張蒙蒙,羅 欣,2,張一敏,2,毛衍偉,2,楊嘯吟,2,類紅梅,韓明山,梁榮蓉,2,
(1.山東農業大學食品科學與工程學院,山東 泰安 271018;2.國家牛肉加工技術研發專業中心,山東 泰安 271018;3.國家肉牛牦牛產業技術體系通遼站,內蒙古 通遼 028000)
肉色是肉品的重要品質特征,是消費者判斷肉的新鮮和安全衛生程度的重要依據,在很大程度上影響著消費者的可接受性和購買欲望[1]。生產中影響肉色的因素眾多,目前已有大量關于pH值、肌紅蛋白含量及其化學狀態、高鐵肌紅蛋白還原力、包裝及貯藏方式等對肉色影響的研究報道[2-3],其對肉色的影響規律也比較清晰。然而,除以上因素外,研究發現鈣鹽對肉制品的肉色也會產生影響。但是,由于生產過程中添加鈣鹽的目的往往用于改善生鮮肉的嫩度,或者作為肉制品營養強化劑和低鈉肉制品的替代鹽,并非干預肉色,因而其對肉色的影響并未引起過多的關注。
鈣可激活肌肉內源鈣蛋白酶活性[4-5],促進蛋白質的降解進而提高肉品嫩度[6-7],因而,它往往應用于宰后肌肉的嫩化。但有學者發現該處理雖然能顯著改善肉的嫩度,但是有時也會對肉色產生不良影響。Bunmee等[6]在對牛背最長肌中注射10%的250 mmol/L氯化鈣溶液時發現牛肉嫩度顯著提高,但其肉色穩定性卻顯著降低。有學者在利用鈣鹽提高生鮮肉嫩度的研究中[8-10]也發現了類似的問題。同樣,在肉制品中添加鈣鹽時,也容易導致肉制品顏色發生劣變[11-12]。此外,歐美國家很多企業在采用共擠膠技術生產法蘭克福香腸時,為提高海藻酸鈉的成膜特性,往往在香腸肉糜中添加鈣鹽[13-15],但是經常出現香腸中心肉色褐變的現象。然而,還有一部分學者得出了不同的結論,他們發現鈣鹽的使用在一定程度上改善了產品的肉色穩定性[16-17]。此外,也有人發現鈣鹽處理并未引起肉色的改變[18-20]。因此,鈣鹽對肉色的影響機理尚存在爭議,這可能與鈣鹽的種類、添加的劑量和產品的加工工藝等有關系。然而,遺憾的是,目前關于鈣鹽對肉色的影響及其影響機制的研究還較少。
因此,為明確鈣鹽對肉與肉制品肉色的影響規律和其影響機制,本文主要從脂質氧化和高鐵肌紅蛋白還原活性(metmyoglobin reducing activity,MRA)等方面探討了鈣鹽影響肉色的可能機制,并總結了近年來鈣鹽對肉與肉制品肉色影響的研究進展,旨在為鈣鹽在肉類工業中的合理應用提供借鑒。
嫩度是衡量生鮮肉品質的重要指標之一,是鮮肉食用品質的限制性因素[21],因此提高生鮮肉的嫩度在食品工業生產過程中至關重要。肉的自身嫩化過程主要是肉在貯藏過程中利用自身鈣蛋白酶系統以及組織蛋白酶和半胱天冬酶系統中的蛋白水解酶的催化反應[22],破壞細胞骨架蛋白并加速肌原纖維降解,進而改善嫩度[23]。而鈣離子可以激活肌肉內源鈣蛋白酶系統中的m-鈣蛋白酶活性,促進蛋白質的降解[18,22-24],因而,鈣鹽常用于宰后肌肉的嫩化,且取得了較好的嫩化效果。Ostoja等[4]發現使用氯化鈣溶液處理牛肉,可使其嫩度提高27%~34%。Cao Jinxuan等[25]采用300 mmol/L氯化鈣處理牛背最長肌,發現該處理在貯藏第4天和第7天時可顯著提高肌原纖維蛋白的水解程度進而改善嫩度。Klinhom等[26]評估了0.05 mol/L檸檬酸、0.2 mol/L氯化鈣以及兩者的混合物對牛半膜肌肉質特性的影響,發現氯化鈣溶液處理能增加牛肉的多汁性和嫩度。
鈣鹽除了用于提高肉類產品嫩度外,還可用于開發高鈣肉類產品[19-20]。鈣是人類飲食中重要礦物質之一,對人體生理功能、骨骼健康都有著重要作用[27]。牛肉中的鈣質量分數為0.01%~0.09%[28],豬肉中的鈣質量分數一般為0.5%[29],同時由于人們飲食結構和人體吸收等原因,肉中自身的鈣含量滿足不了消費者日推薦量,礦物質鈣元素攝入不足已引起各國的關注。因此,人們在肉品加工中通過添加鈣鹽來提高鈣的攝入量。有學者利用乳酸鈣開發高鈣水牛肉肉餅,發現添加質量分數1.25%的乳酸鈣可以達到鈣強化的最佳水平,同時,該處理還可改善產品嫩度,保持其良好的感官特性[30]。也有人在高鈣腸等肉制品中使用鈣鹽來提高產品鈣的含量[20]。
鈣鹽還可以作為低鈉肉制品中氯化鈉的部分替代鹽使用[31-32]。氯化鈉是食品加工過程中重要的成分,它對肉品的物理性質具有重要作用并能延長其保質期和改善適口性。然而,人體過量攝入氯化鈉會導致血壓升高進而增加心血管疾病的發病率,也會導致糖尿病、腎病等疾病[33-34]。因此消費者越來越關注飲食中鈉鹽的攝入,開發低鈉產品已成為一種新趨勢。為保證產品的咸味和風味,很多學者利用鈣鹽替代部分氯化鈉生產低鈉產品[11,31-32]。Choi等[32]采用乳酸鉀和抗壞血酸鈣替代部分氯化鈉(氯化鈉質量的40%)用于生產低鈉法蘭克福香腸,發現30%乳酸鉀和10%抗壞血酸鈣處理組與對照組具有相似的保水性、質地和感官特性,因此利用這種混合鹽有助于更好地開發低鈉產品。
然而,在添加鈣鹽達到以上生產目的的同時,人們也發現鈣鹽的添加可能會影響最終產品的肉色和肉色穩定性[4,25-26,35]。
生鮮肉在冷藏過程中肌紅蛋白不斷氧化,肉色穩定性逐漸降低,這將使消費者對肉色的可接受程度降低[36]。影響肉色穩定性的因素有很多,包括pH值、脂肪氧化、高鐵肌紅蛋白還原酶活性、線粒體氧氣消耗、肌紅蛋白氧化特性、乳酸脫氫酶活性等[2,37-39]。研究認為,鈣鹽可能會通過改變體系pH值、促進脂質氧化或者降低高鐵肌紅蛋白還原力等途徑來影響肉色穩定性。
鈣鹽處理會影響肉的pH值,而pH值是影響肉品肉色的一個重要因素。Bekhit等[40]在羊屠宰瀝血結束后給胴體灌輸占體質量大約10%的0.3 mol/L氯化鈣溶液,發現該處理顯著加快了羊宰后初期pH值的下降速率。而在宰后初期胴體溫度較高時,較快的pH值下降速率容易導致灰白(pale soft exudative,PSE)肉的產生,使肉色蒼白。同時,姜姍姍[10]也發現氯化鈣處理的豬背最長肌pH值下降速率加快,推測原因是氯化鈣處理后肌肉中的鈣離子濃度升高,激活了由鈣離子/腺苷-5-磷酸(adenosine monophosphate,AMP)控制的磷酸化酶,加速了糖酵解進程[41],進而使pH值降低。在肉制品中,Gimeno等[42]在用抗壞血酸鈣替代部分氯化鈉開發低鈉干發酵香腸時,發現隨著抗壞血酸鈣添加量增大,產品pH值不斷降低,他們認為這不但與乳酸菌生長有關,還與鈣鹽的添加有關系。
脂質氧化可以促進肌紅蛋白的氧化[43]。肉中脂質氧化會產生很多自由基,并生成醛類、酮類以及環氧類化合物等復雜氧化產物,其中以丙二醛(malondialdehyde,MDA)、4-羥基-2-壬烯醛(4-hydroxy-2-nonenal,HNE)、己烯醛等醛類產物為主[44]。上述脂質氧化產物能促進肌紅蛋白氧化、降低其氧化還原穩定性進而影響肉色及肉色穩定性[3,36,44-45]。Chen Cheng等[46]研究發現脂質氧化的醛類產物可損害線粒體的微觀結構,增加其通透性,抑制線粒體介導的高鐵肌紅蛋白還原過程。作為脂質氧化產物,HNE能共價加合到肌紅蛋白的組氨酸上,引起氨基酸序列改變[45],改變肌紅蛋白的三維結構并影響其穩定性,從而促進肌紅蛋白的氧化和高鐵肌紅蛋白(metmyoglobin,MetMb)的形成。
研究發現鈣鹽的添加可能會促進脂質氧化進程,進而影響肉色[47-48]。該方面的研究大部分集中在氯化鈣。Harris等[47]發現在未經VE加強飼喂組肉牛中,宰后氯化鈣處理的背最長肌牛排在冷藏7 d后的硫代巴比妥酸反應產物(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)值顯著高于未注射組和VE加強組,脂質氧化程度更高,這顯著影響了牛肉展示期的肉色,雖然改善了宰后初期(1~3 d)的紅度值,但是展示7 d后的肉色紅度值迅速下降,這說明氯化鈣處理加快了脂質氧化,而脂質氧化又促進了肌紅蛋白的氧化,導致展示期肉色劣變。Bunmee[6]和Bekhit[40]等分別在奶牛肉中和羊肉中也發現了相似的結論,這與一些學者的研究結果[5,47]是一致的。究其原因可能與鈣鹽具有一定的氧化催化特性有關[9,47-49],也可能是因為氯化鈣通過刺激脂氧合酶加速了脂質或肌紅蛋白的自動氧化進程[47,50],從而加速了MetMb的形成和積累。同時,脂質氧化的次級產物又進一步加速了肌紅蛋白氧化進而導致肉色劣變[46]。此外,還有學者認為氯化鈣處理可加速肌原纖維蛋白的水解,影響肌肉的光學性質,導致肉色發生劣變[7-8,21,26]。
肉品中的抗氧化劑和促氧化劑之間的動態平衡影響脂質氧化和蛋白質氧化的穩定性[51-52]。Lawrence等[9]指出,乳酸鈣和氯化鈣是脂質氧化的促氧化劑,而抗壞血酸鈣則能抑制脂質氧化。不同的鈣鹽對肉色的影響機制不盡相同,其產生的結果可能也不完全一致。因此,為了明確其內在機制并實現鈣鹽的合理利用,需對該機理進一步研究論證。
MRA是宰后肌肉通過酶和非酶促反應再生亞鐵氧合肌紅蛋白(oxygenated myoglobin,OxyMb)或者脫氧肌紅蛋白(deoxymyoglobin,DeoxyMb)的能力[53],MRA有助于肉色穩定性,是抑制MetMb形成的關鍵因素[39]。它包括MetMb還原酶系統與非酶還原系統的還原活力,其中以MetMb還原酶系統的酶促還原反應為主[54]。高鐵肌紅蛋白的相對含量是肉色劣變的重要指標[55]。而MetMb的積累取決于亞鐵肌紅蛋白的自動氧化速率和MetMb的還原速率。
有研究發現鈣鹽處理可影響高鐵肌紅蛋白還原活性。氯化鈣可加速脂質氧化和肌紅蛋白的氧化速率,提高線粒體的通透性,抑制電子傳遞鏈介導的MetMb還原和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide reduced form,NADH)的產生[46],從而降低了高鐵肌紅蛋白的還原力,促進肌紅蛋白的氧化并加速肉色的劣變。Bekhit等[40]發現經氯化鈣處理的鮮羊肉與其他處理組(注水組、氯化鋅處理組和對照組)相比,有更低的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)濃度和較高的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)濃度,同時氯化鈣處理組對鮮羊肉肉色有負面影響,即有較高的MetMb積累率和較低的肉色指標。姜姍姍[10]也發現氯化鈣注射處理減弱了線粒體電子傳遞鏈對高鐵肌紅蛋白的還原能力,進而增加了線粒體中丙二醛含量,促進肌紅蛋白的氧化,加速了肉的褪色。宰后注射氯化鈣溶液使MetMb還原酶活性降低可能與氯化鈣溶液會加快宰后肌肉pH值的下降有關,較低的pH值可能偏離了MetMb還原酶的最適pH值范圍[56];也有人認為這可能與注射氯化鈣溶液后會促進宰后肌肉的脂質氧化有關,因為脂質氧化產生的自由基能降低還原酶的還原能力,破壞肉中的色素,導致肉色劣變[46,57]。
而Kim等[17]發現乳酸鈣能通過提高NADH濃度,增加高鐵肌紅蛋白的還原活性,從而提高牛肉肉色穩定性,這可能是乳酸根的作用,其機制可能是乳酸被線粒體中的乳酸脫氫酶氧化成丙酮酸,進而形成NADH和H+,NADH可將電子傳遞給MetMb的Fe3+進而將它還原為Fe2+,這個過程有助于MetMb轉化為DeoxyMb進而氧合成OxyMb,提高肉色穩定性[9,50]。因此,不同的鈣鹽對MRA的影響會存在差異。
肌紅蛋白是一種水溶性的蛋白質,在肌肉的有氧代謝過程中必不可少。在活體動物中,肌紅蛋白可以結合氧氣,作為氧的載體將氧傳遞到線粒體,維持肌體的正常生理功能[58];動物宰殺充分放血后,肌紅蛋白則成為肉的主要呈色物質。其含量的高低和所處的化學狀態決定著肉的色澤。肌紅蛋白在不同包裝條件和加工條件下呈現不同的化學狀態,這使肉呈現不同的色澤[3]。在無氧環境條件下,肌紅蛋白常以DeoxyMb(紫紅色、易被氧化)的狀態存在,使肉呈現紫紅色;在氧氣比較充足的條件下,它與氧結合形成OxyMb(鮮紅色、易被氧化),使肉呈現鮮紅色。這兩種狀態的肌紅蛋白被氧化后形成MetMb(棕褐色)[3],而MetMb的積累導致了肉色的劣變。當MetMb含量小于30%,肉品呈現鮮紅色,甚至有時MetMb含量高達30%~40%時,肉色仍然是紅色。但是,若MetMb含量處于45%~60%時,肉色則為棕紅色,而MetMb含量高達60%~75%時肉色則為紅褐色,高于75%時,肉色為棕灰色[59]。當肉品體系內的肌紅蛋白的氧化還原狀況發生改變時,肉色會出現變化。諸多研究表明鈣鹽處理會影響肉色化學變化和肉的色澤。目前應用較多的鈣鹽有氯化鈣、乳酸鈣和抗壞血酸鈣等,用于生鮮肉處理的鈣鹽以氯化鈣或者乳酸鈣為主,其他鈣鹽的研究相對較少。當前關于鈣鹽對肉色的影響尚無定論,且不同種類的鈣鹽對肉色穩定性的影響也存在一定的差異。
大多數研究表明氯化鈣處理會影響肉品的脂質氧化進程、肌紅蛋白的氧化狀況和肉的pH值[40,47,50],進而導致肉色劣變[6,8,49]。相關研究已經在豬肉和不同品種牛肉中進行。
為研究氯化鈣對生肉肉色和肉色穩定性的影響,姜姍姍[10]以豬背最長肌為研究對象,采用200 mmol/L氯化鈣溶液(質量分數5%)處理豬背最長肌,在宰后4、12、24、72、120 h測定品質指標,結果發現氯化鈣處理組的豬肉褪色加速,肉色穩定性降低,高鐵肌紅蛋白還原酶活性降低,MDA含量顯著升高,肌紅蛋白氧化速率加快。Bunmee等[6]用250 mmol/L的氯化鈣溶液(質量分數10%)處理奶牛牛背最長肌,發現該處理雖然加快了牛肉的嫩化進程,但是卻增加了貯藏期的TBARS值,使肉色穩定性降低,最終降低了產品的紅度值和黃度值,這可能與氯化鈣的氧化特性相關[9,48-49]。在宰后注射氯化鈣溶液提高水牛肉[7]和閹牛牛肉[8]嫩度的研究中也發現了類似的現象。他們認為紅度值的下降是因為氯化鈣處理加快了肌原纖維的小片化進而降低了肉的紅度值[21,26]。也有許多學者發現注射氯化鈣溶液提高了脂質氧化程度,導致了肉色紅度值的降低[5,47]。這可能與鈣離子作為金屬離子本身具有一定的氧化催化特性有關[9,47-49],還有學者認為,氯化鈣處理可加速肌原纖維蛋白的水解,影響肌肉的光學性質和肉色[7,8,21,26]。然而,Rajagopal等[7]在宰后24 h給水牛的背最長肌中注射200 mmol/L的氯化鈣(質量分數5%)溶液時發現,該處理顯著增加了水牛肉嫩度,但并未對其pH值和肉色等品質指標造成負面影響,這與Bunmee[6]和姜姍姍[10]等的研究結論不一致,可能是牛肉品種不同的原因所導致。
為避免氯化鈣在肉類嫩化過程中對肉色產生的不良影響,有學者采用乳酸鈣替代氯化鈣進行處理,發現乳酸鈣可以改善肉色,提高肉色穩定性[16]。Kim等[17]認為乳酸鈣可以降低脂質氧化水平,同時提高NADH濃度和MetMb的還原性,進而改善肉色。Lawrence等[9]發現,相對于抗壞血酸鈣和氯化鈣處理組,在-1 ℃貯藏14 d后注射乳酸鈣溶液的牛肉展現了更好的肉色穩定性,其機制與Kim等[17]所述相同。Cruzen等[60]研究也發現宰后早期注射200 mmol/L乳酸鈣/3 mmol/L三聚磷酸鈉(質量分數12%)溶液可以有效降低高氧包裝條件下(80% O2+20% CO2)半膜肌、半腱肌、臀肌在展銷期的脂質氧化程度,改善牛肉嫩度和感官品質。劉金鑫[61]研究發現,乳酸鈣處理顯著延緩了牛肉冷藏期間的肉色劣變速率,肉色穩定性顯著高于對照組,原因可能是乳酸鈣減少了肌肉內線粒體的損傷,保護了線粒體內部結構,從而提高了肉色穩定性。
但也有學者得出了相反的結論,認為乳酸鈣處理降低了肉色穩定性。Seyfert等[49]在碎牛肉中添加乳酸鈣,發現隨乳酸鈣濃度的提高,其脂質氧化程度提高,肉色穩定性降低,這可能是絞碎過程破壞了肌肉膜的完整性,暴露了膜脂,氧化程度增大的緣故[62]。
抗壞血酸鈣在一定濃度范圍內能抑制脂質氧化,但可加速肌紅蛋白的氧化。Lawrence等[9]對牛腰大肌中注射肉質量分數11%的不同濃度鈣鹽溶液(0.1、0.2、0.3 mol/L),研究發現抗壞血酸鈣注射組的肉色貨架期比氯化鈣和乳酸鈣處理組的貨架期短,且隨抗壞血酸鈣濃度的提高,肉色劣變速率逐漸加快,他們認為這是因為抗壞血酸鈣使肌紅蛋白產生了更大程度的氧化,從而加快了肉的褪色;同時,該研究也發現氯化鈣和乳酸鈣促進了脂質氧化,而抗壞血酸鈣則抑制了脂質氧化,所以該結果說明在本研究中抗壞血酸鈣雖然促進了肌紅蛋白的氧化,但是并未促進脂質氧化。雖然抗壞血酸經常作為抗氧化劑用于抑制生鮮肉色素的氧化[63],但是,在鐵離子或銅離子存在的情況下,它有可能會作為一種促氧化劑[64]。因此,Lawrence等[9]猜測在鈣離子存在的情況下,也可能會發揮與鐵或銅離子相似的作用。同時,Sato等[65]也曾研究了0~10 g/kg范圍內抗壞血酸與脂質氧化和氧化產生的陳腐氣味(warmed-over flavor,WOF)的關系,發現當抗壞血酸含量在0.05~0.1 g/kg時脂質氧化程度最大,而當抗壞血酸濃度在1 g/kg以上時脂質氧化被顯著抑制。因此,當肉品體系中存在該濃度范圍的抗壞血酸時,可能會導致肌紅蛋白的氧化,具體原因還有待進一步的研究。
熟肉肉色與熟制前生肉中的肌紅蛋白的氧化還原狀態有關,因此影響鮮肉肉色的因素也會間接影響熟肉肉色。影響熟肉色澤的因素很多,主要包括原料肉的pH值、肌紅蛋白的氧化還原狀態、MRA和肌紅蛋白的含量等內在原因,加熱的溫度和時間、包裝方式、貯藏的溫度和時間、氧氣消耗速率、微生物數量以及添加劑等外在因素[66-69]。在對肉進行熱加工時,肌紅蛋白暴露于熱環境中致使其珠蛋白部分變性,結構展開,使血紅素結構暴露出來,在此狀態下的血紅素結構比自然狀態更容易被氧化[3,66]。因此,熟肉制品的肉色也容易受到外界因素的影響。
許多學者發現在肉制品中添加鈣鹽也容易導致產品色澤的劣變。Eae等[12]在制作法蘭克福腸的過程中添加質量分數0.122%~0.487%碳酸鈣和質量分數0.309%~1.237%檸檬蘋果酸鈣,發現添加鈣鹽淡化了法蘭克福腸的肉色,降低了產品的紅度值,但是,隨著鈣離子濃度的增加,產品的亮度值逐漸增加。Kim等[11]用質量分數5%、15%、15%氯化鈣(氯化鈣占總質量的比例分別為:0.07%、0.21%、0.35%)部分替代法蘭克福香腸中的氯化鈉(質量分數1.4%),發現隨著氯化鈣替代比例的增加,產品的pH值逐漸降低,肉色、保水性、質構特性和總體接受性等品質也顯著降低。
然而,也有許多學者在腌肉制品中發現了相反的結論,他們認為加入抗壞血酸鈣或者乳酸鈣在一定程度上能提高產品的肉色,改善腌肉的色澤。Gimeno等[42]用質量分數2.92%抗壞血酸鈣部分替代氯化鈉制作低鈉干發酵豬肉腸時發現處理組具有更高的紅度值、黃度值和較低的亮度值,認為抗壞血酸鈣在腌肉制品中可以促進腌肉發色,并起到抗氧化的作用。Choi等[32]用抗壞血酸鈣和乳酸鉀部分替代氯化鈉,發現不同劑量(質量分數0.2%、0.4%、0.6%)的抗壞血酸鈣處理均可增加低鈉法蘭克福腸的亮度值和紅度值,是一種比較好的低鈉肉制品的開發方法。
此外,也有學者指出某些情況下鈣鹽并未影響肉制品的肉色。Daengprok[19]和Cáceres[20]等用乳酸鈣、葡萄糖酸鈣和檸檬酸鈣研發高鈣熟肉腸時發現最終產品中鈣含量為240、300 mg/100 g時,產品總體始終保持良好的肉色。而Daengprok等[19]研究發現,在發酵豬肉腸里面添加更大劑量(956~3 182 mg/100 g)的乳酸鈣量也不會影響肉色。Marta[31]和Zhao Jing[70]等發現低濃度的發現低濃度的氯化鈣也未顯著影響產品的色澤,這可能是氯化鈣濃度較低導致的。
由于鈣鹽種類、添加劑量、原料肉狀態和肉制品的加工方式(腌制、發酵)等的不同,鈣鹽對肉品肉色的影響可能也不同。因此,在使用過程中應注意以上因素的影響,優化鈣鹽使用方法,避免鈣鹽給肉色帶來的負面影響。同時,深入探究鈣鹽對生鮮肉和肉制品肉色與肉色穩定性影響的機制和由其引起的肉色問題,開發適宜的控制技術,這對未來鈣鹽在肉類中的正常使用和高鈣肉制品的開發將具有重要的意義。