理，有利于人體消化吸收，是一種營養(yǎng)豐富的肉類食品[1]。在中國人的飲食習慣中，肉類食品食用前通常要進行高溫長時間加熱。加熱會改變?nèi)忸愂称返奈锢頎顟B(tài)，使其更易被消化，同時可改善口感，保證肉品的安全食用[2]。加熱是牛肉加工過程中的重要步驟，隨著社會的進步，消費者越來越關注食品的品質和加熱過程中牛肉的口感以及食用品質變化，尤其是嫩度變化[3]。肉制品中水分含量占比高，受加熱因素影響大，肉中的水分主要包括細胞外受束縛作用最小的自由水、肌纖維組織間的不易流動水以及存在于細胞間與蛋白質等大分子結合的結合水[4]。

低場核磁共振技術（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一種新型、快速、無損分析檢測技術，其原理是通過測定食品中氫原子核在磁場中的弛豫特性來確定食品中水分的不同狀態(tài)，可用于研究樣品的物性。低場核磁共振及成像技術可以實時監(jiān)測樣品內(nèi)部水分的動態(tài)變化，同時獲得樣品內(nèi)部可視化圖像信息。肉品內(nèi)部的水分狀態(tài)及組成會直接影響肉及其制品的產(chǎn)率、品質、口感及嫩度等，其品質指標與核磁的弛豫信號間存在相關性[5-8]。近年來，LF-NMR技術已被廣泛地應用于肉品科學領域[9]，如凍融過程中羊肉持水力的變化[10]、肌原纖維凝膠的保水性及其水分含量變化[11]。對于加工或儲藏過程中肉制品內(nèi)部的水分變化，傳統(tǒng)的檢測技術一般采用檢測蒸煮損失（Cooking loss）、滴水損失（Drip loss）等表觀指標，這些指標雖然可以體現(xiàn)肉制品內(nèi)部水分在量上的變化，但很難準確地分析出肉及肉制品內(nèi)部水分組成及水分狀態(tài)的變化，而LF-NMR 技術則可以快速、無損、直觀地檢測出肉及肉制品內(nèi)部水分狀態(tài)及水分組成的變化規(guī)律[12-14]。

利用低場核磁共振技術研究牛肉加工過程中的水分變化已有大量文獻報道[15-16]，但對牛肉受熱過程中的水分動態(tài)變化研究較少。本研究采用隔水蒸煮的方式加熱牛肉，以牛肉樣品內(nèi)部溫度達到70 ℃為加熱終點，每隔一段時間采集一次樣品，應用LF-NMR 技術分析隔水加熱過程中牛肉樣品內(nèi)部的水分動態(tài)變化，包括T2弛豫譜和MRI 成像，以期為LF-NMR 技術用于熟肉制品加工過程中水分分布、品質檢測、口感變化等相關研究提供理論參考和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

牛肉：黃牛肉，購于蘇州工業(yè)園區(qū)山姆會員店。

1.1.2 儀器與設備

HH-6 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，邦西儀器科技（上海）有限公司；TA-XT2i 型質構儀，英國Stable Microsystem公司；MesoMR23-060H-I 型低場核磁共振分析儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；FB224 型電子天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 牛肉樣品預處理

選取黃牛肉后腿肉，切成規(guī)格為2 cm×2 cm×2 cm大小、形狀相近的正方體，質量為（6.98±0.89）g，放入蒸煮袋中，分成兩部分，置于100 ℃水浴中加熱，每隔7 min 采集一次樣品，共采集5 次（0、7、14、21、28 min），冷卻至室溫，一部分用于T2弛豫譜的動態(tài)檢測，一部分用于牛肉剪切力的測定。

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 蒸煮損失

先將切分好的牛肉樣進行稱重，記為W1，水浴加熱后用濾紙吸去表面汁液，冷卻至室溫，取樣稱重，記為W2，蒸煮損失計算如公式（1）所示。

式中：W為蒸煮損失，%；W1為煮制前肉樣的質量，g；W2為煮制后肉樣質量，g。

1.2.2.2 剪切力

對不同加熱時間處理的牛肉樣品的剪切力進行測試，具體測試方法為：將不同加熱時間收集到的目標肉樣置于80 ℃水浴鍋中，水浴加熱至肉的中心溫度達到70 ℃，維持30 min，取出后冷卻至室溫。用1.27 cm 的圓形取樣器順肌纖維平行方向取被測試直徑樣，將樣品放在檢測儀器上，至肉樣被完全切斷時停止，記錄牛肉的剪切力值，每組選取3 個樣品，重復測定3 次，結果取平均值。

1.2.2.3 LF-NMR 測定

儀器共振頻率23.40 MHz，磁體強度0.55 T，線圈直徑為25 mm，磁體溫度32 ℃。

T2測試條件為：SFO1（MHz）= 23.400 MHz，P1=15 μs，P2= 35.04 μs，TW= 3 000 ms，TE= 0.15 ms，NECH=5 000，NS=2，PRG=1。試驗溫度22.5 ℃，相對濕度28.5%。

使用核磁共振分析測量軟件及CPMG 序列采集樣品橫向弛豫信號，采用SIRT 100000 進行反演，得到牛肉樣品的橫向弛豫圖譜。

1.2.2.4 MRI 成像

設置磁體強度0.5 T，磁體溫度32 ℃，質子共振頻率23.2 MHz。將牛肉樣品放入射頻線圈的中心位置，進行信號采集，獲得牛肉樣品的T2加權成像，使用圖像處理軟件對采集到的MRI 圖像進行統(tǒng)一映射和偽彩處理。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

對采集到的數(shù)據(jù)使用SAS 9.2 軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）和Duncan’s多重比較進行差異顯著性檢驗，結果以平均數(shù)±標準差表示。采用皮爾遜相關性分析對核磁數(shù)據(jù)（弛豫時間和峰面積）、蒸煮損失及剪切力等相關性進行分析。

2 結果與分析

2.1 加熱時間對牛肉品質指標的影響

由圖1A 可知，隨著加熱時間的延長，牛肉的蒸煮損失呈上升趨勢。在牛肉加熱初期，牛肉的蒸煮損失顯著上升（P＜0.05），之后變得較為緩慢。這可能因為在加熱過程中，牛肉的肌肉纖維發(fā)生收縮、體積變小，造成牛肉內(nèi)部結構發(fā)生變化，肌肉失水、汁液流出，從而導致牛肉加熱過程中蒸煮損失變大[17]。

牛肉嫩度是牛肉食用品質的重要指標，可以通過剪切力的大小來反映。牛肉的剪切力大小與其嫩度成反比，即牛肉剪切力越大，嫩度越小。由圖1B 可知，隨著加熱時間的延長，牛肉的剪切力呈上升趨勢，說明牛肉的嫩度下降，這可能是由于加熱使肌肉肌原纖維變性聚集收縮引起[18]，同時牛肉放在蒸煮袋中，隨著加熱時間的延長，牛肉失水越來越多，肌肉收縮導致肌纖維對外的抵抗力增加，牛肉肌肉硬度變大，嫩度降低[19]。

圖1 加熱時間對牛肉蒸煮損失及剪切力的影響Fig.1 Effects of different heating times on cooking loss and shear force of beef

2.2 T2 弛豫特性

利用LF-NMR 技術測定牛肉的T2弛豫特性，T2橫向弛豫時間通常用來反映肉與肉制品的持水特性，根據(jù)T2弛豫時間的不同，可以很容易地區(qū)分肉與肉制品內(nèi)部不同狀態(tài)的水分分布[9]。因此，可通過檢測牛肉T2弛豫特性的變化來反映加熱過程中牛肉內(nèi)部水分結合狀態(tài)的變化規(guī)律。

反演后的測試結果顯示有4 個峰，包括T2b（0.16～0.22 ms）、T21（3.65～5.94 ms）、T22（27.36～58.73 ms）、T23（155.22～471.38 ms），根據(jù)出峰時間可認為，4 個峰代表了牛肉在加熱過程中水分的3 種不同存在狀態(tài)：結合水、不易流動水和自由水。其中T2b被認為是與牛肉蛋白分子結合的強結合水，T21表示弱結合水[20-21]，T22代表不易流動水，T23代表自由水。

圖2 為不同蒸煮時間下牛肉的CPMG 序列回波峰點圖。由圖2 可知，牛肉樣品因受熱時間不同，內(nèi)部水分組成不同，產(chǎn)生的信號大小不同，衰減速度也不同。隨著加熱時間的延長，牛肉成熟度增加，肉品內(nèi)部水分逐漸減少，產(chǎn)生的NMR 信號逐漸減弱，衰減速度逐漸加快。

圖2 不同蒸煮時間下牛肉的CPMG 序列回波峰點圖Fig.2 CPMG decay curves of beef samples at different heating time

圖3 為不同加熱時間下牛肉的T2弛豫時間圖譜。由圖3 可知，隨著加熱時間的延長，T22的峰面積均呈減小趨勢，在加熱初期其下降速度較快，之后下降速度趨于平緩。同時，生肉中T21和T22的兩個峰可以完全分開，加熱以后，T21、T22、T23不能完全分開，尤其是在加熱14 min 以后。

由表1 可知，加熱時間對弱結合水（T21）、不易流動水（T22）和自由水（T23）均有較大的影響，T22和T23向快弛豫方向移動，且變化顯著（P＜0.05），這可能是因為蒸煮時間的延長使牛肉肌原纖維蛋白凝膠微觀結構更細密，導致凝膠內(nèi)部水質子移動性變差，從而直觀地呈現(xiàn)出T2弛豫時間變短[22-23]。結合水T21向慢弛豫方向移動，但差異不顯著，可能是因為結合水存在于細胞內(nèi)部，由分子間作用力將其束縛，很難通過加熱方式使其發(fā)生改變[24]。

圖3 不同蒸煮時間下牛肉的T2 橫向弛豫時間變化Fig.3 Changes of T2 relaxation curves for beef at different heating time

表1 加熱過程中T2 橫向弛豫時間的變化規(guī)律Table 1 The variation of T2 transverse relaxation time during heating

由圖4 可知，隨著加熱時間的延長，牛肉內(nèi)部結合水和自由水的占比增加，不易流動水比例相對減少（P＜0.05），這是因為加熱導致牛肉內(nèi)部肌原纖維和結締組織收縮，阻止了牛肉肌肉纖維中的不易流動水流失，形成自由水，同時加熱使得牛肉膠原蛋白變性，肌漿蛋白膨脹并形成凝膠，從核磁數(shù)據(jù)上直接反應出牛肉內(nèi)部結合水和自由水峰面積占比增加；同時隨著加熱時間的延長，破壞了牛肉內(nèi)部水分子與蛋白質等大分子之間結合的氫鍵，導致肌肉纖維外部空間變大，從而可以容納更多的自由水[25]。

圖4 不同蒸煮時間下牛肉的T2 峰面積組成變化Fig.4 Peak area percentage of T2 relaxation components of beef at different heating time

2.3 MRI 圖像

核磁信號強度與樣品內(nèi)部的氫質子有關，MRI 成像是通過選擇合適的脈沖序列得到回波信號，將樣品的各個體素信號與圖像上的各個像素一一對應，根據(jù)樣品截面上不同點的信號強度的差異，經(jīng)過計算機計算處理，信號大的像素亮度大，信號小的像素亮度小，再將這些像素組合起來得到MRI 圖像[26]。牛肉內(nèi)部含有大量水分，隨著加熱時間的延長，牛肉內(nèi)部水分逐漸降低，核磁信號量逐漸減小。因此，可以通過核磁成像直接反映出牛肉加熱過程中水分的變化情況。利用核磁成像處理軟件對采集到的MRI 圖像進行統(tǒng)一映射和偽彩處理，得到不同加熱時間處理下牛肉的MRI 偽彩（圖5）。圖像越紅，表明信號強度越強，含水量越多；反之，圖像越藍，表明信號強度越弱，含水量越少。新鮮牛肉中的水含量較多，隨著加熱時間的延長，其核磁圖像由紅色、黃色逐漸變?yōu)榍嗌?、藍色。加熱時間為7 min 時，牛肉的水分含量下降最快，之后圖片逐漸變藍的趨勢減緩，說明在最初加熱的7 min內(nèi)牛肉內(nèi)部的水分大量減少，從而在圖像上直觀地表現(xiàn)為紅色、黃色的減弱。

圖5 不同加熱時間下牛肉的MRI 圖像Fig.5 T2 weighted MRI images of beef at different heating time

2.4 相關性分析

本試驗研究了加熱過程中牛肉的蒸煮損失、剪切力和水分分布變化規(guī)律。結果表明，隨著加熱時間的延長，牛肉的蒸煮損失逐漸增大，剪切力也隨之增大，牛肉內(nèi)部水分相態(tài)也發(fā)生了較大的變化，這可能與牛肉加熱過程中內(nèi)部水分狀態(tài)分布的變化、肌原纖維、結締組織、膠原蛋白變性以及肌原纖維蛋白的凝膠特性、網(wǎng)絡結構有關[27-28]。

因此，本研究對加熱過程中牛肉的蒸煮損失、剪切力以及核磁指標進行了相關性分析，結果見表2。結果表明：加熱過程中，T21與牛肉的蒸煮損失呈顯著正相關（P＜0.05），T22與牛肉的蒸煮損失、剪切力均呈顯著負相關（P＜0.05），T22峰面積占比與T2b、牛肉的蒸煮損失、剪切力均呈顯著負相關（P＜0.05），這也說明牛肉內(nèi)部肌原纖維因加熱發(fā)生相應變化，導致水分組成也會改變。

表2 加熱失水過程中牛肉各指標間的相關性分析Table 2 Correlation analyses of index of beef during heating

3 結論

采用隔水蒸煮的方式加熱牛肉，牛肉內(nèi)部的水分發(fā)布發(fā)生了顯著變化。隨著加熱時間的延長，蒸煮損失呈現(xiàn)上升趨勢，剪切力逐漸增大，T2弛豫時間逐漸變短，結合水T21、自由水T23峰面積占比逐漸增加，不易流動水T22峰面積占比逐漸降低。核磁成像結果顯示：隨著加熱時間的延長，圖像的亮度逐漸減弱，說明加熱會降低牛肉內(nèi)部的水分含量，同時改變水分組成和分布。在加熱過程中，T21與牛肉的蒸煮損失呈顯著正相關，T22與牛肉的蒸煮損失、剪切力呈顯著負相關，T22峰比例與牛肉的蒸煮損失、剪切力呈顯著負相關。因此，加熱處理對牛肉內(nèi)部的水分分布、水分相態(tài)以及牛肉的質構特性產(chǎn)生顯著影響，且存在相關性，可以通過研究牛肉加熱過程中的水分狀態(tài)變化來確定牛肉品質變化。