羊肉烤制過程中水分的分布與遷移規(guī)律

王永瑞，薛美芳，羅瑞明，王松磊*

（1 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院 銀川 750021 2 寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院 銀川 750021）

低場-核磁共振技術(shù)（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR），為近些年來興起的一種分析技術(shù)，具有快速、無損、無侵入等特點(diǎn)[1]。在石油能源、地質(zhì)巖礦以及食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，可以對樣品中水分的分布及遷移規(guī)律進(jìn)行針對性的研究[2-7]。其主要依據(jù)的原理是外加于氫質(zhì)子的恒定外磁場B0會使氫質(zhì)子發(fā)生能級分裂。采用一定頻率的射頻脈沖干預(yù)氫質(zhì)子，當(dāng)該射頻脈沖的頻率與氫質(zhì)子固有的回旋頻率恰好相等時(shí)，氫質(zhì)子就會吸收射頻脈沖的能量，進(jìn)而發(fā)生能級躍遷。而當(dāng)射頻脈沖結(jié)束后，氫質(zhì)子先前從射頻脈沖中吸收的能量就會以非輻射的形式釋放，氫質(zhì)子返回到基態(tài)狀態(tài)。當(dāng)體系達(dá)到玻爾茲曼熱平衡時(shí)所消耗的時(shí)間稱之為橫向弛豫時(shí)間T2，又稱自旋－自旋弛豫時(shí)間[8]。樣品中，氫質(zhì)子的T2值與其所處化學(xué)環(huán)境息息相關(guān)，而從T2值的變化可以反映樣品中水的狀態(tài)。在樣品T2的反演圖譜上，T2值呈現(xiàn)自左向右逐漸升高，所對應(yīng)的水分子的自由度也自左向右逐漸升高，水分子的流動性逐漸增強(qiáng)[9]。根據(jù)T2的變化對微觀水分的狀態(tài)和遷移規(guī)律進(jìn)行分析，可實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品在高溫失水的過程中水分狀態(tài)的變化[10]。氫質(zhì)子核磁成像可以清晰地顯示水分在樣品內(nèi)部的空間分布。

羊肉具有較高的蛋白以及較低的脂肪，肉質(zhì)比較細(xì)嫩且容易被人體消化，是重要的營養(yǎng)物質(zhì)來源。寧夏鹽池的灘羊肉可以說是羊肉中的極品，作為寧夏特色畜種，廣受美食家以及消費(fèi)者的認(rèn)可[11]?？狙蛉庾鳛橐环N傳統(tǒng)的羊肉制作方式，早在1 800年前就已盛行，且一直延續(xù)至今。本研究采用LF-NMR 技術(shù)對不同烤制時(shí)間的灘羊肉樣品進(jìn)行水分遷移規(guī)律分析，研究烤羊肉的最佳烤制技術(shù)，為烤羊肉的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)用羊肉為寧夏鑫海食品有限公司提供的9月齡體重（30±1）kg 的鹽池公羊后腿肉。

1.2 儀器與設(shè)備

NMI20 核磁共振成像分析儀，上海紐邁電子有限公司；海氏HO-405 型電烤箱，青島漢尚電器有限公司；DHG-9213A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備 將羊后腿上的羊骨剔除，剔除后將羊肉上的脂肪以及筋膜撕去得到純羊肉肌肉樣品。然后用自來水對羊肉清洗，將表面的血跡和其它雜質(zhì)洗凈[12]。洗凈后，將羊肉肌肉部分分別切成2.0 cm×2.0 cm×1.5 cm 的小塊，然后將其以前后左右3 cm 的間距放在墊有錫箔紙的烤盤上，然后放入提前已預(yù)熱10 min 的烤箱中進(jìn)行烤制?？鞠涞纳?、下面溫度分別設(shè)置為190，220 和250 ℃3個溫度對羊肉進(jìn)行烤制。取分別烤制了2，4，6，8，10，12，14，16，18 和20 min 的烤羊肉肌肉樣品作為材料進(jìn)行后續(xù)的分析。

1.3.2 指標(biāo)測定

1.3.2.1 色度值的測定 烤羊肉的色度值（a*值、b*值以及L*值）使用WSC-S 型測色差計(jì)進(jìn)行測量，每個樣品測定5 次。

1.3.2.2 羊肉含水率的測定 羊肉的含水率采用烘干恒重法[13]測定。稱取一定量不同烤制時(shí)間的羊肉樣品，放置在105 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘干，干燥至其質(zhì)量保持恒定時(shí)停止干燥。分別稱取干燥前、后的樣品的質(zhì)量進(jìn)行含水率的計(jì)算。含水率的計(jì)算公式如下：

式中：Wt——在烤制t 時(shí)刻羊肉樣品的含水率，%；mt——在烤制t 時(shí)刻羊肉樣品的質(zhì)量，g；m0——羊肉樣品在絕干時(shí)的質(zhì)量，g。

1.3.2.3 核磁共振波譜的測定條件 參照Li 等[14]的核磁共振波譜的測定方法并加以修改，烤羊肉樣品的T2橫向弛豫時(shí)間使用FID 硬脈沖序列進(jìn)行測量。其中CPMG 脈沖序列的參數(shù)：18 MHz 的質(zhì)子共振頻率；382.241 65 kHz 的偏移頻率；16 μs 的90°脈沖時(shí)間，33 μs 的180°的脈沖時(shí)間；采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為143 140；1 500 ms 的重復(fù)間隔TR時(shí)間；16 次累加；2 000 回波數(shù)。待核磁共振掃描結(jié)束后對信號進(jìn)行反演，進(jìn)而獲得T2的反演譜。

1.3.2.4 氫質(zhì)子密度成像的測定 參照Li 等[14]的方法。氫質(zhì)子密度成像通過核磁共振成像系統(tǒng)自旋回波成像序列進(jìn)行，成像的方式采用冠狀面成像?；緟?shù)：T1（縱向弛豫時(shí)間）的值設(shè)置為20 ms；1 500 ms 重復(fù)時(shí)間；4 次重復(fù)；20 ms 自旋回波時(shí)間。

1.3.2.5 感官性評價(jià) 參考李燕杰等[15]的方法，選取年齡在22～25 歲之間，且具有食品專業(yè)背景的男生與女生各5 名組成感官評定小組，并對感官術(shù)語的熟悉以及反復(fù)嗅覺評價(jià)進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)。在本次試驗(yàn)中，一共選取了8 種氣味屬性（烘烤味、焦糊味、清香味、油脂味、腥味、肉味、堅(jiān)果味以及總體風(fēng)味）作為感官評價(jià)指標(biāo)，以打分的形式對樣品各個感官評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行描述性分析。采用十分制打分規(guī)則對烤羊肉的感官特性進(jìn)行了評估（8～10：極強(qiáng)，6～8：強(qiáng)，4～6：中等，2～4：弱，0～2：極弱）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分析在Excel 表格中執(zhí)行；所有需要進(jìn)行顯著性差異分析的數(shù)據(jù)均使用SPSS 17 軟件進(jìn)行分析，設(shè)定P<0.05 為顯著差異；使用Oringin 18C 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同烤制溫度下羊肉含水率的變化

羊肉中的水分含量對于羊肉的風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)有重要的影響。設(shè)置250，220 和190 ℃3 個烤制溫度，按照1.3.2.2 節(jié)中的公式對羊肉的含水率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出在3種烤制溫度下，隨著烤制時(shí)間的增加，羊肉含水率總體呈現(xiàn)下降趨勢。鮮羊肉中的含水率在73%左右，烤制20 min 后羊肉含水率降低至55%左右，表明羊肉在烤制過程中具有一定的持水性。

圖1 不同烤制溫度下羊肉水分的變化Fig.1 Changes of mutton moisture at different roasting temperatures

2.2 不同烤制溫度下羊肉色度值的變化

色澤是判別羊肉是否烤熟的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。圖2展示的是3 種烤制溫度下羊肉表面L*（白度值）、a*（紅綠值）和b*（黃藍(lán)值）的隨烤制時(shí)間變化的圖。從圖中可以看出在3 種烤制溫度下，羊肉的L*值從鮮肉到烤制20 min 整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中在烤制6～8 min 時(shí)達(dá)到最大值。a*值在0～6 min 后呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，但在烤制6 min 至烤制20 min 期間趨于平衡基本保持不變。b*值在烤制0～4 min 呈現(xiàn)上升的趨勢，烤制4 min 之后趨于平衡保持不變。隨著烤制時(shí)間的增加，羊肉的顏色會由鮮紅色逐漸變白色。然后顏色逐漸加深至黃色、黑色，這個過程中主要與蛋白質(zhì)和碳水化合物因高溫而發(fā)生美拉德反應(yīng)、Strecker降解反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)和熱解反應(yīng)等有關(guān)。另外，在這些反應(yīng)過程中產(chǎn)生的部分揮發(fā)性物質(zhì)如酮和醛等發(fā)生氧化、聚合、焦化等反應(yīng)進(jìn)一步導(dǎo)致羊肉顏色變深[16]。

2.3 烤制溫度對羊肉水分遷移規(guī)律的影響

2.3.1 羊肉中不同狀態(tài)水的含量變化 在低場-核磁共振的分析中，弛豫時(shí)間指的是樣品中的氫質(zhì)子釋放能量從高能級返回至低能級所消耗的時(shí)間。弛豫時(shí)間T 分為T1（縱向弛豫時(shí)間）和T2（橫向弛豫時(shí)間）[17]。可以通過對羊肉核磁共振波譜的T2值變化以及峰面積的大小進(jìn)行分析來衡量羊肉中水分的分布，并對不同狀態(tài)的水之間的化學(xué)滲透交換進(jìn)行區(qū)分[18-19]。羊肉中的水的狀態(tài)主要分為3種，即結(jié)合水，自由水以及不易流動水?？狙蛉鈽悠返牡蛨?核磁共振反演譜圖如圖3所示，其中T2值在0.01～10 ms 間的峰為結(jié)合水的峰，主要指的是與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子緊密結(jié)合的水；在10～100 ms 間的峰為不易流動水的峰，主要指的是肌原纖維內(nèi)截留的水；在100～1 000 ms 之間的峰為自由水的峰，主要指的是存在于肌細(xì)胞間的水[20]；不同狀態(tài)的水的含量由T2反演圖譜上對應(yīng)峰積分面積大小代表[21]。由圖3和表1可知，在250，220 和190 ℃3 個烤制溫度烤制過程中，T2圖譜整體上反映出2 個現(xiàn)象。一是隨著烤制時(shí)間的延長，3 種狀態(tài)水的峰面積之和即總峰面積在逐漸減小，這表明烤羊肉樣品中的水分含量隨著烤制時(shí)間的延長在逐漸降低；二是隨著烤制時(shí)間的增加，T2峰的位置在逐漸地向左移動（結(jié)合水除外），說明在烤羊肉樣品中水分的流動性在逐漸變小，高自由度的水分在朝著低自由度的水分進(jìn)行遷移。羊肉的持水性也可以通過烤制過程中T2峰面積的變化程度來反映。由圖2可知，羊肉在250℃過程中結(jié)合水峰面積變化在2.78%～6.87%之間，自由水峰面積變化在0.00%～11.21%，在220℃烤制過程中結(jié)合水峰面積變化在3.03%～6.77%，自由水峰面積變化在0.00%～7.79%，在190 ℃烤制過程中結(jié)合水峰面積變化在3.14%～5.94%，自由水峰面積變化在0.00%～8.01%，可見羊肉在烤制過程中持水性較好。

圖2 不同烤制溫度下羊肉色澤的變化（L*值、a*值和b*值）Fig.2 Changes of mutton chroma value at different roasting temperatures （L* value，a* value and b* value）

圖3 羊肉水分橫向弛豫時(shí)間T2 分布Fig.3 Distribution of water transverse relaxation time （T2） of mutton

表1 羊肉弛豫特征中不同狀態(tài)水的含量的變化Table 1 Changes of moisture state and content in mutton based on the transverse relaxation time of water protons

（續(xù)表1）

羊肉在烤制過程中不同狀態(tài)水的相對百分含量如表1所示，其中M21、M22、M23、M24分別代表強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、不易流動水和自由水的相對百分含量。由表1可知，在烤羊肉樣品中不易流動水的相對百分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于結(jié)合水以及自由水的百分含量。樣品中的不易流動相對百分含量普遍都在90%以上，最低值為250 ℃下烤制18 min 的羊肉樣品。在不同烤制溫度下，隨著烤制時(shí)間的延長結(jié)合水的相對百分比含量呈現(xiàn)增加的趨勢，這可能是由于羊肉具有良好的保水性卻表面干燥的原因[22]。與此同時(shí)，不易流動水的相對百分含量呈現(xiàn)下降的趨勢，這可能由于部分的不易流動水隨著烤制的進(jìn)行轉(zhuǎn)化成自由水。而自由水的相對百分比含量隨著烤制時(shí)間的變化呈現(xiàn)無規(guī)律的趨勢（P＞0.05），這可能是由于在烤制過程中，不易流動水和結(jié)合水轉(zhuǎn)化的自由水的部分彌補(bǔ)了烤制過程中羊肉部分汁液的損失[23]。

2.3.2 水分遷移變化分析 弛豫時(shí)間T2可以用來表征不同狀態(tài)的水分的流動性，T2越大，水分自由度越大，流動性強(qiáng)；反之T2越小，水分自由度小，流動性越差[24]。自由水的T2值一般在100 ms左右，這是因?yàn)樽杂伤畯幕鶓B(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)需要的能量較低，相對于結(jié)合水和不易流動水更容易從磁場中吸收能量而發(fā)生振動。而當(dāng)附加磁場消失以后，自由水會需要更長的時(shí)間恢復(fù)到基態(tài)。結(jié)合水是最難從磁場中獲取能量，達(dá)到激發(fā)態(tài)的能量最高，極不穩(wěn)定，因而恢復(fù)到基態(tài)則需要較短的時(shí)間，一般在1 ms 左右。而不易流動水則介于自由水和結(jié)合水之間，一般在10 ms 左右。

如表2所示，在3 個烤制溫度下，T21、T22隨著烤制時(shí)間的延長沒有明顯的變化趨勢，這表明羊肉樣品的結(jié)合水的自由度受烤制時(shí)間的影響較小。T23在隨著烤制時(shí)間的延長呈現(xiàn)明顯的先增加后減小的趨勢，這種波動可能是在烤制過程初期肌肉纖維蛋白經(jīng)分解、斷裂，肌肉出現(xiàn)多空層，肌纖維蛋白分子的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而影響其與水分子相互作用[25]。3 種烤制溫度下T23在烤制4 min 時(shí)達(dá)到最高，說明在此過程中水分子與大分子物質(zhì)的結(jié)合緊密度逐漸減小。而隨著烤制時(shí)間的延長，T23逐漸減小，說明在此過程中水分子與大分子物質(zhì)結(jié)合更加緊密。T24表示在細(xì)胞間存在的自由水，也是最容易流失的水。如表2所示，T24整體呈現(xiàn)下降的趨勢。在250 ℃烤制溫度下，T24在烤制4 min 時(shí)達(dá)到最大，8 min、12 min 出現(xiàn)波動，220 ℃烤制溫度下、T24在烤制6 min 時(shí)達(dá)到最大，10 min 和14 min 出現(xiàn)波動。而190 ℃烤制溫度下，T24在烤制2 min 達(dá)到最大，8，12 和18 min 出現(xiàn)波動。250 ℃隨著烤制時(shí)間的延長T24降低明顯，在烤制20 min后T24變?yōu)?36.14 ms，而220 ℃和190 ℃在烤制20 min 后T24分別為340.66 ms 和856.96 ms，這表明烤制溫度越高水分逃逸能力越強(qiáng)。

表2 羊肉弛豫時(shí)間T2 隨烤制時(shí)間的變化趨勢Table 2 Changing on relaxation time T2 of LF-NMR on mutton

2.3.3 羊肉烤制過程中水分分布 處于不同位置的氫質(zhì)子具有不同的共振頻率，因此核磁共振成像技術(shù)MRI 對應(yīng)獲得的磁共振信號強(qiáng)度也會有差異[26]。NMI20 核磁共振成像分析儀可以通過空間編碼技術(shù)將磁共振信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)變成圖像的形式，進(jìn)而可以更加直觀的研究羊肉樣品中的水分分布情況以及在烤制過程中的結(jié)構(gòu)變化[27-28]。其中影響著圖像的亮度的主要因素是氫質(zhì)子的活躍程度及密度。當(dāng)氫質(zhì)子越活躍且密度越高時(shí)，圖像就會更加明亮[29]。由表3可知，在3 個烤制溫度下，羊肉的氫質(zhì)子密度圖像的亮度隨著烤制過程的進(jìn)行均有下降趨勢，這表明隨著烤制的進(jìn)行羊肉內(nèi)部的水分含量在逐漸減少，其中250 ℃烤制溫度下的變化最為明顯。由于烤羊肉樣品的體積較小，內(nèi)外受熱較為均勻，因而不同烤制時(shí)期的羊肉內(nèi)部與表面的水分信號同時(shí)減弱，水分含量在各個區(qū)域的分布強(qiáng)弱均勻。

表3 不同烤制時(shí)間下羊肉氫質(zhì)子密度成像對比Table 3 Hydrogen proton density imaging of mutton at different roasting time

續(xù)表3

2.3.4 核磁共振總峰積分面積與烤羊肉含水率的相關(guān)性分析 核磁共振總峰積分面積為結(jié)合水、不易流動水以及自由水3 種狀態(tài)水的峰面積之和。采用一元線性回歸方式對不同烤制時(shí)間的核磁共振總峰積分面積與羊肉的含水率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，3 種烤制溫度下，低場核磁共振峰積分面積總和與羊肉含水率呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系（P<0.05），其中250 ℃烤制溫度下的線性回歸方程為y=125.92 x+481.71 （R2=0.9228），220 ℃烤制的線性回歸方程為y = 296.88x-7 034.16（R2=0.9765），190 ℃烤制的線性回歸方程為y=475.99 x-17 573.17（R2=0.9428）。這一結(jié)果表明在使用核磁共振對烤羊肉樣品水分進(jìn)行分析時(shí)，可將T2反演圖譜與線性方程進(jìn)行結(jié)合，間接計(jì)算出羊肉樣品在烤制某一時(shí)刻的含水率。

圖4 不同烤制溫度下羊肉含水率與低場核磁共振總峰積分面積的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis between moisture content and total peak integral area of low field NMR of mutton at different roasting temperatures

2.4 感官性評價(jià)分析

感官研究的目的是表征每個樣品的不同風(fēng)味特征[30]。圖5所示的是3 種烤制溫度下羊肉的感官評價(jià)得分結(jié)果。由圖可知在加熱過程中，從單一風(fēng)味上來看，不同烤制時(shí)間下的羊肉除肉味外在其它的氣味得分上都具有差異。對于腥味而言，在烤制初期的評分達(dá)到最高，隨著溫度的升高，腥味逐漸減弱。油脂味隨著烤制時(shí)間延長逐漸加強(qiáng)至最終平衡。烘烤味都是在烤制20 min 時(shí)分?jǐn)?shù)最高。羊肉總體風(fēng)味在溫度較低時(shí)分?jǐn)?shù)較低，250 ℃烤制下的羊肉總體風(fēng)味得分在12 min 時(shí)達(dá)到最高，220 ℃烤制條件下在14 min 時(shí)羊肉總體風(fēng)味得分達(dá)到最高，190 ℃烤制溫度下在烤制18 min時(shí)總體風(fēng)味得分達(dá)到最高?？傮w來說，12 min，14 min 和18 min 可分別作為羊肉250，220，190 ℃烤制時(shí)的最佳風(fēng)味時(shí)間。

圖5 不同烤制溫度下灘羊肉的感官風(fēng)味評價(jià)Fig.5 Sensory flavor evaluation of Tan mutton under different roasting temperatures

3 結(jié)論

本研究表明，通過低場核磁共振技術(shù)可以對烤制過程中的羊肉內(nèi)部水分子的弛豫特性變化規(guī)律進(jìn)行探索。在250，220 和190 ℃3 個烤制溫度下的羊肉樣品中，核磁共振T2圖譜反映出2 個現(xiàn)象。一是總峰面積隨著烤制時(shí)間的增加在逐漸減小，這說明烤羊肉樣品中的水分含量在逐漸降低；二是T2峰位置隨著烤制時(shí)間的增加逐漸向左偏移（結(jié)合水除外），說明烤羊肉樣品中的水分流動性在逐漸變小，水的自由度在由高向低的遷移。羊肉的氫質(zhì)子密度圖亮度下降的趨勢與烤制溫度有關(guān)，250 ℃烤制溫度下下降明顯，表明此溫度下烤制溫度越高，羊肉內(nèi)部水分總含量減少越快。通過建立羊肉烤制過程中的含水率和核磁共振峰積分面積的關(guān)系表達(dá)式可以預(yù)測未知羊肉樣品中的水分含量，這可對烤制成熟預(yù)判奠定一定的理論依據(jù)，對工業(yè)化烤羊肉生產(chǎn)提供一定的理論支持。