饒偉麗 魏相茹 王振宇 潘 騰 陳炳輝 張德權

(1 中國農業(yè)科學院農產品加工研究所/農業(yè)農村部農產品加工重點實驗室,北京 100193；2輔仁大學食品科學系,中國 臺灣 24205)

熱風干是目前風干肉加工采用的主要風干方式[1-2],但低溫(35℃)熱風干時風干時間長、能耗高[3-4]。 因此,非常有必要研究35℃低溫熱風干下的水分遷移機理,從而為縮短加工時間,降低生產能耗提供新思路。

19 世紀末20 世紀初,國內外學者初步明確了低場核磁共振中弛豫吸收峰對應肉中水分的存在形式及其空間位置,并在近年來開始運用低場核磁共振來研究加工過程中水分存在形式的改變[5-6]。 研究學者使用氫質子低場核磁共振技術(1H Low Field Nuclear Magnetic Resonance,1HLF-NMR)對生鮮肉中水分的分布和遷移進行了廣泛研究,認識到LF-NMR 的檢測信號不僅包含肉中水分的存在形式及其相互轉換,還包含蛋白質與水分相互作用的信息[7-10]。 如Bertram等[8]發(fā)現(xiàn)LF-NMR 可以很好地預測豬肉加工過程中產品的保水性；McDonnell 等[9]、Liu 等[10]的研究結果同樣表明,LF-NMR 可以很好地檢測豬肉在腌制過程中肉中蛋白質對水分的保持能力,并發(fā)現(xiàn)橫向弛豫時間T2和保水性顯著相關。 但目前1HLF-NMR 用于風干過程中水分遷移的案例較鮮見[11-12]。 因此,本試驗利用1HLF-NMR 研究了低溫(35℃)熱風干中水分的狀態(tài)和遷移及水-蛋白的相互作用,初步解析風干過程中水分遷移機制,以期為調控風干過程中水分遷移速度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小尾寒羊和德美肉羊雜交8月齡公羊,內蒙古草原宏寶有限公司；石英砂(分析純),上海滬試實驗室器材股份有限公司；乙醇(75%),上海滬試實驗室器材股份有限公司。

1.2 主要儀器與設備

D/GDWJB-100L 風干箱,上海典和實驗儀器廠；NMR-2011 低場核磁共振儀,上海紐邁電子科技有限公司；DH-101 烘干箱,天津中環(huán)實驗儀器有限公司；Digital Thermometer TP-3001,天津Cheerman 科技有限公司；FCR1000-UF-E 超純水機,青島富勒姆科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料肉處理 選取小尾寒羊和德美肉羊雜交8月齡公羊6 只,清真屠宰后取后腿米龍,放于自封袋(2 300 mL O2·m-2·24 h-1,0℃)中,冰箱中7℃排酸。排酸至宰后24 h 時,把每個米龍肉順纖維切成2 cm×2 cm×7 cm 的8 個肉條,放于4℃冰溫箱中至宰后48 h時,再放入風干箱進行風干。

1.3.2 熱風干處理 采用溫度35±0.5℃、濕度60%±2%的風干箱進行低溫熱風干,風速為3 m·s-1。 把肉條穿到曲別針上,保持肉條垂直,風干總時長為600 min,且分別于風干100、200、300、400、500、600 min 時取出每只羊的1 個肉條,用于測定樣品的氫質子低場核磁共振波譜圖。

1.3.3 風干肉氫質子低場核磁共振波譜的測量 用取樣器取出風干肉的內部,取樣器的直徑為風干肉橫截面直徑的一半,然后分別對內部和外部進行氫質子低場核磁共振波譜測定。 測量參數(shù)為：磁場強度0.5 T、主頻23 MHz、偏移頻率286.781 3 kHz；90°脈沖時間17 μs、180°脈沖時間35 μs；采樣點數(shù)54 996,重復時間3 000 ms,累加次數(shù)4 次,回波數(shù)2 000,核磁管直徑60 mm。 利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill 脈沖序列測定樣品中的橫向弛豫時間T2。 樣品的氫質子低場核磁共振波譜圖的信號強度除以樣品的干物質重為最終氫質子低場核磁共振波譜圖。

1.3.4 風干肉水分含量的測定 取3 g 左右已被絞碎的原料肉或風干肉,加入10 g 石英砂和5 mL 乙醇,攪拌均勻后于103℃烘箱中烘干20 h。 按照公式計算樣品的水分含量：

1.3.5 風干肉表面和中心溫度的測量 將熱電偶插到肉條的表皮和中心,放到風干箱中固定好,熱電偶對表皮和中心的溫度每隔2 min 記錄一次。

1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 應用統(tǒng)計分析系統(tǒng)(statistic analysis system,SAS)對數(shù)據(jù)進行分析。 每試驗設立3個重復。 不同風干時間的樣品間差異用單因素方差分析,顯著水平0.05,數(shù)據(jù)以平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 風干過程中風干肉內外部水分的存在形式

由圖1可知,風干過程中風干肉內部和外部的氫質子低場核磁共振T2在1～1 000 ms 的弛豫時間內均分布有3 個峰。 按照Pearce 等[13]學者的理論,這3 個峰分別對應風干肉中3 種存在形式的水：第1 個峰為與大分子緊密結合的水—結合水(T2b),弛豫時間在1～7 ms 之間；第2 個峰為肌原纖維中的水—不易流動水(T21),弛豫時間在40～50 ms 之間；第3 個峰為肌原纖維網絡外水—自由水(T22),弛豫時間在280 ～340 ms 之間[13-14]。 該研究結果與Bertram 等[8,15]的研究結果相似。

2.2 風干過程中風干肉內外部的結合水(T2b)變化

T2b的變化是風干過程中水-肉蛋白相互作用發(fā)生改變的直接結果[7,16]。 因為水分和蛋白質中的質子可以相互交換,且這種交換受到蛋白質變性和聚集的影響[17-18]。 研究證實,隨著蛋白質中水分含量的增加,蛋白質的α-螺旋和β-轉角含量增加,β-折疊含量下降,這會導致分子內氫鍵強度減弱,會使蛋白質表面的質子更容易與水中的質子進行交換[19],最終影響T2b的弛豫時間和吸收面積。 由表1可知,風干過程中風干肉內部的T2b峰頂點時間沒有顯著變化；風干肉內部的T2b峰面積呈逐漸升高趨勢,結合水含量在風干500 min 時升高,但無顯著差異。 由表2可知,當風干時間超過400 min 后,風干肉外部的T2b峰頂點時間顯著下降；當風干時間超過200 min 后,風干肉外部的T2b峰面積顯著升高,并于風干500 min 時達到最大值38.82,表明風干過程中風干肉內部和外部中水-蛋白相互作用不同,這可能是外部水分脫除快,水-蛋白相互作用變化更劇烈導致的。

2.3 風干過程中風干肉內外部的不易流動水(T21)變化

由圖1可知,與內部相比,風干過程中風干肉外部的T21弛豫隨著風干時間的延長,峰變寬,這主要是由于風干肉在風干過程中內外部水-蛋白相互作用多樣化導致的。 風干過程中水分由外向內脫除(圖2),風干肉表面水分快速脫除形成一層硬殼,而接近硬殼部位的水分含量還保持較高水平,在本試驗的取樣過程中,外部包含硬殼和接近硬殼部分,水分含量不均勻,造成水-蛋白相互作用多樣化[20]。

由表1、2 可知,風干過程中風干肉、內外部的不易流動水(T21) 變化不同。 隨著風干時間的延長,

圖1 風干過程中風干肉內部和外部弛豫時間T2 的變化Fig.1 Distribution of LF-NMR T2 relaxation of inner and external part of dried meat during air drying

表1 風干過程中風干肉內部弛豫時間T2 的峰頂點時間和峰面積Table1 The relaxation times and area of all water populations of T2 of inner part of dried meat

風干肉內部的T21峰頂點時間呈下降趨勢,并在風干600 min 時達到最低；風干肉內部的T21峰面積逐漸下降,400 min 時略有上升,隨后下降并在風干結束時達到最小值398.60。 而風干肉外部,當風干時間達到500 min 時,風干肉外部的T21峰頂點時間下降明顯,但無顯著差異；當風干時間超過200 min,風干肉外部T21峰面積就顯著降低,并于風干結束時達到最小值226.64。

2.4 風干過程中風干肉內外部的自由水(T22)變化

由表1可知,風干過程中風干肉內部的T22峰頂點時間和峰面積均沒有顯著變化。 由表2可知,風干肉外部的T22峰頂點時間隨著風干時間的延長呈下降趨勢,在風干500 min 時,不易流動水含量降低明顯,但無顯著差異；風干肉外部的T22峰面積呈先長高后下降的趨勢,在風干600 min 時達到最低。 按照Pearce等[13]的理論,T22峰面積的減小表明風干肉外部中自由水在風干后期顯著減??；同時T22峰頂點時間的顯著下降表明肌原纖維外的空間減小,這符合實際風干中風干肉發(fā)生纖維橫向收縮的現(xiàn)象。

表2 風干過程中風干肉外部弛豫時間T2 的峰頂點時間和峰面積Table2 The relaxation times and area of all water populations of T2 of external part of dried meat

2.5 風干過程中風干肉中心和表皮水分含量的變化

由圖2可知,風干100 min 時,風干肉中心水分含量略低于表皮,隨著風干時間的延長,風干肉表皮的水分含量顯著下降,而風干肉中心的水分含量下降緩慢,造成風干肉從內到外的水分梯度。 35℃風干過程中,風干肉表面的水分快速脫除,而內部的水分遷移慢,造成了表面硬殼的形成。

圖2 風干過程中風干肉中心和表皮水分含量的變化Fig.2 Moisture content of inner and external part of dried meat during air drying

2.6 風干過程中風干肉表皮和中心溫度變化

由圖3可知,風干肉內部起始溫度低于表皮溫度,隨著風干時間的延長,與表皮相比,風干肉中心溫度快速上升,且逐漸趨于平衡,這是由于加熱介質將熱量傳給風干肉表面,風干肉本身又將熱量以傳導形式傳向肉中心,形成自中心向外的溫度梯度,導致水分從高到低傳遞,這符合傳質傳熱規(guī)律。

圖3 風干過程中風干肉表皮和中心溫度Fig.3 Temperature of inner and external part of dried meat during air drying

3 討論

本研究結果表明,風干過程中風干肉氫質子低場核磁共振T2在1～1 000 ms 的弛豫時間內分布有3 個峰,分別對應存在于風干肉中的3 種形式的水,即大分子緊密結合的水—結合水(T2b)、肌纖維中的水—不易流動水(T21)和肌纖維網絡外水—自由水(T22)[13,21]。在風干過程中,這3 種狀態(tài)水分的弛豫時間均顯著降低。 本研究中,T2b和T22的峰頂點弛豫時間大于Bertram 等[15]在生鮮肉研究中的峰頂點弛豫時間(T2b的峰頂點時間在0 ～4 ms 范圍內,T22的峰頂點時間在140～350 ms 范圍內),這是因為T2的弛豫時間受很多因素的影響[22],如冷凍方式(液氮冷凍、鼓風冷凍和小型凍結間冷凍)、冷凍條件(-10 或-20℃冷凍5 d、8 d或18 周)等[23-24]。 因此,本試驗中風干肉T2b和T22的峰頂點弛豫時間大于前人研究[15]結果,這可能是由于本研究中使用的原料肉是經解凍后風干,原料肉存在差異。

在風干過程中由于肌球蛋白頭部發(fā)生變性,肌原纖維蛋白表面疏水性增加,溶解性降低,導致水-肌原纖維蛋白相互作用減弱,這是風干過程中不易流動水向自由水遷移的一個重要因素。 Pearce 等[13]學者認為,在生鮮肉中T21時間常數(shù)的變化意味著肌纖維內空間的改變,而T22時間常數(shù)表示肌纖維膜和肌纖維外空間的變化,即T21時間的增加表示肌纖維之間空間的增加或者肌節(jié)的縮短,T22時間的增加表示肌纖維外區(qū)域空間的增加。 本研究結果表明,T2分布的峰面積同樣受水-蛋白相互作用的影響。 在生鮮肉的研究中,大都認為是肌原纖維內質子(基本上是水,還有部分脂肪,本試驗中脂肪不會引起質子數(shù)量的變化)數(shù)量的增加導致T21吸收強度或峰面積的增加[25-26]；肌原纖維外質子數(shù)量的增加導致T22吸收強度或峰面積的增加[27]；蛋白大分子表面緊密結合的質子數(shù)量的增加導致T2b吸收強度或峰面積的增加[28]。 但以上并不能很好地解釋本研究的結果。 本研究中,當水分含量從65%下降至60%時,風干肉T21、T2b和T22的峰面積均未顯著降低。 因此,可認為除受樣品中水分含量的影響外,風干肉的T2吸收強度或峰面積還受到水-蛋白相互作用的影響。 但是,風干肉中的蛋白質在風干過程中變性程度如何,以及對水合能力有何影響,仍有待進一步研究。

4 結論

低場核磁共振波譜T2的弛豫時間和信號強度改變,表明風干肉35℃風干過程中水-蛋白相互作用模式發(fā)生了改變,這是水分遷移速度變化的重要原因。相比于內部,風干肉外部的水分更容易脫除,水-蛋白相互作用模式多樣。 35℃風干過程中風干肉表面的水分快速脫除,而內部的水分遷移慢,造成了表面硬殼的形成,硬殼中結締組織的收縮很可能是肌纖維間孔隙減小的原因。 此外,風干肉收縮導致內部孔隙直徑減小,會影響風干過程中水分的遷移。 本研究為調控風干過程中水分遷移速度,實現(xiàn)風干肉工業(yè)化加工提供了理論依據(jù)。