豬肉加工中KCl部分替代NaCl對肌內脂肪氧化的動力學研究

黃業傳，李鳳，茍興能

1(荊楚理工學院 生物工程學院，湖北 荊門，448000)2(西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽，621010)

食鹽是肉類加工中最重要的添加劑之一，對肉制品有增加保存時間、提高風味，增加柔軟度、持水力、及多汁性等方面的作用[1-2]；還能提供人體必須的Na+。但隨著社會的發展，人們食入越來越多的加工食品，因此體內鈉鉀比在增加[3]。如在歐洲、北美和澳大利亞，約70%的食鹽來自加工食品，其中20%來自肉類產品[4]。高鹽攝入被公認為全球兩大高飲食風險之一，過量攝入鈉鹽可能造成高血壓、增加心血管疾病的發病率，還與一些腫瘤的發生密切相關[5]。食物中減鹽的方法包括尋找一些替代物，如鉀鹽、鈣鹽、鎂鹽[6]；加入一些增味劑，如谷氨酸鈉或酵母提取物[5]；或采用一些新的技術，如超高壓技術[7-8]。現在研究較多的主要是使用KCl部分替代NaCl，因KCl與NaCl性質相似，并在濃度較高時具有抗微生物等作用。關于KCl部分替代NaCl后對肉制品質量的影響，很多學者都開展了研究，如對肉制品感官、質構、水分活度、pH、脂肪氧化、離子含量、色澤、鹽滲透動力學、微生物、揮發性物質等方面的影響[9-11]。

脂肪氧化一方面對肉制品風味形成至關重要，很多特征風味物質都源于不飽和脂肪酸的氧化；另一方面，若氧化過度，會對產品品質造成負面影響，某些揮發性成分的濃度超過一定閾值時會產生異味，且脂肪氧化形成的大量游離基對人的健康不利[12]。關于肉制品中食鹽對脂肪氧化的影響有很多研究，大都認為食鹽在一定范圍內會促進脂肪氧化，超過一定濃度則會抑制脂肪氧化，如RHEE等[13]發現2.5%的食鹽有最大促氧化效果；MIN等[1]報道NaCl在2%左右促氧化作用最強，此后，隨濃度增加，促氧化作用逐漸減小甚至被抑制。關于KCl部分替代NaCl后對脂肪氧化的影響也有一些報道，這些報道的結果并不一致，有的認為可以降低脂肪氧化[14-15]，有的認為可以促進氧化[9,16]，還有的認為對脂肪氧化影響不大[17]，這些差異可能與加工條件、食鹽濃度、原料不同等有關。

KCl部分替代NaCl后必定對脂肪氧化產生影響，而脂肪氧化對肉制品質量至關重要，但目前這方面還缺乏系統、深入研究。為降低肉品中食鹽含量和進一步尋找替代品奠定更好的理論依據，有必要對KCl部分替代NaCl后脂肪氧化的動力學變化進行研究，但目前尚沒有相關報道。根據一些文獻，KCl替代量超過40%～50%后會顯著降低肉制品質量[18-19]，因此本文擬研究在1%～5%食鹽質量分數內，40%的NaCl被KCl取代后，豬肉肌內脂肪氧化的動力學變化規律，包括初級氧化與次級氧化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豬背最長肌，購于當地超市，于冷藏條件下運回實驗室，去掉表面可見脂肪、筋膜和結締組織，真空包裝后于-18 ℃保藏待用。

NaCl、KCl，均為食品級;三氯乙酸、乙二胺四乙酸二鈉、硫代巴比妥酸、1,1,3,3-四乙氧基丙烷、冰乙酸、三氯甲烷、KI、Na2S2O3、石油醚、Na2SO4，均為分析純。

1.2 儀器與設備

FSH-2A勻漿機，上海梅香儀器有限公司；BSC-259恒溫恒濕箱，上海博迅實業有限公司；U-3900H分光光度計，日本Hitachi公司；JYS-A800絞肉機，山東九陽電器有限公司；RE-52AA旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理

樣品于4 ℃解凍24 h，絞碎并混勻，然后隨機平分為11組，每組約1 200 g，NaCl處理組分別加入質量分數1%、2%、3%、4%和5%的NaCl(以原料肉質量計)并拌勻，KCl部分替代組分別加入1%、2%、3%、4%和5%的混合鹽(KCl占40%，NaCl占60%)，對照組不加鹽。然后各組平均分成60份，每份20 g左右，分別用鋁箔袋包裝，不封口。每組的60份平均分成4組，分別于15、20、25、30 ℃恒溫箱中保溫，每個溫度條件下分別于5個時間點取樣，每次取樣3份，作為3個重復，具體每個處理的5個時間點根據預備試驗確定，溫度高的處理時間相對較短，反之時間較長，以使每個時間點都能觀察到明顯的脂肪氧化,即過氧化值(peroxide value，POV)和硫代巴比妥酸反應產物(thiobarbituric acid reactive substances, TBARS)值的明顯上升，以利于計算脂肪氧化速率常數，如15 ℃的保溫時間分別為0、20、40、60、80 h，而30 ℃的保溫時間分別為0、5、10、15、20 h。處理結束后，馬上分析各樣品的POV和TBARS值。

1.3.2 脂肪氧化測定

脂肪氧化程度用POV和TBARS值來衡量，其中POV表示脂肪初級氧化，其測定根據GB 5009.227—2016的滴定法；TBARS值表示脂肪次級氧化，其測定根據GB 5009.181—2016的分光光度法。

1.3.3 脂肪氧化動力學研究

根據預備試驗和文獻顯示[20]，在一定溫度下，脂肪氧化動力學變化規律可以用一級反應動力學方程(1)進行描述。

ln(A/A0)=kt

(1)

式中：A、A0分別為處理時間為t和0時的POV或TBARS值；t,保溫時間，h；k，脂肪氧化速率常數，h-1。

因此，利用SPSS的線性回歸程序，可從脂肪氧化值(POV或TBARS)的自然對數In(A/A0)與時間t的一次回歸直線斜率得到某一特定鹽含量、溫度條件下的脂肪氧化速率常數k。

Arrhenius方程(2)經常用來評價溫度對反應速率常數k的影響，因此在本試驗中也用來評定溫度對脂肪氧化速率常數的影響，具體影響程度用反應活化Ea(kJ/mol)來衡量。

(2)

式中：R,通用氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T,溫度，K；k0,指前因子。

同樣，利用SPSS的線性回歸程序，在不同鹽含量或組成條件下，以lnk為因變量，-1/RT為自變量作線性回歸分析，所得斜率即為不同鹽含量和組成條件下的Ea。

1.4 數據統計分析

實驗重復測定3 次，采用SPSS軟件對數據進行處理，結果表示為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 脂肪氧化速率常數

2.1.1 脂肪初級氧化速率常數

根據方程(1)，在某一特定處理溫度、鹽含量和組成條件下，測得不同時間點樣品的POV后，作ln(A/A0)對時間t的線性回歸，得到各處理樣品初級脂肪氧化速率常數。圖1為不添加鹽的對照樣在不同處理溫度條件下POV隨時間的變化，可以看出，各溫度條件下都能用一級反應動力學方程進行擬合，各回歸方程均極顯著(P<0.01)。在食品加工或貯藏中，大多與質量有關的品質變化都遵循零級或一級反應動力學規律[20]，特別是一級動力學是目前評價肉制品品質變化動力學特性的最常用模型[21]。關于脂肪氧化速率常數，學者們也進行了研究，王強[20]用一級動力學模型擬合了香腸貯藏過程中的脂肪氧化，靳國鋒[12]用零級模型對五花肉的脂肪氧化速率常數進行了擬合。本實驗在預備試驗中，也同時用2種模型進行了擬合，雖然零級模型也能較好地擬合，但總體效果不及一級動力學模型，可能是脂肪氧化啟動相對較慢，而本研究選取的時間點都比較靠前，以確保脂肪氧化呈上升趨勢；也可能是由于脂肪氧化是介于零級與一級反應之間的一種混合模型。其他處理條件下脂肪初級氧化速率常數也可用同樣的方法求得，如表1所示。

圖1 未添加食鹽條件下溫度對豬肉POV的影響Fig.1 Effect of temperature on POV in pork without NaCl注：圖中點為實測POV，實線為根據方程1擬合的回歸方程

表1 不同含量及組成的鹽對脂肪氧化(以POV衡量)速率常數和活化能的影響單位：10-3h-1Table 1 Estimated reaction rate constant and activation energy for lipid oxidation measured by POV with different content and component of salt

從表1可以看出，不添加KCl且鹽濃度不變時，脂肪氧化速率常數隨溫度的增加而增加，表明溫度的提高可以增加脂肪氧化，這與很多研究的結論是一致的[12,20-21]。在固定溫度條件下，脂肪氧化速率常數隨鹽含量的增加先增加后減少，其中在15、20、25 ℃時在食鹽質量分數3%時達最大值，30 ℃時則在食鹽質量分數4%時達最高點。這說明食鹽濃度較低時，鹽濃度的增加會促進豬肉初級脂肪氧化，但當食鹽超過一定含量時，又會降低脂肪的氧化。這與張東等[22]和MIN等[1]的研究結果是一致的。研究發現NaCl含量對肉中脂肪氧化具有二次效應，脂肪氧化值先隨食鹽濃度增加而增加，達到最大值后逐漸減小，5%食鹽可促進肉中脂肪氧化，RHEE等[13]的研究中2.5%食鹽脂肪氧化達最高程度，而靳國鋒[12]的研究中為3.1%左右。當40%的KCl替代NaCl后，脂肪氧化速率常數總體上與未替代組相當，變化規律也相似，但鹽質量分數1%～3%時，替代組的脂肪氧化速率常數不同程度低于100%NaCl組，而4%或5%質量分數時高于100%NaCl組，特別是在15～25 ℃這些規律更明顯。另外，在各溫度下，替代組均是在鹽質量分數4%下速率常數達最大值。

2.1.2 脂肪次級氧化速率常數

測得各處理樣品不同時間點TBARS值后，運用方程(1)可求得各樣品脂肪次級氧化速率常數(表2)。除個別處理外，脂肪次級氧化速率常數均低于相對應的初級氧化速率常數，這可能是由于次級氧化是在初級氧化之后發生，且初級氧化的產物——氫過氧化物只有一部分分解為次級氧化產物，次級氧化產物主要是一些小分子的醛、酮類。次級氧化速率常數變化規律與初級氧化速率常數相似，在相同鹽含量條件下隨溫度的增加而增加；在同一溫度下，隨鹽含量的增加先增加再減小，其中無替代組在食鹽質量分數3%時達最大值，而替代組除20 ℃在3%達最大值外，其余溫度下均在4%達最大值。另外，1%～3%鹽含量條件下，100% NaCl組的脂肪氧化速率常數高于替代組，而在鹽質量分數4%～5%條件下相反，這也與初級氧化速率常數的規律一致。

表2 不同含量及組成的鹽對脂肪氧化(以TBARS衡量)速率常數和活化能的影響 單位：10-3h-1Table 2 Estimated reaction rate constant and activation energy for lipid oxidation measured by TBARS value with different content and component of salt

2.2 NaCl含量對脂肪氧化速率常數的影響

從表1、表2可以看出，在NaCl含量固定時，脂肪初級和次級氧化的速率常數均隨溫度的增加而增加，具體增加規律可用Arrhenius方程進行評價。利用SPSS的線性回歸程序(方程2)可以求得各食鹽含量條件下脂肪初級與次級氧化的活化能，分別如表1和表2所示，利用方程(2)求出的各活化能均顯著(P<0.05)。從表1可見，對照組活化能顯著高于添加食鹽組(P<0.05)，達到78.38 kJ/mol，說明在本試驗研究范圍內，1%～5%的食鹽添加量均能促進豬肉中脂肪初級氧化；即使1%的食鹽也能明顯降低脂肪初級氧化活化能，促進脂肪氧化，這與一些報道的結果是一致的[12,15]。具體來看，隨食鹽含量的增加，活化能先顯著減小，在3%時達最小值，然后顯著增加。將活化能隨食鹽含量的變化用SPSS的曲線回歸進行擬合，發現二次模型效果最好，如圖2所示，擬合的模型為：Ea=3.389X2-19.188X+77.605(X為鹽質量分數)，模型決定系數為0.988，根據該模型，可求得當食鹽質量分數X=2.83%，活化能有最小值50.45 kJ/mol，因此當NaCl質量分數為2.83%時，脂肪初級氧化需要克服的能量障礙最低，對豬肉脂肪初級氧化有最大促進效果，這與靳國鋒[12]研究五花肉時得到的結論基本一致，該研究發現食鹽質量分數3.1%有最低活化能54.75 kJ/mol。

圖2 鹽含量對豬肉脂肪初級氧化活化能的影響Fig.2 Effect of salt content on activation energy of lipid primary oxidation in pork

從表2可以看出，在相同的食鹽含量條件下，次級氧化的活化能變化規律與初級氧化相似，但活化能值均低于初級氧化，這說明脂肪初級氧化比次級氧化有更高的溫度敏感性；也說明次級氧化需要克服的能量障礙低于初級氧化，一旦初級氧化啟動后，次級氧化會自然而然的發生。這與靳國鋒[12]研究五花肉脂肪氧化的結果是一致的；但與王強[20]研究香腸中脂肪氧化時得到的結果不一致，這可能是試驗材料或試驗條件的差異所引起的。同樣，次級氧化活化能隨食鹽濃度的變化可用二次模型進行擬合，如圖3所示，擬合的模型為Ea=2.476X2-15.814X+68.991，模型的決定系數為0.967，根據該模型，可以求得當食鹽質量分數X=3.19%時，活化能有最小值43.74 kJ/mol，得到的食鹽濃度值大于初級氧化模型的值，這可能是由于次級氧化的滯后性引起的。

圖3 鹽含量對豬肉脂肪次級氧化活化能的影響Fig.3 Effect of salt content on activation energy of lipid secondary oxidation in pork

一些研究者也報道過肉中脂肪氧化的活化能，靳國鋒[12]測得無鹽條件下，五花肉的一級、二級脂肪氧化活化能分別為92.35、65.66 kJ/mol，1%、3%、5%食鹽質量分數下一級氧化活化能分別為68.29、54.75、67.01 kJ/mol，二級氧化活化能分別為50.30、45.82、46.97 kJ/mol，與本研究結果基本一致。王強[20]報道香腸貯藏過程中初級和次級氧化的活化能分別為37.68、51.38 kJ/mol，其中初級氧化的活化能顯著低于本研究的結果。

2.3 KCl部分替代NaCl后混合鹽含量對脂肪氧化速率常數的影響

當40%的KCl替代NaCl后，可用SPSS的線性回歸程序(方程2)求得不同混合鹽含量下脂肪初級與次級氧化的活化能。從表1和表2可以看出，各活化能值的整體范圍與100% NaCl組相當。從表1可以看出，當混合鹽含量為1%時，初級氧化的活化能達81.02 kJ/mol，高于對照組的78.38 kJ/mol，而未替代組中添加1%的NaCl可以顯著降低活化能(59.83 kJ/mol)，這可能是由于替代組中NaCl的實際濃度只有0.6%，對脂肪氧化的促進效果有限，或在一定的低濃度范圍內，NaCl或KCl可能對肉中的一些抗氧化酶有激活作用，從而增加脂肪的氧化穩定性。這與KING等[15]的研究結果有所差異，他發現火雞加工中1%食鹽就有明顯的促氧化作用，當25%或50%的KCl取代NaCl時，雖氧化作用減弱，但仍有明顯的促氧化，這可能由于火雞中不飽和脂肪酸含量高，更易氧化所致。當混合鹽質量分數在2%以上時，活化能變化規律與未替代組相似，先隨鹽質量分數的增加顯著減少，在4%時達最低值，然后再增加；其中鹽質量分數2%或3%時，替代組的活化能值高于對照組，而鹽質量分數在4%及以上時相反，說明鹽質量分數較低時，部分KCl替代NaCl后脂肪氧化穩定性提高，而鹽質量分數超過4%時替代則可能降低脂肪氧化穩定性。同樣，用二次曲線對活化能隨鹽質量分數的變化進行擬合，由于鹽質量分數為1%時可能存在酶激活等現象與對照組活化能無顯著差異，因此擬合過程中排除了鹽含量1%的點，擬合結果如圖2所示，擬合模型為：Ea=1.509X2-11.985X+78.491(X為鹽質量分數)，模型的決定系數為0.990，根據該模型，可求得當鹽質量分數X=3.97%，活化能有最小值54.69 kJ/mol，因此當混合鹽質量分數為3.97%時，脂肪初級氧化需要克服的能量障礙最低，對豬肉脂肪初級氧化有最大促進效果。前面研究未替代組時，當食鹽質量分數為2.83%時對脂肪氧化有最大促進效果，這種差異可能與40%的NaCl被替代有關，此時，肉中總的離子強度降低，總的滲透壓也降低；另外，在相同離子濃度條件下，KCl對脂肪氧化的促進效果低于NaCl[23]，但其對抗氧化酶特別是谷胱甘肽氧化酶的活性保持高于NaCl[24]。關于KCl部分替代NaCl后對肉中脂肪氧化的影響，很多學者都進行了研究，但結果并不一致，有的認為可以降低脂肪氧化[14-15]，有的認為可以促進脂肪氧化[9,16]，還有的認為對脂肪氧化影響不大[17]。分析原因，一是他們的研究均是在實際加工中，由于加入了亞硝酸鹽等輔料，因此脂肪氧化的影響因素更復雜；另外，根據本文的研究發現與鹽的含量有關，在總鹽質量分數為1%～3%時，40%的KCl替代NaCl會降低脂肪氧化，而在4%或5%質量分數時，會促進脂肪氧化。食鹽促進肉中脂肪氧化可能主要受以下因素影響：(1)食鹽能使肉品中的亞鐵血紅素或其他與血紅素結合的分子釋放游離Fe3+[12]；(2)食鹽會影響脂肪酶和脂肪氧化酶的活性，從而也會影響脂肪氧化[25]；(3)食鹽會影響抗氧化酶的活性[26]。部分KCl替代NaCl后，因K+和Na+在離子強度、促進Fe3+釋放、對酶活性影響方面存在一些差異，因此導致在脂肪氧化方面的差異。

從表2可以看出，在相同的混合鹽含量條件下，次級氧化的活化能值均低于初級氧化。前面觀察到當混合鹽質量分數為1%時，初級氧化的活化能值比對照樣略有升高，而次級氧化中未觀察到升高現象，但仍顯著高于100%NaCl組，且與對照組差異較小，因此1%的混合鹽對脂肪次級氧化的作用十分有限，未觀察到像初級氧化活化能升高的現象，可能是初級氧化更能反映脂肪氧化規律，也可能是抗氧化酶的激活與鹽的輕微促氧化作用相互抵消了，還有可能是試驗誤差引起的。同樣，次級氧化活化能隨食鹽質量分數的變化可用二次模型進行擬合，如將混合鹽質量分數1%的數據也包括在內，擬合程度較差，決定系數為0.947，排除1%數據后，擬合情況如圖3，擬合的模型為Ea=1.478X2-11.927X+70.467，模型的決定系數為0.996，根據該模型，可求得當鹽質量分數X=4.03%時，活化能有最小值46.41 kJ/mol，鹽質量分數與初級氧化模型得到的3.97%基本一致。

根據建立的初級氧化活化能回歸模型和圖2，可以計算出當鹽質量分數>3.9%時，KCl替代組的脂肪初級氧化活化能低于100%NaCl組；根據建立的次級氧化活化能回歸模型和圖3，可以計算出當鹽質量分數>4.2%時，KCl替代組的脂肪次級氧化活化能低于100%NaCl組。因此，可以推測豬肉加工中當總鹽質量分數在4%以下時，相對于100%食鹽組，40%KCl替代組會提高肉的脂肪氧化穩定性，而當鹽質量分數高于4%時則相反。

3 結論

在1%～5%鹽質量分數(以原料肉質量計)和15～30 ℃條件下，豬肉脂肪初級氧化速率常數大于次級氧化；1%～3%鹽質量分數時，替代組(即40%NaCl被KCl替代)脂肪氧化速率常數不同程度低于100%食鹽組，而4%或5%質量分數時則相反；當鹽的組成和質量分數不變時，脂肪氧化速率常數隨溫度而增加；當溫度不變時，其隨鹽質量分數先增加再減小，100%食鹽組大都在3%鹽質量分數時達最大值，而替代組大都在4%鹽質量分數時達最大值。

初級氧化的活化能大于次級氧化；100%NaCl組脂肪氧化活化能隨鹽含量的變化遵循二次曲線，先隨鹽濃度的增加而降低，然后增加，脂肪初級氧化、次級氧化分別在食鹽質量分數2.83%、3.19%時有最低活化能值。

40%NaCl被KCl替代后，當鹽質量分數為1%時，對脂肪初級氧化有一定的抑制作用；除去1%鹽質量分數外，脂肪氧化活化能隨鹽含量的變化也遵循二次曲線，脂肪初級、次級氧化分別在鹽質量分數3.97%和4.03%時有最低活化能值。

肉制品加工中當40%的NaCl被KCl取代后，當總鹽質量分數在4%以下時，相對于100%食鹽組，肉的脂肪氧化穩定性提高，而當鹽質量分數超過此值時，會降低脂肪氧化穩定性。