微波加熱處理對牦牛肉加熱損失率、嫩度及微觀結構的影響

李思寧,唐善虎,郝 剛,張筱蕾,閆利國

(西南民族大學生命科學與技術學院,四川成都 610041)

微波加熱的原理是利用極性分子在915 MHz或2450 MHz頻率的交變電場中反復交變極化摩擦,產生大量的摩擦熱從而完成電磁能向熱能的轉換[1]。微波爐根據(jù)頻率的變化有變頻與非變頻之分,非變頻微波爐的輸出功率是固定值,功率的大小只能通過微波發(fā)射通/斷的時間換算而來,食物在這種通/斷交替的狀態(tài)中加熱[2];變頻微波爐可以直接控制輸出功率大小,使食物始終處在連續(xù)的加熱狀態(tài)。微波加熱技術具有省時、無異味和營養(yǎng)成分保存率高等特點。目前,對食品微波加熱技術的研究主要集中在對菜肴的烹調加工、原材料的酶活性抑制處理,食品的干燥、殺菌處理及食品解凍、再加熱處理等方面[3-5]。

加熱對肉品質的影響主要是由于在加熱過程中肌原纖維蛋白發(fā)生變性,肌纖維收縮,肌漿蛋白凝集和凝膠化以及結締組織膠原蛋白溶解等變化。目前,有關微波加熱對肉及肉制品品質影響的研究已有報道,周淇[6]研究了微波對牛肉品質的影響,發(fā)現(xiàn)牛肉在微波加熱的過程中,水分含量和出品率隨著微波時間的延長而減少,蛋白質含量逐漸增加,脂肪含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;P-100%(高火)的條件下更易體現(xiàn)牛肉的品質。韓忠等[7]研究了微波加熱豬肉終點溫度的鑒定及其品質特性,結果表明對于非變頻微波爐,100%功率加熱需80 s,80%功率加熱需100 s,50%功率加熱需140 s;50%功率加熱的樣品蒸煮損失最低、持水力及色澤最佳。Yarmand和Homayouni[8]利用掃描電鏡研究了常規(guī)加熱和微波加熱對山羊肉半膜肌肉結構的影響,發(fā)現(xiàn)常規(guī)加熱沒有對肌肉表面造成損傷,而微波加熱對肌肉造成了更多的結構性破壞。牦牛肉是天然無污染的綠色食物,營養(yǎng)價值較高,深受廣大消費者喜愛。與其它畜肉類相比,牦牛肉蛋白質、氨基酸含量高,脂肪含量低[9]。近幾年,牦牛肉的開發(fā)和利用一直是肉品領域研究的熱點。關于微波處理應用于牦牛肉的研究已有報道,主要集中在牦牛肉的凝膠特性及風味、質構方面[10-12],但對牦牛肉加熱損失率、嫩度及微觀結構的研究尚未見報道。本文利用非變頻微波爐,通過對微波加熱后牦牛肉的熱損失率、剪切力及微觀結構進行測定,研究不同的微波處理強度和時間對牦牛肉肉質的影響,對牦牛肉預調理制品的開發(fā)有重要意義,且為控制微波加熱提高肉制品品質提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牦牛肉 自然放牧狀態(tài)下健康無病的3歲齡牦牛背最長肌,來自四川紅原;丙烯酰胺(Acr)、十二烷基磺酸鈉(SDS)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)、N,N′-甲叉雙丙烯酰胺(Bis)、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)、過硫酸銨(APS)、甘氨酸(glycine)、考馬斯亮藍R-250 美國Sigma 試劑公司;SDS-PAGE蛋白質Marker(14.4～97.4 kDa) 上海生化試劑公司。

G70F20CN3L(B0)型非變頻微波爐(輸出功率700 W,頻率2450 MHz) 廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司;TA.XT Plus 質構儀 英國Stable Micro Systems公司;DYY-12型電腦三恒多用電泳儀 北京市六一儀器廠;Sub-Cell GT型Mini電泳槽 美國Bio-Rad公司;FSH-2A型可調高速組織勻漿機 金壇市華城海龍實驗儀器廠;centrifuge 5804R高速冷凍離心機 德國Eppendorf公司;PL30型分析天平 梅特勒-托利多(上海)股份有限公司;MP511型pH計 上海三信儀表廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同加熱位點熱效率的確定 取27只100 mL燒杯,均裝入60 mL 20 ℃的蒸餾水,平均分為3組。每一組燒杯均逐一或同時放入微波爐內圖1對應的9個位置處進行微波加熱。加熱完成后,使用熱電偶測溫儀迅速測定水的溫度,以確定不同位置的加熱效率。

圖1 微波爐內牦牛肉樣品放置位置示意圖Fig.1 Diagram of yak sample in microwave oven注:1～9表示微波爐內不同的位置。

1.2.1.1 9個位點逐一加熱熱效率測定 第一組于100%功率加熱90 s、第二組于80%功率加熱100 s,第三組于60%功率加熱130 s。

1.2.1.2 9個位點同時加熱熱效率測定 第一組于100%功率加熱180 s;第二組于80%功率加熱200 s;第三組于60%功率加熱310 s。

1.2.2 微波熱處理對牦牛肉品質的影響 將牦牛背最長肌在4 ℃冰箱中解凍,切成3 cm×3 cm×1.5 cm的肉樣,放置于微波爐內經1.2.1選出的熱效率最好的位點加熱。設置沸水浴加熱組,沸水浴加熱時間分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 min,將沸水浴處理后的肉樣進行SDS-PAGE電泳實驗,找出牦牛肉蛋白質完全變性的加熱終點。以沸水浴加熱組蛋白質完全變性的樣品為對照,通過測定SDS-PAGE電泳、加熱損失率、剪切力及觀察微觀結構,研究100%功率(20、25、30、40、50、60 s)、80%功率(30、40、50、60、70、80 s)及60%功率(50、60、70、80、90、100 s)對牦牛肉肉質的影響。

1.2.3 指標測定

1.2.3.1 SDS-PAGE電泳 參考Laemmli等[13]的方法,將經過沸水浴處理和微波加熱的牦牛肉樣進行SDS-PAGE分析。具體方法為:將2 g樣品于研缽中,加入20 mL 0.5 mol/L(pH7.8)的 Tris-HCl 緩沖液勻漿成稀糊狀,靜置后取1 mL上清液,8000 r/min離心10 min,取上清100 μL與25 μL 5×上樣緩沖液在離心管中混合,6000 r/min混勻1 min,吸取樣品10 μL進行電泳。濃縮膠濃度為4%,分離膠濃度為12%,厚度為1 mm。調節(jié)濃縮膠電泳電壓為80 V,電流為50 mA,時間30 min;分離膠電壓120 V,電流50 mA,時間3 h。停止電泳,取出膠置于培養(yǎng)皿中,加入考馬斯亮藍R-250染色,1 h后脫色,2 h后換脫色液并過夜。使用Bio-Rad凝膠成像儀拍照,分析蛋白質條帶變化。

1.2.3.2 加熱損失率測定 準確稱取加熱前的牦牛肉,質量為m1,經熱處理后將肉樣取出冷卻后稱重,質量為m2。加熱損失率按下面公式計算。

加熱損失率(%)=(m1-m2/m1)×100

1.2.3.3 剪切力測定 剪切強度測定參數(shù)[14]:測定模式:壓縮;測前速:2.0 mm/s;測試速:1.0 mm/s;測后速:10.0 mm/s;壓縮比:50%;負載類型:Auto-50.0 g;探頭:HDP/BSW;數(shù)據(jù)獲得率:200 PPS;樣品規(guī)格:長×寬×高=3 cm×2 cm×1 cm。

1.2.3.4 微觀結構觀察 根據(jù)文獻方法[15]并加以修改,用光學顯微鏡對牦牛肉樣的橫切面進行分析。將沸水浴處理和微波處理后的牦牛肉修整成0.5 cm3大小的肉樣,迅速放入4%的多聚甲醛中固定4 d,然后分別用75%、85%、95%、100%乙醇進行脫水,每次45 min。用二甲苯透明兩次,每次15 min,透蠟后用石蠟包埋。切片厚約5 μm,HE常規(guī)染色,晾片后用帶有數(shù)字攝像頭及圖像分析軟件的電子顯微鏡進行拍照。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

本實驗所有數(shù)據(jù)均測定三次,采用SPSS 21.0 統(tǒng)計軟件,用單因素方差分析(One-Way ANOVA),檢測各處理平均數(shù)間的差異顯著性。使用Image Lab 5.0軟件對SDS-PAGE電泳條帶進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同加熱位點熱效率的確定

同一位點的三組平均值即為該位點的熱效率值，微波爐內9個位點逐一加熱及同時加熱熱效率測定結果見圖2。

圖2 不同位點加熱熱效率測定結果Fig.2 Testing result of thermal efficiency at different location注:相同處理條件下，肩標不同小寫字母 表示差異顯著(p<0.05)。

由圖2可知,各個燒杯中水溫的變化不同,反映了電場強度分布的不均勻性。無論是9個位點逐一加熱還是同時加熱,放置在位置2處的燒杯內水的平均溫度最高,且顯著高于其它組(p<0.05)。尤其是9個位點同時加熱時,位置2處電場最強,熱效率最高。因此,選擇將牦牛肉樣品放置在微波爐內的位置2處進行熱處理。

2.2 SDS-PAGE蛋白條帶

2.2.1 牦牛肉沸水浴處理后SDS-PAGE蛋白條帶 沸水浴處理后SDS-PAGE蛋白條帶見圖3。

圖3 沸水浴處理后SDS-PAGE蛋白條帶Fig.3 SDS-PAGE pattern of sample after boiling water bath treatment

當前后兩個熱處理時間的電泳條帶數(shù)量發(fā)生變化,且從發(fā)生變化的那個時間算起,之后的任何時間的電泳條帶都保持不變時,認為電泳條帶發(fā)生變化的第一個時間點為蛋白質發(fā)生變性的加熱終點[7]。由圖3可知,3 cm×3 cm×1.5 cm的牦牛肉樣品,沸水浴加熱4.0 min后，牦牛肉蛋白的SDS-PAGE條帶不再發(fā)生變化,說明沸水浴加熱時間為4.0 min已達到牦牛肉蛋白質熱變性的終點溫度。韓忠等人以5 cm×5 cm×1.5 cm的豬肉背最長肌為研究對象,發(fā)現(xiàn)沸水浴 3 min 為豬肉蛋白質熱變性的溫度[7]。通過Image Lab 5.0軟件分析表明,分子量在14.4～20.0 kDa有3種熱穩(wěn)定性蛋白,分別為14.0、15.2和16.6 kDa;20.0～26.0 kDa有2種熱穩(wěn)定性蛋白,分子量分別為20.2和23.4 kDa;26.0～33.0 kDa有5種熱穩(wěn)定性蛋白,分子量分別為26.2、28.1、29.2、30.8和32.4 kDa。這10種熱穩(wěn)定性蛋白在牦牛肉加熱至蛋白質變性后仍然存在。

2.2.2 微波處理后牦牛肉外觀結果 100%功率微波加熱20、25、30 s,80%功率微波加熱30、40、50 s,60%功率微波加熱50、60、70 s的牦牛肉外觀結果見圖4。

圖4 不同微波加熱條件處理后的牦牛肉外觀變化實拍圖Fig.4 Appearance changes of yak meat after microwave heating treatment

由圖4可知,100%功率微波加熱20 s和25 s,80%功率微波加熱30 s和40 s,60%功率微波加熱50 s和60 s的牦牛肉仍有血水,不能食用。因此選擇100%功率微波加熱30 s、80%功率微波加熱50 s、60%功率微波加熱70 s及之后處理條件,以此確定微波加熱處理對牦牛肉肉質的影響。

2.2.3 牦牛肉微波加熱后SDS-PAGE蛋白條帶 牦牛肉微波加熱處理后SDS-PAGE結果見圖5。

圖5 微波加熱處理后SDS-PAGE蛋白條帶Fig.5 SDS-PAGE pattern of sample after microwave heating treatment

由圖5可知,實驗設置的不同微波處理條件均使牦牛肉蛋白質發(fā)生了熱變性。通過Image Lab 5.0軟件分析表明,分子量為14.4～20.0 kDa有3種熱穩(wěn)定性蛋白,20.0～26.0 kDa有2種熱穩(wěn)定性蛋白,26.0～33.0 kDa有5種熱穩(wěn)定性蛋白,分子量分別為14.0、15.2、16.6、20.2、23.4、26.2、28.1、29.2、30.8、32.4 kDa。表明微波加熱處理牦牛肉的蛋白質降解與生成情況與熱水浴處理的一致。這10種熱穩(wěn)定性蛋白是牦牛肉熱處理至蛋白質變性后總是存在的,微波加熱并沒有使原有的蛋白質結構發(fā)生變化,也沒有促使新的蛋白質生成。這與韓忠等[7]研究微波加熱對豬肉蛋白質影響的結論一致。

由圖3和圖5可知,沸水浴處理的牦牛肉至變性時,加熱時間為4.0 min,而微波加熱處理的牦牛肉,即使使用60%功率,處理時間為70 s時也已經變性了。進一步驗證了微波加熱速度快。

2.3 微波加熱處理的牦牛肉加熱損失率及剪切力

微波加熱處理的牦牛肉加熱損失率及剪切力測定結果見表1。

表1 微波加熱處理牦牛肉加熱損失率及剪切力Table 1 Heating loss rate and shear force of yak meat after microwave processing

加熱損失率直接影響到肉的風味、顏色、質地、嫩度等品質,是評定肉質保水性能強弱的重要指標[16]。加熱損失率增加說明牦牛肉的持水性能下降,汁液流失較多,直接關系到產品得率,加熱損失越多,則產品得率越低,損失也就越大[17]。由表1可知,在功率不變的情況下,隨著微波加熱時間的延長,牦牛肉的加熱損失率逐漸增大,100%、80%及60%功率組差異均顯著(p<0.05),微波牦牛肉的加熱損失率均大于對照沸水浴牦牛肉。由均值的多重比較分析結果得出,100%功率與80%、60%功率處理組之間差異顯著(p<0.05),但80%與60%功率處理組之間差異不顯著(p>0.05),80%功率處理組加熱損失率高于60%和100%功率處理組(p<0.05)。這可能是因為80%功率處理組的微波強度和時間組合對牦牛肉肌肉蛋白變性凝固的影響最大,使肉的持水能力變化的最快[18]。微波加熱時間為50 s和60 s時,80%功率處理組牦牛肉的熱損失率均小于100%組;微波加熱時間為70 s和80 s時,60%功率處理組牦牛肉的熱損失率也均小于80%組。這表明相同的加熱時間,低功率微波處理的牦牛肉得率更高;而當使用中高功率加熱時,盡可能選擇短的加熱時間,獲得的牦牛肉得率較高。

剪切力的大小直接與人的口感有關,影響到人們對肉制品最直觀的感覺印象。剪切力可以直接的反映肉制品的柔軟性、易咀嚼性等,通常人們愿意得到咀嚼性好的食物,剪切力越小咀嚼性越好。剪切力值主要受結締組織和肌原纖維蛋白(肌球蛋白和肌動蛋白)的影響[19],長時間微波處理會發(fā)生更大的溶質濃縮和體積的收縮。由表1知,在功率不變的情況下,隨著微波加熱時間的延長,牦牛肉的剪切力值逐漸增大,肉嫩度下降,100%、80%和60%功率組差異均顯著(p<0.05)。且微波牦牛肉的剪切力值均小于對照沸水浴牦牛肉,即牦牛肉經微波處理后,肉的嫩度下降。由均值的多重比較分析結果得出,60%功率與80%、100%功率處理組之間差異顯著(p<0.05),但80%與100%功率處理組之間差異不顯著(p>0.05),60%功率處理組剪切力值高于100%和80%功率處理組(p<0.05)。微波加熱時間為50 s和60 s時,80%功率處理組牦牛肉的剪切力小于100%組;微波加熱時間為70 s和80 s時,60%功率處理組牦牛肉的剪切力小于80%組。這表明相同的加熱時間,低功率微波處理的牦牛肉嫩度更好;而當使用中高功率加熱時,盡可能選擇短的加熱時間,獲得的牦牛肉嫩度較好。

水浴加熱是自外而內的加熱方式,當處于中心位置的蛋白質變性時外部的蛋白質已處于過熱狀態(tài),肌肉收縮更加緊密,故剪切力較大;而微波加熱是內外同時加熱,相對于水浴來說剪切力較小。對于相同的加熱時間,微波加熱的功率越大,肌原纖維的不可逆收縮越迅速,越容易形成緊密的結構[20];對于相同的加熱功率,微波加熱時間越長,牦牛肉溶質濃縮和體積收縮越嚴重,剪切力值越大。微波加熱后牦牛肉的剪切力顯著增加,這可能與牦牛肉的硬度和彈性增加有關[21]。此外,肌肉中肌漿蛋白質,當受熱之后由于蛋白質的凝固作用而使肌肉組織收縮硬化,并失去粘性[22]。

2.4 牦牛肉微觀結構變化

不同加熱處理的牦牛肉顯微結構觀察結果分別見圖6和圖7。

圖6 生牦牛肉和沸水浴加熱4 min 牦牛肉顯微結構圖(10×)Fig.6 Microscopic structure of raw yak meat and boiling water bath heating 4 minutes yak meat(10×)

圖7 微波處理后牦牛肉顯微結構圖(10×)Fig.7 Microscopic structure of yak meat after microwave processing(10×)

肉制品在加工過程中,由于蛋白質變性以及加工過程中肌纖維的各種活動,影響著肉制品的顯微結構,進而使肉制品呈現(xiàn)不同的質地、風味。相較于生牦牛肉來說,牦牛肉經水浴和微波加熱處理,肉的組織結構均發(fā)生了明顯的變化,主要表現(xiàn)為由于肌纖維的收縮而導致肌束間空隙變大,肌束膜和肌內膜受到不同程度的破壞。由圖6和圖7可知,對沸水浴加熱4 min和不同微波功率、不同微波加熱時間的牦牛肉而言,不同熱處理方式對牦牛肉組織結構的影響不同。總體而言,從肌束考慮,微波加熱對牦牛肉肌纖維結構的破壞較沸水浴加熱小,這可能與沸水浴加熱時間長有關。Hsieh報道傳統(tǒng)加熱和微波加熱可以導致牛半鍵肌肌原纖維蛋白的聚集和收縮,加熱后只有Z線清晰可見,并且微波加熱對肉結構的影響小于蒸煮和烤制加熱,蒸煮和烤制加熱導致肌原纖維溶解,而微波加熱后觀察期微觀結構,可觀察到部分的肌原纖維的存在[23]。

100%功率不同微波時間處理后的牦牛肉顯微結構見圖7中a、b、c和d,80%功率不同微波時間處理后的牦牛肉顯微結構見圖7中e、f、g和h,60%功率不同微波時間處理后的牦牛肉顯微結構見圖7中i、j、k和l。對于相同的功率組,隨著微波加熱時間的延長,牦牛肉肌纖維出現(xiàn)了更大程度的間隙和斷裂,肌束變得更加混亂。這說明,微波加熱時間越長,對牦牛肉肌纖維的影響越明顯。這也表明盡管微波加熱是間歇加熱,但本研究選擇的前后兩段加熱時間的間隔跨過了微波的間歇期。

對比c與e、d與f、g與i、h與j的肌纖維及肌束結構,發(fā)現(xiàn)相同的熱處理時間,微波功率越小對牦牛肉肌纖維及肌束的影響越小,進一步證實了熱損失率及剪切力的研究結論。韓忠等[7]研究了微波對牛肉品質的影響,發(fā)現(xiàn)股二頭肌與最長背脊肌相比較而言,經過同樣長時間的微波處理后,股二頭肌的肌纖維要比背脊最長肌的肌纖維結合緊密一些,這是由于肌內膜產生的作用;微波時間為60 s時,局部肌纖維發(fā)生收縮脫水,肌纖維與肌內膜開始分離;微波時間為90 s時,肌纖維進一步收縮,肌內膜結構開始遭破壞,肌纖維之間產生明顯的間距;微波時間為120 s時,肌內膜內出現(xiàn)顆粒化,肌纖維一束束分開,肌纖維之間間隙非常大。微波處理牦牛肉顯微結構圖表明,微波處理功率及加熱時間共同影響著牦牛肉的顯微結構,因此,為了保證牦牛肉的口感,易于咀嚼,應選擇相對較高的微波功率,可獲得質地較好的產品。

3 結論

微波爐內不同位置熱效率不同;通過SDS-PAGE法對牦牛肉的變性條件實驗,設置的不同微波處理條件均使牦牛肉蛋白質發(fā)生了熱變性,微波加熱處理的牦牛肉的蛋白質降解與生成情況與對照組熱水浴處理的一致,存在10種熱穩(wěn)定性蛋白,微波加熱沒有促使新的蛋白質生成;微波加熱相對于沸水浴加熱,速度快。

在功率不變的情況下,隨著微波加熱時間的延長,牦牛肉的加熱損失率、剪切力均增大;牦牛肉肌纖維出現(xiàn)了更大程度的斷裂,肌束間空隙變大,肌束變得更加混亂。采用微波加熱對牦牛肉進行熱處理,對于相同的加熱時間,低功率微波處理的牦牛肉得率及嫩度更好;而當使用中高功率加熱時,盡可能選擇短的加熱時間,獲得的牦牛肉得率及嫩度均較好。

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