羊肉烤制过程中水分的分布与迁移规律

王永瑞，薛美芳，罗瑞明，王松磊*

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

低场-核磁共振技术（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR），为近些年来兴起的一种分析技术，具有快速、无损、无侵入等特点[1]。在石油能源、地质岩矿以及食品、农业等领域得到广泛的应用，可以对样品中水分的分布及迁移规律进行针对性的研究[2-7]。其主要依据的原理是外加于氢质子的恒定外磁场B0会使氢质子发生能级分裂。采用一定频率的射频脉冲干预氢质子，当该射频脉冲的频率与氢质子固有的回旋频率恰好相等时，氢质子就会吸收射频脉冲的能量，进而发生能级跃迁。而当射频脉冲结束后，氢质子先前从射频脉冲中吸收的能量就会以非辐射的形式释放，氢质子返回到基态状态。当体系达到玻尔兹曼热平衡时所消耗的时间称之为横向弛豫时间T2，又称自旋－自旋弛豫时间[8]。样品中，氢质子的T2值与其所处化学环境息息相关，而从T2值的变化可以反映样品中水的状态。在样品T2的反演图谱上，T2值呈现自左向右逐渐升高，所对应的水分子的自由度也自左向右逐渐升高，水分子的流动性逐渐增强[9]。根据T2的变化对微观水分的状态和迁移规律进行分析，可实时监测样品在高温失水的过程中水分状态的变化[10]。氢质子核磁成像可以清晰地显示水分在样品内部的空间分布。

羊肉具有较高的蛋白以及较低的脂肪，肉质比较细嫩且容易被人体消化，是重要的营养物质来源。宁夏盐池的滩羊肉可以说是羊肉中的极品，作为宁夏特色畜种，广受美食家以及消费者的认可[11]。烤羊肉作为一种传统的羊肉制作方式，早在1 800年前就已盛行，且一直延续至今。本研究采用LF-NMR 技术对不同烤制时间的滩羊肉样品进行水分迁移规律分析，研究烤羊肉的最佳烤制技术，为烤羊肉的工业化生产提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验用羊肉为宁夏鑫海食品有限公司提供的9月龄体重（30±1）kg 的盐池公羊后腿肉。

1.2 仪器与设备

NMI20 核磁共振成像分析仪，上海纽迈电子有限公司；海氏HO-405 型电烤箱，青岛汉尚电器有限公司；DHG-9213A 型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏试验设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 将羊后腿上的羊骨剔除，剔除后将羊肉上的脂肪以及筋膜撕去得到纯羊肉肌肉样品。然后用自来水对羊肉清洗，将表面的血迹和其它杂质洗净[12]。洗净后，将羊肉肌肉部分分别切成2.0 cm×2.0 cm×1.5 cm 的小块，然后将其以前后左右3 cm 的间距放在垫有锡箔纸的烤盘上，然后放入提前已预热10 min 的烤箱中进行烤制。烤箱的上、下面温度分别设置为190，220 和250 ℃3个温度对羊肉进行烤制。取分别烤制了2，4，6，8，10，12，14，16，18 和20 min 的烤羊肉肌肉样品作为材料进行后续的分析。

1.3.2 指标测定

1.3.2.1 色度值的测定 烤羊肉的色度值（a*值、b*值以及L*值）使用WSC-S 型测色差计进行测量，每个样品测定5 次。

1.3.2.2 羊肉含水率的测定 羊肉的含水率采用烘干恒重法[13]测定。称取一定量不同烤制时间的羊肉样品，放置在105 ℃的恒温鼓风干燥箱内进行烘干，干燥至其质量保持恒定时停止干燥。分别称取干燥前、后的样品的质量进行含水率的计算。含水率的计算公式如下：

式中：Wt——在烤制t 时刻羊肉样品的含水率，%；mt——在烤制t 时刻羊肉样品的质量，g；m0——羊肉样品在绝干时的质量，g。

1.3.2.3 核磁共振波谱的测定条件 参照Li 等[14]的核磁共振波谱的测定方法并加以修改，烤羊肉样品的T2横向弛豫时间使用FID 硬脉冲序列进行测量。其中CPMG 脉冲序列的参数：18 MHz 的质子共振频率；382.241 65 kHz 的偏移频率；16 μs 的90°脉冲时间，33 μs 的180°的脉冲时间；采样点数设置为143 140；1 500 ms 的重复间隔TR时间；16 次累加；2 000 回波数。待核磁共振扫描结束后对信号进行反演，进而获得T2的反演谱。

1.3.2.4 氢质子密度成像的测定 参照Li 等[14]的方法。氢质子密度成像通过核磁共振成像系统自旋回波成像序列进行，成像的方式采用冠状面成像。基本参数：T1（纵向弛豫时间）的值设置为20 ms；1 500 ms 重复时间；4 次重复；20 ms 自旋回波时间。

1.3.2.5 感官性评价 参考李燕杰等[15]的方法，选取年龄在22～25 岁之间，且具有食品专业背景的男生与女生各5 名组成感官评定小组，并对感官术语的熟悉以及反复嗅觉评价进行相应的培训。在本次试验中，一共选取了8 种气味属性（烘烤味、焦糊味、清香味、油脂味、腥味、肉味、坚果味以及总体风味）作为感官评价指标，以打分的形式对样品各个感官评价指标进行描述性分析。采用十分制打分规则对烤羊肉的感官特性进行了评估（8～10：极强，6～8：强，4～6：中等，2～4：弱，0～2：极弱）。

1.4 数据处理

数据的平均值和标准偏差分析在Excel 表格中执行；所有需要进行显著性差异分析的数据均使用SPSS 17 软件进行分析，设定P<0.05 为显著差异；使用Oringin 18C 软件对数据进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同烤制温度下羊肉含水率的变化

羊肉中的水分含量对于羊肉的风味和质构有重要的影响。设置250，220 和190 ℃3 个烤制温度，按照1.3.2.2 节中的公式对羊肉的含水率进行计算，计算结果如图1所示。从图中可以看出在3种烤制温度下，随着烤制时间的增加，羊肉含水率总体呈现下降趋势。鲜羊肉中的含水率在73%左右，烤制20 min 后羊肉含水率降低至55%左右，表明羊肉在烤制过程中具有一定的持水性。

图1 不同烤制温度下羊肉水分的变化Fig.1 Changes of mutton moisture at different roasting temperatures

2.2 不同烤制温度下羊肉色度值的变化

色泽是判别羊肉是否烤熟的重要判断标准之一。图2展示的是3 种烤制温度下羊肉表面L*（白度值）、a*（红绿值）和b*（黄蓝值）的随烤制时间变化的图。从图中可以看出在3 种烤制温度下，羊肉的L*值从鲜肉到烤制20 min 整体上呈现先上升后下降的趋势，其中在烤制6～8 min 时达到最大值。a*值在0～6 min 后呈现明显的下降趋势，但在烤制6 min 至烤制20 min 期间趋于平衡基本保持不变。b*值在烤制0～4 min 呈现上升的趋势，烤制4 min 之后趋于平衡保持不变。随着烤制时间的增加，羊肉的颜色会由鲜红色逐渐变白色。然后颜色逐渐加深至黄色、黑色，这个过程中主要与蛋白质和碳水化合物因高温而发生美拉德反应、Strecker降解反应、焦糖化反应和热解反应等有关。另外，在这些反应过程中产生的部分挥发性物质如酮和醛等发生氧化、聚合、焦化等反应进一步导致羊肉颜色变深[16]。

2.3 烤制温度对羊肉水分迁移规律的影响

2.3.1 羊肉中不同状态水的含量变化 在低场-核磁共振的分析中，弛豫时间指的是样品中的氢质子释放能量从高能级返回至低能级所消耗的时间。弛豫时间T 分为T1（纵向弛豫时间）和T2（横向弛豫时间）[17]。可以通过对羊肉核磁共振波谱的T2值变化以及峰面积的大小进行分析来衡量羊肉中水分的分布，并对不同状态的水之间的化学渗透交换进行区分[18-19]。羊肉中的水的状态主要分为3种，即结合水，自由水以及不易流动水。烤羊肉样品的低场-核磁共振反演谱图如图3所示，其中T2值在0.01～10 ms 间的峰为结合水的峰，主要指的是与蛋白质、脂质等生物大分子紧密结合的水；在10～100 ms 间的峰为不易流动水的峰，主要指的是肌原纤维内截留的水；在100～1 000 ms 之间的峰为自由水的峰，主要指的是存在于肌细胞间的水[20]；不同状态的水的含量由T2反演图谱上对应峰积分面积大小代表[21]。由图3和表1可知，在250，220 和190 ℃3 个烤制温度烤制过程中，T2图谱整体上反映出2 个现象。一是随着烤制时间的延长，3 种状态水的峰面积之和即总峰面积在逐渐减小，这表明烤羊肉样品中的水分含量随着烤制时间的延长在逐渐降低；二是随着烤制时间的增加，T2峰的位置在逐渐地向左移动（结合水除外），说明在烤羊肉样品中水分的流动性在逐渐变小，高自由度的水分在朝着低自由度的水分进行迁移。羊肉的持水性也可以通过烤制过程中T2峰面积的变化程度来反映。由图2可知，羊肉在250℃过程中结合水峰面积变化在2.78%～6.87%之间，自由水峰面积变化在0.00%～11.21%，在220℃烤制过程中结合水峰面积变化在3.03%～6.77%，自由水峰面积变化在0.00%～7.79%，在190 ℃烤制过程中结合水峰面积变化在3.14%～5.94%，自由水峰面积变化在0.00%～8.01%，可见羊肉在烤制过程中持水性较好。

图2 不同烤制温度下羊肉色泽的变化（L*值、a*值和b*值）Fig.2 Changes of mutton chroma value at different roasting temperatures （L* value，a* value and b* value）

图3 羊肉水分横向弛豫时间T2 分布Fig.3 Distribution of water transverse relaxation time （T2） of mutton

表1 羊肉弛豫特征中不同状态水的含量的变化Table 1 Changes of moisture state and content in mutton based on the transverse relaxation time of water protons

（续表1）

羊肉在烤制过程中不同状态水的相对百分含量如表1所示，其中M21、M22、M23、M24分别代表强结合水、弱结合水、不易流动水和自由水的相对百分含量。由表1可知，在烤羊肉样品中不易流动水的相对百分含量远远高于结合水以及自由水的百分含量。样品中的不易流动相对百分含量普遍都在90%以上，最低值为250 ℃下烤制18 min 的羊肉样品。在不同烤制温度下，随着烤制时间的延长结合水的相对百分比含量呈现增加的趋势，这可能是由于羊肉具有良好的保水性却表面干燥的原因[22]。与此同时，不易流动水的相对百分含量呈现下降的趋势，这可能由于部分的不易流动水随着烤制的进行转化成自由水。而自由水的相对百分比含量随着烤制时间的变化呈现无规律的趋势（P＞0.05），这可能是由于在烤制过程中，不易流动水和结合水转化的自由水的部分弥补了烤制过程中羊肉部分汁液的损失[23]。

2.3.2 水分迁移变化分析 弛豫时间T2可以用来表征不同状态的水分的流动性，T2越大，水分自由度越大，流动性强；反之T2越小，水分自由度小，流动性越差[24]。自由水的T2值一般在100 ms左右，这是因为自由水从基态跃迁至激发态需要的能量较低，相对于结合水和不易流动水更容易从磁场中吸收能量而发生振动。而当附加磁场消失以后，自由水会需要更长的时间恢复到基态。结合水是最难从磁场中获取能量，达到激发态的能量最高，极不稳定，因而恢复到基态则需要较短的时间，一般在1 ms 左右。而不易流动水则介于自由水和结合水之间，一般在10 ms 左右。

如表2所示，在3 个烤制温度下，T21、T22随着烤制时间的延长没有明显的变化趋势，这表明羊肉样品的结合水的自由度受烤制时间的影响较小。T23在随着烤制时间的延长呈现明显的先增加后减小的趋势，这种波动可能是在烤制过程初期肌肉纤维蛋白经分解、断裂，肌肉出现多空层，肌纤维蛋白分子的结构变化进而影响其与水分子相互作用[25]。3 种烤制温度下T23在烤制4 min 时达到最高，说明在此过程中水分子与大分子物质的结合紧密度逐渐减小。而随着烤制时间的延长，T23逐渐减小，说明在此过程中水分子与大分子物质结合更加紧密。T24表示在细胞间存在的自由水，也是最容易流失的水。如表2所示，T24整体呈现下降的趋势。在250 ℃烤制温度下，T24在烤制4 min 时达到最大，8 min、12 min 出现波动，220 ℃烤制温度下、T24在烤制6 min 时达到最大，10 min 和14 min 出现波动。而190 ℃烤制温度下，T24在烤制2 min 达到最大，8，12 和18 min 出现波动。250 ℃随着烤制时间的延长T24降低明显，在烤制20 min后T24变为236.14 ms，而220 ℃和190 ℃在烤制20 min 后T24分别为340.66 ms 和856.96 ms，这表明烤制温度越高水分逃逸能力越强。

表2 羊肉弛豫时间T2 随烤制时间的变化趋势Table 2 Changing on relaxation time T2 of LF-NMR on mutton

2.3.3 羊肉烤制过程中水分分布 处于不同位置的氢质子具有不同的共振频率，因此核磁共振成像技术MRI 对应获得的磁共振信号强度也会有差异[26]。NMI20 核磁共振成像分析仪可以通过空间编码技术将磁共振信号强度转变成图像的形式，进而可以更加直观的研究羊肉样品中的水分分布情况以及在烤制过程中的结构变化[27-28]。其中影响着图像的亮度的主要因素是氢质子的活跃程度及密度。当氢质子越活跃且密度越高时，图像就会更加明亮[29]。由表3可知，在3 个烤制温度下，羊肉的氢质子密度图像的亮度随着烤制过程的进行均有下降趋势，这表明随着烤制的进行羊肉内部的水分含量在逐渐减少，其中250 ℃烤制温度下的变化最为明显。由于烤羊肉样品的体积较小，内外受热较为均匀，因而不同烤制时期的羊肉内部与表面的水分信号同时减弱，水分含量在各个区域的分布强弱均匀。

表3 不同烤制时间下羊肉氢质子密度成像对比Table 3 Hydrogen proton density imaging of mutton at different roasting time

续表3

2.3.4 核磁共振总峰积分面积与烤羊肉含水率的相关性分析 核磁共振总峰积分面积为结合水、不易流动水以及自由水3 种状态水的峰面积之和。采用一元线性回归方式对不同烤制时间的核磁共振总峰积分面积与羊肉的含水率进行相关性分析，结果如图4所示。

由图4可知，3 种烤制温度下，低场核磁共振峰积分面积总和与羊肉含水率呈现显著的线性关系（P<0.05），其中250 ℃烤制温度下的线性回归方程为y=125.92 x+481.71 （R2=0.9228），220 ℃烤制的线性回归方程为y = 296.88x-7 034.16（R2=0.9765），190 ℃烤制的线性回归方程为y=475.99 x-17 573.17（R2=0.9428）。这一结果表明在使用核磁共振对烤羊肉样品水分进行分析时，可将T2反演图谱与线性方程进行结合，间接计算出羊肉样品在烤制某一时刻的含水率。

图4 不同烤制温度下羊肉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 and total peak integral area of low field NMR of mutton at different roasting temperatures

2.4 感官性评价分析

感官研究的目的是表征每个样品的不同风味特征[30]。图5所示的是3 种烤制温度下羊肉的感官评价得分结果。由图可知在加热过程中，从单一风味上来看，不同烤制时间下的羊肉除肉味外在其它的气味得分上都具有差异。对于腥味而言，在烤制初期的评分达到最高，随着温度的升高，腥味逐渐减弱。油脂味随着烤制时间延长逐渐加强至最终平衡。烘烤味都是在烤制20 min 时分数最高。羊肉总体风味在温度较低时分数较低，250 ℃烤制下的羊肉总体风味得分在12 min 时达到最高，220 ℃烤制条件下在14 min 时羊肉总体风味得分达到最高，190 ℃烤制温度下在烤制18 min时总体风味得分达到最高。总体来说，12 min，14 min 和18 min 可分别作为羊肉250，220，190 ℃烤制时的最佳风味时间。

图5 不同烤制温度下滩羊肉的感官风味评价Fig.5 Sensory flavor evaluation of Tan mutton under different roasting temperatures

3 结论

本研究表明，通过低场核磁共振技术可以对烤制过程中的羊肉内部水分子的弛豫特性变化规律进行探索。在250，220 和190 ℃3 个烤制温度下的羊肉样品中，核磁共振T2图谱反映出2 个现象。一是总峰面积随着烤制时间的增加在逐渐减小，这说明烤羊肉样品中的水分含量在逐渐降低；二是T2峰位置随着烤制时间的增加逐渐向左偏移（结合水除外），说明烤羊肉样品中的水分流动性在逐渐变小，水的自由度在由高向低的迁移。羊肉的氢质子密度图亮度下降的趋势与烤制温度有关，250 ℃烤制温度下下降明显，表明此温度下烤制温度越高，羊肉内部水分总含量减少越快。通过建立羊肉烤制过程中的含水率和核磁共振峰积分面积的关系表达式可以预测未知羊肉样品中的水分含量，这可对烤制成熟预判奠定一定的理论依据，对工业化烤羊肉生产提供一定的理论支持。