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低场核磁共振技术研究猪肉冷却过程中水分迁移规律

2017-06-29庄昕波黄子信陈玉仑李春保周光宏

食品科学 2017年11期
关键词:低场猪肉雾化

张 楠,庄昕波,黄子信,陈玉仑,李春保,周光宏*

(南京农业大学 肉品加工与质量控制教育部重点实验室,农业部畜产品加工重点实验室,江苏省肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心,江苏 南京 210095)

低场核磁共振技术研究猪肉冷却过程中水分迁移规律

张 楠,庄昕波,黄子信,陈玉仑,李春保,周光宏*

(南京农业大学 肉品加工与质量控制教育部重点实验室,农业部畜产品加工重点实验室,江苏省肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心,江苏 南京 210095)

目的:采用低场核磁弛豫时间和低场核磁成像技术,研究在模拟冷库环境条件下,风循环冷却和雾化喷淋冷却过程中猪肉水分迁移规律。方法:选择宰后2 h内的整条带皮猪背最长肌(通脊)10 条,沿肌肉走向垂直方向分切成4 份14 cm×10 cm×6 cm的肉块,其中2 份保留猪皮及皮下脂肪(带皮组),另2 份则去除猪皮及皮下脂肪(不带皮组),带皮组和不带皮组肉块分别放入风循环冷却和雾化喷淋冷却的模拟冷库中进行冷却,并于0.0、1.5、3.0、4.5、6.0 h和7.5 h进行低场核磁共振横向弛豫时间(T2)和低场核磁成像测定,同时记录肉块质量变化。结果:风循环冷却过程中猪肉中结合水峰面积A2b和结合水占猪肉中总水分的百分比P2b变化差异不显著(P>0.05)、不易流动水t21显著降低(P<0.05),自由水A22、P22也显著降低(P<0.05);而在雾化喷淋冷却过程中,结合水A2b、P2b和不易流动水t21、A21、P21变化差异不显著(P>0.05),自由水A22、P22则显著降低(P<0.05)。带皮猪肉和不带皮猪肉在冷却过程中水分迁移的变化过程相同,但水分损耗存在差异。结合图像分析,在冷却过程初期,猪肉干耗主要是自由水的损失;而冷却后期,猪肉干耗则主要是部分不易流动水的损失。雾化喷淋冷却通过补充外源水,来减小猪肉内部和外表的水势差而抑制不易流动水由内向外迁移,可有效降低冷却干耗。

低场核磁弛豫时间;低场核磁成像;冷却干耗;雾化喷淋冷却;风循环冷却

张楠, 庄昕波, 黄子信, 等. 低场核磁共振技术研究猪肉冷却过程中水分迁移规律[J]. 食品科学, 2017, 38(11): 103-109.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711017. http://www.spkx.net.cn

ZHANG Nan, ZHUANG Xinbo, HUANG Zixin, et al. Change in water mobility in pork during postmortem chilling analyzed by low-field nuclear magnetic resonance[J]. Food Science, 2017, 38(11): 103-109. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711017. http://www.spkx.net.cn

冷却肉是指动物在严格按照检疫制度宰杀后,使其胴体温度迅速降至7 ℃,并在后续的分割加工、流通和零售过程中始终不超过7 ℃的生鲜肉。冷鲜肉因具有肉嫩、味美、卫生,及品质优于热鲜肉和冷冻肉等特点,受到越来越多消费者喜爱。冷却是冷却猪肉加工的重要环节,目前主要采用风冷工艺[1]。在冷却过程中,存在热量和水分的交换,造成胴体表面的水分蒸发,形成冷却干耗,对于猪胴体而言,宰后24 h内的冷却干耗可达到3.5%,给企业造成了严重的经济损失[2-3]。自20世纪80年代开始,加拿大等国家便开始研究雾化喷淋技术在猪牛羊屠宰加工企业的应用,进而降低冷却干耗[4-8]。但由于对该项技术的机理研究较少,过度喷淋导致的微生物污染及肉色劣变等问题较为严重,使得该技术一直没得到很好的应用和发展[9-12]。直到2000年前后,随着卫生管理和喷淋技术设施的改进,雾化喷淋技术才得到一定程度的应用[13-18]。近10年来,我国部分屠宰加工企业开始采用雾化喷淋冷却技术,可使胴体冷却干耗降低50%以上,起到了良好的降耗减费效果[19]。所谓的雾化喷淋是指在胴体冷却过程中,通过特定的管道和增压系统,产生一定大小的雾化颗粒,增加冷却湿度的同时,可在胴体表明形成一层水膜,从而实现降低损耗的技术[20-24]。但喷淋时间过长,仍会造成微生物超标、肉色变差等问题[25-26]。因此,弄清冷却干耗机理,对于合理应用雾化喷淋技术,实现产业减费增效,具有十分重要的意义。

胴体冷却是热量交换、水分迁移的过程。早前研究中有关热量交换的研究报道较多,但有关水分迁移规律仍鲜见报道。近年来,低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)弛豫时间和低场核磁成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术在肉品领域得到一定的应用[27-28],也为胴体冷却过程中水分迁移规律研究提供思路。本研究采用LF-NMR弛豫时间和MRI技术,研究在风循环冷却和雾化喷淋冷却过程中带皮猪肉和不带皮猪肉中水分迁移变化规律,为雾化喷淋技术的进一步应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

分批次取刚屠宰的生猪整条带皮背最长肌10 份,于宰后2 h内带回实验室进行实验。

BCD-256WDGH冰箱 青岛海尔冰箱有限公司;MacroMR核磁共振食品分析与成像系统 苏州纽迈电子科技有限公司;喷雾迷你风扇 深圳市舞阳万代科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

选择宰后2 h内的整条带皮猪背最长肌(通脊)1 0 条,沿肌肉走向垂直方向分切成4份14 cm×10 cm×6 cm的肉块,其中,2 份保留猪皮及皮下脂肪(带皮组),另2 份则去除猪皮及皮下脂肪(不带皮组),带皮组和不带皮组肉块分别放入风循环冷却和雾化喷淋冷却的模拟冷库中进行冷却,并于0.0、1.5、3.0、4.5、6.0 h和7.5 h(对应实际宰后时间为2.0、3.5、5.0、6.5、8.0 h和9.5 h)进行LF-NMR横向弛豫时间(T2)和MRI测定。实验设计如表1所示。

表1 实验条件设计Table 1 Experimental design

1.2.2 LF-NMR弛豫时间分析

参照庞之列等[27]的方法,并作适当修改。将肉样放入直径30 cm样品管中,置于LF-NMR仪进行弛豫时间T2的测定,每个肉样平行测定2 次,取平均值。在32 ℃、22.4 MHz共振频率下,使用CPMG(carr-purcellmeiboom-gill)脉冲序列(90°脉冲和180°脉冲之间的时间τ=200 μs),重复扫描8次,每次间隔3 s,得到2 000个回波。t2b、A2b、P2b分别代表猪肉中结合水的最高出峰时间、峰面积和结合水占猪肉中总水分的百分比;t21、A21、P21分别代表的是猪肉中不易流动水的最高出峰时间、峰面积和不易流动水占猪肉中总水分的比例;t22、A22、P22分别代表自由水的最高出峰时间、峰面积和自由水占猪肉中总水分的比例。

1.2.3 低场核磁成像

MRI参考Caballero等[29]方法。采用SE成像序列实验,通过改变序列参数回波时间TE和重复时间TR来改变质子密度以及T2对图像的影响。本实验中,运用MRI成像软件及MSE多层自旋回波序列采集样品横断面的质子密度图像,肉样的放置和选层如图1所示。MRI成像参数:GSliceZ =1,GPhasey =1,GReadX=1,TR=800 ms,TE=11 ms,FOV Read=80 mm,FOV Phase=80 mm,累加8 次,K空间大小256×192;肉样选层厚度3.0 cm。

图1 样品测定方法示意图Fig. 1 Schematic diagram of the measurement method

1.3 数据统计分析

数据处理采用SAS 9.1.2软件分析系统,样品状态(带皮、不带皮)、冷却方式(风循环冷却、雾化喷淋冷却)和宰后时间对本实验指标的影响采用析因方差设计分析(factorial ANOVA),各处理组间的差异显著性采用Duncan’s多重比较法。

2 结果与分析

2.1 冷却方式和样品状态对猪肉冷却过程中水分弛豫时间的影响

2.1.1 对结合水的影响

图2 不同冷却方式和样品状态对猪肉中结合水t 2b 、A2b、P2b的=10)Fig. 2 Effect of chilling methods and sample status on t2b, A2band P2bin pork (n = 10)影响(n

如图2所示,冷却方式和样品状态对猪肉冷却过程中结合水的峰面积(A2b)和峰面积比(P2b)没有显著影响(P>0.05),但对结合水出峰时间(t2b)有显著影响(P<0.05)。对于风循环冷却组,带皮猪肉和不带皮猪肉的t2b随冷却时间延长呈增加趋势,而雾化喷淋冷却组呈降低趋势,在1.5 h时,带皮组t2b值明显高于不带皮组,在其他时间点没有显著差异。

2.1.2 对不易流动水的影响

图3 不同冷却方式和样品状态对猪肉中不易流动水t21、A21、P21的=10)Fig. 3 Effect of chilling methods and sample status on t21, A21and P21of immobilized water in pork (n = 10)影响(n

如图3所示,样品状态对猪肉中不易流动水的最高出峰时间(t21)没有显著影响(P>0.05),但冷却方式对t21有显著影响(P<0.05)。风循环冷却组,t21随着冷却时间的延长而逐渐下降(P<0.05),且带皮猪肉t21显著高于不带皮猪肉(P<0.05)。而雾化喷淋冷却组中,t21没有显著变化(P>0.05)。在雾化喷淋冷却组和风循环冷却组中,随着冷却时间延长,P21均呈现出现增加后保持稳定的趋势,但风循环冷却组在1.5 h时就达到稳定,而雾化喷淋冷却组在3.0 h时达到最大并保持稳定(P<0.05)。风循环冷却组中,A21随时间没有显著变化,而雾化喷淋冷却组表现出先增加后稳定的趋势(P<0.05)。

2.1.3 对自由水的影响

图4 不同冷却方式和样品状态对猪肉中自由水t22、A22、P22的=10)Fig. 4 Effect of chilling methods and sample status on t22, A22and P22of free water in pork (n = 10)影响(n

如图4所示,带皮和不带皮猪肉在冷却过程中自由水的峰面积(A22)及自由水在总水分中的比例(P22)都显著下降(P<0.05),尤其是在1.5 h内下降非常明显。带皮猪肉和不带皮猪肉之间没有显著差异(P>0.05)。雾化喷淋冷却组要略高于风循环冷却组(P<0.05),说明风循环冷却造成的蒸发损失更高。

2.2 冷却方式和样品状态对猪肉冷却过程中质量的影响如图5所示,带皮猪肉和不带皮猪肉在冷却过程中质量都呈现出显著差异(P<0.05),带皮猪肉和不带皮猪肉的质量损失没有显著差异(P>0.05),但风循环冷却组的质量损失明显高于雾化喷淋组(P<0.05),雾化喷淋冷却损耗抑制最高值在1.5%左右,而风循环冷却组则高达6%。因此,雾化喷淋冷却在减少冷却干耗方面的优势明显。

=10)Fig. 5 Effect of chilling methods and sample status on pork weight (n = 10)图5 不同冷却方式和样品状态对猪肉质量的影响(n

2.3 风循环冷却过程中低场核磁对猪肉水分成像

图6 风循环冷却(A)和雾化喷淋冷却(B)过程中LF-NMR对猪肉水分成像Fig. 6 Low-field nuclear magnetic resonance images of pork under blast chilling (A) or spray chilling (B)

由上述结果可以看出,在相同模拟冷却条件下,带皮猪肉和不带皮猪肉中水分迁移规律基本相似。雾化喷淋组和风循环冷却的变化趋势基本相似,但在时间变化点及数值上存在一定差异。为了进一步研究水分迁移规律,MRI图像可提供更为有用的信息。图6显示了带皮猪肉在风循环和雾化喷淋冷却过程中不同时间段的MRI(由上到下),红色部分表示水分加权高,即水分含量高;绿色部分表示水分加权低,水分含量少(图中未显示)。在0.0 h和1.5 h时,成像中水分加权很低,但其并不代表猪肉中水分含量少,而是因为测试物的温度差异导致信号强度有所差异,温度越高信号强度越弱,温度越低信号强度越高强。这一现象可反映猪肉在冷却过程中的温度变化。从整体来看,外侧猪肉的水分信号要高于内部水分;从单个图片来看,肉块四周信号要明显高于中间信号,这说明肉块的冷却过程由外向内的过程。在4.5 h时,猪肉中水分信号均匀,说明整个冷却过程基本完成。随着时间进一步推移,红色部分明显减少,绿色部分明显增加(图中未显示),说明在冷却后期水分发生迁移损耗。虽然内部的水分含量明显偏高,但是在后期其水分含量也明显下降,说明水分在向肉的外部迁移。所以,通过成像可以发现,水分先由肉块内部向外部迁移,再由外侧向空气中迁移。此外,从MRI图像中还可以看出,样品逐渐变小,主要是因为僵直收缩所致。

3 讨论与结论

本实验采用LF-NMR弛豫时间和MRI方法,研究了两种冷却方式下带皮猪肉和不带皮猪肉中水分迁移变化规律。鲜肉中的水分主要以自由水、不易流动水和结合水3 种形式存在[30]。自由水指的是肌肉中能够自由流动,存在于细胞外间隙中的水,它仅靠毛细管作用力而保持;不易流动水是指那些存在于肌原纤维、纤丝中约占总水分80%的水分;结合水是指与蛋白质大分子之间通过静电引力而紧密结合的一部分水分子。

实验发现,不同类型的猪肉在冷却过程中水分迁移规律相同,但水分损耗量存在一定的差异。结合水在猪肉总水分中的比例较少(约占4%左右),且和蛋白基团紧密结合,所以风循环冷却过程没有产生结合水迁移;而不易流动水的A21、P21呈先增加后降低趋势。带皮组中由于皮和脂肪的保护作用,不易流动水的变化相对较为缓和。在冷却起始阶段,可能会发生肌肉收缩,增加了单位体积中水分含量,起到“水分浓缩”作用,进而使A21、P21显著增加(主要是因为自由水比例高,所以A21和P21变化更为明显)。在后续冷却过程中,随着猪肉表面自由水被蒸发,表面内外水压力差增加,使内部的不易流动水携带热量不断向外部迁移、蒸发,从而导致猪肉中A21和P21在冷却后期显著降低。此外,低场弛豫时间t21也可以解释猪肉中不易流动水的损耗过程。弛豫时间t21越短,说明水分在猪肉内部被束缚的越紧,越不容易流失[28]。在风循环冷却开始阶段,带皮猪肉和不带皮猪肉的t21差异不显著,说明在这一阶段中猪肉的水分损耗都是自由水。结合MRI结果,风循环冷却初期,冷却干耗主要是自由水的损失;而后期冷却干耗则主要是部分不易流动水的损失。

和风循环冷却相似,雾化喷淋冷却中,猪肉表面水势因自由水的蒸发而增加,但在后续冷却过程中,通过喷洒适量的外源水来降低猪肉表面的水势差,以抑制不易流动水由内向外迁移,从而降低冷却干耗。

本实验研究了风循环冷却和雾化喷淋冷却条件下,带皮和不带皮猪肉水分迁移规律,发现在风循环冷却初期,猪肉冷却干耗主要源于自由水的损失;而后期的冷却干耗主要源于部分不易流动水的损失。雾化喷淋冷却通过向胴体或肉的外表喷洒适量的外源水,可降低肉表面内部和外表的水势,从而减缓不易流动水由内向外迁移,降低冷却干耗。

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Change in Water Mobility in Pork during Postmortem Chilling Analyzed by Low-Field Nuclear Magnetic Resonance

ZHANG Nan, ZHUANG Xinbo, HUANG Zixin, CHEN Yulun, LI Chunbao, ZHOU Guanghong*
(Key Laboratory of Meat Products Processing and Quality Control, Ministry of Education, Key Laboratory of Animal Products Processing, Ministry of Agriculture, Jiangsu Synergetic Innovation Center of Meat Processing and Quality Control, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Objective: This study was designed to explore the change in water mobility in skin-on and skin-off pork during blast chilling and spray chilling. Methods: Ten skin-on pork loins were obtained at 2 h postmortem and each loin was cut into 4 steaks (14 cm × 10 cm × 6 cm), the skin of two of which was kept and the other two were skinless. Skin-on and skinless steaks were individually subjected to blast chilling and spray chilling. At 0.0, 1.5, 3.0, 4.5, 6.0 and 7.5 h of chilling, transverse relaxation time (T2) and magnetic resonance images (MRI) were determined by low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) and sample weight was measured. Results: The A2band P2bchanged without statistical significance (P > 0.05), and the t21, A22and P22were significantly decreased during blast chilling (P < 0.05), while spray treatment significantly reduced A22and P22(P < 0.05), but it had no significant effect on A2b, P2b, t21, A21or P21(P > 0.05). The water mobility in skinless or skin-on pork under two chilling treatments was similar, while the evaporative loss was significantly affected by the treatments (P < 0.05). At the initial stage of blast chilling, the evaporative loss was mainly derived from free water, while it was immobilized water that contributed to the evaporative loss at the late stage. The spray chilling treatment could replace the immobilized water during the removal of heat from pork, resulting in a reduction of evaporative loss.

low-field nuclear magnetic relaxation time; low-field nuclear magnetic resonance imaging; evaporative loss; spray chilling; blast chilling

=104,ebook=111

10.7506/spkx1002-6630-201711017

TS251.1

A

1002-6630(2017)11-0103-07引文格式:

2016-11-25

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD19B01);江苏省农业自主创新项目(CX(15)1006);江苏省重点研发计划项目(BE2015372);国家现代农业(生猪)产业技术体系建设专项(CARS36-11);南京农业大学基本业务费专项(KYCYL201502);江苏省优势学科PADP项目

张楠(1981-),男,博士研究生,研究方向为畜产品加工与质量控制。E-mail:285913549@qq.com

*通信作者:周光宏(1960-),男,教授,博士,研究方向为畜产品加工与质量控制。E-mail:guanghong.zhou@hotmail.com

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