發(fā)酵時(shí)間對(duì)半干型發(fā)酵牛肉干品質(zhì)及 蛋白質(zhì)構(gòu)象的影響

趙改名，焦陽(yáng)陽(yáng)，祝超智,，李佳麒，李珊珊，銀 峰，張文華

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.國(guó)家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中衛(wèi)站，寧夏 中衛(wèi) 750000）

牛肉有高蛋白、低脂肪等顯著優(yōu)勢(shì)，因此近年來(lái)牛肉制品受到廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)[1]。傳統(tǒng)牛肉干制品質(zhì)地較硬，風(fēng)味單一，不適宜中老年人食用。而半干型牛肉干水分含量高（20%～50%）[2]、嫩度好，可滿足大多數(shù)消費(fèi)者的需求。發(fā)酵工藝賦予牛肉產(chǎn)品獨(dú)特的風(fēng)味并提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[3]，同時(shí)降低水分含量、水分活度、抑制食品中病原體（如金黃色葡萄球菌等）的滋生，從而提高食品的安全性[4]。因此，可將發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于半干型牛肉干的生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)出口感好、有安全保障的新產(chǎn)品。發(fā)酵肉制品常用的發(fā)酵劑主要有酵母菌、霉菌、乳酸菌，其在發(fā)酵肉制品中發(fā)揮獨(dú)特的作用，其中乳酸菌至關(guān)重要。乳酸菌發(fā)酵可產(chǎn)生大量乳酸，研究表明[5-7]，乳酸可通過(guò)弱化肌原纖維、結(jié)締組織提高肉的嫩度。

目前，關(guān)于發(fā)酵牛肉產(chǎn)品的研究主要集中在優(yōu)勢(shì)菌種的篩選、發(fā)酵劑的研發(fā)及相關(guān)產(chǎn)品的工藝優(yōu)化等方面。趙改名等[8]以云南自然發(fā)酵火腿為原料，篩選1 株產(chǎn)酸能力、發(fā)酵特性及對(duì)NaCl、NaNO2的耐受性均較好的乳酸菌，其被鑒定為戊糖片球菌。Arief等[9]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵可降低牛肉香腸的pH值與水分含量，減緩脂質(zhì)氧化速率，抑制腐敗菌的生長(zhǎng)，且延長(zhǎng)貨架期。李艷青等[10]對(duì)發(fā)酵牛肉香腸的工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳發(fā)酵工藝條件，其中乳酸菌的最適添加量為106CFU/g，最適溫度為30 ℃，最適發(fā)酵時(shí)間為60 h。張金鐸等[11]研究發(fā)現(xiàn)干酪乳桿菌添加量為107CFU/g時(shí)，發(fā)酵牛肉串符合各項(xiàng)指標(biāo)要求。發(fā)酵過(guò)程中，蛋白質(zhì)發(fā)生不同程度的降解，蛋白質(zhì)構(gòu)象也會(huì)隨之變化[12]。拉曼光譜技術(shù)具有快速、無(wú)損、樣品量少等特點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)被運(yùn)用到檢測(cè)肉類蛋白結(jié)構(gòu)變化[13]。

本實(shí)驗(yàn)將沙克乳桿菌加入牛肉中分別發(fā)酵0、12、24、36、48、60 h。通過(guò)對(duì)水分含量、水分分布、pH值、水分活度、剪切力及感官評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定及電子鼻的主成分分析（principal component analysis，PCA），對(duì)不同發(fā)酵時(shí)間半干型發(fā)酵牛肉干的品質(zhì)進(jìn)行比較研究，并采用拉曼光譜技術(shù)研究不同發(fā)酵時(shí)間半干型發(fā)酵牛肉干蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化，以期為發(fā)酵牛肉產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與研究提供理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實(shí)驗(yàn)所需牛肉的大黃瓜條部位購(gòu)于河南伊賽公司；沙克乳桿菌為傳統(tǒng)臘肉中篩選，來(lái)自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

MRS肉湯培養(yǎng)基 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任 公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BYXX-50型煙熏箱 中國(guó)艾博公司；MODEL2000型沃布剪切力儀 美國(guó)G-R公司；SMART System 5水分測(cè)量系統(tǒng) 美國(guó)CEM公司；35172 BRUZ拍打均質(zhì)機(jī) 法國(guó) AES Chemunex公司；HI 99163便攜pH計(jì) 德國(guó)Hanna公司；AL104電子天平梅特勒 托利多儀器（上海） 有限公司；GHY-3010超級(jí)恒溫槽 中國(guó)凡帝朗科技公司；PEN3電子鼻 德國(guó)Airsense公司；IPC-810B核磁共振成像儀 上海紐邁電子科技有限公司；Raman HR Evolution拉曼光譜儀 法國(guó)HORIBA公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備工藝流程

將原料肉除去筋膜脂肪，修整為3 cm×1 cm×1 cm塊狀。在修整好的牛肉塊中加入食鹽1.2%、糖1%、葡萄糖1.2%、亞硝酸鈉0.01%、D-異抗壞血酸鈉0.03%，4 ℃腌制24 h。菌液離心后棄去培養(yǎng)基，取離心管菌體沉淀，接種量為107CFU/g，發(fā)酵劑均勻涂抹在樣品表面，25 ℃分別發(fā)酵0、12、24、36、48、60 h。取發(fā)酵后的牛肉，加入等質(zhì)量的清水鹵煮，使用功率3 500 W煮沸后轉(zhuǎn)1 800 W至湯汁收干后即可。將烤盤置于烘箱中，100 ℃烘烤15 min，翻面后70 ℃烘烤35 min，最后取出翻面于70 ℃烘烤20 min。室溫保存以待檢測(cè)。

1.3.2 pH值測(cè)定

參考GB 5009.237—2016《食品pH值的測(cè)定》[14]。

1.3.3 剪切力測(cè)定

參考Li Miaoyun等[15]的方法并略作修改。使用沃布剪切力儀垂直方向切下樣品肌纖維，每組樣品重復(fù)測(cè) 定5 次。

1.3.4 水分含量測(cè)定

將樣品切為碎末狀，置于SMART System 5水分測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量其水分含量。

1.3.5 水分活度測(cè)定

采用水分活度儀進(jìn)行測(cè)定。

1.3.6 水分分布的測(cè)定

參考焦陽(yáng)陽(yáng)等[16]的方法并略作修改，取2 g樣品，包裹保鮮膜后置于圓柱形玻璃試管底部，每個(gè)樣品重復(fù)3 次，使用紐邁核磁共振分析應(yīng)用軟件Ver 4.0軟件對(duì)橫向弛豫時(shí)間（T2）進(jìn)行反演。

1.3.7 電子鼻的測(cè)定

參考孟舒雨等[17]的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行電子鼻測(cè)定。

1.3.8 拉曼光譜測(cè)定

將樣品修整為0.5 cm×0.5 cm×0.2 cm塊狀，置于50 倍鏡頭下，調(diào)整好鏡頭與樣品的距離至成像清晰后，對(duì)樣品開(kāi)始掃描，固定波長(zhǎng)532 nm，功率衰減片為25%，曝光時(shí)間15 s，掃描范圍為400～2 000 cm－1，每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

1.3.9 感官評(píng)價(jià)

邀請(qǐng)食品專業(yè)20 名學(xué)生，按表1對(duì)加工后半干型發(fā)酵牛肉干的組織狀態(tài)、色澤、風(fēng)味、咀嚼性共4 組指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)指標(biāo)最高分均為25 分。

表1 感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for sensory evaluation of semi-dried fermented beef jerky

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析及PCA，數(shù)據(jù)以±s表示，使用Origin 8.5軟件繪圖。使用Lab Spec 6軟件對(duì)拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵時(shí)間對(duì)半干型發(fā)酵牛肉干pH值、剪切力、水分活度、水分含量的影響

由圖1A可知，不同發(fā)酵時(shí)間的半干型牛肉干pH值差異顯著（P＜0.05），發(fā)酵后的半干型牛肉干pH值均低于未發(fā)酵牛肉干的pH值。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的乳酸可降低肉制品的pH值[18]。隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，pH值逐漸降低，在發(fā)酵60 h時(shí)pH值降到5以下。pH值降低可有效抑制食品中的病原體，從而延長(zhǎng)其貨架期[19]，因此產(chǎn)酸能力是篩選乳酸菌的重要指標(biāo)[10]。剪切力可作為肉制品嫩度的判斷依據(jù)[20]，剪切力越小，嫩度越大。不同發(fā)酵時(shí)間的半干型牛肉干剪切力差異顯著（P＜0.05），剪切力呈先下降后上升的趨勢(shì)（圖1B），其原因可能為發(fā)酵初期pH值下降利于肌原纖維蛋白降解。在一定范圍內(nèi)，pH值越低肌原纖維降解程度越大[21]。卜寧霞[22]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵對(duì)組織結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，肌肉纖維結(jié)構(gòu)疏松，甚至出現(xiàn)孔洞，說(shuō)明微生物發(fā)酵可有效破壞肌纖維結(jié)構(gòu)的結(jié)合性。調(diào)節(jié)pH值引起的蛋白質(zhì)降解及對(duì)結(jié)締組織的軟化可改變產(chǎn)品嫩度[23]。但隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，水分含量與水分活度過(guò)低，導(dǎo)致剪切力上升。由圖1C可知，不同發(fā)酵時(shí)間的半干型牛肉干水分活度存在顯著差異（P＜0.05），發(fā)酵后半干型牛肉干的水分活度顯著低于未發(fā)酵牛肉干的水分活度，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)水分活度逐漸降低，其原因?yàn)榕Ｈ飧山?jīng)乳酸菌發(fā)酵后pH值降低，蛋白質(zhì)持水能力下降，導(dǎo)致水分活度下降[24]。水分活度降低可抑制腐敗菌的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)其貨架期[25]。由圖1D可知，不同發(fā)酵時(shí)間的半干型牛肉干水分含量也存在顯著差異（P＜0.05），發(fā)酵后牛肉干的水分含量顯著低于未發(fā)酵牛肉干的水分含量 （P＜0.05），隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，水分含量逐漸降低。水分含量的降低有利于水分活度的降低，二者均對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味、色澤等感官性狀及產(chǎn)品貨架期具有重要意義[26]。

圖1 發(fā)酵時(shí)間對(duì)半干型發(fā)酵牛肉干pH值（A）、剪切力（B）、 水分活度（C）、水分含量（D）的影響Fig. 1 Effect of fermentation time on pH (A), shear force (B), water activity (C) and moisture content (D) of semi-dried fermented beef jerky

2.2 不同發(fā)酵時(shí)間半干型牛肉干的水分分布

T2可表達(dá)肉制品中結(jié)合水、不易流動(dòng)水、自由水3 種狀態(tài)水分的分布特征[27]，峰比例的變化可反映樣品中3 種狀態(tài)水分子流動(dòng)轉(zhuǎn)移的情況[28]。由圖2可知，發(fā)酵后的半干型發(fā)酵牛肉干，結(jié)合水的比例顯著增加（P＜0.05）后基本保持穩(wěn)定，不易流動(dòng)水比例顯著低于不發(fā)酵的半干型牛肉干（P＜0.05）。這說(shuō)明發(fā)酵使部分不易流動(dòng)水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水，其原因可能為半干型發(fā)酵牛肉干內(nèi)部蛋白質(zhì)變性導(dǎo)致的水分散失及流動(dòng)性降低。Bertram等[29]研究發(fā)現(xiàn)肌動(dòng)蛋白變性與肉制品脫水有關(guān)，肉制品中水分的流動(dòng)性與部分蛋白質(zhì)變性有關(guān)。眾所周知，微生物不能利用結(jié)合水，因此結(jié)合水的比例越大，食品的保存效果越好[30]。

圖2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)水分分布的影響Fig. 2 Effect of fermentation time on water distribution

2.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)半干型發(fā)酵牛肉干感官品質(zhì)的影響

由圖3可知，不同發(fā)酵時(shí)間的半干型牛肉干組織狀態(tài)、色澤、風(fēng)味、咀嚼性評(píng)分及感官總分存在顯著差異（P＜0.05），發(fā)酵12、24、36 h的半干型牛肉干組織狀態(tài)評(píng)分顯著高于空白組，發(fā)酵36 h的半干型牛肉干色澤、風(fēng)味、咀嚼性評(píng)分以及感官總分均顯著高于其他組。發(fā)酵36 h的半干型牛肉干比其他組顏色更紅，其原因可能為沙克乳桿菌具有將棕色高鐵肌紅蛋白轉(zhuǎn)變成亮紅色的亞硝基肌紅蛋白的能力[31]。Gao Xueqin等[32]發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，乳酸菌有能力使肉的顏色從棕色變成鮮紅色。感官總分整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，其原因可能為發(fā)酵36 h內(nèi)的沙克乳桿菌生長(zhǎng)良好，36 h后菌株進(jìn)入衰退期，對(duì)產(chǎn)品的影響減弱[33]。并且發(fā)酵時(shí)間超過(guò)48 h后產(chǎn)品的酸度過(guò)高，不適合大多數(shù)消費(fèi)者的感官需求。結(jié)果表明，發(fā)酵36 h的產(chǎn)品，感官效果最佳。

圖3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)半干型發(fā)酵牛肉干組織狀態(tài)（A）、色澤（B）、 風(fēng)味（C）、咀嚼性（D）、感官總分（E）的影響Fig. 3 Effect of fermentation time on tissue status (A), color (B), flavor (C), chewiness (D) and overall sensory score (E) of semi-dried fermented beef jerky

2.4 半干型發(fā)酵牛肉干電子鼻分析

由圖4可知，PC1的貢獻(xiàn)率為67.5%，PC2的貢獻(xiàn)率為15.5%，二者可以代表83.0%的信息，因此其包括了半干型發(fā)酵牛肉干氣味物質(zhì)的大部分信息。未發(fā)酵牛肉干數(shù)據(jù)點(diǎn)與其他4 種半干型發(fā)酵牛肉干數(shù)據(jù)點(diǎn)均無(wú)重疊，說(shuō)明發(fā)酵牛肉干與未發(fā)酵牛肉干的揮發(fā)性氣味差異性較大。發(fā)酵0、12、24 h數(shù)據(jù)點(diǎn)距離較近，說(shuō)明這3 個(gè)發(fā)酵時(shí)間半干型牛肉干的整體風(fēng)味相似。因此發(fā)酵產(chǎn)生特殊風(fēng)味的時(shí)間應(yīng)不低于24 h。由圖5可知，電子鼻的10 個(gè)傳感器對(duì)不同發(fā)酵時(shí)間發(fā)酵牛肉干氣味均能做出不同程度的響應(yīng)。電子鼻W1C、W3C、W6S、W1S、W1W分別感應(yīng)芳烴化合物、胺和部分芳香族化合物、氫化物、烷類化合物、硫化合物。電子鼻W5C感應(yīng)烯烴、芳族、極性分子。電子鼻W2W感應(yīng)芳烴化合物、硫的有機(jī)化合物。電子鼻W5S、W3S、W2S分別感應(yīng)氮氧化合物、烷類和酯類、醇類和部分芳香族化合物。樣品在W5S、W3S的響應(yīng)值隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而增加。W2S發(fā)酵后響應(yīng)值高于未發(fā)酵響應(yīng)值。說(shuō)明沙克乳桿菌利用牛肉中的脂類等物質(zhì)產(chǎn)生了酯類、醇類等揮發(fā)性化合物，乳酸菌胞內(nèi)酯酶通過(guò)脂肪水解等化學(xué)反應(yīng)改善肉制品風(fēng)味，賦予半干型發(fā)酵牛肉干特殊的風(fēng)味[34]。

圖4 電子鼻檢測(cè)半干型發(fā)酵牛肉干PCAFig. 4 PCA plot for electronic nose data of semi-dried fermented beef jerky

圖5 電子鼻檢測(cè)半干型發(fā)酵牛肉干的百分比堆積圖分析Fig. 5 Percentages of response signals of 10 electronic nose sensors for semi-dried fermented beef jerky

2.5 發(fā)酵時(shí)間對(duì)半干型發(fā)酵牛肉干蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

使用Lab Spec 6軟件對(duì)酰胺I帶（1 600～1 700 cm－1）進(jìn)行峰分離和曲線擬合[35]，計(jì)算得到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的相對(duì)含量，如圖6所示，α-螺旋是對(duì)照組（0 h）蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)最主要的元素，其相對(duì)含量最高（67%），其次為無(wú)規(guī)卷曲（19%）、β-折疊（13%），而β-轉(zhuǎn)角相對(duì)含量最低（2%）。發(fā)酵后，半干型發(fā)酵牛肉干蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，α-螺旋相對(duì)含量呈先下降后上升的趨勢(shì)，β-折疊相對(duì)含量在24 h后整體呈上升趨勢(shì)，β-轉(zhuǎn)角與無(wú)規(guī)卷曲相對(duì)含量呈先上升后下降的趨勢(shì)。在0～48 h內(nèi)半干型發(fā)酵牛肉干的部分α-螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為β-折疊、無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，其表明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)由規(guī)整向松散轉(zhuǎn)化。到60 h，α-螺旋相對(duì)含量比48 h略有增加，說(shuō)明部分α-螺旋結(jié)構(gòu)重新生成。α-螺旋結(jié)構(gòu)相對(duì)含量先減小后又增加，說(shuō)明α-螺旋結(jié)構(gòu)在發(fā)酵過(guò)程中伸展和重新生成，可能在此時(shí)發(fā)生了結(jié)構(gòu)重組。pH值、鹽滲透等均可能導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程中蛋白構(gòu)象發(fā)生改變[12]。

圖6 半干型發(fā)酵牛肉干蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)含量Fig. 6 Relative contents of protein secondary structures in semi-dried fermented beef jerky

2.6 發(fā)酵時(shí)間對(duì)半干型發(fā)酵牛肉干二硫鍵的影響

二硫鍵主要有3 種模式，gauche-gauche-gauche（g-g-g）模式（500～510 cm－1）、gauche-gauche-trans（g-g-t）模式（515～525 cm－1）與trans-gauche-trans（t-g-t）模式（535～545 cm－1）。由圖7可知，g-g-g構(gòu)象與g-g-t構(gòu)象是半干型發(fā)酵牛肉干中二硫鍵存在的主要形式。發(fā)酵0～48 h，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)二硫鍵t-g-t構(gòu)型相對(duì)含量逐漸下降。蛋白質(zhì)中部分二硫鍵受到破壞，分子間的作用力降低，蛋白結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與功能 下降[36]，其原因可能為發(fā)酵降低pH值，導(dǎo)致部分蛋白更容易降解，這與2.1節(jié)的結(jié)果一致。發(fā)酵60 ht-g-t構(gòu)象略有上升，其原因可能為g-g-g、g-g-t構(gòu)象的二硫鍵向t-g-t構(gòu)象轉(zhuǎn)變。

圖7 半干型發(fā)酵牛肉干二硫鍵相對(duì)含量Fig. 7 Relative contents of three types of disulfide bonds in semi-dried fermented beef jerky

3 結(jié) 論

本研究對(duì)沙克乳桿菌發(fā)酵半干型牛肉干發(fā)酵過(guò)程中基本品質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，發(fā)酵24 h時(shí)，產(chǎn)品嫩度最好，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間不低于24 h時(shí)，產(chǎn)品風(fēng)味與未發(fā)酵產(chǎn)品相比會(huì)發(fā)生明顯變化，說(shuō)明要使發(fā)酵后的產(chǎn)品產(chǎn)生明顯發(fā)酵風(fēng)味，發(fā)酵時(shí)間應(yīng)不低于24 h。發(fā)酵36 h產(chǎn)品適口性較好，總體可接受度顯著高于其他組。發(fā)酵60 h產(chǎn)品過(guò)酸且嫩度較差，不符合大多數(shù)消費(fèi)者的感官傾向。另外，發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)品的不易流動(dòng)水部分轉(zhuǎn)化為結(jié)合水，其延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架期。α-螺旋結(jié)構(gòu)向其他無(wú)序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，從而使蛋白質(zhì)更容易降解，風(fēng)味更易產(chǎn)生。因此，以產(chǎn)品的感官、pH值和剪切力為主要考察依據(jù)時(shí)，半干型發(fā)酵牛肉干的最適發(fā)酵時(shí)間應(yīng)控制在24～48 h之間。