醬牛肉應力松弛特性實驗*

馬龍，武杰，趙大慶，許暉，楊國輝

1(蚌埠學院生物與食品工程系，安徽 蚌埠，233000)2(蚌埠豐牧牛羊肉制品有限公司，安徽 蚌埠，233000)

醬牛肉是一種具有獨特地方特色的中國傳統醬鹵肉制品，該產品是熟肉制品，食用方便、風味濃郁、柔嫩多汁、適口性好，深受廣大消費者的喜愛［1－2］。傳統手工加工醬牛肉制品生產加工工藝落后，不適宜貯藏，現做現食，就地銷售;近年來，隨著食品包裝技術與現代食品加工技術的發展，開始對傳統醬牛肉制品的加工工藝進行現代化改造，醬牛肉工業化生產小包裝方便食品應運而生，該類產品已進入消費市場，走向千家萬戶［1－3］。

隨著經濟水平的提高，消費者對肉制品的需求也日益增加。消費者選擇肉制品時主要由外觀、香氣、質構和滋味等感官品質決定，其中質構品質是消費者接受某種肉制品的重要因素［4］。傳統評價肉制品質構品質一般采用感官品嘗鑒別這一主觀評價的方法，易受主觀因素的影響，評價的可靠性和可比性不夠理想;為更加科學、客觀、準確地描述和控制肉制品質構品質，儀器測定成為表現肉制品質構的重要方法之一［5］。目前，使用質構儀對肉制品質構品質進行評價應用廣泛，以TPA 測試法居多［6－8］，而應力松弛方法報道較少。應力松弛就是給試樣瞬時加載，并使其發生相應變形，然后保持這一變形，其內部應力隨時間變化的過程［9］。大多食品都屬于黏彈性物質，應力松弛試驗是研究黏彈性材料的常用試驗方法，其結果可以很好的反映出材料內部的結構構成和粘彈性狀態，在預測食品質構特性和口感品質方面起到非常重要的作用［9－10］。本研究采用英國TA. XT Express質構儀對醬牛肉進行應力松弛試驗研究，建立醬牛肉的應力松弛模型，獲得應力松弛參數，考察應力、應變與時間的變化規律。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

“金富帝”五香牛肉(200 g 包裝)，蚌埠豐牧牛羊肉制品有限公司;“五芳齋”牛肉(200 g 包裝)，浙江五芳齋實業股份有限公司;“恒盛”五香牛肉(200 g包裝)，安徽恒盛實業有限責任公司;“雨潤”香鹵牛肉(200 g 包裝)，馬鞍山雨潤食品有限公司;“正益”五香牛肉(200 g 包裝)，安徽正益肉類食品有限責任公司。

TA. XT Express 質構儀，英國Stable Micro Systems 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理

在醬牛肉最厚處中心部位，用鋒利刀具按相同的紋路將樣品切成20 mm ×20 mm ×20 mm 的肉丁作為測試肉樣。

1.2.2 探頭型號與測試速度的選擇

在農產品壓縮試驗中，探頭直徑與測試速度對試驗結果具有顯著影響［11］。參考文獻［8，11－12］選用P/5探頭(直徑5 mm)，測試速度1 mm/s，測試時探頭接觸與肌纖維走向平行的平面。

1.2.3 力-變形曲線測定

根據應力松弛的定義，應力松弛試驗需要在彈性變形范圍內進行，故首先對樣品進行縱向破壞性壓縮試驗，通過力-變形曲線找出試樣彈性變形范圍，即對樣品施加的最大變形量［9，13］。

試驗條件:P/5 探頭(直徑5 mm)，測試速度1 mm/s，觸發力5 g，數據采集速率200 pps。

1.2.4 應力松弛曲線測定

進行應力松弛試驗時，選取縱向破壞壓縮試驗獲取的彈性變形范圍內的某個變形量作為瞬時加載變形量，保持此變形量不變，測定試樣應力與時間的關系曲線，根據測定結果繪制應力松弛曲線并建立其流變學模型［9，13］。

試驗條件為:測試模式measure force in compression，探頭運行程序hold until time，P/5 探頭(直徑5 mm)，測前速度1 mm/s，測試速度1 mm/s，測后速度5 mm/s，樣品變形量維持在10%，保持時間60 s，觸發力5 g，數據采集速率200 pps，每個品種做5 個平行。

1.2.5 數據處理

本試驗涉及到的全部數據處理過程均采用統計軟件IBM SPSS Statistics 20.0 進行分析。

2 結果與討論

2.1 醬牛肉力-變形曲線特征

對5 個品牌醬牛肉進行縱向破壞性壓縮試驗發現:當樣品變形量設置在10%(壓縮2 mm)時，全部樣品均可繪制出形如圖1 所示的力-變形曲線，該曲線為一條直線，即力(應力)與變形(應變)成正比，故樣品變形量10%能夠保證全部樣品都屬于彈性形變;而樣品變形量擴大到20%(壓縮4 mm)，部分樣品的力-變形曲線不再出現出直線狀態。因此，在應力松弛試驗中，選取樣品變形量10%作為瞬時形變的壓縮量。

圖1 醬牛肉力-變形曲線Fig．1 The curve of the pressure and deformation of spiced beef

2.2 醬牛肉應力松弛特征

醬牛肉在固定10%的壓縮變形量下，應力隨時間變化的曲線(即應力松弛曲線)見圖2。從圖2 可以看出，隨著時間的推移，醬牛肉的應力不斷下降，開始變化速度很快，逐漸變化緩慢，最后速度趨于平坦，表明醬牛肉具有應力松弛現象，是一種既有彈性又有粘性的材料。

圖2 醬牛肉應力松弛曲線Fig．2 Stress relaxation cure of spiced beef

研究表明，大多數食品物料的應力松弛特性可用廣義Maxwell 模型進行描述，該模型由一個彈簧并聯若干個Maxwell 模型構成，其模型結構見圖3，其應力松弛方程為［14］:

式中:σ(t)，應力松弛過程中任意時刻t時的應力，MPa;t，應力松弛試驗時間，s;ε0，壓縮變形量，%，ε0=10%;E0，平衡彈性模量，MPa;Ei，衰變彈性模量，MPa;τi，松弛時間，s;ηi，阻尼體粘滯系數，MPa·s，ηi=Ei×τi。

圖3 廣義Maxwell 模型Fig．3 Generalized Maxwell model

分別以三元件模型(1 個彈簧并聯1 個Maxwell模型)、五元件模型(1 個彈簧并聯2 個Maxwell 模型)和七元件模型(1 個彈簧并聯3 個Maxwell 模型)對應力松弛曲線的原始試驗數據進行非線性回歸擬合［13］。擬合結果:三元件模型的決定系數R2在0.941 ～0.958 內，五元件模型的決定系數R2在0.995 ～0.997 內，七元件模型的決定系數R2在0.997 ～0.999 內，故五元件模型和七元件模型對應力松弛曲線的擬合度都很高，2 個模型都能很好的描述醬牛肉的應力松弛現象。但是為了簡化數據，本試驗選用五元件模型來描述醬牛肉的應力松弛現象。

根據非線性回歸擬合計算獲得5 個品牌醬牛肉 五元件模型應力松弛參數，各數值見表1。

表1 五個品牌醬牛肉的應力松弛參數(n=5)Table 1 Stress-relaxation parameters of five varieties of spiced beef

2.3 應力松弛參數之間的主成分分析結果

對表1 中醬牛肉應力松弛參數進行相關性分析，應力松弛參數之間的相關系數結果見表2。從表2 可以看出，醬牛肉的部分應力松弛參數之間存在著一定的相關性，即參數之間相互影響，存在信息重疊的現象，故可采用主成分分析對其應力松弛參數進行分析。

表2 醬牛肉應力松弛參數相關系數矩陣Table 2 The correlation matrix of stress-relaxation parameters of spiced beef

繼續對表1 數據進行主成分分析，分析結果見表3 和表4。從表3 可以看出，前2 個主成分的累積方差貢獻率達到了95.77%，且特征值均大于1，故醬牛肉的應力松弛特性參數可以被第一和第二主成分很好的解釋。根據表4 中主成分載荷量可知，第一主成分F1主要反映了參數x1、x2、x4、x5、x7的信息，即物體的黏性和彈性;第二主成分F2主要反映了參數x3和x6的信息，即物體的松弛時間。松弛時間是應力松弛模型中的一個非常重要的參數，松弛時間越長，物料結構越強，肌原纖維蛋白分子間黏結力越大，互相滑動所需的時間也就越長［15］。

按照文獻［16］的方法計算出主成分的特征向量列于對表4，根據主成分特征向量可以得出2 個主成分的表達式:

主成分F1=0.42x1+0.44x2－0.05x3+0.45x4+0.45x5+0.21x6+0.44x7(式中xi為表1 數據標準化后數據)。

主成分F2= －0.21x1－0.19x2+0.72x3+0.08x4－0.07x5+0.62x6+0.16x7(式中xi為表1 數據標準化后數據)。

表3 相關矩陣的特征值與方差貢獻率Table 3 Eigenvalues and percentage of the correlation matrix

表4 主成分載荷矩陣與特征向量Table 4 Component matrix and eigenvectors

3 結論

(1)醬牛肉是黏彈性材料，其應力松弛現象可以用五元件廣義Maxwell 模型來模擬，而且擬合效果很好。

(2)通過非線性回歸分析獲得了不同品牌醬牛肉的7 個應力松弛流變學參數。

(3)醬牛肉的7 個應力松弛參數之間存在一定的相關性，故可以進行主成分分析，結果將這7 個參數歸納為兩類，第一，醬牛肉的彈性和粘性，第二，醬牛肉的松弛時間。

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