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生理成熟度及牛肉肌纖維特征與嫩度關(guān)系試驗(yàn)研究

2018-05-31 03:16:55陳坤杰季方芳徐佳琪

陳坤杰 季方芳 徐佳琪

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 南京 210031)

0 引言

牛肉的品質(zhì)包括嫩度、顏色和風(fēng)味[1-2]等,是決定牛肉銷售價(jià)格及消費(fèi)者采購意向的主要因素。其中,牛肉的嫩度主要反映了其質(zhì)地及食用時(shí)的口感,是決定消費(fèi)者購買意向的最主要因素。影響牛肉嫩度的因素主要有牛肉的品種、生理成熟度(牛齡)以及宰殺方式等。肌纖維是組成肌肉的基本單位,研究發(fā)現(xiàn),肌纖維特征是描述肉品質(zhì)形成機(jī)理的一個(gè)重要的定量指標(biāo)[3],不僅可以用來評(píng)定肉的嫩度,而且與肉的顏色、肉表面紋理特征、pH值等密切聯(lián)系。DAVIS等[4]發(fā)現(xiàn),肌纖維肌節(jié)長度越長,肉質(zhì)越嫩;CENA等[5]的試驗(yàn)研究也得出了類似的結(jié)論;KLONT等[6]的研究證明,肌肉的肌纖維類型與牛肉的嫩度具有顯著的相關(guān)性。牛蕾等[7-9]發(fā)現(xiàn),不同品種的牛肉,其肌纖維特性明顯不同。其中,肌纖維直徑作為肌纖維特性中的一個(gè)重要因素,其大小與牛肉嫩度密切相關(guān)。文獻(xiàn)[10-15]分別對(duì)豬肉的肌纖維直徑與肉質(zhì)嫩度的關(guān)系進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)肌纖維直徑與豬肉嫩度之間具有顯著的相關(guān)性。孫竹瓏[16]研究了藏山羊的組織學(xué)特性, 結(jié)果表明,藏山羊的肌纖維直徑與嫩度呈負(fù)相關(guān),直徑愈小,肉質(zhì)愈嫩。其中,影響肌纖維直徑粗細(xì)的主要因素是羊的品種、年齡、運(yùn)動(dòng)量和營養(yǎng)狀況等。肌纖維密度是影響牛肉嫩度的另一個(gè)相關(guān)因素。吳信生等[17]研究了我國7個(gè)不同地方雞種的組織學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)肌纖維密度與肌肉嫩度的相關(guān)性較高,7個(gè)地方雞種肌纖維密度與嫩度都呈負(fù)相關(guān)。王亞鳴等[18]、沈元新等[19]對(duì)骨骼肌纖維進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,骨骼肌纖維直徑越小,肌纖維密度越大,二者呈負(fù)相關(guān)。陳騁等[20]通過研究凍融次數(shù)對(duì)牛肉肌內(nèi)蛋白含量的影響發(fā)現(xiàn),牛肉肌纖維結(jié)構(gòu)破壞程度隨凍融次數(shù)增加而增加,凍融加劇汁液流失,影響牛肉的嫩度品質(zhì)。孫竹瓏等[21]、楊博輝等[22]分別研究了不同年齡組、不同品種的牦牛肌纖維與結(jié)締組織的體積比,發(fā)現(xiàn)隨年齡增長,牦牛肌內(nèi)肌纖維含量呈下降趨勢(shì),而結(jié)締組織含量呈上升趨勢(shì),肌纖維的比例越大,肉質(zhì)越嫩。

盡管牛齡是影響牛肉品質(zhì)的重要因素,也是牛肉質(zhì)量分級(jí)的重要參考指標(biāo),但牛齡與牛肉嫩度之間的關(guān)系并不明確,不同牛齡牛肉的微觀結(jié)構(gòu)特征以及這些結(jié)構(gòu)特征與牛肉嫩度之間的相關(guān)性研究,目前還沒有報(bào)道。本文通過圖像分析技術(shù),測(cè)量不同牛齡牛肉肌纖維的直徑、周長和密度,研究不同牛齡牛肉肌纖維的直徑、周長和密度與牛肉剪切力之間的關(guān)系,從微觀結(jié)構(gòu)的角度,研究分析影響牛肉嫩度的因素,為牛肉品質(zhì)分級(jí)提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和試劑

試驗(yàn)樣本選自吉林省長春皓月清真肉業(yè)股份有限公司肉牛育肥場(chǎng)的雜交沃金黑牛,分別選取18、36、54、72月齡已經(jīng)閹割過的公牛各25頭,共100頭。在長春皓月屠宰場(chǎng)內(nèi)經(jīng)過宰殺、放血、去牛蹄內(nèi)臟、剝皮、劈半、沖洗、胴體吊掛、72 h排酸后,選取背最長肌經(jīng)-30℃速凍后,運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室冰柜在-18℃下冷凍備用。其中80個(gè)用于試驗(yàn),20個(gè)用于模型驗(yàn)證。

試驗(yàn)試劑主要有液氮(南京龍盛特種氣體有限公司)和蘇木素- 伊紅(H- E)染色液(包括核染液、漿染液,南京建成科技有限公司)。

1.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

CM1990型冷凍切片機(jī)(德國Leica公司);ScopeA1型正置熒光顯微鏡(德國Carl Zeiss公司);TMS- PRO型質(zhì)構(gòu)儀(美國FTC公司);M30- H2型圓形鉆孔取樣器(直徑1.5 cm,哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限公司);HH- 1型數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇市城東超韻實(shí)驗(yàn)儀器廠);DT- 612型熱電偶測(cè)溫儀(探頭直徑小于2 mm,深圳華盛昌機(jī)械實(shí)業(yè)有限公司)。

1.3 牛肉嫩度的測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[23],牛肉的剪切力(反映牛肉嫩度,剪切力越低,表示嫩度越高)測(cè)量步驟如下:①將冷凍的肉樣置于常溫下解凍,直至中心溫度達(dá)到0~4℃。②將肉樣置于蒸煮袋中,將熱電耦測(cè)溫儀的探頭插入肉樣中心,實(shí)時(shí)監(jiān)控肉樣中心溫度。③將肉樣置于功率為1 500 W、水溫為80℃的恒溫?cái)?shù)顯水浴鍋中加熱。待肉樣中心溫度達(dá)到70℃時(shí),將肉樣從水浴鍋中取出,冷卻至中心溫度為0~4℃。④拔出熱電偶測(cè)溫儀,為保證取出的肉樣直徑相同,統(tǒng)一用直徑為1.5 cm的圓形取樣器沿與肌纖維平行的方向鉆取肉樣,取樣位置距離樣品邊緣不少于5 mm,兩個(gè)取樣邊緣間距不少于5 mm,剔除有明顯缺陷的孔樣,每個(gè)樣本選取6個(gè)孔樣進(jìn)行測(cè)量。⑤嫩度測(cè)定。將樣本放置于質(zhì)構(gòu)儀的刀槽中央,使肌纖維方向與刀口上下移動(dòng)的方向垂直,啟動(dòng)肉塊剪切程序,設(shè)置刀具下行速度為60 mm/min,初始力為0.1 N,下行距離為25 mm,探頭返回速度為200 mm/min,測(cè)得的最大剪切力(峰值),即為孔樣的剪切力測(cè)定值。分別測(cè)得同一樣本6個(gè)孔樣的最大剪切力,取平均值作為該肉樣的剪切力。

1.4 肌纖維顯微圖片的采集

1.4.1制樣

將肉品置于常溫下解凍,沿著肌纖維方向取0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的肉塊作為樣品,樣品放入液氮中凍結(jié)后裝入凍存管中保存并標(biāo)號(hào),每塊肉取3個(gè)樣品。

1.4.2切片

切片具體步驟為:①打開冷凍切片機(jī),保持冷凍切片機(jī)的溫度不變。取出組織支承器,將樣品的一面貼于組織支承器上,放平擺好樣品,周邊滴上水,速放于冷凍臺(tái)上。待水冷凍凝固后樣品便固定在組織支承器上。②將固定在組織支承器上樣品連同組織支承器夾緊于切片機(jī)持承器上,啟動(dòng)粗進(jìn)退鍵,慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕,控制刀片進(jìn)退,將樣品表面修平。③調(diào)好要切的厚度,一般在5~10 μm之間。本試驗(yàn)中將厚度調(diào)整為8 μm。④蓋上并調(diào)整好防卷板,制作牛肉組織的切片。切片時(shí),切出的切片要求能迅速地并且順利地通過刀片與防卷板間的通道,并且能夠平整地沒有卷翹地放置在持刀器的鐵板上。這時(shí)便可掀起防卷板,取一載玻片,將其切片貼于載玻片上,并貼上編號(hào),每個(gè)樣品取3個(gè)切片。

1.4.3H- E染色

染色之前用蒸餾水潤濕已脫蠟并已梯度入水的組織1~2 min,甩掉水分,確保蒸餾水潤濕整個(gè)組織,并均勻分布;核染液(紫紅色液體)染色5 min左右,水洗3~5 s;漿染液(紅色液體)染色10~30 s,用增色液沖洗1~2 s,濾紙吸干。

1.4.4圖像采集

將染色后的載玻片在顯微鏡20倍物鏡下觀察并拍照,同一個(gè)載玻片拍3幅圖像。

1.5 肌纖維相關(guān)參數(shù)的測(cè)量

1.5.1圖像處理

由于制片、切片、染色、拍攝過程中不可避免地出現(xiàn)一些誤差,所以在進(jìn)行肌纖維相關(guān)參數(shù)的測(cè)量前,使用Image- Pro Plus軟件對(duì)肌纖維的顯微圖片進(jìn)行預(yù)處理。

首先,經(jīng)染色后,肌纖維顏色與背景顏色有較大的差異,為此,利用Image- Pro Plus軟件的選色工具將肌纖維從背景中分割出來;其次,在進(jìn)行特征參數(shù)測(cè)量時(shí),二值化圖像能更加方便測(cè)量,而且便于利用Filter工具對(duì)圖像的形狀進(jìn)行修飾處理。因此,對(duì)選色分割后的圖像進(jìn)行二值化處理;牛肉的顯微圖像在經(jīng)過上述處理后,還存在一定的噪聲,此外,許多纖維之間還存在著細(xì)小的粘連,若直接進(jìn)行特征參數(shù)測(cè)量會(huì)導(dǎo)致較大誤差。為此,先使用Filter工具對(duì)圖片進(jìn)行降噪,然后利用close工具,對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹,去除圖像中的大尺度噪聲,并消除纖維之間存在的細(xì)小的粘連;圖像修飾完成后,利用軟件的計(jì)數(shù)工具對(duì)需要測(cè)量的部分進(jìn)行計(jì)數(shù),每個(gè)待測(cè)量紅色區(qū)域稱為一個(gè)感興趣區(qū)域,預(yù)處理過程與結(jié)果如圖1所示。

圖1 顯微圖像預(yù)處理Fig.1 Preprocessing of micrographs

1.5.2肌纖維直徑的測(cè)量

使用Image- Pro Plus的測(cè)量工具對(duì)肌纖維的相關(guān)特性進(jìn)行測(cè)量。

肌纖維直徑的測(cè)量方法如下:

由顯微圖可知,肌纖維截面多呈現(xiàn)非規(guī)則的多邊形或圓形,如圖2所示。為此,需首先找出每個(gè)肌纖維區(qū)域的圖形中心,然后從該中心出發(fā),每隔2°向區(qū)域兩端繪制線段,測(cè)量出每個(gè)線段的長度,取這些線段長度的平均值作為該肌纖維的直徑。

圖2 肌纖維直徑測(cè)量原理圖Fig.2 Principle diagram of muscle fiber diameter measuring

1.5.3肌纖維周長的測(cè)量

肌纖維周長是指每一個(gè)肌纖維的輪廓長度,如圖3所示。可以簡(jiǎn)單通過Image- Pro Plus軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算出邊界點(diǎn)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),得到一個(gè)肌纖維的周長。

圖3 肌纖維周長測(cè)量原理圖Fig.3 Principle diagram of muscle fiber perimeter measuring

1.5.4肌纖維密度的測(cè)量

肌纖維密度是指單位面積內(nèi)肌纖維的根數(shù),計(jì)算公式為

(1)

式中Di——肌纖維密度

Ni——視野中完整肌纖維的根數(shù)

Ai——顯微鏡視野面積

由于本文中顯微鏡的視野面積相同,因此下文使用視野內(nèi)肌纖維的根數(shù)表示肌纖維的密度(單位:根)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同牛齡牛肉肌纖維直徑的變化及其與剪切力的關(guān)系

牛肉肌纖維直徑隨著牛齡的變化而變化。為評(píng)估牛齡對(duì)肌纖維直徑的影響,對(duì)不同牛齡牛肉肌纖維直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和方差計(jì)算,結(jié)果如表1所示。隨著牛齡的增加,肌纖維直徑呈遞增趨勢(shì)[24]。

表1 不同牛齡牛肉肌纖維直徑統(tǒng)計(jì)及方差分析Tab.1 Muscle fiber diameter values and varianceanalysis of different physiological ages μm

注:同列中不同上標(biāo)字母表示肌纖維組間對(duì)比存在顯著性差異(P<0.05),下同。

從方差分析可知,18個(gè)月牛齡牛肉的肌纖維直徑與54個(gè)月和72個(gè)月的有顯著差異,36個(gè)月牛齡牛肉的肌纖維直徑僅與72個(gè)月的有顯著差異,54個(gè)月牛齡的牛肉肌纖維直徑與18個(gè)月和72個(gè)月的有顯著差異,72個(gè)月牛齡的牛肉肌纖維直徑與其它3個(gè)月齡牛肉均有顯著差異。這可能是因?yàn)樵?8個(gè)月到36個(gè)月之間以及36個(gè)月到54個(gè)月之間,牛肉肌纖維直徑增長相對(duì)較緩慢,因此盡管直徑有變化,但變化不明顯。54個(gè)月之后到72個(gè)月之間,肌纖維直徑增長相對(duì)較快,因此,與其它月齡之間的差異變得明顯。

用線性模型對(duì)牛齡與肌纖維直徑之間的變化關(guān)系進(jìn)行回歸分析并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),結(jié)果表明,牛齡與肌纖維直徑之間存在顯著的線性關(guān)系(P<0.05),可描述為

y1=39.07+0.20x

(2)

式中y1——肌纖維直徑,mmx——牛齡

若做出肌纖維直徑與剪切力的散點(diǎn)圖,結(jié)果如圖4所示,顯然,肌纖維直徑與剪切力存在近似的線性關(guān)系。相關(guān)性分析顯示,肌纖維直徑與剪切力的相關(guān)系數(shù)為0.798,極其顯著(P<0.01),說明隨著肌纖維直徑的增大,牛肉剪切力將線性增加。這與諶啟亮等[25]在牛肉嫩度相關(guān)的研究中同樣利用冷凍切片染色以及觀察顯微圖像的方法得出的結(jié)論一致。劉正柱等[26]也在影響牛肉品質(zhì)的因素及牛肉嫩度的改善方法研究中提出,家畜體型越大肌纖維越粗大,肉嫩度越低。趙改名等[27]也在研究中得出同樣的結(jié)論。

圖4 肌纖維直徑與剪切力散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plot of muscle fiber diameter and shear stress

2.2 不同牛齡牛肉肌纖維周長的變化及其與剪切力的關(guān)系

為評(píng)估牛齡對(duì)肌纖維周長的影響,對(duì)不同牛齡牛肉肌纖維周長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和方差計(jì)算,結(jié)果如表2所示。隨著牛齡的增加,肌纖維周長也呈遞增趨勢(shì)。

表2 不同牛齡牛肉肌纖維周長統(tǒng)計(jì)及方差分析Tab.2 Muscle fiber perimeter values and varianceanalysis of different physiological ages μm

從方差分析可知,18個(gè)月與36個(gè)月、54個(gè)月、72個(gè)月牛齡的牛肉肌纖維周長差異性均很顯著,且牛齡差距越大,顯著性越高。36個(gè)月與54個(gè)月的牛肉肌纖維周長的差異性不顯著,與72個(gè)月的牛肉肌纖維差異性顯著。54個(gè)月與72個(gè)月的牛肉肌纖維差異性也顯著。可能的原因是,18個(gè)月到36個(gè)月之間,肉牛生長迅速,因此,肌纖維周長增長相對(duì)較快,36個(gè)月到54個(gè)月及以后,肉牛生長相對(duì)較慢,因此肌纖維周長增長也相對(duì)較慢。

同樣地,用線性模型對(duì)牛齡與肌纖維周長之間的變化關(guān)系進(jìn)行回歸分析及顯著性檢驗(yàn),結(jié)果表明,牛齡與肌纖維周長之間也存在顯著的線性關(guān)系(P<0.05),可表示為

y2=241.6+1.315x

(3)

式中y2——肌纖維周長,μm

若做出肌纖維周長與剪切力的散點(diǎn)圖(圖5),肌纖維直徑與剪切力之間也存在近似的線性關(guān)系。相關(guān)性分析顯示,肌纖維周長與剪切力的線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.788, 顯著性極其顯著(P<0.01),說明隨著肌纖維周長的增大,牛肉剪切力線性增加。

圖5 肌纖維周長與剪切力散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of muscle fiber perimeter and shear stress

2.3 不同牛齡牛肉肌纖維密度的變化及其與剪切力的關(guān)系

對(duì)不同牛齡牛肉的肌纖維密度做統(tǒng)計(jì)分析及組間方差計(jì)算,結(jié)果如表3所示。隨著牛齡的增加,肌纖維密度逐漸降低。王衛(wèi)[28]的研究中也表明,伴隨著牛生長過程中肌纖維體積的增大變粗以及脂肪含量與結(jié)締組織隨之增多,肌纖維的密度會(huì)相對(duì)減小。18個(gè)月與36個(gè)月的牛肉肌纖維密度差異性不顯著,18個(gè)月與54個(gè)月和72個(gè)月的牛肉肌纖維密度差異性顯著,且牛齡差距越大,差異性越顯著,36個(gè)月的牛肉肌纖維僅與72個(gè)月的差異性顯著。這表明,各牛齡之間的肌纖維密度的變化相對(duì)不明顯。

表3 不同牛齡肌纖維密度統(tǒng)計(jì)及方差分析Tab.3 Muscle fiber density values and varianceanalysis of different physiological ages 根

線性回歸分析及顯著性檢驗(yàn)表明,牛齡與肌纖維密度之間存在顯著的線性關(guān)系(P<0.05),可表示為

y3=119.2-0.381x

(4)

式中y3——肌纖維密度,根

圖6表示了肌纖維密度與剪切力關(guān)系,顯然,隨著肌纖維密度的增大,牛肉剪切力呈下降趨勢(shì),二者之間存在近似的線性關(guān)系。進(jìn)一步的相關(guān)性分析顯示,肌纖維密度與剪切力的線性相關(guān)性極其顯著(P<0.01),因此,隨著肌纖維密度的增大,牛肉剪切力線性降低。王衛(wèi)[28]在牛肉嫩度智能預(yù)測(cè)方法研究中也提出,肌纖維密度越密,肌纖維越細(xì),肉質(zhì)越細(xì)嫩,這與試驗(yàn)結(jié)論一致。羿慶燕等[29]在研究不同質(zhì)量等級(jí)延邊黃牛肉肌纖維的組織特性中也得出同樣結(jié)論。

圖6 肌纖維密度與剪切力散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of muscle fiber density and shear stress

上述的試驗(yàn)研究表明,隨著牛齡的增大,即隨著肉牛生理成熟度的增加,構(gòu)成牛肉的基本組織——肌纖維的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著的變化,這種變化將導(dǎo)致牛肉剪切力隨之改變,從而對(duì)牛肉的重要品質(zhì)參數(shù)之一——嫩度產(chǎn)生顯著的影響。牛齡與肌纖維微觀參數(shù)之間、肌纖維微觀參數(shù)與剪切力之間存在明確的線性關(guān)系,因此,可以通過對(duì)肌纖維微觀參數(shù)的測(cè)定乃至根據(jù)牛肉的剪切力,實(shí)現(xiàn)對(duì)牛肉生理成熟度的預(yù)測(cè)和判定。

3 結(jié)論

(1)牛齡對(duì)牛肉肌纖維直徑有顯著的影響,隨著牛齡的增大,牛肉肌纖維直徑線性增加;而隨著肌纖維直徑的增加,牛肉剪切力將線性增大。

(2)牛齡顯著影響牛肉肌纖維周長,隨著牛齡的增大,牛肉肌纖維周長線性增加;牛肉肌纖維周長的增加,將導(dǎo)致牛肉剪切力線性增大。

(3)牛肉肌纖維密度受牛齡的影響顯著,隨著牛齡的增大,牛肉肌纖維密度將逐步下降;隨肌纖維密度的下降,牛肉剪切力線性增加。

(4)牛齡、牛肉肌纖維微觀參數(shù)及牛肉剪切力之間存在顯著的相關(guān)性,它們之間的關(guān)系,可以用明確的線性模型進(jìn)行描述。

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