庾 坤,趙良忠, ,李 明,3,黃展銳,周曉潔,尹世鮮,劉斌斌,舒 敏
(1.邵陽學院食品與化學工程學院,湖南邵陽 422000;2.豆制品加工與安全控制湖南省重點實驗室,湖南邵陽 422000;3.廣州佳明食品科技有限公司,廣東廣州 511458;4.勁仔食品集團股份有限公司,湖南岳陽 414000)
湘味鹵牛肉是湖南地域重要的傳統鹵肉制品,以獨特的口感和風味,受廣大消費者追捧。目前,企業(yè)生產工藝多采用基于夾層鍋設備的傳統鹵制技術,需鹵制4~6 h,存在生產效率低、鹵制工藝科學性差技巧性強、原輔料損失率高、香辛料特征成分揮發(fā)損失大等問題,限制湘味鹵牛肉工業(yè)化和程序控制化。
現階段鹵牛肉研究主要集中于前期腌制、貯藏保鮮、調味工藝等方面,加之湘味鹵牛肉需在鹵汁中多次浸漬熱鹵,適合其生產工藝需求的僅有真空鹵制、微壓鹵制、脈沖鹵制等工藝。顧思遠與高幫君分別以牛肉與鴨腿肉為原料,對其真空低溫鹵制工藝進行研究,結果發(fā)現真空鹵制可提高二者出品率,改善產品食用品質,但鹵制時間較長。郭昕等研究發(fā)現,加壓與常壓相比可提高豬肉腌制速率,促進腌制液吸收。此外,團隊前期設計出一種脈沖鹵制設備,通過真空和微壓、冷鹵和熱鹵交替,產生流體動力學、機械變形松弛和毛細管力等作用,促進鹵汁擴散和加速溶質傳質。李海濤等利用脈沖鹵制設備將湘味休閑豆干鹵制時長由8 h 縮短至80 min,微生物數量從傳統鹵制的3.70×10降低至1.80×10CFU/g,減少4 個數量級。伍濤等發(fā)現傳統鹵制的鹵汁、豆干中的N()羧甲基賴氨酸與N()羧乙基賴氨酸含量均高于脈沖鹵制,脈沖鹵制有良好的安全性。而在改進工藝提升鹵制效率、鹵制過程中傳質動力學、牛肉微觀結構變化等方面的研究較少。
綜上,本研究采用脈沖鹵制設備制作湘味鹵牛肉,以傳統鹵制為對照,比對真空、微壓、脈沖鹵制過程中NaCl 傳質動力學及牛肉感官品質、質構特性、微觀結構變化,確定最佳鹵制工藝。對提升生產效率,降低原輔料損失、湘味鹵牛肉工業(yè)化和程序控制化具有重要意義。
廣能牛腿肉、鹽、醬油、鹵料以及配料 市售;基準NaCl、AgNO、KCrO、COHO、乙醇、戊二醛、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉 國藥集團化學試劑有限公司。
FYLZ-1 型脈沖鹵煮機(真空脈沖鹵制設備)如圖1 所示 北京康得利機械設備制造有限公司;JM8013 型多功能蒸煮鍋 廉江市聚一美電器有限公司;LS-5 型物性測定儀 美國AMETEK 有限公司;CR-400 型便攜式色差儀 日本柯尼卡美能達公司;TESCAN MIRA4 型掃描電鏡 捷克泰思肯有限公司。
圖1 鹵制設備Fig.1 Marinated equipment
1.2.1 鹵制前處理
1.2.1.1 牛肉原料選取與前處理 選擇新鮮牛后腿肉(要求色澤紅潤,脂肪、筋膜含量少,無腐敗味),進行焯水處理(牛肉剔除多余筋膜和脂肪,于95 ℃焯水8 min),再切塊定型(2.5 cm×3 cm×4 cm)。
1.2.1.2 湘味鹵汁制作 60 kg 水中加入小茴600 g、八角500 g、香果250 g、草果250 g、山230 g、砂仁150 g、白芷120 g、桂皮100 g、香葉100 g、甘草70 g、白扣60 g、花椒50 g、母丁香30 g、公丁香30 g、蓽撥250 g,沸騰后中小火熬制成50 kg 水,過300 目濾布加入食鹽1500 g,醬油310 g,焦糖27 g。
1.2.2 鹵制工藝研究 真空和微壓鹵制階段,以傳質系數和感官評分為評價指標;脈沖鹵制以牛肉感官評分為評價指標;并對真空、微壓、常壓、脈沖鹵制最佳鹵制工藝條件下的湘味鹵牛肉進行質構特性、色差、微觀結構分析。各鹵制工藝中,牛肉與鹵汁質量比均為1:50。
1.2.2.1 傳統鹵制 將前處理完成后的牛肉放入多功能蒸煮鍋中鹵制,設置鹵制條件為常壓,95℃。
1.2.2.2 真空鹵制 將前處理完成后的牛肉放入鹵制罐中鹵制,為鹵汁控制在沸點以下,根據不同壓力下水的沸點,分別設定-30 kPa,90 ℃;-40 kPa,85 ℃;-50 kPa,80 ℃;-50 kPa,75 ℃;-60 kPa,73 ℃ ;5 組鹵制條件。
1.2.2.3 微壓鹵制 將前處理完成后的牛肉放入鹵制罐中鹵制,分別設定+40 kPa,95 ℃;+50 kPa,90 ℃;+50 kPa,95 ℃;+50 kPa,100 ℃;+60 kPa,95 ℃ ;5 組鹵制條件。
1.2.2.4 脈沖鹵制 將真空和微壓鹵制階段傳質速率最快的鹵制條件結合成脈沖鹵制,鹵制時長3 h,按表1 進行脈沖頻次工藝設定,按以下流程進行操作。
表1 脈沖頻次工藝設計Table 1 Pulse frequency process design
牛肉→放入鹵制罐→吸入熱鹵汁→抽真空→真空鹵制→回收熱鹵汁→吸入冷卻鹵汁→真空冷卻→回收冷卻鹵汁→泵入熱鹵汁→加壓→微壓鹵制→回收熱鹵汁→吸入冷卻鹵汁→真空冷卻→回收冷卻鹵汁→循環(huán)該過程→產品。
1.2.3 鹵制過程中傳質動力學
1.2.3.1 牛肉質量變化率、水分含量變化率和鹽分變化率,按式(1)~式(3)計算。
式中:△M、M、M:分別為牛肉在t 時刻的質量變化率,t 及0 時刻的質量,%;△M、X、X:分別為牛肉在t 時刻的水分含量變化率、t 及0 時刻的水分含量,%;△M、X、X:分別為牛肉鹽分變化率、t 及0 時刻牛肉的鹽度,%。
1.2.3.2 傳質動力學模型
式 中:△M包 括△M、△M、△M;1+k:截距,可反映0 時刻的傳質情況,與流體力學的壓力梯度有關;k:斜率,由動力學擴散機制決定。
1.2.3.3 牛肉水相的鹽度Z計算
式中:X、X分別為牛肉的鹽度和水分含量,%。
1.2.3.4 傳質平衡方程
式中:Z、y—分別為達到平衡時牛肉水相與鹵汁的鹽度,%;k—0 時刻牛肉與鹵汁的質量比;X、X、y、y—分別為牛肉和鹵汁在0 時刻水分含量及鹽度,%。因牛肉與鹵汁質量比達1:50,可認定Z、y即為y。
1.2.3.5 擴散系數(De)
式中:Y:牛肉水相與鹵汁之間的傳質推動力;l:牛肉高度的一半,m;De:擴散系數,m/s;Z、Z、y:分別為牛肉水相在0、t 時刻的鹽度以及鹵汁中t 時刻的鹽度,%;k:傳質動力學校正系數。
1.2.4 品質指標檢測
1.2.4.1 水分測定 參照GB 5009.3-2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》。
1.2.4.2 鹽度(氯化物)測定 參照GB 5009.44-2016《食品安全國家標準 食品中氯化物的測定》。
1.2.4.3 色差測定 采用色差儀對牛肉亮度(L)、紅度(a)、黃度(b)測定。
1.2.4.4 質構測定 參照李海濤等的方法稍作修改。采用P35 圓柱型平底探頭測定,設定測前、中、后速度分別為40、30 和40 mm/s,下壓距離為40%,中間停留時間為5 s,觸發(fā)力為0.05 N。樣品采用5 點取樣法對肌纖維平行面進行測定,取其平均值。
1.2.4.5 掃描電鏡 參照閆曉晶的方法稍作修改。將樣品順著肌纖維方向切成2 mm×2 mm×5 mm的肉塊,置于質量分數2.5%的戊二醛中固定48 h后用0.1 mol/L 的磷酸鹽緩沖液清洗,再用蒸餾水清洗,采用體積分數為25%、50%、70%、95%、100%的乙醇梯度脫水1 h,共2 次,再經冷凍干燥揮去溶劑,噴金,用掃描電鏡進行觀察。
1.2.4.6 感官品質 邀請食品專業(yè)的學生男女各5 名,培訓后按照感官評分標準進行評分,評價過程采用盲評法,總分為100 分,最終結果取平均值,評分標準見表2。
表2 鹵牛肉感官評分標準表Table 2 Sensory scoring standard of marinated beef
使用SPSS 25 對進行數據顯著性分析(顯著水平為<0.05)、Origin 2018 進行繪圖。
2.1.1 真空鹵制與傳統鹵制對鹵牛肉△M與△M的影響 由圖2、圖3 可知,真空鹵制過程中,牛肉的△M與△M在一定范圍內隨鹵制溫度升高而增大,隨鹵制壓力降低而降低,隨鹵制時間延長逐漸減緩。4.5 h 時傳統鹵制△M(-28.13%)、△M(-26.32%)顯著高于各真空鹵制條件(<0.05),其中-60 kPa,73 ℃鹵制條件下△M(-24.33%)、△M(-22.98%)最低。原因可能是,鹵制過程中,牛肉質量變化主要由水分流失、脂肪熔化、蛋白質溶解、肌肉碎解和NaCl 傳質等引起。水分流失主要由蛋白質受熱變性、水溶性蛋白溶解引起,鹵制加熱時,肌原纖維蛋白變性收縮,引起肌束收縮,導致細胞受擠壓,細胞膜破損,水分流出;加熱還引起了肌動蛋白、肌球蛋白結構疏張,疏水基團暴露,肌肉保水性降低。另一方面蛋白質變性速率與溫度成正比,溫度越高水分損失越快,所以傳統鹵制與-30 kPa,90 ℃鹵制條件下△M、△M高于其它各組,這與彭子寧等的研究結果相似。鹵制壓力對△M與△M的影響,原因可能是,壓力降低,活化分子數降低,蛋白質變性、溶解速率降低,分子運動速度變慢,物質交換率降低。
圖2 真空鹵制與傳統鹵制牛肉的△MmtFig.2 Vacuum and traditional marinated beef △Mmt
圖3 真空鹵制與傳統鹵制牛肉的△MwtFig.3 Vacuum and traditional marinated beef △Mwt
2.1.2 真空鹵制與傳統鹵制對鹵牛肉△M與De 的影響 由圖4 可知,真空鹵制過程中,牛肉的△M在一定范圍內隨鹵制溫度升高而增大、隨壓力降低而增大。4.5 h 時,-50 kPa,80 ℃鹵制條件下的△M(1.12%)高于其它各組,但差異不顯著(0.05)。原因可能是,NaCl 傳質依靠鹵汁和牛肉之間鹽度的濃度差產生傳質驅動力所驅動,但傳質驅動力受溫度、壓力、牛肉微觀結構、蛋白質變性程度、水分遷移等影響。一定范圍內,溫度升高,分子運動速度加快,傳質驅動力增大,NaCl 傳質速率增加。鹵制壓力降低對NaCl 傳質速率的影響,原因可能是在真空下,牛肉內部初始壓力高于鹵制環(huán)境壓力,牛肉向外疏張,增大肌纖維束之間的間隙,傳質阻力減小,NaCl 傳質速率加快,真空度越大肌纖維束的間隙越大,傳質效果越明顯。
圖4 真空鹵制與傳統鹵制牛肉的△MNtFig.4 Vacuum and traditional marinated beef △MNt
由表3 可知,真空鹵制條件與傳統鹵制對牛肉傳質系數(De)及其動力學參數的的影響(≥0.8995)。其中,-50 kPa,80 ℃的De(1.91×10m/s)最大,高于-30 kPa,90 ℃的De(1.70×10m/s)與傳統鹵制的De(1.64×10m/s),說明真空鹵制階段壓力降低可有效減低傳質阻力,提高傳質效率;而高于-50 kPa,75 ℃的De(1.65×10m/s),說明溫度升高可有效提高傳質驅動力,提高傳質效率。
表3 真空鹵制與傳統鹵制的動力學參數Table 3 Kinetic parameters of vacuum marinated versus traditional marinated
2.1.3 真空鹵制與傳統鹵制對鹵牛肉感官評分的影響 由圖5 可知,隨鹵制時間延長,傳統鹵制與各真空鹵制條件下的牛肉感官評分先升高后降低,其中,-50 kPa,80 ℃在3 h 時,感官評分達至最佳85.2 分,高于其它真空鹵制條件的最佳感官評分,傳統鹵制在4 h 時,感官評分達至最佳為83.6 分,但低于-50 kPa,80 ℃鹵制條件,原因可能是傳統鹵制傳質速率慢,當達到合適鹽度時,牛肉因長時間高溫鹵制質構特性破壞嚴重,導致感官評分較低。綜上,真空鹵制階段,以De 值大小與感官評分評判出-50 kPa,80 ℃,鹵制時長3 h 為最佳真空鹵制條件。
圖5 真空鹵制與傳統鹵制牛肉的感官評分Fig.5 Vacuum and traditional marinated beef sensory scores
2.2.1 微壓鹵制對鹵牛肉△M與△M的影響 由圖6、圖7 可知,微壓鹵制過程中,牛肉的△M、△M隨鹵制壓力、溫度升高而增大。4.5 h 時+50 kPa,100 ℃的△M(-30.21%)、△M(-29.45%)最高,+50 kPa,90 ℃的△M(-28.89%)、△M(-28.32%)最低,但均顯著高于4.5 h 時的各真空鹵制條件與傳統鹵制的△M與△M(<0.05)。原因可能是,高溫高壓下蛋白質變性、溶解、脂肪熔化可在短時間內完成,導致水分快速流失,且超過一定時間,還會引起牛肉結締組織降解,肌肉碎解,導致微壓鹵制階段牛肉營養(yǎng)物質流出高于各真空鹵制條件與傳統鹵制。
圖6 微壓鹵制牛肉的△MmtFig.6 Pressurization marinated beef △Mmt
圖7 微壓鹵制牛肉的△MwtFig.7 Pressurization marinated beef △Mwt
2.2.2 微壓鹵制對鹵牛肉△M與De 的影響 由圖8 可知,微壓鹵制過程中,牛肉△M隨溫度、壓力升高先增大后降低。4.5 h 時+50 kPa,95 ℃鹵制條件△M(1.08%)最大,顯著高于傳統鹵制與其它微壓鹵制條件(<0.05),與-50 kPa,80 ℃鹵制4.5 h的△M(1.12%)無顯著差異(>0.05),原因可能是,微壓鹵制通過增強鹵制壓力增大細胞膜滲透性,增加分子運動速度,提高傳質驅動力,協迫鹵汁快速滲入牛肉內部,NaCl 傳質速率增大。但溫度與壓力過高,△M降低,原因可能是,肌原纖維蛋白變性形成凝膠硬度速度與溫度成正比,高壓對該現象有催化效果,導致牛肉在+50 kPa,100 ℃與+60 kPa,95 ℃鹵制時,蛋白質完成變性時間更短,在鹵制前期外表快速形成硬膜,內部肌漿蛋白快速聚集堵住肌纖維束間隙,增大傳質阻力,不利于NaCl 傳質。
圖8 微壓鹵制牛肉的△MNtFig.8 Pressurization marinated beef △MNt
由表4 可知,微壓鹵制條件對牛肉De 及其動力學參數的影響(≥0.9000)。其中,+50 kPa,95 ℃的De(1.92×10m/s)最大,高于傳統鹵制、+40 kPa,95 ℃的De 值,說明在一定范圍內,增加鹵制壓力,可增加傳質驅動力,提高傳質速率;而+50 kPa,100 ℃與+60 kPa,95 ℃的De 值低于+50 kPa,95 ℃,說明溫度與壓力過高,會導致蛋白質快速變性,增加傳質阻力,不利于傳質速率提升。
表4 微壓鹵制牛肉動力學參數Table 4 Kinetic parameters for pressurization marinated
2.2.3 微壓鹵制對鹵牛肉感官評分的影響 由圖9可知,隨鹵制時間延長,各微壓鹵制條件下的牛肉感官評分先升高后降低,其中,+50 kPa,95 ℃在3 h 時鹵牛肉感官評分達至最佳為86.1 分,且高于傳統鹵制與其它微壓鹵制條件的最佳感官評分,原因可能是其它微壓鹵制條件傳質速率較慢,鹵汁中風味成分進入牛肉中較少,導致感官評分較低。綜上,微壓鹵制階段,以De 值大小與感官評分評判出+50 kPa,95 ℃,鹵制時長3 h,為最佳微壓鹵制條件。
圖9 微壓鹵制牛肉的感官評分Fig.9 Pressurization marinated beef sensory scores
2.3.1 脈沖頻次對鹵牛肉△M與△M的影響 由圖10、圖11 可知,在-50 kPa,80 ℃與+50 kPa,95 ℃結合的脈沖鹵制中,牛肉△M、△M隨脈沖頻次增加顯著降低(<0.05)。3 h 時脈沖工藝一△M(-24.68%)、△M(-24.17%)最高,脈沖工藝四的△M(-23.36%)、△M(-22.63%)最低,介于鹵制3 h 后-50 kPa,80 ℃與+50 kPa,95 ℃的△M、△M之間。原因可能是,相比真空鹵制,脈沖鹵制結合了微壓鹵制環(huán)節(jié),蛋白質變性,水分流失較真空鹵制劇烈。相比微壓鹵制,結合了真空與冷卻階段,且隨脈沖頻次增加,冷卻時間延長,可有效緩解蛋白質變性與降解,利于牛肉質量與水分保持。
圖10 脈沖鹵制牛肉的△MmtFig.10 Pulsed marinated beef △Mmt
圖11 脈沖鹵制牛肉的△MwtFig.11 Pulsed marinated beef △Mwt
2.3.2 脈沖頻次對鹵牛肉△M與De 的影響 由圖12 可知,脈沖鹵制3 h 內,△M隨脈沖頻次增加而增加,脈沖工藝四△M(1.07%)最高,且顯著高于鹵制3 h 時的傳統鹵制(0.84%)、-50 kPa,80 ℃(1.00%)、+50 kPa,95 ℃(0.96%)條件下的△M(<0.05)。這是因為真空或微壓鹵制過程中,牛肉內部壓力與鹵制環(huán)境壓力接近時,壓力對傳質驅動力提升效果降低。而在脈沖鹵制中,牛肉可在真空和微壓不斷變換,導致牛肉內部各個小環(huán)境壓力不斷變化,肌纖維間始終有大小不一間隙,微壓再協迫鹵汁快速滲入,提高NaCl 傳質速率。隨脈沖頻次增加該過程加快,減緩牛肉內外壓力隨著時間趨于平衡引起傳質驅動力下降,提升傳質速率,與Mayara 等增加脈沖頻次提升魚片腌制速率的結果相似。
圖12 脈沖鹵制牛肉的△MNtFig.12 Pulsed marinated beef △MNt
由表5 可知,脈沖鹵制的De 值介于2.62×10~2.97×10m/s 之間(≥0.9162),高于傳統鹵制、真空鹵制以及微壓鹵制的De 值,說明脈沖可有效提升傳質速率。但與楊登玲等采用微波加熱鴨肉的De(2.97×10m/s)相比較低,可能是因為牛肉在預煮時,表面蛋白質變性,形成硬膜,增加了傳質阻力;另外牛肉與鴨肉在肌肉結構上有一定差異,以及牛肉切塊體積大于鴨肉,相對表面積低,導致NaCl 傳質速率減小。
表5 脈沖鹵制動力學參數Table 5 Kinetic parameters of pulsed marinated
2.3.3 脈沖鹵制對鹵牛肉感官評分影響 由圖13 可知,脈沖鹵制工藝三,鹵制到2.7 h 時,感官評分(89.6 分)顯著高于其它工藝(<0.05)。其中,脈沖工藝三優(yōu)于脈沖工藝四,原因可能是牛肉需要熟化時間使腥味物質揮發(fā),通過美拉德反應產生醛類、酮類等風味物質增加肉香味,脈沖工藝四,傳質速率過快,牛肉達到熟化時間時,NaCl 含量較高,影響感官評分。傳統鹵制感官評分低,是因為傳質速率慢,鹵味和咸度達到時,牛肉質構特性因高溫長時間鹵制破壞嚴重,影響感官評分。綜上,最佳脈沖鹵制工藝條件為脈沖工藝三,鹵制2.7 h。
圖13 脈沖鹵制牛肉的感官評分Fig.13 Pulsed marinated beef sensory scoring
由表6 可知,脈沖工藝三的牛肉質構特性顯著高于另外三種鹵制工藝(<0.05),證明鹵制時間過長,導致牛肉質構特性降低,影響牛肉口感,不利于感官品質提升。色差方面,脈沖鹵制與傳統鹵制L值顯著低于其它各組(<0.05),是因為L變化由鹵汁的吸附量與美拉德反應程度影響,脈沖傳質速率快,鹵汁吸收多;傳統鹵制鹵制時間長,美拉德反應程度深引起。
表6 不同鹵制工藝牛肉的質構、色差數據Table 6 Texture and color difference data of beef with different marinated techniques
表7顯示了牛肉脈沖、真空、微壓、傳統鹵制工藝△M、△M與△M的動力學參數,≥0.9387,該模型可較好預測四種鹵制工藝△M、△M、△M隨時間的變化。k值一定程度上可反映變化速率快慢,脈沖工藝三△M的k值最高,說明脈沖鹵制相對另外三種鹵制工藝傳質速率更快,可縮短鹵制時間。
表7 不同鹵制工藝牛肉△Mmt、△Mwt、△MNt 預測模型參數Table 7 Beef with different marinated techniques △Mmt、△Mwt、△MNt predictive model parameters
由圖14 可知,脈沖鹵制工藝的牛肉肌纖維束完整度最接近空白對照組,肌纖維束輪廓完整,因此質構特性優(yōu)于其它工藝,營養(yǎng)成分流失更少,△M更低;肌纖維束之間間隙保留較好,有利于鹵汁快速滲透,De 值更高。微壓鹵制和傳統鹵制由于鹵制溫度高,肌纖維束破壞嚴重,出現肌原纖維小片,肌纖維束之間間隙被解體的蛋白質聚集堵塞,傳質阻力增大,后續(xù)不利于鹵汁滲透及風味物質傳質。傳統鹵制肌纖維束還出現團塊結構裂解,導致質構特性顯著劣于其它工藝。與陳美玉等發(fā)現長時間加熱牛肉微觀結構會出現團塊結構破碎現象的結果相似。
圖14 不同鹵制工藝牛肉微觀結構(200×)Fig.14 Different marinated techniques beef microstructure (200×)
通過對傳統鹵制、真空鹵制、微壓鹵制階段的NaCl 傳質動力學研究得出,傳統鹵制傳質系數為1.64×10m/s。真空鹵制與微壓鹵制條件中-50 kPa,80 ℃與+50 kPa,95 ℃?zhèn)髻|速率最快,De 值分別為1.91×10m/s 與1.92×10m/s,分別在3 h 時感官評分達至最佳為85.2 與86.1 分。將二者結合成脈沖鹵制,通過感官評分優(yōu)化出最佳脈沖鹵制工藝條件為:-50 kPa,80 ℃結合+50 kPa,95 ℃,脈沖頻次4 次,鹵制時長2.7 h。此工藝下,湘味鹵牛肉最佳感官評分達至89.6 分,De 值為2.71×10m/s。脈沖鹵制在質構特性上相比另外三種工藝有顯著提升(<0.05);質量變化率顯著低于微壓鹵制與傳統鹵制(<0.05)。電鏡掃描結果顯示,脈沖鹵制對牛肉微觀結構影響最小,有助于NaCl 傳質與保持質構特性。脈沖鹵制可有效提升湘味鹵牛肉鹵制效率,縮短鹵制時間,減少鹵制原輔料損失,提高出品率。