程健博,丁 健,常 虹,李婷婷,張紅蕾,王 芮,池天奇,張根生

(哈爾濱商業(yè)大學,黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

基于核磁法構建純菌發(fā)酵牛肉干烘干過程評價方法

程健博,丁 健,常 虹,李婷婷,張紅蕾,王 芮,池天奇,張根生*

(哈爾濱商業(yè)大學,黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

為分析純菌發(fā)酵牛肉干烘干過程低頻核磁共振(L-NMR)指標與理化、感官指標的相關性,并利用測定的核磁指標建立理化、感官品質的評價方法,該研究采集烘干過程0～240 min,共計9個時間段12項指標。結果表明:該線性回歸模型中以低場核磁共振T21峰面積作為自變量,以理化、感官指標作為因變量,Aw、a*值、b*值、L*值、硬度、咀嚼性、感官總體可受性的預測方程顯著性p值小于0.01,方程決定系數R2分別為0.925、0.785、0.829、0.770、0.917、0.931、0.810,具有較高統計學意義。利用L-NMR技術可對純菌種發(fā)酵牛肉干烘干過程各項理化、感官指標進行有效監(jiān)控及預測。

純菌發(fā)酵牛肉干,低場核磁共振,評價方法

純菌發(fā)酵牛肉干營養(yǎng)健康、富含大量益生菌。純菌發(fā)酵工藝可避免生肉在自然條件下發(fā)酵時易染雜菌,受環(huán)境條件干擾,難以標準化生產等問題,使產品的感官風味得到進一步提升[1-3]。由于牛肉干烘干過程工藝冗雜且不易控制,因而建立一種品質的快速評價方法已成為工業(yè)化生產中亟待解決的問題[4]。

低頻核磁共振(L-NMR)作為一種新型技術具有快速、無損、測定精確等特點[5]，且由于國產設備價格低廉,已被廣泛應用于生鮮肉品質控制[6]、糧油食品檢測[7]、煎炸油品質監(jiān)測[8]等諸多領域。其測定指標主要為弛豫時間,通過對縱向弛豫時間T1,橫向弛豫時間T2和自擴散系數的測量,反映出質子(1H)的運動性質[9]。在肉制品科學研究中,弛豫時間多由T2來表征。目前,L-NMR在肉品科學研究中的應用主要集中在肉和肉制品中水分含量和保水性,肌原纖維蛋白凝膠性和變性,脂肪和質構特性測定等方面。Bertram[10]已經證明,通過弛豫時間T2測定肌肉組織持水性,與滴水損失法測定結果之間的相關系數為0.85,與分步離心法結果相比,具有較高的相關性。Christensen[11]將差熱分析法(DSC)與L-NMR結合進行實驗,發(fā)現利用L-NMR的弛豫時間T2可以對豬肉肌原纖維蛋白變性情況進行有效的測定。Adam[12]等研究發(fā)現利用弛豫時間T1可以衡量結晶態(tài)脂肪含量。Hanne C.B等[13]利用L-NMR并輔助以共聚焦激光掃描顯微鏡技術(CLSM),研究了鮮肉和煮制肉中的水分分布情況。現有的研究主要在利用L-NMR技術對肉制品單一特性進行研究,但是基于該技術與理化指標及感官指標建立綜合評價方法的研究還未見報道。

本研究基于L-NMR數據與理化指標及感官指標建立相關性,構建純菌種發(fā)酵牛肉干烘干過程快速評價方法,為該項技術在肉制品工業(yè)化生產的應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

牛后腿精肉 黑龍江賓西牛業(yè)有限公司;蔥、姜、肉桂、肉蔻、大茴、小茴香、花椒、丁香、食鹽、白砂糖、白酒、味精、姜粉 市售;牛肉膏 上海盛思生化科技責任有限公司;酵母膏、蛋白胨、瓊脂 杭州微生物試劑有限公司;葡萄糖 天津市新精細化工開發(fā)中心。

NM-120型核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司;CS-800分光系列色差儀 杭州彩譜科技有限公司;TA-XT2i質構儀 英國Stable Micro system公司;HD-3A水分活度測量儀 上海精密儀器儀表有限公司;ALC-2100.2型電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;HPG-280B恒溫培養(yǎng)箱、SW-CJ-18標準凈化工作臺 哈爾濱東聯電子技術開發(fā)有限公司;加壓蒸汽滅菌鍋 上海申盛生物儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 純菌發(fā)酵牛肉干制備工藝 選擇新鮮牛后腿精肉,順肌纖維方向切成大小為1.5 cm×1.5 cm×2.5 cm牛肉塊,用清水沖洗至無血水滲出為止,在鍋中加入牛肉塊、水、蔥、姜、醬油、白酒、混合香辛料煮30 min,高溫熟化后的肉直接放入超凈工作臺內(紫外燈開啟)冷卻至30 ℃?zhèn)溆肹14]。將活化好的嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌按物料總重4%、8%分別接種于純菌發(fā)酵牛肉干無菌培養(yǎng)瓶內,棉塞密封,在37 ℃下培養(yǎng)24 h,將發(fā)酵好的肉塊擺放在帶網眼烤盤中放入恒溫干燥箱,溫度為60 ℃,分別烘干0、30、60、90、120、150、180、210、240 min,進行各項指標的檢測與評價[15]。

1.2.2 取樣方法 純菌發(fā)酵牛肉干完成前期制備工藝后,平行取樣50組,分別烘干0、30、60、90、120、150、180、210、240 min,分別對牛肉干烘干過程低場核磁共振指標與感官評分、理化指標進行測定。

1.2.3 檢驗方法

1.2.3.1 低場核磁共振指標測定 硬脈沖CPMG序列各項參數:P1=14,P2=28,TW=4000,DRG=3,SW=200,DFW=30,SF1=18,O1=430811.1,RG1=20,NS=4。

1.2.3.2 質構的測定 測量模式:TPA,測前速度:2.0 mm/s,測中速度:1.0 mm/s,測后速度:2.0 mm/s,兩次下壓間隔時間:5.0 s,負重:10 g,探頭類型:P/5,數據收集率:250 pps/s,環(huán)境溫度:25 ℃。

1.2.3.3 色差儀的測定 波長范圍:400～700 nm,波長間隔:10 nm,分辨率:0.01%,測量間隔1 s,測量時間:1 s,測量口徑:11 mm。

1.2.3.4 水分活度的測定 按照 GB/T 23490 水分活度儀擴散法(2009)測定[16]。

1.2.3.5 乳酸含量的測定 取樣,絞碎,取10 g加入100 mL容量瓶定容,吸取5 mL樣液,加入50 mL蒸餾水,加入2～3滴酚酞指示劑,用0.1 mol/L NaOH標準溶液滴定至微紅色,以30 s不褪色為終點,記下NaOH標準溶液的消耗量(A),計算出酸度。折算成乳酸含量以%計。

式中：P-乳酸含量,%;A-NaOH消耗量,mL;0.09-換算系數;5-樣液取樣量,mL。

1.2.3.6 乳酸菌數的測定 按照 GB 4789.35 食品微生物學檢驗 乳酸菌檢驗(2010)測定[17]。

1.2.3.7 感官評定 按照GB/T16861感官分析 通過多元分析方法鑒定和選擇用于建立感官剖面的描述詞(1997)測定[18]。感官評價小組共110位食品專業(yè)學生對牛肉干不同烘干時期進行總體可受性的評定,本次評定采用9分標度法(1:極不喜歡,2:非常不喜歡,3:很不喜歡,4:比較不喜歡,5:一般,6:比較喜歡,7:很喜歡,8:非常喜歡,9:極喜歡)。

1.2.4 評價方法的構建 采用SPSS17.0統計分析軟件對實驗數據進行統計分析,對L-NMR指標與感官評分、理化測定結果進行方差分析;計算皮爾遜(Pearson)相關系數;然后計算出低場核磁共振指標與感官評分、理化測定結果之間線性相關性方程,通過決定性系數R2來確定回歸方程的相關顯著性和實用性。其中,預測方程的因變量分別為硬度、咀嚼性、感官總體可受性、色差(a*值、b*值、L*值)、水分活度(Aw)、乳酸含量、乳酸菌數,自變量分別為T21峰面積(橫向馳豫時間0～10 ms)、T22峰面積(橫向馳豫時間10～100 ms)、T23峰面積(橫向馳豫時間100～1000 ms)。

2 結果與討論

2.1 牛肉干烘干過程測定結果

純菌種發(fā)酵牛肉干烘干過程低場核磁共振指標與感官評分、理化測定結果見表1,各項指標標準偏差較小,均在合理范圍內,統計結果良好。烘干過程低場核磁圖譜見圖1,橫向馳豫時間(T2)分別對應有結合水、不易流動水和自由水三種形態(tài)水。其中T21(0～10 ms)表示蛋白質分子表面的極性基團與水分子緊密結合的水分子層,T22(10～100 ms)表示存在于肌纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動水,T23(100～1000 ms)表示存在于細胞外的間隙中能自由流動的水[19],橫向弛豫時間可以表明水分的自由度[20]。弛豫時間越小水分越不易流動,弛豫時間越大流動性約高,峰面積越小水分含量越少,峰面積越大水分含量越大。由圖1可看出T21峰面積、T22峰面積變化顯著,但由于牛肉干中自由水含量極少,本研究不再對T23進行詳細闡述。

表1 牛肉干烘干過程測定結果

圖1 烘干過程低場核磁圖譜Fig.1 The ion flow of 6 days control group

2.2 烘干過程理化指標相關性分析

如表2所示,在烘干過程理化指標皮爾遜相關性分析中,色差值與Aw、質構指標相互之間均呈極顯著相關(p<0.01),其中硬度與咀嚼性、Aw的相關性最強,相關系數為0.991。其次色差值、硬度、咀嚼性之間的相關性系數均達到0.95水平且呈現明顯負相關性,這說明在濕度梯度的動力作用下水分逐漸喪失,肉中干物質比例增加,氧合肌紅蛋白不斷被氧化成褐色的氧化肌紅蛋白,肉干亮度、紅度、黃度明顯降低。同時肉質表面收縮及封閉現象逐步形成,咀嚼性、硬度明顯增強。劉亞娜等[21]對甘南牦牛及青海牦牛肉質指標相關性分析時,同樣得出a*值、b*值與咀嚼性具有顯著負相關性(p<0.01)的結論。

表2 烘干過程理化指標相關性分析

注：**在0.01水平(雙側)上極顯著相關,*在0.05水平(雙側)上顯著相關,表3、表4同。

相關性分析中,乳酸菌數與色差值、Aw、硬度、咀嚼性呈顯著相關(p<0.05),乳酸含量與各項理化指標均無相關性,這由于溫度對于乳酸菌株生長及產酸影響較大,當溫度繼續(xù)升高,菌株的生長及產酸能力受到極大的抑制,發(fā)酵溫度超過30 ℃時,大量處于對數增長期的菌株死亡,不再產生乳酸,極少數菌株進入休眠狀態(tài),這與黃丹等[22]對傳統發(fā)酵肉中乳酸菌特性的研究結論相同。

2.3 L-NMR指標相關性分析

牛肉干烘干過程L-NMR指標相關性分析如表3,T21峰面積與T22峰面積呈極顯著相關(p<0.01),皮爾遜相關系數為0.959,T22峰面積與T23峰面積呈顯著相關(p<0.01),皮爾遜相關系數為0.784。這是由于在乳酸菌發(fā)酵代謝作用下,蛋白質分子表面的極性基團鍵能減弱,水分子緊密結合的水分子層脫離,隨著烘干過程的推進,這部分水分T21(0～10 ms)逐步喪失。而自由水T23(100～1000 ms)及存在于肌纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動水T22(10～100 ms)相對于結合水更容易流失,與結合水變化趨勢一致。朱曉紅等[23]通過低場核磁共振測定,發(fā)現加熱處理改變了醬牛肉中的水分特性,使水分變得活躍,自由水增加,水分內部遷移效果明顯,與本研究結果相符。

表3 L-NMR指標相關性分析

2.4 肉質指標間相關性分析

L-NMR指標與理化、感官指標相關性分析結果如表4,T21峰面積、T22峰面積與Aw的皮爾遜相關系數分別為0.962、1.000呈極顯著相關(p<0.01)。水分活度可充分表征水分的游離程度,水分活度值越低,結合程度越高,游離水含量越低,利用水分活度的測試,控制微生物的生長,計算牛肉干的保質期具有重要意義[24]。T21峰面積、T22峰面積與色差(a*值、b*值、L*值)的相關系數最高為0.978,最低為0.877呈極顯著正相關(p<0.01)。肉色是肌肉外觀評定的重要指標,它主要受肌肉中的色素(肌紅蛋白和血紅蛋白))含量及其存在狀態(tài)決定的,同時受光反射和氧化作用的影響。肉顏色的變化主要是由于肉中高鐵肌紅蛋白的含量以及變化而引起[25]。吳娜等[226]研究廣式臘腸烘干過程時發(fā)現,發(fā)色主要集中在烘烤的前期和后期,隨著水分的較少顏色產生明顯變化。T21峰面積、T22峰面積與質構指標(硬度、咀嚼性)的相關系數最高為-0.988,最低為-0.958呈極顯著負相關(p<0.01),T23峰面積與質構指標(硬度、咀嚼性)的相關系數分別為-0.729、-0.740呈顯著負相關(p<0.05)。伴隨緊密結合的水分子層脫離及肌纖絲、肌原纖維及膜之間的不易流動水、表層自由水揮發(fā),硬度和咀嚼性呈增長趨勢。

表4 L-NMR與理化、感官指標之間的皮爾遜相關系數

表6 解釋的總方差表

T21峰面積、T22峰面積與感官總體可受性的相關系數分別為0.900、0.838呈極顯著負相關(p<0.01)。整個烘干過程中,在150 min之前,水分仍處于遷移狀態(tài),產品感官變化較小,評定小組不能發(fā)現其細微的差別,導致相對于其他指標相關系數略有減小[27]。T21峰面積、T22峰面積與乳酸菌數的相關系數分別為0.584、0.694呈顯著正相關(p<0.05)。T21峰面積、T22峰面積、T23峰面積與乳酸含量的相關系數分別為-0.212、-0.191、-0.310,無相關性。在烘干初期,乳酸菌大量死亡,乳酸產量快速降低并維持在恒定含量,不隨水分的變化而變化。在快速評價方法中,乳酸產量不再作為預測指標。

2.5 L-NMR指標間多重共線性診斷

通過L-NMR指標間的相關性分析發(fā)現T21峰面積與T22峰面積相關系數為0.959,T22峰面積與T23峰面積相關系數為0.784,各個指標間相關程度較高,L-NMR指標間存在較強的相關關系,說明各變量之間可能存在多重共線性。由于T21峰面積、T22峰面積、T23峰面積作為快速評價方法中的回歸分析的自變量,自變量間如果存在較高的多重共線性就會造成模型的預測功能失效、變量的顯著性檢驗失去意義,回歸分析的基本前提喪失等問題,因此在進行回歸分析之前必須進行多重共線性診斷[28]。

通過嘗試性的回歸分析計算出各自變量的方差膨脹因子(VIF)見表5,T21峰面積、T22峰面積、T23峰面積的VIF值分別為16.262、23.428、3.383。當VIF值大于10時表示有共線性發(fā)生,可見L-NMR指標之間存在共線性,不能直接進行回歸分析,需先進行主成分分析后,再建立回歸方程[29]。

表5 L-NMR指標方差膨脹因子統計表

2.6 烘干過程快速評價方法的構建

KMO和Bartlett球形度檢驗結果顯示:KMO值為0.554,顯著性0.0001;T21峰面積、T22峰面積、T23峰面積公因子方差分別為0.891、0.967、0.754,信息損失率較小,數值提取效果良好,滿足因子分析條件[30]。主成分分析解釋的總方差見表6,主成分累計方差貢獻率為87.072%大于85%,所以T21峰面積將作為唯一的主成分因子。

構建快速評價方法時,以牛肉干烘干過程L-NMR指標中的T21峰面積作為自變量,理化、感官指標作為因變量,進行線性回歸分析,變量進入顯著水平均為0.01,回歸分析結果如表7。硬度、咀嚼性、感官總體可受性、a*值、b*值、L*值、水分活度(Aw)得到最優(yōu)回歸模型,經顯著性檢驗均具有統計學意義(p<0.01)。其中a*值方程的決定系數R2為0.785、b*值方程的決定系數R2為0.829、L*值方程的決定系數R2為0.770、Aw方程的決定系數R2為0.925、硬度方程的決定系數R2為0.917、咀嚼性方程的決定系數R2為0.931、感官總體可受性方程的決定系數R2為0.810。乳酸菌數的回歸模型,經顯著性檢驗統計學意義較差,方程的決定系數R2為0.341,預測結果可信度較低(p<0.1)。

表7 純菌發(fā)酵牛肉干烘干過程快速評價方法

注：T21:峰面積(0～10 ms)。

在模型中,雖然T21峰面積作為唯一自變量,但由于其與T22峰面積、T23峰面積存在共線性且呈顯著相關,在實際應用中T21峰面積可同時表征肉質結合水、細胞質間質水及自由水的變化趨勢。在烘干過程中,由于肉質表面的飽和蒸汽壓大于周圍空氣中的蒸汽壓,自由水逐步散失。在濕度梯度和濕度差的共同作用下,細胞質間質水分子層及不易流動水分子層,同時發(fā)生內、外擴散作用。這一系列變化導致肉質發(fā)生硬化、干縮干裂,水分活度降低抑制乳酸菌生長,氧化肌紅蛋白不斷積聚使顏色加深,可見水分變化與各項理化指標、感官總體可受性存在明顯間接相關性。所以通過合理的統計方法及模型的構建,可利用L-NMR指標快速準確的預測純菌種發(fā)酵牛肉干烘干過程中的各項理化及感官指標。

3 結論

本研究利用L-NMR技術結合多重共線性診斷及主成分分析法,針對純菌種發(fā)酵牛肉干烘干過程,構建了一套快速、無損、測定精確的評價方法。該評價方法以低場核磁共振T21峰面積作為自變量,以理化、感官指標作為因變量,進行線性回歸分析,其中Aw、a*值、b*值、L*值、硬度、咀嚼性、感官總體可受性的預測方程顯著性p值小于0.01,方程決定系數R2分別為0.925、0.785、0.829、0.770、0.917、0.931、0.810,構建了具有較高統計學意義的預測方程模型。該研究創(chuàng)造性的將L-NMR技術應用到畜產品深加工領域,評價方法可對純菌種發(fā)酵牛肉干烘干過程關鍵控制點進行有效監(jiān)控,為L-NMR技術在肉制品工業(yè)化生產的應用,奠定了良好基礎及借鑒作用。

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Construction of fermented beef jerky drying process evaluation system based on L-NMR technology

CHENG Jian-bo,DING Jian,CHANG Hong,LI Ting-ting,ZHANG Hong-lei,WHANG Rui,CHI Tian-qi,ZHANG Gen-sheng*

(Key Laboratory for Food Science and Engineering of Heilongjiang Province,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China)

The aim of this study was to analyze the fermented beef jerky drying process and low-frequency magnetic resonance(L-NMR)associated with the physical and chemical indicators,sensory index,and using nuclear magnetic parameters were measured to establish the physical and chemical,sensory quality evaluation system,the study collected the drying process 0 to 240 min a total of nine periods 12 indicators. The results showed that the T21peak area was independent variables and chemical,sensory index was the dependent variable in the linear regression model. Aw,a*value,b*values,L*value,hardness,chewiness,sensory receptivity of the overall prediction equation(p<0.01),with a high statistical significance. The equation coefficient of determination(R2)was 0.925,0.785,0.829,0.770,0.917,0.931 and 0.810. The L-NMR technique could be used to monitor and predict the physicochemical and sensory indexes of the dried process of pure broth fermented beef jerky.

fermented beef jerky;L-NMR;evaluation system

2016-09-06

程健博(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：食品科學，E-mail：foodcheng@163.com。

*通訊作者:張根生(1964-)，男，碩士，教授，研究方向：畜產品加工，E-mail：zhanggsh@163.com

哈爾濱商業(yè)大學研究生創(chuàng)新項目(YJSCX2015-393HSD)；黑龍江省重大項目(GA15B302)。

TS251.1

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1002-0306(2017)05-0319-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.052