藏式風干牦牛肉模擬加工過程中理化特性與揮發(fā)性風味物質的變化

馬國麗,唐善虎,李思寧,劉慧倫,任 然

(西南民族大學生命科學與技術學院,四川成都 610041)

風干牦牛肉是西藏、內蒙古、甘肅等地區(qū)的民族特色肉制品,具有營養(yǎng)豐富、風味獨特、耐咀嚼、耐儲存的特點。傳統(tǒng)的藏式風干牦牛肉是利用西藏、甘肅等地低溫、低氣壓、高風速的氣候使鮮牦牛肉中的水分快速凍結,形成冰晶后再升華而成,它的感官特征明顯,呈紅棕色、有獨特香味、組織疏松多孔、肌纖維明顯[1-2]。

關于風干牦牛肉在加工過程中品質變化的研究已有較多的報道。雷虹[3]報道稱牛肉自然風干至第40 d到達風干終點,此時風干肉的Aw降至0.32,pH從5.37升至5.65,TBA值從0.13 mg/kg升高到0.48 mg/kg。張麗等[4]報道牦牛肉在60 d的自然冷凍風干過程中pH、硬度、咀嚼性升高,Aw顯著降低。有報道稱牦牛肉在藏式風干過程中TBA值顯著上升[2,5],說明在自然冷凍風干過程中牦牛肉會發(fā)生脂質氧化[6]。自然冷凍風干工藝形成了藏式風干牦牛肉獨特的風味,王惠惠等[7]采用頂空固相微萃取(headspace solid-phase microextraction,HS-SPME)與氣相色譜-質譜(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)來定性、定量分析牦牛肉在60 d的自然風干過程中形成的揮發(fā)性風味物質,試驗發(fā)現(xiàn)41種揮發(fā)性風味物質的主要來源是美拉德反應、其次是脂肪氧化。沙坤等[8]從新疆風干牛肉中檢出并定量了48種揮發(fā)性風味物質。陳海濤等[9]利用蒸餾、氣相-質譜-嗅聞(GC-MS-O)聯(lián)用和香氣活性值(odor activity value,OAV)的方法在蒙古風干牛肉中提取并鑒定出了8類59種揮發(fā)性風味物質。因此可通過研究牦牛肉在藏式風干過程中理化性質和揮發(fā)性風味物質的變化來探索風干牦牛肉感官特性和理化品質的形成特點。

傳統(tǒng)的藏式風干牦牛肉產品加工方式比較落后,效率較低,生產時間受季節(jié)的限制、生產周期長、產品質量缺少標準和規(guī)范化,因此通過模擬藏式風干牦牛肉的工藝來改善傳統(tǒng)生產模式的劣勢是非常必要的。參照羅章[1]和高媛[2]等報道中的工藝流程來模擬生產藏式風干牦牛肉,即進行反復的凍結(-20 ℃)-風干(40、60、80 ℃)使牦牛肉中的水分降低至風干肉的標準。

目前分析模擬藏式風干牦牛肉在風干過程中品質的變化和區(qū)別尚未見報道。本研究模擬改進傳統(tǒng)的藏式風干牦牛肉工藝,旨在探討凍結(-20 ℃)-不同風干(40、60、80 ℃)溫度下藏式風干牦牛肉在風干過程中理化性質與風味變化的區(qū)別。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牦牛肉 選擇四川省阿壩州紅原縣自然放牧的3歲半健康無病公牦牛,牦牛在紅原縣本地屠宰場屠宰后,取其背最長肌凍結在-20 ℃下,-4 ℃運回實驗室后,自然解凍,剔去脂肪和筋膜,將牦牛肉切割成長寬高為10 cm×5 cm×1 cm大小的肉條,修整切割好的肉條放于-20 ℃的環(huán)境中進行凍結備用;三氯乙酸、乙二胺四乙酸、2-硫代巴比妥酸、1,1,3,3-四乙氧基丙烷等化學試劑 均為分析純。

LDO-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海龍躍實驗儀器有限公司;FSH-2A型可調高速組織勻漿機 金壇市華城海龍實驗儀器廠;CR-400色彩色差儀 日本柯尼卡美能達公司;紫外分光光度計 龍尼柯儀器有限公司;Centrifuge 5804R高速冷凍離心機 德國Eppendorf公司;MP511型pH計 上海三信儀表廠;Trace DSQ型GC-MS聯(lián)用儀 美國Thermo公司;PL30型分析天平 梅特勒-托利多(上海)股份有限公司;HD-3A型智能水分活度儀 無錫市華科儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

表1 不同風干溫度下藏式風干牦牛肉的 凍結-風干次數(shù)與風干時間點Table 1 Freezing-drying times and dry time points of Tibetan air-dried yak meat jerky at different air-drying temperatures

1.2.1 藏式風干牦牛肉的加工 將于-20 ℃的環(huán)境中凍結6 h的肉條分別懸掛于溫度為40、60、80 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中,懸掛的肉條與肉條之間的間距是5 cm。根據(jù)表1中不同溫度和不同時間點對牦牛肉條進行反復的凍結-風干,在每個風干時間點結束后對牦牛肉條取樣測定相關指標,然后將剩余的風干牦牛肉條重新放入-20 ℃的環(huán)境中凍結6 h,等待下一個時間點的風干。最后得到藏式風干牦牛肉成品的色澤呈現(xiàn)紅棕色或者淺棗紅色,用手掰成品的時候能夠感受到明顯的酥脆感;水分含量降至20%以下,Aw降至0.2左右。

1.2.2 指標測定方法

1.2.2.1 Aw測定 使用水分活度儀進行測定,每組重復測定三次取平均值。

1.2.2.2 pH測定 參照張坤等[10]的方法稍作修改,準確稱取1.00 g切碎的風干肉,放于50 mL的離心管中,加入9 mL水,搖勻靜置30 min后使用pH計測定肉樣的pH,每組測定三次取平均值。

1.2.2.3 色差值測定 取表面較平整的風干肉用色差儀檢測色差值,每個樣品的正反面均重復測定三次,記錄其L*、a*、b*值。

1.2.2.4 TBA值測定 參照馬騁等[11]的方法稍作修改,準確稱取2.00 g切碎的風干肉放入50 mL的離心管中,加入30 mL 7.5%的三氯乙酸,勻漿后靜置30 min,以4000 r/min冷凍離心10 min,取上清液2 mL,加入0.02 mol/L的2-硫代巴比妥酸溶液2 mL,旋渦混勻后置于95 ℃的水浴鍋中反應30 min,取出流水冷卻至室溫,記錄波長在532 nm處的吸光值,每個樣品重復測三次平行試驗,同時做空白試驗,結果以mg丙二醛(MDA)/kg樣品表示。按照標準曲線(標準曲線:y=0.9123x-0.0334,R2=0.9963)和公式(1)計算TBA值;

式(1)

式中:c表示2-硫代巴比妥酸溶液的濃度,mol/L;V表示所取上清液的體積,mL;m表示稱取的切碎的風干牦牛肉質量,g。

標準曲線的繪制:參照丁希等[12]的方法稍作修改。

1.2.2.5 揮發(fā)性風味物質測定 結合吳倩蓉等[13]、王元等[14]的方法稍作修改,稱取1.50 g切碎的樣品放入頂空瓶,50 ℃下平衡30 min,然后將已老化好的SPME針頭插入頂空瓶中萃取30 min,再插入到GC/MS進樣器,進樣口溫度220 ℃,解吸時間5 min,收回纖維頭,拔出萃取頭。

GC條件:色譜柱DB-5MS(30 m×25 mm×0.5 μm),載氣He,色譜柱起始溫度50 ℃,保持2 min,先以15 ℃/min升至100 ℃,保持2 min,再以5 ℃/min升至220 ℃,恒定流速為1.0 mL/min。

MS條件:GC-MS接口溫度220 ℃,質荷比掃描范圍45～450 amu。

定性、定量分析:所有的化合物經Nist 11譜庫檢索,選擇正反向匹配值均大于800的化合物進行定性分析;根據(jù)峰面積的相對含量(%)對化合物進行定量分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗重復3次,采用SPSS 25.0軟件(IBM公司)對Aw、色差值、pH、TBA值進行ANOVA方差分析、Ducan多重比較和顯著性檢驗(P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著,P>0.05為差異不顯著),利用Microsoft Excel 2016軟件對處理后的數(shù)據(jù)做圖表。采用SPSS 25.0軟件(IBM公司)對揮發(fā)性風味物質進行PCA主成分分析,利用origin 2019軟件(Origin Lab公司)對處理后的數(shù)據(jù)做三維散點圖。

2 結果與分析

2.1 風干過程中藏式風干牦牛肉Aw的變化

由圖1看出,在風干過程中藏式風干牦牛肉的Aw都顯著下降(P<0.05)。Aw下降至0.2左右時每組所需時間的長短依次為凍結-40 ℃>凍結-60 ℃>凍結-80 ℃。三組藏式風干牦牛肉樣品的凍結溫度和時間均為-20 ℃和30 h。牦牛肉在凍結過程中,肌肉中結合蛋白質的疏水/親水的化學鍵被破壞,使本來與蛋白質結合緊密的那部分水變成游離水流出,增加了蛋白質中羧基和氨基的親和機會,蛋白質發(fā)生凝聚變性,持水能力降低,進而使牦牛肉中的Aw降低[15]。牦牛肉在高溫風干過程中,肌肉的肌纖維縱向收縮,水分逐漸流失[16]。而當風干溫度越高時,肌纖維的收縮速度和程度越大,水分流失的速度越快,Aw下降至0.2左右時所需的時間就越少。

圖1 風干牦牛肉在風干過程中Aw的變化Fig.1 Changes in Aw of air-dried yak meat during air drying注:同一條曲線上的小寫字母不同表示 差異性顯著(P<0.05)。

根據(jù)Aw的變化可得藏式風干牦牛肉的風干過程分為三個階段。風干初期Aw從0.997降至0.8左右,主要流失的是自由水。Aw從0.8降低至0.3是風干中期,消耗的是不易流動水,在該階段幾乎所有的微生物都停止了生命活動,有利于風干牦牛肉后續(xù)的儲藏[17]。風干后期消耗的主要是結合水,它是利用分子表面的極性基團與水分子之間的靜電吸引力形成,不易受高溫的影響而蒸發(fā)[18],所以風干后期Aw的下降速率最小。

2.2 風干過程中藏式風干牦牛肉pH的變化

由表2可知,藏式風干牦牛肉的pH是隨著凍結-風干次數(shù)的增加呈先升高后降低的趨勢。在風干前期樣品pH上升的原因有三個,第一,肌肉中的蛋白質逐漸開始降解變成堿性的胺類化合物,造成pH的升高[19];第二,80 ℃的高溫還會引起蛋白變性,進而破壞蛋白中穩(wěn)定的化學鍵,而使蛋白質中的酸性基團減少,堿性基團增多;同時,高溫還會造成脂質氧化,生成一些堿性或者中性的分解物,使肉的pH升高[20];第三,牦牛肉經過低溫冷凍-高溫風干的循環(huán)后蛋白質變性降解生成氨基酸,當生成的堿性氨基酸含量高于酸性氨基酸時,pH就會升高[21]。

表2 藏式風干牦牛肉在風干過程中pH的變化Table 2 Change of pH of Tibetan air-dried yak meat jerky during air drying

在風干后期，藏式風干牦牛肉的pH隨著凍結-風干次數(shù)的增加開始降低。藏式凍結-40 ℃與凝結-80 ℃是經3次凍結-風干后pH開始降低,藏式凍結-60 ℃經2次凍結-風干后pH開始降低,這與李婉竹[22]的研究結果一致。造成pH下降的原因是由于隨著凍結-風干次數(shù)的增加,肌肉中肌纖維和基質中的部分蛋白變性,肌動蛋白收縮,脂肪溶解,打破了肌肉組織內的酸堿平衡,造成pH顯著下降(P<0.05)[23]。另外,凍結-風干時肌肉中的中性脂肪和磷脂酶解生成的游離脂肪酸也會引起pH的下降[24]。

表3 藏式風干牦牛肉在風干過程中色差值的變化Table 3 Changes in color of Tibetan air-dried yak meat jerky during air drying

藏式風干牦牛肉在不同的溫度條件下風干時,pH的上升速率是不同的,依次為凍結-60 ℃>凍結-40 ℃>凍結-80 ℃。不同的溫度會引起肌肉中不同程度的蛋白質變性和脂肪氧化現(xiàn)象的發(fā)生,造成蛋白質表面酸堿基團的動態(tài)變化[25],進而造成pH升高速率的差別。

2.3 風干過程中藏式風干牦牛肉的色差值變化

從表3可以看出,藏式風干牦牛肉的L*值在風干過程中呈先下降后上升的趨勢。肉品中L*值一般隨著肌肉的結構特性、肌肉中的水分分布以及位置的變化而變化。因此在風干前期,L*值下降是由于牦牛肉中的水分含量逐漸降低使得肌肉中的肌紅蛋白等色素的濃度升高,降低了光線的透射率[26]。隨后,藏式風干牦牛肉經過3次凍結-風干后L*值逐漸升高。這是因為隨著反復凍結-風干次數(shù)的增加,風干后期風干溫度與凍結溫度的巨大落差破壞了肌肉中肌纖維的結構,肌間和肌肉內的水分大量流出至肉的表面。但由于風干前期牦牛肉的表面形成了一層較堅硬的外殼,流至牦牛肉表面的水分不能全部蒸發(fā)出去,就會在肉的表面堆積,提高肉對光線的散射程度,從而使得L*值升高[27]。不同風干溫度下藏式風干牦牛肉的升高速率依次為凍結-60 ℃>凍結-80 ℃>凍結-40 ℃,說明牦牛肉在60 ℃風干時形成的色澤最明亮,該結果為控制藏式風干牦牛肉色澤的變化提供了理論基礎。

藏式風干牦牛肉中的a*值在整個風干過程中呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(P<0.05)。但不同風干溫度下,其a*值的下降速率有差異,依次為凍結-40 ℃>凍結-80 ℃>凍結-60 ℃。肉品中a*值的變化與肌紅蛋白的類型以及化學狀態(tài)有關[28]。風干過程中藏式風干牦牛肉a*值下降的主要原因有以下三個。一,風干過程中的高溫、光照、氧氣等促進了肌紅蛋白和氧合肌紅蛋白被氧化成高鐵肌紅蛋白,而高鐵肌紅蛋白使肉呈現(xiàn)褐色;二,風干過程中脂質氧化生成的自由基和某些氧化產物可以促進肌紅蛋白的氧化,加快褐色素的形成[29];三,反復的凍結-風干會使蛋白質氧化生成羰基,加速了高鐵肌紅蛋白的沉積[30]。

從表3中可知,藏式風干牦牛肉的b*值在整個風干過程中呈顯著下降的趨勢(P<0.05)。不同風干溫度下各組b*值的下降速率依次是凍結-40 ℃>凍結-80 ℃>凍結-60 ℃。b*值的高低與肉中脂質的氧化程度呈正相關[31]、與蛋白質的降解程度有關[32]。本研究中b*值呈下降的原因可能是由于反復的凍結和高溫風干共同作用而使肉中的呈色物質進一步發(fā)生反應。

肉制品色澤的變化與肌紅蛋白有密切的關系,風干溫度、脂質氧化、pH、O2等均會影響肌紅蛋白的含量和狀態(tài)。凍結-40 ℃組所需風干時間長達20 h,因此以上因素對該組風干牦牛肉的影響時間最長,a*值和b*值下降速率最大。當溫度高于80 ℃時,肌紅蛋白開始變性,所以凍結-80 ℃組的a*值和b*值的下降速率大于凍結-60 ℃組。

2.4 風干過程中藏式風干牦牛肉的TBA值變化

脂肪氧化的初級產物能夠快速的轉化成次級產物如丙二醛。硫代巴比妥酸法是通過測定肉制品中含有的丙二醛含量來衡量脂肪氧化的程度,進而評價肉制品的品質。從表4中可以看出,藏式風干牦牛肉在風干過程中TBA值都顯著升高(P<0.05)。說明在風干的過程中,持續(xù)的高溫、充足的光線以及氧氣不斷地促使藏式風干牦牛肉發(fā)生脂質氧化,并生成次級產物。而且反復的低溫凍結-高溫風干工藝會加速次級產物的生成。當牦牛肉中還存在大量水分,凍結使水分快速形成冰晶,堅硬的冰晶能夠戳破肌肉內的細胞,細胞器中流出的促氧化劑和酶促進了脂肪氧化,加速形成次級產物提高TBA值[33]。三組風干牦牛肉TBA值的升高速率依次為凍結-60 ℃>凍結-40 ℃>凍結-80 ℃,這可能是因為在40～60 ℃時,肌球蛋白最先變性,加快脂肪的氧化速度。

表4 藏式風干牦牛肉在風干過程中TBA值的變化Table 4 Change of TBA value of Tibetan air- dried yak meat jerky during air drying

脂肪的氧化在一定范圍內可以為肉制品提供香味,但根據(jù)Wood等[34]的研究可知,當肉中的TBA值超過1 mg/kg的時候,肉品就會出現(xiàn)酸敗味,影響產品的整體感官。比較表4中的數(shù)據(jù)可得,凍結-40 ℃的TBA值從0.35 mg/kg升高至1.60 mg/kg;凍結-60 ℃的從0.35 mg/kg升高至1.68 mg/kg;凍結-80 ℃從0.32 mg/kg升高至1.35 mg/kg。雖然TBA值均超過了1 mg/kg,但是沒有明顯的酸敗味出現(xiàn),可能與采用的原料肉以及加工處理方式有關。

2.5 風干過程中藏式風干牦牛肉的揮發(fā)性風味物質變化

牦牛肉在風干過程中生成揮發(fā)性風味物質的主要途徑是脂肪氧化、美拉德反應[7]。由表5可得藏式風干牦牛肉中共檢出7類揮發(fā)性風味物質,包括酸類(3種)、醛類(12種)、酮類(6種)、醇類(26種)、烯烴類(27種)、含硫化合物(2種)、雜環(huán)類(2種)。

圖2 揮發(fā)性風味物質的因子載荷分析圖Fig.2 Factor load analysis chart of volatile flavor substances

由于構成揮發(fā)性風味物質變量較多,不能對其進行系統(tǒng)的分析,因此采用主成分分析法來簡化數(shù)據(jù),以得到不同變量之間的關系[35]。將酸類、醛類、酮類、醇類、烯烴類、含硫化合物、雜環(huán)類分別由變量X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7表示,根據(jù)表5不同處理組中的18個風干時間點和7類揮發(fā)性風味物質成分構成18×7的矩陣,采用SPSS 25.0和Origin 2019軟件對其進行主成分分析,一般當特征根>1和累計貢獻率>70%時就能做為主成分[36]。由圖2可知,構成藏式風干牦牛肉揮發(fā)性風味物質的有三個主成分,第一主成分(PC1)貢獻率是38.565%,第二主成分(PC2)貢獻率是22.198%,第三主成分(PC3)貢獻率是15.354%。每個主成分的特征值均大于1,累計貢獻率達到76.117%,因此這三個主成分能夠較好的反映藏式風干牦牛肉在風干過程中揮發(fā)性風味物質相對含量的變化。

根據(jù)揮發(fā)性風味物質的因子載荷分析圖可以判斷出每一個變量(X1…X7)對該主成分的貢獻度的大小,當它的載荷絕對值越大時,表明該變量對該主成分的貢獻率越大,本次研究中載荷的絕對值采用大于0.6為判斷依據(jù)[37]。由圖2可知構成PC1的是酸類、醛類、醇類、烯烴類以及含硫化合物;酸類和酮類對PC2的貢獻最大;形成PC3的是雜環(huán)類。

表5 風干過程中揮發(fā)性風味物質類別及相對含量變化Table 5 Changes in the types and relative contents of volatile flavor substances during air drying

由圖3可知,樣品在不同主成分上的得分是具有差異的,結合表5、圖2以及圖3可知藏式凍結-40 ℃風干至12 h時在PC1和PC2上的得分最高,構成該時間點的揮發(fā)性風味物質主要是酸類、醛類、醇類、烯烴類、含硫化合物、酮類;當?shù)竭_風干終點20 h時,風干牦牛肉的得分主要在PC1,說明藏式風干牦牛肉成品的揮發(fā)性風味物質有酸類、醛類、醇類、烯烴類、含硫化合物。

藏式凍結-60 ℃風干至第8 h時在PC1上的得分最高,主要的揮發(fā)性風味物質就是酸類、醛類、醇類、烯烴類及含硫化合物;而到風干終點第10 h時,PC2占風干牦牛肉揮發(fā)性風味的比例較大。即酸類和酮類是形成藏式凍結-60 ℃風干牦牛肉成品的揮發(fā)性風味物質。

圖3 樣品在不同主成分上的得分散點圖Fig.3 Scattered dot plots of samples on different principal components注:圖3中樣品的序號與表5中的序號相同。

藏式凍結-80 ℃在風干3 h時,PC1中的酸類、醛類、醇類、烯烴類、含硫化合物對該時間點揮發(fā)性風味物質的形成貢獻值最大,PC2中的酸類和酮類對風干4 h時的揮發(fā)性風味貢獻值最大。而到達風干終點時,PC3中的雜環(huán)類主要形成成品風干牦牛肉的揮發(fā)性風味物質。

3 結論

模擬藏式風干牦牛肉加工過程中,Aw下降至0.2時各組樣品所需時間是凍結-40 ℃風干>凍結-60 ℃風干>凍結-80 ℃風干。不同處理組中,藏式風干牦牛肉的pH均先降低后升高;但凍結-60 ℃風干組樣品的pH上升速度最快。凍結-60 ℃風干組樣品的L*值經過3次凍結-風干后升高的速率最快,且a*值與b*值在風干過程中下降的速率最慢。凍結-80 ℃風干組藏式風干牦牛肉的TBA值的升高速率最小。對7類揮發(fā)性風味物質進行主成分分析得到三個主成分,累計貢獻率達到76.117%,且得到不同風干溫度和風干時間點的揮發(fā)性風味物質是由不同的主成分組成的,而在接近風干終點時,構成凍結-60 ℃風干組的揮發(fā)性風味物質種類最多,包括酸類、醛類、醇類、烯烴類、含硫化合物、酮類。綜合分析三個風干溫度下牦牛肉的理化特性和揮發(fā)性風味物質的變化,藏式凍結-60 ℃風干制得的藏式風干牦牛肉品質最佳,研究結論對于改善傳統(tǒng)藏式風干牦牛肉的生產劣勢有一定參考價值,今后建議進一步探索模擬工藝對藏式風干牦牛肉質構、水分遷移、營養(yǎng)物質以及安全性的影響。