碱-酶联合脱毛法对牛皮营养成分与品质的影响

甜 甜,张松山,雷元华,谢 鹏,李天婵,2,张 杨,王 煦,孙宝忠,*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所,北京 100193 2.河北农业大学食品科技学院,河北保定 071000 3.新疆畜牧科学院畜牧研究所,新疆乌鲁木齐 830000 4.伊犁职业技术学院,新疆伊犁 835000)

我国作为畜牧业大国,肉牛总量及屠宰量位居世界前列。近年来,随着肉牛屠宰量的增加,产生大量的牛副产物——牛皮。我国牛皮质量不稳定、皮张小、牛皮天然性质较差与生成、加工技术的不成熟,导致牛皮制革产品质量差、经济效率低,开发利用率低[1]。但牛皮中仍含有大量蛋白质和胶原蛋白等营养物质,因此国内大多数学者将牛皮研究转向生产高营养、具有功能性成分的食用产品[2]。

牛皮产品生产过程脱毛是必不可少的步骤。目前牛皮脱毛方法有烫毛燎毛、蒸汽脱毛、灰碱法和酶法脱毛等[3],但这些方法存在毛根易残留、设备耗能较高、污染环境与酶法脱毛的控制条件要求较高等问题[4]。近两年较为新颖的碱-酶联合脱毛法具有高脱毛率、低耗能,操作简便、清洁无毒等优点。王艺伦等[5]研究了碱酶脱牛皮、牛蹄毛的方法,得到了最佳脱毛工艺参数,牛蹄脱毛率为92.51%,牛皮脱毛率为94.01%。李胜利等[6]通过碱酶结合脱毛的实验得到了牦牛皮脱毛液的最适配方,此方法脱毛干净,粒面层完好,无残留毛根。

尽管目前对此法进行了较多研究,但碱-酶联合脱毛法对牛皮营养成分和品质影响仍不十分清楚。因此,本实验对实验室已优化的碱-酶联合脱毛工艺进行牛皮脱毛并分析其营养成分及食用品质,以期为牛皮加工企业开发一项安全卫生及高效率的脱毛工艺,为牛皮产品深加工提供理论基础,提高牛皮附加值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜牛皮 河北省定兴县燕园畜禽屠宰加工有限公司;氢氧化钠(食品级) 乌拉特前旗津裕化工有限公司;中性蛋白酶(20000U/g) 南宁庞博生物工程有限公司。

JR-1针式温度计 广州乐亭电子有限公司;TA.XT Plus型质构仪 英国Stable Micro System公司;BS214D型电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;HH-4型可调恒温数显水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;CR-400型色差计 北京柯美润达仪器有限公司;HI199163型pH酸度计 美国哈纳沃德仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 牛皮前处理 选取正常、健康的西门塔尔成年牛牛皮,清洗、休整、分割,于-20 ℃保存,备用。用于牛皮的营养成分及品质分析。

1.2.2 碱-酶联合脱毛方法 牛皮经解冻、洗净,在浓度为2%食品级氢氧化钠中常温浸泡2～3 h,用刮毛器刮掉表面长毛,剩下残余毛根部分。刮毛后的牛皮经水洗,pH调至中性。选取酶液浓度为2000～3000 U/mL的中性蛋白酶,常温作用10～12 h后,刮掉残留毛根,得到脱毛牛皮[7]。

1.2.3 营养成分分析 水分测定;采用直接干燥法,具体参照GB/T 5009.3-2016《食品中水分的测定》[8];

蛋白质测定:采用凯氏定氮法,具体参照GB/T 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》[9];

脂肪测定:采用酸水解法,具体参照GB/T 5009.6-2016第二法《食品中脂肪的测定》[10];

脂肪酸测定:采用归一化法,具体参照GB/T 5009.168-2016《食品中脂肪酸的测定》[11];

氨基酸组成分析:参照GB/T 5009.124-2016《食品中氨基酸的测定》对牛皮中氨基酸组成和含量测定[12]。

氨基酸评分(Amino Acid Score,AAS),食物蛋白质中的必需氨基酸和理想模式中相应的必需氨基酸比例,理想氨基酸模式采用FAO(Food and Agriculture Organization,FAO)提出的模式。

AAS=样品蛋白质中氨基酸含量(mg/g)/WHO/FAO评分标准模式中相应必需氨基酸含量(mg/g)

式(1)

微量元素:镁、锰、锌、铜、硒、铁、钠、钾、钙参照GB/T 5009.268-2016《食品中多元素的测定》测定[13];

重金属含量:总砷、总汞、铅、铬,分别参照GB/T 5009.11-2014第一篇 第二法《食品中总砷及无机砷的测定》[14]、GB/T 5009.17-2014第一篇 第一法《食品中总汞及有机汞的测定》[15]、GB/T 5009.12-2017第一法《食品中铅的测定》[16]、GB/T 5009.123-2014《食品中铬的测定》[17]测定。

1.2.4 食用品质分析

1.2.4.1 pH 采用便携式pH计测定鲜肉的pH,探头插入深度为2 cm,每个样品连续测定3次,取平均值。

1.2.4.2 色差 采用色差仪分别测定牛皮亮度值(L*)、红度值(a*)和黄度值(b*),连续测定3次不同切面,重复三次,取平均值。

1.2.4.3 剪切力 参照我国农业行业标准《肉嫩度的测定——剪切力测定法》(NY/T 1180-2006)稍作修改,切取长宽厚约3 cm×1 cm×1 cm的牛皮测定剪切力(代表嫩度)[18]。

1.2.4.4 质构分析 使用质构仪测量四组样品的质构,以T型探头(P/5)压缩肉干高度的50%时所感应的受力测定肉的硬度、咀嚼性、内聚性和粘聚性,重复3次,取各自平均值,进行显著性分析。测试相关参数为:测前速度2.0 mm/s,测中速度1.0 mm/s,测后速度1.0 mm/s,两次下压间隔时间5.0 s。

1.2.4.5 蒸煮损失率 截取长宽厚度约为6 cm×3 cm×1 cm的牛皮样品,将称量好的牛皮(m1)装入蒸煮袋,放入80 ℃的恒温水浴锅中,用热电偶测温仪测量肉样中心温度,待牛皮中心温度达到70 ℃时,将肉样取出冷却至中心温度为0～4 ℃,测量蒸煮后的肉样(m2)[19]。蒸煮损失按式(2)计算:

蒸煮损失=(m1-m2)/m1×100

式(2)

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 碱-酶联合脱毛对牛皮营养成分影响

表1为碱-酶联合脱毛对牛皮主要营养成分-蛋白质、脂肪以及水分含量的影响。由表1可知,牛皮的营养成分除水分以外,主要为蛋白质。牛皮和脱毛后的牛皮中蛋白质含量高达35.81%和30.92%,属于含量较高的蛋白质类食品[2,20]。经碱-酶联合脱毛,牛皮中脂肪含量变化不明显;蛋白质含量降低4.89%,说明蛋白酶作用于牛皮中蛋白质,促使蛋白质发生降解,从而含量有所降低;水分含量增加2.3%,蛋白酶能在一定程度上使蛋白结构发生变化,吸附水分使含水量增加,这与肖夏等[21]的研究相符。

表1 牛皮中水分、蛋白质、脂肪含量(%)Table 1 Moisture,protein and fat content of cowhide(%)

2.2 碱-酶联合脱毛对牛皮氨基酸组成影响

氨基酸是组成蛋白质的基本单元。从氨基酸种类和含量,可判断出该原料蛋白质是否属于优质蛋白质以及其他相关性质和功能[22]。表2为牛皮中氨基酸在碱-酶联合脱毛作用下的变化。

由表2可知,牛皮和脱毛牛皮中氨基酸含量丰富,均检出16种氨基酸,其中谷氨酸、丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸、精氨酸为主要氨基酸组成。经碱-酶联合脱毛牛皮中所有氨基酸含量,包括人体必需氨基酸(*)含量、药用氨基酸(#)含量均有不同程度的降低。说明碱和酶作用于牛皮,分解皮中蛋白质,导致蛋白质含量降低,且部分氨基酸溶于碱水中,氨基酸含量随之降低,这与李敬等[23]的研究相一致。

表2 牛皮中氨基酸组成(g/100 g)Table 2 Amino acid composition of cowhide(g/100 g)

氨基酸除一般的营养功能外,还具有呈味作用。风味氨基酸可分为鲜味氨基酸(Asp、Glu、Lys)、甜味氨基酸(Thr、Ser、Ala、His、Pro)和苦味氨基酸(Val、Met、Ile、Leu、Arg)和芳香族氨基酸(Cys、Tyr、Phe)四类[24]。表3为不同风味氨基酸在碱-酶联合脱毛作用下的变化,可以看出,牛皮中甜味氨基酸含量最高,占TAA的29.33%,其次分别为鲜味氨基酸、苦味氨基酸和芳香族氨基酸,分别占TAA的22.14%、17.42%和2.49%。其中甜味氨基酸和鲜味氨基酸之和占比高达51.47%,这与牛皮的风味有直接关系[25]。经碱-酶联合脱毛,牛皮中除了芳香族氨基酸以外的其它3种风味氨基酸占TAA的比例均不同程度降低。

表3 牛皮中功能性氨基酸的含量Table 3 Contents of functional amino acids of cowhide

各氨基酸之间的比例是衡量食物营养价值的重要指标[26]。将牛皮中必需氨基酸与FAO/WHO模式氨基酸谱进行对比,从而得出氨基酸评分。表4为牛皮中必需氨基酸评分(AAS)在碱-酶联合脱毛作用下的变化,可以看出,经碱-酶联合脱毛牛皮氨基酸评分均有所下降。牛皮中必需氨基酸的AAS均低于FAO/WHO标准,与李敬等[23]研究的烫毛燎毛和酶法脱毛牛皮中AAS分析结果一致。因此,可根据蛋白质互补理论,将经碱-酶联合法脱毛后的牛皮食品与其他蛋白质互补,提高各种食品的营养价值。

表4 牛皮中必需氨基酸评分(AAS)Table 4 Essential amino acid scores(AAS)of cowhide

2.3 碱-酶联合脱毛对牛皮脂肪酸组成的影响

脂肪酸是机体主要能量来源之一[27]。表5为牛皮中脂肪酸在碱-酶联合脱毛作用下的变化。由表5可知,牛皮和脱毛牛皮中分别检出19和18种脂肪酸,多于李敬等[23]测定的8种(烫毛燎毛的牛皮)和5种(酶法脱毛的牛皮)脂肪酸。脱毛前后牛皮总脂肪酸含量差异不显著。牛皮中主要以油酸(C18∶1n9c)和棕榈酸(C16∶0)为主,含量分别为24.16和21.26 g/100 g,这与胡晶红等[28]的研究结果相似。

表5 牛皮中脂肪酸含量(g/100 g)Table 5 Fatty acid contents of cowhide(g/100 g)

脱毛前后牛皮中饱和脂肪酸均以豆蔻(C14∶0)、棕榈酸(C16∶0)和硬脂酸(C18∶0)为主,含量分别为11.28、21.26、11.41和2.63、26.38、12.12 g/100 g,其中两种皮棕榈酸(C16∶0)的含量均为最高,分别占总脂肪酸含量的21.26%和26.38%。经脱毛,牛皮中除了C16∶0、C17∶0、C18∶0三种饱和脂肪酸含量升高之外其他6种饱和脂肪酸含量均降低。

牛皮中不饱和脂肪酸主要由油酸(C18∶1n9c)、亚油酸(C18∶2n6c)、棕榈油酸(C16∶1n7c)为主。油酸是一种安全的脂肪酸,容易被人体消化吸收还有助于人体对胆固醇和脂肪的摄入量。未脱毛牛皮中油酸含量为24.16 g/100 g,经脱毛后升高至35.58 g/100 g,高于金樽鱼皮(32.44 g/100 g)[29]。经碱-酶联合脱毛牛皮中除了豆蔻油酸和棕榈油酸以外其它不饱和脂肪酸的含量均有所降低,单不饱和脂肪酸含量显著升高12.89%,而多不饱和脂肪酸含量则显著降低7.53%。经碱-酶联合脱毛牛皮中亚油酸含量显著降低,而α-亚麻酸完全消失。说明碱和酶促进部分脂肪酸的合成,同时对大部分脂肪酸有分解作用。

2.4 碱-酶联合脱毛对牛皮矿质元素组成影响

含有多种微量元素的食物是人体矿物质营养的主要来源[30-31]。微量元素可根据其对人体健康的作用分为三类:必需元素、非必需元素和有害元素。表6为牛皮矿质元素在碱-酶联合脱毛作用下的变化。可以看出,牛皮中人体必需营养素有钙、镁、钾、钠、硒、铁、锰和铬等,其中钙、镁、钾和钠等常量元素含量较高,分别为10.87、5.62、33.92、83.44 mg/100 g。经碱-酶联合脱毛,钠和钾含量分别降低48.42%和90.04%,这是由于Na+和K+与水中OH-结合溶于水中而导致。钙和镁的含量分别增加1倍和0.31倍,铁含量增加0.2 mg/100 g,说明碱和酶作用于蛋白质,其中氨基酸分子链被打破,与水中钙镁铁发生螯合作用,导致牛皮中钙镁铁含量增加。经脱毛牛皮中硒的含量从3.68 μg/100 g降至1.72 μg/100 g。牛皮中锰和铬含量甚微,脱毛后含量未发生变化。牛皮中未检测出总铅、总汞及总汞三种有害元素。

表6 牛皮中矿质元素Table 6 Mineral elements of cowhide

2.5 碱-酶联合脱毛对牛皮食用品质影响

由表7可以看出,碱-酶联合脱毛方法脱毛前后的牛皮亮度值没有显著性差异,红度值和黄度值均存在显著性差异,由于碱作用于牛皮而导致脱毛后牛皮pH略有升高。

表7 牛皮色差值和pHTable 7 CIELAB and pH of cowhide

经碱-酶联合脱毛牛皮蒸煮损失由5%升至30%,说明碱和酶对牛皮中胶原蛋白具有破坏作用,有大量水溶性蛋白溶出,导致对其造成一定的收缩和损失,从而引起较高的蒸煮损失,这与何龙等[32]的研究相符。

表8 脱毛处理对牛皮质构变化影响Table 8 Effect of dehairing on texture of cowhide

图1 脱毛对牛皮蒸煮损失的影响Fig.1 Effect of dehairing on cooking loss of cowhide

持水力作为肉品的重要品质指标之一,与肉品的质量密切相关。由图2可以看出,经碱-酶联合脱毛牛皮持水力显著下降25%(P<0.05)。蛋白酶能在一定程度上使蛋白结构发生变化,吸附水分使含水量增加,但也会因为酶解导致肌纤维间空隙增大而不能保持水分,这与明建等[33]的研究相符。

图2 脱毛对牛皮持水力的影响Fig.2 Effect of dehairing on water hold capacity of cowhide

嫩度是最重要的适口性指标之一,而剪切力可以直接反映肉品嫩度客观评定指标。经过碱-酶联合脱毛牛皮剪切力值降低42%,大大提高了牛皮的嫩度,蛋白酶可以分解胶原蛋白和弹性蛋白,从而达到使肌纤维断裂、松软,不仅提高嫩度还有利于人体消化吸收[34]。

图3 脱毛对牛皮剪切力的影响Fig.3 Effect of dehairing on shear force of cowhide

质构反映了食品的物理特性和组织结构,经碱-酶联合脱毛处理后牛皮硬度、胶着度、咀嚼性显著降低(P<0.05),弹性、粘聚性有所减低,蛋白酶使肉品肌纤维间空隙加大,间接导致弹性、内聚性降低,这与刘兴余等[35]的研究相符;在碱和酶作用下牛皮水分、弹性蛋白和胶原蛋白等物质自身结构状态发生改变,同时相互间的作用也发生变化,因而造成弹性变化[33],进而可以改善牛皮嫩度。

3 结论

牛皮中营养成分除了水分,主要以蛋白质为主,脱毛过程中碱和酶的化学、电离(—OH—O—)和酶解作用会水解部分蛋白质。牛皮中含有16种氨基酸,经碱-酶联合脱毛,牛皮中16种氨基酸含量均有所降低,且必需氨基酸的AAS均低于FAO/WHO标准。碱和酶会促进部分脂肪酸的合成,同时对大部分脂肪酸有分解作用。牛皮中含有较高含量的钙、镁、钾和钠等常量元素,经碱-酶联合脱毛,钠和钾含量分别降低48.42%和90.04%,钙和镁的含量分别增加1倍和0.31倍。针对食用品质而言,碱和酶对牛皮中胶原蛋白质具有破坏作用,致其一定程度的收缩和损失,提高蒸煮损失。除此之外,碱作用于牛皮,使牛皮细胞破壁,破坏蛋白质形成的网状结构,导致大量水分和有机物质溶出,使其保水性降低。通过碱-酶联合脱毛方法可降低牛皮剪切力值,降低硬度、胶着度、咀嚼性,可有效改善牛皮的嫩度。