κ-卡拉胶对西门塔尔杂交牛肉糜品质影响评价模型的建立

孟子晴，赵改名*，祝超智，田玮，郝婉名，祝远魁，张文华，李苗云，柳艳霞

1(河南农业大学 食品科学技术学院，河南 郑州，450002) 2(涟源综合试验站，湖南 涟源，417126) 3(中卫综合试验站，宁夏，中卫，755000)

牛肉糜类产品种类繁多，尤其是牛肉饼、牛肉肠、牛肉脯等产品备受消费者喜爱[1]，但是，牛肉饼等牛肉糜产品在加工过程中易出现析油、结构疏松等问题，所以对牛肉糜类制品的品质改良与保水保油研究非常迫切。当加工过程中采用擂溃搅拌机处理绞碎牛肉时，效果与斩拌机斩拌、人工手动搅拌的效果有差异，擂溃搅拌机搅拌之后的牛肉肉糜存在一定的肉粒感，口感良好，肉粒感大于斩拌后的肉糜，具有特殊的组织结构，适宜于牛肉饼等需要有肉粒感的产品，但是这种方式下生产的肉糜产品会比质地细腻的肉糜制品更易出现粗细不均、失水等问题。解决好拥有肉粒感的牛肉糜产品的保水问题、提升牛肉糜的品质对牛肉糜产品的工业化生产具有重大意义。

κ-卡拉胶具有与肉制品加工密切相关的性质[2-7]，卡拉胶等胶体提升肉糜制品品质的根本原因在于改善了肌原纤维蛋白的凝胶特性、乳化特性等。κ-卡拉胶具有极强地形成凝胶的能力，在肉蛋白加热形成凝胶过程中起着显著的保水和增强凝胶作用，因此在香肠、午餐肉等熟肉制品中应用较广。有研究表明，κ-卡拉胶可以与虾肌球蛋白相互作用,通过与极性残留物形成氢键取代蛋白质表面周围的部分水分子，从而导致冷冻储存过程中的蛋白质稳定性的改变[8]；κ-卡拉胶还能作为脂肪的替代品，增加硬度、光泽和咀嚼性[9]。卡拉胶的应用主要集中在猪肉、鸡肉制品，牛羊肉、海产肉相对较少，不同种类肉的肌纤维排列方向、剪切力、硬度、肌纤维间分子作用力等存在差异[10]。卡拉胶添加量对不同肉糜的品质影响效果可能不同，刘广娟等研究确定了猪肉肠中卡拉胶、TG、大豆分离蛋白的最适添加量分别为0.5%、0.2%和4%[11]；刘骞等将可得然胶分别与卡拉胶和黄原胶(1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1，质量比)复配，按照0.3%添加量添加到肌原纤维蛋白中,研究复合胶对肌原纤维蛋白乳化性和凝胶特性的影响[12]；袁晓龙等研究低脂香肠最优组为：水分20%、变性淀粉2%、大豆分离蛋白3%、卡拉胶0.4%[13]；庄沛锐等研究得出卡拉胶、刺槐豆胶添加量为0.16%、0.24%,猪肉糜品质较佳[14]；王健等以卡拉胶作为脂肪替代物生产低脂香肠,在不同含量(0.2%、0.4%、0.6%)的卡拉胶试验组中，得出卡拉胶最佳添加量为0.2%[15]；龚韵等筛选出最佳配方为大豆分离蛋白2.0%，魔芋精粉2.0%，黄原胶0.4%和卡拉胶0.3%[16]。研究卡拉胶在低水平添加时对牛肉糜品质的影响，为牛肉饼等牛肉糜产品的品质改良提供参考。

本文利用相关性分析、主成分分析法、归一化处理等对κ-卡拉胶添加量对牛肉糜结合水的能力、质构、微观结构的影响进行研究，通过水分含量、蒸煮损失、色泽、质构、微观结构等指标进行评价，建立κ-卡拉胶对西门塔尔杂交牛肉糜品质影响的评价模型，为西门塔尔杂交牛肉糜类产品的生产与品质改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛肉，河南伊赛牛肉股份有限公司，同一批次西门塔尔杂交黄牛的牛霖部位肉，屠宰之前空腹24 h，屠宰后成熟24 h，肉样储存于4 ℃下真空保存运输。食盐、黑胡椒粉，郑州某超市；κ-卡拉胶，青岛德惠海洋生物科技公司，其他试剂为分析纯。

1.2 仪器与设备

CR-5型色彩色差计，日本KONICA公司；ALLEGRA-64A型高速冷冻离心机，郑州美声商贸有限公司；BPG-9156A型精密鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；TA-XT plus型食品质构仪，英国stable micro systems公司；AL104型电子天平，上海梅特勒-托利多仪器有限公司；MM12B型绞肉机，广东省韶关市大金食品机械厂；BLKJ-20型搅拌擂溃机，中国艾博公司；PQ001MicroMR型柜式NMR成像仪，上海纽迈电子科技有限公司；S-3400N型扫描电镜，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 牛肉饼的制作工艺流程

原料肉解冻修整→绞肉→腌制→搅拌→成型→冷冻→成品→检测

1.3.2 工艺操作要点

挑选西门塔尔杂交牛的霖肉部位，按工艺要求修整，去除筋腱部位，用清水浸泡冲洗干净后用刀切成小块，然后过10 mm筛孔绞肉机搅碎，称取辅料(以牛肉质量计为1，其他辅料以占牛肉质量百分比计，添加质量分数为2%的食盐，0.3%黑胡椒粉，0.3%复合磷酸盐，0.12%抗坏血酸钠，0.002%烟酰胺，0.08%嫩肉粉)手动搅拌均匀后覆盖保鲜膜，于4 ℃下冷藏腌制1 h。然后在擂溃搅拌机中100 r/min搅拌2 min(先搅拌肉糜30 s，然后加质量分数15%冰搅拌30 s，再加卡拉胶搅拌1 min)，取出静置1 h，制成肉糜。肉糜成型为直径9 cm，厚1 cm的肉饼，冷冻，测感官评价时，将肉饼于200 ℃烤箱烤12 min。

1.4 指标测定

1.4.1 水分含量的测定

参考GB 5009.3—2016 《食品安全国家标准 食品中水分含量的测定》规定的方法测定水分含量[17]。

1.4.2 蒸煮损失测定

参考MARTIN等[18]的方法，略作修改。将生肉糜放入离心管中5 000 r/min离心5 min，70 ℃水浴加热30 min。加热后的离心管倒置，室温静置2 h称重。蒸煮损失为溢出液体质量/生肉糜质量。

1.4.3 色泽测定

参考张骏龙等[19]的方法，略有修改。使用仪器内置白板与外置黑板进行校正，样品要覆盖通光孔，测量得到成品的L*值、a*值和b*值，L*、a*、b*分别为亮度、红度、黄度，每个处理测8个平行。

1.4.4 TPA测定

质构剖面分析方法(texture profile analysis，TPA)测定[20]，方法如下：环境温度20 ℃，P/50型探头，测前速度2 mm/s，测试速度1 mm/s，测后速度1 mm/s，压缩比75%。每个处理测8个平行。

1.4.5 感官评价

河南农业大学培训的评分小组人员对熟制后的牛肉糜饼从色泽、滋味、口感和组织4个方面进行打分。该实验主要参考王浩田等[21]的具体标准，见表1。

1.4.6 扫描电镜微观结构观察

1.5 数据处理与统计分析

除特殊说明外试验重复3次，结果以平均值±标准差(M±SD)表示。使用SPSS(IBM 13.0)分析、Oringin 8.0作图，多重比较误差使用Duncan、LSD法表示，显著水平P<0.05、极其显著水平P<0.01。

主成分分析进行排序时，将数据标准化处理为0～1之间的归一值，牛肉糜及其肉糜产品期望蒸煮损失、b*、硬度、黏着性、咀嚼性等降低，水分含量、L*、a*、弹性、回复性等升高，对试验所得数据进行最大最小值法归一化处理。

2 结果与分析

2.1 κ-卡拉胶添加量对牛肉糜水分含量、蒸煮损失的影响

从图1可以看出，随着卡拉胶添加量的增加，牛肉糜的水分含量呈先增加再波动然后趋于稳定趋势(P<0.05)，0.4%添加量下水分含量最大为74.99%。

一般来说，蒸煮损失是反映肉糜乳化稳定性的常用指标之一，主要由肉糜加热过程中的脂肪流失和水分挥发所引起，也会有部分可溶性蛋白、不溶性蛋白(如胶原蛋白)流失[23]。

由图1可知，随着κ-卡拉胶添加量的增多，蒸煮损失逐渐减少(P<0.01)，说明κ-卡拉胶有效的参与了肉糜的油、水截留过程，添加量越多，效果越显著。在加热过程中，κ-卡拉胶与牛肉糜中盐溶蛋白结构充分展开，相互作用增强，并发生变性与聚集，使水分子运动受到束缚，进而形成了强有力的三维网状结构，进一步将水保持在难以移动的状态[24]。

2.2 κ-卡拉胶添加量对牛肉糜色泽的影响

由图2可以看出，随着κ-卡拉胶添加量的增加，牛肉糜的L*、b*与空白对照组均存在显著性差异(P<0.05)，添加量从0.1%增加到0.6%的过程中，L*、b*先降低后升高(P<0.05)，添加量为0.4%时L*最低为34.30，b*最低为9.70；a*基本呈持续降低趋势(P<0.05)，一直减小到6.95，可能是由于试样的持水力越来越强，蒸煮损失逐渐降低，水基数增大，使得其中肌红蛋白浓度被稀释，导致a*持续下降，本研究与于建行等研究添加质量分数0～0.8%卡拉胶的兔肉糜a*值均明显下降结果相似[25]。

2.3 κ-卡拉胶添加量对牛肉肉糜饼质构的影响

如图3所示，随着κ-卡拉胶添加量的增加，硬度、弹性、黏着性、咀嚼性均呈现先减少后增加的趋势(P<0.05)，在添加量为0.4%时，肉糜的硬度、黏着性和咀嚼性最低。0.4%卡拉胶组的硬度是空白对照组的67.72%，黏着性是空白对照组的67.36%，咀嚼性是空白对照组的64.74%；弹性方面，各试验组与空白对照之间不存在显著性差异。随着κ-卡拉胶添加量的增加，单位体积内形成凝胶的蛋白分子数量增加，促进了与盐溶蛋白分子间的交联，形成凝胶网络结构束缚住大量的游离水分，使得嫩度上升，硬度、咀嚼性减小，继续增加κ-卡拉胶添加量会使得蛋白之间间隙填充过量，进而引起凝胶强度增加，肉制品硬度、咀嚼性上升。与陆剑锋研究卡拉胶对鱼糜凝胶性质影响时，变化趋势先增高后不变的结果不一致[26]，可能是使用了不同的原料肉和处理方法的原因。有报道称肌原纤维蛋白与κ-卡拉胶的混合凝胶的硬度受二者浓度配比、离子强度和pH值的影响，还受加工程序等工艺影响[27-28]。

2.4 κ-卡拉胶添加量对牛肉肉糜品质特性影响的相关性分析

利用SPSS软件Correlate程序对牛肉糜品质指标的相关性进行分析获得Pearson相关系数，结果见表2。

注：“*”表示在P<0.05水平上显著相关，“**”表示在P<0.01水平上极其显著相关。

表2显示，黄度值与亮度值呈极度正相关(0.686**)、与水分含量呈正相关(0.446*)，红度值和弹性呈负相关(-0.541*)；硬度与黏着性(0.949**)、咀嚼性(0.939**)呈显著正相关(P<0.05)，黏着性与咀嚼性(0.983**)、回复性(0.458*)呈正相关，说明质构特性中不同指标之间具有关联。蒸煮损失与水分含量呈极度负相关(-0.624**)，在试验组中，水分含量越大，蒸煮损失越小，结合图1数据可知，卡拉胶有保水的作用，卡拉胶使用量越大，保水效果越好。

2.5 主成分分析法评价κ-卡拉胶添加量对牛肉肉糜品质的影响

进行主成分分析时，因子载荷值可以反映牛肉糜色泽、质构特性等指标对主成分载荷的相对大小和影响的方向，数值反映对因子影响的大小程度，正负代表影响的方向[29]。由表3、图4和图5可知，前3个主成分特征值均大于1，累计贡献率达84.071%，能够反映牛肉糜品质的大部分信息，故选取3个主成分进行分析。表4是10个品质指标的载荷因子，其值高低可反映各变量在主成分中的重要程度。

从表4可以看出，第一主成分中载荷较高的有硬度(0.947)、咀嚼性(0.924)、黏着性(0.923)这类表征质构的指标，且为正相关，说明第一主成分高的时候，硬度、咀嚼性、黏着性较大，第一主成分的方差贡献率为46.234%。第二主成分主要涵盖了表征色泽的指标，如L*(-0.885)，b*(0.929)，第二主成分的方差贡献率为21.668%。第三主成分主要是a*，表征色泽，第三主成分的方差贡献率为16.169%。这3个主成分是从质构和色泽的角度进行了归类，3个主成分累计贡献率达84.071%。

主成分分析进行排序时，将数据标准化处理为0～1之间的归一值，分别对牛肉糜中蒸煮损失、b*等越小越好的指标与水分含量、L*、a*、弹性等越高越好的指标数据进行最大最小值法归一化处理。构建主成分模型时，每个品质变量的系数是各品质变量的主成分载荷与其相对应特征值所开的平方根相比[30]，以此为权重得到3个主成分的表达式如下：

F1=0.233X1-0.182X2+0.100X3-0.036X4-0.060X5+0.254X6-0.130X7+0.232X8+0.233X9+0.062X10

(1)

F2=-0.079X1+0.164X2-0.427X3+0.010X4+

0.432X5-0.056X6-0.005X7-0.003X8-0.007X9-

0.332X10

(2)

F3=0.122X1+0.175X2-0.060X3+0.463X4-0.010X5-0.041X6-0.339X7-0.058X8+0.002X9+0.318X10

(3)

以每个主成分对应特征值的方差贡献率作为权重建立综合评价模型，其表达式为:

-F=0.46234F1+0.21668F2+0.16169F3

(4)

归一化后的数值带入方程，计算出空白对照组与6个试验组品质的综合得分值并进行排序，见表5。

根据综合得分值，各试验组评分由高到低为：0.4%试验组>空白对照组>0.1%试验组>0.3%试验组>0.6%试验组>0.2%试验组>0.5%试验组。

2.6 感官评分验证主成分分析结果

从表6可以看出，感官评分中，色泽、组织、总分等均存在显著性差异(P<0.05)，滋味不存在显著性差异。整体色泽评分呈下降趋势，尤其是添加量在0.5%、0.6%时，色泽评分较低，结合上文色泽指标进行分析，可能是因为添加量为0.5%、0.6%时改变了牛肉糜的颜色，黄度值增大，红度值降低，吸引人的肉红色造成的视觉吸引力减弱所致。口感评分上0.4%试验组大于其他试验组；组织结构评分上依然是0.4%试验组大于其他试验组。感官总分大小依次是：0.4%试验组>0.3%试验组>0.2%试验组>空白对照组>0.1%试验组>0.6%试验组>0.5%试验组。感官评分来看，最优添加组为卡拉胶添加量为0.4%的试验组，符合主成分分析结果。

注：同一行中，不同小写字母之间表示差异显著(P<0.05)。

2.7 κ-卡拉胶添加量对热诱导凝胶牛肉糜微观结构的影响

由图6可知，未添加κ-卡拉胶的肉糜凝胶内部结构疏松粗糙、孔洞较多，不均匀、不致密。随着κ-卡拉胶添加量的增加，结构上空洞逐渐变小且逐渐减少，质地更加均匀、细腻，获得更好的立体网络结构。κ-卡拉胶的添加可以使蛋白与卡拉胶之间相互作用形成致密稳定的三维网络结构，可以促进牛肉盐溶蛋白热诱导凝胶更加均一、紧密、有序、富有弹性，可以具有更好的水油截留能力[21]，致密的凝胶网络结构有助于捕获更多的水分，这一微观结构的特点解释了蒸煮损失的结果。在添加量逐渐增加至0.4%时，肉糜的微观结构趋于形成致密、稳定的三维网络结构，可以佐证κ-卡拉胶添加量到0.4%时硬度、咀嚼性越来越小；继续增加κ-卡拉胶添加量，形成了结构高度致密、高度有序，脂肪洗脱痕迹高度均匀的三维凝胶网络结构，可以佐证0.6%添加量时硬度、咀嚼性等指标比0.4%添加量时高，也验证了主成分分析的结果。

3 结论

随着κ-卡拉胶添加量增加，水分含量持续增大(P<0.05)，蒸煮损失持续减小(P<0.05)；L*、b*先降低后升高(P<0.05)，添加量为0.4%时最低；a*基本呈现持续降低趋势(P<0.05)，一直减小到6.95；肉糜的硬度、黏着性、咀嚼性均呈现出先减少后增加的趋势(P<0.05)，添加量为0.4%时最低。微观结构方面，空洞逐渐变小且逐渐减少，质地更加均匀、细腻，获得更好的立体网络结构，添加量为0.4%时已基本形成有序致密的结构，添加量为0.6%卡拉胶时作用效果最强。

通过对牛肉糜水分含量、蒸煮损失、L*、硬度等10个品质指标进行相关性和主成分分析，评价相同工艺条件下卡拉胶添加量对牛肉糜品质的影响，从中提取了3个主成分，累计方差贡献率达84.071%，一定程度上能全面反映牛肉糜品质，建立了品质综合评价模型，模型显示，各试验组中综合评价得分最高的是卡拉胶添加量0.4%的试验组，该模型为西门塔尔杂交牛肉糜类产品的生产与品质改良提供参考，对西门塔尔杂交牛加工制作肉糜产品具有重要的指导意义。