肉鸡烤翅热杀菌过程的热穿透特性及品质动力学*

李汴生　谭莉　周厚源　阮征†　郭伟波　林光明　杨焕彬

(1.华南理工大学 轻工与食品学院, 广东 广州 510640; 2.广东无穷食品有限公司, 广东 饶平 515726)

肉鸡烤翅热杀菌过程的热穿透特性及品质动力学*

李汴生1谭莉1周厚源1阮征1†郭伟波2林光明2杨焕彬2

(1.华南理工大学 轻工与食品学院, 广东 广州 510640; 2.广东无穷食品有限公司, 广东 饶平 515726)

摘要：研究了不同含水率 (w=30%~40%)肉鸡烤翅在热杀菌过程中 (杀菌值F=0~5min)的热穿透特性、品质变化规律及其动力学.结果表明:随着含水率的降低,罐头冷点加热速率系数fh、冷却速率系数fc、加热滞后因子jh、冷却滞后因子jc均降低;相同升温时间及保温时间下,含水率低的烤翅样品积累的F值更大；F值对烤翅的水分活度aw无显著影响 (P>0.05);烤翅的硫代巴比妥酸(TBA)值变化遵循零级动力学方程,其变化速率k随含水率降低而增大;低强度的热杀菌有利于改善肉鸡烤翅的剪切力、硬度及咀嚼性,其下降曲线均遵循一级动力学方程,且受热杀菌破坏的速率均随着含水率的降低而减小.

关键词:肉鸡烤翅;热杀菌;含水率;热穿透特性;品质动力学

肉鸡烤翅在烘烤过程中发生一系列美拉德、酯化等反应,形成独特诱人风味[1],受到消费者的普遍喜爱.烤翅营养丰富,但易受微生物污染，保质期短,在实际生产中,控制微生物污染是关键环节;烤制后虽达到一定杀菌效果,但由于生产环境及操作等因素的影响,会导致不同程度的二次污染.低强度热杀菌可使产品达到商业无菌,同时可消除由于烘烤过程产生的内外水分差异,快速均匀水分,使得产品口感滋味更趋均匀.

目前,罐头生产企业普遍采用热杀菌来延长产品货架期.Sreenath等[2]研究了121℃不同F值 (F=7,8,9min;F值是指在一定温度下使一定数量的细菌致死所需的加热时间(单位:min))下,鱿鱼罐头的品质变化规律及热穿透特性,发现随着F值的增加,质构特性逐渐下降,而穿透参数fh为24~25min,jh为1.12~1.49,jc为1.18~1.19.Sreenath等[3]发现咖喱虾罐头在121.1℃下热杀菌,随着F值增加,质构各指标及剪切力均下降,L*和b*降低,而a*增加.Bindu等[4]指出黑哈 (Black Clam)在121℃下杀菌至F=9min后,具有很好的贮藏品质.

热杀菌对食品的质构特性和营养成分会产生不同程度的影响.国内外不少学者通过一些数学模型对食品体系热处理过程中的品质变化进行描述.零级和一级动力学方程常用于描述肉类食品的品质变化规律[5].Kong等[6]研究了经不同温度处理后三文鱼的蒸煮损失、收缩率、色泽、剪切力和硫胺损耗等动力学模型,以及品质变化速率与温度的关系等.

含水率及F值对肉制品品质均有重要影响,截至目前,关于热杀菌过程含水率对品质变化速率的影响尚鲜见报道.文中研究了不同含水率肉鸡烤翅热杀菌过程的热穿透特性、品质变化及反应动力学,并对比了含水率对品质变化速率的影响,以期为肉鸡烤翅杀菌工序的控制提供参考.

1材料与方法

1.1材料与设备

1.1.1材料

肉鸡翅根，购自麦德龙超市,单只质量(34.56±1.51)g,在冰柜中贮藏;

腌制液使用食盐、白砂糖、黄酒、红曲红等辅料配制而成;

化学试剂均为分析纯.

1.1.2仪器与设备

LH4A29A喷淋式反压杀菌锅 (锐托杀菌设备有限公司生产),TrackSenser®Pro无线温度验证系统 (丹麦Ellab公司生产),TA-XT Plus型质构仪 (英国SMS公司生产),AQUA LAB水分活度仪 (美国Decagon Devices公司生产),PL203电子天平 (梅特勒-托利多仪器有限公司生产),752N型紫外可见分光光度计 (上海精密科学仪器有限公司生产),DHG-9075A电热恒温干燥箱 (上海齐欣科学仪器有限公司生产),MG25AF-PRR电烤箱 (广东美的集团股份有限公司生产),DZ300TN真空包装机 (浙江兄弟包装机械公司生产).

1.2试验设计

肉鸡烤翅样品制作采用前期研究的优化参数[7],原料经解冻腌制后,90℃下热风干燥,干燥至中间含水率43%,再转入170℃高温烤炉,经烤制将样品控制到不同含水率 (湿基、30%、35%、40%);最后采用高温蒸煮袋真空包装反压水杀菌 (121℃,反压0.12~0.16MPa),通过设置不同保温时间控制样品杀菌强度,并应用TrackSenser®Pro测定不同保温时间的F值 (F=0~5min).

记录罐头冷点热穿透曲线,计算并对比不同含水率肉鸡烤翅的热穿透特性参数;对比不同含水率肉鸡烤翅随着F值增加其品质(水分活度、TBA值、剪切力、质构)的变化规律;将各品质变化曲线与反应动力学方程 (零级、一级等方程)进行拟合,对比烤翅含水率对品质变化速率的影响.

1.3试验方法

1.3.1热穿透曲线及F值曲线

F值按下式计算:

F=∫t010(θ-θref)/Zdt

式中:t、Z、θ和θref分别为热杀菌时间、目标微生物的温度敏感性、任意时间的冷点温度和标准杀菌温度;一般而言,Z值取10℃,θref取121.1℃,以91℃作为F值累计的起点温度[8-9].

采用丹麦TrackSenser®Pro无线温度验证系统测定F值.将Ellab探头一端插入肉鸡烤翅冷点,记录杀菌过程冷点的温度变化及F值的累积,每隔30s记录1次数据.无线探头与烤翅一同真空包装杀菌.

1.3.2热穿透特性参数的计算

罐头内传热曲线是将罐内冷点温度随时间的变化在半对数坐标上作图所得的曲线.作图时以冷点温度与杀菌温度或冷却温度之差的对数值为纵坐标,以时间为横坐标,得到相应的加热曲线或冷却曲线,并将纵坐标上下倒转[8].

为了比较不同含水率烤翅的热穿透特性,引用了传热曲线的一些参数,即罐头冷点加热滞后因子jh、冷却滞后因子jc、罐头冷点加热速率系数fh、冷却速率系数fc[8,10],以上各参数可由以下公式表示:

1.3.3水分活度测定

采用AquaLab水分活度仪测定水分活度.将样品剪碎平铺于水活仪测量专用皿,以样品完全覆盖皿底面为标准,样品皿放入水活仪样品池,待稳定后读取样品水分活度,样品平行测3次.

1.3.4硫代巴比妥酸(TBA)值测定

采用改进的TBA值测定法[11]测定，反映肉制品脂肪的氧化程度.

1.3.5TPA及剪切力测定

TPA测试又称两次咀嚼测试,主要通过模拟人口腔咀嚼运动对样品进行两次压缩.本试验烤肉的TPA测试结果中,选择硬度和咀嚼性这2个指标[7].采用英国SMS公司生产的TA-XTPlus型质构仪进行测定.在经不同处理过程处理后的鸡翅根上各取5块尺寸为1cm× 1cm× 0.3cm的肉块,选用P/36R型平底圆柱探头进行TPA测试.测试参数:测前速率1.0mm/s,测试速率1.0mm/s,测后速率5.0mm/s;压缩比50%,探头两次测定间隔时间5s;触发类型,Auto-5g.

剪切力测定[7]:采用英国SMS公司生产的TA-XTPlus型质构仪进行测定.经不同处理过程处理后的鸡翅根各取5块尺寸为1.5cm× 1cm× 0.5cm的肉块,用燕子尾刀片沿与肌纤维方向垂直的方向剪切,剪切曲线峰值即是剪切力值,结果取5组样品平均值.测定参数:探头类型,HDP/BSW;测前速率1.0mm/s;测试速率2.0mm/s;测后速率5.0mm/s;触发类型,Auto-20g.

1.3.6反应动力学

反应动力学方程普遍应用于描述食品体系在热处理过程中的品质变化规律,大多数食品的品质损失可以用定量品质指标A (质构、色泽、营养素等)的损失或者不良品质指标B (有害物质、异味等)的形成来表示,可用以下微分方程表达[6]:

其中,k或k′表示反应速率常数,A或B代表品质指标在时刻t的值,n或n′表示反应级数.根据曲线变化特性,n可取值0.0、0.5、1.0、1.5、2.0等.本试验选用零级及一级动力学方程对热杀菌过程品质变化曲线进行拟合.

1.4数据处理

应用SPSS18.0和Origin8.6进行绘图及数据分析,其中r2和P作为模型拟合度评价指标,r2越接近1、P值越小,说明模型拟合度越高;方差分析采用Duncan法,置信度取95%(P<0.05).

2结果与分析

2.1肉鸡烤翅热穿透特性

不同含水率的肉鸡烤翅放入反压水杀菌锅,在121℃下经过不同保温时间达到不同强度的杀菌值,以保温时间H=5min为例,计算并对比不同含水率的肉鸡烤翅杀菌过程的热穿透特性,不同含水率肉鸡烤翅的热穿透曲线及F值曲线如图1所示.其中,w表示含水率,CT表示冷点温度.

图1　不同含水率烤翅热杀菌过程冷点热穿透曲线及F值曲线Fig.1　Heat penetration and F value curves of canned roast chicken wings with different moisture contents during sterilization

在半对数轴上分别绘制不同含水率的罐头内升温(降温)传热曲线,并计算jh、jc、fh、fc等热穿透特性参数值,计算结果如表1所示.其中,速率系数f表示传热曲线的直线部分跨越一个对数周期所需的时间 (min), f越小,传热速率越快[8].

表1不同含水率烤翅的热穿透特性参数1)
Table1Heatpenetrationcharacteristicparametersofcannedroastchickenwingswithdifferentmoisturecontents

含水率/%热穿透特性参数原料质量/g成品质量/gCUT/minCDT/minH/minTPT/ming/℃jhfh/minjcfc/minF/min3034.56±1.5115.57±0.63a5.838.675.0019.51.600.58±0.02a4.20±0.21a1.33±0.01a9.43±0.03a1.773534.56±1.5117.12±0.70b5.8310.175.00213.090.66±0.02b5.19±0.14b1.42±0.02b10.33±0.12b1.234034.56±1.5119.75±0.81c5.8311.175.00224.290.77±0.02c6.25±0.13c1.49±0.01c11.62±0.12c1.10

1)CUT、CDT分别为杀菌介质升温时间、降温时间;TPT为总处理时间;g为加热结束冷点与杀菌温度差；同一行具有不同上标者表示差异显著 (P<0.05).

由表1可见,试验用肉鸡翅根经过长时间的热风干燥及高温烤制,样品受热收缩并脱去大量水分,使得不同含水率烤翅的质量存在明显差异.另外,观察试验过程亦可发现,水分含量越低的烤翅收缩程度越高.

由图1中的热穿透曲线变化趋势可见,杀菌升温初始阶段,低水分烤翅冷点温度较高,升温速率较快.由表1所示结果可见,在升温阶段,随着含水率的增加,jh、fh均变大,这表明烤翅含水率低,热穿透滞后时间短,传热速率快,这与图1变化趋势一致.虽然水的传热系数较高,但此处含水率40%的烤翅收缩程度明显低于30%的样品,即高水分烤翅的冷点位置较深,增加了传热的阻力,使得罐头冷点进入对数周期较慢,jh较大;同时,罐头冷点的传热速率降低,增加了传热曲线跨越一个周期需要的时间,fh较大.

由图1还可见,进入保温阶段后,样品间冷点温差逐渐缩小.罐头的热穿透特性主要受传热介质、加热温度、包装袋及内容物传热系数等因素的影响[2].随着罐头冷点温度的升高,冷点与环境温差逐渐减少,温差推动力随之减弱,因此罐头冷点在加热后期升温相对平缓.加热结束后冷点温度与杀菌温度的差值用g表示.

进入降温阶段后,由图1可见,低水分烤翅降温曲线也表现出较快的下降趋势.由表1可见,随着含水率的增加,jc、fc逐渐增加;这是由于低水分烤翅烘烤过程收缩程度大,样品厚度小,冷点位置较浅,在相同的冷却水介质下 (20~25℃),降温阶段更快进入对数期 (jc小),且降温速率快 (fc小).

含水率低的烤翅在热杀菌过程中,冷点热穿透滞后时间短、传热效率快.由表1可见,在相同的保温时间 (以保温时间H=5min为例)内,含水率低的烤翅杀菌过程积累的F值较高.

综上所述,本试验研究的肉鸡烤翅,随着含水率的降低,罐头冷点滞后因子jh、jc,传热速率系数fh、fc均降低;相同升温时间及保温时间下,含水率低的烤翅样品积累的F值更大.

2.2肉鸡烤翅的水分活度变化

水分活度aw反映的是水在食品体系中对生化反应 (如脂质氧化、酶促反应及美拉德反应)及微生物增长的可利用性,因此,aw是评价食品品质及贮藏稳定性的重要指标.干制肉制品通过盐腌及干燥来降低水分活度,从而提高贮藏稳定性[8,12].各类微生物所需的最低aw不同,因此aw可以预测产品的微生物状况.多数细菌需在aw>0.9时才能生长,嗜盐菌生长需aw>0.75,多数霉菌需在aw>0.8时才能生长,而多数酵母在aw>0.65时就开始繁殖[8].

不同含水率肉鸡烤翅的aw变化曲线如图2所示.由图2可见,各含水率烤翅的水分活度在杀菌过程中表现出稳定趋势,F值对aw无显著影响 (P>0.05);从图2曲线还可见,含水率对产品aw的变化有显著影响(P<0.05),但30%~40%含水率的烤翅的aw都接近0.9,因此本试验研究的肉鸡烤翅不能很好地抑制微生物生长,需结合适度的热杀菌实现长期常温贮藏.

图2　不同含水率烤翅的水分活度的变化曲线Fig.2　Water activity curves of canned roast chicken wings with different moisture contents

2.3肉鸡烤翅的TBA值变化

热杀菌过程TBA值用于描述脂肪氧化情况,高温处理及贮藏过程均会发生不同程度的脂肪氧化[4,13].不同含水率烤翅的TBA值变化曲线如图3所示.

图3　不同含水率烤翅的TBA值变化曲线Fig.3　TBA curves of canned roast chicken wings with diff-erent moisture contents

由图3可见,杀菌强度及含水率对TBA值的影响均是显著的 (P<0.05).杀菌前,含水率越低,TBA值越大,含水率30%的烤翅的TBA值是含水率40%的烤翅的2.05倍左右,这里含水率低意味着烤制时间更长,才使脂肪氧化分解成丙二醛等低次级产物更多[13].

热杀菌过程中,不同含水率烤翅的TBA值均发生不同程度的增加,这表明热杀菌过程促进了脂肪的氧化,肉中丙二醛含量增加.

对TBA值变化曲线进行零级动力学方程拟合,回归结果如表2所示.

由表2可见,方程决定系数在0.907~0.983范围内,且P值均小于0.01,这表明拟合度达到极为显著水平,烤翅TBA值在杀菌过程的变化规律符合零级动力学方程.从变化速率看,TBA值的变化速率k随着含水率降低而升高,含水率30%的烤翅的k值分别是含水率35%、40%的烤翅的1.08、1.29倍,可见烤翅的含水率对TBA值k值的影响是显著的,这可能是初始氧化值高增加了对脂肪氧化的诱导作用.

表2TBA值的零级动力学方程参数1)

Table2Zero-orderkineticparametersforTBAofroastchickenwingsduringsterilization

烤翅含水率/%模型k/(10-3min-1)r2P303540零级动力学1060.962<0.01980.983<0.01820.907<0.01

1)k为速率常数;方程拟合中TBA值的变化为正反应.

2.4肉鸡烤翅的剪切力和TPA变化

不同含水率烤翅的剪切力变化曲线如图4所示.由图4可见,含水率和F值对样品剪切力的影响均显著(P<0.05);含水率越低,烤翅的剪切力越大,长时间高温烘烤导致肌内胶原蛋白和肌纤维蛋白变性,以及大量的脱水收缩,这是低水分的烤翅剪切力更高的原因[14].

值得注意的是,不同含水率烤翅的剪切力变化曲线均出现一个峰值,即在热杀菌初始阶段,剪切力均有不同程度的增加.肉鸡烘烤过程中，内部水分向外部扩散蒸发,易导致内外水分差异及物料多孔性[8],而真空软包装烤翅在反压热杀菌中,重新分布水分,达到水分快速均衡及肌肉缝隙填充的效果,这是低强度热杀菌后剪切力增加的因素.

图4　不同含水率烤翅的剪切力变化曲线Fig.4　Shear force curves of canned roast chicken wings with different moisture contents

随着F值进一步增加,烤翅的剪切力发生不同程度的下降,韧性的降低主要是热杀菌对结缔组织的破坏及溶解[3,14].从图4还可见,随着烤翅含水率的增加,曲线变化趋势更陡一些,对剪切力下降的变化曲线进行一级动力学方程回归,结果见表3.

表3剪切力,硬度与咀嚼性的一级动力学方程回归结果1)

Table 3　First-order kinetic parameters for shear force,hardness and chewiness of roast chicken wings during sterilization

1)k为速率常数;方程拟合中剪切力、硬度、咀嚼性的变化均为负反应.

由表3可见,剪切力一级方程决定系数在0.911~0.950范围内,且P值均小于0.01,这表明拟合度达到极显著水平,烤翅的剪切力指标在杀菌过程的变化规律遵循一级动力学方程.由表3还可见,剪切力的变化速率k随着含水率的降低而降低,含水率40%的烤翅的k值分别是含水率35%、30%的烤翅的1.38、2.79倍,这说明F值对水分高的烤翅的剪切力影响要明显大于水分低的烤翅,表明低水分的烤翅肉质更加致密紧实,其剪切力比较稳定,不易受热杀菌破坏.

在烤翅的TPA测试结果中,选择了与感官特性直接相关的两个指标:硬度和咀嚼性.热杀菌过程硬度和咀嚼性变化曲线如图5、6所示.

图5　不同含水率烤翅的硬度变化曲线Fig.5　Hardness curves of canned roast chicken wings with different moisture contents

图6　不同含水率烤翅的咀嚼性变化曲线Fig.6　Chewiness curves of canned roast chicken wings with different moisture contents

由图5、6可见,硬度、咀嚼性曲线变化均出现一个峰值,这与剪切力曲线的变化规律是一致的.含水率和杀菌值对烤翅硬度、咀嚼性均有显著影响(P<0.05).鸡翅烘烤过程肌肉蛋白发生收缩和变性,以及大量脱水,使肉质愈加坚实,导致了硬度和咀嚼性的差异[15-16].

与剪切力变化规律一致的是,在热杀菌初始,硬度和咀嚼性都有不同程度的增加,且水分越低,变化越明显,这都说明低强度热杀菌可有效改善肉鸡烤翅的质构特性.随着杀菌强度的提高,硬度和咀嚼性均发生不同程度的下降.烤翅的硬度指标反映的是结缔组织的强度及肌纤维结构的抵抗力,咀嚼性是硬度、弹性、内聚性综合作用的结果,是与咀嚼次数相关的指标.硬度和咀嚼性的降低应该是热杀菌对结缔组织和肌纤维结构破坏的结果[16].

从图5、6还可见,不同含水率烤翅的硬度、咀嚼性变化速率呈现出一定差异,对硬度、咀嚼性指标的降低阶段进行一级动力学的拟合,结果见表3.硬度、咀嚼性曲线拟合的r2分别在0.859~0.960,0.840~0.955范围内,且P均小于0.05,这表明硬度和咀嚼性的变化规律遵循一级动力学方程.分析表3所示结果还可得,热杀菌过程,水分含量对硬度、咀嚼性变化速率k的影响是显著的,变化规律与剪切力均一致.含水率30%的烤翅的硬度、咀嚼性变化速率最小,其中硬度变化速率是含水率35%、40%的烤翅的0.54、0.29倍,咀嚼性变化速率是含水率35%、40%的烤翅的0.62、0.30倍,这也说明杀菌值对水分高的烤翅的硬度、咀嚼性影响要明显大于水分低的烤翅,表明低水分的烤翅肉质结构坚实,不易受热杀菌破坏.

综上所述,低强度的热杀菌有利于提高肉鸡烤翅的剪切力、硬度及咀嚼性,这3个指标受热杀菌破坏的速率k均随着含水率的降低而降低,即低水分的烤翅在热杀菌中质构特性更加稳定.

3结论

研究了不同含水率肉鸡烤翅在热杀菌过程中的热穿透特性、品质变化规律及其动力学,并分析了含水率对品质变化速率k的影响,得到以下结论:

(1)随着肉鸡烤翅含水率的降低,罐头冷点滞后因子、传热速率系数均降低,相同升温时间及保温时间下,含水率低的烤翅样品积累的F值更大.

(2)含水率30%、35%、40%的烤翅的aw值均在0.9左右,杀菌值对aw无显著影响 (P>0.05).

(3)烤翅的TBA值变化曲线遵循零级动力学方程;烤翅的含水率越低,TBA值上升速率越大,即脂肪氧化速率越快.

(4)低强度的热杀菌有利于提高肉鸡烤翅的剪切力、硬度及咀嚼性,其下降曲线均遵循一级动力学方程,且受热杀菌破坏的速率k均随着含水率的降低而减小，即低水分的烤翅在热杀菌中质构特性更加稳定.

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文章编号：1000-565X(2015)02-0013-07

收稿日期：2014-06-09

*基金项目：广东省教育部产学研结合项目(2012B090600003)

Foundation item：Supported by the Project of Integration of Industry,Education and Research of Guangdong Province and Ministry of Education of China(2012B090600003)

作者简介：李汴生 (1962-),男,博士,教授,主要从事食品加工和保藏研究.E-mail: febshli@scut.edu.cn †通信作者： 阮征 (1972-),女,博士,副教授,主要从事食品加工和保藏研究.E-mail: zhruan@scut.edu.cn

中图分类号:TS251.55

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.02.003

HeatPenetrationCharacteristicsandQualityKineticsofRoasted
BroilerChickenWingsDuringHeatSterilization

Li Bian-sheng1Tan Li1Zhou Hou-yuan1Ruan Zheng1Guo Wei-bo2Lin Guang-ming2Yang Huan-bin2

(1.SchoolofLightIndustryandFoodSciences,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China;

2.GuangdongWuqiongFoodCo.,Ltd.,Raoping515726,Guangdong,China)

Abstract:This paper deals with the heat penetration characteristics, quality change and quality kinetics of roasted broiler chicken wings with different moisture contents (w=30%~40%) sterilized at different lethality values (F=0~5min). The results indicate that (1) the heating and cooling rate indexes (fhand fc) as well as the heating and cooling lag factors (jhand jc) both decrease with the decrease of moisture content; (2) samples with lower moisture content may reach a higher lethality value at the same heating and holding time; (3) F value has no obvious effect on the water activity aw(P>0.05); (4) the curves of TBA value obey the zero-order kinetic equation and the corresponding reaction rate k increases with the decrease of moisture content; (5) sterilization with low lethality value helps to improve the shear force, hardness and chewiness of roasted broiler chicken wings, and the corresponding decreasing curves all obey the first-order kinetic equation; and (6) the damage rates of shear force, hardness and chewiness all decrease with the decrease of moisture content.

Key words:roasted broiler chicken wing; heat sterilization; moisture content; heat penetration characteristic; quality kinetics