热水协同超高压快速 复鲜冷冻牛肉工艺优化

张 璐,潘 见,谢慧明,孙 忱,李 颖

(合肥工业大学农产品生物化工教育部工程研究中心,安徽合肥 230009)

冷冻牛肉因贮藏时间长,蛋白质含量高,脂肪含量低而深受消费者喜爱。冷冻牛肉在解冻过程中易出现汁液流失、变色、质地改变等问题。韩少东[1]利用蒸汽循环分阶段换热,使肉品解冻,该方法虽能减少汁液流失,但过程复杂,耗能较高且不能保证肉类安全。史智佳等[2]通过高温、低温两个阶段解冻来缩短解冻时间,但不能解决自然解冻过程中变色、汁液流失、质地改变等问题。

超高压解冻作为新型的解冻方式虽有很多优点[3],但低压处理(100～300 MPa)对肉色有一定影响[4],例如水渍样白化等,且解冻时间随着肉块增大而大幅度延长,而小肉块(0.1～0.5 kg)所需解冻时间虽短但不论肉块大小都会发生重结晶[5]。

本实验拟通过调节超高压低压进水端温度、肉块与进水体积比(以下简称水肉比)、超高压处理压力与保压时间,检测热水协同超高压快速复鲜后牛肉的汁液损失率、肉色、硬度等指标,并以新鲜牛肉和常压解冻的牛肉作对比,对热水协同超高压快速复鲜冷冻牛肉工艺进行优化。从而使解冻后的牛肉品质更加接近鲜肉品质,即冷冻牛肉复鲜。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜牛肉 市售,合肥周谷堆农产品批发市场;超高压包装袋 16 cm×25 cm,合肥向东食品包装材料公司;蒸馏水 分析纯,实验室自制;氯化钠 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;营养琼脂 分析纯,杭州微生物试剂有限公司。

YCB630/2.550 L型超高压设备 兵器工业第五二研究所;G-135型电子天平 德国梅特勒-托利多公司;DZ-400型真空包装机 上海创灵包装机械制造有限公司;TES-1310型瞬时温度计 台湾泰仕电子工业股份有限公司;TA.XTplus型物性测试仪 英国Stable Micro System公司;DW-GL388型超低温立式冷冻柜 上海跃核仪器有限公司;WSF分光测色仪 上海圣科仪器设备有限公司;JB-CJ-1FC型无菌操作台 新加坡StreamLine-lab公司。

1.2 实验方法

1.2.1 复鲜工艺流程 新鲜牛肉分割成1 kg/块装入包装袋中,利用真空封口机进行真空包装,包装后置于-60 ℃超低温冷冻冰箱冷冻1 h后贮存于-18 ℃冰箱备用。将包装完好的冷冻牛肉样品置于超高压容器内,向其中注入一定温度与体积的温水,于一定压力与保压时间条件下处理,解冻后的牛肉仍保持真空包装状态,置于0～4 ℃下冷藏。

1.2.2 热水温度与保压时间的关系 通过热量衡算,即对比解冻一定质量的牛肉所需要的热量计算出热水需提供的热量,并跟据超高压容器的体积确定热水体积及温度。在本节中为方便计算,选取水肉比为1∶1,分析超高压处理压力为200 MPa,热水温度在20～50 ℃时热水温度与保压时间的关系,以便为后续工艺优化实验选取合适的热水温度及保压时间。

1.2.3 工艺优化

1.2.3.1 单因素实验 采取上述1.2.1的工艺复鲜冷冻牛肉,复鲜条件为:固定条件压力200 MPa,保压时间40 min,考察不同热水温度(30、35、40、45、50 ℃)对复鲜牛肉汁液损失率、肉色、硬度的影响;固定条件热水温度40 ℃,保压时间40 min,考察不同压力(0.1、100、150、200、250、300 MPa)对复鲜牛肉汁液损失率、肉色、硬度的影响;固定条件热水温度40 ℃,压力150 MPa,考察不同保压时间(25、30、35、40、45 min)对复鲜牛肉汁液损失率、肉色、硬度的影响。根据上述复鲜条件进行单因素实验,考察各因素变量对复鲜后牛肉的汁液损失率、肉色、硬度的影响,并以常温常压解冻牛肉作对比。

1.2.3.2 正交试验设计 在单因素实验的基础上,通过方差分析确定显著因素及其水平,然后进行正交优化试验设计,正交优化试验因素与水平见表1。考察温度(A)、压力(B)、保压时间(C)对复鲜后牛肉汁液损失率、肉色、硬度的影响,优化热水协同超高压快速复鲜工艺条件。

表1 正交优化试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal array design

1.2.4 冷冻牛肉理化指标检测

1.2.4.1 牛肉的汁液损失率检测 测量解冻前牛肉的重量ma,解冻处理,解冻后的样品在85 ℃水浴锅中蒸煮20 min,蒸煮后冷却到室温,然后再次称重mb,最后计算汁液损失率公式如下:

式中:ma为解冻前牛肉质量,mb为蒸煮后牛肉质量。

1.2.4.2 解冻后牛肉的肉色检测 采用便携式色度仪测定白度值(L*)、红度值(a*),光源D65,测量直径8 mm。样品色度测定前,用标准白板校正色度计,白板的参数为:L*=97.83、a*=-0.43,每个样品随机取3个点测定冷冻前和解冻后的肉色。

1.2.4.3 解冻后牛肉的硬度检测 选择适当重量的新鲜无筋牛肉洗净,把牛肉切成2 cm×2 cm×1.5 cm的小块,分别装入包装袋,随机分条件编号,储存在4 ℃冰箱中待测。

利用物性测试仪的TPA检测探头两次下压测定牛肉的质地特性,相应质地参数即为实验指标。样品在室温下测定,每个样品进行3次平行实验。实验条件为:下压样品变形量50%,测试前探头下降速度为5 mm/s,测试速度为1 mm/s,测试后探头回程速度为5 mm/s,触发力为3 g,探头类型为P/100。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 热水温度与保压时间的关系

水肉比为1∶1,压力200 MPa时,热水温度与保压时间的关系如图1所示:

图1 热水温度与保压时间的关系Fig.1 The relationship between hot water temperature and pressure maintaining time

由图1可以看出,随着热水温度升高,保压时间逐渐减少,当水温大于40 ℃后，保压时间变化趋势减缓。可能是由于传热速率随着温度的升高先急速增大,后逐渐减小并逐渐趋于平衡。结果表明:在不发生重结晶且冻肉完全解冻的情况下，热水协同可提高超高压解冻速率,因此选取热水温度30～50 ℃、保压时间25～45 min进行后续工艺优化实验。

2.2 冷冻牛肉超高压快速解冻复鲜工艺条件确定

2.2.1 热水温度对冷冻牛肉复鲜后汁液损失率、肉色、硬度的影响 由图2A可以看出,纵向对比,常压解冻的汁液损失率高于200 MPa超高压解冻,即超高压解冻可以降低肉类汁液损失率,这可能是由于水的相变温度随压力的变化而减小,因此可在低温状态快速解冻,减少汁液损失率;横向对比,随着热水温度的升高,两种解冻方式汁液损失率均逐渐升高,这是由于温度升高,细胞内冰晶大量解冻,向内回流的速率远远低于向外流出的速率,造成大量汁液损失[6],另外不同的解冻方式使得细胞受损伤程度也不同,造成汁液流失率也不同[7]。

图2 热水温度对冷冻牛肉汁液损失率、肉色、硬度值的影响Fig.2 Effects of hot water temperature on the loss rate,meat color,hardness value

由图2B可以看出,温度改变对肉色的影响呈非线性关系。超高压解冻白度值(L*)随着温度的升高,呈现N字形,先增大后减小再增大,在45 ℃达到最低;红度值(a*)随着温度的升高先增大后减小,热水温度的改变对a*值有一定影响(p<0.05),在45 ℃时a*值最高。可能是由于肉中MetMbase的活性随着温度和压力的改变而改变,在200 MPa压力作用下酶的活性增大使肉色呈现鲜红色[8]。常压解冻L*值随着温度升高呈逐渐下降趋势,a*值先增大后减小,这可能是由于牛肉中高铁肌红蛋白还原酶随着温度的升高活性逐渐增大,加快了高铁肌红蛋白还原速率使肉呈现鲜红色。200 MPa超高压解冻L*值大于常压解冻,200 MPa超高压解冻a*值小于常压解冻,即常压解冻后肉色比200 MPa超高压解冻更红,可能是由于高压作用使牛肉中蛋白二级结构发生变化,造成白化,使肉色整体偏白[8]。

由图2C可以看出,温度改变对解冻后的牛肉硬度的影响呈线性关系。横向对比,随着温度的升高,硬度值逐渐下降,即肉的嫩度逐渐增加;纵向对比,高压解冻后硬度值低于常压解冻,随着温度的升高两者差距逐渐缩小。这是由于温度升高使牛肉组织中进行一系列生化反应,例如肌动球蛋白解离成肌球蛋白纤丝和肌动蛋白纤丝,使肌肉恢复松弛,肉质更加柔软,硬度降低[9]。

由表2～表5可知,4项指标结果均为极显著(p<0.01),故选择超高压介质温度35、40、45 ℃进行后续的正交试验。

表2 热水温度对冷冻牛肉复鲜后汁液损失率影响的方差分析Table 2 Analysis of the variance of the effect of the temperature of hot water on the juice loss rate of the beef after rejuvenation

表3 热水温度对冷冻牛肉复鲜后L*值影响的方差分析Table 3 Analysis of the effect of the temperature of hot water on the L* value of the beef after rejuvenation

表4 热水温度对冷冻牛肉复鲜后肉色a*值影响的方差分析Table 4 Analysis of the effect of the temperature of hot water on the a* value of the beef after rejuvenation

表5 热水温度对冷冻牛肉复鲜后硬度影响的方差分析Table 5 Analysis of the effect of the temperature of hot water on the hardness value of the beef after rejuvenation

2.2.2 压力对冷冻牛肉复鲜后汁液损失率、肉色、硬度的影响 从图3A可以看出,随着压力的增大,汁液损失率逐渐增大;压力低于200 MPa时的汁液损失率低于常压解冻(0.1 MPa)的;压力大于200 MPa时的汁液损失率大于常压解冻的。这可能是由于随着压力的增大,解冻速率加快,细胞的压力增大,导致冰度过结晶区的速率过快,进而冰转化成水的速率远远大于细胞复原的速率[5],从而汁液流失加剧。

图3 压力对冷冻牛肉汁液损失率、肉色、硬度值的影响Fig.3 Effect of pressure on the loss rate of frozen juice and meat color,hardness value

从图3B可以看出,超高压解冻处理对于肉色的影响较大。随着压力的增大,复鲜后的牛肉白度值(L*值)逐渐增大,且大于对照组(新鲜牛肉)与常压解冻后的牛肉的白度值,这可能是由于超高压处理引起了牛肉中蛋白质变性,产生胶凝、聚集等作用,使蛋白质白化[10-13]。随着压力增大,红度值(a*值)逐渐减小,压力小于200 MPa时,复鲜后牛肉的a*值大于对照组与常压解冻牛肉的a*值,这可能是由于超高压(≤200 MPa)处理时,牛肉中的氧合肌红蛋白含量大于高铁肌红蛋白含量,使肉呈现鲜红色,a*值增大;当压力大于200 MPa时,牛肉中的氧合肌红蛋白含量低于高铁肌红蛋白含量[14],使肉呈现褐色,a*值减小,王玮等[8]的研究也表明低压虽使牛肉中MetMbase活性增大,但压力大于200 MPa后活性逐渐降低。

从图3C可以看出,常压解冻的牛肉硬度值最大,超高压处理压力大于180 MPa时,解冻后牛肉的硬度值低于对照组。复鲜后牛肉的硬度值随着压力的增大而逐渐减小,这是由于硬度值越大,嫩度值越低,超高压处理可以增加肉类的嫩度[15-16]。

由表6～表9可知,4项指标结果均为极显著(p<0.01),故选择压力100、150、200 MPa进行后续的正交试验。

表6 压力对冷冻牛肉复鲜后汁液损失率影响的方差分析Table 6 Analysis of the variance of effect of pressure on the juice loss rate of the beef after rejuvenation

表7 压力对冷冻牛肉复鲜后肉色L*值影响的方差分析Table 7 Analysis of effect of pressure on the L* value of the beef after rejuvenation

表8 压力对冷冻牛肉复鲜后肉色a*值影响的方差分析Table 8 Analysis of effect of pressure on the a* value of the beef after rejuvenation

表9 压力对冷冻牛肉复鲜后硬度影响的方差分析Table 9 Analysis of the variance of effect of pressure on the hardness value of the beef after rejuvenation

2.2.3 保压时间对冷冻牛肉复鲜后汁液损失率、肉色、硬度的影响 由图4A可以看出,热水协同超高压复鲜后牛肉的汁液损失率相对于未超高压处理的样品显著降低(p<0.05),且随着保压时间的延长,汁液损失率逐渐增大,在保压时间35 min后趋于平缓逐渐接近未处理样品汁液损失率,这可能是由于随着保压时间延长,牛肉细胞内外汁液逐渐处于平衡,冰晶融化成水的速率逐渐等于细胞复原的速率,汁液流失减少。

由图4B可以看出,在保压时间25 min后,肉色白度值(L*值)随着保压时间的延长呈N字型,先上升后微微降低再上升;红度值(a*值)呈现倒N型,先下降后升高再降低,35 min时红度接近未处理样品,40 min时红度优于未处理样品。这可能是由于随着保压时间由25 min延长至45 min,MetMbase活力先增大后减小,保压时间40 min时活性中心达到最大程度暴露,使得活力增强,保压时间延长,MetMbase结构进一步改变或者损伤,导致活力有轻微下降,表现为肉色白化[17]。

图4 保压时间对冷冻牛肉汁液损失率(A)、肉色(B)、硬度(C)的影响Fig.4 Effect of frozen beef dwell time on juice loss(A),meat color(B)and hardness value(C)

由图4C可以看出,未处理的样品硬度值最高,经过超高压处理后的样品硬度值随着保压时间的延长先下降后升高,在40 min时硬度值最低,可能由于超高压处理增加了肉的嫩度,但一定时间后肉块在高压作用下逐渐紧实,蛋白质结构发生变化,相互聚合凝胶,硬度开始增加[18]。

表10 保压时间对冷冻牛肉复鲜后汁液损失率影响的方差分析Table 10 Analysis of the effect of pressure dwelling time on the juice loss rate of the beef after rejuvenation

表11 保压时间对冷冻牛肉复鲜后肉色L*值影响的方差分析Table 11 Analysis of the effect of pressure dwelling time on color of the beef after rejuvenation

表12 保压时间对冷冻牛肉复鲜后肉色a*值影响的方差分析Table 12 Analysis of the effect of pressure holding time on the flesh color a* value of frozen beef after thawing

表13 保压时间对冷冻牛肉复鲜后硬度值影响的方差分析Table 13 Analysis of effect of pressure dwelling time on the hardness value of the beef after rejuvenation

由表10～表13可知,4项指标结果均为极显著(p<0.01),故选择保压时间35、40、45 min进行后续的正交试验。

2.3 温度协同超高压解冻冷冻牛肉正交试验

2.3.1 正交试验设计与结果 在单因素实验的基础上,确定影响冷冻牛肉解冻肉色的主要因素及其因素水平,主要因素有热水温度、超高压处理压力、保压时间,以汁液损失率、肉色和硬度为考察指标,设计L9(34)正交试验表,数据为多次平行实验的平均值。

正交试验设计及结果见表14。在考察范围内,通过表15～表18的方差分析得出:在影响汁液损失率的因素中压力极显著,热水温度较显著,保压时间不显著,若要求汁液损失率低,根据K值的大小得出的理论最佳工艺组合为A2B1C2,即热水温度40 ℃、压力100 MPa、保压时间40 min;在影响牛肉色的各因素中压力显著,热水温度较显著,保压时间不显著,若要求肉色呈鲜红色,根据色差两个指标L*值与a*值的K值的大小得出的理论最佳工艺组合为A2B1C2以及A2B2C2,即热水温度40 ℃、压力100 MPa或者150 MPa、保压时间40 min;在影响硬度值的各因素中压力极显著,热水温度较显著,保压时间不显著,若要求肉质硬度降低,根据K值的大小得出的理论最佳工艺组合为A2B3C2,即热水温度恒温40 ℃、压力200 MPa、保压时间40 min。

表14 正交试验设计及结果Table 14 Orthogonal array design with analysis of experimental results

表15 汁液损失率正交方差分析表Table 15 Analysis of variance of juice loss rate

表16 色差L*值正交方差分析表Table 16 Analysis of variance of meat color L* value

表17 色差a*值正交方差分析表Table 17 Analysis of variance of meat color a* value

表18 硬度值正交方差分析表Table18 Analysis of variance of hardness value

2.3.2 正交试验结果分析 4个考察指标所得的各个因素的影响程度不一致,所得的最佳工艺条件也不一致,需进行进一步分析与验证。

对于因素A热水温度,对前3个考察指标都有较显著影响,对硬度值指标影响不显著,A2热水温度为最佳,故选择热水温度为40 ℃;对于因素B压力,在4个指标中均为显著影响,压力适中可以满足硬度以及肉色需求,在B1条件下汁液损失率最低,在B2条件下肉色最佳,在B3条件下硬度值最佳,但综合考虑经济效益及市场对肉色的需求大于对硬度值的需求大于汁液损失率,故选择压力为150 MPa;对于因素C保压时间,在前3个指标中均为不显著因素,对硬度值有影响,C2为理论最佳工艺条件,故选择保压时间为40 min。因此正交试验确定的超高压工艺条件为A2B2C2。

2.3.3 验证实验结果 直观分析得出汁液损失率指标工艺条件为A3B1C2,色差L*、a*以及硬度指标工艺条件均为A2B1C2,正交试验工艺条件均为A2B2C2,将上述工艺条件与200 MPa非热水协同解冻的样品、40 ℃常压解冻的牛肉样品以及新鲜牛肉进行重复验证实验,以汁液损失率、色差值、硬度值作为考察指标。如表19所示。

表19 验证实验结果Table 19 Results of verification experiments

由表19可以看出,热水协同超高压复鲜冷冻牛肉的最优工艺为热水温度40 ℃、压力150 MPa、保压时间40 min。在此条件下,与200 MPa超高压解冻相比,解冻时间降低25%,汁液损失率升高约13.44%,色度值L*降低约18.89%,红度值a*升高约139.81%,硬度值降低约17.5%;与常压解冻处理的牛肉样品相比,汁液损失率降低约10%,肉色红度值升高约7.49%,白度值升高约10.55%,硬度降低约50%;与新鲜肉类相比,汁液损失率升高约13%,肉色红度值升高约5.98%,白度值升高约35.93%,硬度值增加约16%。本实验以护色为主要目的综合考虑市场需求及经济效益,因此选取冷冻牛肉解冻处理工艺热水温度40 ℃,压力150 MPa,保压时间40 min。

3 结论

本实验以汁液损失率、肉色以及硬度值为考察指标,考察了热水温度、压力以及保压时间对冷冻牛肉复鲜的影响。实验结果表明:热水协同超高压复鲜冷冻牛肉的最优工艺为热水温度40 ℃、压力150 MPa、保压时间40 min。在此条件下热水协同超高压工艺可快速复鲜冷冻牛肉。