蒸汽輔助烤制技術在肉類烹飪中的應用

馮瑞紅,包玉龍,王 勇,陳東坡,周 鵬,*

(1.江南大學食品科學與技術國家重點實驗室,江蘇無錫 214122;2.杭州老板電器股份有限公司,浙江杭州 311100)

常見于食品工業和家庭烹飪中的加熱方式包括蒸煮、烘烤和微波等[1]。蒸汽輔助烤制是一種結合了蒸制與烤制功能的新型食材加熱方式,可通過在常見的烤箱設備上連接一個蒸汽發生器而實現,具備控溫控濕、節省空間、降低水和能源消耗、簡化操作步驟等優點,被廣泛應用于現代餐飲服務中[2-3]。

對蒸汽輔助烤制技術的應用研究已從過去的簡單加入蒸汽發展到如今準確調控不同蒸汽水平來探究該技術對不同食材的影響,其中以肉類食材的研究最多。肉類在人類飲食中占重要比例,傳統的單一烤制方式導致肉類嫩度變差、有害物質產生、營養物質流失等[4-6],而蒸汽的加入可以有效降低這些不良影響。隨著廚電設備的智能化和人們對飲食安全的重視,研究蒸汽輔助烤制技術具有重要意義。

本文概述目前關于蒸汽輔助烤制技術對畜禽肉制品品質影響的研究結果,以期推動蒸烤技術在家庭烹飪及食品工業中的進一步發展和應用。

1 蒸汽輔助烤制的傳熱特性

蒸汽在高溫腔體中的運動改變著腔體環境與食材內部的傳熱狀態,對畜禽肉類食材及其相關肉制品的食用品質和安全性都有一定的影響。蒸汽量越多,腔體濕度越高,熱流越大,傳熱系數越高,加熱時間越短[7],而腔體濕度由腔體干球溫度和腔體濕球溫度決定。當蒸汽量和腔體干球溫度一定時,穩定的腔體濕球溫度對食材的傳熱速率產生重要影響。在加熱初始階段,食材的表面溫度小于腔體濕球溫度,水蒸氣冷凝在食材表面并釋放大量熱量從而導致表面溫度快速升高,此時較低的食材核心溫度與表面溫度形成最大溫差ΔT,傳熱速率加快。隨著加熱進行,表面溫度緩慢增加,逐漸趨近濕球溫度,并在有一定蒸汽量時不超過濕球溫度,此時的核心溫度逐漸升高,ΔT減小,傳熱速率降低。如Mora等[8]在監測火雞加熱過程時發現相對濕度為43%的處理組在加熱最后階段的表面溫度與濕球溫度趨近。Chiavaro等[9]發現豬肉的表面溫度在有蒸汽的情況下,其在初始加熱階段快速升高,而食材的核心溫度逐漸升高,由此造成的ΔT隨加熱進行而變小,進而影響加熱時間。

當腔體中不存在蒸汽時,如圖1所示,由于食材表面與腔體環境的水分濃度差和溫度差將促使表面水分不斷蒸發到空氣中,食材表面形成蒸發區,此處溫度大于100 ℃,食材不斷失水,將形成肉眼可見的硬殼;靠近蒸發區的是沸騰區,此處溫度正好等于100 ℃;食材中心為傳導區,溫度小于100 ℃并呈梯度向中心遞減。其中,硬殼的形成也影響著食材的傳熱速率。在對比空氣對流加熱、空氣強對流加熱以及蒸汽輔助對流加熱時,Isleroglu等[10]發現強對流加熱方式下牛肉的核心升溫速度越來越慢,并低于另外兩種加熱方式,但通常認為具有更高傳熱系數的強對流加熱方式的升溫速度更快，結合實驗現象,作者發現強對流方式下樣品形成的表面硬殼可能阻礙了熱量的傳遞,因此降低熱量的傳遞速度,而蒸汽輔助加熱方式下,食材表面濕潤,不易形成硬殼,傳熱速率最快。

圖1 表面溫度與濕球溫度對食材傳熱的影響

2 蒸汽輔助烤制對畜禽肉食用品質的影響

2.1 質量損失

肉類的質量損失率是評價加工效率的重要指標之一,也影響著肉類的多汁性。質量損失取決于熱處理過程中發生的物質轉移,通常隨加熱溫度、時間、目標核心溫度的增大而增加[11-12],而蒸汽引入高溫腔體之后對肉類質量損失的影響也被廣泛地研究。

在蒸汽輔助烤制過程中,水分蒸發量、加熱速率、加熱時間和外表硬殼影響著質量損失情況。水分是熱處理過程中最容易損失的物質,當加熱腔體環境中的水分含量越低時,食材內部與環境之間的蒸汽壓力差越大,水分將在高溫的作用下不斷蒸發,并從內部往外部遷移,最終導致更高的水分蒸發量。因此當蒸汽被引入高溫烤箱后,食材的質量損失將因較低的水分蒸發量而降低。例如,相比較未加蒸汽組,經過熱蒸汽處理后的雞肉質量損失率被顯著降低22.64%[13]。

而被引入蒸汽的含量對質量損失的影響比較復雜,一方面腔體中增加的蒸汽通過抑制食材的水分蒸發、縮短加熱時間而減少質量損失,例如,在220 ℃時,蒸氣飽和水平為0～90%下加熱火雞胸肉,質量損失在90%時更低,小于90%組的質量損失反而更高[14]。另一方面,腔體中增加的蒸汽加快蛋白質變性而導致樣品體積加劇收縮,從而擠出更多的可溶性物質和水分,最終導致質量損失增加。例如,在100 ℃下加熱火雞胸肉,相對濕度為88%處理組的質量損失顯著高于35%組[15];160 ℃下加熱牛肉,100%組的質量損失顯著增加[16]。Yamagata等[17]對比了未經破壞的生豬肉和經過破壞而再制的生香腸在有無蒸汽加熱時的體積收縮變化情況,結果發現蒸汽促使樣品加劇收縮，生豬肉的體積收縮率顯著高于再制香腸,這表明存在于未經破壞的生豬肉中的更加完整的結締組織的變性是造成樣品體積明顯收縮的重要原因,蒸汽通過加快蛋白質變性收縮而增加質量損失。此外,關于體積收縮的研究表明火雞胸肉的縱向收縮隨濕度增高而增強,但總體積收縮沒有顯著差異[15]。

通常經過高溫烤制的肉類表面會因為水分蒸發和化學反應而形成一層較硬的殼,但蒸汽輔助烤制抑制該殼的形成,從而增加了質量損失。Chiavaro等[9]和Vittadini等[18]研究蒸汽輔助加熱豬肉時都發現豬肉的質量損失有所增加,并認為是由于水分和可溶性物質從無硬殼的表面流失造成的。Isleroglu等[10]也認為牛肉質量損失增加的原因是蒸汽阻礙硬殼形成造成的,而硬殼具有阻止水分逃逸的作用。但“硬殼”具體的組成成分、結構在肉類的加熱速率和質量損失中的作用方式,卻未有學者進一步說明。

表1 蒸汽輔助烤制在肉類食材中的應用

2.2 質構特性

嫩度屬于質構特性中的一種,是影響畜禽肉消費者接受度的重要指標[19]。嫩度通過感官評價人員評價,往往與質構儀器測得的剪切力呈現良好的相關性[20]。肉品剪切力值的大小主要與肌原纖維及結締組織(主要為膠原蛋白)的狀態有關。肉品中不同蛋白質的變性溫度各異[21-22],隨著溫度的升高,通常肌球蛋白首先變性,其次是肌漿蛋白和膠原蛋白,最后是肌動蛋白和色素蛋白。這些蛋白的變性,也造成了肌肉微觀結構上的變化:首先肌球蛋白變性造成肌絲間距的減小而肌原纖維發生橫向收縮,而后肌動蛋白等的變性造成肌原纖維的縱向收縮。膠原蛋白變性也會導致結締組織收縮,從而造成肌纖維整體的收縮。這些肌肉蛋白質結構變化伴隨著持水性的變化,而水分可以看作肉品中的增塑劑,水分的多少對于嫩度等肉品品質也有著重要的貢獻[23]。肉類食材原料特性如脂肪含量、肌纖維類型、鹽含量、pH等對于烹飪后的肌肉蛋白膠凝有著最直接的影響(圖2[22]),而蛋白凝膠狀態的不同會影響到肉品的質構特性。

圖2 肉品加熱過程中影響蛋白膠凝的主要因素

在烤箱中外加蒸汽,肉品的剪切力值一般會降低,感官評定人員得出的嫩度評分也隨蒸汽引入而提高。例如,經過萬能蒸烤箱預熟的雞丁,其感官得分隨濕度增加而增加,濕度成為影響品質的重要因素[24]。經過熱蒸汽處理的腌制雞排的硬度顯著低于其它組,其嫩度的感官評分顯著高于其它組[25]。Barbanti等[26]發現當雞胸肉在130～170 ℃條件下加熱4～12 min時,蒸汽的加入使得剪切力值顯著降低。過熱蒸汽結合遠紅外處理對雞胸肉的嫩度也有改善效果[27]。但有些研究表明剪切力或者嫩度不隨蒸汽加入量發生明顯變化。例如,在不同相對濕度下(35% 和88%)烤制火雞胸肉,其剪切力值沒有顯著性差異[15]。類似的結果也出現在烹飪豬肉的研究中,Vittadini等[18]發現180 ℃下加入蒸汽之后,豬肉的質量損失雖然顯著下降,但剪切力無顯著差異。通常認為體積收縮導致的水分損失會影響肉品的剪切力,但研究人員未觀測到剪切力值的變化。文中提出剪切力值無差異的現象可能與肉塊中心的C值(cook value)無差異有關。C值反映了食材烹飪時的時間溫度歷史,影響著食材的理化性質[28]。雖然在肉塊升溫階段,有蒸汽組的中心C值低,但考慮冷卻階段之后,肉塊中心整體的C值在有蒸汽組和無蒸汽組之間無顯著差異。還有些研究發現剪切力不但沒有隨著蒸汽的加入降低,反而出現增大的現象。Mora等[8]發現在110 ℃ 62%相對濕度加熱火雞肉時,其剪切力增加,并認為是由于更快的加熱速率導致膠原蛋白的加劇收縮造成水分損失增加,因此質地變硬。也有研究表明剪切力大小與目標核心溫度和肌肉類型有關[29];剪切力在不同肌肉類型和不同相對濕度值下不同[16]。此外有學者對烤蒸處理后樣品的流變特性展開研究,結果發現隨相對濕度的增加,雞肉彈性模量下降[30]。另外,產品中膠原蛋白的含量也受到肌肉類型和蒸汽水平的影響,而膠原蛋白的變性狀態影響著產品的嫩度和咀嚼性[16]。

2.3 其它食用品質

色澤和風味作為消費者最先感受到的肉品特征,對產品的銷量產生很大影響。肉品在加熱時發生的化學反應和物理性質改變都會影響其最終的色澤和風味[31]。在蒸汽輔助烤制過程中,冷凝在食材表面的高溫水蒸氣不僅形成相對濕潤的產品外觀,而且通過釋放大量熱量加速表面蛋白質變性從而造成較淺的表面色澤,最終檢測到更高的L*值;同時由于外觀的濕潤狀態,肉品表面的溫度將保持在100 ℃以下,這并不利于美拉德反應發生,因而產品不具有豐富的風味物質[32-33]。

蒸汽輔助烤制具有減油的作用。Isleroglu等[33]在攪碎的雞腿肉中加入1%的鹽后做成雞肉餅,比較蒸汽輔助烤箱與傳統烤箱對脂肪保留率的影響,結果表明蒸汽輔助烤箱組在180、210和240 ℃下的脂肪保留率值顯著降低。Yamagata等[17]進一步研究了蒸汽輔助烤制技術對豬肉餅減油過程的影響,結果發現脂肪的流失主要發生在加熱起始階段,是由于高加熱速率引起的蛋白質加劇收縮所導致的已溶解脂肪遷移到表面并隨冷凝水一起流失造成的。除畜禽肉之外,蒸汽輔助烹制對魚類也具有減油的效果[34]。圖3提出了一種蒸汽加熱食材時的減油模式[35]。蒸汽冷凝所釋放的大量熱導致食物快速升溫、油脂開始融化;隨著溫度的繼續上升,油脂的黏度降低,易于流動;食物受熱后不斷收縮,以上過程最終促使油脂積聚在食物表面并在重力作用下自然滴落或被冷凝水洗脫下來。

圖3 減油機制示意圖

蒸汽輔助烤制也具有減鹽的作用。Kadoma等[36]在研究加入10%食鹽的雞胸肉餅時發現時,利用150 ℃高溫空氣加熱的肉餅,氯化鈉含量基本上沒有減少,而利用150 ℃蒸汽加熱的肉餅在加熱10 min后,氯化鈉含量已減少10%,但在后期加熱中則不再減少。蒸汽輔助烤制導致脫鹽,一種可能的原因如圖4所示[35]。腔體中的水蒸氣遇到表面溫度更低的食物而發生冷凝,附著的冷凝水與內部的高鹽離子環境形成濃度差,在濃度差的驅動下,內部鹽離子往外擴散,最終隨冷凝水流失。

圖4 減鹽機制示意圖

3 蒸汽輔助烤制對畜禽肉安全性的影響

蛋白氧化是近年來食品研究領域的一大熱點問題,而肉品蛋白尤其是肌球蛋白容易在貯藏和加工過程中發生氧化[37]。蒸煮之后肌肉蛋白的氧化除了可能影響肉品食用品質之外,也可能對消費者的健康造成威脅,比如某些衰老相關的疾病與體內蛋白的氧化緊密相關[38]。蒸烤箱中由于蒸汽的存在,部分空氣被排出,造成了一種相對低氧的環境。Kadoma等[35]發現使用過熱蒸汽加熱時,4 min以后腔體中氧氣濃度下降到0.1%以下,而使用熱空氣加熱時,氧氣濃度維持在21%;同時測得模型體系中脂肪的過氧化值(Peroxide value,POV)分別為29.6、53.8 meq/kg,過熱蒸汽組POV值降低了約一半。這與Huang等[39]發現過熱蒸汽處理抑制了豬肉條的脂肪氧化相一致。然而Marzena等[14]發現在烹飪火雞時蒸汽的引入導致了更高程度的脂肪氧化。雖然目前鮮見蒸汽輔助烤制對肌肉蛋白氧化影響的報道,但脂肪的氧化很可能會轉移到蛋白組分上,脂肪氧化的抑制很可能會造成蛋白氧化程度的降低。本課題組一些試驗中也測得烤制牛排時,蛋白氧化程度隨蒸汽的加入而受到一定程度的抑制。雖然蒸汽的加入提高了產品的營養價值,但可能造成食用品質降低[40]。

在肉類這種富含蛋白質的食材的加熱過程中,具有致突變致癌作用的雜環胺(Heterocyclic aromatic amines,HAAs)會由于美拉德反應而形成,較高的雜環胺攝入量可能會增加結直腸癌的發生風險,食品制造商應將雜環胺的形成作為食品安全的考察因素之一[41]。雜環胺的含量因原料種類和加工方式不同而不同,但一般隨加熱溫度和時間的增加而增多[42]。蒸汽的引入在一定程度上可以降低高溫烤制肉類中的雜環胺含量,提高產品的食用安全性。例如在210 ℃下加熱漢堡和雞塊,研究人員發現蒸汽組的雜環胺含量有所降低,但是在更高的290 ℃以及更高的空氣流速下雜環胺含量升高,并認為傳熱系數和雜環胺的形成有很大關系[43]。通過優化過熱蒸汽聯合紅外烤制羊腿,發現雜環胺含量降低至19.28 ng/g[44]。在180～240 ℃下加熱雞腿肉餡,蒸汽輔助組的雜環胺含量顯著低于未加蒸汽組,并檢測到含量在0.38～1.57 μg/kg的PhIP和含量在0.38～1.57 μg/kg的Harman,但未檢測到IQ、MeIQx和4,8-DiMeIQx[33],該作者也檢測了蒸汽輔助加熱牛肉后的雜環胺含量,得到了相似的結果:PhIP含量在0.39～3.83 μg/kg,Harman含量在0～9.96 μg/kg,但未檢測到IQ、MeIQx和4,8-DiMeIQx,并且總雜環胺含量在高溫下隨加熱時間的延長而降低,其認為可能是雜環胺在高溫長時條件下發生降解造成的[32]。其中,PhIP是加工肉制品中頻繁出現、含量最高的雜環胺種類,對其理化性質和生成機制的研究較多[45]。另外,本課題組也發現相比純烤組,烤蒸牛排中的雜環胺含量有所降低。影響雜環胺生成的其中一個因素是水,雜環胺的前體物質都是水溶性的,在加熱過程中會隨肌纖維的收縮和水分的蒸發而遷移到表面,并在肉表面的高溫作用下形成雜環胺[46]。因此,蒸汽輔助烤制的肉制品可能是因為腔體環境和樣品表面較多的水分阻止了這一現象的發生,進而抑制了雜環胺的生成。

4 結論與展望

本文綜述了蒸汽輔助烤制對畜禽肉品質的影響。在考慮加入蒸汽后的高溫烹飪腔環境時,不僅應該關注空氣溫度,也應該關注濕球溫度,其更貼近肉品的表面溫度,表明肉類食材的加熱速率。溫度和時間組合影響著蛋白質的變性程度,從而影響質量損失和肉品嫩度等等。蒸汽輔助烤制技術降低了肉制品中一些有害化學物質的生成,提高了食用安全性,但由于美拉德等反應受到抑制,肉品特有的色澤和愉悅風味因蒸汽的加入而有所降低。在烤制過程中形成的肉品表面硬殼對產品品質有著重要影響,而蒸汽的加入減弱了肉品表面硬殼的形成,然而目前對這層硬殼的研究很少,尚需要進一步探討。

目前,蒸汽輔助烤制技術在普通家庭中的應用尚不普遍,家庭烹飪中蒸、烤這兩種技術往往是獨立運用的,而蒸、烤技術各自有其優缺點。蒸烤結合給家庭烹飪提供了更多的可能性,同時還可以兼具蒸、烤技術的優點,將對家庭烹飪朝著多樣化、健康營養方面的發展起到重要的作用。