發酵酸肉煮制過程品質動力學研究

吳慧琳 李苗云 趙莉君 趙改名 朱瑤迪

(河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002)

肉制品食用品質常用肉色、大理石花紋、滴水損失、嫩度、風味等進行評定[1]。其中肉色是決定消費者是否選擇的首要前提[2]。肉色的深淺取決于肌肉中肌紅蛋白(約70%～80%)和血紅蛋白(約20%～30%)含量，肌紅蛋白含量越高，肉色越深[3]，肉色反映肌肉生理、生化和微生物學變化。嫩度是人的感覺器官對肌肉蛋白質的主觀評判，提高肉制品嫩度可增加消費者接受度。研究[4]發現低溫長時燉煮，可改善肉品嫩度，提高肉制品食用品質。肌肉中水分含量在加熱及加工貯藏過程的遷移變化會影響肉制品口感和食用安全，Kondjoyan等[5]發現肉制品水分的變化與加熱相關，在38～54 ℃時，肌球蛋白降解，60 ℃蛋白質構象加速改變，不同溫度下肌肉組織發生不同程度收縮，蛋白質收縮，水分擠出；加熱導致肉制品水分變化與蛋白質變性分不開，蛋白質降解程度越大，水分保持能力越低。

酸肉是中國西南地區少數民族傳統發酵肉制品，其主要由生鮮豬肉、輔料(米粉或辣椒、小米)及香辛料等材料在自然條件下，借助有益微生物的發酵作用，使肉類發生復雜的生物化學反應形成發酵肉制品。酸肉的研究大多集中在發酵酸肉工藝的優化、發酵酸肉中優勢益生菌的篩選及鑒定、酸肉發酵過程中品質變化研究[6-8]，對酸肉發酵過程中蛋白質變化[9-10]、烹飪及發酵過程中揮發性風味成分的研究[11-12]也越來越多。對發酵酸肉相關產品的開發及工藝技術的研究未見報道。

食品貯藏、加工過程中大多數非微量成分發生物理、化學及微生物變化，加熱過程中品質動力學變化均符合一級動力學方程[13]。恒定溫度下，不同加熱時間樣品水分含量、色澤、剪切力變化可用零級或一級動力學方程進行擬合。加熱方式、溫度及時間的不同，導致肉品發生不同程度變性，影響肉品質構及營養特性[14]，加熱成熟過程豬肉制品品質變化表現為：部分致病微生物死亡、顏色褐變、肉腥味的去除與焦糊味的產生、質構嫩度的形成等[15]，這些變化對食品品質的影響均可通過動力學變化進行分析。隨加熱的進行肉制品亞鐵血紅素減少，自動氧化能力增加形成氧合肌紅蛋白，色澤改變[16]，繼續加熱氧合肌紅蛋白氧化成高鐵肌紅蛋白，色澤呈褐色[17]。60～70 ℃的加熱溫度范圍，肌肉呈白色，溫度高于75 ℃肌紅蛋白受熱變性，血紅素被氧化，肌肉呈灰褐色。研究[18]表明，溫度每上升10 ℃，自動氧化反應的系數Q10平均值為4.09，降低溫度可減緩氧合肌紅蛋白氧化速率。短時低溫加熱對肉類蛋白質影響不顯著，而長時高溫加熱則會導致肉品出現汁液流失，影響產品營養、口感及安全性；水浴加熱穩定性好，溫度可控制[19]40，研究食物加熱過程品質變化，選擇水浴加熱最適宜。羅嫚[19] 44研究發現豬肉于73 ℃水浴加熱時比75，77 ℃時的水分保持效率高，可能是73 ℃時蛋白未完全變性，細胞間水分溶出較少。吳亮亮等[20]研究灘羊肉加熱時間對剪切力的影響，結果表明80 ℃水浴加熱<1 h時，剪切力顯著增加；加熱至2 h時，隨加熱時間延長，肌動球蛋白、肌間膠原蛋白脫水收縮，形成松散的彈性聚合物，嫩度增加[21]，剪切力減小。加熱導致食品內外發生物理、化學及微生物變化，肉制品加熱過程中影響其微觀結構及組織變化的因素較多，存在的爭議較大，這不僅與肉的種類有關，還與外界因素有關[22-23]。

研究擬對發酵酸肉加熱過程中成熟及過熱因子變化進行探討，通過動力學方程分析加熱溫度、加熱時間對發酵酸肉色澤、剪切力及水分變化的影響，以期為提高后期發酵酸肉熱加工過程中工藝條件的確定及品質問題的控制研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

五花肉、辣椒粉：河南鄭州丹尼斯拜特超市；

精純鹽：河南省衛群多品種鹽有限公司；

京宮白酒：北京京宮城酒業技術發展公司。

1.1.2 儀器及設備

電熱恒溫水槽：CU-240型，上海一恒科學儀器有限公司；

色彩色差計：CR-5型，日本KONICA公司；

數顯肌肉嫩度儀：C-LM3B型，東北農業大學工程學院；

水分含量儀：Turbo-smart型，美國CEM公司；

水分活度儀：4TE型，美國AQUALAB公司。

1.2 方法

1.2.1 發酵酸肉的制備

原料肉(五花肉)清洗瀝水→預煮、冷卻→切塊(3 cm×2 cm×1 cm)→混料(以質量分數計，辣椒粉10%，食鹽5%，白酒2%)→裝壇→密封發酵[發酵溫度(20±3) ℃，時間90 d]→真空包裝→滅菌(121 ℃，15 min)→成熟酸肉成品

1.2.2 樣品處理 酸肉預處理：去除成熟酸肉表面輔料，剔除瘦肉中脂肪及肌筋、肌膜等，置于-20 ℃冰箱中保存備用。試驗前將樣品置于-4 ℃解凍12 h，分別置于70，73，76，80 ℃恒溫水浴鍋加熱，從加熱開始至第15 min第一次取樣，以后每10 min取樣一次，直至105 min，為防止內部熱傳遞，取出的樣品迅速置于0 ℃冰水快速冷卻。測定樣品水分含量、水分活度、色澤、剪切力。

1.2.3 水分含量測定 加熱處理后樣品攪碎，利用Turbo-smart水分含量儀測定樣品水分含量，各時間點平行測定3次取平均值。

1.2.4 水分活度測定 加熱處理后樣品攪碎，利用4TE水分活度儀進行樣品水分活度的測定，各時間點平行測定3次取平均值。

1.2.5 色澤的測定 美國農業部(USDA)對食品安全的規定，豬肉塊安全烹飪溫度為62.78 ℃，維持3 min。以水浴加熱至中心溫度62.78 ℃左右，加熱3 min的酸肉樣品為標準肉樣。加熱冷卻后發酵酸肉分別用保鮮膜包好、壓實、抹平，保證樣品表面無氣泡，色差儀進行黑白板校準，色差儀測定標準肉樣色差值為L*=27.89、a*=7.11、b*=3.87，色差儀測量酸肉亮度值(L*)、紅度值(a*)和黃度值(b*)3種反射顏色參數，注意不要漏光，每組測定5個平行。

1.2.6 剪切力測定 采用數顯肌肉嫩度儀測定酸肉嫩度。參照焦陽陽等[24]方法，稍做修改，將加熱冷卻至室溫的發酵酸肉切成1.5 cm×1.5 cm×0.5 cm肉樣，置于剪切刀口，測定剪切力值，各時間點平行測定3次取平均值。

1.3 數據處理

1.3.1 反應級數確定及指標變化熱力學模型預測 利用積分法進行計算。

零級反應動力學公式為：

CA=CA0-kt，

(1)

一級反應動力學公式為：

lnCA=lnCA0-kt，

(2)

式中：

CA——t時刻反應物A的濃度；

4)注意作為修正標記語的well，如果well處于話輪的中間，則為自己修正標記語；而處于話輪開始時，則為他人修正標記語。

CA0——反應物A的初始濃度；

t——反應時間，min；

k——反應速率常數。

1.3.2 動力學參數 計算Arrhenius模型和Z值模型，計算發酵酸肉煮制過程中品質變化的動力學參數：D值、Z值、反應速率k及Ea值。發酵酸肉品質變化屬于一級動力學反應，根據式(2)求反應速度常數k，式(3)求D值。

(3)

式中：

D——特定溫度下食品品質變化一個對數周期所需時間，min；

k——反應速率常數。

(4)

式中：

Z——D值變化一個對數周期所需的溫度，℃；

T1、T2——溫度，K；

D1、D2——在T1、T2溫度下食品品質變化一個對數周期所需時間，min。

Arrhenius模型中，Ea值的計算公式為：

(5)

式中：

R——理想氣體常數，8.314 J/(mol·K)；

T——溫度，K；

k0——指數前置因子；

Ea——活化能，kJ/mol。

1.3.3 數據分析 原始數據通過Excel進行最小二乘法處理，發酵酸肉各品質指標進行線性及非線性擬合，求相關系數R2。一級反應擬合平均系數R2>零級反應平均系數R2，通過(3)式計算各指標不同溫度下D值，根據式(4)和式(5)進行線性回歸，求相應Z值、Ea值。

2 結果與分析

2.1 色澤的變化

由圖1可知，同一溫度隨加熱時間的增加，發酵酸肉的L*、a*、b*值均增加；不同溫度同一加熱時間下，隨溫度的升高L*值呈增大的現象。這是因為動物肌肉的紅色主要是由肌紅蛋白組成的，肌紅蛋白為暗紅色，加熱到65～80 ℃時肌紅蛋白變性生成變性珠蛋白高鐵血色原，呈正常熟肉灰白色，L*值增大[25]。

利用最小二乘法擬合酸肉加熱過程中色澤變化值。由表1可知，酸肉在加熱過程中L*、a*、b*一級反應R2>零級反應R2，說明熱動力學變化屬于一級反應動力學，根據式(3)計算D值，根據式(4)進行線性回歸擬合分析，得動力學參數Z值如圖2所示，L*的Z值為63.751 ℃，相關系數為0.967 0；a*變化的Z值為35.500 ℃，相關系數為0.769 3，b*變化的Z值為32.459 ℃，相關系數為0.932 7。結合式(5)對lnK-T-1進行線性回歸，得動力學模型Ea圖形為圖3，得酸肉加熱過程中L*變化的Ea值為4.016 kJ/mol，相關系數為0.968 6，a*變化的Ea值為4.029 kJ/mol，相關系數為0.777 8，b*變化的Ea值為4.031 kJ/mol，相關系數為0.938。

表1 不同加熱溫度發酵酸肉L*、a*及b*值的變化反應動力學參數

2.2 剪切力的變化

由圖4可知，同一溫度條件下，0～75 min加熱時間內隨加熱時間的延長，剪切力增加，加熱時間大于75 min時，隨加熱時間的延長剪切力逐漸減小，這與肉在低溫長時加熱導致剪切力降低，嫩度增加的結論一致[26]。魏心如等[27]研究雞胸肉發現，75，80 ℃下兩種水浴溫度下，溫度越高，雞胸肉剪切力增加；70 ℃時剪切力變異系數最小、重復性最好。陳洪生等[28]研究牛肉發現隨加熱時間延長，水分從肌纖維內部流出，形成較硬的質體，導致剪切力增加。發酵肉制品中肌原纖維、肌漿蛋白的降解受肌肉組織中內源酶和發酵產生的微生物蛋白酶影響，降解產生多肽、小肽、氨基酸等化合物[29]，硬度與肌原纖維蛋白質溶解性呈顯著負相關，發酵成熟的酸肉肌原纖維蛋白溶解，導致發酵酸肉硬度較未發酵肉硬度低；發酵成熟的酸肉在加熱過程中蛋白變性或酸凝膠化加劇，硬度增大，剪切力值增加，因此發酵酸肉加熱過程中剪切力的變化與豬里脊肉在加熱過程中剪切力的變化相反[30]。加熱使膠原蛋白交聯程度提高，膠原蛋白明膠程度增加，肌肉組織形成凝膠，肉剪切力減小，影響肉嫩度[31]。同時長時間的加熱使肌肉結締組織溶解，發酵酸肉剪切力降低，嫩度增加。

圖1 發酵酸肉煮制過程色澤的變化

圖2 發酵酸肉煮制過程色澤Z值

圖3 發酵酸肉煮制過程色澤Arrhenius圖

由表2可知，酸肉在加熱過程中剪切力的一級反應R2>零級反應R2，說明熱力學變化屬于一級反應動力學，根據式(3) 計算D值。結合式(4)進行線性回歸擬合分析，得動力學參數Z值如圖5所示，剪切力Z值為102.070 ℃，相關系數為0.796 2。結合式(5)對lnK-T-1進行線性回歸，動力學模型Ea圖形為圖6，酸肉加熱過程中L*變化的Ea為4.047 kJ/mol，相關系數為0.787 3。

圖4 發酵酸肉煮制過程剪切力的變化

表2 不同加熱溫度發酵酸肉剪切力的變化反應動力學參數

2.3 水分活度的變化

由圖7可知，同一溫度下隨加熱時間的延長，酸肉水分活度逐漸增大。肉制品在加熱及風干過程中，游離水、不易流動水依次通過水分通道向外擴散至表面散失[32]，水分散失，水分活度降低，導致其與結論相反的原因可能是酸肉在蒸煮袋中進行水浴加熱，內部水分在加熱過程中流失，水分無法擴散至環境，肌纖維吸收部分游離水，水分活度增加，而加熱溫度越高，水分散失越快，肌纖維吸收水分越多。這與姜秀麗等[33]研究烘干時間對牛肉干水分的變化，發現烘干時間越長，牛肉干肌纖維縱向收縮，導致水分大量損失，并迅速擴散至空氣中，水分活度下降的影響結果相反，是因為牛肉干烘干過程水分蒸發導致水分活度降低。

圖5 發酵酸肉煮制過程剪切力Z值

圖6 發酵酸肉煮制過程剪切力Arrhenius圖

利用最小二乘法擬合酸肉加熱過程中水分活度的變化值。由表3可知，酸肉在加熱過程中水分活度的一級反應R2>零級反應R2，說明其在加熱過程中熱動力學變化屬于一級反應動力學，可根據式(3)計算D值。結合式(4) 進行線性回歸擬合分析，動力學參數Z值如圖8所示，水分活度的Z值為55.118 ℃，相關系數為0.796 2。結合式(5)對lnK-T-1進行線性回歸，得動力學模型Ea圖形如圖9，酸肉加熱過程中L*變化的Ea值為3.643 kJ/mol，相關系數為0.868 3。

圖7 發酵酸肉煮制過程水分活度的變化

表3 不同加熱溫度發酵酸肉水分活度的變化反應動力學參數

2.4 水分含量的變化

由圖10可知，同一溫度下，隨加熱時間的延長，水分含量逐漸增加，與水分活度值變化一致，與剪切力的結果相反。Serra等[34]研究發現干腌火腿在腌制、風干等加工過程中水分和水分活度的降低，硬度增大，硬度與剪切力正相關；賈艷華等[35]研究含水率對軟烤扇貝質構的影響，發現硬度隨含水率的下降而增大，硬度與水分含量呈負相關、與剪切力呈正相關。二者結論均與試驗結果一致。

利用最小二乘法對酸肉加熱過程中水分含量的變化值進行擬合。由表4可知，酸肉在加熱過程中水分含量的一級反應R2>零級反應R2，說明加熱過程熱動力學變化屬于一級反應動力學，根據式(3)計算D值。結合式(4) 進行線性回歸擬合分析，得到動力學參數Z值如圖11所示，水分含量的Z值為-2.366 ℃，相關系數為0.860 4。結合式(5)對lnK-T-1進行線性回歸，得動力學模型Ea圖形如圖12，酸肉加熱過程中L*變化的Ea值為4.034 kJ/mol，相關系數為0.868 3。

圖8 發酵酸肉煮制過程水分活度Z值

圖9 發酵酸肉煮制過程水分活度Arrhenius圖

圖10 發酵酸肉煮制過程水分含量的變化

表4 不同加熱溫度發酵酸肉水分含量的變化反應動力學參數

圖11 發酵酸肉煮制過程水分含量Z值

圖12 發酵酸肉煮制過程水分含量Arrhenius圖

3 結論

發酵酸肉成熟品質因子(色澤、剪切力)及表征過熱品質因子(水分活度、水分含量)在加熱過程中熱力學變化均遵循一級反應動力學。亮度值的Z值為63.751 ℃，Ea值為4.016 kJ/mol；紅度值的Z值為35.500 ℃，Ea值為4.029 kJ/mol，黃度值的Z值為32.459 ℃，Ea值為4.031 kJ/mol；剪切力的Z值為102.070 ℃，Ea為4.047 kJ/mol；水分活度的Z值為55.118 ℃，Ea值為3.643 kJ/mol；水分含量的Z值為-2.366 ℃，Ea值為4.034 kJ/mol。成熟品質因子(紅度值、黃度值)的Z值小于過熱品質因子中水分活度Z值，而成熟品質因子亮度值、剪切力的Z值大于過熱品質因子水分活度、水分含量的Z值，說明發酵酸肉加熱過程中其成熟及過熱因子均存在優化空間，可以通過優化加工工藝條件改善品質指標。

試驗對發酵酸肉加熱過程中色澤及剪切力、水分的變化進行測定，后期預從蛋白質對肌肉內部微觀結構變化進行研究，深入探索肌原纖維蛋白和結締組織蛋白在加熱條件下的變化機制及其對肉質變化的具體影響過程。