基于低場核磁共振技術檢測冷鮮灘羊肉的嫩度

馬天蘭,吳龍國,王松磊,,賀曉光,*,何建國

(1.寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021;2.寧夏大學土木水利工程學院,寧夏銀川 750021)

基于低場核磁共振技術檢測冷鮮灘羊肉的嫩度

馬天蘭1,吳龍國2,王松磊1,2,賀曉光1,*,何建國1

(1.寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021;2.寧夏大學土木水利工程學院,寧夏銀川 750021)

以寧夏灘羊肉為研究對象,采用低場核磁共振(LF-NMR)技術研究了冷鮮灘羊肉在貯藏過程中水分分布、遷移情況,與羊肉的品質指標pH、肉色(L*、a*、b*)、剪切力等進行相關性分析。結果發現,LF-NMR測得冷鮮灘羊肉的橫向弛豫時間 T2譜中出現4個水分群,各水分群對應的橫向弛豫時間分別為 T20、T21、T22、T23,且與各指標間顯著性較高(p<0.05),其中T2與剪切力相關系數為-0.996,極顯著相關(p<0.01),總峰面積A與剪切力極顯著負相關(p<0.01),相關系數為-0.991。為了進一步研究峰面積A、橫向弛豫時間T2與剪切力的關系,建立曲線回歸方程進行擬合分析,其峰面積A、橫向弛豫時間T2與剪切力回歸擬合效果較好,回歸系數分別為0.960、0.942。研究結果可為灘羊肉在貯藏過程中嫩度的快速檢測提供理論依據。

低場核磁共振,灘羊肉,冷藏時間,橫向弛豫時間,嫩度

寧夏灘羊肉因含脂率低、肉質細嫩、不膻不腥、營養豐富,是公認的優質羊肉。隨著人們生活水平的提高,冷鮮肉因其安全系數高、營養價值高、感官舒適性高越來越受到廣大消費者的青睞。如今,冷鮮肉在發達國家幾乎達到了100%的市場占有率[1-2]。肉品嫩度是評價肉質量高低的一項重要指標,肌肉的組織形態學結構、動物屠宰前后因素、宰后肉品嫩化因素對肉質嫩度都有一定的影響[3]。因此,如何快速檢測肉品嫩度一直是國內外肉品科學研究工作的熱點問題之一。傳統檢測肉品嫩度的主要方法有感官評定和剪切力方法,這兩個方法耗時、有損,無法實現快速檢測。隨著光譜技術和成像技術的發展,Mitsumotom等[4]采用近紅外(NIR)技術測量牛肉嫩度,結果表明剪切力和NIR測量值具有較好的相關性,R2為0.83。Xia等[5]利用牛肉光譜散射系數預測牛肉嫩度,二者相關性顯著,R2為0.59。Cluff等[6]基于高光譜散射特性預測牛肉的嫩度,預測相關系數最高為0.76。但是光譜成像技術作為新興的研究手段具有成本高、數據量大、圖像的獲取、處理和分類時間較長等缺點,這些限制了其在線檢測的應用。

低場核磁共振(NMR)是一種通過分析肉與肉制品中不同狀態水分的分布、含量以及遷移過程,同時可進行成像分析,以獲取樣品內部水分的空間分布信息,從而更好的分析肉與肉制品中水分與其他品質特性間的關系的分析檢測技術[7-8]。具有快速、無損、樣品需要量少等優點,是國際上用于研究水分分布、流動,進而研究樣品的內部物性特征的最有效手段之一[9]。目前,利用低場核磁共振(LF-NMR)在水果檢測、摻假、肉品水分的研究相對較多。熊婷[10]采用LF-NMR對果品進行檢測研究,實現了水果含糖量和機械損傷的綜合檢測。姜潮[11]對牛乳摻假進行了檢測研究,發現LF-NMR在慘假牛乳的區分識別中應用效果較好。Engelsen等[12-14]利用LF-NMR對肉的水分分布、含量及性質進行來研究,發現冷凍溫度越低,凍藏時間越長,導致非凍結水分含量損失越多。而從水分分布及流動特性角度對冷鮮灘羊肉在貯藏過程中其品質變化及嫩度快速檢測的研究鮮有報道。

本文利用LF-NMR技術,以寧夏鹽池灘羊肉為對象,研究了冷鮮羊肉在不同冷藏時間的水分分布及品質變化規律,探討了橫向弛豫時間T2、總峰面積A與pH、肉色、剪切力間的關系,以期為冷鮮灘羊肉在冷藏過程中嫩度的快速檢測提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

灘羊肉 產地寧夏,屠宰后經0 ℃冷庫排酸24 h后采集背脊肉樣,置于保鮮箱低溫保存當天運至實驗室,去除樣本表面的脂肪和肌膜,整形切塊(大小20×20×10 mm)100個,分別用保鮮袋包裝,在貯藏溫度為4 ℃下預冷12 h待用。

NM120型核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司,磁場強度0.56 T,共振頻率 21～23 MHz;AR2140型電子天平 美國OHAUS;HH-6型數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;Testo 205酸度計 德國德圖公司;DC-P3型全自動測色色差計 北京市興光測色儀器公司;TA-XT plus型質構儀 英國Stable Micro System公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 理化指標的測定

1.2.1.1 pH測定 pH測定用校準便攜式,肉塊冷卻至室溫后,將pH探針插入肉中進行測定。每天測10個樣本,每個樣本測定3個不同位置做平行對照,取10個樣本的平均值作為最終結果,連續測定10 d。

1.2.1.2 肉色測定 選取3個不同位點進行測定。利用校正后的Minolta每天測10個樣,每個樣品測定3個不同部位做平行,最終以10個樣的平均值作為最終結果,連續測定10 d。

1.2.1.3 剪切力值測定 測量前,稱取樣本質量。將溫度探頭埋入樣本中心,埋入時避開脂肪和締結組織,然后將樣本放入75～80 ℃水浴中加熱,加熱過程中記錄樣本中心溫度,當中心溫度達到70 ℃時,取出樣本,冷卻至室溫時測量嫩度。其測量依據NY/T 1180-2006標準進行,置于TA-XT plus質構儀上,垂直于肌肉纖維方向剪切,每次測10個樣本,取每個樣本3個肉條剪切力的均值作為該樣本的嫩度值,最終以10個樣本的平均值作為最終結果。測試參數設定[15]:測試模式為壓縮測試,探頭下降速度為6.0 mm/s,探頭回程速度為6.0 mm/s,測試距離為20 mm。

1.2.2 低場核磁共振時間T2測定 采用NM120核磁共振成像分析儀,磁場強度:(0.5±0.08) T,測量溫度為32 ℃。首先沿肌纖維方向取1.0 g,修整為10×10×10 mm的肉樣10份,在溫度為32 ℃(儀器工作溫度)水浴鍋中水浴8 min,分別放入15 mm檢測管中。將橫向弛豫時間T2的測定選用Q-CPMG序列進行測定,其參數值[16]為:SW=200,NS=8,SF=18.38 MHz,TW=1200 ms,NECH=5000,RFD=0.02 ms,TE=0.385 ms。參數設置完后,開始采樣,每個測試重復3次。采樣結束,進行T2擬合保存實驗結果,然后進入T2反演軟件反演出實驗結果。

1.2.3 核磁共振參數與食用品質的相關性分析 為了研究灘羊肉在冷藏過程中其食用品質pH、肉色(L*、a*、b*)和剪切力與核磁共振參數變化的關系，采用SPSS 20.0軟件對灘羊肉pH、肉色、剪切力與核磁共振參數T2、T20、T21、T22、T23、總峰面積A進行相關性分析。

1.2.4 回歸模型建立 在核磁共振參數與食用品質的相關性分析的基礎上,選取極顯著相關指標(p<0.01),建立曲線回歸模型進行擬合分析。

1.3 數據處理與統計分析

本實驗利用SPSS 20.0統計軟件進行Pearson相關系數分析,同時用SPSS20.0軟件通過曲線回歸分析建立線性、二次、對數回歸模型。

2 結果與分析

2.1 灘羊肉在冷藏過程中各理化指標的變化

2.1.1 灘羊肉pH的變化 pH是反映羊肉新鮮度的重要指標之一,對冷藏過程中對灘羊肉的pH變化進行研究,其結果如圖1所示。

圖1 灘羊肉pH隨冷藏時間的變化圖Fig.1 Changes of pH in chilled mutton with storage time

從圖1中可以看出,第1～4 d,pH逐漸降低,主要是因為宰后生理代謝終止,由有氧呼吸轉化為無氧呼吸,發生糖酵解反應,最終產物乳酸的積累使pH下降;第4 d以后,隨著冷藏時間的延長整體呈上升趨勢,特別是從第7 d以后,pH顯著上升,這是由于在冷藏過程中蛋白質在細菌及酶作用下分解為氨及胺類堿性物質,表面較黏且伴有不良氣味,說明此時的肉已經開始腐敗。與李志成等[17]研究了羊肉新鮮度與其揮發性有機化合物之間的關系結果一致,在溫度為4 ℃下冷藏,隨著冷藏時間的增加,pH逐漸上升;顧賽麒等[18]對冷卻羊肉新鮮度變化進行了研究,發現在不同溫度(4,20 ℃)下貯藏,在4 ℃下其pH隨著冷藏天數的延長而顯著增加。

2.1.2 灘羊肉色度的變化 肉色是反映冷鮮肉食用品質的重要指標,也是消費者判斷是否購買的主要依據之一。通過肉色的變化可以反映灘羊肉在冷藏過程中的生理、生化及微生物變化等情況[19]。通常用L*(亮度)、a*(紅度)和b*(黃度)來反映肉表面顏色的變化,L*、b*值越高,a*值越低,說明滲出水越多,肉越不新鮮。實驗研究了10 d灘羊肉的肉色值變化,如圖2所示。

圖2 灘羊肉色度隨冷藏時間的變化Fig.2 Changes of color in chilled mutton with storage time

從圖2得知,L*、b*值在冷藏過程中逐漸增大,a*逐漸減小。這主要是因為冷鮮灘羊肉在貯藏過程中,外源微生物入侵,消耗分解肉中蛋白質、脂肪、糖類等營養物質進行大量繁殖,加速肉的腐敗;肉色主要取決于肌肉中的色素肌紅蛋白和血紅蛋白,在微生物作用下會產生H2S,它與肌紅蛋白生成硫化肌紅蛋白,肌紅蛋白含量隨冷藏時間的延長而下降,使肉色變暗[20]。因此,在一定的冷藏時間內,L*、a*、b*值可以作為判斷冷鮮灘羊肉品質的指標。

2.1.3 灘羊肉剪切力的變化 鮮肉嫩度可以反映肉的內部結構,并且可以在一定程度上反映了肉中肌原纖維、結締組織以及肌肉內脂肪的含水量、分布和化學結構,而嫩度的下降主要是肌原纖維收縮導致的。通常羊肉嫩度的高低用剪切力值的大小表示,羊肉的剪切力值越小,羊肉的肉質越嫩。灘羊肉冷藏過程中剪切力的變化,如圖3所示。

圖3 灘羊肉剪切力隨冷藏時間的變化圖Fig.3 Changes of shear force in chilled mutton with storage time

由圖3得知,第1～2 d,剪切力值幾乎沒有發生變化,說明此時肉比較嫩;第2～5 d,剪切力值緩慢上升,說明此時肉的嫩度開始逐漸降低;從第6 d以后,剪切力值隨著冷藏時間變化比較明顯,說明此時由于在冷藏過程中,肉中肌纖維結構松散逐漸變得緊密,不能吸附更多的水,纖維成分的物理強度增大,使肌纖維束不容易分離,肌肉變得粗硬,剪切力值增大,嫩度降低[21-22]。因此,通過剪切力值的變化可以反映冷鮮灘羊肉嫩度的高低。

2.2 冷藏灘羊肉的核磁共振分析

圖4 灘羊肉在冷藏過程中弛豫時間T2分布圖Fig.4 Distribution of transverse relaxation time T2in chilled mutton during the cold storage

由圖4可知,弛豫圖譜上有4個峰,分別是T20(0～1 ms)、T21(1～10 ms)、T22(10～100 ms)、T23(100～1000 ms)。各峰所占的積分面積的比例也不同,分別是PT20(0.8%～6%)、PT21(0.6%～2%)、PT22(92%～96%)和PT23(0.4%～4%)。各組分弛豫時間和積分面積所占的比例不同,可以反映出肉中存在著不同狀態的水。目前,學者們基于肉與肉制品水分T2分布的理論研究,做了大量關于從水分分布、流動性角度解釋影響肉與肉制品品質與加工特性的實驗,利用LF-NMR得到T2的分布也都有所不同[23-24]。Anja等[25]采用LF-NMR研究經滾揉、煙熏處理的通脊肉的水分擴散與感官特性之間的關系,研究發現T2弛豫譜圖上有3種分布狀態的水分群,分別代表結合水、不易流動水、自由水;陳琳莉等[26]利用低場核磁共振法測定五種肉類中不同狀態水分含量,樣品測定過程中T2圖譜中出現4個峰,分別是弱結合水、強結合水、不易流動水,自由水。Borisova等[27]檢測到5種不同組分,分別代表了3種不同形式的水分以及肉中的肌動球蛋白等大分子、跟肌肉蛋白有關的組分。本實驗從弛豫時間及所占的比例可以看出,當弛豫時間在0～10 ms范圍時,出現兩個峰,這是由于在結合水中按水分子與肉中非水組分結合的牢固程度可分為最緊密的化合水和處于非水組分親水性基團周圍的鄰近水及多層水。結合方式的不同導致了峰頂點弛豫時間的差異[28]。因此,T20、T21是與蛋白質分子表面結合緊密,不受外界壓力影響的結合水;T22是存在于纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動水;T23存在于肌細胞外間隙中的水分,主要靠毛細管凝結作用而存在于肌肉中的自由水[29]。從圖中得知,橫向弛豫時間T2可以間接表明水分的自由度,橫向弛豫時間T2越大表明水分越自由[30]。

表1 冷藏過程中灘羊肉橫向弛豫參數與食用品質變化的相關性分析Table 1 The correlation analysis of chilled mutton transverse relaxation parameters and eating quality changes

注:*在0.05水平(雙側)上顯著相關(p<0.05);**在0.01水平(雙側)上極顯著相關(p<0.01)。

2.2.2 不同水分所對應橫向弛豫時間的變化 灘羊肉在貯藏過程中LF-NMR T2圖譜中各種狀態水所對應弛豫時間T2(T20、T21、T22、T23)隨冷藏時間的變化情況,如圖5所示。

圖5 灘羊肉在冷藏過程中弛豫時間T2的變化圖Fig.5 Changes of transverse relaxation time T2in chilled mutton during the cold storage

從圖5可以看出:隨著冷藏時間的延長,橫向弛豫時間T20、T21沒有明顯變化,這可能是由于該組分中的水與肉中非水組分物質結合的較牢固,不受冷藏時間的影響[31]。而T22、T23在冷藏過程中,隨著冷藏時間的延長,不易流動水和結合水弛豫時間明顯縮短。這與李偉妮等[32]冷藏山羊肉品質變化的核磁共振研究的結果是一致的,隨著冷藏時間的變化,橫向弛豫時間T22、T23明顯縮短。從積分面積比例可以看出,pT22先增大后減小,pT23隨貯藏時間逐漸增大,說明不易流動水在冷藏過程發生了水分遷移導致其含量降低,即不易流動水向自由水轉化,從而使自由水含量增加。這與李春等[33]對利用低場核磁共振研究冷卻條件對豬肉保水性的影響研究結果一致。

2.2.3 總峰面積A隨時間的變化 LF-NMR所檢測到灘羊肉總峰面積A在貯藏過程中隨貯藏時間的變化,如圖6所示。

圖6 總峰面積A隨冷藏時間的變化圖Fig.6 Changes of peak area of A with storage time

從圖6可知:隨著冷藏時間的延長,總峰面積A逐漸減小。這主要是因為灘羊肉在冷藏過程中,肉質容易滋生微生物生長,消耗了部分水分,導致灘羊肉的總水分含量降低[34]。因此,總峰面積A可以反映肉中總水分含量的變化。從以上結果可以看出,灘羊肉在冷藏過程中其弛豫時間T2、總峰面積A可以反映灘羊肉在冷藏過程中水分的分布、遷移及總的含水量變化情況。

2.3 核磁共振參數與食用品質的相關性分析

通過以上分析發現,灘羊肉在冷藏過程中其食用品質pH、肉色(L*、a*、b*)和剪切力與核磁共振參數變化有聯系。采用SPSS 20.0軟件對灘羊肉pH、肉色、剪切力與核磁共振參數T2、T20、T21、T22、T23、總峰面積A進行相關性分析,其結果見表1。

從表1可以看出,pH、a*、b*與總峰面積A、弛豫時間T2(T20、T21、T22、T23)之間均不顯著(p>0.05);L*與弛豫時間(T22、T23、T2)顯著相關(p<0.05);剪切力與T22、T2、總峰面積A極顯著相關(p<0.01),相關系數分別為-0.992、-0.996、-0.991。

表2 模型匯總和參數估計Table 2 Model summary and parameter estimation

注:因變量為剪切力,自變量為T2。

由此可以看出,不同冷藏過程中灘羊肉的核磁共振參數與各品質指標之間密切相關,從以上相關性結果進一步說明,灘羊肉在冷藏過程中水分的遷移及水分含量的變化是影響其剪切力變化的重要因素。可以通過低場核磁弛豫時間T2及總峰面積A反映肉中水分的遷移及含水量的變化進而研究冷藏過程中灘羊肉嫩度的變化。

多孔壁面槽道湍流中的流動阻力和傳熱···············張一凡 劉財喜 董宇紅 (3,378)

2.4 回歸模型建立

2.4.1 總峰面積A與剪切力回歸模型的建立 灘羊肉冷藏過程中總峰面積A與剪切力相關系數為-0.991,極顯著負相關(p<0.01),隨著冷藏時間的延長,總峰面積A逐漸減小,即總水含量在冷藏過程中減少;剪切力值逐漸增大,即嫩度在整個過程中逐漸降低。為了研究總峰面積A與剪切力的線性關系,建立曲線回歸模型,如圖7所示。

圖7 剪切力與峰面積值A的曲線回歸圖Fig.7 The curve regression of shear force and peak area of A

從圖7得知,剪切力與總峰面積A在三條曲線模型擬合的曲線中,對二次型擬合的曲線與原始觀測值擬合的最好,而線性模型與對數模型擬合曲線都有許多觀察點沒有擬合好。由擬合的觀察圖來看,二次模型最適合本實驗的數據建模,可以得出灘羊肉剪切力與總峰面積A之間的關系為Y=-7.093e-0.006X2+0.94X-1258.516,它們之間存在顯著的曲線回歸關系(p<0.001)。因此,根據曲線回歸方程,通過LF-NMR測定總峰面積A,可在一定的貯藏時間內快速檢測出灘羊肉冷藏過程中的嫩度的變化。

2.4.2 橫向弛豫時間T2與剪切力回歸模型的建立 冷藏過程中羊肉中水分橫向弛豫時間T2與剪切力相關系數為-0.996,呈極顯著負相關(p<0.01)。橫向弛豫時間T2隨著冷藏時間逐漸降低,說明在冷藏過程中結合水、不易流動水、自由水含量減少;而嫩度在冷藏過程隨剪切力增大逐漸降低。為了研究弛豫時間T2與剪切力的線性關系,建立曲線回歸模型,其模型匯總和參數估計、曲線回歸模型圖分別如表2、圖8所示。

圖8 弛豫時間T2與剪切力的曲線回歸圖Fig.8 The curve regression of transverserelaxation time T2 and shear force

從表2可以看出,三個回歸模型中,擬合度最好的是對數模型(R2=0.942),其次是二次曲線模型(R2=0.966)和線性模型(R2=0.942)。從F值來看,對數模型的擬合情況最好,因為二次模型的F值最大,為129.304。三個次模型的概率值都是0.000(p<0.001),極其顯著。

由圖8可以看出,通過線性、對數、二次模型擬合的曲線中,對數模型擬合的曲線與原始觀測值擬合的最好,而線性模型與二次模型擬合曲線都有許多觀察點沒有擬合好。因此,本實驗數據建模選用對數模型建模為宜。所得的灘羊肉剪切力與弛豫時間T2之間的關系為Y=-58.081In(X)+358.916。當在冷藏過程中弛豫時間T2縮短時,剪切力逐漸增大,嫩度降低。因此,通過線性回歸方程可實現冷藏過程中灘羊嫩度監控。

3 結論

灘羊肉隨著冷藏時間的延長,肉色、剪切力等品質指標發生明顯變化,冷藏時間的控制對羊肉在冷藏過程中品質變化的影響極為重要。利用低場核磁共振技術對羊肉冷藏過程中的四個水分群的橫向弛豫時間的變化可知,借助肉中水分的分布及流動情況可對其品質變化進行判斷具有一定的可行性。并分析了其變化與食用品質之間的關系,在此基礎上建立曲線回歸模型,其模型具有很好的擬合度,通過橫向弛豫時間T2和總峰面積A可實現對羊肉在貯藏過程中嫩度的監控及其預測。

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權威·核心·領先·實用·全面

Detection of tan-sheep meat tenderness based on low-field nuclear magnetic resonance

MA Tian-lan1,WU Long-guo2,WANG Song-lei1,2,HE Xiao-guang1,*,HE Jian-guo1

(1.School of Agriculture,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.Institute of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

Tan-sheep meat in Ningxia was used to be as the research object,the water distribution and mobility of the cold fresh tan-sheep meat during storage was studied by low-field nuclear magnetic resonance(LF-NMR)technique,and carried on the correlation analysis with the quality indexes such as pH,color(L*,a*,b*),shear force which were determined. The results found that the NMR transverse relaxation time T2spectrum data indicated that four distinct water populations were observed in the tan-sheep muscle. Each group of water corresponding to the transverse relaxation time was T20,T21,T22,T23,and with each index was significantly higher(p<0.05),where the relaxation time T2and shear were significant correlation(p<0.01),and the correlation coefficient was 0.996,the total peak area of A was significantly negative correlation with shear force(p<0.01),and the correlation coefficient was-0.991. To further study the relationship between peak area A,the transverse relaxation time T2and shear force,established the regression equation curve to be fitting analysis,the peak area of A,transverse relaxation time T2and the shear stress regression fitting effect were good,regression coefficients respectively were 0.960,0.942. This study would provide theoretical basis for the rapid detection of tan-sheep meat in the process of storage.

LF-NMR;chilled mutton;storage time;transverse relaxation time;tenderness

2016-06-28

馬天蘭(1990-)，女，碩士研究生，主要從事農產品無損檢測方面的研究,E-mail:1511531975@qq.com。

*通訊作者:賀曉光(1963-)，男，教授，主要從事農產品無損檢測、食品機械自動化控制、食品物性學方面的研究,E-mail：13995015705@163.com。

國家自然科學基金資助項目(31660484)項目資助;寧夏高等學校科學研究項目(NGY2016018)。

TS251.1

A

1002-0306(2017)02-0069-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.005