豬里脊肉油傳熱過(guò)程中品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)研究

余冰妍鄧 力李文馨程 芬徐 嘉

(1. 貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

中國(guó)是豬肉生產(chǎn)大國(guó)，豬肉消費(fèi)在中國(guó)居民肉類(lèi)消費(fèi)中占主體地位[1]，中式烹飪是處理肉類(lèi)食品的主要方式。當(dāng)前，烹飪產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，如何在標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化烹飪中取得最優(yōu)品質(zhì)，是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

在前期研究中，本課題組已構(gòu)建了基于烹飪優(yōu)化原理的成熟值理論[2-3]，認(rèn)為烹飪品質(zhì)由加熱溫度決定，溫度的變化趨勢(shì)累積可得到動(dòng)力學(xué)值，動(dòng)力學(xué)值又可表征烹飪的品質(zhì)[4]；同時(shí)，研究[5]證明針對(duì)烹飪油溫等烹飪參數(shù)條件，存在烹飪品質(zhì)的優(yōu)化空間。烹飪優(yōu)化的先決條件是表征烹飪成熟的品質(zhì)因子和表征烹飪加熱后品質(zhì)劣化的過(guò)熱品質(zhì)因子的z值存在差異且后者z值大于前者的。因此，獲得品質(zhì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)是烹飪熱處理的工藝分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化所必須的基礎(chǔ)條件[6]。

目前，關(guān)于豬肉在受熱過(guò)程中綜合品質(zhì)變化的動(dòng)力學(xué)研究較少，謝雯雯[7]、瞿明勇[8]等曾針對(duì)豬排骨湯在貯藏過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)變化趨勢(shì)構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)模型，但其加熱方式是水傳熱，而在中式烹飪中，爆炒是豬肉烹飪的主要手段，也是最具中國(guó)特色的烹飪方式。近期，于磊等[9]探究了豬肉在滑油過(guò)程中的品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)規(guī)律，但只測(cè)定了VB1的變化而不涉及其他品質(zhì)因子。目前尚不能確定油傳熱和水傳熱烹飪的品質(zhì)形成具有相同動(dòng)力學(xué)規(guī)律，因此在研究豬肉油傳熱烹飪時(shí)，需要開(kāi)展油傳熱條件下的動(dòng)力學(xué)值測(cè)定。本課題組[10]前期已將動(dòng)力學(xué)和感官評(píng)價(jià)相結(jié)合，構(gòu)建了成熟值及其z值的測(cè)定方法，測(cè)定了豬里脊肉終點(diǎn)成熟值相應(yīng)的z值。

從另一個(gè)角度看，由于爆炒等油傳熱方式烹飪時(shí)間極短，具有非穩(wěn)態(tài)特征，品質(zhì)在不同時(shí)間-空間變化劇烈，幾乎不可能定時(shí)、定位取樣，導(dǎo)致傳統(tǒng)理化分析方法無(wú)法全局分析和描述食品品質(zhì)變化。而傳熱學(xué)-動(dòng)力學(xué)模型可描述不同時(shí)間、空間位置上的烹飪品質(zhì)，能對(duì)烹飪整體品質(zhì)變化進(jìn)行分析和控制。因此，油傳熱烹飪更需采用傳熱學(xué)-動(dòng)力學(xué)模型來(lái)開(kāi)展模擬研究。在烹飪數(shù)值模擬方面，前期積累了一定的研究基礎(chǔ)[11]，但動(dòng)力學(xué)參數(shù)是烹飪數(shù)值模擬的必要條件，應(yīng)該針對(duì)性地進(jìn)行測(cè)定。

豬肉加熱品質(zhì)變化動(dòng)力學(xué)的參數(shù)測(cè)定還存在品質(zhì)因子選擇的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]指出肉類(lèi)在加熱過(guò)程中的品質(zhì)因子有微生物、色澤、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)等，其中豬肉的成熟品質(zhì)表現(xiàn)為：色澤上豬肉發(fā)生適度褐變，質(zhì)構(gòu)上因蛋白質(zhì)變性引起的嫩度形成，微生物上致病微生物受熱死亡；過(guò)熱品質(zhì)表現(xiàn)在因水分損失導(dǎo)致的質(zhì)構(gòu)劣化，焦糊味的產(chǎn)生等。劉媛等[12]指出嫩度、多汁性和肉色是影響豬肉食用品質(zhì)的重要因素，且嫩度和肉色直接影響消費(fèi)者對(duì)豬肉品質(zhì)的評(píng)判。Lawrie[13]指出肉類(lèi)在烹飪前后，消費(fèi)者對(duì)食用品質(zhì)中的顏色，持水力和氣味變化更為敏感。Rodbotten等[14]以肉的不同食用品質(zhì)為指標(biāo)，經(jīng)測(cè)定比較得出了肉類(lèi)顏色的重要性。因此，顏色、嫩度、蒸煮損失等均為表征豬肉品質(zhì)的重要品質(zhì)因子且以顏色、嫩度為豬肉成熟品質(zhì)因子，以蒸煮損失為豬肉過(guò)熱品質(zhì)因子。

綜上，目前針對(duì)豬肉油傳熱過(guò)程中主要食用品質(zhì)的相關(guān)動(dòng)力學(xué)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以豬里脊肉為對(duì)象，測(cè)定其品質(zhì)因子(顏色、剪切力和蒸煮損失)在油傳熱過(guò)程中的變化趨勢(shì)并確定動(dòng)力學(xué)模型，得到相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為中式烹飪工藝優(yōu)化和豬肉熱處理研究提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 理論依據(jù)、試驗(yàn)材料及方法

1.1 理論依據(jù)

反應(yīng)級(jí)數(shù)體現(xiàn)了濃度對(duì)反應(yīng)速度快慢的影響程度，級(jí)數(shù)的選擇與確定是動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)，其主要方法有積分法、微分法、半衰期法等。當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)是整數(shù)時(shí)一般采用積分法[15]，式(1)為積分式：

(1)

式中：

cA——反應(yīng)物濃度，單位視情況而定；

t——處理時(shí)間，s；

k——反應(yīng)速度常數(shù)，單位視情況而定；

n——反應(yīng)級(jí)數(shù)。

k-Ea模型和z值模型具有相同的理論意義和相似計(jì)算結(jié)果，它們的聯(lián)用可用于相應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算[16]。

由z值模型可知[17]：

lnA=lnA0-kt，

(2)

式中：

A——處理ts時(shí)的品質(zhì)狀態(tài)，單位視情況而定；

A0——初始品質(zhì)狀態(tài)，單位視情況而定。

由k-Ea模型可知：

(3)

式中：

R——8.314 J/(mol?K)；

T——溫度，K；

k0——頻率因子，無(wú)量綱；

Ea——活化能，kJ/mol。

速率常數(shù)k和D值的關(guān)系為[18]：

(4)

式中：

D——以食品品質(zhì)在恒定溫度下變化一個(gè)對(duì)數(shù)周期為指示的加熱時(shí)間，min；

k——反應(yīng)速度常數(shù)，s-1。

z值計(jì)算式為：

(5)

式中：

z——D值變化一個(gè)對(duì)數(shù)周期所需要的溫度，℃。

1.2 試驗(yàn)材料

豬里脊肉：市售，與文獻(xiàn)[3，10]中同源；

食用調(diào)和油：市售。

1.3 儀器與設(shè)備

切片機(jī)：BL658型，深圳市博萊電子電器有限公司；

超級(jí)恒溫油浴槽：CY-20型，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；

數(shù)顯式肌肉嫩度儀：C-LM3B型，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院；

測(cè)色色差計(jì)：WSC-S型，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.4 方法

1.4.1 原材料處理 將肉樣適當(dāng)切分并冷凍成型，再按5 cm×10 cm×0.1 cm(用于顏色和剪切力測(cè)定)及2 cm×5 cm×0.1 cm(用于蒸煮損失測(cè)定)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切割，待肉片溫度升至室溫時(shí)即可用于各品質(zhì)因子的測(cè)定。

1.4.2 顏色測(cè)定 參照Rubio等[19]的方法，將肉片放入溫度為67.5，70.0，72.5，75.0 ℃的油浴鍋中，均勻攪動(dòng)，加熱40 s，每隔5 s取樣用測(cè)色色差儀進(jìn)行顏色測(cè)定。白度值按式(6)計(jì)算，各溫度條件下取樣3次進(jìn)行測(cè)定并求平均值[20]。

(6)

式中：

W——白度值；

L*——亮度；

a*——紅綠度；

b*——黃藍(lán)度。

1.4.3 蒸煮損失測(cè)定 對(duì)于蒸煮損失的測(cè)定，Wattanachant等[21]提出可根據(jù)未處理時(shí)肉的重量與處理t時(shí)刻后肉重量的差異進(jìn)行計(jì)算。肉片處理方式與1.4.2中相同，加熱48 s，每隔6 s取樣測(cè)其重量并求平均值，每個(gè)溫度條件做3組平行試驗(yàn)。

(7)

式中：

CLt——蒸煮損失，%；

m0——初始肉樣質(zhì)量，g；

mt——t時(shí)刻肉樣質(zhì)量，g。

1.4.4 剪切力測(cè)定 將與1.4.2相同處理的肉樣加熱48 s，每隔6 s取樣且順肌纖維切割為4.0 cm×2.0 cm×0.1 cm。將C-LM3B型數(shù)顯式肌肉嫩度儀置于水平臺(tái)上，打開(kāi)開(kāi)關(guān)后調(diào)零，按儀器上升鍵升起活動(dòng)剪切力架，放置樣品，按下降鍵使活動(dòng)剪切力架剪切試樣(剪切方向與肌纖維方向垂直)直至顯示窗上數(shù)值不再增加，記錄剪切力值。各溫度條件下取樣3次測(cè)定并求平均值[22]。

1.4.5 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)Excel進(jìn)行擬合，得到對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，確定反應(yīng)級(jí)數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)(k)；再根據(jù)相應(yīng)公式求得不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 顏色變化

顏色是表征豬肉烹飪成熟的品質(zhì)因子，在加熱過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷白化階段和褐變階段，白化主要由血紅蛋白和肌紅蛋白的變性以及類(lèi)胡蘿卜素的氧化引起，褐變主要由美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的積累引發(fā)[23]。本試驗(yàn)選取的溫度范圍為67.5～75 ℃，與血紅蛋白、肌紅蛋白的變性溫度范圍基本一致，豬里脊肉在加熱過(guò)程中的顏色變化與加熱時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖1。由圖1可知：隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，L*和W增大，a*減小。

采用最小二乘法對(duì)豬里脊肉顏色變化進(jìn)行擬合并對(duì)其lnk-T-1、lgD-T進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)合公式得到動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)，見(jiàn)表1和圖2、3。

由圖2、3和表1可知：豬里脊肉顏色變化零級(jí)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)系數(shù)低于一級(jí)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)系數(shù)，表明其變化屬于一級(jí)動(dòng)力學(xué)，且豬里脊肉L*、a*和W變化的活化能分別為68.6，86.8，55.4 kJ/mol，z值分別為33.1，26.1，41.0 ℃。Ohlsson[24]曾以豬肝泥和魚(yú)糕為研究對(duì)象測(cè)定得到其亮度z值分別為21，25 ℃，結(jié)果與本試驗(yàn)較為接近，表明肉類(lèi)亮度變化與對(duì)溫度的敏感性接近。然而，課題組前期通過(guò)對(duì)同來(lái)源豬里脊肉的顏色權(quán)重達(dá)0.36的感官評(píng)定得到其油傳熱加熱綜合品質(zhì)變化的zM為10 ℃[10]，與本試驗(yàn)得到的顏色變化z值有較大差異，說(shuō)明人眼中的色澤變化和色差儀中的顏色變化規(guī)律存在區(qū)別。蛋白質(zhì)加熱變性的z值為5～10 ℃[2]，變性后蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化等導(dǎo)致光漫射和反射，從而使顏色變白，可能人眼中的色澤變化更多地反映了蛋白質(zhì)變性的光線變化，而色差儀的結(jié)果則表征了加熱化學(xué)反應(yīng)變化。這一問(wèn)題內(nèi)在的光學(xué)、加熱品質(zhì)動(dòng)力學(xué)原理較為復(fù)雜，而色澤是烹飪成熟的主要感官判據(jù)，值得進(jìn)一步分析研究。

圖1 豬里脊肉油傳熱過(guò)程中的顏色變化

圖2 豬里脊肉顏色變化Arrhenius圖

圖3 豬里脊肉顏色變化z值

顏色T/℃零級(jí)k/min-1相關(guān)系數(shù)D值/min一級(jí)k/min-1相關(guān)系數(shù)D值/minL?a?W67.513.6080.898 8-0.2580.910 68.926 470.017.5500.891 1-0.3300.906 96.978 872.520.7180.897 6-0.3840.913 25.997 475.024.4560.899 5-0.4380.918 25.258 067.510.5840.872 9-1.3500.905 61.705 970.011.5620.844 7-1.7340.937 01.328 172.512.7380.877 0-2.2620.961 51.018 175.012.6600.776 9-2.5740.946 70.894 767.516.7700.898 7-0.3420.913 26.733 970.020.6520.882 7-0.4080.905 25.644 672.524.1320.899 1-0.4680.919 94.920 975.027.6060.899 8-0.5220.920 74.411 9

? “-”表示無(wú)數(shù)據(jù)。

2.2 蒸煮損失變化

蒸煮損失與肉類(lèi)的嫩度、保水性等密切相關(guān)，蛋白質(zhì)受熱變性和肌原纖維收縮使肉的保水性下降[25]，水分流失伴隨著脂肪和蛋白質(zhì)的溶解與流失，肉類(lèi)品質(zhì)下降，因此，在烹飪成熟過(guò)程中，蒸煮損失不是有益變化，是用于表征烹飪過(guò)度加熱的品質(zhì)因子。

豬肉為低酸性肉類(lèi)，一般情況下蒸煮損失開(kāi)始于30 ℃左右，且在50～70 ℃時(shí)損失最大[26]，豬里脊肉在加熱過(guò)程中的蒸煮損失變化見(jiàn)圖4。由圖4可知：蒸煮損失隨加熱進(jìn)行而增大，且溫度升高損失增大，這是由與豬肉保水性相關(guān)的肌原纖維蛋白隨加熱溫度上升而加劇變性所導(dǎo)致。

對(duì)蒸煮損失變化進(jìn)行最小二乘法擬合和lnk-T-1、lgD-T線性回歸分析，再結(jié)合公式得到動(dòng)力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2、圖5。

由圖5、表2可知：豬里脊肉蒸煮損失變化更符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)，但與一級(jí)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)系數(shù)差別不大，且豬里脊肉蒸煮損失變化的活化能為28.9 kJ/mol。部分肉類(lèi)蒸煮損失動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知：本試驗(yàn)所得到的蒸煮損失Ea值與文獻(xiàn)差別不大，但本試驗(yàn)選取零級(jí)動(dòng)力學(xué)對(duì)烹飪中豬里脊肉的蒸煮損失進(jìn)行分析，若采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)分析則活化能為72.27 kJ/mol，z值為32 ℃，與一般食品蒸煮過(guò)程的總體品質(zhì)劣化z值取值33 ℃[27]接近。與文獻(xiàn)[28～30]結(jié)果相比，其動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)的差異可能是因原料種類(lèi)、傳熱介質(zhì)與加熱條件等的不同所導(dǎo)致，而它們與動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)的具體相關(guān)性還需更多試驗(yàn)來(lái)探明。

圖4 豬里脊肉油傳熱過(guò)程中的蒸煮損失變化

Table 2 Kinetic parameters for cooking loss changes of pork loin in different temperature

T/℃零級(jí)k/min-1相關(guān)系數(shù)D值/min一級(jí)k/min-1相關(guān)系數(shù)D值/min67.50.352 20.961 8-2.6820.836 10.858 770.00.361 20.957 7-1.4880.881 51.547 772.50.409 80.948 4-1.4220.866 41.619 575.00.431 40.890 5-1.4820.737 31.554 0

? “-”表示無(wú)數(shù)據(jù)。

圖5 豬里脊肉蒸煮損失Arrhenius圖

2.3 剪切力變化

剪切力是表征豬肉烹飪成熟的品質(zhì)因子，肉類(lèi)中肌原纖維蛋白的變性、聚集等將導(dǎo)致肉質(zhì)變硬，而膠原蛋白的溶解、

表3 肉類(lèi)不同處理后蒸煮損失動(dòng)力學(xué)參數(shù)?

? “-”表示無(wú)數(shù)據(jù)。

凝膠化等使肉質(zhì)變嫩[31]；再者，蒸煮水分損失的加劇流失也會(huì)增加豬肉的韌性[26]，即肉品的最終嫩度是多種蛋白質(zhì)變性和水分含量變化的結(jié)果。豬里脊肉在加熱過(guò)程中的剪切力變化情況見(jiàn)圖6。由圖6可知：剪切力值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，且溫度越高增加越快。

圖6 豬里脊肉油傳熱過(guò)程中剪切力變化

對(duì)剪切力值變化進(jìn)行最小二乘法擬合和lnk-T-1、lgD-T線性回歸分析，再結(jié)合公式得到動(dòng)力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表4和圖7、8。

由圖7、8和表4可得：豬里脊肉剪切力變化屬于一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，且剪切力變化的活化能為127.1 kJ/mol，z值為17.9 ℃。剪切力Ea值低于蛋白質(zhì)變性活化能(200～600 kJ/mol)[32]，z值大于蛋白質(zhì)加熱變性z值，表明引發(fā)剪切力值改變的因素并不只為蛋白質(zhì)狀態(tài)。因此，本試驗(yàn)得到的剪切力變化z值與前期經(jīng)口感權(quán)重為0.36的感官評(píng)價(jià)所得到的綜合品質(zhì)z值(10 ℃)[10]有所差異是可以理解的。同時(shí)，剪切力變化z值小于蒸煮損失z值，滿足烹飪優(yōu)化所需的先決條件——z過(guò)熱>z成熟，證明了豬里脊肉油傳熱烹飪過(guò)程存在參數(shù)優(yōu)化的可能性。

表4不同加熱條件下豬里脊肉剪切力變化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)?

Table 4 Kinetic parameters for shearing force changes of pork loin in different temperature

溫度/℃零級(jí)k/min-1R2D值/min一級(jí)k/min-1R2D值/min67.54.1280.884 4-0.2880.911 97.996 570.06.4500.896 0-0.4200.919 85.483 372.510.7820.897 4-0.6420.919 03.587 275.012.8460.899 0-0.7320.910 73.146 2

? “-”表示無(wú)數(shù)據(jù)。

圖7 豬里脊肉剪切力變化Arrhenius圖

圖8 豬里脊肉剪切力變化z值

3 結(jié)論

在油傳熱烹飪過(guò)程中，豬里脊肉各品質(zhì)因子隨著加熱時(shí)間和加熱溫度的變化發(fā)生改變，其中，表征烹飪成熟的品質(zhì)因子(色澤、剪切力)的變化趨勢(shì)采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)能良好描述，表征過(guò)熱的品質(zhì)因子(蒸煮損失)的變化規(guī)律在零級(jí)動(dòng)力學(xué)下擬合精度更高，但也可近似認(rèn)為其變化符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。

同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明，亮度、紅度值和白度值的z值分別為33.1，26.1，41.0 ℃，Ea值分別為68.6，86.8，55.4 kJ/mol；剪切力z值為17.9 ℃，Ea值為127.1 kJ/mol；蒸煮損失Ea值為28.9 kJ/mol，z值在一級(jí)動(dòng)力學(xué)下為32 ℃，大于表征豬里脊肉成熟品質(zhì)的剪切力z值及紅度值z(mì)值，證明了油傳熱烹飪優(yōu)化空間存在的可能性，為中式烹飪的優(yōu)化研究提供依據(jù)。

豬里脊肉油傳熱烹飪過(guò)程中品質(zhì)變化的動(dòng)力學(xué)研究，是關(guān)于加熱方式對(duì)豬肉綜合品質(zhì)影響方面研究的補(bǔ)充，各品質(zhì)因子相關(guān)動(dòng)力學(xué)模型和參數(shù)的獲得為豬肉烹飪熱處理整體品質(zhì)變化的分析與研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。再者，研究結(jié)果表明經(jīng)感官評(píng)定與儀器測(cè)定得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有差異，但引起差異的具體原理及影響因素還有待深入探討，以完善動(dòng)力學(xué)參數(shù)應(yīng)用的理論支撐。

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