不同熱處理方式對牛肉嫩度和揮發性風味物質的影響

徐若瑗，薛紀元，王 敏，趙徐萃，沈 暉，高蘇敏，孟祥忍,3,4，王恒鵬,3,

（1.揚州大學食品科學與工程學院，江蘇揚州 225127；2.江蘇旅游職業學院烹飪科技學院，江蘇揚州 225000；3.中餐非遺技藝傳承文化和旅游部重點實驗室，江蘇揚州 225127；4.揚州大學中餐繁榮基地，江蘇揚州 225127）

牛肉是一種用途廣泛的高檔肉類原料，具有較高的營養價值。據統計，2019年牛肉在中國的消費量已達到770萬噸，2020年全球牛肉產量為7190萬噸左右，并預計將不斷增長[1]。傳統的牛肉制法多是在腌制后與鹵湯一起煮至熟化、入味，其加工時間較長，易造成肌肉品質劣變及營養成分的流失[2]。對于牛肉的加工，傳統熱處理方式包括水煮、蒸制、烘烤、油煎等，雖工藝方便，但存在烹飪時間長、滲透性有限、品質不穩定等問題。新型熱處理方法有歐姆加熱、微波加熱、超聲波加熱和射頻加熱等技術，可一定程度上避免產品受熱不均、烹飪損失大及風味、質地差等問題。目前通常采用感官評價、質構、風味等指標檢測肉類品質。感官評價可以綜合性的評估肉制品的可接受性，質構特性是肉類肌肉品質的重要體現，而與風味相關的揮發性化合物通常通過色譜技術進行表征，是肉類加工品質的重要組成部分[3]。

微波和超聲波是當前新興的加熱方式，與傳統的水浴加熱相比，微波加熱具有高能量轉移率、高熱效率、節能等優點[4]，超聲空化效應引起的高速射流會導致氣泡的非對稱坍塌和微流，從而提高傳熱效率，使用適當功率的超聲波可在肉中形成微孔，從而增加肉的嫩度[5]。羅章等[6]對牦牛肉進行微波加熱、高溫燉煮和常壓水煮，發現熟牦牛肉的風味化合物組成受加熱工藝的影響，其中微波加熱形成的風味化合物數量最多，達到137種。Zou等[7]發現對五香牛肉進行超聲處理，可導致肌肉發生膨脹和破裂，有效改善了牛肉嫩度。Han等[8]對比了微波加熱和水浴加熱，發現微波加熱可以顯著提高牛肉肌原纖維蛋白與揮發性酮類化合物的結合能力。

已有研究表明，傳統加熱耗時較長，牛肉難以達到嫩化效果，且風味不理想[9]。目前，針對牛肉的熱加工，鮮有采用微波和超聲波輔助鹵煮等方式制備牛肉的研究。因此，本研究對比了常規鹵煮、微波和超聲波輔助鹵煮等三種熱處理方式，分別探究不同加熱過程中牛肉水分含量、持水力、質地和風味的變化，以期明確高品質牛肉的有效加工方式。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮菲利牛肉 棗莊盛橋商務有限公司；1,2-二氯苯、蒸餾水、4%戊二醛（分析純）、甲醇（色譜純）國藥集團化學試劑有限公司。

MG823ESJ-SA微波爐 佛山市順德區美帝微波電器制造有限公司；BS210S（1/10000）分析天平北京賽多利斯儀器系統有限公司；HTG型立式鼓風干燥箱 上海精密儀器有限公司；C-LM2型數顯式肌肉嫩度儀 北京朋利馳科技有限公司；H2050R型臺式高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；VORTEX 1型渦旋混勻儀 艾卡（廣州）儀器設備有限公司；Supelco 75 μm固相微萃取頭 上海楚定分析儀器有限公司；Trace ISQ氣相色譜質譜聯用儀 美國熱電公司；TMS-Pro物性測定儀 美國FTC公司；RC-1000LG型五頻超聲波鹵煮鍋 河北仁川科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理 工藝流程：冷凍牛肉→修整成2.5×2.5×2.5 cm3大小→解凍、去掉肉塊表面的脂肪和肌外膜→浸泡血水30 min→腌制6 h→焯水→加熱處理（3種熱處理條件由前期優化所得）

腌制配方（以水質量為百分比）：水100%、生抽2.85%、老抽1.15%、料酒4.30%、鹽1.15%、糖1.45%、味精0.85%、桂皮0.30%、香葉0.16%、花椒0.28%、姜0.70%、丁香0.05%、草果0.20%、砂仁0.18%、八角0.28%、小茴香0.15%。

水浴加熱：將焯水后的牛肉置于裝有室溫（25 ℃）鹵湯的樣品袋中，放入99±1 ℃沸水分別加熱5、15、25、35 min（W5、W15、W25、W35），加熱完畢后冷卻30 min至室溫，撈出擦干表面水分，待測。

微波加熱：將焯水后的牛肉置于裝有室溫鹵湯的微波盒中（料液比為1:5（g/mL），以確保加熱結束后液面依然浸沒過樣品），設置微波功率為400 W，分別加熱5、15、25、35 min（M5、M15、M25、M35），加熱完畢后冷卻30 min至室溫，撈出擦干表面水分，待測。

超聲波輔助加熱：將焯水后的牛肉置于裝有室溫鹵湯的樣品袋中，放入超聲鹵煮鍋（28 kHz，100 W，99±1 ℃）分別加熱5、15、25、35 min（U5、U15、U25、U35），加熱完畢后冷卻30 min至室溫，撈出擦干表面水分，待測。

1.2.2 水分含量測定 參照GB 5009.3-2016《食品中水分的測定》，采用直接干燥法。

1.2.3 持水力測定 根據Qian等[10]方法，略作修改，采用冷凍離心法測定持水力。取絞碎的牛肉5.0 g，用雙層濾紙包裹后放入10 mL離心管，10000 r/min、4 ℃離心15 min，倒掉水分，吸去表面水分，稱取質量，按式（1）計算持水力。

式中：m1表示原始樣品的質量，g；m2表示離心后樣品的質量，g。

1.2.4 剪切力測定 參照Zhang等[11]方法，選用國產C-LM2型肌肉嫩度儀。用直徑1.27 cm的圓形取樣器沿與肌纖維平行的方向鉆取樣品（避開筋腱），測定樣品數量不少于5個。

1.2.5 質構特性測定 將1×1×1 cm3的肉塊按肌纖維垂直于托板的方向放置，對肉塊進行質地剖面分析，不少于5次。測前速度2.00 mm/s，測前測后速度均為1.00 mm/s，壓縮率60%，起始力1.0 N。

1.2.6 微觀結構測定 參照高子武等[12]方法，略作修改，將牛肉切成2×2×3 mm3的小塊，固定于4%的戊二醛溶液中24 h（4 ℃）。取出已固定好的樣品，進行脫水、包埋、切片、烤片、HE染色和封片等步驟，采用400倍光學顯微鏡觀察樣本切片，每個樣本切片拍照角度3個。

1.2.7 揮發性風味物質測定 根據Wen等[13]方法，稍作修改，將不同熱處理后的牛肉（2.0 g）切碎放于20 mL萃取瓶中，加入1 mL的飽和食鹽水，置于20 mL萃取瓶中，以20 μL 1,2-二氯苯（1.306 mg/L）為內標。60 ℃水浴，平衡40 min后將經250 ℃老化40 min的萃取頭插入封口頂空采樣，萃取結束后迅速拔出萃取頭插入氣質聯用儀進樣口。

色譜條件：色譜柱為DB-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm），載氣為氦氣。流速為1.0 mL/min，進樣口溫度為250 ℃；起始溫度為40 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升到120 ℃，再以8 ℃/min升到240 ℃，保持7 min。

質譜條件：離子源溫度240 ℃，電離方式EI+，電子能量70 eV，燈絲電流150 μA，質量掃描范圍：30～450 m/z。

利用NIST 2014標準質譜數據庫，根據其擬合度對揮發性風味化合物進行鑒定，采用峰面歸一化法計算各揮發性成分的相對含量。

1.2.8 感官評價 根據Abdel-Naeem等[14]方法，略作修改，將待測樣品切成1×1×1 cm3大小，選取10名經過感官培訓的人員，年齡20～30歲，5男5女，對牛肉的多汁性、風味、口感和總體可接受性5個感官屬性進行打分，每組樣品得分最高為9分，最低為1分，要求品評人員獨立對每個樣品評估3次，總共評估36個牛肉樣品。打分前12 h不得抽煙、喝酒、食用辛辣食品等，感官評分表見表1。

表1 牛肉感官評分標準Table 1 Sensory scoring standard of beef

1.3 數據處理

每組實驗至少重復測定三次，所有數據用平均數±標準差表示。采用Origin Pro2019b進行作圖和主成分分析，SPSS 19.0全因子模型對測定結果進行顯著性分析，差異顯著水平α為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同熱處理方式對牛肉中水分含量的影響

加工后肌肉內部水分含量的高低可直接反映其多汁性的好壞[15]。一般而言，加熱會導致肌肉纖維發生收縮，肌細胞被破壞，引起肌肉內部水分的流失[16]。由圖1可知，不同熱處理方式對牛肉的水分含量有顯著影響（P＜0.05），隨著加熱時間的延長，水浴組和微波組牛肉樣品的水分含量呈現先降低后升高趨勢（P＜0.05），主要由于肌肉蛋白逐漸受熱變性，肌纖維收縮導致肌肉內部水分流失，而在加熱35 min時，水浴組和微波組的水分含量分別上升至60.79%和59.71%，可能是因為膠原蛋白進一步生成可溶于水的明膠，吸收了部分肌肉內部水分，緩解了水分的流失[16]，這與李升升等[17]研究結果一致。而超聲組的水分含量在加熱25 min時達到最大值，為62.17%，并顯著高于其它兩組（P＜0.05），可能是由于超聲波的空穴效應對肌肉纖維進行拉伸，使肌肉組織結構變得松散，從而可以容納更多的水分[18]。在相同的加熱時間下，微波組的牛肉水分含量始終最低，但在可接受范圍內，這可能是因為微波加熱過程中，高電磁場和高功率會導致肌肉蛋白質在短時間內快速變性，使質地基體破碎，最終導致內部水分的迅速流失[19]。

圖1 不同熱處理方式下牛肉中的水分含量Fig.1 Moisture content of beef under different heat treatment methods

2.2 不同熱處理方式對牛肉持水力的影響

肌肉的持水力與肉的嫩度和品質密切相關，持水力越高，肉的品質越好[20]。由圖2可知，不同熱處理方式顯著影響牛肉持水力的變化趨勢（P＜0.05）。隨著加熱時間的延長，水浴組樣品持水力顯著增大（P＜0.05）。微波組樣品的持水力在加熱35 min時下降顯著（P＜0.05），為90.08%，主要由于蛋白質氧化加劇，導致部分蛋白質共價交聯形成聚集體，肌原纖維蛋白水合能力受到影響，使得一些結合水轉換成自由水而逸出[21]，這與Li等[22]研究結果一致。微波組樣品的持水力總體大于水浴組，這可能由于微波加熱可引起肌肉蛋白快速變形，暴露出更多的疏水基團，有助于熱誘導凝膠結構的形成[23]。相比傳統水浴加熱，超聲處理也顯著改善了牛肉的持水力，這主要由于其空化效應使得更多的疏水性位點暴露所致[4]。比較三種熱處理方式，M15的持水力最高，為91.79%。綜上，從持水力來看，微波輔助鹵煮15 min更適合牛肉的加工。

圖2 不同熱處理方式下牛肉的持水力Fig.2 Water holding capacity of beef under different heat treatment methods

2.3 不同熱處理方式對牛肉質構特性的影響

剪切力、硬度、咀嚼性可直觀判斷肉的嫩度好壞[24]，由表2可知，不同熱處理方式對牛肉的質構特性均有明顯影響。水浴組牛肉的剪切力、硬度和咀嚼性隨加熱時間的延長呈不斷增大趨勢（P＜0.05），主要由于肌原纖維蛋白逐步變性后，發生凝固收縮導致其韌性加強[25]，這與陳春梅等[26]研究結果一致。除加熱5 min外，微波組樣品的剪切力、硬度和咀嚼性均低于水浴組，這可能是由于微波使得樣品內外同時產熱，肌原纖維會迅速收縮，形成致密結構。微波加熱15 min的樣品硬度達到最小值120.63 N，但隨著加熱時間的增加，牛肉溶質濃縮和體積收縮嚴重，肌漿蛋白質受熱后凝固[27]，使得最終微波樣品的硬度增加至162.63 N。超聲波組的剪切力、硬度和咀嚼性呈現先減小后增大的趨勢（P＜0.05），加熱35 min時硬度最大，為54.48 N，這可能是因為過長時間的超聲波會導致蛋白質結構被破壞，蛋白質分子展開速率大幅度降低，聚集速率增加[7]。在相同加熱時間下，除加熱5 min的樣品之外，微波組和超聲組剪切力、硬度和咀嚼性均顯著低于水浴組（P＜0.05），證明微波加熱和超聲波輔助加熱對牛肉有一定嫩化作用。一般來說，彈性越大，口感越好，隨著加熱時間的延長，超聲組樣品的彈性先下降后上升（P＜0.05），水浴組和微波組彈性呈波動上升，可能是因為隨著加熱時間的延長肌肉內蛋白開始凝膠化，這與常海軍[28]的研究結果一致。總體來說，M15相較于其他兩組剪切力、硬度和咀嚼性較小，而彈性值較大。綜上，從質構特性來看，微波輔助鹵煮15 min更適合牛肉的制作。

表2 不同熱處理方式下牛肉的質構特性Table 2 Texture characteristics of beef after different heat treatment

2.4 不同熱處理方式對牛肉微觀結構的影響

肌肉的組織結構是影響肉品質好壞的重要因素，一般來說，肌束膜與肌纖維間隙可以決定肌纖維結構的松散程度，從而反映出肌肉的嫩度[29]。如圖3，通過對比不同熱處理后牛肉的微觀結構可知，水浴加熱時，W5的肌肉纖維排列較為松弛，隨著加熱時間的增加，牛肉肌纖維直徑變大，肌束間隙變小，主要由于水浴時間的延長導致結締組織收縮，肌束膜和肌內膜中的膠原蛋白凝膠化所致[30]。其中，W25的肌束間隙略微增大，可能是因為此時肌肉內部骨架蛋白發生降解[12]。微波加熱后的牛肉肌纖維表面出現多處裂紋，這與Abdel-Naeem等[14]研究結果一致，主要由于微波是從內向外加熱，首先在肌肉纖維內部產生，容易造成肌肉纖維的分解[23]。然而M15相比起其他組肌纖維表面裂紋較少，損傷較小，組織結構比較松散，肌束間隙較大。隨著超聲時間增加至25 min，牛肉的肌束膜進一步撕裂，肌纖維結構逐漸疏松，這可能是因為超聲引起了纖維蛋白的水解和膠原成分的破壞[31]。當超聲時間繼續增加，U35肌纖維表面出現明顯裂紋，肌纖維結構發生彎曲，肌束間隙變小。總體來說，微觀結構顯示的結果與質構特性中的指標相印證。

圖3 不同熱處理方式下牛肉的微觀結構（400×）Fig.3 Microstructure of beef under different heat treatment methods (400×)

2.5 不同熱處理方式對牛肉揮發性風味物質的影響

通過SPME-GC-MS（固相微萃取-氣相色譜-質譜）分析，在不同加熱處理的牛肉中共測得98種揮發性風味物質，其中醛類14種，醇類17種，酮類8種，酸類6種，酚類5種，酯類13種，烴類23種，醚類5種和雜環及其他類7種。

醛類物質主要來源于肉的脂質氧化和蛋白質降解，閾值較低，是牛肉氣味的關鍵組成部分[32]。由表3所示，M15、U25中所鑒定出的醛類含量較高，為9.59%和10.84%，說明具有較好的肉味。肉品中的醛類物質主要與油酸、亞油酸的氧化和Stecker降解有關，其中辛醛和壬醛來源于油酸的氧化，呈現脂臘香和花香[32]，在M15中相對含量較高。在相同加熱時間下，超聲處理組的苯甲醛含量均高于其他兩組，說明超聲處理提高了脂質氧化水平，其熱效應增加了Strecker降解[33]。

醇類物質來源于脂肪的降解，對肉品風味影響較大[33]。由表3可知，不同樣品中（-）-4-萜品醇、桉葉油醇、芳樟醇等在所有樣品中均檢測出且相對含量較高，其與α-松油醇等均來自于辛香料，賦予牛肉樟腦般清涼香氣和花香[32]。但在相同時間下，不同加熱處理后同種物質的相對含量差異較大，這可能與辛香料中不同風味物質在不同熱處理下的釋放速率不同有關。

酮類物質閾值較高，主要來自多不飽和脂肪酸氧化降解，部分是形成雜環化合物的重要中間體[34]。由表3可知，不同組別中3甲基-6-（1-甲基乙基）-2-環己烯-1-酮和葑酮是主要呈味物質。酸類物質閾值相對較高故對風味貢獻不大，大多樣品中的酸類化合物相對含量較低且種類較少。

表3 不同熱處理方式下牛肉的揮發性風味物質Table 3 Volatile flavor compounds of beef under different heat treatment methods

續表3

續表3

醚類化合物在牛肉風味中有重要作用。各處理組中茴香腦和草蒿腦的相對含量較高，是茴香的主要風味物質[35]，除加熱35 min外，微波和超聲組的醚類物質相對含量均高于水浴組，其中最高分別可達25.60%和24.92%，推測適宜的微波和超聲處理更有利于牛肉對香辛料的吸收。酚類化合物種類較少但對牛肉風味貢獻不低。其中丁香酚主要來源于丁香，在所有樣品均被檢出，與醚類化合物類似，加熱前中期（5～25 min），微波和超聲組的丁香酚相對含量高于水浴組，且變化趨勢不同，這主要由于不同加熱方式對香辛料的揮發性、釋放速率和耐熱性等影響不同[32]。

烴類物質中不飽和烴的閾值較低，主要來自香辛料，氣味強烈[34]。比如蒎烯、4-蒈烯、（-）-α-蒎烯、γ-松油烯、萜品油烯、β-萜烯、月桂烯、β-石竹烯。各處理組中γ-松油烯、蒎烯和4-蒈烯含量較高，主要呈現松油味和柑橘果香味[36]。水浴組和超聲波組不飽和烴類化合物的相對含量分別于25和35 min顯著增大，為6.52%和7.68%。微波組不飽和烴類化合物的相對含量在加熱中后期（15～35 min）變化趨勢較為平緩，峰值為5.85%，低于其他兩組。已有研究表明，酚類與醇類、醚類和烴類一起構成牛肉的芳香風味，但過量也易產生苦味，導致不良風味[37]。雜環及其他類化合物主要是由于美拉德反應和氨基酸、硫胺素的熱降解[34]，由表3可知，W25、M15和U25相對含量較高，其中主要是7-羥基-3-（1,1-二甲基丙-2-烯基）香豆素。

對98種揮發性風味成分進行主成分分析（PCA），從圖4a中可以看出，不同熱處理方式后牛肉的風味差異顯著。其中W5、W15、M5、U5的主要揮發性風味物質相似，M15、U15和W25的主要揮發性風味物質相似。PCA可以區分每個樣品的特征風味成分。如圖4所示，水浴加熱樣品的特征組分為S-（Z）-3,7,11-三甲基-1,6,10-十二烷三烯-3-醇（F18）、月桂烯（F82），微波加熱樣品的特征組分為苯丙醛（F4）、乙酸龍腦酯（F53）癸醛（F8）、10,13-十八碳二炔酸甲酯（F62）、DL-胱硫醚（F94），超聲波輔助加熱樣品的特征組分為異丁香酚（F49）、甲基庚烯酮（F38）、苯甲醛（F5）、1-甲基-4-（硝基甲基）哌啶-4-醇（F22）、十四烷醛（F14）、3-異丙烯基-2,5-二甲基-3,4-己二烯-2-醇（F30）。因此，可通過不同的熱處理方式改變牛肉的特征風味成分。

圖4 不同熱處理后牛肉揮發性風味物質的得分（a）和載荷因子（b）Fig.4 Score (a) and load factor (b) of volatile flavor compounds in beef after different heat treatment

2.6 不同熱處理方式對牛肉感官評價的影響

由表4可知，不同熱處理方式對牛肉的多汁性、風味、嫩度和總體可接受性影響顯著。隨著加熱時間的延長，水浴組的總體可接受性得分逐步上升，微波和超聲組呈現先增大后減小的趨勢（P＜0.05）。其中M15和U25總體可接受性得分高達7.60和7.20分。在同一加熱時間下，微波加熱的牛肉多汁性得分始終最小，說明與其它兩種熱處理方式相比汁液感較差，這與牛肉的水分含量所得結果一致，當加熱35 min時，三組牛肉的多汁性得分無顯著差異（P＞0.05）。隨著加熱時間的延長，三種加熱方式牛肉的風味得分均先上升后下降，分別于W25、M15和U25顯著增大（P＜0.05），顯示此時肉味與香辛料味適中，且無腥膻味。其中M15的風味得分最高。加熱15 min時，微波處理的牛肉口感得分最高，為7.42分，反應出此種加熱處理下的牛肉肉質最為鮮嫩。綜合來看，M15的多汁性較其它兩組較低，但其風味、口感和總體可接受性得分均最高，表明微波輔助鹵煮15 min的牛肉具有更高的感官評分，更受消費者喜愛。

表4 不同熱處理方式下牛肉的感官得分Table 4 Sensory scores of beef under different heat treatment methods

3 結論

對牛肉進行常規鹵煮、微波和超聲輔助鹵煮，牛肉的水分含量、持水力、質構特性、微觀結構、揮發性風味物質和感官得分均有顯著變化（P＜0.05）。微波組的水分含量較其他兩組較低，但在可接受范圍內。與水浴組相比，微波組和超聲波組可顯著改善樣品的持水力，其中以M15最高為91.8%。隨著加熱時間的延長，微波組和超聲波組樣品的質構特性分別在加熱15 min和25 min時較好，這與微觀結構所顯示的結果一致，但M15更佳。結合主成分分析發現，不同熱處理方式對樣品揮發性風味物質組成和特征風味影響顯著。其中，M15風味得分最高，說明其肉味與香辛料味最為適中。且M15總體可接受性得分最高為7.60分。綜上，微波輔助鹵煮15 min牛肉的品質最佳，更有利于牛肉的加工和生產。