高压静电场辅助牛肉湿腌过程传质动力学分析

沙 坤 李思源 张松山 张泽俊 刘海杰

(1.中国农业大学烟台研究院， 烟台 264670； 2.中国农业大学食品科学与营养工程学院， 北京 100083；3.河北旅游职业学院现代农业与园林学院， 承德 067000； 4.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所， 北京 100193)

0 引言

腌制是发酵、酱卤肉制品生产过程中的重要环节。加盐腌制可以有效控制腐败和致病微生物的生长，还能促使肉制品形成独特风味和质地[1]。传统腌制依赖于高盐度的渗透，腌制速度缓慢且不均匀，而且较长的腌制时间会造成营养成分损失，还易引起微生物污染[2]。为提高腌制速率、缩短生产周期、提高肉品品质和安全性，真空滚揉、超声波、静态变压、超高压等现代腌制技术逐渐应用于肉品加工中[3-5]。

静电场腌制是一种新型腌制技术，主要应用形式有脉冲电场和高压静电(High voltage electrostatic field, HVEF)。脉冲电场可以提高腌制速率，改善腌制肉制品的嫩度，控制有害微生物生长[6-7]。目前,HVEF主要应用研究于食品解冻和保鲜方面[8-10]，在肉品腌制方面应用较少。HVEF可以使肉中的Cl-和Na+发生迁移，使肉样内部产生热量[11]，文献[12]利用HVEF解冻微盐冻猪里脊肉，研究发现，在相同电压条件下，腌制猪里脊肉样品的解冻速率显著高于未腌制样品，且经过-15 kV解冻后的猪里脊肉肉块上下不同位置电导率差异显著，说明HVEF可能促进NaCl在肉中的扩散。

本文以牛肉为研究对象，将HVEF用于牛肉湿腌过程，通过测定腌制过程中肉样的总质量、含水率、NaCl含量变化规律，研究NaCl在牛肉水相中的扩散系数，探索HVEF对牛肉腌制速率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

牛肉，购买于河北燕城食品有限公司，pH值为5.2～5.3；腌制用中性大粒盐，广东省盐业集团广州有限公司。

1.2 仪器与设备

BS 200S-WEI型电子天平，北京赛多利斯天平有限公司；博美特BMT-DEMF(3.0 kV)、博美特BMT-Z1L(1.5 kV)型静电解冻冰箱，山东博美特厨业有限公司；DGG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司；DSM-25型手持数显盐度计，力辰科技有限公司；BCD-528WDPF型药品保存箱，海尔集团股份有限公司；Quanta200FEG型场发射环境扫描电子显微镜，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1腌制及取样

牛肉在4℃条件下解冻后，剔除筋膜，切块 (约3 cm×3 cm×3 cm) ，进行湿腌处理。根据预实验结果，5%的盐水溶液可获得较大产率，且达到腌制平衡时间较短，因此，按照1∶3的肉水质量比，将肉块放入5%的盐水溶液中进行腌制处理。随后将湿腌肉块平均分成3组，分别置于普通冰箱、1.5 kV静电解冻冰箱和3.0 kV静电解冻冰箱中腌制。腌制温度为4℃，腌制时间为24 h，腌制过程用保鲜膜将容器密封，以减少水分蒸发。腌制0、1、2、3、6、12、18、24 h后，测定牛肉的质量、含水率和NaCl含量，每个指标平行测定3次。

1.3.2测定指标

(1)含水率测定：参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。

(2)NaCl含量测定：采用手持数显盐度计，测定时将盐度计探测头插入肉块中间部位，重复测定3次。

(3)总质量测定：取出样品将表面水分用滤纸吸干，用天平称质量。

(4)肌肉组织微观结构扫描电镜观察：参照文献[13]的方法，将待测牛肉样品沿肌纤维方向切成3 mm×3 mm×7 mm的长方体，戊二醛溶液(2.5%)室温(20℃)固定48 h后，用磷酸盐缓冲液(浓度0.1 mol/L、pH值7.3) 冲洗，氢氧化钠溶液(浓度2 mol/L) 浸泡5 d，室温放置2 h。用蒸馏水冲洗样品，分别采用体积分数为25%、50%、70%、95%、100%的乙醇梯度洗脱，每次1 h。脱水后的样品用叔丁醇冻干，将样品横切面向上贴在扫描电镜样品台上，用离子溅射镀膜仪溅射喷金，在加速电压10 kV的扫描电镜下观察并拍照(放大倍数300、1 000)。

1.3.3牛肉总质量、含水率、NaCl含量变化量计算

(1)

(2)

(3)

式中Mt——腌制t时刻牛肉质量，g

M0——腌制0时刻牛肉质量，g

1.3.4牛肉水相中NaCl含量计算

水相中NaCl质量分数计算公式为

(4)

式中X(w)——牛肉含水率，%

XNaCl——牛肉NaCl质量分数，%

1.3.5物质传质动力学模型

腌制质量变化随时间而变化的数学模型为

ΔMt,i=1+k1+k2t0.5

(5)

式中 ΔMt,i——总质量、含水率和NaCl含量变化量，%

k1、k2——总质量、含水率和NaCl含量变化的动力学参数

1.3.6腌制平衡方程

研究表明，腌制达到平衡时，肉水相中的NaCl含量与腌制液中的NaCl含量非常接近[14]，即

(6)

1.3.7表观扩散系数

腌制过程中牛肉中NaCl的表观扩散系数满足

(7)

l——牛肉块一半的厚度，m

De——表观扩散系数，m2/s

K——校正系数

1.3.8数据处理与分析

实验数据用IBM SPSS Statistics 20进行方差分析，用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 湿腌过程中牛肉总质量、含水率、NaCl含量变化量

如图1(图中相同大写字母代表同一时间内不同处理无显著差异(P>0.05)，相同小写字母代表同一处理在不同腌制时间无显著差异(P>0.05)，下同)所示，随着腌制过程的进行，3组牛肉样品质量均增加，腌制3～6 h，HVEF处理组总质量变化量(ΔMt)增加速率最快，对照组无显著变化；腌制6～12 h，HVEF处理组ΔMt增加速度减缓，对照组增加速度达到最大；腌制12～18 h，1.5 kV HVEF处理组和对照组样品的ΔMt降低，3.0 kV组继续增加；腌制18～24 h，1.5 kV组和对照组ΔMt有所上升，3.0 kV 组无明显变化，这可能是由于3.0 kV HVEF能够促进水分和NaCl等在肉中的扩散，加速腌制平衡过程。湿腌时，腌制液的水和盐因为渗透压作用渗入肉样中，肉样质量增大，因此产品产率高，且肉质松软[15-16]。ΔMt是加工过程中衡量产率的重要指标，ΔMt越大，产率越高，腌制结束时，对照组、1.5 kV 组、3.0 kV组ΔMt分别为15.16%、20.57%、25.63%，说明HVEF可以提高牛肉湿腌的产率，而且在较高电压下产率更高。

图1 湿腌过程牛肉总质量含量变化量Fig.1 Total weight changes of beef during wet salting

图2 湿腌过程中牛肉含水率变化Fig.2 Changes of water content in beef during wet salting

图3 湿腌过程中牛肉NaCl含量变化Fig.3 Changes of salt content in beef during wet salting

图3为腌制过程中牛肉NaCl含量变化情况。腌制6 h后，3组样品中的NaCl含量显著增加，且腌制3～6 h，HVEF处理组样品中的NaCl含量增加速度显著高于对照组；腌制6～18 h，样品中NaCl含量增加速度减缓；腌制18 h后，样品中的NaCl含量无显著变化，说明腌制18 h已基本达到腌制平衡状态。腌制平衡状态，3.0 kV HVEF处理组牛肉的NaCl含量变化量为1.94%，显著高于其他两组(P<0.05)，说明3.0 kV HVEF可以提高腌制平衡时样品中的NaCl含量。

静电场可以加速离子运动，产生电晕风，电晕风使流体向样品表面移动，在样品边界处产生湍流，从而增加传热系数[20]，腌制3～6 h，HVEF处理组样品中的NaCl含量增加速率高于对照组，可能是由于HVEF产生的电晕风，促进了传热及传质过程。文献[21]研究发现，随着电压的增大，产生的电流增大，电晕风风速也随之增大，这可能是腌制平衡时3.0 kV HVEF处理组肉样NaCl含量高于1.5 kV组的原因。

图4为腌制过程中牛肉含水率和NaCl含量变化量之和与总质量含量变化量的回归曲线，数据点比较均匀地分布在对角线附近，说明含水率和NaCl含量变化量之和近似等于总质量含量变化量，并没有完全重合可能是由于腌制过程中有少量脂肪和蛋白质发生了溶解，与文献[22]研究结果相似。如图4所示，HVEF处理组比对照组的数据点更加聚集在对角线附近，可能是HVEF 减少了腌制过程中肉中蛋白质和脂肪的分解，从而减少了产品质量损失。文献[23]研究发现，-10 kV HVEF解冻猪里脊肉中的总巯基含量和Ca2+-ATP酶含量显著高于对照组，可以减少猪里脊肉中蛋白质的降解。

图4 含水率和NaCl含量变化量之和与总质量含量 变化量的回归曲线Fig.4 Mass balance of sample during wet salting

2.2 表观扩散系数计算

图5 传质驱动力与t0.5的回归曲线

在湿腌过程中各物质的传质主要是依靠腌制液和肌肉之间的浓度差产生的驱动力而进行的。图5和表1描述了腌制过程中传质驱动力及其动力学参数。3组的R2均较高，表观扩散系数从大到小依次为3.0 kV HVEF处理组 (1.142×10-9m2/s)、1.5 kV HVEF处理组(6.284×10-10m2/s )、对照组(5.593×10-10m2/s)，说明由式(7)得到的方程有很好的线性相关性。从NaCl的De值来看，说明HVEF处理提高了NaCl的扩散速率。这可能是由于HVEF提高样品的电导率，从而增加了肌肉组织对NaCl的吸收速率。文献[27]研究发现，脉冲电场预处理可以增加马铃薯片的电导率，从而促进NaCl在马铃薯片中的扩散。

表1 由式(7)得到的理论动力学参数值Tab.1 Kinetic parameters (De and K values) obtained from Eq.(7) and fitting correlation coefficients

2.3 腌制时牛肉动力学参数随时间的变化

表2 肉总质量、含水率、NaCl含量变化量的动力学 参数及其决定系数Tab.2 Kinetic parameters for changes in total weight, water contents and NaCl contents and fitting correlation coefficients

2.4 HVEF对湿腌牛肉微观结构的影响

图6和图7为腌制24 h不同腌制条件下牛肉的扫描电镜图。如图所示，HVEF处理组牛肉的肌束膜受到一定的破坏，与对照组相比，肌纤维间较松散，肌纤维断面裂痕多，3.0 kV HVEF处理组被破坏程度更高。肌束膜的适度破坏有利于水分和NaCl快速均匀地进入肌肉组织，表明HVEF会对肉样的微观结构产生影响，从而影响腌制效果。另外，HVEF对牛肉微观结构的影响，也可能会对腌制后产品的保水性能和质构特性产生影响[29]，从而改善最终产品品质。

图6 腌制24 h不同腌制条件牛肉扫描电镜图 (300倍)Fig.6 Scanning electron micrographs of beef under different curing treatments at 24 h (300×)

图7 腌制24 h不同腌制条件牛肉扫描电镜图 (1 000倍)Fig.7 Scanning electron micrographs of beef under different curing treatments at 24 h (1 000×)

3 结束语

湿腌法通过NaCl扩散和水分渗透的作用，使腌制液扩散到肉内部，所得产品NaCl和水分分布均匀、产率高。将HVEF与传统湿腌方法结合，采用1.5 kV和3.0 kV HVEF辅助腌制牛肉可以显著提高腌制完成后产品的产率，促进水分和NaCl在肉样中的扩散，提高NaCl的表观扩散系数，且 3.0 kV 处理组的产率和腌制速率更高。HVEF作为一种新型电场技术，应用于肉品腌制，可提高腌制肉品产率、加快腌制速率，具有较好的发展前景。