不同干燥方式下黄牛肉水分分布迁移规律研究

马慧俐 王松磊 贺晓光 田建文

(宁夏大学农学院,宁夏 银川 750021)

泾源黄牛肉是宁夏固原市泾源县的特色产业,也是六盘山区农民增收的支柱产业。泾源县境内的沙壤土结构分层合理,含有丰富的矿物质和有机成分;水草偏碱性,得天独厚的气候、草畜资源条件孕育了该地区黄牛肉口感香嫩、风味独特、营养滋补、低胆固醇等品质。2016年泾源黄牛肉被评为国家农产品地理标志保护产品,享有“牛肉中骄子”的美称[1]。牛肉干是一种常见的传统休闲风干肉制品,由于口感优良、便于携带、储存期长以及可提供大量热量而被大众所追捧,占据了全球肉干市场约70%的份额[2]。水分作为牛肉中的重要组成成分,其含量、分布和存在状态对牛肉的质构、风味、营养品质和稳定性均会产生影响[3-4]。肉制品经过干燥工序后,可以降低其水分含量和水分活度,并减少微生物的污染,提高产品的稳定性和安全性[3]。因此,研究干燥过程中食品内水分迁移规律对干燥工艺的优化和产品品质的提高具有重要意义[5]。目前牛肉干燥常用的方法主要包括自然风干、热风干燥、真空干燥、微波干燥等[6],但这些传统干燥技术相对落后,干燥耗时长、耗能大,产品批次间品质不稳定。中红外联合电加热(mid-infrared combined with electric heating,MICEH)干燥是一种结合中红外灯管与电加热管的新型干燥方法,相对于单一的干燥方式具有热流密度高、干燥速度快、干燥均匀的优点[7],能够有效提高产品品质、降低干燥耗能。

低场核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)是一种快速、无侵入的现代检测技术,包括低场核磁共振波谱(low field magnetic resonance spectroscopy,MRS)及氢质子核磁成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术[8]。LF-NMR技术能够通过检测样品中氢质子在磁场中的弛豫特性来获取样品水分信息,通过横向弛豫时间T2的变化从微观角度解释样品中水分的状态和迁移规律[9-10],实时跟踪样品干燥过程中水分状态变化过程[11]。近年来,LF-NMR技术在研究物料干燥[12]、贮藏[13]、水煮[14]等过程中水分的状态与分布方面得到了广泛的应用。

本试验以泾源黄牛肉为研究对象,利用LF-NMR技术研究MICEH、中红外(mid-infrared,MI)、低温真空(low temperature vacuum,LTV)3种干燥方式下牛肉的水分分布及迁移规律,结合干燥特性曲线及干燥过程中内部水分状态、峰积分面积、横向弛豫时间T2及氢质子密度等参数,揭示牛肉干燥过程中的水分分布状态及迁移规律,探究不同干燥方式对黄牛肉中水分状态转变及脱除的影响规律,以期为泾源黄牛肉干燥品质提升及节能应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

排酸后新鲜泾源黄牛肉,购于宁夏尚农生物科技产业发展有限公司。

1.2 仪器与设备

NMI120核磁共振成像分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;DZF-6050真空干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;中红外联合电加热干燥设备,实验室自制;DHG系列电热恒温鼓风干燥箱,上海新苗医疗器械制造有限公司;JA6102电子天平,上海精天电子仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 将原料肉顺着肌原纤维方向修整切割成2 cm×1 cm×1 cm的肉条,单层平铺于物料盘上,进行牛肉干燥试验。

1.3.2 干燥试验 将处理好的牛肉样品分别放置于真空干燥箱和中红外联合电加热干燥设备中。根据水的沸点与真空度的关系,设定LTV干燥的参数:干燥温度60℃,干燥真空度-0.085 MPa,辐射距离10 cm,干燥功率1 350W。通过控制中红外联合电加热干燥设备中电加热管的开关分别进行MI干燥与MICEH干燥,干燥温度60℃,干燥功率1 350 W,辐射距离10 cm。干燥过程中,每隔30 min取样,用于各指标测定。当样品的含水率由干燥前的72%(湿基含水率)降至20%[15]以下时,干燥结束。相同试验条件下,干燥试验重复3次,试验数据取平均值,通过对比分析,研究干燥过程中的水分迁移机制。

1.3.3 指标测定

1.3.3.1 初始含水量的测定 采用烘干恒重法[16]测定牛肉初始含水量。干燥箱温度设定为105℃。称取一定质量的肉样,放入鼓风干燥箱内除湿干燥,待其质量保持恒定时停止干燥。

1.3.3.2 湿基含水率的测定

式中,Wt为物料t时刻的湿基含水率,%;mt为物料t时刻的质量,g;m0为物料绝干时的质量,g。

1.3.3.3 干基含水率的测定[17]

式中,Mt为物料t时刻的干基含水率,g·g-1;mt为物料t时刻的质量,g;m0为物料绝干时的质量,g。

1.3.3.4 干燥速率的测定[18]

式中,DR为物料的干燥速率,g·g-1·min-1;Mt1为物料在t1时刻的干基含水率,g·g-1;Mt2为物料在t2时刻的干基含水率,g·g-1。

1.3.3.5 核磁共振波谱的测定 参照Li等[19]的方法,采用核磁共振分析软件中的Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列测定样品中的横向弛豫时间T2。每隔30 min取出样品称重后,将样品置于核磁共振成像仪永磁场中心位置的射频线圈中心,采用硬脉冲序列(free induction decay,FID)寻找中心频率和硬脉冲脉宽,再用脉冲序列CPMG测定牛肉干的横向弛豫时间T2[20]。CPMG脉冲序列参数:主频18 MHz;偏移频率382.241 65 kHz;90脉冲时间16μs;180脉冲时间33μs;采样点数143 140;重复时间1 500 ms;累加次数16次;回波数2 000。扫描试验结束后,对信号进行反演获得T2的反演谱。

1.3.3.6 氢质子密度成像的测定 参照Li等[19]的方法并作适当修改。采用核磁共振成像系统自旋回波成像序列对样品进行氢质子密度成像,成像方式为冠状面成像。将样品置于核磁共振成像仪永磁场中心位置的射频线圈中心,进行成像试验。主要参数:重复时间1 500 ms;重复次数4次;纵向弛豫时间T1为20 ms;根据CPMG序列测得的T2,选择自旋回波时间20 ms。

1.4 数据分析

应用SPSS 11.5统计分析软件对试验数据进行方差分析,采用Duncan’s法进行多重比较,显著性水平为P＜0.05,采用Origin 2017软件制图。

2 结果与分析

2.1 干燥方式对泾源牛肉水分迁移规律的影响

2.1.1 干燥方式对干燥耗时及湿基含水率的影响 由图1可知,在MICEH、MI和LTV 3种干燥方式下,泾源牛肉湿基含水率由72%降至20%以下所需时间分别为330、420和450 min。在干燥过程中,牛肉的湿基含水率随干燥时间的延长而降低,且在MICEH干燥方式下牛肉的湿基含水率下降最明显。随着干燥时间的延长,MICEH和MI干燥方式下牛肉湿基含水率的下降趋于平缓。在相同干燥时间下,MICEH干燥的牛肉湿基含水率均低于MI和LTV干燥,表明MICEH干燥能够加快水分的迁移,提高干燥效率,干燥程度最好,其次是MI干燥,LTV的干燥程度最差。

2.1.2 干燥方式对干燥速率的影响 经计算,在MICEH、MI和LTV 3种干燥方式下,泾源牛肉干燥过程的平均干燥速率分别为0.417 9、0.330 8和0.309 9 g·g-1·h-1。由图2可知,牛肉在整个干燥过程中以降速干燥为主,水分含量高时干燥速率大,随着水分含量的降低,干燥速率也不断减小。在干燥前120 min,牛肉干燥速率变化较快。这是因为干燥初期,牛肉水分含量高,致使水分能快速向外迁移。且在干燥前120 min的相同干燥时间下,MICEH的干燥速率显著高于MI与LTV干燥(P＜0.05)。随着干燥的进行,牛肉水分含量降低,牛肉的收缩和内部结构变化抑制了水分的扩散[4,21],干燥速率逐渐降低,趋近于恒速状态。干燥120 min后,MICEH的干燥速率低于MI和LTV干燥,说明MICEH在干燥前期水分下降较快,越到后期水分扩散越困难。在MICEH方式下干燥120 min后,牛肉湿基含水率达到40%,因此在含水率到达40%前采用MICEH干燥可以取得较好的干燥效果,而在湿基含水率为20%～40%阶段则无明显优势。

2.1.3 干燥方式对低场核磁共振图谱的影响 将泾源黄牛肉在不同干燥方式下的核磁共振信号数据经过联合迭代重建反演算法(simultaneous iteative reconstruction technique,SIRT)得到T2反演图谱,如图3所示。反演图谱中有3个峰,代表牛肉中的3种水分状态,从左到右依次为结合水、不易流动水和自由水,它们的横向弛豫时间分别为0.1～1 ms(T21)、1～100ms(T22)、100～1 000ms(T23),横向弛豫时间T2与水分子流动性成正比,这与谢小雷等[22]采用LF-NMR技术研究牛肉干燥的结果一致。T2反演图谱上不同峰积分面积大小代表不同水分的含量[23],可见牛肉中的不易流动水含量最高,占据了总水分的主体。并且在不同干燥方式下,随着干燥时间的延长,T2图谱呈现出相似的变化趋势,一是总峰面积逐渐减小,说明样品的水分含量降低;二是峰位置逐渐左移(结合水除外),说明样品的水分流动性变小,自由度高的水分向自由度低的水分迁移。这与Lu等[24]研究不同热风干燥条件下香菇水分的结果基本一致。

2.1.4 干燥方式对峰积分面积的影响 由表1可知,随着干燥时间的延长,3种干燥方式下泾源黄牛肉水分总峰积分面积A、不易流动水峰积分面积A22均呈下降趋势,这与谢小雷等[22]的研究结果一致,说明不易流动水在干燥过程中不断迁移为自由水被脱去。牛肉在不同干燥方式下,自由水峰积分面积A23均呈现先升高后降低的趋势,推测是由于牛肉在干燥前期内部温度达到52℃左右,牛肉肌球蛋白尾部和肌浆蛋白头部发生变性,持水力降低[25],不易流动水不断向自由水迁移,并且不易流动水向自由水的迁移速率大于自由水的脱去速率,导致不易流动水含量降低,自由水含量升高;干燥后期自由水峰积分面积A23逐渐降低,可能是因为热动力学驱动水分子扩散运动与化学键能作用力逐渐达到动态平衡,部分不易流动水开始向结合水迁移,不易流动水向自由水的迁移减少,自由水含量降低。结合水峰积分面积A21在不同干燥方式下均呈现下降趋势,且在牛肉湿基含水率达到35%左右时,A21明显降低,在牛肉湿基含水率达到25%左右时,结合水的信号完全消失,同时不易流动水的波峰明显左移。可见干燥破坏了牛肉内部细胞结构,对牛肉水分状态的变化起明显作用。在相同干燥时间下,MICEH干燥的总峰积分面积均高于MI和LTV干燥,这与干燥曲线的变化趋势相一致。表明MICEH干燥能够有效增加样品内外水分梯度,加快内部水分由内往外迁移。

表1 不同干燥方式下泾源牛肉3种状态水峰积分面积Table1 The peak integral area of water in three states in beef under different dryingmethods

2.1.5 干燥方式对横向弛豫时间的影响 横向弛豫时间T2是指氢质子自旋核在外加磁场收到射频脉冲刺激后,系统内部达到横向热平衡所需要的时间[22],反映了样品内部氢质子的存在状态和所处的化学环境,与氢质子所受的束缚力有关,氢质子受束缚力越小,水分越易脱去,T2弛豫时间越长,在T2图谱上峰位置越靠右;反之氢质子受束缚力越大,水分越难脱去,T2弛豫时间越短,在T2图谱上峰位置越靠左[26-27]。由表2可知,泾源黄牛肉在不同的干燥方式中,不易流动水横向弛豫时间T22和自由水横向弛豫时间T23均随着干燥时间的延长呈下降趋势。在干燥前期,T22、T23下降速度较慢,可能是由于此阶段的干燥动力主要来源于内部水分的扩散,随着干燥时间的延长,T22、T23下降速度增快,说明此阶段的干燥动力主要是干燥温度[27]。在相同干燥时间下,MICEH干燥的T22、T23高于MI和LTV干燥,表明MICEH干燥能够提高不易流动水与自由水的流动性,加快水分的自由扩散。在不同干燥方式的初期阶段,结合水横向弛豫时间T21变化不大,随着干燥的进行,T21逐渐增大,结合水的波峰向右推移,同时不易流动水的波峰向左推移,二者逐渐形成连续状态。说明干燥过程中,结合水缔合程度降低,不易流动水缔合程度增加,2种水分相互转化,最后形成一种处于结合水和不易流动水之间的连续状态。

表2 不同干燥方式下泾源牛肉中3种状态水的横向弛豫时间Table2 Transverse relaxation time changes of water in three states in beef under different dryingmethods /ms

2.2 干燥方式对水分分布的影响

核磁共振成像技术MRI是根据不同位置的氢质子共振频率不同,获得不同的磁共振信号强度[28],并将其通过空间编码技术转变成图像,进而研究样品内水分分布情况以及加工过程中的结构变化[29-30]。图像的亮度与氢质子的活跃程度及密度有关,图像越亮,说明氢质子的活跃程度越强,密度越高[31]。由表3可知,随着干燥时间的延长,牛肉干在3种干燥方式下,氢质子密度图像亮度均呈下降的趋势,表明其内部水分含量逐渐减少。比较3种干燥方式下牛肉干的MRI图像,发现由于牛肉样品的体积较小,内外受热均匀,在干燥前期牛肉内部与外部的水分信号同时减弱。在干燥后期牛肉的细胞结构遭到破坏,水分信号在各区域的分布强弱明显不同,在相近含水量下,MICEH干燥的氢质子密度图像变化相对比较均匀,说明电加热管对中红外干燥有一定的补充作用,有效改善了牛肉在联合干燥过程中的均匀性[31]。

表3 不同干燥方式下泾源牛肉氢质子密度成像对比Table3 Hydrogen proton density imaging of beef during different drying processes

2.3 低场核磁共振总峰积分面积与泾源牛肉湿基含水率相关性分析

由图4可知,在不同干燥方式下,NMR峰积分面积总和与湿基含水率均呈显著的线性关系(P＜0.05),MICEH干燥的线性回归方程为y=16 913x-1 102.3(R2=0.985 2),MI干燥的线性回归方程为y=189.67x-1 922.4(R2=0.913 8),LTV干燥的线性回归方程为y=170.17x-917.13(R2=0.981 1),表明牛肉的湿基含水率对核磁共振峰积分面积有显著影响,在核磁共振检测过程中,可通过分析T2反演图谱结合线性方程间接计算样品的湿基含水率。

3 讨论

本研究结果表明,泾源黄牛肉在MICEH、MI及LTV 3种干燥方式下由初始含水率72%降至20%以下所需时间分别为330、420和450min,平均干燥速率分别为0.417 9、0.3308和0.309 9 g·g-1h-1。且整个干燥过程以降速干燥为主,干燥前期MICEH的干燥速率高于MI及LTV干燥,但随着干燥的进行,水分的扩散愈加困难,说明牛肉的收缩和内部结构变化抑制了水分的扩散。同时牛肉的氢质子密度分布在干燥后期开始出现分布不均现象,但MICEH干燥的氢质子密度分布相对比较均匀,说明MICEH干燥对改善样品的均匀性有积极作用。干燥过程中,牛肉氢质子低场核磁共振T2在1～1 000 ms的弛豫时间内分布了3个峰,分别与牛肉中存在的3种状态的水对应,即结合水、不易流动水和自由水。随着干燥时间的延长,MICEH、MI和LTV 3种干燥方式下的T2图谱均呈现出相同的变化趋势,一方面是峰位置不断左移,这与谢安国等[32]研究牛肉在热风干过程中3种状态水的弛豫时间下降结果基本一致;另一方面是总峰面积逐渐减小,这与徐建国等[33]探究莲子薄层热风干燥时发现的规律相类似。薛广等[34]研究表明,不易流动水的变化决定着物料的干燥效果,干燥过程中不同微波环境下水分是由高自由度向低自由度的方向迁移。在泾源黄牛肉的干燥过程中,主要是不易流动水不断向自由水迁移后被脱去的过程,且在干燥前期,少量结合水向不易流动水迁移;在干燥后期,大量结合水向不易流动水迁移至信号幅值完全消失,同时部分不易流动水开始向结合水迁移,二者形成连续状态,干燥结束后样品内部以结合水与不易流动水的连续状态为主。说明牛肉蛋白受热变性后三级结构发生变化,大量无序卷曲形成,使得牛肉水分的结合状态和分布多样性增加。

对牛肉湿基含水率与NMR总峰积分面积进行拟合,发现二者呈显著的线性关系(P＜0.05),决定系数在0.91～0.99之间,表明牛肉的湿基含水率对核磁共振总峰积分面积有显著的影响,利用核磁共振检测技术可间接测得牛肉在干燥过程中的水分含量,且MICEH干燥的决定系数最大,利用线性方程预测含水量时更加准确。

4 结论

本研究采用LF-NMR技术结合干燥曲线,分别从微观和宏观两个方面揭示了泾源黄牛肉中水分在3种不同干燥方式下的分布特性和迁移规律。结果表明,MICEH干燥在干燥前期水分下降较快,后期水分扩散速率低于MI和LTV干燥,在牛肉湿基含水率高于40%时,采用MICEH干燥可以取得更好干燥效果,在湿基含水量为20%～40%的阶段则无明显优势,但核磁共振成像显示,MICEH干燥牛肉的氢质子密度分布相对均匀,牛肉干燥品质较高。本研究结果不仅为泾源黄牛肉干燥品质提升及节能应用提供了试验依据,也为MICEH干燥技术的改进提供了理论参考。本研究主要考虑了干燥耗时,水分均一性,未测定干燥耗能,样品的色泽、质构特性等指标,还需进一步研究与论证。