低場核磁共振技術研究豬肉冷卻過程中水分遷移規律

張 楠，莊昕波，黃子信，陳玉侖，李春保，周光宏*

（南京農業大學 肉品加工與質量控制教育部重點實驗室，農業部畜產品加工重點實驗室，江蘇省肉類生產與加工質量安全控制協同創新中心，江蘇 南京 210095）

低場核磁共振技術研究豬肉冷卻過程中水分遷移規律

張 楠，莊昕波，黃子信，陳玉侖，李春保，周光宏*

（南京農業大學 肉品加工與質量控制教育部重點實驗室，農業部畜產品加工重點實驗室，江蘇省肉類生產與加工質量安全控制協同創新中心，江蘇 南京 210095）

目的：采用低場核磁弛豫時間和低場核磁成像技術，研究在模擬冷庫環境條件下，風循環冷卻和霧化噴淋冷卻過程中豬肉水分遷移規律。方法：選擇宰后2 h內的整條帶皮豬背最長肌（通脊）10 條，沿肌肉走向垂直方向分切成4 份14 cm×10 cm×6 cm的肉塊，其中2 份保留豬皮及皮下脂肪（帶皮組），另2 份則去除豬皮及皮下脂肪（不帶皮組），帶皮組和不帶皮組肉塊分別放入風循環冷卻和霧化噴淋冷卻的模擬冷庫中進行冷卻，并于0.0、1.5、3.0、4.5、6.0 h和7.5 h進行低場核磁共振橫向弛豫時間（T2）和低場核磁成像測定，同時記錄肉塊質量變化。結果：風循環冷卻過程中豬肉中結合水峰面積A2b和結合水占豬肉中總水分的百分比P2b變化差異不顯著（P＞0.05）、不易流動水t21顯著降低（P＜0.05），自由水A22、P22也顯著降低（P＜0.05）；而在霧化噴淋冷卻過程中，結合水A2b、P2b和不易流動水t21、A21、P21變化差異不顯著（P＞0.05），自由水A22、P22則顯著降低（P＜0.05）。帶皮豬肉和不帶皮豬肉在冷卻過程中水分遷移的變化過程相同，但水分損耗存在差異。結合圖像分析，在冷卻過程初期，豬肉干耗主要是自由水的損失；而冷卻后期，豬肉干耗則主要是部分不易流動水的損失。霧化噴淋冷卻通過補充外源水，來減小豬肉內部和外表的水勢差而抑制不易流動水由內向外遷移，可有效降低冷卻干耗。

低場核磁弛豫時間；低場核磁成像；冷卻干耗；霧化噴淋冷卻；風循環冷卻

張楠, 莊昕波, 黃子信, 等. 低場核磁共振技術研究豬肉冷卻過程中水分遷移規律[J]. 食品科學, 2017, 38(11): 103-109.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711017. http://www.spkx.net.cn

ZHANG Nan, ZHUANG Xinbo, HUANG Zixin, et al. Change in water mobility in pork during postmortem chilling analyzed by low-field nuclear magnetic resonance[J]. Food Science, 2017, 38(11): 103-109. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711017. http://www.spkx.net.cn

冷卻肉是指動物在嚴格按照檢疫制度宰殺后，使其胴體溫度迅速降至7 ℃，并在后續的分割加工、流通和零售過程中始終不超過7 ℃的生鮮肉。冷鮮肉因具有肉嫩、味美、衛生，及品質優于熱鮮肉和冷凍肉等特點，受到越來越多消費者喜愛。冷卻是冷卻豬肉加工的重要環節，目前主要采用風冷工藝[1]。在冷卻過程中，存在熱量和水分的交換，造成胴體表面的水分蒸發，形成冷卻干耗，對于豬胴體而言，宰后24 h內的冷卻干耗可達到3.5%，給企業造成了嚴重的經濟損失[2-3]。自20世紀80年代開始，加拿大等國家便開始研究霧化噴淋技術在豬牛羊屠宰加工企業的應用，進而降低冷卻干耗[4-8]。但由于對該項技術的機理研究較少，過度噴淋導致的微生物污染及肉色劣變等問題較為嚴重，使得該技術一直沒得到很好的應用和發展[9-12]。直到2000年前后，隨著衛生管理和噴淋技術設施的改進，霧化噴淋技術才得到一定程度的應用[13-18]。近10年來，我國部分屠宰加工企業開始采用霧化噴淋冷卻技術，可使胴體冷卻干耗降低50%以上，起到了良好的降耗減費效果[19]。所謂的霧化噴淋是指在胴體冷卻過程中，通過特定的管道和增壓系統，產生一定大小的霧化顆粒，增加冷卻濕度的同時，可在胴體表明形成一層水膜，從而實現降低損耗的技術[20-24]。但噴淋時間過長，仍會造成微生物超標、肉色變差等問題[25-26]。因此，弄清冷卻干耗機理，對于合理應用霧化噴淋技術，實現產業減費增效，具有十分重要的意義。

胴體冷卻是熱量交換、水分遷移的過程。早前研究中有關熱量交換的研究報道較多，但有關水分遷移規律仍鮮見報道。近年來，低場核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）弛豫時間和低場核磁成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術在肉品領域得到一定的應用[27-28]，也為胴體冷卻過程中水分遷移規律研究提供思路。本研究采用LF-NMR弛豫時間和MRI技術，研究在風循環冷卻和霧化噴淋冷卻過程中帶皮豬肉和不帶皮豬肉中水分遷移變化規律，為霧化噴淋技術的進一步應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

分批次取剛屠宰的生豬整條帶皮背最長肌10 份，于宰后2 h內帶回實驗室進行實驗。

BCD-256WDGH冰箱 青島海爾冰箱有限公司；MacroMR核磁共振食品分析與成像系統 蘇州紐邁電子科技有限公司；噴霧迷你風扇 深圳市舞陽萬代科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

選擇宰后2 h內的整條帶皮豬背最長肌（通脊）1 0 條，沿肌肉走向垂直方向分切成4份14 cm×10 cm×6 cm的肉塊，其中，2 份保留豬皮及皮下脂肪（帶皮組），另2 份則去除豬皮及皮下脂肪（不帶皮組），帶皮組和不帶皮組肉塊分別放入風循環冷卻和霧化噴淋冷卻的模擬冷庫中進行冷卻，并于0.0、1.5、3.0、4.5、6.0 h和7.5 h（對應實際宰后時間為2.0、3.5、5.0、6.5、8.0 h和9.5 h）進行LF-NMR橫向弛豫時間（T2）和MRI測定。實驗設計如表1所示。

表1 實驗條件設計Table 1 Experimental design

1.2.2 LF-NMR弛豫時間分析

參照龐之列等[27]的方法，并作適當修改。將肉樣放入直徑30 cm樣品管中，置于LF-NMR儀進行弛豫時間T2的測定，每個肉樣平行測定2 次，取平均值。在32 ℃、22.4 MHz共振頻率下，使用CPMG（carr-purcellmeiboom-gill）脈沖序列（90°脈沖和180°脈沖之間的時間τ=200 μs），重復掃描8次，每次間隔3 s，得到2 000個回波。t2b、A2b、P2b分別代表豬肉中結合水的最高出峰時間、峰面積和結合水占豬肉中總水分的百分比；t21、A21、P21分別代表的是豬肉中不易流動水的最高出峰時間、峰面積和不易流動水占豬肉中總水分的比例；t22、A22、P22分別代表自由水的最高出峰時間、峰面積和自由水占豬肉中總水分的比例。

1.2.3 低場核磁成像

MRI參考Caballero等[29]方法。采用SE成像序列實驗，通過改變序列參數回波時間TE和重復時間TR來改變質子密度以及T2對圖像的影響。本實驗中，運用MRI成像軟件及MSE多層自旋回波序列采集樣品橫斷面的質子密度圖像，肉樣的放置和選層如圖1所示。MRI成像參數：GSliceZ =1，GPhasey =1，GReadX=1，TR=800 ms，TE=11 ms，FOV Read=80 mm，FOV Phase=80 mm，累加8 次，K空間大小256×192；肉樣選層厚度3.0 cm。

圖1 樣品測定方法示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the measurement method

1.3 數據統計分析

數據處理采用SAS 9.1.2軟件分析系統，樣品狀態（帶皮、不帶皮）、冷卻方式（風循環冷卻、霧化噴淋冷卻）和宰后時間對本實驗指標的影響采用析因方差設計分析（factorial ANOVA），各處理組間的差異顯著性采用Duncan’s多重比較法。

2 結果與分析

2.1 冷卻方式和樣品狀態對豬肉冷卻過程中水分弛豫時間的影響

2.1.1 對結合水的影響

圖2 不同冷卻方式和樣品狀態對豬肉中結合水t 2b 、A2b、P2b的=10）Fig. 2 Effect of chilling methods and sample status on t2b, A2band P2bin pork (n = 10)影響（n

如圖2所示，冷卻方式和樣品狀態對豬肉冷卻過程中結合水的峰面積（A2b）和峰面積比（P2b）沒有顯著影響（P＞0.05），但對結合水出峰時間（t2b）有顯著影響（P＜0.05）。對于風循環冷卻組，帶皮豬肉和不帶皮豬肉的t2b隨冷卻時間延長呈增加趨勢，而霧化噴淋冷卻組呈降低趨勢，在1.5 h時，帶皮組t2b值明顯高于不帶皮組，在其他時間點沒有顯著差異。

2.1.2 對不易流動水的影響

圖3 不同冷卻方式和樣品狀態對豬肉中不易流動水t21、A21、P21的=10）Fig. 3 Effect of chilling methods and sample status on t21, A21and P21of immobilized water in pork (n = 10)影響（n

如圖3所示，樣品狀態對豬肉中不易流動水的最高出峰時間（t21）沒有顯著影響（P＞0.05），但冷卻方式對t21有顯著影響（P＜0.05）。風循環冷卻組，t21隨著冷卻時間的延長而逐漸下降（P＜0.05），且帶皮豬肉t21顯著高于不帶皮豬肉（P＜0.05）。而霧化噴淋冷卻組中，t21沒有顯著變化（P＞0.05）。在霧化噴淋冷卻組和風循環冷卻組中，隨著冷卻時間延長，P21均呈現出現增加后保持穩定的趨勢，但風循環冷卻組在1.5 h時就達到穩定，而霧化噴淋冷卻組在3.0 h時達到最大并保持穩定（P＜0.05）。風循環冷卻組中，A21隨時間沒有顯著變化，而霧化噴淋冷卻組表現出先增加后穩定的趨勢（P＜0.05）。

2.1.3 對自由水的影響

圖4 不同冷卻方式和樣品狀態對豬肉中自由水t22、A22、P22的=10）Fig. 4 Effect of chilling methods and sample status on t22, A22and P22of free water in pork (n = 10)影響（n

如圖4所示，帶皮和不帶皮豬肉在冷卻過程中自由水的峰面積（A22）及自由水在總水分中的比例（P22）都顯著下降（P＜0.05），尤其是在1.5 h內下降非常明顯。帶皮豬肉和不帶皮豬肉之間沒有顯著差異（P＞0.05）。霧化噴淋冷卻組要略高于風循環冷卻組（P＜0.05），說明風循環冷卻造成的蒸發損失更高。

2.2 冷卻方式和樣品狀態對豬肉冷卻過程中質量的影響如圖5所示，帶皮豬肉和不帶皮豬肉在冷卻過程中質量都呈現出顯著差異（P＜0.05），帶皮豬肉和不帶皮豬肉的質量損失沒有顯著差異（P＞0.05），但風循環冷卻組的質量損失明顯高于霧化噴淋組（P＜0.05），霧化噴淋冷卻損耗抑制最高值在1.5%左右，而風循環冷卻組則高達6%。因此，霧化噴淋冷卻在減少冷卻干耗方面的優勢明顯。

=10）Fig. 5 Effect of chilling methods and sample status on pork weight (n = 10)圖5 不同冷卻方式和樣品狀態對豬肉質量的影響（n

2.3 風循環冷卻過程中低場核磁對豬肉水分成像

圖6 風循環冷卻（A）和霧化噴淋冷卻（B）過程中LF-NMR對豬肉水分成像Fig. 6 Low-field nuclear magnetic resonance images of pork under blast chilling (A) or spray chilling (B)

由上述結果可以看出，在相同模擬冷卻條件下，帶皮豬肉和不帶皮豬肉中水分遷移規律基本相似。霧化噴淋組和風循環冷卻的變化趨勢基本相似，但在時間變化點及數值上存在一定差異。為了進一步研究水分遷移規律，MRI圖像可提供更為有用的信息。圖6顯示了帶皮豬肉在風循環和霧化噴淋冷卻過程中不同時間段的MRI（由上到下），紅色部分表示水分加權高，即水分含量高；綠色部分表示水分加權低，水分含量少（圖中未顯示）。在0.0 h和1.5 h時，成像中水分加權很低，但其并不代表豬肉中水分含量少，而是因為測試物的溫度差異導致信號強度有所差異，溫度越高信號強度越弱，溫度越低信號強度越高強。這一現象可反映豬肉在冷卻過程中的溫度變化。從整體來看，外側豬肉的水分信號要高于內部水分；從單個圖片來看，肉塊四周信號要明顯高于中間信號，這說明肉塊的冷卻過程由外向內的過程。在4.5 h時，豬肉中水分信號均勻，說明整個冷卻過程基本完成。隨著時間進一步推移，紅色部分明顯減少，綠色部分明顯增加（圖中未顯示），說明在冷卻后期水分發生遷移損耗。雖然內部的水分含量明顯偏高，但是在后期其水分含量也明顯下降，說明水分在向肉的外部遷移。所以，通過成像可以發現，水分先由肉塊內部向外部遷移，再由外側向空氣中遷移。此外，從MRI圖像中還可以看出，樣品逐漸變小，主要是因為僵直收縮所致。

3 討論與結論

本實驗采用LF-NMR弛豫時間和MRI方法，研究了兩種冷卻方式下帶皮豬肉和不帶皮豬肉中水分遷移變化規律。鮮肉中的水分主要以自由水、不易流動水和結合水3 種形式存在[30]。自由水指的是肌肉中能夠自由流動，存在于細胞外間隙中的水，它僅靠毛細管作用力而保持；不易流動水是指那些存在于肌原纖維、纖絲中約占總水分80%的水分；結合水是指與蛋白質大分子之間通過靜電引力而緊密結合的一部分水分子。

實驗發現，不同類型的豬肉在冷卻過程中水分遷移規律相同，但水分損耗量存在一定的差異。結合水在豬肉總水分中的比例較少（約占4%左右），且和蛋白基團緊密結合，所以風循環冷卻過程沒有產生結合水遷移；而不易流動水的A21、P21呈先增加后降低趨勢。帶皮組中由于皮和脂肪的保護作用，不易流動水的變化相對較為緩和。在冷卻起始階段，可能會發生肌肉收縮，增加了單位體積中水分含量，起到“水分濃縮”作用，進而使A21、P21顯著增加（主要是因為自由水比例高，所以A21和P21變化更為明顯）。在后續冷卻過程中，隨著豬肉表面自由水被蒸發，表面內外水壓力差增加，使內部的不易流動水攜帶熱量不斷向外部遷移、蒸發，從而導致豬肉中A21和P21在冷卻后期顯著降低。此外，低場弛豫時間t21也可以解釋豬肉中不易流動水的損耗過程。弛豫時間t21越短，說明水分在豬肉內部被束縛的越緊，越不容易流失[28]。在風循環冷卻開始階段，帶皮豬肉和不帶皮豬肉的t21差異不顯著，說明在這一階段中豬肉的水分損耗都是自由水。結合MRI結果，風循環冷卻初期，冷卻干耗主要是自由水的損失；而后期冷卻干耗則主要是部分不易流動水的損失。

和風循環冷卻相似，霧化噴淋冷卻中，豬肉表面水勢因自由水的蒸發而增加，但在后續冷卻過程中，通過噴灑適量的外源水來降低豬肉表面的水勢差，以抑制不易流動水由內向外遷移，從而降低冷卻干耗。

本實驗研究了風循環冷卻和霧化噴淋冷卻條件下，帶皮和不帶皮豬肉水分遷移規律，發現在風循環冷卻初期，豬肉冷卻干耗主要源于自由水的損失；而后期的冷卻干耗主要源于部分不易流動水的損失。霧化噴淋冷卻通過向胴體或肉的外表噴灑適量的外源水，可降低肉表面內部和外表的水勢，從而減緩不易流動水由內向外遷移，降低冷卻干耗。

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Change in Water Mobility in Pork during Postmortem Chilling Analyzed by Low-Field Nuclear Magnetic Resonance

ZHANG Nan, ZHUANG Xinbo, HUANG Zixin, CHEN Yulun, LI Chunbao, ZHOU Guanghong*
(Key Laboratory of Meat Products Processing and Quality Control, Ministry of Education, Key Laboratory of Animal Products Processing, Ministry of Agriculture, Jiangsu Synergetic Innovation Center of Meat Processing and Quality Control, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Objective: This study was designed to explore the change in water mobility in skin-on and skin-off pork during blast chilling and spray chilling. Methods: Ten skin-on pork loins were obtained at 2 h postmortem and each loin was cut into 4 steaks (14 cm × 10 cm × 6 cm), the skin of two of which was kept and the other two were skinless. Skin-on and skinless steaks were individually subjected to blast chilling and spray chilling. At 0.0, 1.5, 3.0, 4.5, 6.0 and 7.5 h of chilling, transverse relaxation time (T2) and magnetic resonance images (MRI) were determined by low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) and sample weight was measured. Results: The A2band P2bchanged without statistical significance (P ＞ 0.05), and the t21, A22and P22were significantly decreased during blast chilling (P ＜ 0.05), while spray treatment significantly reduced A22and P22(P ＜ 0.05), but it had no significant effect on A2b, P2b, t21, A21or P21(P ＞ 0.05). The water mobility in skinless or skin-on pork under two chilling treatments was similar, while the evaporative loss was significantly affected by the treatments (P ＜ 0.05). At the initial stage of blast chilling, the evaporative loss was mainly derived from free water, while it was immobilized water that contributed to the evaporative loss at the late stage. The spray chilling treatment could replace the immobilized water during the removal of heat from pork, resulting in a reduction of evaporative loss.

low-field nuclear magnetic relaxation time; low-field nuclear magnetic resonance imaging; evaporative loss; spray chilling; blast chilling

=104,ebook=111

10.7506/spkx1002-6630-201711017

TS251.1

A

1002-6630（2017）11-0103-07引文格式：

2016-11-25

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2014BAD19B01）；江蘇省農業自主創新項目（CX(15)1006）；江蘇省重點研發計劃項目（BE2015372）；國家現代農業（生豬）產業技術體系建設專項（CARS36-11）；南京農業大學基本業務費專項（KYCYL201502）；江蘇省優勢學科PADP項目

張楠（1981－），男，博士研究生，研究方向為畜產品加工與質量控制。E-mail：285913549@qq.com

*通信作者：周光宏（1960－），男，教授，博士，研究方向為畜產品加工與質量控制。E-mail：guanghong.zhou@hotmail.com