3种磷酸盐对冷藏牦牛肉中水分的调控作用

李伟丽，任艳娇，吴胜勇，车振明，吴 韬

(西华大学食品与生物工程学院，四川 成都 610039)

牦牛是青藏高原及其毗邻地区特有牛种，放牧于海拔3 000 m以上的高寒草地，适应高海拔地区缺氧、高寒和牧草匮乏等极端恶劣环境，是高原畜牧业最重要的优势畜种[1]。全世界存栏的牦牛约有95%集中在中国。牦牛肉肉质鲜美，其不饱和脂肪酸总量、花生四烯酸、亚油酸等营养成分显著高于黄牛肉。

肉质的多汁性是评价肉制品品质和消费者接受程度的重要指标之一，与肉制品的保水性联系紧密。大多数超市购买的牦牛肉均经过冷冻或冷藏，其保水性必然会受到一定的影响。磷酸盐是肉制品中合法使用的食品添加剂。它具有提高肉类pH值、螯合肉中金属离子、增加肉的离子强度、解离肌动球蛋白等的作用[1-20]。为了改善肉制品的保水性，张杰等[2]采用柠檬酸钠、海藻酸钠、乳酸钠非磷保水剂对牦牛肉的保水性进行了研究。但有关磷酸盐对牦牛肉中水分子的调控作用鲜有报道。肌水的分布和流动性在很大程度上影响肉的多汁性、嫩度[21]。低场核磁共振技术作为一种无损检测方法，可从微观上研究食品内部水分的分布和迁移情况[3-4]，提供有关水质子与蛋白质中可交换质子之间关联的有效信息，并提供肌水的化学物理状态，具有快速、无损、准确的特点，在研究食品原料的水分存在状态方面具有独特的优越性[2]。另外，NMR横向弛豫时间T2可定量表征肌肉中水分分布状况和流动性，为进一步分析肉的品质提供相关数据[21]。目前国内外不少学者对LF-NMR的应用进行了研究，其中在肉制品的食用品质和加工品质方面的检测，以及肉制品掺假判定和新鲜度检测等方面应用十分广泛：程天赋等[22]利用LF-NMR探究了鸡肉解冻过程中肌原纤维水的变化及品质影响；Guiheneuf[23]等采用LF-NMR技术检测解冻猪肉的水分分布变化。本试验首先采用LF-NMR技术研究冷藏温度对牦牛肉保水性的影响，其次探索食品中最常用的3种磷酸盐对牦牛肉保水性的调控作用，以期为牦牛肉的贮藏保鲜技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牦牛后腿肉，四川省阿坝州红原县；焦磷酸钠(sodium pyrophosphate，SPD)、六偏磷酸钠(sodium hexametaphosphate，SHMP)、三聚磷酸钠(sodium tripolyphosphate，STPP)，山东优索化工科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Micro MR23-040V-1低场核磁共振成像与分析系统，上海纽迈电子科技有限公司；海尔BCD-649WE冰箱，青岛海尔股份有限公司；Forma900系列-86 ℃立式超低温冰箱，赛默飞世尔科技有限公司；JA2003电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 冷(冻)藏样品制备

将新鲜牦牛肉清洗干净后，切成大小约为2 cm×1 cm×1 cm的肉块，沥干表面水分。将牦牛肉分别置于4、-20和-70 ℃处理24 h。解冻后进行LF-NMR检测。

1.3.2 磷酸盐处理

按照表1中磷酸盐质量分数分别配制50 mL溶液备用，将肉块置于4 ℃下腌渍24 h。设置空白组，将牛肉置于同等体积的蒸馏水内腌制。腌制后进行LF-NMR检测，每种处理方式各重复6次。

表1 3种磷酸盐的质量分数

1.3.3 LF-NMR测定

将待测样品恢复至常温并沥干表面水分，放入装载样品的测试管内，选择序列为Q-CPMG进行低场核磁共振检测。参数设置为：采样点数TD=220 054；重复采样等待时间TW=3 000 ms；重复扫描次数NS=2；回波个数NECH=5 500。

1.3.4 相对自由水峰面积测定

本实验用相对自由水峰面积(relative peak area，RPA)来表征肉块的保水强度，即：

(1)

式中：A22*为处理前牦牛肉自由水的峰面积；A22**为磷酸盐处理后自由水的峰面积。

1.3.5 数据处理

采用SPSS17.0进行主成分分析(principal component analysis，PCA)和显著性检验(P<0.05)，Origin2017绘图。

2 结果与分析

2.1 不同冷(冻)藏温度下的牦牛肉中水分分布情况

前期研究表明，使用LF-NMR检测到的水分分布图有多种，如Ciara K.McDonnell等[10]认为肉制品中含有3种水的存在形式，分别为结合水、不易流动水、自由水；Tornberg等[11]利用NMR检测到肉中含有2～4种水的存在形式，代表了胞内水与胞外水。牦牛肉在不同温度下储藏24 h的弛豫时间(由暂态趋于定态所需时间)的对数值与强度，如图1所示。结合本实验样品的弛豫时间和峰面积比可知[11]，牦牛肉样品经过4 ℃冷藏后有2个峰，即有2种存在形式的水，分别为结合水和自由水，弛豫时间分别用T2b和T22来表示[12]。结合水是与大分子紧密结合的水，自由水是肌原纤维蛋白外部水，包括肌浆蛋白部分。而-20 ℃和-70 ℃只有1个峰，为T22。3种温度下，牦牛肉中自由水含量最多；但经过冷冻后，牦牛肉中的结合水分丢失，自由水变化不大。同时，在4 ℃条件下，2个峰的间隔较大，可知牦牛肉中相邻状态的水分，流动性相差较大，表明在牦牛肉中，这2种水分之间相互转换可能性较小。李东等[14]分析稻谷水分时发现，这2种水分之间的转换可能性较大。由此推断，不同食品成分能够对水分子迁移产生显著影响。

图1 不同储藏温度下的水分分布状态

由表2可知，随着储藏温度的下降，自由水峰面积A22分别减少19.0%和26.6%，说明自由水也在减少。一方面原因可能是由于冷冻后，牦牛肉的肌肉组织结构和细胞受低温影响损伤较大，水分与肉的结合能力下降，且结合水受温度的影响不断渗出；另一方面，牦牛肉中的自由水在贮藏过程中不断向周围环境迁移，使得周围环境湿度达到平衡，从而导致牦牛肉中的自由水降低。

表2 不同温度下各水分相对峰面积的原始数据表 (n=6)

注：表中不同字母代表差异显著

2.2 磷酸盐处理对牦牛肉保水性的影响

由2.1可知，4 ℃冷藏时，牦牛肉水分含量最高，且含有2种状态的水分；因此，磷酸盐保水试验在4 ℃下实施。由于自由水占比远远大于结合水，因此本试验主要探讨自由水的变化情况。结果如表3所示。3种磷酸盐的相对峰面积均比空白组大，说明3种磷酸盐对牦牛肉均有保水作用，且STPP>SHMP>SPD，但SHMP的走势较为平缓，与孟晨等[16]研究结果相似，SPD和STPP的走势陡峭。其次，3种磷酸盐所导致的相对峰面积极差较大，说明磷酸盐的浓度对牦牛肉保水性的影响较大。同时，SPD、STPP、SHMP质量分数分别在0.3%、0.36%、0.35%时，其相对峰面积最大。

表3 LF-NMR所测数据 (n=6)

注：表中不同字母代表差异显著

2.3 主成分分析

主成分分析是一种线性的建模方式，可通过一个多维潜在的主成分来解释原有变量的信息。由主成分载荷值可以解释样品的特点、分组、相似性及差别[8]，这就使得主成分比原始变量具有某些更优越的性能。利用主成分分析，可以判断影响牦牛肉保水性的主要影响因素并对综合指标进行评价。为顺利进行主成分分析，本文将牦牛肉经3种磷酸盐梯度处理前后的峰宽(T22CW*、T22CW**)、峰面积(A22*、A22**)、弛豫时间(T22*、T22**)和相对自由水峰面积RPA组成矩阵。孟晨等[16]采用SPSS17.0.统计软件对各样品数据结果进行标准化处理后再进行主成分分析，并计算主成分解释的总方差和旋转成分矩阵。解释的总方差见表4，第1个主成分的特征值为3.674，方差贡献率为52.489%； 第2个主成分的特征值为1.079，方差贡献率为15.409%；第3个主成分的特征值为1.041，方差贡献率为14.866%；前3个主成分的特征值均大于1，并且3个主成分旋转后的累积贡献率到达82.764%。因此，本研究采用前3个主成分进行综合评价[17]。

表4 解释的总方差

由图2(a)可见，3种不同形状的点分别代表不同的磷酸盐处理对牦牛肉自由水的影响效果。同种形状的点之间也能很好地进行区分，说明同种磷酸盐，不同浓度处理对于牦牛肉的保水性也有较强的显著差异。有研究认为，肉样中结合水与不易流动水含量的增加有助于肉样持水能力和嫩度的提高，对肉质的变化起到积极的作用[22]。由载荷图(图2(b))可知，对于牦牛肉的保水作用强度来说，RPA对于自由水保持的影响最大。

注：不同形状的点分别代表不同的磷酸盐处理对牦牛肉自由水的影响效果

图2 主成分分析图

以3个主成分因子得分与方差贡献率乘积之和相加，可以得到不同加工方法样品的综合得分(F)。通过综合得分对牦牛肉的保水性进行综合性评价，综合评价的值与保水作用强度呈正相关，根据特征向量，得到主成分线性组合表达式[18]：

F=0.52489F1+0.15409F2+0.14866F3

(2)

3种磷酸盐不同浓度处理下牦牛肉的综合得分及排序见表5。可见，以0.35%的SHMP(M13)处理牦牛肉时，其综合得分最高；以0.26%的SPD(M2)处理牦牛肉时的综合评分最低。根据主成分分析结果可知，经SPD处理的牦牛肉质量均为负值，表明SPD处理的牦牛肉低于总体的平均水平；经同种磷酸盐不同浓度的综合得分进行求和处理，得出F(SPD)=-0.635 6，F(STPP)=0.350 9，F(SHMP)=0.284 8。由此可以反映，在保水性方面STPP处理牛肉的效果要优于SHMP。

表5 综合得分及排序

注：表5与表3编号对应

3 结论

利用低场核磁共振技术研究了3种磷酸盐对低温冷藏(冻)牦牛肉中水分分布状况的影响。结果表明，牦牛肉经过4 ℃冷藏24 h后，同时存在结合水和自由水；分别在-20 ℃和-70 ℃下冷冻24 h后，结合水完全消失，自由水分别减少19.0%和26.6%。因此。4 ℃冷藏更适合牦牛肉水分维持。在保水性试验中发现，添加磷酸盐会提高牦牛肉的保水性，但不同磷酸盐调控效果存在显著差异。

随着磷酸盐质量分数的增加，牦牛肉的保水作用先不断加强，直到某一临界点时，其保水作用随之减弱。主成分分析结果表明：以0.35%的SHMP处理牦牛肉时，其保水作用最强；以0.26%的SPD处理牦牛肉时，其保水作用最弱。当SPD质量分数为0.36%～0.41%，STPP的质量分数为0.30%～0.45%，SHMP的质量分数为0.35%时，保水作用效果最佳。同时，STPP处理牦牛肉的保水效果要优于SHMP，SPD的保水效果低于3种磷酸盐的平均水平，同种磷酸盐、不同浓度也会呈现显著差异。在综合评价牦牛肉保水性过程中，RPA、T22**和A22**起到主要贡献。本研究结果为不同冷藏处理的牦牛肉保水提供了安全可行的技术参考，并结合水分分布情况阐明了不同磷酸盐的作用差异，为牦牛肉冷藏保鲜加工提供了一定的科学依据。在进一步研究中，将结合牦牛肉的嫩度、解冻损失率、蒸煮损失率等关键品质指标进行相关性分析，为牦牛肉冷链贮运及产品保鲜提供更加深入多元的技术和数据支持。