脈動壓力對新疆風干牛肉腌制過程傳質動力參數影響

吳師師,李宇輝,郭安民,劉成江,韓冬印,王俊鋼,*,李應彪,*

(1.石河子大學食品學院,新疆石河子 832000;2.新疆農墾科學院農產品加工研究所,新疆石河子 832000;3.新疆農墾科學院農產品加工重點實驗室,新疆石河子 832000;4. 新疆雨潤食品有限責任公司,新疆石河子 832000)

風干牛肉是將新鮮牛肉經過腌制,然后自然涼干的牛肉制品[1]。新疆哈薩克牧民制作風干牛肉時,牛屠宰后直接將肉分割,放在整張牛皮之上,加鹽拌勻后自然腌制,腌制時間較長且環境衛生條件不能保證。傳統方法加工風干肉仍存在一些問題,限制了工業化生產[2]。腌制分為干腌和濕腌兩種,相比干腌,濕腌食鹽分布均勻、含水量豐富,原理是利用物質擴散和水分滲透共同作用,使腌制液中溶質通過滲透作用進入肌肉組織內部、提高物料本身含鹽量,直至原料內外溶液濃度達到動態平衡的加工方法。經腌制的肉在鹽的作用下風味、色澤和品質都得到了提升,且便于貯藏。研究發現,濕腌不僅與高壓[3]、超聲[4]、滾揉[5]及真空[6]等外在壓迫作用有關,而且受腌制液種類[7]、溫度[8]和濃度[9]等因素的影響。

脈動壓力腌制技術通過將牛肉放置在一個壓力容器內,采用空壓機對壓力容器施加壓力,一定時間后通過電磁閥卸壓,如此往復為一個壓力循環周期。據國內學者報道將該技術應用在咸雞蛋、豬肉、果脯等,可以有效提高腌制效率,且能提高產品品質[1013],減少營養成分下降和鹽溶性蛋白的流失。

本研究前期已對脈動壓力腌制牛肉的工藝做了預實驗[12],確定了最佳的腌制參數,但對腌制過程中的傳質動力學過程還不明確。本文選擇牛肉為研究對象,分析脈動壓力條件下,高壓壓力對風干牛肉腌制過程中的傳質動力學和品質變化的影響,探討脈動壓腌制風干牛肉的鹽分傳質規律,建立脈動壓力條件下牛肉的腌制動力學模型,為風干牛肉工業化生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

新鮮牛后腿肉、精制食鹽、香辛料(丁香、八角、肉蔻、白芷、花椒、干辣椒) 新疆石河子市天揚美好超市；KCl、MgCl2天津永晟精細化工有限公司；乙二醇雙(2氨基乙基醚)四乙酸(EGTA) 合肥博美生物科技有限責任公司；二硫蘇糖醇(LDTT) 廣東翁江化學試劑有限公司；K2HPO4、KH2PO4天津市福晨化學試劑廠；疊氮化鈉(NaN3) 東陽市天宇化工有限公司；R250考馬斯亮藍 上海寶曼生物科技有限公司；冰醋酸 黃驊市鵬發化工有限公司；丙烯酰胺 青島雅各化學試劑銷售有限公司；三甲醇氨基甲烷(Tris) 北京索萊寶科技有限公司；鹽酸 永清縣永飛化學試劑有限公司；十二烷基硫酸鈉(SDS) 百靈威科技有限公司；過硫酸銨、四甲基乙二胺(TEMED) 上海麥克林生化科技有限公司；5%濃縮膠(0.003 mL TEMED+0.03 mL 10%過硫酸銨+0.03 mL 10% SDS+0.38 mL 1.0 mol/mL TrisHCl(pH6.8)+0.5 mL 30%丙烯酰胺單體貯藏液+2.1 mL蒸餾水)、10%分離膠(0.004 mL TEMED+0.1 mL 10%過硫酸銨+0.1 mL 10% SDS+2.5 mL 1.5 mol/mL TrisHCl(pH8.8)+3.3 mL 30%丙烯酰胺單體貯藏液+4.0 mL蒸餾水)。

SG5401A型磁力攪拌器 上海碩光電子科技有限公司;JJ2型組織搗碎機 常州億通分析儀器制造有限公司;TA.XT2i質構儀 英國Stable Microsystem公司;HH6恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司;DW25W518冰箱 河南新飛電器有限公司;Avanti J301冷凍離心機 美國貝克曼庫爾特公司;TGL16 C臺式高速離心機 上海安亭科學儀器廠;KO200VDE型雙頻數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

脈動壓設備 由中國農業大學工學院高振江教授設計,石河子市楊氏不銹鋼設備制造公司生產,如圖1所示。該設備屬于實驗室中試設備,主要部件由三部分構成(罐體、無油空氣壓縮機以及自動控制系統,由林海教授設計制作)。實驗過程中的各個參數(高壓壓力、高壓保持時間、常壓保持時間、腌制總時間)都可以在自動控制系統中自行設置,并能夠實現自動控制。

圖1 脈動壓腌制風干牛肉實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a device for processing salted drycured beef under pulse pressure注：1：空氣壓縮機；2：壓力容器(腌制室)；3：加壓電磁閥；4：卸壓電磁閥；5：壓力變送器；6：安全閥：7：控制器。

1.2 實驗方法

1.2.1 腌制液配制 在質量分數為6.5%食鹽水中添加丁香0.25%、八角1.25%、肉蔻0.44%、白芷0.25%、花椒1.25%、干辣椒1.25%,熬煮30 min,然后加入滅菌水恒定容積,冷卻備用。

1.2.2 風干牛肉腌制工藝 選肉→檢驗(有無雜質,病變等)→清洗→切條(將新鮮牛肉剔除筋膜和脂肪,分割成5 cm×5 cm×20 cm條狀)→放置于腌制罐→注入已經配制好的腌漬液→脈動壓力腌制→抽樣檢驗

操作要點:將新鮮牛肉清洗干凈,放入腌制罐中,之后倒入先前已經配制好的腌制液,按照物料和腌制液1∶1倒入腌制罐,將腌制灌密封好后設置自動控制系統中的各項參數,開啟設備開始腌制。

1.2.3 腌制條件選擇 腌制過程選擇常溫腌制[12],其中高壓保持時間為5 min,常壓保持時間20 min,常壓壓力為大氣壓,高壓壓力分別為100 kPa(A組);120 kPa(B組);140 kPa(C組);160 kPa(D組);180 kPa(E組)。腌制總時間為36 h。

1.2.4 水分、鹽分和總質量指標的測定 水分含量變化量根據GB 5009.32016測定[14];食鹽含量變化量根據GB/T 5009.442016測定[15];總質量用稱量法。用吸水紙小心吸干樣品表面水分,置于天平稱重。

1.2.5 持水力與硬度指標的測定 持水力測定:準確稱取2.000 g肉樣置于離心管離心(5000 r/min,5 min),將表面水分吸干后,稱重,持水力(%)=(離心后質量/離心前質量)×100;硬度測定:采用質構分析儀測定,探頭型號為TA44,測定距離為5.0 mm;探頭速度為1.00 mm/s。

1.2.6 肌原纖維蛋白含量測定 按照Xiong等[16]的方法做改進后提取肌原纖維蛋白:肉樣解凍后去脂肪、結締組織,絞碎后稱10 g肉樣,加10倍體積由KCl(0.1 mol/L)、MgC12(2 mmo1/L)、乙二醇雙(2氨基乙基醚)四乙酸(EGTA)(l mmol/L)、LDTT(0.5 mmol/L)、K2HPO4(10 mmo1/L)組成的冰混合液I進行提取,冰浴勻漿1 min(1000 r/min),再離心10 min(5500 r/min),重復離心操作3次,收集沉淀物,即肌原纖維蛋白粗提物。沉淀物分散在4倍體積的冰混合液Ⅱ(1 mmol/L NaN3,0.1 mol/L NaCl,pH6.25)中,冰浴勻漿30 s(2000 r/min),離心10 min(5500 r/min),重復離心操作2次,收集沉淀物,再次分散在8倍體積的冰混合液II中,高速勻漿30 s,離心10 min(5500 r/min),收集沉淀物,即肌原纖維蛋白。提取的肌原纖維蛋白貯存于0～4 ℃,48 h內用完。并以雙縮脲法測其蛋白質的濃度。

1.2.7 SDSPAGE電泳分析 參考Laermmli[17]的方法,并適當修改。準確稱取肌原纖維蛋白粉0.01 g,加2 mL 20 mmol/L K2HPO4/KH2PO4pH7.0的磷酸鹽緩沖液,將溶液控制在5 mg/mL,超聲處理30 min(功率80%，頻率45 kHz，溫度4 ℃),以促進肌原纖維蛋白溶解。取40 μL與10 μL的5×樣品緩沖液混合,沸水煮10 min,離心5 min,取10 μL上清液,備用。其中,濃縮膠濃度為5%,分離膠濃度為10%,電泳開始時電壓為80 V,進入分離膠后電壓加大為160 V。電泳結束后,取下凝膠,加適量考馬斯亮藍于搖床上染色30 min,純水清洗后,加脫色液(甲醇250 mL,冰醋酸75 mL,加水定容至1000 mL)振蕩脫色2次,每次20 min,然后在搖床上過夜脫色,直至背景清晰[16]。用凝膠成像儀軟件(BioRad,Image LabTMSoftware,Quantity One 1D Analysis Software 4.52)拍照并分析。

式(1)

式(2)

式(3)

式(4)

式(5)

式(6)

牛肉中NaCl的有效擴散系數可以按照菲克第二定律關于一個半無限平板的公式(7)[18,20]計算得到。

式(7)

1.3 數據處理

實驗數據用SPSS 17.0軟件和Microsoft Excel 2013軟件進行數據處理及分析,Origin 8.1軟件(Origin Lab公司)作圖,每組實驗重復3次,結果以均數±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 牛肉在不同壓力下腌制過程中和的變化

由圖2可知,壓力越大,在腌制結束時牛肉的含水量變化量越高。當脈動壓力高壓幅值在120～180 kPa時,牛肉水分含量變化量隨著腌制時間的不斷增加而增加,且壓力越大牛肉中水分含量變化量增加越大,至腌制結束時水分含量變化量分別增加了0.68%、1.01%、1.36%和1.82%;當壓力為100 kPa時,牛肉水分含量變化量先減小后略微上升(p>0.05),對比腌制前后,總體與原料肉相比變化不大,為0.13%(p>0.05)。肉是由肌纖維構成的,在一定的壓力條件下,溶質能發生傳質,但水分也可以隨著溶質發生遷移,低濃度的鹽溶液可以使牛肉中的肌原纖維蛋白發生溶解,從而改變肌肉的微觀結構,導致肌纖維膨脹,產生膨脹壓,肌肉表現為吸水[21]。

圖2 不同壓力腌制過程中牛肉水分含量變化量Fig.2 The amount of changes of water in beef during wetcuring in different pressure

由圖3可知,在不同壓力條件下,牛肉中的NaCl 含量變化量均隨著腌制時間的延長而不斷增加,且和壓力呈正相關(p<0.05),壓力越大鹽分含量變化越快,且在腌制初期(0～15 h)增加最快,之后趨于平穩。腌制初期,腌制液所產生的滲透壓較大,在滲透壓力和外界壓力的共同作用下,使得傳質速度明顯高于后期,隨著腌制時間延長,牛肉中鹽分含量變化量逐漸增加,溶質內外滲透壓變小,傳質速率明顯減慢。腌制后期(15～36 h),外源壓力對鹽分含量變化量影響明顯,當壓力為180 kPa時,15 h時的鹽分含量變化量比在100 kPa條件下腌制結束時鹽分含量還高。

圖3 不同壓力腌制過程中牛肉NaCl含量變化量Fig.3 The amount of changes of salt content in beef during wetcuring at different pressure

牛肉在腌制過程中的總質量變化量是影響出品率的一個重要指標,質量損失越小,產品出品率越高[22]。由圖4可知,總質量變化量均為正值，且隨著腌制壓力增加和腌制時間延長而不斷增加，說明牛肉在腌制結束后總重量都有所增加。圖5是牛肉在脈動壓力腌制過程中水分含量變化量和NaCl變化量之和與總質量變化量的回歸曲線,從圖5可以看出,這些點均分布在對角線的附近,說明NaCl變化量和水分含量變化量之和近似等于總質量變化,但由于在腌制過程中,部分鹽溶性蛋白和脂肪發生了溶解,從而導致他們之間存在一定的偏差,沒能夠完全重合。

圖4 不同壓力腌制過程中牛肉總質量變化量Fig.4 The amount of total weight change of beef during wetcuring in different pressure

圖5 水分和NaCl變化量之和與總質量變化量的回歸曲線Fig.5 Regression curve of beef total weight change and the sum of moisture and NaCl changes

2.2 牛肉腌制過程中動力學模型的計算

由表1可知,除 100 kPa壓力條件下,水分變化量的相關系數R2很小(0.279)外,其他幾個壓力條件下的水分變化量、鹽分變化量和總質量變化量與腌制時間的方程有較好的擬合性,因此可以運用該模型來描述牛肉在脈動壓力條件下的傳質變化和時間之間的關系。表1中各個壓力條件下的動力學參數值(k1和k2)均隨著壓力的增加而增加。其中k2與擴散機制的傳質動力學相關,總質量變化量、鹽分變化量和水分變化量的k2值隨著壓力的增加都呈現增加的趨勢,這說明在一定的脈動壓力下,水分、鹽分和牛肉總質量都逐漸增加,且其k2值與脈動壓力值呈正相關。

圖6 牛肉質量變化與腌制時間平方根的回歸曲線Fig.6 Regression curve of beef total weight and the square root of curing time t0.5(h)

表1 牛肉水分、鹽分和總質量變化的動力學參數值Table 1 Kinetic parameters for changes in water,NaCl contents and total weight and fitting correlation coefficients

2.3 表觀擴散系數(De)的計算

牛肉在腌制過程中,溶質的傳質主要靠腌制液和牛肉之間的濃度差產生的滲透壓,施加脈動壓力可以有效促進溶質的傳質作用。圖7和表2描述的是牛肉在脈動壓力條件下腌制過程中傳質動力學及動力學參數。在選擇的五種壓力條件下,高壓條件下的鹽水中的NaCl的有效擴散系數明顯高于低壓條件下的有效擴散系數,獲得的De值與其他學者的結果相似[2324]。描述腌制階段的K值,也是隨著脈動壓力的不斷增高而增加,這可能是由于在腌制的起始階段,隨著壓力的增加,其鹽分和水分快速進入牛肉,從而導致了一個更高的初始ZNaCl的增加。此外,5種壓力條件下的R2值分別為0.955(100 kPa),0.959(120 kPa),0.954(140 kPa),0.946(160 kPa),0.934(180 kPa),這表明在這5種脈動壓力條件下根據公式(7)得到的方程有很好的線性關系。通過實驗發現,當壓力在140 kPa時,NaCl擴散系數(De)值達到4.088×10-8m2/s,當脈動壓力增加到180 kPa時,De值為4.893×10-8m2/s(p>0.05),因此考慮到能耗和設備安全性,脈動壓力140 kPa 為后期實驗最佳選擇。

圖7 傳質驅動力與t0.5/l的回歸曲線Fig.7 Reduced driving force versus t0.5/l

表2 公式(7)的理論動力學參數值及其相關系數Table 2 Kinetic parameters obtained from Eq.(7)and fitting correlation coefficients

2.4 不同脈動壓力條件腌制過程中牛肉持水力和硬度變化

由圖8和圖9可以看出,相同壓力條件下,牛肉持水力隨著腌制時間延長而不斷減小(p<0.05),硬度則隨著腌制時間延長而不斷增加,且在腌制的前10 h變化較快(p<0.01),這可能是由于隨時間延長肌肉組織食鹽滲透增加,離子強度發生變化,導致牛肉持水力降低、硬度增大[24],且電荷改變、氫鍵受到破壞,不易流動水含量減小所致[2425]。當高壓壓力在100～140 kPa時,腌制時間在0～10 h時,肉的持水力下降極顯著(p<0.01),隨著腌制時間的延長,牛肉持水力逐漸降低(p<0.05),硬度逐漸增加(p<0.05)。當高壓壓力在160～180 kPa時,牛肉的持水力和硬度隨腌制時間變化更為明顯(p<0.05)。

圖8 不同脈動壓力下腌制過程中牛肉持水力變化Fig.8 The changes of water holding capacity of beef during curing in difference pulse pressure

圖9 不同脈動壓力下腌制過程中牛肉硬度變化Fig.9 The changes of hardness of beef during curing in difference pulse pressure

2.5 牛肉肌原纖維蛋白SDSPAGE變化

如圖10所示,隨著脈動壓力的變化,牛肉肌原纖維蛋白的條帶有所變化,顏色越重表示其含量越多,越淺則表示含量越少。圖10結果顯示,不同壓力條件下,牛肉肌原纖維蛋白的條帶數量上沒有出現大的變化,但是通過條帶的亮、暗可以看出,其含量發生了變化。出現上述情況的主要原因是隨著腌制時間的延長,肌肉中食鹽含量增加,導致水溶性蛋白的滲出,溶菌體膜破裂,釋放出蛋白酶,加速了蛋白質的降解[26]。經過腌制后,牛肉的肌原纖維蛋白分子量主要集中在25～30 kDa之間(條帶最深),說明牛肉經過脈動壓力腌制后,其肌肉得到了一定的嫩化[2728],且壓力越大,嫩化效果越明顯。

圖10 不同脈動壓力下腌制結束時牛肉肌原纖維蛋白SDSPAGEFig.10 SDSPAGE patterns of myofibrilar protein during curing in difference pulse pressure注:泳道1為marker,泳道2～6分別為脈動壓力為100、120、140、160、180 kPa條件下腌制36 h后的SDSPAGE結果。

3 討論

溶液中的溶質從高濃度轉移到低濃度,直到分布均勻的過程叫做擴散。滲透則是指溶劑分子通過半透膜從低濃度溶液進入較高濃度溶液的現象[29]。牛肉腌制本身就包括擴散和滲透,是一個溶質和溶劑重新分配的過程,主要包括溶質(NaCl)擴散、水分滲透,牛肉中的水溶性蛋白和鹽溶性蛋白以及部分脂肪的溶解擴散,是一個動態平衡的過程。通常,腌制的主要驅動力是物料內外的濃度差,但隨著腌制時間的延長,壓力差逐漸趨于減小直到消失,達到平衡,腌制結束[30]。脈動壓力通過改變物體內外的壓力差而影響腌制的速度,使物料提前達到腌制平衡。

由結果分析,在不同的脈動壓力條件下,NaCl擴散系數De值會受到影響,高壓條件下溶質的擴散系數要大于低壓條件,介于2.169×10-8～4.893×10-8m2/s之間。擴散系數的增加并非線過程,這可能是由于牛肉在腌制過程中,蛋白質,肌肉纖維等在NaCl的作用下發生了變性和微觀結構的變化,牛肉在腌制過程中,其傳質動力并非單純受腌制液濃度和脈動壓力的影響,還與肌肉中水分遷移、蛋白質、肌肉纖維結構等綜合因素有關[31]。

4 結論

不同脈動壓力條件下,牛肉鹽分的傳質規律略有不同,100 kPa條件下,牛肉失水,產量降低,120～180 kPa條件下,牛肉吸水,產量增加。NaCl擴散速率(De)隨著壓力增加而增加,綜合能耗及設備條件選擇脈動壓力為140 kPa作為后期實驗的腌制條件。采用該傳質公式研究脈動壓力腌制牛肉的傳質理論,結果表明牛肉產量變化量、NaCl含量變化量以及水分含量變化量與腌制時間都有良好的相關性,可以用來作為脈動壓技術腌制牛肉的理論指導。不同壓力條件下,隨著牛肉腌制時間的延長,牛肉的持水力逐漸降低,硬度逐漸增加;腌制結束后,牛肉肌原纖維蛋白都有不同程度的降解,且隨著脈動壓力的增加,降解程度越大。

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