猪肝油炒过程中品质变化动力学分析

李丽丹，邓力，赵庭霞，魏瑶，李静鹏，曾雪峰

（贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州贵阳 550025）

猪肝是猪屠宰后的主要副产品之一，约占猪体重的1.5%~2.5%，全国规模企业每年屠宰约2.5亿头猪，可得猪肝0.6~0.8亿kg[1]。猪肝含有丰富的维生素A、B族维生素，具有补肝、养血、明目等功效[2]。猪肝渣由于蛋白质含量高、氨基酸平衡，并且含有高剂量的铁、锌、铜等矿物质，是新兴的优质蛋白源；猪肝中含有数百种酶蛋白，其中用猪肝制造的药物达几十种[3]；西方国家很少食用动物内脏，因此对猪肝的食用研究相对较少，基本没有猪肝热处理研究的文献。猪肝在国内主要用于直接烹调，是一种被广泛接受的烹饪菜肴。随着烹饪产业的快速发展和自动烹饪的兴起，出现了猪肝油炒品质变化研究的需要。

大量研究表明，零级或一级动力学模型可以用于描述食品品质的变化规律[4]。烹饪成熟值理论[5-7]认为动力学是联系传递过程与烹饪品质的纽带，并且提出了表征烹饪有益品质的动力学函数-成熟值和不良品质的动力学函数-过热值。烹饪工艺优化的前提条件是成熟与过热的品质指标的z值不同。对于杀菌工艺，其杀菌温度优化的前提条件是微生物致死和质量因子的z值不同。类似地，烹饪工艺优化前提条件就是表征成熟与过热的色泽、质构、风味、营养等品质因子的z值不同，并且前者小于后者[8]。爆炒等典型中式烹饪方式由于烹饪时间短、非稳态特征显著，食品品质变化剧烈，无法采用传统的理化分析方法进行全局分析和食品品质描述。因此只能参照杀菌工艺优化[9]，通过传热学-动力学模型来数值模拟不同时间、空间位置的烹饪品质，以烹饪终点成熟值为限制函数，以烹饪过热值为目标函数来优化油炒烹饪工艺[8]。李静鹏[5]通过动力学与感官评价相结合的方法开展了猪里脊肉烹饪成熟研究。徐嘉[10]以猪里脊肉油炒过程中的品质变化动力学参数为基础对猪里脊肉油炒油温进行了优化，数值模拟结果与实测结果一致，验证了优化模型。汪孝[11]测定了蒜薹油炒品质变化动力学参数，并在此基础上对蒜薹油炒油温、刀工进行了优化，数值模拟结果与实测结果一致，证明了热/质传递模型和优化模型的可靠性。在烹饪数值模拟方面，已积累一定的研究基础。得到成熟和过热的动力学参数是烹饪工艺优化的必须条件，因而开展猪肝油炒工艺分析、评价和优化必须获得其油炒热处理的动力学参数。目前针对猪肝油炒过程中主要食用品质的相关动力学研究尚未见报道。

肉类在加热过程中的品质因子包括致病微生物的杀灭、颜色变化、特征风味的形成、嫩度等[8]。文献[12,13]指出肉的食用品质一般包括颜色、嫩度、风味、多汁性、保水性等。猪肝与肉类在热处理中均以蛋白质变性为热处理主要变化，因此参照选择颜色和嫩度作为猪肝成熟品质因子、蒸煮损失为猪肝过热品质因子进行品质变化动力学研究。

综上，有必要开展猪肝油炒动力学研究。试验以猪肝为对象，测定油炒过程中猪肝成熟及过热品质因子的变化趋势并确定动力学模型，得到相应的动力学参数，为猪肝油炒热处理研究提供基础参数。

1 材料与方法

1.1 原料与主要仪器设备

猪肝：购于贵阳市花溪区合力超市；食用调和油：购于广西惠禹粮油工业有限公司。

CY-20超级恒温油浴槽，上海博迅实业有限公司，精度为±0.1 ℃；烹饪传热学及动力学数据采集分析系统，自主研制；BL658切片机，深圳市博莱电子电器有限公司；WSC-S型测色色差仪，上海精密科学仪器有限公司；C-LM3B型数显式肌肉嫩度仪，东北农业大学工程学院。

1.2 方法

1.2.1 动力学测定温度范围的确定

根据文献[5]中测定终点成熟值的方法，采用油炒烹饪模拟装置（见图1）测得猪肝在70、80、90 ℃油温下加热刚好到达成熟时其终点成熟值为0.01 min（z值为2 ℃），用0.01 min终点成熟值插值得到成熟时其中心温度为67.8、68.9、68.9 ℃，见图2。按照成熟值理论，终点成熟值不受尺寸、形状、加热油温和加热介质等因素影响，仅与原料有关。本文主要目的是研究猪肝在成熟过程中的品质动力学变化，同时后期的品质优化研究也是针对成熟阶段，因此选择猪肝成熟点附近温度范围67~76 ℃进行研究。

图1 油炒烹饪模拟装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the stir-frying cooking simulation device

图2 不同油温下猪肝中心温度和成熟温度Fig.2 Central temperatures and matured temperatures of pork liver under different oil temperatures

1.2.2 原材料处理

将猪肝冷冻成型，切割成2 cm×2 cm×0.1 cm，待猪肝温度升至室温时分别放入67、70、73、76 ℃的恒温油浴锅中，开启油泵形成烹饪原料与油的相对运动，模拟油炒烹饪过程，见图1。根据前期预试验结果，猪肝颜色变化在相同条件下较剪切力和蒸煮损失更迅速，因此颜色测定加热64 s，每隔8 s取一次样，蒸煮损失、剪切力测定加热80 s，每隔10 s取一次样，于0 ℃水中快速冷却，取出擦干静置到室温后进行各项测定，同时进行鲜样的测定。

1.2.3 颜色测定

将猪肝从0 ℃水中取出之后擦干，选取表面3处颜色均匀的部位采用WSC-S色差仪进行测定，L*表示亮度、W表示白度，a*表示红度，每个处理条件测定3次，结果以平均值±标准差形式表示。

1.2.4 剪切力测定

打开嫩度仪开关后调零，将猪肝肌纤维方向与剪切方向垂直放置，测量并记录剪切力值，每个处理条件测定3次，结果以平均值±标准差形式表示。

1.2.5 蒸煮损失测定

按照Vaskoska等[14]的方法，根据猪肝处理前的重量与处理t时刻后重量的差异进行计算。每个处理条件测定3次，结果以平均值±标准差形式表示。

式中：CLt：蒸煮损失，%；m0：猪肝初始质量，g；mt：t时刻猪肝质量，g。

1.3 品质变化动力学模型

1.3.1 反应级数确定

动力学模型普遍应用于描述食品体系在热处理过程中品质变化规律，其积分式如式（2）[15]：

式中：CA：反应物浓度，具体单位根据实际测定物质确定；t：反应时间，s；k：反应速度常数，具体单位根据实际测定物质确定；n：反应级数。

反应级数体现了浓度对反应速度快慢的影响程度，反应级数的选择与确定是动力学研究的基础，零级反应动力学积分式如式（3）：

一级反应动力学积分式如式（4）：

1.3.2 动力学参数的计算

Arrhenius模型和z值模型具有相同的理论意义和相似的计算结果，广泛应用于食品热处理领域[16]。本研究采用这两个模型联立计算D值、z值、k以及Ea值等动力学参数。当食品品质变化属于一级反应动力学时，根据式（4）计算出反应速率k，根据式（5）计算出品质变化的D值。

式中：D：在恒定温度下，食品品质变化一个对数周期所需要的加热时间，min。

z值的计算公式如式（6）。

式中：z：D值变化一个对数周期所需要的加热温度，℃。

活化能Ea值根据式（7）Arrhenius模型进行计算。

式中：R：理想气体常数，8.314 J/（mol·K）；T：温度，K；k0：指数前置因子；Ea：活化能，kJ/mol。

1.3.3 数据分析

采用origin 8.0软件对猪肝各个品质指标的数据进行线性和非线性拟合，得到一级与零级反应动力学的相关系数，选择相关系数更高的反应级数并得到相应的反应速率常数k；再根据相应的公式计算出D值、z值、Ea值。

2 结果与讨论

2.1 颜色变化

图3 猪肝油炒过程中颜色变化Fig.3 Changes of color of pork liver in the stir-frying process

猪肝在加热过程中亮度L*、白度W，红度a*变化如图3所示，随着加热时间的延长，猪肝L*、W增大，a*减小，温度越高变化越快。猪肝颜色主要来源是血红蛋白，在成熟过程中由于血红蛋白的变性，颜色会经历白化阶段，本试验选取温度范围为67~76 ℃，与血红蛋白的变性温度范围基本一致[17]。

采用最小二乘法对猪肝颜色变化进行拟合。由表1可知，油炒过程中猪肝颜色变化属于一级反应动力学模型。猪肝L*、a*、W变化的活化能Ea分别为116.67 kJ/mol、110.40 kJ/mol、112.75 kJ/mol，z值分别为19.53 ℃、20.61 ℃、20.20 ℃。Ohlsson[18]以猪肝泥和鱼饼为研究对象，得到其L*的z值分别为21 ℃和25 ℃，余冰妍[15]以猪里脊肉为研究对象，得到其L*、a*、W的z值分别为33.1 ℃、26.1 ℃、41.0 ℃。石宇[19]以西式火腿为研究对象，得到其煮制过程L*、a*的z值分别为49.69 ℃和41.85 ℃，以上研究所得颜色的z值均大于本试验猪肝颜色变化的z值，说明猪肝的颜色变化对温度更敏感。

图4 猪肝颜色变化的Arrhenius图Fig.4 Arrhenius diagram of changes of color in pork liver

图5 猪肝颜色变化z值Fig.5 Curves of z value of changes of color in pork liver

表1 不同加热条件下猪肝颜色变化反应动力学参数Table 1 Kinetic parameters of color changes of pork liver in different temperature

2.2 蒸煮损失变化

蒸煮损失是反映肉类加工品质的重要指标，与肉类的嫩度、保水性密切相关。蒸煮损失主要包括水分流失、脂肪熔化和蛋白质溶解等[20]，因此在烹饪过程中，蒸煮损失是用于表征烹饪过度加热的品质因子。猪肝在加热过程中的蒸煮损失变化如图6所示，随着加热时间的延长，蒸煮损失增大，且温度越高损失越大，这是由于加热过程中蛋白质热变性凝固和收缩导致肌原纤维的水分储存空间减少，同时蛋白质的变性和疏水基团的暴露致使蛋白质自身的亲水能力降低，导致水分流出[21,22]。

图6 猪肝油炒过程中蒸煮损失变化Fig.6 Changes of cooking loss of pork liver in the stir-frying process

采用最小二乘法对猪肝蒸煮损失变化进行拟合。由表2可知，在油炒过程中猪肝蒸煮损失变化属于一级反应动力学模型。猪肝蒸煮损失变化的活化能Ea为75.63 kJ/mol，z值为30.12 ℃。Bertola等[23]研究了牛肉半膜肌在60~90 ℃水浴中的蒸煮损失，其变化遵循一级反应动力学模型，Ea值为54.93 kJ/mol，z值为41 ℃。Kong等[24]研究了鲑鱼在100~131.1 ℃油浴中的蒸煮损失，其变化遵循一级反应动力学模型，Ea值为36.98 kJ/mol，z值为60 ℃。余冰妍[15]研究了猪里脊肉在67.5~75 ℃油浴中的蒸煮损失，其变化遵循零级反应动力学模型，Ea值为28.9 kJ/mol。本研究所得猪肝蒸煮损失z值与一般食品蒸煮过程的总体品质劣化z值33 ℃[25]接近。不同食品原料蒸煮损失动力学模型及参数存在差异，这与原料组成成分、传热介质以及处理条件等密切相关。

图7 猪肝蒸煮损失变化的Arrhenius图Fig.7 Arrhenius diagram of changes of cooking loss in pork liver

图8 猪肝蒸煮损失变化z值Fig.8 Curves of z value of changes of cooking loss in pork liver

表2 不同加热条件下猪肝蒸煮损失变化反应动力学参数Table 2 Kinetic parameters of cooking loss changes of pork liver in different temperature

表3 不同加热条件下猪肝剪切力变化反应动力学参数Table 3 Kinetic parameters of shear force changes of pork liver in different temperature

2.3 剪切力变化

图9 猪肝油炒过程中剪切力变化Fig.9 Changes of shear force of pork liver in the stir-frying process

图10 猪肝剪切力变化的Arrhenius图Fig.10 Arrhenius diagram of changes of shear force in pork liver

图11 猪肝剪切力变化z值Fig.11 Curves of z value of changes of shear force in pork liver

嫩度是肉制品最重要的品质指标之一，主要由肌肉中各种蛋白质的含量及其化学结构特性所决定。剪切力作为一种客观测量肉类柔软度的指标，能精确反映食品品质变化[26]。猪肝在加热过程中剪切力变化情况如图9所示，由于肌原纤维蛋白热变性、胶原蛋白收缩和肌动球蛋白脱水收缩以及水分流失[27,28]，猪肝剪切力随加热时间的延长而增大，温度越高变化越快。

采用最小二乘法对猪肝剪切力变化进行拟合。由表3可知，在油炒过程中猪肝剪切力变化属于一级反应动力学模型。猪肝剪切力变化的活化能Ea为160.77 kJ/mol，z值为14.16 ℃。蛋白质变性活化能在200~600 kJ/mol[29]范围之间，大于猪肝剪切力活化能，蛋白质加热变性z值小于猪肝剪切力z值，说明蛋白质的状态、蒸煮水分损失等原因共同导致猪肝剪切力增大[30]。猪肝剪切力z值小于猪里脊肉剪切力z值17.9 ℃[15]，可能是由于猪肝的蛋白质和水分含量都比猪里脊肉高，加热过程中蛋白质变性收缩与水分流失更剧烈。

3 结论

猪肝油炒过程中表征成熟的品质因子（亮度值、红度值、白度值、剪切力）的变化均遵循一级反应动力学模型，其z值分别为19.53 ℃、20.61 ℃、20.20 ℃、14.16 ℃，Ea值分别为116.67 kJ/mol、110.40 kJ/mol、112.75 kJ/mol、160.77 kJ/mol。表征过热的品质因子（蒸煮损失）的变化遵循一级反应动力学模型，其Ea值为75.63 kJ/mol，z值为30.12 ℃，过热品质因子的z值大于成熟品质因子的z值，符合烹饪操作优化的要求，证明猪肝在油炒成熟过程中存在优化空间，也为猪肝烹饪品质变化的分析和优化研究提供基础参数，后续将在此基础上对猪肝油炒油温、刀工等参数进行工艺优化。