羊肉嫩化技术及其机理的研究进展

夏静华,刘书亮,杨 勇,叶劲松

(四川农业大学食品学院,四川雅安 625014)

羊肉嫩化技术及其机理的研究进展

夏静华,刘书亮＊,杨 勇,叶劲松

(四川农业大学食品学院,四川雅安 625014)

综述了近年来羊肉加工中的嫩化技术及其机理的研究现状,详细分析了羊肉的酶解嫩化法、CaCl2液注射嫩化法、超高压嫩化法、超声波嫩化法和电刺激嫩化法的研究现状及其嫩化机理,提出了羊肉嫩化研究应用中存在的问题和研究发展方向,对羊肉生产加工具有一定的指导作用。

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2 羊肉嫩化方法及其机理

肌肉嫩化可分为宰前嫩化和宰后嫩化,而后者是研究应用最为广泛的,可分为物理嫩化法、化学嫩化法和生化嫩化法[11]。下面主要介绍近年来研究比较集中的几种嫩化方法及其作用机理。

2.1 酶解嫩化法

酶解嫩化法是利用蛋白酶将肌肉中起重要连接和支架作用的蛋白质进行水解,导致肌肉组织结构破坏,从而使肌肉嫩化的方法。它分为内源酶 (如钙激活酶和溶酶体蛋白酶)酶解法和外源酶(如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、微生物蛋白酶等)酶解法。

2.1.1 内源酶酶解法

2.1.1.1 钙激活酶 (Calpain) 钙激活酶是一种钙激活中性半胱氨酸内肽酶,主要位于肌纤维 Z盘附近和肌质网膜上[12]。自 Guroff(1964)首次鉴定出钙激活酶、Daytion(1976)等人纯化了该酶后,国内外学者展开了对钙激活酶与嫩度之间关系的研究。早期的研究大多是定性方面,并包含着其它因素的影响。1993年 Dransfield[13]才首次用嫩化模型对肉类嫩化机制进行定量分析,表明了钙激活酶及其抑制蛋白相互作用的重要性。目前尚不能通过检测活体内的酶活来阐明钙激活酶与嫩度的关系,难以模拟肉在嫩化过程中发生各种反应的复杂环境[8]。

此外,对于钙激活酶嫩化作用的机理尚不十分明确,但目前比较一致的观点是：在动物屠宰后,随ATP的逐渐消耗,肌浆网失去钙泵作用而破裂,Ca2+被逐渐释放出来,当达到一定浓度时激活钙激活酶。此时,钙激活酶在其激活蛋白及其抑制蛋白的共同调节下,对肌肉中的肌联蛋白、伴肌动蛋白、肌钙蛋白和肌间蛋白等肌原纤维蛋白进行水解,使肌原纤维变成无序、松散的结构。其微观结构变化表现为肌节部位断裂、I带和 Z盘的结合变弱或断裂、MFI值增大等,从而使肌肉表现出嫩化[4,8,11-12,14]。

钙激活酶活性受 Ca2+浓度、压力、pH、温度等[8,11]因素的影响,因而除了直接向肌肉中添加钙激活酶外,还可通过改变这些影响因子起到调节钙激活酶的活性,从而改善肉的嫩度。这在国内外很多研究中都有报道,下面将有介绍。

2.1.1.2 溶酶体蛋白酶 动物屠宰后,其胴体先于“较高”温度 (一般是 15℃左右)下放置一段时间后的肌肉嫩度比立即放入冷库的肌肉嫩度要高,这与机体内的溶酶体蛋白酶有关。其原因是：胴体肌肉置于较高温度下,肌肉内ATP酶的活性更高,加快了糖酵解反应,使胴体 pH迅速下降,而“高温”和低 pH利于溶酶体膜的破裂,使得溶酶体蛋白酶释放出来,促使对结缔组织和肌原纤维蛋白的降解和破坏,导致肌肉得到嫩化。因此,添加溶酶体蛋白酶是酶解嫩化羊肉的又一方法[15]。

2.1.2 外源酶酶解 嫩肉粉是市场上比较多见的一类外源酶,广泛应用于肉制品生产和烹饪加工[16]。其组成多为木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶和无花果蛋白酶等。其机制是通过水解肌肉的肌原纤维和结缔组织处的各种连接性蛋白,弱化肌原纤维和结缔组织结构而起到嫩化作用。

由于钙激活酶在高水平 Ca2+浓度时的自溶作用和钙激活酶抑制蛋白的抑制作用的发挥,使得羊肉在高水平 Ca2+浓度下也不会导致肌肉的过度嫩化;加之,是食品工业中常用的添加剂,FDA已允许采用溶液对肉品嫩化;Ca2+是人体骨骼的物质基础,因而使用溶液注射法是有效、安全和具有一定营养作用的。但 Perez等人[20]认为,溶液处理后的肌肉咀嚼后有不良的口后感和苦味,这点在国内外类似研究中鲜见报道,有待进一步研究验证和解决。此外对溶液的使用参数国内外学者有一定分歧：Koohmaraie[3,17-18]等提出向羊肉中注入的浓度为 0.3mol/L,Gerelt和 Polidori等进行相关研究并采用了这一结论,并将使用量定在10%(按胴体湿重计);而李博勋等则得到注射胴体湿重的 5%(0.6mol/L)时嫩化效果最佳,李正英等的研究结果为胴体湿重的 2%(0.4mol/L),这些均未超出 FDA规定的胴体湿重的 3% (0.8mol/L)的允许使用量,但究其浓度和使用量还有待进一步确定。

2.3 超高压嫩化法

超高压技术 (UHP,即高压技术 HPP)通常应用于食品的杀菌、物料改性等方面,研究其对肉类嫩化是新课题,国内外报道并不多见。对于高压嫩化的机理,目前普遍认为是高压导致肌肉内源蛋白酶和显微结构发生变化：a.内源蛋白酶的变化主要是指钙激活酶的变化：由于高压作用引起肌浆网和线粒体结构的破坏使得 Ca2+被释放出来,肌浆中 Ca2+浓度瞬间升高,达到一定浓度后激活钙激活酶,使其对肌原纤维中起连接和支架作用的蛋白水解。b.显微结构变化：高压作用使ATP酶被激活,在水解 ATP成ADP时释放的能量推动肌动蛋白向肌球蛋白方向移动(两者分别是构成细丝和粗丝的主要成分),粗、细丝相互重合,肌纤维收缩,肌节缩短;高压还会使肌内膜和肌上膜产生分离,使一些蛋白变性、凝胶化。这些变化在显微观察时表现为：Z线断裂或消失、Z线所处的 I带变性和凝聚而呈现白色、M线降解、肌原纤维间隙增大而使其结构变得松散和无序等,从而对肌肉起到嫩化作用[8-9]。虽然高压作用也会使钙激活酶发生变性而使其活性受到抑制,但由于Ca2+浓度升高、钙激活酶抑制蛋白专一性以及钙激活酶在高压后的自我修复作用,使钙激活酶仍能充分发挥水解作用,提高肌肉嫩度。

高压技术在嫩化羊肉的同时还可起到杀菌、成型等作用,但也会引起羊肉的色泽淡化、弹性下降、肌肉上呈现白色小斑点、有类似“蒸煮”风味等感官变化。白艳红、杨公明等认为这些变化可能是由肌红蛋白变性、脂肪组织在高压下凝结、高压促进蛋白降解和游离氨基酸 (包括呈味物质)变化等引起[8-10,21-22]。

虽然高压对羊肉能起到很好的嫩化作用,但近年来研究主要集中在高压对钙激活酶的作用上,而对于高压对羊肉嫩化应用的各项参数控制如压力、施压时间、后熟时间等的研究极少,有待进行深入的定量研究,或许会成为高压嫩化技术应用研究的热点。

2.4 超声波嫩化法

超声波通过物质中的液体形成气泡 (“空化作用”),气泡达到一定体积后不再吸收能量而崩溃,从而导致局部震波过强而带来高温高压等作用,致使物质结构受到破坏。肌肉便是在这种作用下被迫振动,快速压缩或疏张作用使肌肉结构受到破坏。Moeller(1976)报道超声波破坏肌肉细胞的线粒体、肌浆网和溶酶体膜,使前二者保留 Ca2+的能力丧失而释放 Ca2+,从而肌浆中 Ca2+浓度增加,当增到一定浓度时激活钙激活酶,使其降解有关蛋白;同时溶酶体膜的破裂会导致溶酶体蛋白酶的释放并发挥其对肌原纤维蛋白和结缔组织蛋白等的水解作用。“空化作用”和酶的作用使肌原纤维 Z盘降解、肌联蛋白纤丝受到严重破坏,蛋白间的有力联接断裂、可溶性蛋白浓度指标和MFI值都显著提高,肌肉得以嫩化。李会兰[23]、李正英[24]等的研究结果也一致,并且得出超声波嫩化作用时间越长、功率越大,嫩化效果越好(破碎指数越大、剪切力越小)。此外李会兰等还将超声波处理与热处理相结合,发现其嫩化效果比单一的处理更好。但在超声波嫩化研究中各学者的研究参数几乎都不相同,这尚有待研究确定。

2.5 电刺激嫩化法

自从 1749年,美国的 Benjamin Franklin注意到被电击晕的火鸡肉非常的嫩后,各国研究者逐步开始将电刺激技术用于牛羊肉的嫩化[16],并且美国学者 Harsham和 Reatherage于 1951年获得了关于该技术的专利。到目前为止,人们对电刺激嫩化肌肉的机理还不完全清楚,但据国内外研究来看可能机理如下：a.电刺激加速了胴体糖酵解,使 pH迅速下降,缩短了尸僵时间,使冷收缩得到了减轻或被防止; b.电刺激引发的 pH下降使溶酶体膜破裂,释放蛋白水解酶,使连接蛋白、伴肌动蛋白、肌间蛋白、肌钙蛋白-T等起连接和支架作用的蛋白被水解导致肌原纤维结构破坏而变得松散、无序;c.电刺激引发肌肉强烈收缩对肌原纤维结构起到一定的破坏作用。电刺激后微观结构还表现为 I带、A带、Z线损坏或消失,肌原纤维极度伸张、断裂,MFI值变大等[15-16]。

电刺激嫩化还能起到增色和促进风味物质产生的效果,但在实际应用中应由哪个操作步骤实施电刺激还缺乏研究报道,电刺激的电压、电频和刺激时间等参数各不相同,且电刺激对操作空间要求较大并存在着一定的危险性,这些仍需要解决[25]。

2.6 其它嫩化方法

2.6.1 延迟冷却 延迟冷却是指将完整的胴体放在冷却间外(相对较高的温度)缓冲一定时间后,再进入冷却间的过程。Locker(1963)发现宰后肌肉在15℃收缩最小,在过低温度下易发生冷收缩,而过高温度易发生热收缩,都会导致嫩度下降。在延迟冷却时肌肉在较高的温度下糖酵解较快,pH下降迅速。此时低 pH条件下,肌肉收缩较小;同时低 pH、“高温”下有利于与嫩化有关的内源酶的溶出和活性的提高,加快肌原纤维蛋白和结缔组织蛋白等的水解,提高肉的嫩度[26]。

2.6.2 拉伸技术 在肉嫩化的机理研究中,许多研究人员发现刚宰后的肌原纤维和活体肌肉一样,是数十个到数百个肌节沿长轴方向构成的纤维,在肉的成熟时则断裂成 1～4个肌节相连的小片段。而造成肌原纤维小片化的原因就是动物死后僵直时,肌原纤维产生收缩的张力,使 Z线在持续的张力作用下机械脆点发生断裂,张力的作用越大,小片化程度越高。对肌肉进行拉伸及对胴体进行吊挂其原理就是对肌肉施加与收缩张力相反的力,增多并加快机械脆点的断裂,人为加速肌原纤维小片化的形成,提高嫩度[27]。

当然,羊肉嫩化的方法还有多种[28],如重组嫩化法即将嫩度低的肉用切片机切片,然后混合食盐及磷酸盐至肉产生粘度为止,达到改善嫩度的目的;基因工程嫩化法即通过活体调控钙激活酶抑制蛋白的含量,以及调控脂肪在畜体内的沉积顺序来改善肉质。

3 小结

目前已有多种羊肉嫩化的方法,并且对它们嫩化机理已有了较广泛和深入的研究,形成了一定的理论基础和应用技术,在实际的生产和生活中发挥了较大的作用。但是一些嫩化方法的机理还不是十分清楚;一些嫩化方法的技术参数还存在分歧;有些方法如 CaCl2注射嫩化带来的不良口后感、超高压嫩化引起的羊肉感官劣化等存在缺陷;此外,缺乏结合多种嫩化方法对羊肉进行嫩化研究。这些问题有待进一步研究和解决。因此,今后羊肉嫩化技术及其机理的研究发展应是朝着这些方法的完整性和综合运用性延伸。

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Research progress in the technology and the mechanism of mutton tenderization

XIA Jing-hua,L IU Shu-l iang＊,YANG Yong,YE Jin-song
(College of Food in Sichuan,AgriculturalUniversity,Ya’an 625014,China)

This m anusc rip t reviewed the current resea rch p rog ress of the technolog ies and m echanism of m utton tende rness during the p rocess ing,and ana lyzed the technolog ies on imp roving tende rness us ing enzym e,injec ting ca lc ium chloride solution,ultra-high p ressure trea tm ent,ultrasonic,e lec trica l s t im ula tion,and resp ec tive ly introduced the m echanism in de ta il.Fina lly,this p ap e r d iscussed the p rob lem s exis ted in the app lica tions and looked forwa rd to the d irec tion of the deve lopm ent,which m ay p lay a guild ing role in the p roduc tion p rocess of m utton.

m utton;tende rness;enzym e;ultra-high p ressure(UHP);e lec trica l s t im ula tion;ultrasonic;ca lc ium ions

TS251.1

A

1002-0306(2010)02-0381-04

羊肉不仅具有高蛋白、低脂肪、低胆固醇和一定滋补功效的特点,同时也是全世界消费者广泛食用的家畜肉之一[1]。在羊肉的品质特性中,嫩度是评定肉质量的重要指标之一,也是消费者十分重视的感官指标,其好坏直接影响着肉的食用价值和经济价值。肉的嫩化技术及其机制也是国内外肉类专家研究的重点和热点课题。近年来我国市场供应的羊肉中老弱、淘汰残羊羊肉占有较大比例,羊肉嫩度差;另一方面,切实高效的羊肉嫩化方法已成为我国许多羊肉加工企业亟待解决的问题[2]。本文就羊肉的嫩化及其机制的研究进展进行分析和综述,以期为羊肉的生产加工提供理论指导和应用参考。

1 嫩化羊肉的组织特性

Koohmaraie[3-5]、Polidori[6]、Gerelt[7]、孔保华[8]、白艳红[9]、德力格尔桑[10]等众多学者研究表明,嫩化羊肉的肌原纤维和结缔组织蛋白如肌联蛋白、伴肌动蛋白、肌钙蛋白等起支架和连接作用的蛋白的降解,使肌原纤维的M线消失、I线变宽、Z线变得无序,肌原纤维排列有序性遭到破坏,细丝结构被弱化,肌原纤维小片化指数(MFI值)变大。这些都是嫩化羊肉的典型组织特性。

2009-04-24 ＊通讯联系人

夏静华(1984-),男,在读硕士研究生,研究方向：食品科学。

四川省科技厅支撑项目(07NG0902)。