張 浩，高立東， 高愛(ài)武，成立新，惠德宇，李立敏，朝洛蒙

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古呼和浩特市植保植檢站，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010031；4.內(nèi)蒙古錫林草原食品有限公司，內(nèi)蒙古，二連浩特 011100）

牛肉干是以牛肉為原料，經(jīng)腌制、干燥、熟制等一系列工藝加工而成的肉制品[1]，而腌制是其主要的加工工序，腌制的好壞直接影響牛肉干的品質(zhì)。傳統(tǒng)的腌制主要采用干腌、濕腌、混合腌制、鹽水注射等方法[2]，但其存在腌制手段單一、腌制周期長(zhǎng)、效率低等問(wèn)題[3]。牛肉經(jīng)高溫烘烤會(huì)出現(xiàn)肌纖維收縮、質(zhì)量減輕等變化，而這些變化都與水分流失密切相關(guān)[4-7]，水分是牛肉干中重要的組成部分，其含量和遷移狀態(tài)均會(huì)影響牛肉干的質(zhì)地、口感和穩(wěn)定性[8]。

超聲波是一種能耗少、能量高的綠色環(huán)保加工技術(shù)，在肉類(lèi)工業(yè)中受到廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，如超聲波空穴作用對(duì)肉類(lèi)蛋白質(zhì)的理化特性[9-14]、鹽分?jǐn)U散[15-17]、微觀結(jié)構(gòu)[18-19]等方面的影響研究。Siro I 等人[16]發(fā)現(xiàn)超聲波輔助腌制原料肉可以提高食鹽滲透速度；李瑩等人[19]研究發(fā)現(xiàn)超聲和微波聯(lián)合作用對(duì)肌肉嫩化效果顯著；李博文等人[20]研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助處理能夠簡(jiǎn)化醬牛肉腌制工藝；蔡華珍等人[21]發(fā)現(xiàn)超聲波處理能夠加快豬肉腌制速率；Lyng J G 等人[22]用超聲波處理牛肉之后可以縮短成熟期；李林強(qiáng)等人[18]研究發(fā)現(xiàn)超聲波對(duì)牛肉嫩化效果顯著；馮婷等人[23]發(fā)現(xiàn)滾揉技術(shù)和超聲波輔助技術(shù)應(yīng)用在鮮雞肉腌制中，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)腌制處理，與傳統(tǒng)的肉制品加工技術(shù)相比，產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分和活性因子的破壞較低[24]。

目前的研究表明超聲波的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)對(duì)牛肉的腌制速率、蛋白結(jié)構(gòu)均有顯著影響，但對(duì)牛肉干干燥特性及其水分遷移規(guī)律的研究不夠深入，系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究也鮮有報(bào)道。水分作為肉制品的重要組成部分，含量及其遷移狀態(tài)都會(huì)影響牛肉干的質(zhì)地和口感。試驗(yàn)以NaCl 含量為指標(biāo)，以Box-behnken 的響應(yīng)面優(yōu)化法，得到最佳腌制條件；并通過(guò)干燥試驗(yàn)深入探討水分遷移變化規(guī)律，以期為牛肉干快速腌制及干燥過(guò)程中品質(zhì)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

牛后腿精肉：冷鮮肉，購(gòu)于呼和浩特華聯(lián)超市，將肉均勻切成65 mm×25 mm×25 mm 的長(zhǎng)細(xì)條形，于4 ℃下冷藏備用；硫氰酸鉀，麥克林生化科技有限公司提供；硫酸鐵銨，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司提供；亞鐵氰化鉀、硝酸銀、乙酸鋅、NaCl、硝酸，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。以上試劑均為分析純。

DGX-9143BC 型電熱鼓風(fēng)干燥箱、HH-2 型水浴鍋，上海?，斣囼?yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；TGL-20B 型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品；BBCD-290WX型冰箱，青島海爾公司產(chǎn)品；C22-186 型電磁爐，九陽(yáng)股份有限公司產(chǎn)品；Biosafer1000 型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，賽飛（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品。

2 試驗(yàn)方法

2.1 單因素試驗(yàn)

取牛后腿精肉，去除筋腱和脂肪并清洗干凈，切成65 mm×25 mm×25 mm 大小的肉條，每塊質(zhì)量為20～25 g，放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的食鹽溶液中，使肉塊完全浸沒(méi)在液面以下，對(duì)照組在4 ℃冰箱中腌制15 h，超聲處理組進(jìn)行超聲波輔助腌制時(shí)控制其超聲處理時(shí)間和腌制時(shí)間與對(duì)照組總腌制時(shí)間一致，均為15 h。超聲波變幅桿為Φ2，超聲時(shí)間9.9 s，間隔時(shí)間9.9 s。

超聲波處理?xiàng)l件設(shè)置如下：超聲時(shí)間分別為40，60，80，100，120 min；超聲溫度分別為0，5，10，15，20 ℃（±2 ℃）；超聲功率分別為100，200，300，400，500 W?？疾楦饕蛩貙?duì)NaCl 含量的影響，對(duì)同一組樣品平行測(cè)定3 次，取平均值。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)篩選出的超聲時(shí)間、超聲溫度和超聲功率進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，運(yùn)用Box-behnken 中心設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，對(duì)待定參數(shù)進(jìn)行顯著性篩選。

超聲波輔助腌制試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 超聲波輔助腌制試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以NaCl 含量作為測(cè)定指標(biāo)，采用Design Expert 軟件中的Box-behnken 試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)出三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，一共包括17 組試驗(yàn)，其中有5 組零點(diǎn)估計(jì)誤差，用來(lái)估計(jì)試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，取3 組試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)最終值，一共進(jìn)行51 次試驗(yàn)，以得到牛肉最佳腌制條件。

2.3 干燥試驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)得出的最佳腌制條件，將腌制好的牛肉干進(jìn)行熱風(fēng)干燥，試驗(yàn)設(shè)置超聲處理組（US）和對(duì)照組（CG），在此基礎(chǔ)上根據(jù)干燥條件的不同分為恒溫組（H1-H3）和變溫組（B1-B3）。

牛肉干干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 牛肉干干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.4 NaCl 含量測(cè)定

采用孫英鴻等人[25]的方法，稱(chēng)取10 g 腌制后的樣品移入錐形瓶中。加入100 mL 蒸餾水，在沸水浴中加熱15 min，不?；蝿?dòng)錐形瓶。取出錐形瓶，將固液混合物全部轉(zhuǎn)移至200 mL 容量瓶中，冷卻一段時(shí)間至室溫，再依次加入2 mL 亞鐵氰化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液和2 mL 乙酸鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液，每次加液后都充分搖勻。室溫下靜置30 min，用蒸餾水定容至刻度，充分混合均勻，用定量濾紙過(guò)濾。用移液管準(zhǔn)確吸取20 mL濾液、20 mL 0.1 mol/L 硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液置于錐形瓶中，充分混勻，然后將溶液煮沸，使AgCl 沉淀凝聚，以減少AgCl 沉淀對(duì)Ag+的吸附，過(guò)濾掉AgCl 沉淀，并用5 mL 稀硝酸和5 mL 蒸餾水洗滌沉淀，洗滌液并入濾液中，使溶液總體積大約為100 mL。最后用硫氰酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，直至出現(xiàn)穩(wěn)定的粉紅色。

式中：V2——空白試驗(yàn)消耗硫氰酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

V1——試樣液消耗硫氰酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

200——試樣溶液的定容體積，mL；

20——滴定時(shí)吸取濾液的體積，mL；

C——硫氰酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；

m——試樣的質(zhì)量，g；

X——氯化物含量，%。

2.5 含水率、干基含水率與干燥速率的測(cè)定

分別稱(chēng)量牛肉干燥前后的質(zhì)量，重復(fù)3 次，取平均值。分別按以下公式計(jì)算干基含水量[26]與干燥速率[27]。

式中：Mt——物料在t 時(shí)刻的干基含水率，g/g；

mt——物料干燥t 時(shí)刻的質(zhì)量，g；

mg——物料干燥結(jié)束時(shí)的質(zhì)量，g；

DR——干燥過(guò)程中時(shí)間在t+△t 和t 之間的物料干燥速率，g/(g·min)；

Xt——物料在t 時(shí)刻的干基含水率，g/g；

Xt＋Δt——物料在t+Δt 時(shí)刻的干基含水率，g/g；

Δt——干燥間隔時(shí)間，min。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Design Expert 8.0.6 軟件設(shè)計(jì)Box-behnken試驗(yàn)和ANOVA 分析，Origin 9.0 軟件進(jìn)行圖形繪制。

4 結(jié)果與分析

4.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

不同超聲條件對(duì)牛肉腌制速率的影響見(jiàn)圖1。

由圖1（a）可知，在超聲功率和超聲溫度一定時(shí)，超聲時(shí)間對(duì)牛肉腌制速率影響較大，其中腌制時(shí)間為100 min 時(shí)NaCl 腌制速率最快，NaCl 含量為2.82%；40 min 時(shí)效果最差，NaCl 含量為2.05%；由圖1（b）可知，在超聲功率和超聲時(shí)間一定時(shí)，超聲溫度在10 ℃時(shí)的NaCl 含量有最高值，為3.66%；0 ℃時(shí)NaCl 含量有最低點(diǎn)，為3.21%；由圖1（c）可知，在超聲時(shí)間和超聲溫度一定時(shí)，NaCl 含量隨著超聲功率的增加而增大，400 W 時(shí)達(dá)到最大值，為3.96%，超過(guò)400 W 時(shí)NaCl 含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；而試驗(yàn)對(duì)照組的氯化鈉含量為2.10%，由此得到，超聲波處理有利于腌制液的滲透。

圖1 不同超聲條件對(duì)牛肉腌制速率的影響

4.2 Box-behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 Box-behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

超聲波輔助腌制試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 超聲波輔助腌制試驗(yàn)方案及結(jié)果

使用Design Expert 8.0.6 軟件對(duì)表3 進(jìn)行方差分析，以NaCl 含量作為響應(yīng)值，超聲時(shí)間（A）、超聲溫度（B）及超聲功率（C）進(jìn)行多元回歸擬合，得到NaCl 含量的二次多項(xiàng)回歸模型，再對(duì)該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及其方差分析。

NaCl 含量的二次多項(xiàng)回歸模型為：

NaCl 含量顯著性檢測(cè)及模型方差分析見(jiàn)表4。

表4 NaCl 含量顯著性檢測(cè)及模型方差分析

由表4 可知，3 個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)NaCl 含量影響極顯著（p＜0.01），且影響NaCl 含量的各個(gè)因素主次順序?yàn)锳＞B＞C，該模型的F 值為431.79，且該模型中R2=0.998 2，R2adj=99.59，說(shuō)明該模型極顯著。預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的相關(guān)性較高，且99.82%的數(shù)據(jù)可以用于此模型的解釋。失擬項(xiàng)數(shù)據(jù)分析說(shuō)明該模型與實(shí)際試驗(yàn)擬合度較好，試驗(yàn)誤差小，能夠準(zhǔn)確解釋試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響[27]。

4.2.2 交互因子對(duì)NaCl 含量的影響分析

試驗(yàn)以NaCl 含量作為超聲波最優(yōu)條件的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Design Expert 軟件對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得出圖2 所示的影響NaCl 含量的參數(shù)間相互作用的響應(yīng)面和等高線分布圖，分別為超聲時(shí)間、超聲溫度、超聲功率中任意兩因素之間的交互作用。

超聲時(shí)間和超聲溫度之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖2。

圖2 超聲時(shí)間和超聲溫度之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

曲面較陡峭，說(shuō)明超聲時(shí)間和超聲溫度對(duì)響應(yīng)值的影響大，即在超聲時(shí)間為100 min，超聲溫度為10 ℃時(shí)，NaCl 含量達(dá)到最高值；這是因?yàn)槌暡軐?duì)肌肉組織產(chǎn)生破壞作用，從而有效促進(jìn)鹽分的滲透，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，肌細(xì)胞受到膨脹和壓縮的時(shí)間越多，NaCl 腌制液也更易滲透到肌細(xì)胞中，從而增加NaCl 含量[28]，這與龍錦鵬等人[29]研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助腌制可加速腌制液向牛肉組織內(nèi)部滲透的結(jié)論相符。另外，等高線的疏密程度和形狀反映了各因素之間交互作用的顯著性。由此可以看出，超聲時(shí)間的斜率大于超聲溫度，所以超聲時(shí)間對(duì)NaCl 含量影響的顯著程度大于超聲溫度對(duì)NaCl 含量影響的顯著程度。

超聲時(shí)間與超聲功率之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖3。

圖3 超聲時(shí)間與超聲功率之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

響應(yīng)面圖陡峭，當(dāng)超聲溫度為零水平條件下，固定超聲時(shí)間，隨著超聲功率增加，NaCl 含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；這是由于超聲功率會(huì)促進(jìn)肌纖維的斷裂，細(xì)胞膜破壞，加速了NaCl 腌制液的滲透[30]，當(dāng)肌細(xì)胞中的腌制液濃度達(dá)到平衡后，腌制速度逐漸降低，NaCl 含量減小，這與Yunhe Zou 等人[31]利用超聲波輔助蒸煮增加醬牛肉中NaCl 含量的研究相符。由等高線圖可知，NaCl 含量的變化受超聲時(shí)間的影響趨勢(shì)大于NaCl 含量受到超聲功率的影響趨勢(shì)，即超聲時(shí)間對(duì)NaCl 含量影響的顯著程度大于超聲功率影響的顯著程度。

超聲溫度和超聲功率之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖4。

圖4 超聲溫度和超聲功率之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

響應(yīng)面呈現(xiàn)一定規(guī)則的凸起，說(shuō)明超聲功率和超聲溫度在水平范圍內(nèi)存在最佳值，即在超聲溫度為10 ℃，超聲功率為400 W 時(shí)，NaCl 含量達(dá)到最優(yōu)值；這是因?yàn)槌暅囟仍礁撸接欣诜肿又g的流動(dòng)，分子運(yùn)動(dòng)速度越快，進(jìn)而促進(jìn)食鹽的滲透速度，但當(dāng)濃度一定時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，食鹽的滲透速度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)[32]。等高線圖表明NaCl 含量的變化受超聲溫度的影響趨勢(shì)顯著大于受到超聲功率的影響趨勢(shì)，符合模型分析。

4.2.3 最佳參數(shù)組合

利用Design Expert 軟件的Optimization 模塊對(duì)NaCl 含量的二次回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，以NaCl 含量為指標(biāo)，最優(yōu)組合為超聲時(shí)間100 min，超聲溫度10 ℃，超聲功率400 W，為檢驗(yàn)響應(yīng)面結(jié)果的可靠性，以最優(yōu)條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得到的試驗(yàn)值（3.91±0.04）和理論值（3.98±0.02）的誤差在一定范圍內(nèi)，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，表明二次回歸模型是可靠的。

4.3 超聲波輔助腌制下不同干燥條件對(duì)牛肉干干燥過(guò)程水分遷移的影響

牛肉干干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）圖-恒溫見(jiàn)圖5。

圖5 牛肉干干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）圖-恒溫

物料干燥過(guò)程本質(zhì)上是失去水分的過(guò)程，由圖5可知，牛肉干干基含水量范圍集中在3.64%～1.45%，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，牛肉干干基含水率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，干燥速率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。超聲處理組的水分含量下降速率高于對(duì)照組，在75 ℃條件下，超聲處理組水分含量下降更快，在60 min內(nèi)，由3.11%下降到2.30%，水分含量降低了0.81%，而對(duì)照組的水分含量下降較為緩慢，在60 min 內(nèi)僅下降了0.71%；這是因?yàn)槌暡ㄌ幚硎辜≡w維蛋白結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品的保水性能[26]，水分含量下降速率增快。牛肉干干燥特性也受到溫度的影響，在30 min 內(nèi)，US-H2 的水分含量由3.21%下降到2.71%，水分含量降低了0.50%，而US-H1 的水分含量由3.64%下降到了3.31%，僅下降了0.33%。這說(shuō)明溫度越高，干燥速率越快?？傮w來(lái)看，干燥前180 min 干燥曲線較為陡峭，而180 min 之后干燥曲線逐漸趨于平緩，干基含水量在1.50%～1.90%變化，說(shuō)明在此時(shí)牛肉干的水分趨于達(dá)到平衡含水量，這是因?yàn)樘岣吡丝諝鉁囟?，空氣的相?duì)濕度降低，使得牛肉干表面濕度與空氣介質(zhì)濕度相差變大，水分子流動(dòng)性強(qiáng)、擴(kuò)散快，促進(jìn)了牛肉干表面水分的迅速蒸發(fā)[33]，進(jìn)一步縮短了干燥時(shí)間；隨著時(shí)間的推移，干燥速率增長(zhǎng)逐漸緩慢，含水量降低后濕度差變小，干燥速率變慢[34]。

牛肉干干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）圖-變溫見(jiàn)圖6。

圖6 牛肉干干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）圖-變溫

由圖6 可知，牛肉干干基含水量范圍集中在3.81%～1.15%，干基含水量隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在75 ℃和60 ℃條件下，前70 min 超聲處理組的水分含量下降快，而對(duì)照組的水分含量下降慢，超聲處理組的干燥速率大于對(duì)照組，但超聲處理組的優(yōu)勢(shì)并不明顯，與對(duì)照組相比，在70 min 內(nèi)75 ℃和60 ℃條件下的水分含量分別降低了0.05%和0.01%，到了后期則相反，在60 ℃條件下，超聲處理組在150 min 內(nèi)，水分含量由2.57%下降到1.79%，水分含量降低了0.78%，對(duì)照組的水分含量由2.95%下降到1.80%，水分含量降低了1.15%。這是因?yàn)槌暡óa(chǎn)生的空化效應(yīng)與機(jī)械作用越強(qiáng)，越有利于增強(qiáng)內(nèi)部水分的湍動(dòng)性[26]，也有利于減弱水分與內(nèi)部組織細(xì)胞間的相互作用力[35-36]，進(jìn)而促進(jìn)水分的流失；而到了后期，超聲作用對(duì)削減肌細(xì)胞間相互作用力的效果達(dá)到了一個(gè)平衡，使得超聲處理組的干燥速率降低。同時(shí)，所有處理組在干燥過(guò)程中，75 ℃干燥過(guò)程均比60，65 ℃干燥過(guò)程所需時(shí)間短，這主要是由于高溫干燥處理導(dǎo)致牛肉干內(nèi)部的傳導(dǎo)速率和水分子的運(yùn)動(dòng)加快，提高內(nèi)部擴(kuò)散速率[36]。這與葉維等人[37]研究魔芋熱泵干燥特性時(shí)發(fā)現(xiàn)干燥溫度對(duì)魔芋干燥曲線影響較大的研究結(jié)果一致。

5 結(jié)論

研究了不同超聲波處理?xiàng)l件下對(duì)牛肉干腌制及干燥的影響。結(jié)果表明，超聲波輔助腌制可以加快牛肉腌制速率，最佳超聲條件為超聲時(shí)間100 min，超聲溫度10 ℃，超聲功率400 W；以最優(yōu)超聲條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得到的試驗(yàn)值（3.91±0.04）和理論值（3.98±0.02）的誤差在一定范圍內(nèi)，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求；此外，超聲波對(duì)牛肉干的干燥速率也有影響，恒溫條件下超聲處理組的干燥速率高于對(duì)照組，變溫條件下超聲處理組前期的干燥速率高于對(duì)照組，后期則相反。干燥溫度越高，牛肉干的內(nèi)部水分子運(yùn)動(dòng)加快，干燥速率越快，為牛肉干的快速腌制和干燥提供指導(dǎo)。