牛肉加热过程中水分迁移规律研究

朱莹莹，张 丽，汝 骅，石学彬，杨培强

（1.苏州市职业大学食品营养与检测系，食品营养与安全中心，苏州市大学生营养与健康促进基地，江苏 苏州 215104；2.南京农业大学食品科技学院，国家肉品质量安全控制工程研究中心，江苏 南京 210095；3.苏州纽迈分析仪器股份有限公司，江苏 苏州 215151）

牛肉富含蛋白质和微量元素，其氨基酸组成比例合理，有利于人体消化吸收，是一种营养丰富的肉类食品[1]。在中国人的饮食习惯中，肉类食品食用前通常要进行高温长时间加热。加热会改变肉类食品的物理状态，使其更易被消化，同时可改善口感，保证肉品的安全食用[2]。加热是牛肉加工过程中的重要步骤，随着社会的进步，消费者越来越关注食品的品质和加热过程中牛肉的口感以及食用品质变化，尤其是嫩度变化[3]。肉制品中水分含量占比高，受加热因素影响大，肉中的水分主要包括细胞外受束缚作用最小的自由水、肌纤维组织间的不易流动水以及存在于细胞间与蛋白质等大分子结合的结合水[4]。

低场核磁共振技术（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一种新型、快速、无损分析检测技术，其原理是通过测定食品中氢原子核在磁场中的弛豫特性来确定食品中水分的不同状态，可用于研究样品的物性。低场核磁共振及成像技术可以实时监测样品内部水分的动态变化，同时获得样品内部可视化图像信息。肉品内部的水分状态及组成会直接影响肉及其制品的产率、品质、口感及嫩度等，其品质指标与核磁的弛豫信号间存在相关性[5-8]。近年来，LF-NMR技术已被广泛地应用于肉品科学领域[9]，如冻融过程中羊肉持水力的变化[10]、肌原纤维凝胶的保水性及其水分含量变化[11]。对于加工或储藏过程中肉制品内部的水分变化，传统的检测技术一般采用检测蒸煮损失（Cooking loss）、滴水损失（Drip loss）等表观指标，这些指标虽然可以体现肉制品内部水分在量上的变化，但很难准确地分析出肉及肉制品内部水分组成及水分状态的变化，而LF-NMR 技术则可以快速、无损、直观地检测出肉及肉制品内部水分状态及水分组成的变化规律[12-14]。

利用低场核磁共振技术研究牛肉加工过程中的水分变化已有大量文献报道[15-16]，但对牛肉受热过程中的水分动态变化研究较少。本研究采用隔水蒸煮的方式加热牛肉，以牛肉样品内部温度达到70 ℃为加热终点，每隔一段时间采集一次样品，应用LF-NMR 技术分析隔水加热过程中牛肉样品内部的水分动态变化，包括T2弛豫谱和MRI 成像，以期为LF-NMR 技术用于熟肉制品加工过程中水分分布、品质检测、口感变化等相关研究提供理论参考和实践依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

牛肉：黄牛肉，购于苏州工业园区山姆会员店。

1.1.2 仪器与设备

HH-6 型数显恒温水浴锅，邦西仪器科技（上海）有限公司；TA-XT2i 型质构仪，英国Stable Microsystem公司；MesoMR23-060H-I 型低场核磁共振分析仪，苏州纽迈分析仪器股份有限公司；FB224 型电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 牛肉样品预处理

选取黄牛肉后腿肉，切成规格为2 cm×2 cm×2 cm大小、形状相近的正方体，质量为（6.98±0.89）g，放入蒸煮袋中，分成两部分，置于100 ℃水浴中加热，每隔7 min 采集一次样品，共采集5 次（0、7、14、21、28 min），冷却至室温，一部分用于T2弛豫谱的动态检测，一部分用于牛肉剪切力的测定。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 蒸煮损失

先将切分好的牛肉样进行称重，记为W1，水浴加热后用滤纸吸去表面汁液，冷却至室温，取样称重，记为W2，蒸煮损失计算如公式（1）所示。

式中：W为蒸煮损失，%；W1为煮制前肉样的质量，g；W2为煮制后肉样质量，g。

1.2.2.2 剪切力

对不同加热时间处理的牛肉样品的剪切力进行测试，具体测试方法为：将不同加热时间收集到的目标肉样置于80 ℃水浴锅中，水浴加热至肉的中心温度达到70 ℃，维持30 min，取出后冷却至室温。用1.27 cm 的圆形取样器顺肌纤维平行方向取被测试直径样，将样品放在检测仪器上，至肉样被完全切断时停止，记录牛肉的剪切力值，每组选取3 个样品，重复测定3 次，结果取平均值。

1.2.2.3 LF-NMR 测定

仪器共振频率23.40 MHz，磁体强度0.55 T，线圈直径为25 mm，磁体温度32 ℃。

T2测试条件为：SFO1（MHz）= 23.400 MHz，P1=15 μs，P2= 35.04 μs，TW= 3 000 ms，TE= 0.15 ms，NECH=5 000，NS=2，PRG=1。试验温度22.5 ℃，相对湿度28.5%。

使用核磁共振分析测量软件及CPMG 序列采集样品横向弛豫信号，采用SIRT 100000 进行反演，得到牛肉样品的横向弛豫图谱。

1.2.2.4 MRI 成像

设置磁体强度0.5 T，磁体温度32 ℃，质子共振频率23.2 MHz。将牛肉样品放入射频线圈的中心位置，进行信号采集，获得牛肉样品的T2加权成像，使用图像处理软件对采集到的MRI 图像进行统一映射和伪彩处理。

1.2.3 数据处理

对采集到的数据使用SAS 9.2 软件进行统计分析，采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）和Duncan’s多重比较进行差异显著性检验，结果以平均数±标准差表示。采用皮尔逊相关性分析对核磁数据（弛豫时间和峰面积）、蒸煮损失及剪切力等相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 加热时间对牛肉品质指标的影响

由图1A 可知，随着加热时间的延长，牛肉的蒸煮损失呈上升趋势。在牛肉加热初期，牛肉的蒸煮损失显著上升（P＜0.05），之后变得较为缓慢。这可能因为在加热过程中，牛肉的肌肉纤维发生收缩、体积变小，造成牛肉内部结构发生变化，肌肉失水、汁液流出，从而导致牛肉加热过程中蒸煮损失变大[17]。

牛肉嫩度是牛肉食用品质的重要指标，可以通过剪切力的大小来反映。牛肉的剪切力大小与其嫩度成反比，即牛肉剪切力越大，嫩度越小。由图1B 可知，随着加热时间的延长，牛肉的剪切力呈上升趋势，说明牛肉的嫩度下降，这可能是由于加热使肌肉肌原纤维变性聚集收缩引起[18]，同时牛肉放在蒸煮袋中，随着加热时间的延长，牛肉失水越来越多，肌肉收缩导致肌纤维对外的抵抗力增加，牛肉肌肉硬度变大，嫩度降低[19]。

图1 加热时间对牛肉蒸煮损失及剪切力的影响Fig.1 Effects of different heating times on cooking loss and shear force of beef

2.2 T2 弛豫特性

利用LF-NMR 技术测定牛肉的T2弛豫特性，T2横向弛豫时间通常用来反映肉与肉制品的持水特性，根据T2弛豫时间的不同，可以很容易地区分肉与肉制品内部不同状态的水分分布[9]。因此，可通过检测牛肉T2弛豫特性的变化来反映加热过程中牛肉内部水分结合状态的变化规律。

反演后的测试结果显示有4 个峰，包括T2b（0.16～0.22 ms）、T21（3.65～5.94 ms）、T22（27.36～58.73 ms）、T23（155.22～471.38 ms），根据出峰时间可认为，4 个峰代表了牛肉在加热过程中水分的3 种不同存在状态：结合水、不易流动水和自由水。其中T2b被认为是与牛肉蛋白分子结合的强结合水，T21表示弱结合水[20-21]，T22代表不易流动水，T23代表自由水。

图2 为不同蒸煮时间下牛肉的CPMG 序列回波峰点图。由图2 可知，牛肉样品因受热时间不同，内部水分组成不同，产生的信号大小不同，衰减速度也不同。随着加热时间的延长，牛肉成熟度增加，肉品内部水分逐渐减少，产生的NMR 信号逐渐减弱，衰减速度逐渐加快。

图2 不同蒸煮时间下牛肉的CPMG 序列回波峰点图Fig.2 CPMG decay curves of beef samples at different heating time

图3 为不同加热时间下牛肉的T2弛豫时间图谱。由图3 可知，随着加热时间的延长，T22的峰面积均呈减小趋势，在加热初期其下降速度较快，之后下降速度趋于平缓。同时，生肉中T21和T22的两个峰可以完全分开，加热以后，T21、T22、T23不能完全分开，尤其是在加热14 min 以后。

由表1 可知，加热时间对弱结合水（T21）、不易流动水（T22）和自由水（T23）均有较大的影响，T22和T23向快弛豫方向移动，且变化显著（P＜0.05），这可能是因为蒸煮时间的延长使牛肉肌原纤维蛋白凝胶微观结构更细密，导致凝胶内部水质子移动性变差，从而直观地呈现出T2弛豫时间变短[22-23]。结合水T21向慢弛豫方向移动，但差异不显著，可能是因为结合水存在于细胞内部，由分子间作用力将其束缚，很难通过加热方式使其发生改变[24]。

图3 不同蒸煮时间下牛肉的T2 横向弛豫时间变化Fig.3 Changes of T2 relaxation curves for beef at different heating time

表1 加热过程中T2 横向弛豫时间的变化规律Table 1 The variation of T2 transverse relaxation time during heating

由图4 可知，随着加热时间的延长，牛肉内部结合水和自由水的占比增加，不易流动水比例相对减少（P＜0.05），这是因为加热导致牛肉内部肌原纤维和结缔组织收缩，阻止了牛肉肌肉纤维中的不易流动水流失，形成自由水，同时加热使得牛肉胶原蛋白变性，肌浆蛋白膨胀并形成凝胶，从核磁数据上直接反应出牛肉内部结合水和自由水峰面积占比增加；同时随着加热时间的延长，破坏了牛肉内部水分子与蛋白质等大分子之间结合的氢键，导致肌肉纤维外部空间变大，从而可以容纳更多的自由水[25]。

图4 不同蒸煮时间下牛肉的T2 峰面积组成变化Fig.4 Peak area percentage of T2 relaxation components of beef at different heating time

2.3 MRI 图像

核磁信号强度与样品内部的氢质子有关，MRI 成像是通过选择合适的脉冲序列得到回波信号，将样品的各个体素信号与图像上的各个像素一一对应，根据样品截面上不同点的信号强度的差异，经过计算机计算处理，信号大的像素亮度大，信号小的像素亮度小，再将这些像素组合起来得到MRI 图像[26]。牛肉内部含有大量水分，随着加热时间的延长，牛肉内部水分逐渐降低，核磁信号量逐渐减小。因此，可以通过核磁成像直接反映出牛肉加热过程中水分的变化情况。利用核磁成像处理软件对采集到的MRI 图像进行统一映射和伪彩处理，得到不同加热时间处理下牛肉的MRI 伪彩（图5）。图像越红，表明信号强度越强，含水量越多；反之，图像越蓝，表明信号强度越弱，含水量越少。新鲜牛肉中的水含量较多，随着加热时间的延长，其核磁图像由红色、黄色逐渐变为青色、蓝色。加热时间为7 min 时，牛肉的水分含量下降最快，之后图片逐渐变蓝的趋势减缓，说明在最初加热的7 min内牛肉内部的水分大量减少，从而在图像上直观地表现为红色、黄色的减弱。

图5 不同加热时间下牛肉的MRI 图像Fig.5 T2 weighted MRI images of beef at different heating time

2.4 相关性分析

本试验研究了加热过程中牛肉的蒸煮损失、剪切力和水分分布变化规律。结果表明，随着加热时间的延长，牛肉的蒸煮损失逐渐增大，剪切力也随之增大，牛肉内部水分相态也发生了较大的变化，这可能与牛肉加热过程中内部水分状态分布的变化、肌原纤维、结缔组织、胶原蛋白变性以及肌原纤维蛋白的凝胶特性、网络结构有关[27-28]。

因此，本研究对加热过程中牛肉的蒸煮损失、剪切力以及核磁指标进行了相关性分析，结果见表2。结果表明：加热过程中，T21与牛肉的蒸煮损失呈显著正相关（P＜0.05），T22与牛肉的蒸煮损失、剪切力均呈显著负相关（P＜0.05），T22峰面积占比与T2b、牛肉的蒸煮损失、剪切力均呈显著负相关（P＜0.05），这也说明牛肉内部肌原纤维因加热发生相应变化，导致水分组成也会改变。

表2 加热失水过程中牛肉各指标间的相关性分析Table 2 Correlation analyses of index of beef during heating

3 结论

采用隔水蒸煮的方式加热牛肉，牛肉内部的水分发布发生了显著变化。随着加热时间的延长，蒸煮损失呈现上升趋势，剪切力逐渐增大，T2弛豫时间逐渐变短，结合水T21、自由水T23峰面积占比逐渐增加，不易流动水T22峰面积占比逐渐降低。核磁成像结果显示：随着加热时间的延长，图像的亮度逐渐减弱，说明加热会降低牛肉内部的水分含量，同时改变水分组成和分布。在加热过程中，T21与牛肉的蒸煮损失呈显著正相关，T22与牛肉的蒸煮损失、剪切力呈显著负相关，T22峰比例与牛肉的蒸煮损失、剪切力呈显著负相关。因此，加热处理对牛肉内部的水分分布、水分相态以及牛肉的质构特性产生显著影响，且存在相关性，可以通过研究牛肉加热过程中的水分状态变化来确定牛肉品质变化。