袁乙平,李 靖
(1.成都工業學院宜賓校區綜合事務部,四川 成都 611730;2.四川科倫博泰生物醫藥股份有限公司,四川 成都 611138)
肉類作為人類膳食體系中最為重要的食物之一,在日常消費中占據著很大的比例。隨著居民消費水平的提高和飲食結構的改善,我國人均肉類消費量呈日益增長的趨勢,從2000年的20.22 kg增長到2016年的59 kg,2018年增長至61.90 kg,2019—2020年因豬肉價格、新冠疫情爆發等因素雖有所下降,但人均年消費量仍保持較高水平。2018年中國豬、牛、羊、禽肉產量占全球的25.22%,表觀消費量占全球的26.70%。同時冷鮮肉、低溫肉制品等的消費比例逐漸增加。近年來,我國肉制品深加工企業規模和數量不斷擴大,區域集中度顯著提高。我國在肉制品深加工領域突破了傳統肉制品工業化的技術難點,在冷凍肉加工、冷鮮肉加工、低溫肉制品加工以及高溫肉制品加工領域取得了顯著的成效。但是由于企業生產產量、加工設備、加工條件等限制因素,原料肉一般要進行冷藏或冷凍保存,最后進入生產線。冷凍方式及凍藏時間會引起原料肉中水分含量、狀態、分布發生變化;隨著凍藏時間的延長,肉中的冰晶體體積不斷增大,對肉的品質造成極大損害,同時在貯存過程中冷凍-解凍及由于溫度波動引起的反復凍融也會造成肉的品質下降。因此利用快速、準確、綠色的儀器分析手段來實時監測和分析肉品中水分含量、狀態的變化,對肉的加工和貯藏品質判斷極為重要。
水分作為肉品中含量最多的組分,幾乎存在于所有的食品中,部分食品含量可高達80%以上,水分的狀態和含量變化會導致食品體系的品質發生一系列變化,包括感官、質構、貯藏穩定性和加工性能等,因此對肉品中水分的探究顯得尤為重要。目前,隨著科技的不斷進步,利用高精尖的先進儀器對鮮肉、肉制品加工及貯藏過程中的水分進行檢測和分析,能夠為肉的加工和品控提供參考依據。傳統水分檢測方法的技術改進和近幾年的新檢測技術被大量研究學者報道,但鮮有學者對肉品中水分的檢測方法和技術手段進行集中分析報道。本文主要綜述肉品中水分的含量、水分在肌纖維中的分布狀況、凍結過程中水分的變化情況,同時分析不同的水分分析方法,包括常規分析法、波譜分析法、熱物性分析法的研究進展及應用范圍,為推進肉品中水分快速、高效測定提供參考依據。
在肉品中,蛋白質含量為16%~22%,碳水化合物含量為1%~2%,脂肪含量為1%~13%,其余的可溶性物質含量為1%,而水分含量為65%~80%,因此水分在肉品中占絕大部分,其含量影響肉品的加工性能和感官特性,常見的肉品水分含量見表1。如果把肉中的成分比喻成復雜的膠體分散體系,水作為溶劑,其他各種成分,如離子等以不同形式分散在溶劑中。肌肉中的大部分水分存在于肌原纖維、肌球蛋白粗纖絲、肌動蛋白/原肌球蛋白細纖絲之間的間隙中,粗纖絲和細纖絲之間的間隙為32~57 nm,同時受pH值、離子強度、肌節長度、滲透壓及肌肉是否處于僵直狀態的影響。粗纖絲和細纖絲之間的間隙可發生3 倍體積的變化,因此,肌原纖維間隙中的水分含量變化遠遠大于與蛋白質相結合的水分含量的變化。

表1 常見肉品水分含量[6-7]Table 1 Water contents of common meat products[6-7]
以畜禽肌肉為代表,其中的水分含量對肉的多汁性、嫩度、質構及感官品質等都有很大影響。同時在從活體肌肉到肉的成熟再到肉品的加工制作過程中,肌纖維間的水分含量、分布、移動性受到宰前因素(動物品種、宰前應激水平)及宰后因素(宰殺方式、冷凍方式、成熟時間及貯藏溫度)的影響會出現不同程度的變化,而這些變化勢必對肉的品質產生一定程度影響。
研究表明,肉品中的水分以多種形式存在。按水分子與非水物質相互作用的性質和緊密程度,可將肉品中的水分為:結合水和體相水兩大類。核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)研究表明,肉中的水分主要以自由水、不易流動水和結合水3 種形式存在:被組織所截留的自由水,具有一定的流動性,保持著水本身的物理特性,可作為膠體和鹽的分散劑、溶劑,占總水分的15%;存在于肌肉中的肌纖絲、肌原纖維及肌膜之間的不易流動水,能作為鹽及其他非水物質的溶劑,并在0 ℃或以下時結冰,約占總水分的80%;肉品中的依靠化學力或物理化學力與非水物質締合的結合水,這部分水低溫(-40 ℃或更低)下不易凍結,一般不受肌肉蛋白質結構和電荷變化的影響,約占總水分的5%。按照肉品中水分的凍結溫度,可分為“凍結水”和“非凍結水”。
冷凍貯藏作為一種高效、安全的低溫貯藏手段,在肉類工業中廣泛應用。但隨著凍藏期的延長,肉會發生如“干耗”“凍結燒”“重結晶”等品質劣變,引起這些變化的主要原因是肉中水分、蛋白質、脂肪等成分的改變。目前關于冷凍肉品質方面的研究大多關注的是凍結過程參數,凍藏后的肉中水分分布、冰晶體形態、肌原纖維結構隨凍藏時間延長而發生的變化鮮有研究。
在肉的凍結過程中,存在于肌原纖維內的自由水會首先凍結,而后不易流動水不斷析出、凍結。結合水一般在低于-40 ℃才會凍結。肉中冰晶體的分布及結合位點對肉的品質有很大影響。在冷凍過程(部分冷凍/初始表面凍結)中,冰晶的形成從表面到肉品的中心,并形成不同大小的冰晶層。在肉的常規凍結中,由于凍結速率較慢,細胞外滲透壓低于細胞內滲透壓,因此冰晶首先形成于胞外。肉在冷凍過程中隨著冰晶體的不斷形成,肌漿中的離子濃度增加,細胞內的水分不斷外滲,并在已形成的冰晶體上凍結,肌肉中電導率發生改變,冰晶體不斷增大,致使肌肉中肌原纖維的扭曲和破壞。而當肉在快速冷凍時,細胞內水分來不及外滲,就會在胞內形成冰晶體,從而造成細胞膜的機械損傷。黃鴻兵研究冷凍工藝及凍藏過程對豬肉品質的影響,并通過研究肌肉中冰晶的形態來解釋宏觀的品質變化,結果表明,冷凍會導致肌纖維直徑變大,纖維結構被破壞。向迎春等總結闡述冷凍過程中冰晶的形成對水產品蛋白質、脂質、水分、色澤與質構等一系列營養指標的影響。
肉在冷凍時,由于冰晶體不斷生成,破壞了結合水和蛋白質分子的締合狀態水合層,促進蛋白質氧化,導致蛋白質分子內部某些化學鍵被破壞,進而產生交聯反應。蛋白質分子結構的改變標志著蛋白質變性的發生,而鹽濃度的增加也促進了肌肉中蛋白質的變性,在蛋白質的一系列變化中,最主要的是肌原纖維蛋白的變化導致肉的感官品質、質構特性、加工特性下降。在冷凍過程中,由于溫度的波動會導致重結晶的形成,在重結晶過程中,冰晶可以通過水分的重新分布來增加體積和減少數量。此外,肉貯藏期間,體積較小的冰晶相對于體積較大的冰晶在熱力學上是不穩定的,容易發生數量、體積和形狀上的變化,這些變化也會引起重結晶的發生。孫圳借助低場核磁共振(low field NMR,LF-NMR)技術和氫質子磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技術,研究冷凍貯藏過程中肉樣肌原纖維蛋白變性情況,根據貯藏過程中蛋白質水合特性及牛肉微觀結構的變化結合肉樣中水分狀態轉變分析,闡述牛肉亞凍結貯藏過程中水分遷移機制。王芳芳等分析冷凍-解凍及反復凍融對生鮮肉品質的影響,探討冷凍-解凍及反復凍融對肉色、嫩度、保水性、脂質氧化、蛋白質變性及氧化的影響機制。
肉品的水分分析方法中,主要有直接干燥法、蒸餾法、化學反應定量法、NMR、近紅外(near infrared,NIR)分析、超聲波分析等方法,可分為三大類:常規分析、熱及物性分析和波譜分析。常規分析方法主要包括直接干燥、蒸餾及利用化學反應進行定量分析;熱及物性分析法主要包括差示掃描量熱(differential scanning calorimetry,DSC)分析、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM);波譜分析法主要包括NIR、NMR、超聲波等。
3.1.1 蒸餾法
蒸餾提取作為一種分離共沸化合物和相對不易揮發混合物的適宜方法,在化學和制藥工業中有著廣泛應用。通過向A和B(A的沸點低于B)的共沸混合物中加入夾帶劑E,利用E改變混合物中原始組分的相對揮發度,從而達到對特定組分的分離。利用某些有機化合物能與水形成共沸混合物的特性,在待干燥樣品中加入某一有機物形成共沸物,因共沸混合物的沸點通常低于樣品中的有機物沸點,通過Dean-Stark裝置與冷凝回流和收集裝置聯用,即可進行物料的干燥及水分定量測定。
隨著綠色化學的不斷發展,石油溶劑作為傳統的共沸物,逐漸被對環境無害、低毒甚至無毒的溶劑替代,如檸檬烯等。Bertouche等利用-蒎烯代替甲苯進行食品中水分的含量測定,其形成的共沸物沸點(97~98 ℃)高于甲苯形成的共沸物沸點(84 ℃),可將蒸餾時間有效縮短70%左右,且結果與傳統方法比較差異不顯著。同時,還可利用微波輔助來降低傳統方法(如Dean-Stark蒸餾)的高能耗和長時耗。Veillet等用微波輔助法,將蒸餾時間從120 min縮短到10 min。同時研究者們也在尋求更加優化的算法來降低蒸餾過程中的能耗,如仿真模擬、過程優化、熱集成過程分析等,有研究表明,能耗降低甚至能夠高達30%。
蒸餾法作為一種宏觀的水分定量方法,其缺點是無法對含量很少的樣品及高精度要求的樣品進行分析,且耗時較長(視樣品大小和所用儀器而定)。共沸蒸餾時,最好對樣品進行定量以確保數據的準確性,同時避免回收水分過多,超過計量管的量程帶來誤差。
3.1.2 化學定量反應法
化學定量反應法是利用水分與CaH反應生成H或者與CaC反應生成CH。反應式如式(1)~(2)所示。

根據產生氣體的量來確定樣品中水分含量,但是氣體的體積受溫度和壓力的影響而產生變化,需要對此加以考慮。
Karl Fischer滴定法也是一類常用的化學滴定分析方法,主要是針對樣品中的微量水分進行滴定分析,具有較高的準確度。其原理是在咪唑和甲醇(或乙醇)存在的條件下,碘、SO與水反應,利用2 支鉑電極插入溶液中,當溶液中的水分被消耗完后,過量的碘與碘離子在電極附近發生氧化還原反應,產生電流,即為滴定終點,通過消耗碘的量來確定水分含量。該方法還用于組成復雜樣品的水分分析,如肉制品等樣品。Adam等利用Karl Fischer滴定法測定肉餅的水分含量及吸濕等溫線,在對提取溶劑、提取時間、樣品大小進行優化之后,數據結果與傳統的干燥方式相比無差異,同時為肉餅的水分測定提供了參考。
3.1.3 干燥法
根據GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》,肉及肉制品使用直接干燥法,在101~105 ℃下干燥至恒質量后根據質量差進行水分含量測定。但傳統的干燥方法無法將其中的緊密結合水進行蒸發,同時在干燥過程中由于高溫和氧化等作用,導致揮發性物質的產生和變化也會帶來樣品質量的變化,給實驗結果帶來一定的誤差。
隨著分析方法的進步,逐漸過渡到利用紅外或微波輔助加熱下的分析方式,縮短分析時間。在微波輔助加熱下進行樣品中水分含量的分析,微波的能量消耗低,所需時間短,在肉品的干燥過程中,不易出現除水之外的揮發性物質導致樣品質量變化引起的結果誤差。Marques等分別利用常規干燥法、紅外干燥法、微波輔助干燥法對肉品進行水分含量測定,比較幾種測定方法的誤差。結果表明:利用紅外和微波加熱時,紅外加熱方式使得物料表面形成了一個干/濕層,阻止了水分的蒸發;微波加熱縮短了分析時間(用時為原來的1/61),能量消耗僅為原來的1/30。
傳統的水分分析方法只能夠對樣品中總的水分含量進行簡單測定。但是由于食品中的水分和大分子物質結合緊密程度不同,會表現出不同的特性,因此在利用常規方法進行水分含量測定時,只能讓其中95%左右的水分揮發,剩余的緊密結合水無法蒸發,同時物料中揮發性物質的變化也會導致實驗結果出現一定的差異,因此常規的檢測方法只能簡單對食品中的總水分含量進行檢測。隨著食品分析技術的不斷發展,綠色、快速、無損且能準確定量的分析技術將會成為發展方向,并逐步普及,如利用超聲波、NIR、NMR等方法進行快速、無損定量檢測。
3.2.1 DSC
食品在加熱過程中,成分都會發生一定程度的變化,包括相變化、構相變化、成分變化(如變性)。DSC法是利用熱力學方法,借助于溫度程序,測定熱過程引起的樣品熱物性指標的變化(如焓變、熵變),來表征樣品的變性、熔融等過程。
在肉品冷凍過程中,部分水分凍結,結合水一般不凍結,其玻璃態轉變溫度、相平衡、水分含量及水分活度都會發生改變。利用DSC研究肉品的玻璃態轉變、相平衡、水分含量及水分活度。Lu Zhaohui等利用NMR計算的非凍結水含量和DSC計算結果顯著相關(=0.72,<0.05),為食品的冷凍加工和貯藏提供了科學的指導。Ko?czak等利用DSC測定宰后不同成熟時間及不同熱處理方式下牛肉非凍結水、自由水、不可移動水含量。結果表明:牛肉半腱肌和腰大肌中的非凍結水含量為7%~8%,不同熱處理方式下肉中的自由水含量有一定差異:煮制最高,烤制次之,炸制最低。同時,經過12 h的成熟后,肉品中的非凍結水含量降低。Tolstorebrov等利用DSC研究北大西洋主要商業魚類肌肉中非凍結水含量,通過對DSC熔融曲線進行分析,發現其中的非凍結水含量為5.1%~8.6%,其低溫玻璃化轉變溫度為-86.0~-68.0 ℃、高溫玻璃化轉變溫度為-14~12 ℃,為后續預測魚類在不同溫度下的冷凍處理程序及不同溫度下貯藏的貨架期提供了參考。
3.2.2 SEM
作為一種微觀分析方法,SEM在食品分析中的應用變得越來越重要,利用SEM能夠分析不同加工方式,如冷凍、粉碎對食品結構的破壞程度,進行加工方式優選。在肉品的加工、貯藏、運輸過程中,不同的冷凍方式、冷凍速率、反復的凍結-解凍都會對肉品質產生一定程度的影響,引起肌肉的收縮及解凍損失的加劇,冰晶體的大小極大影響肉品貯藏過程中的品質。通過觀察肌纖維之間的間隙及肌纖維被冰晶體損傷的程度可評估不同處理方式對肉品品質的損傷大小。同時,對SEM獲得的圖像進行有效信息提取更為關鍵,通過合理且科學的SEM圖像處理方式,能夠獲得更多的信息。因此,作為研究肉品中水分在冷處理過程中對體系影響的方法之一,通過SEM能夠準確、直觀地觀察冰晶的形狀和粒度分布以及對肉品肌原纖維的破壞情況,成為一種高效、可取的輔助手段。
作為近年來快速發展的分析技術,波譜分析法是指利用肉品的各種波譜性質,如光譜、微波、核磁等對肉品品質進行分析的方法。由于肉品種類及處理條件的差異,往往會呈現出性質上的差異,通過對肉品的反射或吸收波譜分析,即可獲得肉品的品質變化規律,從而為實現波譜分析提供了可能。
3.3.1 聲波分析
在過去的幾年中,超聲輔助加工技術在食品加工和貯藏過程中得到越來越廣泛的應用,其具有無損、快速、非侵入式、易操作、能耗低、易實現在線檢測等優點,在食品熱加工過程中能增加熱傳導速率,在食品保藏過程中,可用于食品質構及成分分析。
聲波技術由于其獨特的優點,在食品研究中的應用越來越廣泛,不同的食品組分,其超聲波的傳播速度及遲滯現象會呈現出一定范圍內的差異,利用聲波的遲滯現象分析食品中的組分也成為一大研究熱點。許多學者利用聲音采集系統采集聲音信號,并對聲音信號進行去噪處理,提取聲波信號強度、功率譜能量、譜峰值等特征參數,研究各特征參數與水分含量之間的關系,通過線性回歸技術、誤差反向傳播算法建立水分含量聲學預測模型,研究表明,這些特征參數能夠對食品中水分含量進行準確預測。因此,利用聲波技術對肉品貯藏及加工過程中水分的動態變化進行檢測是一個新的研究熱點,在生產實際中具有指導性意義。研究處于封閉環境內貯藏肉類的內部結構情況,如水分散失情況、食品結構變化等,借助超聲波無損檢測技術能夠觀察到密閉空間中肉類品質的變化過程,預測其水分含量的變化,對肉類品質進行預估。
3.3.2 NIR分析
近紅外光是指處于可見光和中紅外光之間的一種光,其波長為780~2 500 nm,主要由物質吸收光能使分子振動從基態向高能級躍遷產生,其譜峰記錄了有機物分子中C-H、N-H、O-H和S-H等含氫基團的各級倍頻和合頻吸收信息。由于動植物食品的成分大多由此類基團構成,吸收波譜包含分子的結構、組成等信息,因此可定量分析樣品的密度、粒度、硬度、黏度等物理性質及蛋白質、氨基酸、脂肪、水分等化學成分。紅外光譜建模進行食品品質預測的一般方法為:通過利用NIR對樣品進行掃描,對原始光譜圖像進行處理并尋找特征吸收峰,利用化學計量學方法將樣品的品質指標和紅外特征光譜進行模型建立,通過考察相關系數,確定模型的優劣。光譜模型預處理方法有多元散射校正、標準歸一化、倒數處理、平滑處理等方法,包括排除異常樣品、對圖譜信息的凈化、光譜噪聲消除等方面。建模方法有偏最小二乘、主成分分析、多元線性回歸、支持向量機等方法。
NIR作為一種主流的光學技術,已經大量應用于豬肉、羊肉、牛肉、魚肉、屠宰加工等肉品加工行業。王立石、劉魁武等利用NIR對冷鮮豬肉中脂肪、水分、蛋白質含量進行測定,借助多種數據處理方法,運用模型通過NIR可準確預測肉品中的成分含量。Andrés等利用NIR預測肉品的脂肪和水分含量,模型對指標預測的相關系數分別達到0.841和0.674。陳杰等基于小波變換與多元散射校正的數據預處理方法結合NIR技術,使用偏最小二乘法建立預測模型,對鮮羊肉的水分含量進行實時監測。大量研究表明,NIR法可應用于肉品中水分的快速定量檢測。
由于NIR具有分析速度快、樣品準備簡單、從單個樣品可進行多種組分的分析、不消耗樣品、沒有化學污染等優點,因此在實際生產中的應用正逐漸增多。現今大型的食品加工企業大多將NIR技術結合到生產線中,利用NIR無損、快速的特性,進行原料的自動分級和篩選。從20世紀80年代起,NIR技術在物質成分定性、定量檢測領域有著廣泛應用,并在儀器開發、數據處理等領域發展迅速。正是由于這一技術具有許多獨特的優點,NIR-可見光技術在肉品檢測中的應用也越來越多,未來快速、便攜式的NIR-可見光譜測量儀是現代食品檢測與分析中所急需的,也是發展的必然趨勢。
3.3.3 NMR分析
NMR技術是基于原子核在外磁場中受到磁化,產生不同頻率的振動,當外加能量與原子核振動頻率相同時,原子核吸收能量發生能級躍遷,產生共振吸收信號,通過得到的原子波譜可對食品成分進行研究。在LF-NMR技術中由于自旋-晶格弛豫時間()和自旋-自旋弛豫時間()與水分含量和流動性之間的良好對應關系,可通過監測和的變化來探究食品內部被非水物質固定的不同部位的水分子流動特性和結構特性。研究表明,利用NMR能夠準確測定肉品中水分的分布及遷移情況,為肉品加工過程中水分的動態變化監測提供了一種較佳的手段。早在1986年,Lundberg等利用NMR檢測宰后牛肉的乳酸含量,達到對牛肉宰后成熟過程中新陳代謝情況的監測;初步探究了畜禽從肌肉到肉的轉化過程,成熟、冷凍、蒸煮過程中水分的分布及遷移規律。NMR的弛豫參數能夠精確反映肉在凍結過程中水分的“態變”和遷移。
通過LF-NMR的橫向弛豫時間能夠準確反映樣品中不同結合狀態的水分,同時結合各峰的峰面積得出各部分水的含量。陳琳莉等利用LF-NMR技術定量測定豬、牛、羊、雞、鴨5 種畜禽肉類中的結合水、不易流動水與自由水。汪春玲等基于LF-NMR技術分析新微凍氣調羅非魚片水分遷移與品質變化之間的相關性。Qian Shuyi等研究低壓靜電場解凍對凍融牛肉肌原纖維蛋白理化性質及品質的影響,采用LF-NMR結合MRI技術研究證實低壓靜電場解凍可以減少牛肉解凍損失。程天賦等基于LF-NMR橫向弛豫時間分析冷藏解凍、微波解凍(微波-1、微波-2)與超聲解凍(180、200 W)5 種不同解凍方式過程中肌原纖維水分分布及流動性與雞肉食用品質間的相關性。
現階段大量的研究集中于利用NMR進行不同處理條件下肉中水分的變化情況分析,通過橫向弛豫時間反映其中各狀態水分含量的變化,但關于冷凍肉品在解凍過程中水分的“態變”、遷移、分布等變化的研究較少。因此,可通過LF-NMR技術研究肉在解凍過程中水分的“態變”情況。隨著NMR技術的不斷發展,也為其在食品檢測中拓寬應用,可以將其應用于檢測食品中的物性成分變化對食品品質的影響,各個組分的變化情況可以清晰反映在共振圖譜中。
以上的研究內容為肉品中水分的變化情況及檢測方法的推廣與應用提供了一定參考。現今,關于肉品中水分的分析研究主要分為含量測定和狀態分析研究。肉品水分含量測定主要采用常規分析方法中的熱風干燥法進行分析,主要是基于熱風干燥方式的便捷性和可操作性。如果需要進一步對水分的狀態進行分析研究,常規的分析方法則幾乎無法滿足要求,因此波譜分析和熱分析逐漸成為主流方式,尤其是近幾年逐漸發展起來的紅外光譜檢測技術、NMR檢測技術,通過簡單、無損、快速的檢測就可對肉品中的水分含量和狀態進行詳細、準確的分析。NMR檢測技術才剛開始起步,因此,未來的發展空間廣闊。NIR-可見光技術在肉品檢測中的應用也越來越多,開發快速、便攜式NIR-可見光譜測量儀是現代食品安全監管中所急需的,也是發展的必然趨勢。
目前關于水分狀態變化與肉品質變化相關性的研究較少,作為含量最大的組分,進行水分變化與肉品品質的相關性研究尤為重要。如今,水分在肉品冷凍處理過程中的動態變化情況、能否研究出無需解凍的在線實時檢測技術是未來發展的方向,也是品質變化研究的必然趨勢,通過某一指標的變化,以及指標的變化而牽涉到的某些其他指標的變化,如水分的變化會導致哪些品質指標的變化,包括肉的顏色、脂肪氧化程度、蛋白質降解、肉中總揮發性鹽基氮含量的升高、水分的變化與蛋白質、脂肪之間存在內在的某種聯系,探究這些內在聯系可以很好揭示它們之間的變化規律,從而通過測定水分的變化情況就可以建立預測模型,實現對肉品品質的實時監控。