肌肉嫩度的影响因素及pH调节牛肉嫩化技术研究进展

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(1.河南农业大学食品科学技术学院,河南郑州 450002; 2.伊犁综合试验站,新疆伊犁 835000; 3.宿州综合试验站,安徽宿州 234000)

随着生活水平的提高,消费者对于肉制品有了更高的要求,在营养上人们追求高蛋白质含量和低脂肪含量,在口感上则追求更好的嫩度和多汁性。牛肉因其具有独特的风味、营养价值较高[1]等优点深受广大消费者的欢迎,但市面上出售的牛肉产品普遍存在肉质硬、嫩度差等缺陷,很难咀嚼,因此牛肉在加工过程中需进行嫩化处理。常用的牛肉嫩化处理方法有以下三类:物理嫩化法:低温成熟[2]、高压处理[3]、机械嫩化、电刺激法和超声波嫩化法[4];生物嫩化法:酶法嫩化[5];化学嫩化法:盐法[6]和pH调节法。

传统牛肉嫩化方法如物理嫩化法、生物嫩化法和盐法嫩化往往操作复杂,成本较高,还可能对牛肉的食用品质造成一定的影响。pH调节法是一种安全有效的提高牛肉嫩度的方法。经pH调节法嫩化处理的牛肉肉质柔软多汁、具有特殊的风味,且该方法操作简单、成本较低,正受到越来越多牛肉加工企业的欢迎。本文通过论述肌肉嫩度的主要影响因素,详细介绍pH调节法的作用机理以及pH调节法在牛肉中的主要应用,为新型牛肉嫩化技术的研究与应用提供参考。

1 肌肉嫩度的影响因素

1.1 嫩度形成基础

肉的嫩度是指肉入口咀嚼时,牙齿咬断肉的难易程度、咀嚼肉的难易程度和咀嚼后的残留量[7],可由沃布剪切力法、穿刺法[8]、压缩法[9]及拉伸法[10]进行测定,现常用的方式是沃布剪切力法,它是利用剪切过程中产生的力来衡量肌肉嫩度。在一定范围内剪切力与嫩度呈负相关,因此可通过测定剪切过程中的最大剪切力来量化嫩度。从本质上讲,肌肉的嫩度取决于三个因素,即:肌纤维特性(如肌纤维直径、类型和密度等);肌原纤维蛋白特性(肌原纤维蛋白种类、降解程度等);肌内结缔组织的特性(胶原蛋白含量、类型及交联程度等)。这三种因素主要由宰前因素(如种类、基因型、性别、年龄、肌肉部位、营养状况和宰前压力等)和宰后因素(如宰后僵直、成熟、电刺激、吊挂及人工嫩化等)决定。

1.2 决定肌肉嫩度的主要因素

1.2.1 肌纤维特性 肌纤维是肌肉组织的基本组成单位,不同种类不同部位的肉,肌纤维在直径、类型、密度和肌节长度等方面差异很大,因此肉的嫩度也有不同。Hammond等[11]认为,肉的质地是肉眼看到的肌肉纵切面中肌束的大小。谌启亮等[12]研究了不同月龄西门塔尔杂交牛背最长肌肌束的大小剪切力的关系,发现随着肌束的增大,牛肉背最长肌剪切力增大,嫩度减小。这说明肌束的大小直接影响肌肉嫩度。肌束的大小与肌纤维的数量和直径有关,但一些研究表明,肌纤维直径才是影响嫩度的更主要的因素[13]。肌肉的嫩度通常以切割肉的难易程度来体现,肌纤维的直径越粗,切断肌肉所需要的力越大,肉的嫩度就越差。有关猪背最长肌中快收缩肌纤维的直径与其硬度的关系的研究也证实了肌纤维直径与肉的硬度呈正相关[14]。

肌纤维类型同样是影响肌肉嫩度的因素之一[15]。通常把肌纤维粗略的划分为两种,一种是红肌(Ⅰ型)纤维,其直径细,以有氧代谢为主[16-17];另一种是白肌(Ⅱ型)纤维,其直径粗,以糖酵解代谢为主。在宰后成熟过程中,红肌的嫩化效果不如白肌。这是因为不同类型的肌肉,蛋白质水解能力不同。白肌中蛋白酶与其抑制剂的比例比红肌大,因此在成熟过程中白肌的变化更快,能够在较短时间内达到酸性pH条件,酸性条件下,肌纤维蛋白表面电荷正电荷增强,肌纤维间静电作用力增大,更多的水被容纳。因此白肌含量高的肌肉在宰后成熟的过程中嫩化效果较好。

肌纤维密度指单位面积内肌纤维的数目,是影响肌肉嫩度的另一主要因素。肌纤维密度越大,单位面积内肌纤维排列越紧密,数目越多;密度越小,单位面积内肌纤维的数目越少[18]。大量研究表明[19-20]肌纤维密度与嫩度呈显著的正相关,这是因为单位面积内肌纤维的数目越多,单个肌纤维的直径越细,因此肌纤维密度越高,肌肉嫩度越大[21]。

肌原纤维中含有80%左右的水和20%左右的蛋白质,肌肉中大量的水分与蛋白质的极性基团结合,形成水合离子,这是肌肉保持水分的主要原因,也是肌肉硬度和嫩度形成过程中的重要影响因素[22]。肌肉的嫩度部分取决于蛋白质分子之间的相互作用,蛋白质的水解程度、保水能力和溶胀程度直接影响肌肉的嫩度[23]。

成熟过程中肌肉的嫩化过程可以简单的看作肌肉蛋白质降解的过程[24-25]。肌肉内存在的蛋白水解酶系统总共有三大类:溶酶体组织蛋白酶类、蛋白酶体类和钙激活酶类。一些研究认为溶酶体组织蛋白酶类和蛋白酶体参与钙激活酶体系宰后成熟过程中肌肉的嫩化过程[26-27],但更多的研究[25,28-29]表明溶菌酶组织蛋白酶类在肌肉成熟过程中与肌肉剪切力几乎没有相关性,溶菌酶组织蛋白酶类与蛋白酶体对宰后成熟过程中肌肉的嫩化并无贡献。钙蛋白酶体系在宰后成熟过程中对肉类的嫩化起决定性作用。钙激活酶的含量和活性越高,成熟对肉的嫩度改善越大[30]。当Ca2+浓度较低时,Ca2+主要通过激活Calpains发挥蛋白降解活性使肌原纤维断裂。当Ca2+浓度较高,Ca2+除了通过激活Calpains发挥蛋白酶降解作用外,较高的离子强度对肌原纤维结构的裂解同样可以起到促进作用[31]。

1.2.2 肌内结缔组织特性 结缔组织是肌肉中的次要组成部分,主要由胶原纤维构成,其主要成分是胶原蛋白。研究表明,肌肉的嫩度与肌束膜和肌内膜中胶原蛋白含量和胶原纤维的直径有关,而肌束膜是导致不同部位肉嫩度差异的主要因素[32]。Brooks等[33]的研究表明,不同部位牛肉的肌束膜厚度不同,是导致其嫩度存在差异的决定性因素。肌束膜越厚,肌肉嫩度越差[34]。在宰后成熟的后期,肌束膜破裂,肌内膜紧密的结构发生变形,肌束膜内胶原纤维排列疏松,肌束膜部分溶解,肌肉嫩度增加,这些变化都发生在成熟14 d以后[35-36]。

胶原蛋白的含量和种类与肉的嫩度呈现显著相关性。其中胶原蛋白的含量与肌肉嫩度负相关,可溶性胶原蛋白含量与肌肉的嫩度正相关。结缔组织在成熟早期对肌肉的嫩度基本不产生影响,这是因为结缔组织很难分解,因此在成熟过程中基本没有变化[37]。当成熟引起的肌原纤维蛋白降解减少后,结缔组织含量对于肌肉嫩度变化的影响成为主要因素[38]。刘安军等[39]通过研究AA肉鸡在生长过程中肌肉内胶原蛋白与剪切力的关系,发现肌肉中胶原蛋白的含量与肌肉嫩度呈显著相关关系。随着年龄的增长,胶原蛋白总含量变化不显著,但是蛋白热溶解性随月龄的增加而降低,肌肉嫩度因此下降。肌肉的结缔组织组成与胶原蛋白种类对嫩度也有较大影响,热不稳定胶原蛋白[40]或可溶性胶原蛋白[41]的比例增加,肉的嫩度也相应提高。

2 调节pH改善嫩度

2.1 调节pH嫩化机制

中国自古以来有在烹调牛肉时加入食醋或碱面以改善牛肉嫩度的习惯,在国外同样有用腌制液(由糖、油、调味料和一种酸组成,这种酸可能是醋或果汁)来使牛肉嫩化的行为。大量研究表明,腌制液对肌肉的嫩化效果取决于其对肌肉pH的调节能力。Griswold[42]和Hoat等[43]报告说,在弱酸中,牛肉嫩度没有增加。但是,Lind等[44]用55%(v/v)醋酸溶液浸泡48 h(pH2.85)的牛肉,发现肉的嫩度提高,可以确定的是腌制液的作用是通过改变肌肉的最终pH而改变肉的物理和/或化学性质来实现的。

许多研究表明肌肉最终pH与嫩度密切相关[45]。Miles等[46]报告说,剪切力值随兔肌肉pH的增加呈线性下降。但在腌制时期改变肌肉pH使其增加或降低是否依然可以引起肌肉剪切力的变化,Harrell等[47]对此进行了研究,他们向牛肉中注射柠檬酸使其pH偏离等电点下降,结果发现,当牛肉的pH低于等电点降低时,牛肉的剪切力下降。结果证明在腌制时期改变牛肉的pH,同样能有效改善牛肉嫩度。Rao等[48]在牛肉中注射醋酸并测定其嫩度变化,得到了同样的结果。现在普遍被认为与肌肉嫩化显著相关的作用机制主要有三个方面:一是调节pH引起蛋白质表面静电荷变化从而提高肌肉保水性;二是调节pH引起蛋白质降解;三是对结缔组织的软化作用。

2.1.1 蛋白质表面静电荷变化 肉在腌制过程中,调节肌肉pH对肌肉嫩化的影响主要与蛋白质表面静电荷变化提高肌肉保水性有关。pH与肌肉保水性密切相关[49-51],pH主要通过对肌原纤维静电荷的影响从而影响肌肉保水性和嫩度[52]。韩敏义等[53]利用低场NMR研究pH对肌原纤维蛋白的影响,发现随着肌肉pH改变(升高或降低),肌肉pH逐渐偏离肌原纤维蛋白质等电点(约5.0～5.2),蛋白质表面负电荷增加,形成了更多与水分子结合的氢键位点,肌原纤维蛋白吸水膨胀;同时随着负电荷的增加,蛋白质分子间的静电斥力增加,引起肌丝的相互排斥,肌原纤维膨胀变粗,肌纤维间的间隙增大,更多的水被保留下来[54-55],肉质变嫩。

2.1.2 蛋白质降解作用 牛肉成熟过程中肉质嫩度变化的一个重要原因是肌原纤维中维系肌原纤维结构完整的蛋白和其他相关的蛋白质发生了降解,这些蛋白包括肌原纤维联接蛋白、肌原纤维肌膜链接蛋白和肌细胞基板连接的蛋白等。费英[56]、张兴[57]等研究了pH对肌原纤维蛋白二级结构的影响发现,随着肌肉pH偏离等电点(pI)向中性靠拢,蛋白质二级结构改变,其中α-螺旋含量增加,肌肉保水性增加。周心雅等[58]关于酸碱度变化对兔肉肌原纤维蛋白的影响研究也说明:随着肌肉pH偏离等电点,肌原纤维蛋白的溶解度增大。这是因为调节肌肉pH可以影响肌原纤维蛋白氨基酸侧链上的电荷分布,改变蛋白质的分子间作用力,影响蛋白质及其热诱导凝胶的非共价键作用力和结构。也有一些研究提出pH调节通过间接途径对蛋白质降解起作用,如通过对溶酶体的破坏以激活或释放蛋白水解酶而起作用[59]。

2.1.3 结缔组织变化 结缔组织中胶原蛋白含量及其状态是影响肌肉嫩度的一个重要因素,降低肌肉中胶原蛋白含量、改变其存在状态可以有效改善肌肉的嫩度。肌束膜和肌内膜是肌肉结缔组织的主要成分,一般认为肌束膜胶原蛋白比肌内膜胶原蛋白对肌肉嫩度的影响大。常海军等[60]关于三种弱有机酸对肌束膜胶原蛋白和肌内膜胶原蛋白影响的研究结果表明,经三种有机弱酸处理后的牛肉肌束膜胶原蛋白和肌内膜胶原蛋白都有一定程度的变性溶解,其原因可能与被改变的 pH以及离子强度有关。改变牛肉pH还可以改变胶原蛋白的性质,王复龙[61]研究了苹果酸对于牛背最长肌结缔组织特性和剪切力的影响发现,改变牛肉pH可以有效降低胶原蛋白的热稳定性,从而改善牛肉的嫩度。这些报道证实了改变肌肉pH对于结缔组织的作用是pH嫩化法一项重要的作用机理。

2.2 pH调节技术嫩化牛肉的应用

2.2.1 单一酸碱嫩化 乳酸、醋酸、柠檬酸、苹果酸等食用弱酸和碳酸钠、碳酸氢钠等是应用于牛肉嫩化的常用弱碱,它们往往单一使用或配合其他添加剂来调节牛肉pH使其升高或降低,以达到嫩化牛肉的效果。使用的方式包括涂抹、喷淋、浸泡、注射等;一般来说浸泡和注射腌制嫩化效果最佳。

乳酸是一种普遍存在于生物体内的有机弱酸,是一种无氧代谢的产物。乳酸常被单独使用注射到牛肉中起到嫩化牛肉的作用。研究报道,注射法是乳酸嫩化牛肉常用的一种方法,可以使乳酸在肌肉内快速扩散,强化乳酸对牛肉的嫩化作用[62-63];在宰后不同时间用乳酸对牛肉进行注射的研究发现,乳酸可以使结缔组织中不溶性胶原蛋白的含量显著下降;Berge等[64]研究了 成熟2 d的牛肉注射乳酸,发现剪切力等质构特性的到了明显改善。然而,直接注射乳酸会引起肌肉组织局部乳酸浓度过高,影响牛肉品质。因此,注射乳酸的同时进行机械滚揉,可以促进使乳酸在肌肉组织中的均匀分布,减少对牛肉的品质的影响。

醋酸是一种常用的食品添加剂,被广泛应用于调料品行业,主要用来生产食醋。中国自古以来就有在炖煮牛肉中加入食醋以达到提高牛肉嫩度和风味的习惯。目前已有很多研究证实了醋酸可被应用于肉制品的腌制过程中起到嫩化肉质作用,如Ertbjerg等[65]使用醋酸预腌制牛肉探究醋酸对牛肉嫩度的影响,结果显示醋酸能够明显改善牛肉嫩度。因其具有成本低廉易得等优点,可被广泛应用的工业生产中。

柠檬酸又称拘椽酸,是食品工业中用量最大的酸味剂。在食品行业中,柠檬酸被大量用于生产糖果和饮料,在肉制品中,柠檬酸一般作为抗氧化剂增效剂来使用。Meltwm等[66]将柠檬酸和葡萄柚汁用于肉类的腌制中,发现柠檬酸具有很好的改善肉类嫩度和食用品质的作用。Decker等[67]研究了柠檬酸对牛肉嫩度、微观结构及氧化稳定性的影响,结果表示柠檬酸能很好的改善牛肉嫩度提高牛肉的氧化稳定性。因而柠檬段可以很好的应用于肉类嫩化作为一种效果优良的嫩化剂,且其价格低廉易得,可以被广泛的应用于工业生产中。

苹果酸是食品行业中另一种常见的酸度调节剂,因主要存在苹果中得名。它是三羧酸循环的重要中间产物,易被人吸收,其口感接近于天然果汁,广泛应用于酒类、饮料、果酱多种食品中。但是目前有关苹果酸在肉品的加工应用不多,Burke等[68]发现柑橘汁能有效改善牛肉嫩度,柑橘汁中含有大量的苹果酸,猜测柑橘汁对牛肉的嫩化作用可能与苹果酸可以提高牛肉对汁液的吸收率以及提高结缔组织溶解度有关。猕猴桃果肉中也含有大量的苹果酸,Toohey等[69]使用猕猴桃果肉对牛肉进行腌制,结果发现牛肉嫩度显著提高。考虑到其潜在的应用价值,其对于肉制品嫩度的改善应该受到关注。

碳酸钠又叫纯碱,白色结晶颗粒,分为食用和非食用两种,非食用主要应用于玻璃制造;食用碳酸钠在食品工业中常被用来膨松剂和中和剂,用于生产酱油味精和面制食品如馒头、面包等;还可配成碱水加入面食中增加弹性和延展性。碳酸钠作为一种食用碱注射入牛肉中,能有效的调节牛肉肌肉pH,通过加碱来提高肉的 pH可以有效提高牛肉保水能力,减少蒸煮损失,改善牛肉色泽并使肌原纤维蛋白和胶原蛋白变性溶解,减少结缔组织,从而使肉的嫩度提高[70]。碳酸钠在肉制品中的应用报道较少,有李劼等[71]研究了纯碱对酱牛肉品质的改善作用,发现添加0.4%的纯碱的酱牛肉剪切力最小、嫩度最大,嫩化效果较好。

碳酸氢钠又叫小苏打,有弱碱性,在国标《GB 1886.2-2015食品安全国家标准食品添加剂 碳酸氢钠》中是一种可以根据需求添加的食品添加剂。碳酸氢钠因其具有弱碱性,可以很好的作为酸碱调节剂使用因此近来常被用作肉制品的复合腌制剂。在肉类嫩化的研究中,李劼等[72]将碳酸氢钠应用于酱牛肉的制作中,发现肉质量0.4%的碳酸氢钠处理的酱牛肉嫩度最好。许道光等[73]研究了碳酸氢钠与氯化钠复合作用对牛肉食用品质的影响,发现5%的碳酸钠+5%的碳酸氢钠可以很好的改善牛肉嫩度,提高牛肉品质。

2.2.2 多种酸碱共同作用 多种有机酸、碱除了可以单独作用于牛肉的嫩化,还有许多关于多种有机酸、有机酸与盐或外源酶、碱与盐的复合嫩化剂的研究。Akta等[74]通过DSC和SDS-PAG证实在乳酸和醋酸与NaCl和CaCl2两种盐共同处理16 h时,牛肉的嫩度达到最高,且背最长肌中结缔组织的热变形温度降低,胶原蛋白发生降解。常海军等[60]也发现,醋酸、乳酸、柠檬酸在NaCl存在下对牛肉肌肉的结缔组织有很好的降解作用,且三种酸结合比单一酸作用嫩化作用效果显著。尚祖萍等[75]研究了由磷酸盐和碳酸氢钠而成的嫩化剂重组牛排的嫩化效果,结果得出得出最佳嫰化工艺配方为复合磷酸盐:杨鸿基等[76]利用氯化钙-木瓜蛋白酶-碳酸氢钠嫩化体系改善原切牦牛牛排的嫩度,发现氯化钙质量浓度 10.19 mg/mL、木瓜蛋白酶活力 14.94 U/g、碳酸氢钠质量浓度10.95 mg/mL、腌制时间12 h时嫩化效果最佳。随着牛肉加工产业的发展,多种有机弱酸、有机弱酸与盐或外源酶、碱和盐复配嫩化剂的研发成为一种嫩化剂研发新方向。

3 结语与展望

牛肉营养丰富、风味独特,深受消费者的喜爱,但其肉质硬、不易咀嚼。酸碱调节剂不仅可以提高牛肉的色、香、味、嫩度以及口感,并且没有任何不良风味的产生,具有安全、卫生、无毒的特点,是一种新型的、极有前途的牛肉嫩化剂。未来研究者将会对pH调节技术嫩化牛肉的机理以及不同产品中酸碱调节剂种类、添加量和添加方式的选择等技术方面有更深入的研究,使pH调节技术成为一种更加完善可以普遍使用的新型牛肉嫩化技术。