不同凍結溫度下牛肉水分的狀態變化

孫 圳，謝小雷，李 俠，岳鑒穎，張春暉

（中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

?

不同凍結溫度下牛肉水分的狀態變化

孫 圳，謝小雷，李 俠*，岳鑒穎，張春暉

（中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

摘 要：研究3個凍結溫度（－8、－23、 －38 ℃）條件下牛肉凍結過程中的水分狀態的變化。借助低場核磁共振波譜（low fi eld nuclear magnetic resonance，LF-NMR）與核磁成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術，分析牛肉在凍結過程中內部水分狀態、弛豫時間T2、水分信號幅度及1H密度的變化。結果表明：樣品中心溫度降至－38、－23、－18 ℃分別耗時176、350、315 min，說明－38 ℃處理能夠顯著提高牛肉凍結速率；3 個凍結溫度LF-NMR分析表明，隨著凍結時間的延長，自由水和不易流動水的峰面積、弛豫時間T2及信號幅度均逐漸降低。3 個凍結溫度均能使樣品中的自由水全部凍結，而結合水均不被凍結；－38 ℃能使不易流動水完全凍結，－18、－23 ℃分別使73.04%、99.60%的不易流動水凍結。1H MRI 成像技術也進一步證實了LF-NMR分析結果。

關鍵詞：牛肉；冷凍；低場核磁共振波譜；核磁成像；水分遷移

孫圳, 謝小雷, 李俠, 等. 不同凍結溫度下牛肉水分的狀態變化[J]. 肉類研究, 2016, 30(1): 15-20. DOI:10.15922/j.cnki.

rlyj.2016.01.004. http://rlyj.cbpt.cnki.net

SUN Zhen, XIE Xiaolei, LI Xia, et al. The transformation of water states during beef freezing[J]. Meat Research, 2016, 30(1): 15-20. (in Chinese with English abstract) DOI:10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.004. http://rlyj.cbpt.cnki.net

牛肉中含有豐富的蛋白質、必需氨基酸、礦物質等營養成分，風味獨特，深受消費者的喜愛。工業上，凍藏作為牛肉的主要保鮮方式，能夠抑制大多數微生物的生長，降低酶活性，延長肉品貨架期[1]。但凍藏過后的肌肉保水性一般會降低，造成經濟損失[2]。凍結處理對原料肉水分狀態影響的研究較為匱乏，其凍結過程中的水分狀態變化過程尚不清楚。采用低場核磁共振分析（low fi eld nuclear magnetic resonance，LF-NMR）及1H核磁成像技術（magnetic resonance imaging，MRI），可以實時跟蹤肌肉凍結過程中水分狀態變化過程，如謝小雷等[3]利用LF-NMR研究了不同干燥方式對牛肉干干燥過程中水分遷移的影響，McDonnell等[4]利用LF-NMR研究了氯化鈉對豬肉中水分分布的影響。本研究以黃牛里脊肉為對象，選取生產上常用的3個凍結溫度（－18、－23、－38 ℃），通過動態采集凍結過程中樣品的中心溫度，借助LF-NMR和MRI技術分析牛肉在－18、－23、－38 ℃凍結過程中內部水分狀態、弛豫時間T2、水分信號幅度及1H密度的變化[5]，揭示牛肉凍結過程中的水分狀態變化規律，以期為肉制品凍結貯藏方面的應用提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料

黃牛里脊肉（4 ℃條件下成熟36 h） 北京御香苑畜牧有限公司。

1.2儀器與設備

DW-86L386醫用低溫保存箱 青島海爾特種電器有限公司；YP10002電子天平 上海越平科學儀器有限公司；PQ-001核磁共振儀、MINI MR-60核磁共振成像儀 上海紐邁電子科技有限公司；L93-1防水溫度記錄儀 杭州路格科技有限公司。

1.3方法

1.3.1 樣品制備

將原料肉修整切割成5 cm×4 cm×4 cm的肉塊，并用保鮮膜包裹，進行凍結實驗[6]。

1.3.2 凍結實驗

將處理好的肉塊分別單層放置于－18、－23、－38 ℃的冰箱中，進行空氣冷凍，使肉塊中心溫度由4 ℃分別降至上述冰箱設定溫度。凍結過程中，在肉塊中心溫度為4、0、－8、－12、－16、－18、－23、－28、－32、－36、－38 ℃時取樣進行相關實驗指標的測定。

1.3.3 指標測定

1.3.3.1 凍結曲線

將熱電偶插入樣品內部約2.5 cm處，共取3 組平行，實時記錄肉塊中心溫度，測定凍結曲線[6]。

1.3.3.2 水分組成的測定

參照Li等[7]的方法，采用核磁共振分析軟件中的Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列測定樣品中的橫向弛豫時間T2。將精確稱量的樣品置于核磁共振成像儀永磁場中心位置的射頻線圈中心，進行磁共振波譜測定。CPMG脈沖序列參數為：主頻：23 MHz；偏移頻率：286.7813 kHz；90脈沖時間：17 μs；180脈沖時間：35 μs；采樣點數54 996；重復時間3 000 ms；累加次數4 次；回波數2 000。

1.3.3.31H密度成像的測定

參照Li Xin等[8]的方法并作適當修改，采用核磁共振成像系統自旋回波成像序列對樣品進行1H密度成像。將中心溫度為4、－18、－23、－38 ℃的樣品分別置于核磁共振成像儀永磁場中心位置的射頻線圈中心，進行成像實驗。主要參數為：重復時間2 000 ms；重復次數4 次；縱向弛豫時間T1：20 ms；根據CPMG序列測得的T2值，選擇自旋回波時間20 ms。

1.4數據分析

采用SAS 9.2軟件對結果進行Duncan’s方差檢驗分析，使用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）進行顯著性分析（P＜0.05）；所有分析圖均采用Origin 8.0軟件繪制。

2　結果與分析

2.1不同凍結溫度條件下樣品中心溫度變化

通過熱電偶實時監測肉塊中心溫度，得到牛肉塊凍結曲線如圖1所示。

圖1　凍結過程中環境及樣品內部中心溫度變化Fig.1 Changes in sample internal temperature and environmental temperature during beef freezing

由圖1可知，在－1.5 ℃左右，凍結速率減慢，凍結曲線的斜率降低，這是由于樣品中水結冰的過程需要釋放潛熱，導致樣品溫度保持相對恒定。隨后凍結速率再次上升，直到達到相應的環境溫度，凍結過程結束，這與黃鴻兵[6]的研究結果相似。隨著凍結溫度的降低，樣品與冰箱環境溫度溫差越大，傳熱速率加快導致凍結速率越快，這一點可以從－18、－23、－38 ℃的凍結曲線可以看出。在－38℃條件下，樣品中心溫度通過潛熱釋放帶所需要的時間約為50 min，明顯較－23 ℃（130 min）和－18 ℃（150 min）短，且溫度越低凍結速率越快。同時比較將中心溫度降至所定環境溫度所需時間，－38 ℃耗時176 min，顯著低于－23 ℃（350 min）和－18 ℃（315 min）（P＜0.05）。

2.2冷凍溫度對水分狀態的影響

2.2.1 冷凍溫度對牛肉塊凍結過程中橫向弛豫時間T2的影響

表1　不同冷凍溫度下樣品3 種狀態水峰積分面積的變化TTable 1 Changes in peak areas for three types of water during beef freezing at different temperatures

圖2　冷凍溫度對樣品橫向弛豫時間T2的影響Fig.2 Effect of freezing temperature on transverse relaxation time T2of samples

由圖2可知，樣品在3 種冷凍過程中弛豫時間T2在1～1 000 ms的弛豫時間內分布有3～4 個峰，這與Li Xin等[8]用LF-NMR研究解凍牛肉的結果一致。肌肉水分分布的變化情況，可以通過LF-NMR通過測定1H的橫向弛豫時間T2來表征。1H的弛豫時間與水分的流動性密切相關。在食品體系中，水分狀態的不同，都會使弛豫時間T2發生改變。不同的弛豫時間T2，能夠容易地區分自由水和結合水。牛肉中有3 種不同活動狀態的水：位于高度組織化的蛋白質結構內的結合水、肌原纖維蛋白外部含肌漿蛋白組分的不易流動水和自由水[9-10]；分別用T21（0～10 ms）、T22（10～100 ms）、T23（100～1 000 ms）對應其峰面積，以表示3 種狀態水的含量[11]。不同溫度下3 種狀態水峰面積的結果如表1所示。隨著凍結過程的加深，樣品的中心溫度逐漸下降，3 種凍結溫度對應的樣品中水分總峰面積在逐漸減小，這是因為樣品中自由水以及部分結合水隨著溫度的降低被凍結，而冰的1H信號不能被低場核磁共振儀捕捉到，從而造成水分總峰面積的減小[13]。

圖3　冷凍溫度對各組分水含量變化影響Fig.3 Effects of freezing temperature on the contents of immobile, free and total water in samples

由圖3可知，自由水峰面積S23隨著凍結程度的加深逐漸降低，當樣品中心溫度達到－18 ℃時，自由流動水峰面積為零，自由水完全被凍結。不易流動水峰面積S22隨著凍結程度的加深而下降，樣品中心溫度為－38 ℃時，不易流動水峰消失；但樣品中心溫度在－18 ℃和－23 ℃時，不易流動水尚未被完全凍結，凍結率分別為73.04%和99.60%；這說明凍結溫度越低，不易流動水越容易被凍結。而在3 種凍結溫度下，結合水均不能被凍結，結合水峰面積在凍結過程中變化不大。這與趙彥星等[14]利用低場核磁技術研究比薩冷凍過程中水分狀態轉變的結果相一致。

2.2.2 冷凍溫度對不同狀態水橫向弛豫時間的影響

橫向弛豫時間T2是指1H自旋核在外加磁場受到射頻脈沖的激發后，系統內部達到橫向熱平衡所需要的時間，其值越大反映水分子的流動性越強。3 種冷凍溫度對牛肉塊冷凍過程中橫向弛豫時間T21、T22、T23的影響結果如圖4所示。

圖4　冷凍溫度對樣品冷凍過程中橫向弛豫時間T2211、T2222、T2233的影響Fig.4 Effects of freezing temperature on T21, T22and T23of samples

由圖4可知，結合水橫向弛豫時間T21隨著溫度降低上下波動，不易流動水橫向弛豫時間T22和自由水橫向弛豫時間T23隨著凍藏溫度的降低均呈下降趨勢，這與龐之列等[15]報道的牛肉解凍過程中橫向弛豫時間變化趨勢一致。T22、T23均會隨著溫度的降低而降低，這表明凍藏溫度的降低能夠顯著降低樣品內部不易流動水和自由水的流動性。－18 ℃處理中，在樣品中心溫度降低到－18 ℃時，已完全捕捉不到自由水弛豫時間T23，說明自由水已完全被凍結。－23 ℃處理中，在樣品中心溫度達到－23 ℃時，不易流動水弛豫時間T22達到最小值。這說明部分不易流動水被凍結，流動性減弱。

2.2.3 冷凍溫度對不同狀態水信號幅度的影響

圖5　冷凍溫度對樣品冷凍過程中信號振幅M2211、M2222、M2233的影響Fig.5 Effects of different freezing temperatures on M21, M22and M23of samples

不易流動水和自由水存在于牛肉中性質穩定性較差，一般易受外界條件的影響，在冷凍過程中易被凍結含量減少從而信號幅度降低[16]。不易流動水以及自由水被凍結會造成信號幅度M22、M23值減少。

由圖5可知，隨著凍結程度的增大，樣品信號振幅M21、M22、M23值在冷凍過程中均呈下降趨勢。3 種凍結溫度下的結合水M21值均較為穩定，Guo等[17]在研究豬肉腌制過程中水分變化中也發現相同現象。牛肉塊在各個不同冷凍溫度下的不易流動水M22值的變化趨勢基本一致，都呈現下降的趨勢；樣品中心溫度為－36 ℃時M22值變為0，這表明此時不易流動水已被完全凍結。3 種凍藏溫度下自由水M23值亦呈現逐漸下降的趨勢，當樣品中心溫度達到－18 ℃時，M23值為0，這表明樣品中的自由水已完全被凍結，這與Miklos等[18]研究結果相似。

2.3不同冷凍溫度對1H密度的影響

圖6　不同冷凍溫度下樣品的二維1HH密度圖像Fig.6 Proton density images of samples frozen at different temperatures

根據Elmasry等[19]的報道MRI技術能夠研究水分分布情況。1H密度圖像中圖像越亮，表明1H密度越高。由圖6可知，隨著冷凍溫度的降低，牛肉塊在3 種不同溫度的冷凍過程中的1H密度圖像的亮度均呈下降趨勢說明樣品內部含水量越來越低，這與Borompichaichartkul等[20]用MRI技術研究玉米干燥過程中的1H密度圖像變化趨勢一致。其中－18 ℃可看見樣品輪廓；－23 ℃時可勉強看見樣品的輪廓，但－38 ℃條件下牛肉塊的二維1H密度圖像已經完全消失，這說明在該溫度下樣品中自由水以及不易流動水被凍結，1H信號不能被識別，導致了樣品輪廓消失。

3　結 論

較低的凍結溫度能顯著提高牛肉凍結速率。在－18、－23、－38 ℃凍結溫度條件下，樣品中心分別達到相對應的環境溫度后，自由流動水均被完全凍結，而不易流動水的凍結率分別為73.04%、99.60%、100%。其中，與－18 ℃相比，－23 ℃凍結溫度下，樣品水分凍結程度更高，僅有0.4%的水分處于游離狀態，具有較好的保藏效果；與－38 ℃凍結處理相比，二者保藏效果相似，但－23 ℃凍結處理更加節約能源。基于凍結處理對樣品中水的流動性影響分析，可以選擇－23 ℃作為牛肉的凍藏溫度。

參考文獻：

[1] FAROUK M, SWAN J E. Effect of rigor temperature and frozen storage on functional properties of hot-boned manufacturing beef[J]. Meat Science, 1998, 49(2): 233-247. DOI:10.1016/S0309-1740(97)00134-4.

[2] 余小領. 冷凍和解凍工藝對豬肉保水性和組織結構的影響研究[D].南京: 南京農業大學, 2007.

[3] 謝小雷, 李俠, 張春暉, 等. 牛肉干中紅外-熱風組合干燥工藝中水分遷移規律[J]. 農業工程學報, 2014(14): 322-330. DOI:10.3969/ j.issn.1002-6819.2014.14.040.

[4] McDONNELL C K, ALLEN P, DUGGAN E, et al. The effect of salt and fi bre direction on water dynamics,distribution and mobility in pork muscle: a low fi eld NMR study[J]. Meat Science, 2013, 95(1): 51-58. DOI:10.1016/j.meatsci.2013.04.012.

[5] LI Chunbao, LIU Dengyong, ZHOU Guanghong, et al. Meat quality and cooking attributes of thawed pork with different low field NMR T(21)[J]. Meat Science, 2012, 92(2): 79-83. DOI:10.1016/ j.meatsci.2011.11.015.

[6] 黃鴻兵. 冷凍及凍藏對豬肉冰晶形態及理化品質的影響[D]. 南京:南京農業大學, 2005.

[7] LI X, MA L Z, TAO Y, et al. Low field-NMR in measuring water mobility and distribution in beef granules during drying process[J]. Advanced Materials Research, 2012, 550/553: 3406-3410. DOI:10.4028/www.scientifi c.net/AMR.550-553.3406.

[8] LI Xin, SU Shanshan, MA Lizhen, et al. Low fi eld-NMR in measuring water mobility and distribution in beef granules during microwave drying process[J]. Advanced Materials Research, 2012, 550/553: 3406-3410.DOI:10.4028/www.scientifi c.net/AMR.550-553.3406.

[9] AURSAND I G, ERIKSON U, VEIIYUIIN E. Water properties and salt uptake in Atlantic salmon fi llets as affected by ante-mortem stress, rigor mortis, and brine salting: a low-field1H NMR and1H/23Na MRI study[J]. Food Chemistry, 2010, 120: 482-489. DOI:10.1016/ j.foodchem.2009.10.041.

[10] HAN Minyi, ZHANG Yingjun, FEI Ying. Effect of microbial transglutaminase on NMR relaxometry and microstructure of pork myofi brillar protein gel[J]. European Food Research and Technology, 2009, 228: 665-670. DOI:10.1007/s00217-008-0976-x.

[11] BERNAU M, KREMER P V, LAUTERBACH E, et al. Evaluation of carcass composition of intact boars using linear measurements from performance testing, dissection, dual energy X-ray absorptiometry (DXA) and magnetic resonance imaging (MRI)[J]. Meat Science, 2015, 104: 58-66. DOI:10.1016/j.meatsci.2015.01.011.

[12] 阮榕生, 林向陽, 張錦勝. 核磁共振技術在食品和生物體系中的應用[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2009: 90-94.

[13] 徐建國, 徐剛, 張緒坤, 等. 利用核磁共振成像技術分析胡蘿卜干燥過程中內部水分傳遞[J]. 農業工程學報, 2013, 29(12): 271-276. DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.12.034.

[14] 趙彥星. 冷凍比薩面餅工藝優化與水分遷移控制的研究[D]. 天津:天津科技大學, 2014.

[15] 龐之列, 殷燕, 李春保. 解凍豬肉品質和基于LF-NMR技術的檢測方法[J]. 食品科學, 2014, 35(24): 219-223. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201424042.

[16] 張緒坤, 祝樹森, 黃儉花, 等. 用低場核磁分析胡蘿卜切片干燥過程的內部水分變化[J]. 農業工程學報, 2012, 28(22): 282-287. DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.22.039.

[17] GUO L Y, SHAO J H, LIU D Y, et al. The distribution of water in pork meat during wet-curing as studied by low-fi eld NMR[J]. Food Science & Technology Research, 2014, 20(2): 393-399. DOI:10.3136/fstr.20.393.

[18] MIKLOS R, MORA-GALLEGO H, LARSEN F H, et al. Infl uence of lipid type on water and fat mobility in fermented sausages studied by low-fi eld NMR[J]. Meat Science, 2014, 96(1): 617-622. DOI:10.1016/ j.meatsci.2013.08.025.

[19] ELMASRY G, SUN D W, ALLEN P. Non-destructive determination of water-holding capacity in fresh beef by using NIR hyperspectralimaging[J]. Food Research International, 2011, 44: 2624-2633. DOI:10.1016/j.foodres.2011.05.001.

[20] BOROMPCHICHARTKUL C, MORAN G, SRZEDNIKI G, et al. Nuclear magnetic resonance (NMR) and magnetic resonance imaging (MRI) studies of corn at subzero temperatures[J]. Journal of Food Engineering, 2005, 69(2): 199-205. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2004.07.018.

The Transformation of Water States during Beef Freezing

SUN Zhen, XIE Xiaolei, LI Xia*, YUE Jianying, ZHANG Chunhui
(Comprehensive Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-Products Processing
Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

Abstract:This paper studies the transformation of water states during beef freezing at 3 different temperatures (?18, ?23 and ?38 ℃). Internal water state, T2relaxation time, the change of signal amplitude and H proton density of frozen beef were analyzed by low fi eld nuclear magnetic resonance (LF-NMR) and magnetic resonance imaging (MRI). The results showed that the times elapsing until the internal temperature of the sample dropped to ?38, ?23 and -18 ℃ were 176, 350 and 315 min, respectively, suggesting the freezing of beef can be considerably sped up at -38 ℃. The LF-NMR data indicated that the peak areas of free water and immobile water, T2relaxation time and signal amplitude decreased gradually with the extension of freezing time at each temperature. The free water in beef was completely frozen at all three temperatures, whereas no bound water was frozen. At ?38 , ?18 and ?23 ℃, 100%, 73.04% and 99.60% of the immobile water was frozen, respectively. The LF-NMR analysis was confi rmed by the results from1H MRI.

Key words:beef; freezing; low fi eld nuclear magnetic resonance (LF-MRS); magnetic resonance imaging (MRI); water transformation

DOI:10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.004

中圖分類號：TS251.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8123（2016）01-0015-06

*通信作者：李俠（1985—），女，助理研究員，碩士，研究方向為肉品科學。E-mail：lixia5299@163.com

作者簡介：孫圳（1993—），男，碩士研究生，研究方向為肉品科學。E-mail：tinyass@163.com

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（3130511）

收稿日期：2015-07-25

引文格式：