低場核磁共振分析豬肉宰后成熟過程中的水分變化

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(1.中國勞動關(guān)系學(xué)院高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京 100048;2.北京市理化分析測試中心,北京 100094；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,教育部-北京市共建功能乳品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市高等學(xué)校畜產(chǎn)品工程研究中心,食品質(zhì)量與安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

低場核磁共振分析豬肉宰后成熟過程中的水分變化

甄少波1,劉奕忍2,郭慧媛3,王虎軍1,潘騰3,任發(fā)政3,*

(1.中國勞動關(guān)系學(xué)院高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京 100048;2.北京市理化分析測試中心,北京 100094；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,教育部-北京市共建功能乳品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市高等學(xué)校畜產(chǎn)品工程研究中心,食品質(zhì)量與安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

以三元雜交豬為對象,利用核磁共振技術(shù)分析豬肉不同相態(tài)水分的弛豫時(shí)間和含量比例,研究了不同保水性豬肉在宰后成熟過程中水分變化情況。結(jié)果表明:豬肉成熟過程中的核磁共振T2弛豫譜顯示3個(gè)峰,橫向弛豫時(shí)間分別為T21(2.127～2.541 ms)、T22(31.248～48.817 ms)和T23(167.086～275.782 ms)。宰后同一時(shí)間下低、中、高三組保水性豬肉T21及P21均無顯著性差異,與低保水性組相比,高保水性豬肉T22及T23均顯著降低,P22顯著升高,自由水比例P23顯著低于低保水性組(p<0.05)。宰后成熟過程中各組肉樣T21變化不大,T22和T23均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,并在宰后8 h達(dá)到最高值。成熟時(shí)間對P21無顯著性影響,但對P22和P23影響顯著(p<0.05)。核磁成像圖顯示肉樣亮度隨著成熟時(shí)間的延長而增加。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于研究肉品成熟過程中的水分變化具有重要意義,同時(shí)為解釋肉品保水性機(jī)理提供理論依據(jù)。

核磁共振,水分,弛豫時(shí)間,豬肉,成熟,保水性

水是畜肉中含量最高且非常重要的化學(xué)組分,肌肉中的水分含量大約為75%。肉品儲存水分的能力被稱為肉品的保水性(Water Holding Capacity,WHC),保水性是衡量肉品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一,它直接影響肉品的加工特性[1],原料肉中的水分含量和分布形態(tài)是影響肉與肉制品質(zhì)量和貨架期的重要因素[2-3]。探究肉品保水性已成為國內(nèi)外肉類領(lǐng)域的熱點(diǎn)[4]。常規(guī)的肉品保水性主要通過滴水損失、離心損失、蒸煮損失等方法來進(jìn)行測定[5]。這些傳統(tǒng)的檢測方法能夠反映肉的持水能力,但并不能反映肉品中水分的分布及遷移狀況,而且檢測過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,還會破壞樣品原有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。低場核磁共振技術(shù)(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)是一種新型的分析檢測技術(shù),它不僅能夠分析肉品的水分分布狀態(tài)、不同狀態(tài)水的含量及遷移過程,同時(shí)還可以進(jìn)行成像分析,是一種快速、高效、無損的光譜檢測技術(shù)[6]。國內(nèi)外學(xué)者用LF-NMR研究了宰前管理、蒸煮、凍結(jié)、解凍方式、冷卻工藝、腌漬等對冷卻肉保水性的影響[7],但是針對不同保水性豬肉在宰后成熟過程中肌肉內(nèi)部水分分布狀態(tài)及遷移規(guī)律的研究相對較少。

本文以三元雜交豬為實(shí)驗(yàn)對象,利用低場核磁共振技術(shù),動態(tài)檢測其脈沖 CPMG(carr-purcell-meiboom-gill sequence)序列信號,測定肉樣橫向弛豫時(shí)間T2,根據(jù)T2弛豫時(shí)間的反演圖譜,通過其時(shí)段信號和波峰位置的改變揭示不同保水性豬肉在宰后成熟過程中的水分分布狀態(tài)及遷移規(guī)律,探究冷卻豬肉保水性機(jī)理,并為核磁共振技術(shù)在肉品的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

杜長大三元雜交豬 30頭,北京華都豬場。

NMR PQ 001分析儀 上海紐邁電子科技有限公司;AY220電子天平 日本SHIMADZU公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 屠宰工藝 選取質(zhì)量為(90±5) kg的實(shí)驗(yàn)豬30頭。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天,所有豬在運(yùn)輸前已禁食禁水4 h,運(yùn)輸卡車為單層單欄設(shè)計(jì),車速約60 km/h,經(jīng)1.5 h運(yùn)輸?shù)竭_(dá)北京順鑫農(nóng)業(yè)鵬程食品分公司。所有豬經(jīng)3 h靜養(yǎng)后,采用三點(diǎn)式電擊暈(電壓85 V,時(shí)間3 s)處理。擊暈后,經(jīng)水平放血、熱燙(溫度 63 ℃,時(shí)間6 min)、剝皮、摘除內(nèi)臟、劈半等工藝,胴體進(jìn)入4 ℃冷庫冷卻24 h。

1.2.2 核磁肉樣處理 取宰后45 min、4、8、12、24 h后的豬胴體背最長肌,除去脂肪和筋膜,再切成8 mm×8 mm×15 mm的長方體肉條,切面要平整垂直,置于直徑12 mm的圓柱形玻璃管內(nèi)為核磁共振專用樣品管內(nèi),并用塑封膜將管口封好,再將樣品管放入直徑15 mm的核磁管中,在核磁共振成像儀中進(jìn)行測量。每個(gè)胴體測3個(gè)重復(fù)。

1.2.3 指標(biāo)測定

1.2.3.1 保水性測定 保水性采用滴水損失率方法測定。切取胴體冷卻24 h后第三與第四根肋骨間的背最長肌,去除脂肪和筋腱,切成3 cm×2 cm×2 cm的肉樣,稱重W1后,用鐵絲鉤住肉塊的一端,懸掛于聚乙烯的塑料袋中(肉樣不得與塑料袋壁接觸),扎緊袋口后懸掛于4 ℃冰箱內(nèi),24 h后取出并用濾紙擦去肉樣表面汁液,再次稱重W2。利用兩次稱量的重量差異計(jì)算肉的重量損失百分比,每頭胴體做3個(gè)平行。滴水損失(Drip Loss)計(jì)算公式如下:

滴水損失率(%)=[(W1-W2)/W1]×100

1.2.3.2 NMR 橫向弛豫時(shí)間(T2)測定 NMR橫向弛豫時(shí)間的測定在核磁共振分析儀上進(jìn)行。測定前儀器需預(yù)熱 30 min以上。測試條件為:質(zhì)子共振頻率設(shè)置為23.0 MHz,測量溫度為32 ℃,NMR 橫向弛豫時(shí)間T2用CPMG 序列(carr-purcell-meiboom-gill sequence)測量。所使用的參數(shù)為:90°脈沖和180°脈沖之間的時(shí)間τ值=200 μs、重復(fù)采樣NS=4、重復(fù)間隔時(shí)間TR=1800 ms、回波個(gè)數(shù) EchoCount=2000、采樣頻率SW=100 kHz。CPMG指數(shù)衰減曲線用儀器自帶的MultiExp Inv Analysis 軟件(上海紐邁電子科技有限公司)進(jìn)行反演,得到弛豫時(shí)間分布情況。

1.2.3.3 NMR核磁共振成像 NMR成像采用多層自旋回波(multi-slice spin echo,MSE)序列來產(chǎn)生自旋回波圖像。參數(shù)設(shè)置重復(fù)間隔時(shí)間TR=550 ms,回波間隔時(shí)間TE=20 ms。成像層厚為2 mm,圖像分辨率為128 像素×256 像素。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 13.0對所測30個(gè)肉樣的滴水損失率進(jìn)行聚類分析,不同滴水損失組之間的差異采用ANOVA方差分析及Ducan檢驗(yàn)(p<0.05),結(jié)果表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1聚類分析

根據(jù)滴水損失率的大小,將30個(gè)樣品分為滴水損失率小于2.8%、大于5.5%以及3.0%～5.5%之間三組,即低滴水損失組(n=5),高滴水損失組(n=4)和中滴水損失組(n=21)。三組滴水損失率的變異范圍分別是1.73%～2.72%,5.51%～6.53%和3.16%～4.98%。

2.2冷卻豬肉的低場核磁共振檢測

肉中水分存在的形式可分為三種,即結(jié)合水、不易流動水和自由水,三種水分的含量和存在狀態(tài)會影響肉的品質(zhì)和貯藏性。通過核磁共振原理可知,質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境不同,T2弛豫時(shí)間的長短也不相同,T2弛豫時(shí)間越短表明水與底物結(jié)合越緊密,水分自由度越低,T2弛豫時(shí)間越長表明水分與底物結(jié)合越松散,水分越自由[8]。NMR檢測所得到的樣品弛豫特性可以反映樣品內(nèi)部氫質(zhì)子所處的物理化學(xué)屬性。肌肉組織中1H核磁共振信號主要來自于水分子,核磁共振T2弛豫特性則能夠反映肌肉中水分子動力學(xué)特征。因此T2弛豫時(shí)間可以間接反映水分的自由度,從而表征出豬肉中水分的存在狀態(tài)。

圖1顯示的是冷卻24 h肉樣的NMR橫向弛豫時(shí)間T2的反演圖譜。從圖1中可以看出,肉樣在進(jìn)行NMR反演后的弛豫圖有3個(gè)峰,區(qū)間分別處于T21(1～10 ms)、T22(10～100 ms)和T23(100～1000 ms)。三個(gè)峰的分界明顯,弛豫時(shí)間和峰面積也明顯不同,這可以反映肉中水分存在的三種狀態(tài),T21為蛋白質(zhì)分子表面的極性基團(tuán)與水分子緊密結(jié)合的結(jié)合水,T22代表肌肉中存在于肌纖絲、肌原纖維及細(xì)胞膜之間的不易流動水,占肌肉中水分的絕大部分,T23表示存在于細(xì)胞外間隙中可自由流動的水,峰面積的差異代表不同狀態(tài)水的比例。這與Bertram等人的檢測結(jié)果完全相同[9]。也有其他學(xué)者通過LF-NMR在肉中檢測出不同數(shù)量的組分[10-11],與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致的原因可能是肉樣產(chǎn)生信號的不均勻可能會導(dǎo)致不同弛豫特性的質(zhì)子群,或是肉中存在不同狀態(tài)水之間的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的[12]。

圖1 冷卻24 h后豬肉的NMR橫向馳豫時(shí)間T2反演圖

2.3不同保水性豬肉宰后成熟過程中T2弛豫特性

不同保水性豬肉成熟過程中T2弛豫時(shí)間的變化如圖2所示。橫向弛豫時(shí)間可以反應(yīng)水分的自由度,T2分布的變化表征豬肉成熟過程中各狀態(tài)水分的結(jié)合狀態(tài)和自由移動程度。從圖2中可以看出,T21峰弛豫時(shí)間相對較短,介于 2.127～2.541 ms之間,隨著宰后成熟時(shí)間的延長,三組肉樣的T21呈現(xiàn)一定的下降趨勢,但各組肉樣在整個(gè)宰后成熟過程中下降幅度均在0.4 ms以內(nèi),統(tǒng)計(jì)結(jié)果并無顯著性差異(p>0.05),這表明宰后成熟作用對豬肉內(nèi)部結(jié)合水自由度的影響并不大。宰后同一時(shí)間下不同保水性豬肉的T21無顯著差異,表明T21代表的結(jié)合水對豬肉保水性的影響并不大。弛豫時(shí)間在 31.248～48.817 ms之間的T22峰波動比較明顯,T22在宰后8 h內(nèi)呈上升趨勢,并在宰后8 h達(dá)到最高值,之后平緩下降。這一結(jié)果表明宰后前期存在于肌原纖維內(nèi)部的不易流動水自由度增加,原因可能是宰后僵直使得肌纖維縱向收縮,肌細(xì)胞內(nèi)滲透壓增加致使細(xì)胞內(nèi)部空間膨脹造成胞內(nèi)水分子自由度增加。高保水性組的弛豫時(shí)間T22明顯低于中、低保水性兩組(p<0.05),說明高保水性豬肉內(nèi)部不易流動水與底物結(jié)合得更加穩(wěn)定。對于T23而言,其弛豫時(shí)間在167.086～275.782 ms之間,不同保水性豬肉的弛豫時(shí)間T23在宰后成熟過程中呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在宰后8 h達(dá)到最高值,這與Tornberg等人的研究結(jié)果一致[13]。

圖2 不同保水性豬肉在成熟過程中T2弛豫時(shí)間的變化

2.4不同保水性組宰后肌肉的水分分布及遷移規(guī)律

核磁共振反演軟件可自動算出譜圖上每個(gè)峰的峰面積,與樣品中氫質(zhì)子的數(shù)量成正比,各個(gè)峰面積比例可以反映樣品中不同狀態(tài)水分的含量比例,峰面積比例變化情況可以表征各種狀態(tài)水分群的分布狀態(tài)和流動遷移情況。不同保水性組豬肉在宰后成熟過程中T2弛豫峰的面積百分比如圖3所示,其中P21、P22、P23分別表示弛豫時(shí)間T21、T22、T23的弛豫峰面積百分比。從圖3中可以看出,宰后同一時(shí)間下,高保水性組P21雖略有上升,但相互之間并無顯著性差異(p>0.05)。三組肉樣的P21均隨著宰后成熟時(shí)間的延長呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,但肉在宰后成熟過程中的P21并無顯著性差異(p>0.05)。原因是肉在成熟過程中糖酵解產(chǎn)生的乳酸致使pH下降,當(dāng)pH達(dá)到或接近蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí),蛋白質(zhì)的凈電荷為零,相互靠近使其與水的水合作用減弱,所以表征結(jié)合水的P21減少[14],盡管如此,結(jié)合水占肌肉總體水分比例不到10%,因此宰后成熟過程中結(jié)合水對保水性無太大影響。

P22代表的是肉樣內(nèi)部不易流動水的比例。圖3顯示不同保水性組的P22具有顯著性差異(p<0.05),高保水性組豬肉P22明顯高于低保水性組,這與Bertram等人[15]的研究結(jié)果完全一致。本實(shí)驗(yàn)中高保水性組宰后24 h的P22為93.81%,比低保水性組高出3.5個(gè)百分點(diǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)P22隨著宰后成熟時(shí)間的延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,且在宰后8 h達(dá)到最高值,原因可能是宰后成熟早期肌肉無氧酵解使得肌細(xì)胞膜通透性增加引起了肌絲空間膨脹[16],使其吸水力增強(qiáng),導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分增加。隨后不易流動水比例減小,原因是肌肉pH進(jìn)一步降低使得肌原纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)收縮,鈣蛋白酶降解肌動骨架蛋白和細(xì)胞膜之間的連接蛋白,形成汁液流失通道,致使肌原纖維之間的的不易流動水轉(zhuǎn)移到肌原纖維外部,形成自由水[17]。

圖4 不同保水性豬肉在成熟過程中的核磁成像圖

自由水是肉中水分活度最大的水,宰后肉品的水分遷移是一個(gè)動態(tài)的過程,水分活度最大的自由水最先滴出,P23代表自由水的比例。因此,P23與冷卻肉的保水性關(guān)系非常密切。圖3可以看出,保水性越低的肉P23越高，低保水性組自由水比例P23顯著高于高保水性組(p<0.05)。此外,P23隨著宰后成熟時(shí)間的延長呈先下降后上升的趨勢。本實(shí)驗(yàn)中P23在宰后8～12 h內(nèi)降到最低值,隨后又有一定程度增加。原因可能是宰后早期肌絲空間膨脹吸水使胞外自由水轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)水,隨后P23增加是因?yàn)殡S著成熟后期僵直的進(jìn)行,肌節(jié)收縮變短,肌原纖維之間的水分被擠壓到外部空隙中,不易流動水逐漸轉(zhuǎn)化為自由水[18]。

圖3 不同保水性豬肉在宰后成熟過程中峰面積比例變化

2.5豬肉宰后成熟過程中的核磁成像分析

不同保水性豬肉宰后成熟過程中的核磁成像如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)采用的是質(zhì)子密度加權(quán)成像,能得到肌肉內(nèi)部的質(zhì)子密度圖,反映肉中氫質(zhì)子的分布,通常氫質(zhì)子越密集的區(qū)域,質(zhì)子密度圖譜越亮,表明該區(qū)域水分含量越高[19]。由圖4可以看出,宰后同一時(shí)間下,保水性越低,肉樣內(nèi)部形成汁液流失通道,所以肉樣成像圖片的亮度越高。此外,肉在宰后成熟不同階段,核磁成像亮度不同。宰后45 min時(shí)各組肉樣的核磁成像亮度差異不明顯,水分分布相對比較均勻,宰后12 h時(shí)的肉樣核磁成像邊緣亮度增高,肉樣在宰后24 h的邊緣和內(nèi)部亮度進(jìn)一步增加,低保水性組豬肉邊緣及內(nèi)部區(qū)域均呈現(xiàn)較大亮區(qū),這可能是由于肌肉成熟后期水分遷移率增大形成汁液流失通道造成的,這一結(jié)果與該組T23峰面積比例增加的結(jié)果也是一致的。由此可以得出,核磁共振成像技術(shù)作為一種無損檢測的新方法,可直觀地反映肉品的保水性。

3 結(jié)論

利用低場核磁共振及成像技術(shù)測定橫向弛豫時(shí)間,研究了不同保水性豬肉在成熟過程中的水分分布狀態(tài)及遷移情況。結(jié)果表明,低場核磁共振技術(shù)能夠很好地表征宰后成熟不同階段下豬肉中不同形式水分的分布和遷移狀況。根據(jù)T2弛豫譜的多組分特征和豬肉內(nèi)部水分特性,將豬肉成熟過程中的水分劃分為結(jié)合水、不易流動水和自由水三種水分狀態(tài),橫向弛豫時(shí)間T21(2.127～2.541 ms)定義為結(jié)合水,T22(31.248～48.817 ms)為不易流動水,T23(167.086～275.782 ms)定義為自由水;肉在成熟過程中T21變化不大,T22和T23呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,水分自由度先增加后下降;結(jié)合水比例P21在成熟過程中無顯著性差異,不易流動水比例P22和自由水比例P23變化顯著(p<0.05),呈相反趨勢,肉成熟過程中保水性的變化就是不易流動水和自由水的相互轉(zhuǎn)化遷移的結(jié)果;核磁共振成像技術(shù)可直觀反映豬肉內(nèi)部水分分布情況,能作為判斷豬肉保水性的依據(jù),為今后研究肉品水分提供了一種快速準(zhǔn)確的檢測方法,同時(shí)為屠宰行業(yè)動態(tài)監(jiān)測肉品保水性提供理論依據(jù)。

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Analysisofmoisturechangesofporkduringpostmortemagingbylow-fieldNMR

ZHENShao-bo1,LIUYi-ren2,GUOHui-yuan3,WANGHu-jun1,PANTeng3,RENFa-zheng3,*

(1.Higher Vocational and Technical College,China Institute of Industrial Relations,Beijing 100048,China;2.Beijing Centre for Physical and Chemical Analysis,Beijing 100094,China;3.Beijing Laboratory of Food Quality and Safety,College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing Higher Institution Engineering Research Center ofAnimal Product,Key Laboratory of Functional Dairy,Beijing 100083, China)

In order to investigate the moisture changes of pork with different water holding capacity during aging,a total of thirty Duroc×Large White×Landrace pigs were used in this study by using low-field nuclear magnetic resonance(LF-NMR),and transverse relaxation time and water propotion of different phase water were analysed. In the present investigation,three peaks were identified in pork during aging through the multi-exponential fitting of the bulk NMR T2transverse relaxation time data. The peaks were directly related to three water components T21(2.127～2.541 ms),T22(31.248～48.817 ms)and T23(167.086～275.782 ms). Compared with low WHC group,T22,T23and P23decreased significantly in high WHC group,while P22increased dramatically,T21and P21was not significantly different from the three groups. During postmortem aging,the general trend of T22and T23increased firstly and declining,and reached the highest value at 8 h postmortem,the water molecules mobility of immobilized water and free water had the same trend,while T21changed little. The proportion of free water P22increased initially and then decreased during aging,while the opposite trend was detected for the proportion of free water P23. The NMR images showed that the brightness of pork increased during aging. The results was of important significance to study the moisture changes of pork during postmortem aging,and it could provide theoretical basis for explain the mechanism of water holding capacity of meat.

nuclear magnetic resonance;moisture;transverse relaxation time;pork;aging;water holding capacity

2017-04-01

甄少波(1983-)，男，博士，副教授，研究方向：食品加工，E-mail：zhenshaobo@139.com。

*

任發(fā)政(1962-)，男，博士，教授，研究方向：畜產(chǎn)品加工，E-mail：renfazheng@263.net。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市生豬產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(BAIC02-2017)。

TS252.1

A

1002-0306(2017)22-0066-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.014