不同干燥温度对牛肉脯水分分布迁移规律的影响

2021-11-30薛美芳王永瑞贺晓光王松磊

食品与生物技术学报 2021年11期

薛美芳，王永瑞，张也，马亮，贺晓光，王松磊*

（1.宁夏大学食品与葡萄酒学院，宁夏银川750021；2.宁夏大学农学院，宁夏银川750021）

肉脯是肉类制品深加工的主要产品之一，因其本身诸多特点深受消费者的喜爱[1]。水分是牛肉脯的重要组成部分，牛肉脯的品质、感官及各种变化受其水分含量及分布情况的影响[2]。牛肉脯经过干燥后，水分含量有所降低，微生物的生长减缓[3]。对于目前的一些干燥方法来说，晒干和风干因时间长、温差大、干燥慢，产品干燥效果不好，内外硬度不一等现象容易出现；用恒温鼓风干燥箱干燥，能使肉脯内外水分扩散较快，有利于产品工业化生产并提高产品品质。干燥能赋予肉脯良好的色泽和可接受性，牛肉经过高温会产生表面卷曲、体积减小、保水力下降等变化，这些变化都与水分损失迁移密切相关[4]。与此同时，干燥温度和干燥时间显著影响着肉脯质量特征。

刘丽美等探讨油炸温度对牛肉干水分变化与品质的影响[5]；渠琛玲等研究了热风干燥过程中花生仁内部水分的分布规律[6]。低场核磁共振技术能够对不同状态的水分加以区分，分析与其他物质之间的相互作用[3]。低场核磁共振包括低场核磁共振波谱及核磁共振成像技术，它是一种现代检测技术，具备了高精准、速度快、零损伤、无侵入等特点。不同的弛豫时间T2值反映了样品中不同的水分状态。T2值越高，水分子的流动性越高，在T2图谱上峰位置越靠右；而T2值越低，水分子的流动性越差，在T2图谱上峰位置越靠左[7]。因此通过样品中横向弛豫时间T2的变化来观察水分状态的变化过程[8]。氢质子核磁共振成像可以显示样品中水分分布和加工过程中的水分结构变化。

作者以热风干燥牛肉脯为研究对象，运用低场核磁共振技术动态观测牛肉脯不同干燥温度和不同干燥时间下横向弛豫时间和核磁共振成像，了解不同干燥温度对牛肉脯色泽、水分含量、水分状态、活跃程度及水分迁移动态规律。对结果进行分析，为干燥牛肉脯品质提升、产品研发和节约能源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冰鲜牛肉、调味品（包括味精、白砂糖、食盐）、马铃薯淀粉、复合磷酸盐、大豆分离蛋白、卡拉胶、红曲红（食品级）：市售。

1.2 仪器与设备

JP728料理机：苏泊尔股份有限公司产品；WSC-S色差计：上海精密科学仪器有限公司产品；SQP电子天平：多利斯科学仪器北京有限公司产品；DHG-9123A恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司产品；NMI120核磁共振成像分析仪：上海纽迈电子科技有限公司产品；K30FK806电烤箱：苏泊尔股份有限公司产品；BCD-649WDGK冰箱：海尔股份有限公司产品。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程选料→原料预处理→绞肉→混匀→腌制→摊筛→烘干→烘烤→压平切片→冷却→包装→成品。

1.3.2 干燥试验热风干燥的干燥温度为50、60、70℃。样品尺寸为6.0 cm×4.5 cm×0.3 cm。通过控制恒温鼓风干燥箱加热干燥设备中的温度开关进行干燥。其中，每30 min取样，当含水率由干燥前的68%降至30%以下时，肉脯半成品的干燥过程结束[9]。实验重复做3次取平均值。

1.3.3 初始含水量的测定采用烘干恒重法[10]测定初始含水量。

1.3.4 湿基含水率的测定参照马慧俐等[11]的方法。

我们发现，我们用了太多时间去构建所谓的公司文化，却没把主要精力放在拓展业务和渠道上。每个月公司账面都是不小的赤字，自然没法给员工涨工资。

1.3.5 干基含水率的测定参照楚文静等[12]的方法。

1.3.6 干燥速率的测定参照朱文学等[13]的方法。

1.3.7 低场核磁共振的测定参照Caia[14]等的方法，略做修改。将样品切成肉条，进行横向弛豫时间（T2）的测定。质子共振频率为20 MHz，磁场强度为0.47 T。T2测量用90。脉冲时间16μs；180°脉冲时间33 μs。扫描16次，回波2 000次，采样点180 030。

1.3.8 低场核磁共振成像的测定参照Li[15]等的方法，略做修改。主要参数：重复时间1 500 ms；纵向弛豫时间T1为20 ms；自旋回波时间T2为20 ms。

1.3.9 色泽测定采用WSC-S测色色差计，分别记录L*值、a*值和b*值，其中L*值表示亮度，a*值表示红度，b*值表示黄度。每个处理测定4次。

1.4 数据处理

用SPSS 23软件对数据进行方差分析，所有分析图均采用Origin2018软件绘制。

2 结果与分析

2.1 不同干燥温度对干燥耗时及湿基含水率的影响

由图1可知，不同干燥环境下的干燥曲线趋势较为一致，在50、60、70℃3种干燥温度下，含水率由68%降至30%以下，分别用的时间为180、150、120 min。其中干燥时间与含水率成反比，在温度为70℃时含水率下降最明显。如图，干燥时间延长，其含水率并不是匀速下降的，而是逐渐趋于缓慢。在干燥时间一致下，牛肉脯70℃干燥比50℃和60℃的湿基含水率要低，表明干燥温度越高越能够有效加快水分的迁移，提高干燥效率。与曹叶萍等[2]的研究结果一致。这可能与蛋白质变性和肌纤维收缩有关。

图1 不同干燥温度下牛肉脯的干燥耗时及湿基含水率Fig.1 Drying time and moisture content of dried beef jerky under different drying temperatures

2.2 不同干燥温度对干燥速率的影响

图2 不同干燥温度下牛肉脯的干燥速率Fig.2 Drying rate of dried beef jerky under different drying temperatures

2.3 不同干燥温度对T2弛豫图谱的影响

通过反演算法得到不同温度下牛肉脯核磁共振信号数据的T2反演图谱，见图3（a）-（c）。图中均出现3个峰，代表结合水、不易流动水和自由水[19]，横向弛豫时间T2与水分子流动性成正比，这与刘宗博等[20]研究结果一致。T2图谱上信号量越强，峰面积越大代表该种水分含量越高[21]，可以看出牛肉脯中的不易流动水含量最高，结合水和自由水占比较少。并且不同干燥温度下，随着干燥时间的延长出现相似的变化，峰面积减小峰位置左移，说明含水率在逐渐降低[22]，这与Lin等[23]研究中波红外辐射干燥胡萝卜切片水分的结果基本一致。

图3 不同干燥温度下的核磁共振波谱Fig.3 NMR spectra under different drying temperatures

2.4 不同干燥温度对峰面积的影响

如表1所示，随着干燥时间的延长，3种干燥温度下A、A22和A23均呈下降趋势，说明不易流动水在向自由水方向迁移而被脱去，导致不易流动水含量降低。A23下降可能是由于牛肉在干燥过程中温度达到50℃左右，牛肉肌球蛋白和部分肌浆蛋白发生变性，持水力降低[23]。A21先升高又逐渐降低，这是由于一些不易流动水开始向结合水迁移，随着干燥时间的延长结合水中结合相对较弱的弱结合水有所降低[4]。由于干燥破坏了肉中的肌原纤维蛋白网络结构，大部分水位于肌原纤维蛋白网络结构中，导致的蛋白质变性与水分状态的变化有关。在干燥时间一致下，70℃干燥的A最低，这与干燥速率和含水量变化相同。表明70℃干燥明显提升了水分扩散梯度。

表1 不同干燥温度下牛肉脯3种状态水峰积分面积Table 1 Water peak integral area of three states of dried beef jerky under different drying temperatures

2.5 不同干燥温度对横向弛豫时间的影响

横向弛豫时间T2是指处于平衡态的系统受到外界刺激后，停止激发脉冲经一定时间能恢复到原来的平衡态，系统所经历的这一段时间[20]，氢质子与其他非水组分结合程度越小，水分越易失去[25-26]。由表2可知，在这3种干燥温度下，T22和T23均随着干燥时间的延长呈下降趋势，这与Li等[14]报道的牛肉粒干燥过程中横向弛豫时间变化趋势一致。干燥初期的T22、T23比干燥后期的下降速度快，可能是主动力为干燥温度造成的，随着干燥时间的进行干燥速率降低，T22和T23弛豫时间缓慢减少，说明这个阶段的主要驱动力是内部水分向外扩散的速率[25]。这与石芳等[25]研究食用菌的横向弛豫时间下降速率一致。在相同的干燥时间下，70℃干燥温度下的T22、T23显著低于（P＜0.05）50℃和60℃干燥，表明70℃干燥能加快水分的自由扩散度。随着干燥的进行，T21逐渐增大然后又减小，结合水的波峰右移，不易流动水的波峰左移，这说明结合水和不易流动水两种水分相互转化，逐渐成连续状态。

续表1

表2 不同干燥温度下牛肉脯中3种状态水的横向弛豫时间Table 2 Transverse relaxation time of water in three states of dried beef jerky under different drying temperatures

2.6 不同干燥温度对水分分布的影响

核磁共振成像技术MRI是用投影重建法根据所释放的磁共振的信号强度，研究加工过程中的水分分布和结构变化[27-28]。由表3可知，对比不同热风温度条件下T1加权成像图发现，在热风温度为50℃时，成像图亮度变化缓慢；随着温度的增加，亮度变化越明显。干燥时间相同，不同温度条件下的加权成像图有所不同，成像图的亮度下降，表明其含水率逐渐减少，与玉米干燥过程中的成像图亮度变化一致[29]。这说明不同的温度条件下，水分迁移速率的变化较明显。随着干燥的进行，物料不断收缩卷曲，其原因是水分子外迁产生的应力效应造成物料组织结构出现收缩现象。

表3 不同干燥温度下牛肉脯氢质子密度成像对比Table 3 Comparison of hydrogen proton density imaging of dried beef jerky under different drying temperatures

2.7 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

从图4可以看出，不同干燥条件下，低场核磁共振峰积分面积总和与湿基含水率均呈现显著的线性关系（P<0.05），50℃干燥的线性回归方程为y=337.83x-6 946.19（R2=0.957 0），60℃干燥的线性回归方程为y=270.72x-4 296.98（R2=0.928 6），70℃的线性回归方程为y=323.34x-6 092.77（R2=0.975 0），表明其含水率对核磁共振峰积分面积有影响。因为直接测定湿基含水率耗时长，根据建立的方程可以更好地预测样品含水率，为牛肉脯热风干燥工艺优化、过程控制提供参考。

图4 不同干燥温度下牛肉脯湿基含水率与低场核磁共振总峰积分面积的相关性分析Fig.4 Correlation analysis between moisture content of wet base and total peak integral area of low-field NMR magnetic resonance under different drying temperatures

2.8 不同干燥温度对色泽变化的影响

色泽是影响消费者喜爱度和产品市场接受度的重要品质属性之一。肌红蛋白的氧化是牛肉干燥过程中色泽变化的主要原因。从图5可以看出，不同干燥温度下L*值逐渐下降，亮度降低，a*值和b*值先升高，随后又慢慢降低。干燥温度升高，亮度L*值逐渐降低，这是因为干燥过程中发生美拉德反应，产生诱人的亮红色；美拉德反应随着温度的升高而加剧，当温度过高时美拉德反应过度直接影响色泽；亮度值L*下降，还因为牛肉脯汁液减少，引起样品表面光鲜度下降，从而使样品亮度减弱。此外，干燥结束后干燥温度高的a*值和b*值比干燥温度低的高，此结果与姜秀丽[3]研究的牛肉干颜色变化结果一致。