冷藏期間溫度波動對牛肉冰晶增長的影響

梁紅，宋曉燕，劉寶林

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海，200093)

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冷藏期間溫度波動對牛肉冰晶增長的影響

梁紅，宋曉燕，劉寶林*

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海，200093)

摘要溫度波動會導致冰晶再結晶，造成冷凍食品冷藏期間品質嚴重下降。該研究以速凍牛肉為研究對象，使用計算機斷層掃描技術，觀察恒溫對照組A(-18 ℃)和溫度波動組B(-18 ℃)、C(-18 ℃)、D(-18 ℃)樣品中孔隙大小數量及分布規律，研究溫度波動對牛肉微結構的破壞程度。結果表明：隨著溫度波動幅度的增加，冰晶尺寸和孔隙率均隨之增大，但冰晶數量卻在減少。

關鍵詞溫度波動；再結晶；孔隙率；X射線

牛肉作為一種深受消費者喜愛的肉品，其味道鮮美，還具有高蛋白、低脂肪等營養特性，在國內具有較大消費量，僅次于豬肉[1]。由于新鮮牛肉極易腐敗變質，常采用冷凍的方法運輸，因為低溫條件能抑制大多數微生物生長繁殖，降低酶的活性。冷凍狀態下，牛肉內部最初形成的冰晶細小而密集，這種形態在溫度波動條件下極不穩定，易轉化成更為穩定的大冰晶形態。長大后的冰晶會進一步擠壓細胞，使其產生變形甚至破裂，造成不可逆的機械損傷，在食品復溫后汁液流失，進一步促進生化反應，加速變質[2]，甚至失去其最重要的儲藏優勢[3]。

而在速凍牛肉的貯藏及運輸過程中，往往會因冰柜化霜和中途裝卸貨等不可控因素導致溫度波動的發生。為此，不少學者針對溫度波動條件下冷凍食品的品質下降速率進行了研究，發現肉類、海鮮、冰淇淋等食品在凍融條件下品質下降速率會增加[4-6]。但這些結論均是以常規的理化指標為基礎，而通過直接測量冰晶再結晶程度的研究卻很少。

計算機斷層掃描技術(electronic computer X-ray tomography technique，簡稱CT)是在結合X射線和斷層算法的基礎上，通過對檢體的材料密度差異所產生的X射線衰減或吸收系數差異的對比度，再經系統重構呈現被測樣品的三維立體可視化圖像。因此，它不僅可以用于新鮮水果(蘋果、石榴等)的檢測[7]以及牛肉肌肉中脂肪的分布測量[8-9]，還能對冷凍干燥后樣品的孔隙進行掃描，得出的孔隙面積與傳統顯微鏡方法測量結果相同，證明冷凍干燥后留下的孔隙與原冰晶存在的空間一致[10]。此外，相對于傳統的冰晶觀察方法，例如低溫掃描電子顯微鏡[11]、共聚焦激光掃描顯微鏡[12]、冷凍切片法[13]等，CT的優勢在于操作簡便、迅速且對樣品無損傷，并得到可操控的3-D圖像，能夠在各層面、各角度定性和定量地分析冰晶的分布及增長情況，還可以改善傳統方法中微觀切割對冰晶結構的影響。因此，本文欲借助計算機斷層掃描技術研究不同溫度波動條件下冷凍牛肉中冰晶的再結晶規律，從而為進一步保證食品安全以及延長食品的貨架期提供技術保障。

1材料與方法

1.1材料與儀器

牛肉樣品選取市售黃牛，平均年齡2歲，平均體質量400 kg。

LD85B3型真空冷凍干燥機，美國Millrock公司；XTH225型工業CT，尼康公司；PWC214分析天平，武漢艾德姆衡器有限公司；BPHJ-高低溫(交變)試驗箱，上海一恒科技有限公司；DW-86L628 Haier超低溫保存箱，青島海爾股份有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1冰點測定

將數顯溫度計插入牛肉的體積中心，置于-18 ℃冰箱中，當溫度下降至0 ℃時開始進行數據采集。記錄每下降0.1 ℃時的時間，當溫度下降到0 ℃以下的某溫度值并出現輕微回升，穩定一段時間后溫度下降，則以此拐點的溫度為牛肉的冰點溫度[14]。每組處理測定3個樣品，取其平均值。

1.2.2牛肉速凍處理

選取新鮮牛后腿骨外側，迅速放入超低溫冰箱中進行速凍，超低溫冰箱的溫度控制在-40 ℃，待牛肉中心溫度達到-18 ℃時停止凍結。

1.2.3牛肉分組處理

從速凍牛肉上隨機取質量為(100±5) g 的肉塊12份，設置A、B、C、D 4個組別，每組設3個平行樣品，并單獨放入保鮮儲藏袋中密封，置于溫度可控的高低溫交變試驗箱中冷藏。A組箱體溫度設置為-18 ℃，作為恒溫對照組；剩余3組箱體溫度變化范圍分別設置為-18 ℃ (B)、-18 ℃ (C)、-18 ℃ (D)，具體變化時間程序為：B組，-18 ℃保持4 h然后升溫至-17 ℃時，再降溫至-18 ℃維持4 h，單次升降溫時間均為0.5 h，依次循環；C組，-18 ℃保持4 h然后溫度升至-13 ℃，再降溫至-18 ℃維持4 h，單次升降溫時間均為0.5 h，依次循環；D組，-18 ℃保持4 h然后溫度升至-8 ℃，再降溫至-18 ℃維持4 h，單次升降溫時間均為0.5 h，依次循環。冷藏3 d(約16次升降溫循環)后取出，將肉樣修至2 cm×2 cm×1.5 cm，再經冷凍干燥后掃描。凍干條件為：預凍時間3 h，預凍終點溫度- 24 ℃，干燥室真空度10 Pa，干燥時間6 h。

1.2.4牛肉孔隙大小測定

采用高分辨率的X射線工業CT對樣品進行斷層掃描，X射線管掃描參數設置為電壓100 kV，電流118 μA，灰度圖中灰度曲線的峰值集中在灰度尺的中間部位，即灰度值在15 000～65 000之間，確保后期得到的圖像清晰。CT圖像由樣品在工作臺上旋轉一周得到，曝光時間固定在500 ms，即物料在旋轉360°時，每個角度的曝光時長。探測器相片拍攝設置為2 000張，拍攝時間約10 min。

1.2.5數據處理

使用CT 3D Pro對相片進行降噪，再重構為3D圖像，后續利用VGStudio MAX 2.2中的缺陷檢測模塊和缺陷計算模塊對孔隙大小、數量以及孔隙率進行計算。使用SPSS 22.0對所得指標進行顯著性分析。

2結果與分析

2.1冰點溫度

冰點是設置肉類冷藏環境溫度的重要參照點，因為只有溫度低于冰點肉類才會開始凍結。盡管已有文獻對肉牛的冰點做過研究，但牛肉的產地、批次及部位等都會導致樣品的冰點發生變化。為此，首先對樣品的冰點進行測量。由圖1可得，在牛肉的凍結過程中，溫度達到-1.8 ℃時出現了微小的回升，并在-1.6 ℃條件下長時間停留，而后才繼續下降。由此確定所選取的牛后腿股外側部分的冰點溫度為-1.6 ℃。

圖1　牛肉的凍結曲線Fig.1　Freezing curve of beef

2.1不同溫度波動對冰晶總體積(即牛肉孔隙率)的影響

a-恒溫對照組A；b-溫度波動組B；c-溫度波動組C；d-溫度波動組D圖2　不同凍藏條件下的凍干牛肉的CT掃描圖Fig.2　CTscan micrographs of freeze dried beef under different temperature environments

圖2是重構后的牛肉孔隙掃描圖像的局部放大圖，纖維和孔隙構成的網狀結構代表了冰晶的形態，灰白色可見的粗壯纖維網絡代表牛肉組織，黑色區域代表孔隙，即凍干時冰晶升華留下的區域。通過對恒溫對照組A和溫度波動組B、C、D的CT圖和孔隙率(圖3)進行對比，可以明顯看出孔隙的差異情況。A組牛肉在恒溫的條件下，組織中形成了很多微小、尺寸不一的冰晶，這時樣品的孔隙率為9.62%；與A組相比，B組的孔隙與牛肉纖維結構的區分更為明顯，孔隙率已增長到12.87%，冰晶的輕微擴張進一步加深了對原結構的破壞程度；相對于前2組，C和D的孔隙率已分別達到20.29%和36.01%，說明此時冰晶的再結晶程度已經很高，嚴重破壞了牛肉原有的顯微結構。綜上結果可知，隨著溫度波動幅度的增加，細小冰晶的不穩定性增加，導致再結晶程度增強，孔隙率增大。顯著性分析顯示，組內樣品間無顯著性差異(P>0.05)，組間樣品A組與B組無顯著性差異，其余各組間均差異顯著(P<0.05)。

圖3　不同凍藏條件下凍干牛肉的孔隙率Fig.3　The porosity of freeze dried beef under different temperature environments

2.2溫度波動對冰晶大小和數量的影響

對于商業流通的冷凍食品來說，融化和重新凍結是導致冰晶再結晶不可避免的因素，也被認為是導致食品中冰晶尺寸增大的最主要原因。圖4和圖5直觀地說明了溫度波動與孔隙大小和數量的關系：A組孔隙數量最多，達到2 155個，且大部分孔隙體積不超過0.000 13 mm3；B組孔隙數量驟減到1 290個，主要孔隙體積已經接近0.000 19 mm3，表明冰晶尺寸已有了一定的增長；隨著溫度波動范圍的遞增，C組和D組的孔隙平均體積分別增至0.000 59 mm3和0.001 18 mm3，但孔隙數量卻分別降至525個和380個。可見，溫度波動幅度的進一步增加會導致冰晶尺寸的增加以及數量上的減少，與SYAMALADEVI[15]等對冷凍鮭魚和JAVID ULLAH[2]對冷凍馬鈴薯的研究結果一致。這是因為初期的很多較小孔隙逐漸合并，破壞了原有的食品顯微結構，并形成了較大的空隙，導致冰晶尺寸急速增長。這種在冷藏期對牛肉微結構的損傷，會導致在食品解凍后汁液流失，加劇腐敗生化反應，降低食品質量并大大縮短食品的貨架期，造成不可挽回的損失[16-17]。

a-恒溫對照組A；b-溫度波動組B；c-溫度波動組C；d-溫度波動組D圖4　不同凍藏條件下的牛肉孔隙分布圖Fig.4　Pores size distribution in samples stored at different temperature

圖5　不同凍藏條件下的平均孔隙體積Fig.5　Average pore area versus freezer temperature during storage

3結論

研究表明，冷藏中溫度波動會破壞速凍牛肉原有的冰晶形態，導致冰晶再結晶，對牛肉顯微結構的破壞有顯著性影響。在-18 ℃恒溫冷藏時，牛肉中冰晶數量為2 155個，孔隙率約為9.62%；在-18 ℃冰晶數量降至1 290個，孔隙率約為12.87%；在-18 ℃和-18 ℃溫度波動條件下，冰晶數量分別驟降至525個和380個，而孔隙率也分別增至20.29%和36.01%。綜上可知，隨著溫度波動范圍的增加，冰晶的擴張作用會進一步擴大，造成牛肉中冰晶尺寸增大，冰晶數量減少，孔隙率持續增長。

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Effect of temperature on ice-crystal growth in frozen beef in cold-chain transportation

LIANG Hong, SONG Xiao-yan, LIU Bao-lin*

(School of Medical Instruments and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

ABSTRACTThe fluctuation of thawing temperature causes recrystallization of ice crystals, which is the main reason of frozen food quality degradation. Using micro computed tomography, the pore sizes in ice crystal was determined. Effect of temperature fluctuations on frozen beef quality was studied by comparing the different environment, such as constant group A (at -18℃) and fluctuation groups ℃),℃),℃) were used to observe their effect on the pore size distribution. The results show with the increase of temperature fluctuations amplitude, the ice crystals size and pore ratio increases and number of crystals decreases.

Key wordstemperature fluctuation;recrystallization;porosity;X-ray

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201606034

基金項目：國家科技支撐計劃(2013BAD19B01)；中國博士后科學基金(2014M561491)

收稿日期：2015-10-15，改回日期：2015-12-10

第一作者：碩士研究生(劉寶林教授為通訊作者，E-mail：blliuk@163.com)。