超聲波處理對牛肉腌制速率及干燥過程水分遷移的影響

張 浩，高立東， 高愛武，成立新，惠德宇，李立敏，朝洛蒙

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古呼和浩特市植保植檢站，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010031；4.內(nèi)蒙古錫林草原食品有限公司，內(nèi)蒙古，二連浩特 011100）

牛肉干是以牛肉為原料，經(jīng)腌制、干燥、熟制等一系列工藝加工而成的肉制品[1]，而腌制是其主要的加工工序，腌制的好壞直接影響牛肉干的品質(zhì)。傳統(tǒng)的腌制主要采用干腌、濕腌、混合腌制、鹽水注射等方法[2]，但其存在腌制手段單一、腌制周期長、效率低等問題[3]。牛肉經(jīng)高溫烘烤會出現(xiàn)肌纖維收縮、質(zhì)量減輕等變化，而這些變化都與水分流失密切相關(guān)[4-7]，水分是牛肉干中重要的組成部分，其含量和遷移狀態(tài)均會影響牛肉干的質(zhì)地、口感和穩(wěn)定性[8]。

超聲波是一種能耗少、能量高的綠色環(huán)保加工技術(shù)，在肉類工業(yè)中受到廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究，如超聲波空穴作用對肉類蛋白質(zhì)的理化特性[9-14]、鹽分?jǐn)U散[15-17]、微觀結(jié)構(gòu)[18-19]等方面的影響研究。Siro I 等人[16]發(fā)現(xiàn)超聲波輔助腌制原料肉可以提高食鹽滲透速度；李瑩等人[19]研究發(fā)現(xiàn)超聲和微波聯(lián)合作用對肌肉嫩化效果顯著；李博文等人[20]研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助處理能夠簡化醬牛肉腌制工藝；蔡華珍等人[21]發(fā)現(xiàn)超聲波處理能夠加快豬肉腌制速率；Lyng J G 等人[22]用超聲波處理牛肉之后可以縮短成熟期；李林強(qiáng)等人[18]研究發(fā)現(xiàn)超聲波對牛肉嫩化效果顯著；馮婷等人[23]發(fā)現(xiàn)滾揉技術(shù)和超聲波輔助技術(shù)應(yīng)用在鮮雞肉腌制中，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)腌制處理，與傳統(tǒng)的肉制品加工技術(shù)相比，產(chǎn)品的營養(yǎng)成分和活性因子的破壞較低[24]。

目前的研究表明超聲波的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)對牛肉的腌制速率、蛋白結(jié)構(gòu)均有顯著影響，但對牛肉干干燥特性及其水分遷移規(guī)律的研究不夠深入，系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究也鮮有報(bào)道。水分作為肉制品的重要組成部分，含量及其遷移狀態(tài)都會影響牛肉干的質(zhì)地和口感。試驗(yàn)以NaCl 含量為指標(biāo)，以Box-behnken 的響應(yīng)面優(yōu)化法，得到最佳腌制條件；并通過干燥試驗(yàn)深入探討水分遷移變化規(guī)律，以期為牛肉干快速腌制及干燥過程中品質(zhì)控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

牛后腿精肉：冷鮮肉，購于呼和浩特華聯(lián)超市，將肉均勻切成65 mm×25 mm×25 mm 的長細(xì)條形，于4 ℃下冷藏備用；硫氰酸鉀，麥克林生化科技有限公司提供；硫酸鐵銨，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司提供；亞鐵氰化鉀、硝酸銀、乙酸鋅、NaCl、硝酸，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。以上試劑均為分析純。

DGX-9143BC 型電熱鼓風(fēng)干燥箱、HH-2 型水浴鍋，上海?，斣囼?yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；TGL-20B 型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品；BBCD-290WX型冰箱，青島海爾公司產(chǎn)品；C22-186 型電磁爐，九陽股份有限公司產(chǎn)品；Biosafer1000 型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，賽飛（中國）有限公司產(chǎn)品。

2 試驗(yàn)方法

2.1 單因素試驗(yàn)

取牛后腿精肉，去除筋腱和脂肪并清洗干凈，切成65 mm×25 mm×25 mm 大小的肉條，每塊質(zhì)量為20～25 g，放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的食鹽溶液中，使肉塊完全浸沒在液面以下，對照組在4 ℃冰箱中腌制15 h，超聲處理組進(jìn)行超聲波輔助腌制時(shí)控制其超聲處理時(shí)間和腌制時(shí)間與對照組總腌制時(shí)間一致，均為15 h。超聲波變幅桿為Φ2，超聲時(shí)間9.9 s，間隔時(shí)間9.9 s。

超聲波處理?xiàng)l件設(shè)置如下：超聲時(shí)間分別為40，60，80，100，120 min；超聲溫度分別為0，5，10，15，20 ℃（±2 ℃）；超聲功率分別為100，200，300，400，500 W?？疾楦饕蛩貙aCl 含量的影響，對同一組樣品平行測定3 次，取平均值。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，對篩選出的超聲時(shí)間、超聲溫度和超聲功率進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，運(yùn)用Box-behnken 中心設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，對待定參數(shù)進(jìn)行顯著性篩選。

超聲波輔助腌制試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 超聲波輔助腌制試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以NaCl 含量作為測定指標(biāo)，采用Design Expert 軟件中的Box-behnken 試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)出三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，一共包括17 組試驗(yàn)，其中有5 組零點(diǎn)估計(jì)誤差，用來估計(jì)試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，取3 組試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)最終值，一共進(jìn)行51 次試驗(yàn)，以得到牛肉最佳腌制條件。

2.3 干燥試驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)得出的最佳腌制條件，將腌制好的牛肉干進(jìn)行熱風(fēng)干燥，試驗(yàn)設(shè)置超聲處理組（US）和對照組（CG），在此基礎(chǔ)上根據(jù)干燥條件的不同分為恒溫組（H1-H3）和變溫組（B1-B3）。

牛肉干干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 牛肉干干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.4 NaCl 含量測定

采用孫英鴻等人[25]的方法，稱取10 g 腌制后的樣品移入錐形瓶中。加入100 mL 蒸餾水，在沸水浴中加熱15 min，不停晃動錐形瓶。取出錐形瓶，將固液混合物全部轉(zhuǎn)移至200 mL 容量瓶中，冷卻一段時(shí)間至室溫，再依次加入2 mL 亞鐵氰化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液和2 mL 乙酸鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液，每次加液后都充分搖勻。室溫下靜置30 min，用蒸餾水定容至刻度，充分混合均勻，用定量濾紙過濾。用移液管準(zhǔn)確吸取20 mL濾液、20 mL 0.1 mol/L 硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液置于錐形瓶中，充分混勻，然后將溶液煮沸，使AgCl 沉淀凝聚，以減少AgCl 沉淀對Ag+的吸附，過濾掉AgCl 沉淀，并用5 mL 稀硝酸和5 mL 蒸餾水洗滌沉淀，洗滌液并入濾液中，使溶液總體積大約為100 mL。最后用硫氰酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，直至出現(xiàn)穩(wěn)定的粉紅色。

式中：V2——空白試驗(yàn)消耗硫氰酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

V1——試樣液消耗硫氰酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

200——試樣溶液的定容體積，mL；

20——滴定時(shí)吸取濾液的體積，mL；

C——硫氰酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；

m——試樣的質(zhì)量，g；

X——氯化物含量，%。

2.5 含水率、干基含水率與干燥速率的測定

分別稱量牛肉干燥前后的質(zhì)量，重復(fù)3 次，取平均值。分別按以下公式計(jì)算干基含水量[26]與干燥速率[27]。

式中：Mt——物料在t 時(shí)刻的干基含水率，g/g；

mt——物料干燥t 時(shí)刻的質(zhì)量，g；

mg——物料干燥結(jié)束時(shí)的質(zhì)量，g；

DR——干燥過程中時(shí)間在t+△t 和t 之間的物料干燥速率，g/(g·min)；

Xt——物料在t 時(shí)刻的干基含水率，g/g；

Xt＋Δt——物料在t+Δt 時(shí)刻的干基含水率，g/g；

Δt——干燥間隔時(shí)間，min。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Design Expert 8.0.6 軟件設(shè)計(jì)Box-behnken試驗(yàn)和ANOVA 分析，Origin 9.0 軟件進(jìn)行圖形繪制。

4 結(jié)果與分析

4.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

不同超聲條件對牛肉腌制速率的影響見圖1。

由圖1（a）可知，在超聲功率和超聲溫度一定時(shí)，超聲時(shí)間對牛肉腌制速率影響較大，其中腌制時(shí)間為100 min 時(shí)NaCl 腌制速率最快，NaCl 含量為2.82%；40 min 時(shí)效果最差，NaCl 含量為2.05%；由圖1（b）可知，在超聲功率和超聲時(shí)間一定時(shí)，超聲溫度在10 ℃時(shí)的NaCl 含量有最高值，為3.66%；0 ℃時(shí)NaCl 含量有最低點(diǎn)，為3.21%；由圖1（c）可知，在超聲時(shí)間和超聲溫度一定時(shí)，NaCl 含量隨著超聲功率的增加而增大，400 W 時(shí)達(dá)到最大值，為3.96%，超過400 W 時(shí)NaCl 含量呈現(xiàn)下降趨勢；而試驗(yàn)對照組的氯化鈉含量為2.10%，由此得到，超聲波處理有利于腌制液的滲透。

圖1 不同超聲條件對牛肉腌制速率的影響

4.2 Box-behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 Box-behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

超聲波輔助腌制試驗(yàn)方案及結(jié)果見表3。

表3 超聲波輔助腌制試驗(yàn)方案及結(jié)果

使用Design Expert 8.0.6 軟件對表3 進(jìn)行方差分析，以NaCl 含量作為響應(yīng)值，超聲時(shí)間（A）、超聲溫度（B）及超聲功率（C）進(jìn)行多元回歸擬合，得到NaCl 含量的二次多項(xiàng)回歸模型，再對該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及其方差分析。

NaCl 含量的二次多項(xiàng)回歸模型為：

NaCl 含量顯著性檢測及模型方差分析見表4。

表4 NaCl 含量顯著性檢測及模型方差分析

由表4 可知，3 個(gè)試驗(yàn)因素對NaCl 含量影響極顯著（p＜0.01），且影響NaCl 含量的各個(gè)因素主次順序?yàn)锳＞B＞C，該模型的F 值為431.79，且該模型中R2=0.998 2，R2adj=99.59，說明該模型極顯著。預(yù)測值和真實(shí)值之間的相關(guān)性較高，且99.82%的數(shù)據(jù)可以用于此模型的解釋。失擬項(xiàng)數(shù)據(jù)分析說明該模型與實(shí)際試驗(yàn)擬合度較好，試驗(yàn)誤差小，能夠準(zhǔn)確解釋試驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響[27]。

4.2.2 交互因子對NaCl 含量的影響分析

試驗(yàn)以NaCl 含量作為超聲波最優(yōu)條件的評價(jià)指標(biāo)，采用Design Expert 軟件對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得出圖2 所示的影響NaCl 含量的參數(shù)間相互作用的響應(yīng)面和等高線分布圖，分別為超聲時(shí)間、超聲溫度、超聲功率中任意兩因素之間的交互作用。

超聲時(shí)間和超聲溫度之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖見圖2。

圖2 超聲時(shí)間和超聲溫度之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

曲面較陡峭，說明超聲時(shí)間和超聲溫度對響應(yīng)值的影響大，即在超聲時(shí)間為100 min，超聲溫度為10 ℃時(shí)，NaCl 含量達(dá)到最高值；這是因?yàn)槌暡軐∪饨M織產(chǎn)生破壞作用，從而有效促進(jìn)鹽分的滲透，隨著超聲時(shí)間的延長，肌細(xì)胞受到膨脹和壓縮的時(shí)間越多，NaCl 腌制液也更易滲透到肌細(xì)胞中，從而增加NaCl 含量[28]，這與龍錦鵬等人[29]研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助腌制可加速腌制液向牛肉組織內(nèi)部滲透的結(jié)論相符。另外，等高線的疏密程度和形狀反映了各因素之間交互作用的顯著性。由此可以看出，超聲時(shí)間的斜率大于超聲溫度，所以超聲時(shí)間對NaCl 含量影響的顯著程度大于超聲溫度對NaCl 含量影響的顯著程度。

超聲時(shí)間與超聲功率之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖見圖3。

圖3 超聲時(shí)間與超聲功率之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

響應(yīng)面圖陡峭，當(dāng)超聲溫度為零水平條件下，固定超聲時(shí)間，隨著超聲功率增加，NaCl 含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；這是由于超聲功率會促進(jìn)肌纖維的斷裂，細(xì)胞膜破壞，加速了NaCl 腌制液的滲透[30]，當(dāng)肌細(xì)胞中的腌制液濃度達(dá)到平衡后，腌制速度逐漸降低，NaCl 含量減小，這與Yunhe Zou 等人[31]利用超聲波輔助蒸煮增加醬牛肉中NaCl 含量的研究相符。由等高線圖可知，NaCl 含量的變化受超聲時(shí)間的影響趨勢大于NaCl 含量受到超聲功率的影響趨勢，即超聲時(shí)間對NaCl 含量影響的顯著程度大于超聲功率影響的顯著程度。

超聲溫度和超聲功率之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖見圖4。

圖4 超聲溫度和超聲功率之間交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

響應(yīng)面呈現(xiàn)一定規(guī)則的凸起，說明超聲功率和超聲溫度在水平范圍內(nèi)存在最佳值，即在超聲溫度為10 ℃，超聲功率為400 W 時(shí)，NaCl 含量達(dá)到最優(yōu)值；這是因?yàn)槌暅囟仍礁?，越有利于分子之間的流動，分子運(yùn)動速度越快，進(jìn)而促進(jìn)食鹽的滲透速度，但當(dāng)濃度一定時(shí)，隨著時(shí)間的延長，食鹽的滲透速度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢[32]。等高線圖表明NaCl 含量的變化受超聲溫度的影響趨勢顯著大于受到超聲功率的影響趨勢，符合模型分析。

4.2.3 最佳參數(shù)組合

利用Design Expert 軟件的Optimization 模塊對NaCl 含量的二次回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，以NaCl 含量為指標(biāo)，最優(yōu)組合為超聲時(shí)間100 min，超聲溫度10 ℃，超聲功率400 W，為檢驗(yàn)響應(yīng)面結(jié)果的可靠性，以最優(yōu)條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得到的試驗(yàn)值（3.91±0.04）和理論值（3.98±0.02）的誤差在一定范圍內(nèi)，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，表明二次回歸模型是可靠的。

4.3 超聲波輔助腌制下不同干燥條件對牛肉干干燥過程水分遷移的影響

牛肉干干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）圖-恒溫見圖5。

圖5 牛肉干干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）圖-恒溫

物料干燥過程本質(zhì)上是失去水分的過程，由圖5可知，牛肉干干基含水量范圍集中在3.64%～1.45%，隨著干燥時(shí)間的延長，牛肉干干基含水率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，干燥速率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。超聲處理組的水分含量下降速率高于對照組，在75 ℃條件下，超聲處理組水分含量下降更快，在60 min內(nèi)，由3.11%下降到2.30%，水分含量降低了0.81%，而對照組的水分含量下降較為緩慢，在60 min 內(nèi)僅下降了0.71%；這是因?yàn)槌暡ㄌ幚硎辜≡w維蛋白結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品的保水性能[26]，水分含量下降速率增快。牛肉干干燥特性也受到溫度的影響，在30 min 內(nèi)，US-H2 的水分含量由3.21%下降到2.71%，水分含量降低了0.50%，而US-H1 的水分含量由3.64%下降到了3.31%，僅下降了0.33%。這說明溫度越高，干燥速率越快?？傮w來看，干燥前180 min 干燥曲線較為陡峭，而180 min 之后干燥曲線逐漸趨于平緩，干基含水量在1.50%～1.90%變化，說明在此時(shí)牛肉干的水分趨于達(dá)到平衡含水量，這是因?yàn)樘岣吡丝諝鉁囟?，空氣的相對濕度降低，使得牛肉干表面濕度與空氣介質(zhì)濕度相差變大，水分子流動性強(qiáng)、擴(kuò)散快，促進(jìn)了牛肉干表面水分的迅速蒸發(fā)[33]，進(jìn)一步縮短了干燥時(shí)間；隨著時(shí)間的推移，干燥速率增長逐漸緩慢，含水量降低后濕度差變小，干燥速率變慢[34]。

牛肉干干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）圖-變溫見圖6。

圖6 牛肉干干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）圖-變溫

由圖6 可知，牛肉干干基含水量范圍集中在3.81%～1.15%，干基含水量隨著干燥時(shí)間的延長呈現(xiàn)下降的趨勢，在75 ℃和60 ℃條件下，前70 min 超聲處理組的水分含量下降快，而對照組的水分含量下降慢，超聲處理組的干燥速率大于對照組，但超聲處理組的優(yōu)勢并不明顯，與對照組相比，在70 min 內(nèi)75 ℃和60 ℃條件下的水分含量分別降低了0.05%和0.01%，到了后期則相反，在60 ℃條件下，超聲處理組在150 min 內(nèi)，水分含量由2.57%下降到1.79%，水分含量降低了0.78%，對照組的水分含量由2.95%下降到1.80%，水分含量降低了1.15%。這是因?yàn)槌暡óa(chǎn)生的空化效應(yīng)與機(jī)械作用越強(qiáng)，越有利于增強(qiáng)內(nèi)部水分的湍動性[26]，也有利于減弱水分與內(nèi)部組織細(xì)胞間的相互作用力[35-36]，進(jìn)而促進(jìn)水分的流失；而到了后期，超聲作用對削減肌細(xì)胞間相互作用力的效果達(dá)到了一個(gè)平衡，使得超聲處理組的干燥速率降低。同時(shí)，所有處理組在干燥過程中，75 ℃干燥過程均比60，65 ℃干燥過程所需時(shí)間短，這主要是由于高溫干燥處理導(dǎo)致牛肉干內(nèi)部的傳導(dǎo)速率和水分子的運(yùn)動加快，提高內(nèi)部擴(kuò)散速率[36]。這與葉維等人[37]研究魔芋熱泵干燥特性時(shí)發(fā)現(xiàn)干燥溫度對魔芋干燥曲線影響較大的研究結(jié)果一致。

5 結(jié)論

研究了不同超聲波處理?xiàng)l件下對牛肉干腌制及干燥的影響。結(jié)果表明，超聲波輔助腌制可以加快牛肉腌制速率，最佳超聲條件為超聲時(shí)間100 min，超聲溫度10 ℃，超聲功率400 W；以最優(yōu)超聲條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得到的試驗(yàn)值（3.91±0.04）和理論值（3.98±0.02）的誤差在一定范圍內(nèi)，滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求；此外，超聲波對牛肉干的干燥速率也有影響，恒溫條件下超聲處理組的干燥速率高于對照組，變溫條件下超聲處理組前期的干燥速率高于對照組，后期則相反。干燥溫度越高，牛肉干的內(nèi)部水分子運(yùn)動加快，干燥速率越快，為牛肉干的快速腌制和干燥提供指導(dǎo)。