冷藏期间温度波动对牛肉冰晶增长的影响

梁红，宋晓燕，刘宝林

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海，200093)



冷藏期间温度波动对牛肉冰晶增长的影响

梁红，宋晓燕，刘宝林*

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海，200093)

摘要温度波动会导致冰晶再结晶，造成冷冻食品冷藏期间品质严重下降。该研究以速冻牛肉为研究对象，使用计算机断层扫描技术，观察恒温对照组A(-18 ℃)和温度波动组B(-18 ℃)、C(-18 ℃)、D(-18 ℃)样品中孔隙大小数量及分布规律，研究温度波动对牛肉微结构的破坏程度。结果表明：随着温度波动幅度的增加，冰晶尺寸和孔隙率均随之增大，但冰晶数量却在减少。

关键词温度波动；再结晶；孔隙率；X射线

牛肉作为一种深受消费者喜爱的肉品，其味道鲜美，还具有高蛋白、低脂肪等营养特性，在国内具有较大消费量，仅次于猪肉[1]。由于新鲜牛肉极易腐败变质，常采用冷冻的方法运输，因为低温条件能抑制大多数微生物生长繁殖，降低酶的活性。冷冻状态下，牛肉内部最初形成的冰晶细小而密集，这种形态在温度波动条件下极不稳定，易转化成更为稳定的大冰晶形态。长大后的冰晶会进一步挤压细胞，使其产生变形甚至破裂，造成不可逆的机械损伤，在食品复温后汁液流失，进一步促进生化反应，加速变质[2]，甚至失去其最重要的储藏优势[3]。

而在速冻牛肉的贮藏及运输过程中，往往会因冰柜化霜和中途装卸货等不可控因素导致温度波动的发生。为此，不少学者针对温度波动条件下冷冻食品的品质下降速率进行了研究，发现肉类、海鲜、冰淇淋等食品在冻融条件下品质下降速率会增加[4-6]。但这些结论均是以常规的理化指标为基础，而通过直接测量冰晶再结晶程度的研究却很少。

计算机断层扫描技术(electronic computer X-ray tomography technique，简称CT)是在结合X射线和断层算法的基础上，通过对检体的材料密度差异所产生的X射线衰减或吸收系数差异的对比度，再经系统重构呈现被测样品的三维立体可视化图像。因此，它不仅可以用于新鲜水果(苹果、石榴等)的检测[7]以及牛肉肌肉中脂肪的分布测量[8-9]，还能对冷冻干燥后样品的孔隙进行扫描，得出的孔隙面积与传统显微镜方法测量结果相同，证明冷冻干燥后留下的孔隙与原冰晶存在的空间一致[10]。此外，相对于传统的冰晶观察方法，例如低温扫描电子显微镜[11]、共聚焦激光扫描显微镜[12]、冷冻切片法[13]等，CT的优势在于操作简便、迅速且对样品无损伤，并得到可操控的3-D图像，能够在各层面、各角度定性和定量地分析冰晶的分布及增长情况，还可以改善传统方法中微观切割对冰晶结构的影响。因此，本文欲借助计算机断层扫描技术研究不同温度波动条件下冷冻牛肉中冰晶的再结晶规律，从而为进一步保证食品安全以及延长食品的货架期提供技术保障。

1材料与方法

1.1材料与仪器

牛肉样品选取市售黄牛，平均年龄2岁，平均体质量400 kg。

LD85B3型真空冷冻干燥机，美国Millrock公司；XTH225型工业CT，尼康公司；PWC214分析天平，武汉艾德姆衡器有限公司；BPHJ-高低温(交变)试验箱，上海一恒科技有限公司；DW-86L628 Haier超低温保存箱，青岛海尔股份有限公司。

1.2实验方法

1.2.1冰点测定

将数显温度计插入牛肉的体积中心，置于-18 ℃冰箱中，当温度下降至0 ℃时开始进行数据采集。记录每下降0.1 ℃时的时间，当温度下降到0 ℃以下的某温度值并出现轻微回升，稳定一段时间后温度下降，则以此拐点的温度为牛肉的冰点温度[14]。每组处理测定3个样品，取其平均值。

1.2.2牛肉速冻处理

选取新鲜牛后腿骨外侧，迅速放入超低温冰箱中进行速冻，超低温冰箱的温度控制在-40 ℃，待牛肉中心温度达到-18 ℃时停止冻结。

1.2.3牛肉分组处理

从速冻牛肉上随机取质量为(100±5) g 的肉块12份，设置A、B、C、D 4个组别，每组设3个平行样品，并单独放入保鲜储藏袋中密封，置于温度可控的高低温交变试验箱中冷藏。A组箱体温度设置为-18 ℃，作为恒温对照组；剩余3组箱体温度变化范围分别设置为-18 ℃ (B)、-18 ℃ (C)、-18 ℃ (D)，具体变化时间程序为：B组，-18 ℃保持4 h然后升温至-17 ℃时，再降温至-18 ℃维持4 h，单次升降温时间均为0.5 h，依次循环；C组，-18 ℃保持4 h然后温度升至-13 ℃，再降温至-18 ℃维持4 h，单次升降温时间均为0.5 h，依次循环；D组，-18 ℃保持4 h然后温度升至-8 ℃，再降温至-18 ℃维持4 h，单次升降温时间均为0.5 h，依次循环。冷藏3 d(约16次升降温循环)后取出，将肉样修至2 cm×2 cm×1.5 cm，再经冷冻干燥后扫描。冻干条件为：预冻时间3 h，预冻终点温度- 24 ℃，干燥室真空度10 Pa，干燥时间6 h。

1.2.4牛肉孔隙大小测定

采用高分辨率的X射线工业CT对样品进行断层扫描，X射线管扫描参数设置为电压100 kV，电流118 μA，灰度图中灰度曲线的峰值集中在灰度尺的中间部位，即灰度值在15 000～65 000之间，确保后期得到的图像清晰。CT图像由样品在工作台上旋转一周得到，曝光时间固定在500 ms，即物料在旋转360°时，每个角度的曝光时长。探测器相片拍摄设置为2 000张，拍摄时间约10 min。

1.2.5数据处理

使用CT 3D Pro对相片进行降噪，再重构为3D图像，后续利用VGStudio MAX 2.2中的缺陷检测模块和缺陷计算模块对孔隙大小、数量以及孔隙率进行计算。使用SPSS 22.0对所得指标进行显著性分析。

2结果与分析

2.1冰点温度

冰点是设置肉类冷藏环境温度的重要参照点，因为只有温度低于冰点肉类才会开始冻结。尽管已有文献对肉牛的冰点做过研究，但牛肉的产地、批次及部位等都会导致样品的冰点发生变化。为此，首先对样品的冰点进行测量。由图1可得，在牛肉的冻结过程中，温度达到-1.8 ℃时出现了微小的回升，并在-1.6 ℃条件下长时间停留，而后才继续下降。由此确定所选取的牛后腿股外侧部分的冰点温度为-1.6 ℃。

图1　牛肉的冻结曲线Fig.1　Freezing curve of beef

2.1不同温度波动对冰晶总体积(即牛肉孔隙率)的影响

a-恒温对照组A；b-温度波动组B；c-温度波动组C；d-温度波动组D图2　不同冻藏条件下的冻干牛肉的CT扫描图Fig.2　CTscan micrographs of freeze dried beef under different temperature environments

图2是重构后的牛肉孔隙扫描图像的局部放大图，纤维和孔隙构成的网状结构代表了冰晶的形态，灰白色可见的粗壮纤维网络代表牛肉组织，黑色区域代表孔隙，即冻干时冰晶升华留下的区域。通过对恒温对照组A和温度波动组B、C、D的CT图和孔隙率(图3)进行对比，可以明显看出孔隙的差异情况。A组牛肉在恒温的条件下，组织中形成了很多微小、尺寸不一的冰晶，这时样品的孔隙率为9.62%；与A组相比，B组的孔隙与牛肉纤维结构的区分更为明显，孔隙率已增长到12.87%，冰晶的轻微扩张进一步加深了对原结构的破坏程度；相对于前2组，C和D的孔隙率已分别达到20.29%和36.01%，说明此时冰晶的再结晶程度已经很高，严重破坏了牛肉原有的显微结构。综上结果可知，随着温度波动幅度的增加，细小冰晶的不稳定性增加，导致再结晶程度增强，孔隙率增大。显著性分析显示，组内样品间无显著性差异(P>0.05)，组间样品A组与B组无显著性差异，其余各组间均差异显著(P<0.05)。

图3　不同冻藏条件下冻干牛肉的孔隙率Fig.3　The porosity of freeze dried beef under different temperature environments

2.2温度波动对冰晶大小和数量的影响

对于商业流通的冷冻食品来说，融化和重新冻结是导致冰晶再结晶不可避免的因素，也被认为是导致食品中冰晶尺寸增大的最主要原因。图4和图5直观地说明了温度波动与孔隙大小和数量的关系：A组孔隙数量最多，达到2 155个，且大部分孔隙体积不超过0.000 13 mm3；B组孔隙数量骤减到1 290个，主要孔隙体积已经接近0.000 19 mm3，表明冰晶尺寸已有了一定的增长；随着温度波动范围的递增，C组和D组的孔隙平均体积分别增至0.000 59 mm3和0.001 18 mm3，但孔隙数量却分别降至525个和380个。可见，温度波动幅度的进一步增加会导致冰晶尺寸的增加以及数量上的减少，与SYAMALADEVI[15]等对冷冻鲑鱼和JAVID ULLAH[2]对冷冻马铃薯的研究结果一致。这是因为初期的很多较小孔隙逐渐合并，破坏了原有的食品显微结构，并形成了较大的空隙，导致冰晶尺寸急速增长。这种在冷藏期对牛肉微结构的损伤，会导致在食品解冻后汁液流失，加剧腐败生化反应，降低食品质量并大大缩短食品的货架期，造成不可挽回的损失[16-17]。

a-恒温对照组A；b-温度波动组B；c-温度波动组C；d-温度波动组D图4　不同冻藏条件下的牛肉孔隙分布图Fig.4　Pores size distribution in samples stored at different temperature

图5　不同冻藏条件下的平均孔隙体积Fig.5　Average pore area versus freezer temperature during storage

3结论

研究表明，冷藏中温度波动会破坏速冻牛肉原有的冰晶形态，导致冰晶再结晶，对牛肉显微结构的破坏有显著性影响。在-18 ℃恒温冷藏时，牛肉中冰晶数量为2 155个，孔隙率约为9.62%；在-18 ℃冰晶数量降至1 290个，孔隙率约为12.87%；在-18 ℃和-18 ℃温度波动条件下，冰晶数量分别骤降至525个和380个，而孔隙率也分别增至20.29%和36.01%。综上可知，随着温度波动范围的增加，冰晶的扩张作用会进一步扩大，造成牛肉中冰晶尺寸增大，冰晶数量减少，孔隙率持续增长。

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Effect of temperature on ice-crystal growth in frozen beef in cold-chain transportation

LIANG Hong, SONG Xiao-yan, LIU Bao-lin*

(School of Medical Instruments and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

ABSTRACTThe fluctuation of thawing temperature causes recrystallization of ice crystals, which is the main reason of frozen food quality degradation. Using micro computed tomography, the pore sizes in ice crystal was determined. Effect of temperature fluctuations on frozen beef quality was studied by comparing the different environment, such as constant group A (at -18℃) and fluctuation groups ℃),℃),℃) were used to observe their effect on the pore size distribution. The results show with the increase of temperature fluctuations amplitude, the ice crystals size and pore ratio increases and number of crystals decreases.

Key wordstemperature fluctuation;recrystallization;porosity;X-ray

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201606034

基金项目：国家科技支撑计划(2013BAD19B01)；中国博士后科学基金(2014M561491)

收稿日期：2015-10-15，改回日期：2015-12-10

第一作者：硕士研究生(刘宝林教授为通讯作者，E-mail：blliuk@163.com)。