超高壓技術(shù)輔助優(yōu)化牛皮膠原低脂牛肉餅工藝

高艷蕾，OJANGBA THEODORA，楊超，王拙，張麗，余群力，郭兆斌

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州，730070)

隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，速食已經(jīng)成為消費(fèi)者的日常需求，其中肉餅已經(jīng)成為快餐食品中不可或缺的部分。在肉餅生產(chǎn)工藝中，由于動物脂肪富含硬脂酸、油酸和棕櫚酸等飽和脂肪酸，加熱會產(chǎn)生醛類、呋喃類、酮類和烴類等揮發(fā)性物質(zhì)，從而賦予肉餅良好的風(fēng)味和口感[1]。但高飽和脂肪酸水平也會導(dǎo)致人體內(nèi)低密度脂蛋白膽固醇[2]升高，肥胖、冠心病和心血管疾病[3]等慢性疾病的罹患率增加，故針對開發(fā)低脂肉制品、脂肪替代物在肉制品中的研究已成為熱點(diǎn)。目前，常用于肉制品加工的脂肪替代物有蛋白質(zhì)類(乳清蛋白、大豆蛋白、膠原蛋白等)、脂肪基類(如植物油)、碳水化合物類(淀粉、膠體、纖維素等)以及混合類等[4]。DA等[5]發(fā)現(xiàn)豬皮、水和葵花油混合制備可形成一種凝膠油，以該凝膠替代豬脂肪可顯著降低博洛尼亞香腸中脂肪和膽固醇含量，當(dāng)替代率不高于50%時，香腸口感較佳，烹飪損失較低，質(zhì)構(gòu)特性良好。ZHOU等[6]采用豬皮和椰子粉混合物替代60%豬脂肪生產(chǎn)的魷魚乳化香腸，脂肪含量顯著降低，風(fēng)味和整體接受性最佳。

牛皮作為牛屠宰副產(chǎn)物之一，約占牛宰前活重的12.09%[7]。牛皮中粗脂肪含量為1.89%，粗蛋白含量為31.85%，其中膠原蛋白約占粗蛋白的85%，因此，牛皮作為一種富含膠原蛋白且低脂的牛副產(chǎn)物，具有開發(fā)低脂產(chǎn)品的潛力[8]。有研究表明，牛皮明膠、膠原蛋白粉、膠原蛋白口服液以及膠原蛋白膠囊等均廣泛應(yīng)用于營養(yǎng)保健食品領(lǐng)域[8]，其中牛皮明膠來源于膠原蛋白，含有7種必需氨基酸[9]。2011年，美國農(nóng)業(yè)部已批準(zhǔn)牛皮或豬皮明膠用于冰激凌和果凍等休閑食品的加工工藝[10]。此外，有學(xué)者研究證實(shí)，明膠還可以作為膠凍劑和穩(wěn)定劑，減少食品油膩感，并促進(jìn)產(chǎn)品表面細(xì)膩光滑[11]。

常用于制備牛皮明膠的方法有酸法、堿法和酶法等，但這些傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)周期長、資源消耗大、效率低、污染環(huán)境嚴(yán)重；此外，酸堿會造成膠原分子肽鍵斷裂異常，導(dǎo)致牛皮明膠品質(zhì)降低[12]。近年來，超聲波、微波和超高壓技術(shù)輔助制備明膠的方法因高效、綠色、清潔而廣泛受到人們的關(guān)注，其中超高壓技術(shù)在水產(chǎn)原料和哺乳動物原料等方面的應(yīng)用相對更成熟[12-13]。據(jù)報道，超高壓可以破壞蛋白質(zhì)非共價鍵平衡，進(jìn)而誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象和功能特性發(fā)生改變[14]。與傳統(tǒng)工藝對比，超高壓能夠保持膠原蛋白共價鍵以及膠原亞基的完整性，可以形成較高品質(zhì)的明膠。此外，超高壓還可以顯著增強(qiáng)蛋白質(zhì)的水化，從而增強(qiáng)熱處理對牛皮明膠的熱力作用[13]。因此，超高壓技術(shù)替代傳統(tǒng)方法制備膠原蛋白具有理論可行性。陳麗清等[15]采用正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，豬皮明膠的最佳超高壓參數(shù)為：0.75%(體積分?jǐn)?shù))HCl介質(zhì)，超高壓壓力250 MPa，超高壓時間10 min，與酸處理對比，超高壓條件下制備的豬皮明膠，凝膠強(qiáng)度提高20%，預(yù)處理時間由20 h縮至10 min。CHEN等[14]在研究超高壓技術(shù)制備豬皮明膠工藝中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超高壓介質(zhì)為1% HCl溶液，超高壓時間為15 min時，與其他超高壓壓力相較，300 MPa下預(yù)處理的明膠具有最高的提膠率、凝膠強(qiáng)度、熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)。

在肉制品加工工藝中，NaCl不僅提供其獨(dú)有的風(fēng)味，還可以顯著改善產(chǎn)品乳化穩(wěn)定性、汁液損失和質(zhì)構(gòu)等特性[16]。此外，研究表明，復(fù)合磷酸鹽對肉制品具有保水、嫩化、殺菌和抗氧化等作用[17]。因此，本研究以超高壓技術(shù)輔助制備的牛皮膠原替代100%牛脂肪，結(jié)合質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官評分的綜合結(jié)果研究超高壓壓力、超高壓時間、NaCl添加量和復(fù)合磷酸鹽添加量對牛皮膠原低脂牛肉餅的影響，并在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化牛肉餅的最佳工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛皮，甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)景興清真肉品有限責(zé)任公司；肉餅原輔料：牛后腿肉、NaCl、淀粉、胡椒粉、丁香、茴香和八角，北京當(dāng)?shù)厝A聯(lián)超市；復(fù)合磷酸鹽， 上海健音食品科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MM-12A絞肉機(jī)，諸城和義機(jī)械有限公司；ZLQ斬拌機(jī)，安徽華菱西廚裝備股份有限公司；CR-10色度儀，北京科美潤達(dá)儀器有限公司；TA.XT Express質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro Systems公司；電熱恒溫水浴鍋，上海力辰邦西儀器科技有限公司；電子秤，深圳市美孚電子有限公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 超高壓技術(shù)輔助制備牛皮膠原

將牛皮經(jīng)過清洗、脫毛等處理后，浸泡于5倍體積去離子水中，加入10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Na2CO3，于40 ℃恒溫脫脂90 min后，用清水沖洗2次，并切成1 cm×1 cm的塊狀。然后加入10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl和4倍體積的去離子水，鹽析24 h，多次清洗牛皮即可[18]。將清洗后的適量牛皮裝入聚乙烯袋真空包裝后，在25 ℃條件下，以水為介質(zhì)對其進(jìn)行超高壓處理，此后，將牛皮置于鋁盒中，加入2倍體積的去離子水，于130 ℃恒溫加熱6 h，用紗布過濾殘渣，重復(fù)過濾2次，將濾液收集，4 ℃冷藏備用。

1.3.2 牛皮膠原低脂牛肉餅工藝[19]

1.3.2.1 基本配方

新鮮牛肉與牛皮膠原質(zhì)量比為4∶1，其他輔料添加量以肉質(zhì)量為基礎(chǔ)：淀粉13%，胡椒粉0.1%，八角0.05%，丁香0.05%，茴香0.05%，冰水30%。NaCl和復(fù)合磷酸鹽根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計添加。

1.3.2.2 工藝流程

工藝流程如下：

鮮牛肉→絞碎→腌制→添加剩余輔料→斬拌→成型→煎炸

1.3.2.3 工藝要點(diǎn)

選擇新鮮牛后腿肉，剔除表面的筋膜和結(jié)締組織等，漂洗干凈，切為長條狀，并采用篩孔孔徑為8 mm的絞肉機(jī)絞為肉糜。將提前準(zhǔn)備好的牛皮膠原與肉糜按質(zhì)量比1∶4混合，并按照比例加入NaCl、復(fù)合磷酸鹽和香辛料等，攪拌均勻，于4 ℃下腌制12 h。此后加入一定比例淀粉，邊加入冰水邊對其攪拌，充分混勻。將混合均勻的肉糜用模具(直徑8 cm，高度1.5 cm)成型。于110 ℃油溫下煎炸5 min至肉餅兩面金黃，撈出。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計及方法

1.4.1 單因素試驗(yàn)

在固定其他輔料添加量的基礎(chǔ)之上，選擇制備牛皮膠原所需的超高壓壓力為200、250、300、350和400 MPa，超高壓時間為5、10、15、20和25 min。制備牛肉餅所需的NaCl添加量為1%、1.3%、1.5%、1.7%和1.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，復(fù)合磷酸鹽添加量為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。以牛肉餅的烹飪損失、質(zhì)構(gòu)和感官評分為指標(biāo)，確定各因素的最佳工藝參數(shù)。

1.4.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計原理，選取超高壓壓力、超高壓時間、NaCl添加量和復(fù)合磷酸鹽添加量為考察變量，彈性和感官評分為響應(yīng)值，應(yīng)用Design-Expert 10.0軟件設(shè)計4因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，因素水平表見表1?？偣?9個試驗(yàn)點(diǎn)，其中24個為分析因子，5個為零點(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行6次，其他試驗(yàn)以隨機(jī)形式進(jìn)行，重復(fù)3次。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Response surface test factor level table

1.4.3 烹飪損失的測定[20]

將制備的肉餅在110 ℃菜籽油中煎炸5 min。記油炸前的重量為m1，肉餅煎炸后，冷卻至室溫，并記重量為m2，各組處理做3個平行，烹飪損失計算如公式(1)所示：

(1)

1.4.4 質(zhì)構(gòu)[5]

將熟制后的肉餅冷卻至室溫后，切成塊狀(1 cm×1 cm×1 cm)，采用TA.XT Express的“TPA”模式進(jìn)行質(zhì)地剖面分析。測定參數(shù)：測試前速率：1.0 mm/s，測試速率：2.0 mm/s，測試后速率：1.0 mm/s，2次下壓間隔時間5 s，形變50%，觸發(fā)值為5 g，P36探頭(直徑為36 mm)。各組樣品測定12次，取平均值。

1.4.5 感官評定

選擇14名食品專業(yè)成員(7男7女)參加感官評定，每個樣品用3位數(shù)隨機(jī)代碼編號，置于食品托盤中由小組成員隨機(jī)評估。每個樣品評定前，小組成員需用純凈水漱口，在評定時不能互相交流，評定項(xiàng)目包括色澤、滋味、口感和組織形態(tài)。感官評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[19]。

表2 牛肉餅感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory scoring standards for beef patties

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Design Expert 10.0進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計與分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過SPSS 20.0統(tǒng)計軟件的Duncan′s Multiple-Range Test進(jìn)行顯著性分析。每組試驗(yàn)均重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同超高壓壓力下牛皮膠原對牛肉餅質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官特性的影響

由圖1-A和圖1-B可知，隨著牛皮膠原超高壓壓力的增大，牛肉餅的硬度、彈性和感官評分顯著增加，當(dāng)壓力超出350 MPa后，三者均開始下降；而烹飪損失與上述變化趨勢相反，在350 MPa時達(dá)到最低。這可能是因?yàn)?，隨著超高壓壓力的增加，牛皮膠原蛋白和多糖之間的相互作用加強(qiáng)，2個聚合物系統(tǒng)更加接近，非共價鍵和氫鍵之間的相互作用顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致牛皮凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；然而，在過高的壓力下很可能誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)顯著破壞，硬度和彈性相應(yīng)降低[21]。此外，適當(dāng)?shù)母邏耗軌虼龠M(jìn)牛皮膠原中致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，有助于更多的水分以結(jié)合水的形式被捕獲在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，減少了牛肉餅在煎炸過程中水分的滲出；但當(dāng)壓力過高時，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的斷裂將導(dǎo)致更多的自由水從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增加了肉餅的烹飪損失[22]。綜合4項(xiàng)評價指標(biāo)，確定350 MPa為最佳超高壓壓力。

A-質(zhì)構(gòu)；B-烹飪損失和感官評分圖1 不同超高壓壓力下牛皮膠原對牛肉餅質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官特性的影響Fig.1 The effect of cowhide collagen under different ultra-high pressures on texture, cooking loss and sensory properties of beef patties注：不同小寫字母表示不同處理之前差異顯著(P<0.05)(下同)

2.1.2 不同超高壓時間下牛皮膠原對牛肉餅質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官特性的影響

由圖2-A和圖2-B可知，隨著牛皮膠原超高壓時間的延長，牛肉餅的硬度、彈性和感官評分顯著增加，超過20 min后開始下降；烹飪損失隨著牛皮膠原超高壓時間的延長而下降，在20 min時達(dá)到最低，此后呈上升趨勢。分析其原因，隨著超高壓時間的延長，牛皮膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)顯著松散，促進(jìn)膠原明膠化，高分子組分含量顯著增加，從而增強(qiáng)了牛皮膠原凝膠強(qiáng)度；然而，超高壓時間過長時，膠原蛋白再次發(fā)生聚合的可能性極小，高分子組分含量降低，低分子組分含量增加，導(dǎo)致亞基間聯(lián)結(jié)受阻，膠原凝膠強(qiáng)度降低，從而使得牛肉餅硬度和彈性降低[23]。此外，較短時間的超高壓作用會增強(qiáng)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與水之間的相互作用，進(jìn)而促進(jìn)了凝膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成；但當(dāng)超高壓時間過長時，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)會過度變形，導(dǎo)致不能形成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，使得蛋白質(zhì)與水之間的結(jié)合作用減弱，從而增加了牛肉餅在煎炸過程中水分的流失[24]。綜合4項(xiàng)評價指標(biāo)，選擇20 min為最佳超高壓時間。

A-質(zhì)構(gòu)；B-烹飪損失和感官特性圖2 不同超高壓時間下牛皮膠原對牛肉餅質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官特性的影響Fig.2 The effect of cowhide collagen under different ultra-high time on texture, cooking loss and sensory properties of beef patties

2.1.3 NaCl添加量對牛肉餅質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官特性的影響

由圖3-A和圖3-B可知，NaCl添加量在1%～1.5%時，牛肉餅的彈性和感官評分隨著NaCl添加量的增加而上升，超過1.5%后，兩者均開始下降；NaCl添加量在1%～1.7%時，牛肉餅的硬度呈上升趨勢，超過1.7%后，硬度顯著下降；此外，隨著NaCl添加量的增加，肉餅的烹飪損失持續(xù)降低，超過1.5%后，烹飪損失下降不顯著。由于NaCl可以促進(jìn)肉糜中鹽溶性蛋白的溶解，進(jìn)而導(dǎo)致肌球蛋白或肌動蛋白形成一層較厚的膜，這層膜包裹在脂肪微粒表面，顯著提高了肉糜的凝膠特性，從而改善了牛肉餅的硬度和彈性[25]；但高濃度NaCl可能會導(dǎo)致肉糜的蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏松膨脹，含水量過多，肉糜體系的支撐強(qiáng)度降低，使得肉餅的硬度和彈性下降[26]。此外，NaCl還可以促進(jìn)肌動球蛋白解離，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)充分展開，水分子運(yùn)動受到束縛，形成致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高保水性，降低肉餅的烹飪損失[16]。綜合4項(xiàng)評價指標(biāo)，確定1.5%為最佳NaCl添加量。

A-質(zhì)構(gòu)；B-烹飪損失和感官特性圖3 NaCl添加量對牛肉餅質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官特性的影響Fig.3 The effect of NaCl concentration on texture, cooking loss and sensory properties of beef patties

2.1.4 復(fù)合磷酸鹽添加量對牛肉餅質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官特性的影響

由圖4-A和4-B可知，隨著復(fù)合磷酸鹽的增加，牛肉餅的彈性和感官評分顯著增高，硬度下降，添加量超過0.3%后，三者均變化緩慢；烹飪損失在添加量為0.3%時最低，此后呈現(xiàn)上升趨勢。這是因?yàn)椋瑥?fù)合磷酸鹽可以促進(jìn)肉餅中的肌動球蛋白解離，使之生成肌動蛋白與肌球蛋白，當(dāng)二者分離時，水分進(jìn)入肌肉纖維間隙，嫩度增加，從而導(dǎo)致肉餅硬度降低，彈性增加[17]。此外，復(fù)合磷酸鹽可顯著提高肉糜pH值，導(dǎo)致肌原纖維蛋白與等電點(diǎn)偏離，電荷之間相互排斥，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間形成更大的空間，使肉組織可容納更多水分，保水性更高；但當(dāng)復(fù)合磷酸鹽過多時，蛋白質(zhì)會形成致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且凝膠網(wǎng)絡(luò)中分布有大量的微小孔洞，它們僅借助毛細(xì)管的作用力固定部分水分，導(dǎo)致保水性降低，從而增加了肉餅在煎炸過程中的烹飪損失[27]。綜合4項(xiàng)評價指標(biāo)，選擇0.3%為最佳復(fù)合磷酸鹽添加量。

A-質(zhì)構(gòu)；B-烹飪損失和感官特性圖4 復(fù)合磷酸鹽添加量對牛肉餅質(zhì)構(gòu)、烹飪損失和感官特性的影響Fig.4 The effect of compound phosphate content on texture, cooking loss and sensory properties of beef patties

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計方案及結(jié)果Table 3 Response surface test design scheme and results

由表4可知，該模型極顯著(P<0.000 1)，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.219 7>0.05)，表明該回歸模型建立有效。自變量A和C對綜合值Y的影響極顯著(P<0.01)，B影響顯著(P<0.05)，而D影響不顯著(P>0.05)；模型中的交互項(xiàng)AB和AD對綜合值Y的影響極顯著(P<0.01)，AC、BC、BD和CD影響不顯著(P>0.05)；模型中的二次項(xiàng)A2、B2、C2和D2對綜合值Y的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。綜上所述，各因素對彈性和感官評分綜合值Y的影響程度為：A、C>B>D，即超高壓壓力、NaCl添加量>超高壓時間>復(fù)合磷酸鹽添加量。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析Table 4 Analysis of variance in response surface test

2.2.2 各因素間交互作用分析

為了更加直觀地反映超高壓壓力(A)、超高壓時間(B)、NaCl添加量(C)和復(fù)合磷酸鹽添加量(D)4個因素之間的交互作用對綜合值Y的影響，采用Design Expert 10.0軟件繪制了每2個因素與綜合值之間的響應(yīng)面和等高線圖(圖5)。響應(yīng)面的曲面越陡峭、等高線的形狀越接近橢圓形，表明自變量間的交互作用對響應(yīng)值影響越顯著。與其他圖相較，交互項(xiàng)AB和AD的等高線呈橢圓形，且分布密集，曲面較為陡峭，說明超高壓壓力分別與超高壓時間、復(fù)合磷酸鹽添加量之間的交互作用明顯，且對綜合值的影響更加顯著，與表4所述內(nèi)容一致。

圖5 各因素交互作用對綜合值的影響Fig.5 The effect of the interaction of various factors on the comprehensive value

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過回歸模型預(yù)測，確定超高壓技術(shù)輔助優(yōu)化牛皮膠原低脂牛肉餅的最佳工藝條件為：超高壓壓力361.24 MPa、超高壓時間20.642 min、NaCl添加量1.509%、復(fù)合磷酸鹽添加量0.32%，此時，牛肉餅感官評分和彈性分別為84.5分和0.82%?？紤]到實(shí)際操作的可能性，將最佳工藝條件調(diào)整為：超高壓壓力360 MPa、超高壓時間21 min、NaCl添加量1.5%、復(fù)合磷酸鹽添加量0.3%，結(jié)果表明，牛肉餅的感官評分和彈性分別為84.1分和0.8%，如圖6所示，重復(fù)驗(yàn)證3次，實(shí)際值與模型理論值相近，表明該模型在優(yōu)化牛肉餅工藝方面具有一定可行性。

圖6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Verification experiment results

3 結(jié)論

本文通過單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得出，超高壓壓力和NaCl添加量對牛肉餅彈性和感官評分的影響極顯著(P<0.01)，超高壓時間影響顯著(P<0.05)，而復(fù)合磷酸鹽添加量影響不顯著(P>0.05)，但復(fù)合磷酸鹽和超高壓壓力，超高壓時間和超高壓壓力之間的交互作用影響極顯著(P<0.01)。超高壓輔助優(yōu)化牛皮膠原低脂牛肉餅的最佳工藝為：超高壓壓力360 MPa，超高壓時間21 min，NaCl添加量1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，復(fù)合磷酸鹽添加量0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。通過驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)，本研究模型生產(chǎn)富含牛皮膠原低脂牛肉餅的工藝可行。