豬里脊肉油傳熱過程中品質變化動力學研究

余冰妍鄧 力李文馨程 芬徐 嘉

(1. 貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省農業科學院，貴州 貴陽 550025)

中國是豬肉生產大國，豬肉消費在中國居民肉類消費中占主體地位[1]，中式烹飪是處理肉類食品的主要方式。當前，烹飪產業化快速發展，如何在標準化、自動化烹飪中取得最優品質，是需要解決的關鍵問題。

在前期研究中，本課題組已構建了基于烹飪優化原理的成熟值理論[2-3]，認為烹飪品質由加熱溫度決定，溫度的變化趨勢累積可得到動力學值，動力學值又可表征烹飪的品質[4]；同時，研究[5]證明針對烹飪油溫等烹飪參數條件，存在烹飪品質的優化空間。烹飪優化的先決條件是表征烹飪成熟的品質因子和表征烹飪加熱后品質劣化的過熱品質因子的z值存在差異且后者z值大于前者的。因此，獲得品質動力學參數是烹飪熱處理的工藝分析、評價和優化所必須的基礎條件[6]。

目前，關于豬肉在受熱過程中綜合品質變化的動力學研究較少，謝雯雯[7]、瞿明勇[8]等曾針對豬排骨湯在貯藏過程中營養變化趨勢構建了動力學模型，但其加熱方式是水傳熱，而在中式烹飪中，爆炒是豬肉烹飪的主要手段，也是最具中國特色的烹飪方式。近期，于磊等[9]探究了豬肉在滑油過程中的品質變化動力學規律，但只測定了VB1的變化而不涉及其他品質因子。目前尚不能確定油傳熱和水傳熱烹飪的品質形成具有相同動力學規律，因此在研究豬肉油傳熱烹飪時，需要開展油傳熱條件下的動力學值測定。本課題組[10]前期已將動力學和感官評價相結合，構建了成熟值及其z值的測定方法，測定了豬里脊肉終點成熟值相應的z值。

從另一個角度看，由于爆炒等油傳熱方式烹飪時間極短，具有非穩態特征，品質在不同時間-空間變化劇烈，幾乎不可能定時、定位取樣，導致傳統理化分析方法無法全局分析和描述食品品質變化。而傳熱學-動力學模型可描述不同時間、空間位置上的烹飪品質，能對烹飪整體品質變化進行分析和控制。因此，油傳熱烹飪更需采用傳熱學-動力學模型來開展模擬研究。在烹飪數值模擬方面，前期積累了一定的研究基礎[11]，但動力學參數是烹飪數值模擬的必要條件，應該針對性地進行測定。

豬肉加熱品質變化動力學的參數測定還存在品質因子選擇的問題。文獻[5]指出肉類在加熱過程中的品質因子有微生物、色澤、風味、質構等，其中豬肉的成熟品質表現為：色澤上豬肉發生適度褐變，質構上因蛋白質變性引起的嫩度形成，微生物上致病微生物受熱死亡；過熱品質表現在因水分損失導致的質構劣化，焦糊味的產生等。劉媛等[12]指出嫩度、多汁性和肉色是影響豬肉食用品質的重要因素，且嫩度和肉色直接影響消費者對豬肉品質的評判。Lawrie[13]指出肉類在烹飪前后，消費者對食用品質中的顏色，持水力和氣味變化更為敏感。Rodbotten等[14]以肉的不同食用品質為指標，經測定比較得出了肉類顏色的重要性。因此，顏色、嫩度、蒸煮損失等均為表征豬肉品質的重要品質因子且以顏色、嫩度為豬肉成熟品質因子，以蒸煮損失為豬肉過熱品質因子。

綜上，目前針對豬肉油傳熱過程中主要食用品質的相關動力學研究尚未見報道。本試驗以豬里脊肉為對象，測定其品質因子(顏色、剪切力和蒸煮損失)在油傳熱過程中的變化趨勢并確定動力學模型，得到相應的動力學參數，為中式烹飪工藝優化和豬肉熱處理研究提供基礎參數。

1 理論依據、試驗材料及方法

1.1 理論依據

反應級數體現了濃度對反應速度快慢的影響程度，級數的選擇與確定是動力學研究的基礎，其主要方法有積分法、微分法、半衰期法等。當反應級數是整數時一般采用積分法[15]，式(1)為積分式：

(1)

式中：

cA——反應物濃度，單位視情況而定；

t——處理時間，s；

k——反應速度常數，單位視情況而定；

n——反應級數。

k-Ea模型和z值模型具有相同的理論意義和相似計算結果，它們的聯用可用于相應動力學參數的計算[16]。

由z值模型可知[17]：

lnA=lnA0-kt，

(2)

式中：

A——處理ts時的品質狀態，單位視情況而定；

A0——初始品質狀態，單位視情況而定。

由k-Ea模型可知：

(3)

式中：

R——8.314 J/(mol?K)；

T——溫度，K；

k0——頻率因子，無量綱；

Ea——活化能，kJ/mol。

速率常數k和D值的關系為[18]：

(4)

式中：

D——以食品品質在恒定溫度下變化一個對數周期為指示的加熱時間，min；

k——反應速度常數，s-1。

z值計算式為：

(5)

式中：

z——D值變化一個對數周期所需要的溫度，℃。

1.2 試驗材料

豬里脊肉：市售，與文獻[3，10]中同源；

食用調和油：市售。

1.3 儀器與設備

切片機：BL658型，深圳市博萊電子電器有限公司；

超級恒溫油浴槽：CY-20型，上海博迅實業有限公司；

數顯式肌肉嫩度儀：C-LM3B型，東北農業大學工程學院；

測色色差計：WSC-S型，上海精密科學儀器有限公司。

1.4 方法

1.4.1 原材料處理 將肉樣適當切分并冷凍成型，再按5 cm×10 cm×0.1 cm(用于顏色和剪切力測定)及2 cm×5 cm×0.1 cm(用于蒸煮損失測定)的標準進行切割，待肉片溫度升至室溫時即可用于各品質因子的測定。

1.4.2 顏色測定 參照Rubio等[19]的方法，將肉片放入溫度為67.5，70.0，72.5，75.0 ℃的油浴鍋中，均勻攪動，加熱40 s，每隔5 s取樣用測色色差儀進行顏色測定。白度值按式(6)計算，各溫度條件下取樣3次進行測定并求平均值[20]。

(6)

式中：

W——白度值；

L*——亮度；

a*——紅綠度；

b*——黃藍度。

1.4.3 蒸煮損失測定 對于蒸煮損失的測定，Wattanachant等[21]提出可根據未處理時肉的重量與處理t時刻后肉重量的差異進行計算。肉片處理方式與1.4.2中相同，加熱48 s，每隔6 s取樣測其重量并求平均值，每個溫度條件做3組平行試驗。

(7)

式中：

CLt——蒸煮損失，%；

m0——初始肉樣質量，g；

mt——t時刻肉樣質量，g。

1.4.4 剪切力測定 將與1.4.2相同處理的肉樣加熱48 s，每隔6 s取樣且順肌纖維切割為4.0 cm×2.0 cm×0.1 cm。將C-LM3B型數顯式肌肉嫩度儀置于水平臺上，打開開關后調零，按儀器上升鍵升起活動剪切力架，放置樣品，按下降鍵使活動剪切力架剪切試樣(剪切方向與肌纖維方向垂直)直至顯示窗上數值不再增加，記錄剪切力值。各溫度條件下取樣3次測定并求平均值[22]。

1.4.5 數據分析 試驗數據通過Excel進行擬合，得到對應的相關系數，確定反應級數和反應速率常數(k)；再根據相應公式求得不同的動力學參數值。

2 結果與分析

2.1 顏色變化

顏色是表征豬肉烹飪成熟的品質因子，在加熱過程中會經歷白化階段和褐變階段，白化主要由血紅蛋白和肌紅蛋白的變性以及類胡蘿卜素的氧化引起，褐變主要由美拉德反應產物的積累引發[23]。本試驗選取的溫度范圍為67.5～75 ℃，與血紅蛋白、肌紅蛋白的變性溫度范圍基本一致，豬里脊肉在加熱過程中的顏色變化與加熱時間的關系見圖1。由圖1可知：隨加熱時間的延長，L*和W增大，a*減小。

采用最小二乘法對豬里脊肉顏色變化進行擬合并對其lnk-T-1、lgD-T進行線性回歸分析，結合公式得到動力學模型及參數，見表1和圖2、3。

由圖2、3和表1可知：豬里脊肉顏色變化零級動力學的相關系數低于一級動力學的相關系數，表明其變化屬于一級動力學，且豬里脊肉L*、a*和W變化的活化能分別為68.6，86.8，55.4 kJ/mol，z值分別為33.1，26.1，41.0 ℃。Ohlsson[24]曾以豬肝泥和魚糕為研究對象測定得到其亮度z值分別為21，25 ℃，結果與本試驗較為接近，表明肉類亮度變化與對溫度的敏感性接近。然而，課題組前期通過對同來源豬里脊肉的顏色權重達0.36的感官評定得到其油傳熱加熱綜合品質變化的zM為10 ℃[10]，與本試驗得到的顏色變化z值有較大差異，說明人眼中的色澤變化和色差儀中的顏色變化規律存在區別。蛋白質加熱變性的z值為5～10 ℃[2]，變性后蛋白質結構變化等導致光漫射和反射，從而使顏色變白，可能人眼中的色澤變化更多地反映了蛋白質變性的光線變化，而色差儀的結果則表征了加熱化學反應變化。這一問題內在的光學、加熱品質動力學原理較為復雜，而色澤是烹飪成熟的主要感官判據，值得進一步分析研究。

圖1 豬里脊肉油傳熱過程中的顏色變化

圖2 豬里脊肉顏色變化Arrhenius圖

圖3 豬里脊肉顏色變化z值

顏色T/℃零級k/min-1相關系數D值/min一級k/min-1相關系數D值/minL?a?W67.513.6080.898 8-0.2580.910 68.926 470.017.5500.891 1-0.3300.906 96.978 872.520.7180.897 6-0.3840.913 25.997 475.024.4560.899 5-0.4380.918 25.258 067.510.5840.872 9-1.3500.905 61.705 970.011.5620.844 7-1.7340.937 01.328 172.512.7380.877 0-2.2620.961 51.018 175.012.6600.776 9-2.5740.946 70.894 767.516.7700.898 7-0.3420.913 26.733 970.020.6520.882 7-0.4080.905 25.644 672.524.1320.899 1-0.4680.919 94.920 975.027.6060.899 8-0.5220.920 74.411 9

? “-”表示無數據。

2.2 蒸煮損失變化

蒸煮損失與肉類的嫩度、保水性等密切相關，蛋白質受熱變性和肌原纖維收縮使肉的保水性下降[25]，水分流失伴隨著脂肪和蛋白質的溶解與流失，肉類品質下降，因此，在烹飪成熟過程中，蒸煮損失不是有益變化，是用于表征烹飪過度加熱的品質因子。

豬肉為低酸性肉類，一般情況下蒸煮損失開始于30 ℃左右，且在50～70 ℃時損失最大[26]，豬里脊肉在加熱過程中的蒸煮損失變化見圖4。由圖4可知：蒸煮損失隨加熱進行而增大，且溫度升高損失增大，這是由與豬肉保水性相關的肌原纖維蛋白隨加熱溫度上升而加劇變性所導致。

對蒸煮損失變化進行最小二乘法擬合和lnk-T-1、lgD-T線性回歸分析，再結合公式得到動力學參數，見表2、圖5。

由圖5、表2可知：豬里脊肉蒸煮損失變化更符合零級動力學，但與一級動力學的相關系數差別不大，且豬里脊肉蒸煮損失變化的活化能為28.9 kJ/mol。部分肉類蒸煮損失動力學研究結果見表3。由表3可知：本試驗所得到的蒸煮損失Ea值與文獻差別不大，但本試驗選取零級動力學對烹飪中豬里脊肉的蒸煮損失進行分析，若采用一級動力學分析則活化能為72.27 kJ/mol，z值為32 ℃，與一般食品蒸煮過程的總體品質劣化z值取值33 ℃[27]接近。與文獻[28～30]結果相比，其動力學模型及參數的差異可能是因原料種類、傳熱介質與加熱條件等的不同所導致，而它們與動力學模型及參數的具體相關性還需更多試驗來探明。

圖4 豬里脊肉油傳熱過程中的蒸煮損失變化

Table 2 Kinetic parameters for cooking loss changes of pork loin in different temperature

T/℃零級k/min-1相關系數D值/min一級k/min-1相關系數D值/min67.50.352 20.961 8-2.6820.836 10.858 770.00.361 20.957 7-1.4880.881 51.547 772.50.409 80.948 4-1.4220.866 41.619 575.00.431 40.890 5-1.4820.737 31.554 0

? “-”表示無數據。

圖5 豬里脊肉蒸煮損失Arrhenius圖

2.3 剪切力變化

剪切力是表征豬肉烹飪成熟的品質因子，肉類中肌原纖維蛋白的變性、聚集等將導致肉質變硬，而膠原蛋白的溶解、

表3 肉類不同處理后蒸煮損失動力學參數?

? “-”表示無數據。

凝膠化等使肉質變嫩[31]；再者，蒸煮水分損失的加劇流失也會增加豬肉的韌性[26]，即肉品的最終嫩度是多種蛋白質變性和水分含量變化的結果。豬里脊肉在加熱過程中的剪切力變化情況見圖6。由圖6可知：剪切力值隨時間的延長而增大，且溫度越高增加越快。

圖6 豬里脊肉油傳熱過程中剪切力變化

對剪切力值變化進行最小二乘法擬合和lnk-T-1、lgD-T線性回歸分析，再結合公式得到動力學參數，見表4和圖7、8。

由圖7、8和表4可得：豬里脊肉剪切力變化屬于一級反應動力學，且剪切力變化的活化能為127.1 kJ/mol，z值為17.9 ℃。剪切力Ea值低于蛋白質變性活化能(200～600 kJ/mol)[32]，z值大于蛋白質加熱變性z值，表明引發剪切力值改變的因素并不只為蛋白質狀態。因此，本試驗得到的剪切力變化z值與前期經口感權重為0.36的感官評價所得到的綜合品質z值(10 ℃)[10]有所差異是可以理解的。同時，剪切力變化z值小于蒸煮損失z值，滿足烹飪優化所需的先決條件——z過熱>z成熟，證明了豬里脊肉油傳熱烹飪過程存在參數優化的可能性。

表4不同加熱條件下豬里脊肉剪切力變化反應動力學參數?

Table 4 Kinetic parameters for shearing force changes of pork loin in different temperature

溫度/℃零級k/min-1R2D值/min一級k/min-1R2D值/min67.54.1280.884 4-0.2880.911 97.996 570.06.4500.896 0-0.4200.919 85.483 372.510.7820.897 4-0.6420.919 03.587 275.012.8460.899 0-0.7320.910 73.146 2

? “-”表示無數據。

圖7 豬里脊肉剪切力變化Arrhenius圖

圖8 豬里脊肉剪切力變化z值

3 結論

在油傳熱烹飪過程中，豬里脊肉各品質因子隨著加熱時間和加熱溫度的變化發生改變，其中，表征烹飪成熟的品質因子(色澤、剪切力)的變化趨勢采用一級動力學能良好描述，表征過熱的品質因子(蒸煮損失)的變化規律在零級動力學下擬合精度更高，但也可近似認為其變化符合一級動力學反應。

同時，試驗結果表明，亮度、紅度值和白度值的z值分別為33.1，26.1，41.0 ℃，Ea值分別為68.6，86.8，55.4 kJ/mol；剪切力z值為17.9 ℃，Ea值為127.1 kJ/mol；蒸煮損失Ea值為28.9 kJ/mol，z值在一級動力學下為32 ℃，大于表征豬里脊肉成熟品質的剪切力z值及紅度值z值，證明了油傳熱烹飪優化空間存在的可能性，為中式烹飪的優化研究提供依據。

豬里脊肉油傳熱烹飪過程中品質變化的動力學研究，是關于加熱方式對豬肉綜合品質影響方面研究的補充，各品質因子相關動力學模型和參數的獲得為豬肉烹飪熱處理整體品質變化的分析與研究提供基礎數據。再者，研究結果表明經感官評定與儀器測定得到的動力學參數具有差異，但引起差異的具體原理及影響因素還有待深入探討，以完善動力學參數應用的理論支撐。

[1] 劉合光, 孫東升. 中國豬肉消費現狀與展望[J]. 農業展望, 2010, 6(1): 35-38.

[2] 鄧力. 烹飪過程動力學函數、優化模型及火候定義[J]. 農業工程學報, 2013, 29(4): 278-284.

[3] LI Jing-peng, DENG Li, JIN Zheng-yu, at el. Modelling the cooking doneness via integrating sensory evaluation and kinetics[J]. Food Research International, 2017, 92: 1-8.

[4] 鄧力. 中式烹飪熱/質傳遞過程數學模型的構建[J]. 農業工程學報, 2013, 29(3): 285-292.

[5] 鄧力. 炒的烹飪過程數值模擬與優化及其技術特征和參數的分析[J]. 農業工程學報, 2013, 29(5): 282-292.

[6] VAN BOEKEL M A J S. Kinetic modeling of food quality: a critical review[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2008, 7(1): 144-158.

[7] 謝雯雯, 胡堅, 熊善柏, 等. 排骨湯的貯藏特性和動力學研究[J]. 食品科學, 2011, 32(22): 148-151.

[8] 瞿明勇. 排骨湯和雞湯的烹制工藝及營養特性[D]. 武漢: 華中農業大學, 2008: 49-51.

[9] 于磊, 李文釗, 鐘莉, 等. 豬肉滑油過程中VB1含量變化規律[J]. 食品研究與開發, 2017, 38(15): 32-35, 88.

[10] 閆勇, 鄧力, 何臘平, 等. 豬里脊肉烹飪終點成熟值的測定[J]. 農業工程學報, 2014, 30(12): 284-292.

[11] 崔俊. 爆炒烹飪的CFD數值模擬及功率測定研究[D]. 貴陽: 貴州大學, 2017: 19-36.

[12] 劉媛, 王健, 李春紅. 豬肉品質及其營養調控[J]. 農產品加工, 2007(8): 54-57.

[13] LAWRIE R A. Lawrie’s meat science[M]. 7th ed. New York: Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, 2006: 279-280.

[14] R?DBOTTEN M, KUBBER?D E, LEA P, et al. A sensory map of the meat universe. Sensory profile of meat from 15 species[J]. Meat Science, 2004, 68(1): 137-144.

[15] 盧新生, 茍如虎, 張海玲, 等. 確定化學反應級數和速率常數方法的研究及應用[J]. 牡丹江師范學院學報: 自然科學版, 2010(1): 29-31.

[16] 田瑋, 徐堯潤. Arrhenius模型與Z值模型的關系及推廣[J]. 天津輕工業學院學報, 2000(4): 1-6.

[17] 刁恩杰, 李向陽, 丁曉雯. 脫水菠菜貯藏過程中顏色變化動力學[J]. 農業工程學報, 2010, 26(8): 350-355.

[18] 田瑋, 徐堯潤. 食品品質損失動力學模型[J]. 食品科學, 2000, 21(9): 14-18.

[19] RUBIO B, MARTINEZ B, GARCIA-CACHAN M D, et al. Effect of the packaging method and the storage time on lipid oxidation and colour stability on dry fermented sausage salchichón manufactured with raw material with a high level of mono and polyunsaturated fatty acids[J]. Meat Science, 2008, 80(4): 1 182-1 187.

[20] RAMIREZ-SUAREZ J C, MORRISSEY M T. Effect of high pressure processing (HPP) on shelf life of albacore tuna (Thunnus alalunga) minced muscle[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2006, 7(1/2): 19-27.

[21] WATTANACHANT S, BENJAKUL S, LEDWARD D A. Effect of heat treatment on changes in texture, structure and properties of Thai indigenous chicken muscle[J]. Food Chemistry, 2005, 93(2): 337-348.

[22] 夏建新, 王海濱, 徐群英. 肌肉嫩度儀與質構儀對燕麥復合火腿腸測定的比較研究[J]. 食品科學, 2010, 31(3): 145-149.

[23] YOUNG O A. West science and application[M]. New York: Marcel Dekker Inc., 2001: 39-66.

[24] OHLSSON T. Temperature dependence on sensory quality changes during thermal processing[J]. Journal of Food Science, 1980, 45(4): 836-839.

[25] 吳亮亮, 羅瑞明, 孔豐, 等. 蒸煮時間對灘羊肉蒸煮損失、嫩度及水分分布的影響[J]. 食品與機械, 2016, 32(4): 19-23.

[26] PATHARE P B, ROSKILLY A P. Quality and energy evaluation in meat cooking[J]. Food Engineering Reviews, 2016, 8(4): 435-447.

[27] RAO M A, RIZVI S S H. Engineering Property of Foods[M]. New York: Marcel Dekker Press, 1986: 61-70.

[28] KONDJOYAN A, OILLIC S, PORTANGUEN S, et al. Combined heat transfer and kinetic models to predict cooking loss during heat treatment of beef meat[J]. Meat Science, 2013, 95(2): 336-344.

[29] BERTOLA N C, BEVILACQUA A E, ZARITZKY N E. Heat treatment effect on texture changes and thermal denaturation of proteins in beef muscle[J]. Journal of Food Processing and Preservation, 1994, 18(1): 31-46.

[30] KONG F, TANG J, RASCO B, et al. Kinetics of salmon quality changes during thermal processing[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 83(4): 510-520.

[31] 孫紅霞, 黃峰, 張春江, 等. 肉品嫩度的影響因素以及傳統燉煮方式對肉制品嫩度的影響[J]. 食品科技, 2016(11): 94-98.

[32] OVISSIPOUR A, RASCO B ,SABLANI S S, et al. Kinetics of quality changes in whole blue mussel (Mytilus edulis) during pasteurization[J]. Food Research International, 2013, 53(1): 141-148.