肌肉嫩度的影響因素及pH調節牛肉嫩化技術研究進展

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(1.河南農業大學食品科學技術學院,河南鄭州 450002; 2.伊犁綜合試驗站,新疆伊犁 835000; 3.宿州綜合試驗站,安徽宿州 234000)

隨著生活水平的提高,消費者對于肉制品有了更高的要求,在營養上人們追求高蛋白質含量和低脂肪含量,在口感上則追求更好的嫩度和多汁性。牛肉因其具有獨特的風味、營養價值較高[1]等優點深受廣大消費者的歡迎,但市面上出售的牛肉產品普遍存在肉質硬、嫩度差等缺陷,很難咀嚼,因此牛肉在加工過程中需進行嫩化處理。常用的牛肉嫩化處理方法有以下三類:物理嫩化法:低溫成熟[2]、高壓處理[3]、機械嫩化、電刺激法和超聲波嫩化法[4];生物嫩化法:酶法嫩化[5];化學嫩化法:鹽法[6]和pH調節法。

傳統牛肉嫩化方法如物理嫩化法、生物嫩化法和鹽法嫩化往往操作復雜,成本較高,還可能對牛肉的食用品質造成一定的影響。pH調節法是一種安全有效的提高牛肉嫩度的方法。經pH調節法嫩化處理的牛肉肉質柔軟多汁、具有特殊的風味,且該方法操作簡單、成本較低,正受到越來越多牛肉加工企業的歡迎。本文通過論述肌肉嫩度的主要影響因素,詳細介紹pH調節法的作用機理以及pH調節法在牛肉中的主要應用,為新型牛肉嫩化技術的研究與應用提供參考。

1 肌肉嫩度的影響因素

1.1 嫩度形成基礎

肉的嫩度是指肉入口咀嚼時,牙齒咬斷肉的難易程度、咀嚼肉的難易程度和咀嚼后的殘留量[7],可由沃布剪切力法、穿刺法[8]、壓縮法[9]及拉伸法[10]進行測定,現常用的方式是沃布剪切力法,它是利用剪切過程中產生的力來衡量肌肉嫩度。在一定范圍內剪切力與嫩度呈負相關,因此可通過測定剪切過程中的最大剪切力來量化嫩度。從本質上講,肌肉的嫩度取決于三個因素,即:肌纖維特性(如肌纖維直徑、類型和密度等);肌原纖維蛋白特性(肌原纖維蛋白種類、降解程度等);肌內結締組織的特性(膠原蛋白含量、類型及交聯程度等)。這三種因素主要由宰前因素(如種類、基因型、性別、年齡、肌肉部位、營養狀況和宰前壓力等)和宰后因素(如宰后僵直、成熟、電刺激、吊掛及人工嫩化等)決定。

1.2 決定肌肉嫩度的主要因素

1.2.1 肌纖維特性 肌纖維是肌肉組織的基本組成單位,不同種類不同部位的肉,肌纖維在直徑、類型、密度和肌節長度等方面差異很大,因此肉的嫩度也有不同。Hammond等[11]認為,肉的質地是肉眼看到的肌肉縱切面中肌束的大小。諶啟亮等[12]研究了不同月齡西門塔爾雜交牛背最長肌肌束的大小剪切力的關系,發現隨著肌束的增大,牛肉背最長肌剪切力增大,嫩度減小。這說明肌束的大小直接影響肌肉嫩度。肌束的大小與肌纖維的數量和直徑有關,但一些研究表明,肌纖維直徑才是影響嫩度的更主要的因素[13]。肌肉的嫩度通常以切割肉的難易程度來體現,肌纖維的直徑越粗,切斷肌肉所需要的力越大,肉的嫩度就越差。有關豬背最長肌中快收縮肌纖維的直徑與其硬度的關系的研究也證實了肌纖維直徑與肉的硬度呈正相關[14]。

肌纖維類型同樣是影響肌肉嫩度的因素之一[15]。通常把肌纖維粗略的劃分為兩種,一種是紅肌(Ⅰ型)纖維,其直徑細,以有氧代謝為主[16-17];另一種是白肌(Ⅱ型)纖維,其直徑粗,以糖酵解代謝為主。在宰后成熟過程中,紅肌的嫩化效果不如白肌。這是因為不同類型的肌肉,蛋白質水解能力不同。白肌中蛋白酶與其抑制劑的比例比紅肌大,因此在成熟過程中白肌的變化更快,能夠在較短時間內達到酸性pH條件,酸性條件下,肌纖維蛋白表面電荷正電荷增強,肌纖維間靜電作用力增大,更多的水被容納。因此白肌含量高的肌肉在宰后成熟的過程中嫩化效果較好。

肌纖維密度指單位面積內肌纖維的數目,是影響肌肉嫩度的另一主要因素。肌纖維密度越大,單位面積內肌纖維排列越緊密,數目越多;密度越小,單位面積內肌纖維的數目越少[18]。大量研究表明[19-20]肌纖維密度與嫩度呈顯著的正相關,這是因為單位面積內肌纖維的數目越多,單個肌纖維的直徑越細,因此肌纖維密度越高,肌肉嫩度越大[21]。

肌原纖維中含有80%左右的水和20%左右的蛋白質,肌肉中大量的水分與蛋白質的極性基團結合,形成水合離子,這是肌肉保持水分的主要原因,也是肌肉硬度和嫩度形成過程中的重要影響因素[22]。肌肉的嫩度部分取決于蛋白質分子之間的相互作用,蛋白質的水解程度、保水能力和溶脹程度直接影響肌肉的嫩度[23]。

成熟過程中肌肉的嫩化過程可以簡單的看作肌肉蛋白質降解的過程[24-25]。肌肉內存在的蛋白水解酶系統總共有三大類:溶酶體組織蛋白酶類、蛋白酶體類和鈣激活酶類。一些研究認為溶酶體組織蛋白酶類和蛋白酶體參與鈣激活酶體系宰后成熟過程中肌肉的嫩化過程[26-27],但更多的研究[25,28-29]表明溶菌酶組織蛋白酶類在肌肉成熟過程中與肌肉剪切力幾乎沒有相關性,溶菌酶組織蛋白酶類與蛋白酶體對宰后成熟過程中肌肉的嫩化并無貢獻。鈣蛋白酶體系在宰后成熟過程中對肉類的嫩化起決定性作用。鈣激活酶的含量和活性越高,成熟對肉的嫩度改善越大[30]。當Ca2+濃度較低時,Ca2+主要通過激活Calpains發揮蛋白降解活性使肌原纖維斷裂。當Ca2+濃度較高,Ca2+除了通過激活Calpains發揮蛋白酶降解作用外,較高的離子強度對肌原纖維結構的裂解同樣可以起到促進作用[31]。

1.2.2 肌內結締組織特性 結締組織是肌肉中的次要組成部分,主要由膠原纖維構成,其主要成分是膠原蛋白。研究表明,肌肉的嫩度與肌束膜和肌內膜中膠原蛋白含量和膠原纖維的直徑有關,而肌束膜是導致不同部位肉嫩度差異的主要因素[32]。Brooks等[33]的研究表明,不同部位牛肉的肌束膜厚度不同,是導致其嫩度存在差異的決定性因素。肌束膜越厚,肌肉嫩度越差[34]。在宰后成熟的后期,肌束膜破裂,肌內膜緊密的結構發生變形,肌束膜內膠原纖維排列疏松,肌束膜部分溶解,肌肉嫩度增加,這些變化都發生在成熟14 d以后[35-36]。

膠原蛋白的含量和種類與肉的嫩度呈現顯著相關性。其中膠原蛋白的含量與肌肉嫩度負相關,可溶性膠原蛋白含量與肌肉的嫩度正相關。結締組織在成熟早期對肌肉的嫩度基本不產生影響,這是因為結締組織很難分解,因此在成熟過程中基本沒有變化[37]。當成熟引起的肌原纖維蛋白降解減少后,結締組織含量對于肌肉嫩度變化的影響成為主要因素[38]。劉安軍等[39]通過研究AA肉雞在生長過程中肌肉內膠原蛋白與剪切力的關系,發現肌肉中膠原蛋白的含量與肌肉嫩度呈顯著相關關系。隨著年齡的增長,膠原蛋白總含量變化不顯著,但是蛋白熱溶解性隨月齡的增加而降低,肌肉嫩度因此下降。肌肉的結締組織組成與膠原蛋白種類對嫩度也有較大影響,熱不穩定膠原蛋白[40]或可溶性膠原蛋白[41]的比例增加,肉的嫩度也相應提高。

2 調節pH改善嫩度

2.1 調節pH嫩化機制

中國自古以來有在烹調牛肉時加入食醋或堿面以改善牛肉嫩度的習慣,在國外同樣有用腌制液(由糖、油、調味料和一種酸組成,這種酸可能是醋或果汁)來使牛肉嫩化的行為。大量研究表明,腌制液對肌肉的嫩化效果取決于其對肌肉pH的調節能力。Griswold[42]和Hoat等[43]報告說,在弱酸中,牛肉嫩度沒有增加。但是,Lind等[44]用55%(v/v)醋酸溶液浸泡48 h(pH2.85)的牛肉,發現肉的嫩度提高,可以確定的是腌制液的作用是通過改變肌肉的最終pH而改變肉的物理和/或化學性質來實現的。

許多研究表明肌肉最終pH與嫩度密切相關[45]。Miles等[46]報告說,剪切力值隨兔肌肉pH的增加呈線性下降。但在腌制時期改變肌肉pH使其增加或降低是否依然可以引起肌肉剪切力的變化,Harrell等[47]對此進行了研究,他們向牛肉中注射檸檬酸使其pH偏離等電點下降,結果發現,當牛肉的pH低于等電點降低時,牛肉的剪切力下降。結果證明在腌制時期改變牛肉的pH,同樣能有效改善牛肉嫩度。Rao等[48]在牛肉中注射醋酸并測定其嫩度變化,得到了同樣的結果。現在普遍被認為與肌肉嫩化顯著相關的作用機制主要有三個方面:一是調節pH引起蛋白質表面靜電荷變化從而提高肌肉保水性;二是調節pH引起蛋白質降解;三是對結締組織的軟化作用。

2.1.1 蛋白質表面靜電荷變化 肉在腌制過程中,調節肌肉pH對肌肉嫩化的影響主要與蛋白質表面靜電荷變化提高肌肉保水性有關。pH與肌肉保水性密切相關[49-51],pH主要通過對肌原纖維靜電荷的影響從而影響肌肉保水性和嫩度[52]。韓敏義等[53]利用低場NMR研究pH對肌原纖維蛋白的影響,發現隨著肌肉pH改變(升高或降低),肌肉pH逐漸偏離肌原纖維蛋白質等電點(約5.0～5.2),蛋白質表面負電荷增加,形成了更多與水分子結合的氫鍵位點,肌原纖維蛋白吸水膨脹;同時隨著負電荷的增加,蛋白質分子間的靜電斥力增加,引起肌絲的相互排斥,肌原纖維膨脹變粗,肌纖維間的間隙增大,更多的水被保留下來[54-55],肉質變嫩。

2.1.2 蛋白質降解作用 牛肉成熟過程中肉質嫩度變化的一個重要原因是肌原纖維中維系肌原纖維結構完整的蛋白和其他相關的蛋白質發生了降解,這些蛋白包括肌原纖維聯接蛋白、肌原纖維肌膜鏈接蛋白和肌細胞基板連接的蛋白等。費英[56]、張興[57]等研究了pH對肌原纖維蛋白二級結構的影響發現,隨著肌肉pH偏離等電點(pI)向中性靠攏,蛋白質二級結構改變,其中α-螺旋含量增加,肌肉保水性增加。周心雅等[58]關于酸堿度變化對兔肉肌原纖維蛋白的影響研究也說明:隨著肌肉pH偏離等電點,肌原纖維蛋白的溶解度增大。這是因為調節肌肉pH可以影響肌原纖維蛋白氨基酸側鏈上的電荷分布,改變蛋白質的分子間作用力,影響蛋白質及其熱誘導凝膠的非共價鍵作用力和結構。也有一些研究提出pH調節通過間接途徑對蛋白質降解起作用,如通過對溶酶體的破壞以激活或釋放蛋白水解酶而起作用[59]。

2.1.3 結締組織變化 結締組織中膠原蛋白含量及其狀態是影響肌肉嫩度的一個重要因素,降低肌肉中膠原蛋白含量、改變其存在狀態可以有效改善肌肉的嫩度。肌束膜和肌內膜是肌肉結締組織的主要成分,一般認為肌束膜膠原蛋白比肌內膜膠原蛋白對肌肉嫩度的影響大。常海軍等[60]關于三種弱有機酸對肌束膜膠原蛋白和肌內膜膠原蛋白影響的研究結果表明,經三種有機弱酸處理后的牛肉肌束膜膠原蛋白和肌內膜膠原蛋白都有一定程度的變性溶解,其原因可能與被改變的 pH以及離子強度有關。改變牛肉pH還可以改變膠原蛋白的性質,王復龍[61]研究了蘋果酸對于牛背最長肌結締組織特性和剪切力的影響發現,改變牛肉pH可以有效降低膠原蛋白的熱穩定性,從而改善牛肉的嫩度。這些報道證實了改變肌肉pH對于結締組織的作用是pH嫩化法一項重要的作用機理。

2.2 pH調節技術嫩化牛肉的應用

2.2.1 單一酸堿嫩化 乳酸、醋酸、檸檬酸、蘋果酸等食用弱酸和碳酸鈉、碳酸氫鈉等是應用于牛肉嫩化的常用弱堿,它們往往單一使用或配合其他添加劑來調節牛肉pH使其升高或降低,以達到嫩化牛肉的效果。使用的方式包括涂抹、噴淋、浸泡、注射等;一般來說浸泡和注射腌制嫩化效果最佳。

乳酸是一種普遍存在于生物體內的有機弱酸,是一種無氧代謝的產物。乳酸常被單獨使用注射到牛肉中起到嫩化牛肉的作用。研究報道,注射法是乳酸嫩化牛肉常用的一種方法,可以使乳酸在肌肉內快速擴散,強化乳酸對牛肉的嫩化作用[62-63];在宰后不同時間用乳酸對牛肉進行注射的研究發現,乳酸可以使結締組織中不溶性膠原蛋白的含量顯著下降;Berge等[64]研究了 成熟2 d的牛肉注射乳酸,發現剪切力等質構特性的到了明顯改善。然而,直接注射乳酸會引起肌肉組織局部乳酸濃度過高,影響牛肉品質。因此,注射乳酸的同時進行機械滾揉,可以促進使乳酸在肌肉組織中的均勻分布,減少對牛肉的品質的影響。

醋酸是一種常用的食品添加劑,被廣泛應用于調料品行業,主要用來生產食醋。中國自古以來就有在燉煮牛肉中加入食醋以達到提高牛肉嫩度和風味的習慣。目前已有很多研究證實了醋酸可被應用于肉制品的腌制過程中起到嫩化肉質作用,如Ertbjerg等[65]使用醋酸預腌制牛肉探究醋酸對牛肉嫩度的影響,結果顯示醋酸能夠明顯改善牛肉嫩度。因其具有成本低廉易得等優點,可被廣泛應用的工業生產中。

檸檬酸又稱拘椽酸,是食品工業中用量最大的酸味劑。在食品行業中,檸檬酸被大量用于生產糖果和飲料,在肉制品中,檸檬酸一般作為抗氧化劑增效劑來使用。Meltwm等[66]將檸檬酸和葡萄柚汁用于肉類的腌制中,發現檸檬酸具有很好的改善肉類嫩度和食用品質的作用。Decker等[67]研究了檸檬酸對牛肉嫩度、微觀結構及氧化穩定性的影響,結果表示檸檬酸能很好的改善牛肉嫩度提高牛肉的氧化穩定性。因而檸檬段可以很好的應用于肉類嫩化作為一種效果優良的嫩化劑,且其價格低廉易得,可以被廣泛的應用于工業生產中。

蘋果酸是食品行業中另一種常見的酸度調節劑,因主要存在蘋果中得名。它是三羧酸循環的重要中間產物,易被人吸收,其口感接近于天然果汁,廣泛應用于酒類、飲料、果醬多種食品中。但是目前有關蘋果酸在肉品的加工應用不多,Burke等[68]發現柑橘汁能有效改善牛肉嫩度,柑橘汁中含有大量的蘋果酸,猜測柑橘汁對牛肉的嫩化作用可能與蘋果酸可以提高牛肉對汁液的吸收率以及提高結締組織溶解度有關。獼猴桃果肉中也含有大量的蘋果酸,Toohey等[69]使用獼猴桃果肉對牛肉進行腌制,結果發現牛肉嫩度顯著提高。考慮到其潛在的應用價值,其對于肉制品嫩度的改善應該受到關注。

碳酸鈉又叫純堿,白色結晶顆粒,分為食用和非食用兩種,非食用主要應用于玻璃制造;食用碳酸鈉在食品工業中常被用來膨松劑和中和劑,用于生產醬油味精和面制食品如饅頭、面包等;還可配成堿水加入面食中增加彈性和延展性。碳酸鈉作為一種食用堿注射入牛肉中,能有效的調節牛肉肌肉pH,通過加堿來提高肉的 pH可以有效提高牛肉保水能力,減少蒸煮損失,改善牛肉色澤并使肌原纖維蛋白和膠原蛋白變性溶解,減少結締組織,從而使肉的嫩度提高[70]。碳酸鈉在肉制品中的應用報道較少,有李劼等[71]研究了純堿對醬牛肉品質的改善作用,發現添加0.4%的純堿的醬牛肉剪切力最小、嫩度最大,嫩化效果較好。

碳酸氫鈉又叫小蘇打,有弱堿性,在國標《GB 1886.2-2015食品安全國家標準食品添加劑 碳酸氫鈉》中是一種可以根據需求添加的食品添加劑。碳酸氫鈉因其具有弱堿性,可以很好的作為酸堿調節劑使用因此近來常被用作肉制品的復合腌制劑。在肉類嫩化的研究中,李劼等[72]將碳酸氫鈉應用于醬牛肉的制作中,發現肉質量0.4%的碳酸氫鈉處理的醬牛肉嫩度最好。許道光等[73]研究了碳酸氫鈉與氯化鈉復合作用對牛肉食用品質的影響,發現5%的碳酸鈉+5%的碳酸氫鈉可以很好的改善牛肉嫩度,提高牛肉品質。

2.2.2 多種酸堿共同作用 多種有機酸、堿除了可以單獨作用于牛肉的嫩化,還有許多關于多種有機酸、有機酸與鹽或外源酶、堿與鹽的復合嫩化劑的研究。Akta等[74]通過DSC和SDS-PAG證實在乳酸和醋酸與NaCl和CaCl2兩種鹽共同處理16 h時,牛肉的嫩度達到最高,且背最長肌中結締組織的熱變形溫度降低,膠原蛋白發生降解。常海軍等[60]也發現,醋酸、乳酸、檸檬酸在NaCl存在下對牛肉肌肉的結締組織有很好的降解作用,且三種酸結合比單一酸作用嫩化作用效果顯著。尚祖萍等[75]研究了由磷酸鹽和碳酸氫鈉而成的嫩化劑重組牛排的嫩化效果,結果得出得出最佳嫰化工藝配方為復合磷酸鹽:楊鴻基等[76]利用氯化鈣-木瓜蛋白酶-碳酸氫鈉嫩化體系改善原切牦牛牛排的嫩度,發現氯化鈣質量濃度 10.19 mg/mL、木瓜蛋白酶活力 14.94 U/g、碳酸氫鈉質量濃度10.95 mg/mL、腌制時間12 h時嫩化效果最佳。隨著牛肉加工產業的發展,多種有機弱酸、有機弱酸與鹽或外源酶、堿和鹽復配嫩化劑的研發成為一種嫩化劑研發新方向。

3 結語與展望

牛肉營養豐富、風味獨特,深受消費者的喜愛,但其肉質硬、不易咀嚼。酸堿調節劑不僅可以提高牛肉的色、香、味、嫩度以及口感,并且沒有任何不良風味的產生,具有安全、衛生、無毒的特點,是一種新型的、極有前途的牛肉嫩化劑。未來研究者將會對pH調節技術嫩化牛肉的機理以及不同產品中酸堿調節劑種類、添加量和添加方式的選擇等技術方面有更深入的研究,使pH調節技術成為一種更加完善可以普遍使用的新型牛肉嫩化技術。