牛肉加熱過(guò)程中水分遷移規(guī)律研究

朱瑩瑩，張 麗，汝 驊，石學(xué)彬，楊培強(qiáng)

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué)食品營(yíng)養(yǎng)與檢測(cè)系，食品營(yíng)養(yǎng)與安全中心，蘇州市大學(xué)生營(yíng)養(yǎng)與健康促進(jìn)基地，江蘇 蘇州 215104；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，國(guó)家肉品質(zhì)量安全控制工程研究中心，江蘇 南京 210095；3.蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，江蘇 蘇州 215151）

牛肉富含蛋白質(zhì)和微量元素，其氨基酸組成比例合理，有利于人體消化吸收，是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的肉類(lèi)食品[1]。在中國(guó)人的飲食習(xí)慣中，肉類(lèi)食品食用前通常要進(jìn)行高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱。加熱會(huì)改變?nèi)忸?lèi)食品的物理狀態(tài)，使其更易被消化，同時(shí)可改善口感，保證肉品的安全食用[2]。加熱是牛肉加工過(guò)程中的重要步驟，隨著社會(huì)的進(jìn)步，消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注食品的品質(zhì)和加熱過(guò)程中牛肉的口感以及食用品質(zhì)變化，尤其是嫩度變化[3]。肉制品中水分含量占比高，受加熱因素影響大，肉中的水分主要包括細(xì)胞外受束縛作用最小的自由水、肌纖維組織間的不易流動(dòng)水以及存在于細(xì)胞間與蛋白質(zhì)等大分子結(jié)合的結(jié)合水[4]。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一種新型、快速、無(wú)損分析檢測(cè)技術(shù)，其原理是通過(guò)測(cè)定食品中氫原子核在磁場(chǎng)中的弛豫特性來(lái)確定食品中水分的不同狀態(tài)，可用于研究樣品的物性。低場(chǎng)核磁共振及成像技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品內(nèi)部水分的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)獲得樣品內(nèi)部可視化圖像信息。肉品內(nèi)部的水分狀態(tài)及組成會(huì)直接影響肉及其制品的產(chǎn)率、品質(zhì)、口感及嫩度等，其品質(zhì)指標(biāo)與核磁的弛豫信號(hào)間存在相關(guān)性[5-8]。近年來(lái)，LF-NMR技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于肉品科學(xué)領(lǐng)域[9]，如凍融過(guò)程中羊肉持水力的變化[10]、肌原纖維凝膠的保水性及其水分含量變化[11]。對(duì)于加工或儲(chǔ)藏過(guò)程中肉制品內(nèi)部的水分變化，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)一般采用檢測(cè)蒸煮損失（Cooking loss）、滴水損失（Drip loss）等表觀指標(biāo)，這些指標(biāo)雖然可以體現(xiàn)肉制品內(nèi)部水分在量上的變化，但很難準(zhǔn)確地分析出肉及肉制品內(nèi)部水分組成及水分狀態(tài)的變化，而LF-NMR 技術(shù)則可以快速、無(wú)損、直觀地檢測(cè)出肉及肉制品內(nèi)部水分狀態(tài)及水分組成的變化規(guī)律[12-14]。

利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)研究牛肉加工過(guò)程中的水分變化已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[15-16]，但對(duì)牛肉受熱過(guò)程中的水分動(dòng)態(tài)變化研究較少。本研究采用隔水蒸煮的方式加熱牛肉，以牛肉樣品內(nèi)部溫度達(dá)到70 ℃為加熱終點(diǎn)，每隔一段時(shí)間采集一次樣品，應(yīng)用LF-NMR 技術(shù)分析隔水加熱過(guò)程中牛肉樣品內(nèi)部的水分動(dòng)態(tài)變化，包括T2弛豫譜和MRI 成像，以期為L(zhǎng)F-NMR 技術(shù)用于熟肉制品加工過(guò)程中水分分布、品質(zhì)檢測(cè)、口感變化等相關(guān)研究提供理論參考和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

牛肉：黃牛肉，購(gòu)于蘇州工業(yè)園區(qū)山姆會(huì)員店。

1.1.2 儀器與設(shè)備

HH-6 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，邦西儀器科技（上海）有限公司；TA-XT2i 型質(zhì)構(gòu)儀，英國(guó)Stable Microsystem公司；MesoMR23-060H-I 型低場(chǎng)核磁共振分析儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；FB224 型電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 牛肉樣品預(yù)處理

選取黃牛肉后腿肉，切成規(guī)格為2 cm×2 cm×2 cm大小、形狀相近的正方體，質(zhì)量為（6.98±0.89）g，放入蒸煮袋中，分成兩部分，置于100 ℃水浴中加熱，每隔7 min 采集一次樣品，共采集5 次（0、7、14、21、28 min），冷卻至室溫，一部分用于T2弛豫譜的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，一部分用于牛肉剪切力的測(cè)定。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.2.1 蒸煮損失

先將切分好的牛肉樣進(jìn)行稱(chēng)重，記為W1，水浴加熱后用濾紙吸去表面汁液，冷卻至室溫，取樣稱(chēng)重，記為W2，蒸煮損失計(jì)算如公式（1）所示。

式中：W為蒸煮損失，%；W1為煮制前肉樣的質(zhì)量，g；W2為煮制后肉樣質(zhì)量，g。

1.2.2.2 剪切力

對(duì)不同加熱時(shí)間處理的牛肉樣品的剪切力進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試方法為：將不同加熱時(shí)間收集到的目標(biāo)肉樣置于80 ℃水浴鍋中，水浴加熱至肉的中心溫度達(dá)到70 ℃，維持30 min，取出后冷卻至室溫。用1.27 cm 的圓形取樣器順肌纖維平行方向取被測(cè)試直徑樣，將樣品放在檢測(cè)儀器上，至肉樣被完全切斷時(shí)停止，記錄牛肉的剪切力值，每組選取3 個(gè)樣品，重復(fù)測(cè)定3 次，結(jié)果取平均值。

1.2.2.3 LF-NMR 測(cè)定

儀器共振頻率23.40 MHz，磁體強(qiáng)度0.55 T，線(xiàn)圈直徑為25 mm，磁體溫度32 ℃。

T2測(cè)試條件為：SFO1（MHz）= 23.400 MHz，P1=15 μs，P2= 35.04 μs，TW= 3 000 ms，TE= 0.15 ms，NECH=5 000，NS=2，PRG=1。試驗(yàn)溫度22.5 ℃，相對(duì)濕度28.5%。

使用核磁共振分析測(cè)量軟件及CPMG 序列采集樣品橫向弛豫信號(hào)，采用SIRT 100000 進(jìn)行反演，得到牛肉樣品的橫向弛豫圖譜。

1.2.2.4 MRI 成像

設(shè)置磁體強(qiáng)度0.5 T，磁體溫度32 ℃，質(zhì)子共振頻率23.2 MHz。將牛肉樣品放入射頻線(xiàn)圈的中心位置，進(jìn)行信號(hào)采集，獲得牛肉樣品的T2加權(quán)成像，使用圖像處理軟件對(duì)采集到的MRI 圖像進(jìn)行統(tǒng)一映射和偽彩處理。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)使用SAS 9.2 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）和Duncan’s多重比較進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用皮爾遜相關(guān)性分析對(duì)核磁數(shù)據(jù)（弛豫時(shí)間和峰面積）、蒸煮損失及剪切力等相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 加熱時(shí)間對(duì)牛肉品質(zhì)指標(biāo)的影響

由圖1A 可知，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，牛肉的蒸煮損失呈上升趨勢(shì)。在牛肉加熱初期，牛肉的蒸煮損失顯著上升（P＜0.05），之后變得較為緩慢。這可能因?yàn)樵诩訜徇^(guò)程中，牛肉的肌肉纖維發(fā)生收縮、體積變小，造成牛肉內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，肌肉失水、汁液流出，從而導(dǎo)致牛肉加熱過(guò)程中蒸煮損失變大[17]。

牛肉嫩度是牛肉食用品質(zhì)的重要指標(biāo)，可以通過(guò)剪切力的大小來(lái)反映。牛肉的剪切力大小與其嫩度成反比，即牛肉剪切力越大，嫩度越小。由圖1B 可知，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，牛肉的剪切力呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明牛肉的嫩度下降，這可能是由于加熱使肌肉肌原纖維變性聚集收縮引起[18]，同時(shí)牛肉放在蒸煮袋中，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，牛肉失水越來(lái)越多，肌肉收縮導(dǎo)致肌纖維對(duì)外的抵抗力增加，牛肉肌肉硬度變大，嫩度降低[19]。

圖1 加熱時(shí)間對(duì)牛肉蒸煮損失及剪切力的影響Fig.1 Effects of different heating times on cooking loss and shear force of beef

2.2 T2 弛豫特性

利用LF-NMR 技術(shù)測(cè)定牛肉的T2弛豫特性，T2橫向弛豫時(shí)間通常用來(lái)反映肉與肉制品的持水特性，根據(jù)T2弛豫時(shí)間的不同，可以很容易地區(qū)分肉與肉制品內(nèi)部不同狀態(tài)的水分分布[9]。因此，可通過(guò)檢測(cè)牛肉T2弛豫特性的變化來(lái)反映加熱過(guò)程中牛肉內(nèi)部水分結(jié)合狀態(tài)的變化規(guī)律。

反演后的測(cè)試結(jié)果顯示有4 個(gè)峰，包括T2b（0.16～0.22 ms）、T21（3.65～5.94 ms）、T22（27.36～58.73 ms）、T23（155.22～471.38 ms），根據(jù)出峰時(shí)間可認(rèn)為，4 個(gè)峰代表了牛肉在加熱過(guò)程中水分的3 種不同存在狀態(tài)：結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水。其中T2b被認(rèn)為是與牛肉蛋白分子結(jié)合的強(qiáng)結(jié)合水，T21表示弱結(jié)合水[20-21]，T22代表不易流動(dòng)水，T23代表自由水。

圖2 為不同蒸煮時(shí)間下牛肉的CPMG 序列回波峰點(diǎn)圖。由圖2 可知，牛肉樣品因受熱時(shí)間不同，內(nèi)部水分組成不同，產(chǎn)生的信號(hào)大小不同，衰減速度也不同。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，牛肉成熟度增加，肉品內(nèi)部水分逐漸減少，產(chǎn)生的NMR 信號(hào)逐漸減弱，衰減速度逐漸加快。

圖2 不同蒸煮時(shí)間下牛肉的CPMG 序列回波峰點(diǎn)圖Fig.2 CPMG decay curves of beef samples at different heating time

圖3 為不同加熱時(shí)間下牛肉的T2弛豫時(shí)間圖譜。由圖3 可知，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，T22的峰面積均呈減小趨勢(shì)，在加熱初期其下降速度較快，之后下降速度趨于平緩。同時(shí)，生肉中T21和T22的兩個(gè)峰可以完全分開(kāi)，加熱以后，T21、T22、T23不能完全分開(kāi)，尤其是在加熱14 min 以后。

由表1 可知，加熱時(shí)間對(duì)弱結(jié)合水（T21）、不易流動(dòng)水（T22）和自由水（T23）均有較大的影響，T22和T23向快弛豫方向移動(dòng)，且變化顯著（P＜0.05），這可能是因?yàn)檎糁髸r(shí)間的延長(zhǎng)使牛肉肌原纖維蛋白凝膠微觀結(jié)構(gòu)更細(xì)密，導(dǎo)致凝膠內(nèi)部水質(zhì)子移動(dòng)性變差，從而直觀地呈現(xiàn)出T2弛豫時(shí)間變短[22-23]。結(jié)合水T21向慢弛豫方向移動(dòng)，但差異不顯著，可能是因?yàn)榻Y(jié)合水存在于細(xì)胞內(nèi)部，由分子間作用力將其束縛，很難通過(guò)加熱方式使其發(fā)生改變[24]。

圖3 不同蒸煮時(shí)間下牛肉的T2 橫向弛豫時(shí)間變化Fig.3 Changes of T2 relaxation curves for beef at different heating time

表1 加熱過(guò)程中T2 橫向弛豫時(shí)間的變化規(guī)律Table 1 The variation of T2 transverse relaxation time during heating

由圖4 可知，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，牛肉內(nèi)部結(jié)合水和自由水的占比增加，不易流動(dòng)水比例相對(duì)減少（P＜0.05），這是因?yàn)榧訜釋?dǎo)致牛肉內(nèi)部肌原纖維和結(jié)締組織收縮，阻止了牛肉肌肉纖維中的不易流動(dòng)水流失，形成自由水，同時(shí)加熱使得牛肉膠原蛋白變性，肌漿蛋白膨脹并形成凝膠，從核磁數(shù)據(jù)上直接反應(yīng)出牛肉內(nèi)部結(jié)合水和自由水峰面積占比增加；同時(shí)隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，破壞了牛肉內(nèi)部水分子與蛋白質(zhì)等大分子之間結(jié)合的氫鍵，導(dǎo)致肌肉纖維外部空間變大，從而可以容納更多的自由水[25]。

圖4 不同蒸煮時(shí)間下牛肉的T2 峰面積組成變化Fig.4 Peak area percentage of T2 relaxation components of beef at different heating time

2.3 MRI 圖像

核磁信號(hào)強(qiáng)度與樣品內(nèi)部的氫質(zhì)子有關(guān)，MRI 成像是通過(guò)選擇合適的脈沖序列得到回波信號(hào)，將樣品的各個(gè)體素信號(hào)與圖像上的各個(gè)像素一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)樣品截面上不同點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度的差異，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，信號(hào)大的像素亮度大，信號(hào)小的像素亮度小，再將這些像素組合起來(lái)得到MRI 圖像[26]。牛肉內(nèi)部含有大量水分，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，牛肉內(nèi)部水分逐漸降低，核磁信號(hào)量逐漸減小。因此，可以通過(guò)核磁成像直接反映出牛肉加熱過(guò)程中水分的變化情況。利用核磁成像處理軟件對(duì)采集到的MRI 圖像進(jìn)行統(tǒng)一映射和偽彩處理，得到不同加熱時(shí)間處理下牛肉的MRI 偽彩（圖5）。圖像越紅，表明信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，含水量越多；反之，圖像越藍(lán)，表明信號(hào)強(qiáng)度越弱，含水量越少。新鮮牛肉中的水含量較多，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，其核磁圖像由紅色、黃色逐漸變?yōu)榍嗌⑺{(lán)色。加熱時(shí)間為7 min 時(shí)，牛肉的水分含量下降最快，之后圖片逐漸變藍(lán)的趨勢(shì)減緩，說(shuō)明在最初加熱的7 min內(nèi)牛肉內(nèi)部的水分大量減少，從而在圖像上直觀地表現(xiàn)為紅色、黃色的減弱。

圖5 不同加熱時(shí)間下牛肉的MRI 圖像Fig.5 T2 weighted MRI images of beef at different heating time

2.4 相關(guān)性分析

本試驗(yàn)研究了加熱過(guò)程中牛肉的蒸煮損失、剪切力和水分分布變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，牛肉的蒸煮損失逐漸增大，剪切力也隨之增大，牛肉內(nèi)部水分相態(tài)也發(fā)生了較大的變化，這可能與牛肉加熱過(guò)程中內(nèi)部水分狀態(tài)分布的變化、肌原纖維、結(jié)締組織、膠原蛋白變性以及肌原纖維蛋白的凝膠特性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)[27-28]。

因此，本研究對(duì)加熱過(guò)程中牛肉的蒸煮損失、剪切力以及核磁指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明：加熱過(guò)程中，T21與牛肉的蒸煮損失呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），T22與牛肉的蒸煮損失、剪切力均呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），T22峰面積占比與T2b、牛肉的蒸煮損失、剪切力均呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），這也說(shuō)明牛肉內(nèi)部肌原纖維因加熱發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致水分組成也會(huì)改變。

表2 加熱失水過(guò)程中牛肉各指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analyses of index of beef during heating

3 結(jié)論

采用隔水蒸煮的方式加熱牛肉，牛肉內(nèi)部的水分發(fā)布發(fā)生了顯著變化。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，蒸煮損失呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，剪切力逐漸增大，T2弛豫時(shí)間逐漸變短，結(jié)合水T21、自由水T23峰面積占比逐漸增加，不易流動(dòng)水T22峰面積占比逐漸降低。核磁成像結(jié)果顯示：隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，圖像的亮度逐漸減弱，說(shuō)明加熱會(huì)降低牛肉內(nèi)部的水分含量，同時(shí)改變水分組成和分布。在加熱過(guò)程中，T21與牛肉的蒸煮損失呈顯著正相關(guān)，T22與牛肉的蒸煮損失、剪切力呈顯著負(fù)相關(guān)，T22峰比例與牛肉的蒸煮損失、剪切力呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，加熱處理對(duì)牛肉內(nèi)部的水分分布、水分相態(tài)以及牛肉的質(zhì)構(gòu)特性產(chǎn)生顯著影響，且存在相關(guān)性，可以通過(guò)研究牛肉加熱過(guò)程中的水分狀態(tài)變化來(lái)確定牛肉品質(zhì)變化。