超高压技术辅助优化牛皮胶原低脂牛肉饼工艺

高艳蕾，OJANGBA THEODORA，杨超，王拙，张丽*，余群力，郭兆斌

摘要以超高压技术辅助制备的牛皮胶原为脂肪替代物，制作低脂牛肉饼。结合质构、烹饪损失和感官评分结果，探究超高压压力(200、250、300、350、400 MPa)、超高压时间(5、10、15、20、25 min)、NaCl添加量(1%、1.3%、1.5%、1.7%、1.9%，质量分数)和复合磷酸盐添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，质量分数)对牛肉饼品质的影响。通过单因素和响应面试验优化，最终确定牛皮胶原低脂牛肉饼的最佳工艺配方。结果表明，在超高压压力为360 MPa、超高压时间为21 min、NaCl添加量为1.5%以及复合磷酸盐添加量为0.3%的条件下，牛肉饼的感官评分为84.1，弹性为0.8%，综合品质较佳。

引用格式:高艳蕾，OJANGBA THEODORA，杨超，等.超高压技术辅助优化牛皮胶原低脂牛肉饼工艺[J].食品与发酵工业,2022,48(2):86-93.GAO Yanlei,OJANGBA THEODORA,YANG Chao, et al.Ultra-high pressure technology assists optimizing the process of cowhide collagen low-fat beef patties[J].Food and Fermentation Industries,2022,48(2):86-93.

第一作者：硕士研究生(张丽教授为通信作者，E-mail:zhanglwubd@163.com)

基金项目：甘肃省教育厅：优秀研究生“创新之星”项目(2021CXZX-416)；国家自然科学基金 (32060550)；甘肃省现代农业猪鸡产业技术资助项目 (GARS-ZJ-5)

随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，速食已经成为消费者的日常需求，其中肉饼已经成为快餐食品中不可或缺的部分。在肉饼生产工艺中，由于动物脂肪富含硬脂酸、油酸和棕榈酸等饱和脂肪酸，加热会产生醛类、呋喃类、酮类和烃类等挥发性物质，从而赋予肉饼良好的风味和口感[1]。但高饱和脂肪酸水平也会导致人体内低密度脂蛋白胆固醇[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，故针对开发低脂肉制品、脂肪替代物在肉制品中的研究已成为热点。目前，常用于肉制品加工的脂肪替代物有蛋白质类(乳清蛋白、大豆蛋白、胶原蛋白等)、脂肪基类(如植物油)、碳水化合物类(淀粉、胶体、纤维素等)以及混合类等[4]。DA等[5]发现猪皮、水和葵花油混合制备可形成一种凝胶油，以该凝胶替代猪脂肪可显著降低博洛尼亚香肠中脂肪和胆固醇含量，当替代率不高于50%时，香肠口感较佳，烹饪损失较低，质构特性良好。ZHOU等[6]采用猪皮和椰子粉混合物替代60%猪脂肪生产的鱿鱼乳化香肠，脂肪含量显著降低，风味和整体接受性最佳。

牛皮作为牛屠宰副产物之一，约占牛宰前活重的12.09%[7]。牛皮中粗脂肪含量为1.89%，粗蛋白含量为31.85%，其中胶原蛋白约占粗蛋白的85%，因此，牛皮作为一种富含胶原蛋白且低脂的牛副产物，具有开发低脂产品的潜力[8]。有研究表明，牛皮明胶、胶原蛋白粉、胶原蛋白口服液以及胶原蛋白胶囊等均广泛应用于营养保健食品领域[8]，其中牛皮明胶来源于胶原蛋白，含有7种必需氨基酸[9]。2011年，美国农业部已批准牛皮或猪皮明胶用于冰激凌和果冻等休闲食品的加工工艺[10]。此外，有学者研究证实，明胶还可以作为胶冻剂和稳定剂，减少食品油腻感，并促进产品表面细腻光滑[11]。

常用于制备牛皮明胶的方法有酸法、碱法和酶法等，但这些传统工艺生产周期长、资源消耗大、效率低、污染环境严重；此外，酸碱会造成胶原分子肽键断裂异常，导致牛皮明胶品质降低[12]。近年来，超声波、微波和超高压技术辅助制备明胶的方法因高效、绿色、清洁而广泛受到人们的关注，其中超高压技术在水产原料和哺乳动物原料等方面的应用相对更成熟[12-13]。据报道，超高压可以破坏蛋白质非共价键平衡，进而诱导蛋白质变性，导致蛋白质构象和功能特性发生改变[14]。与传统工艺对比，超高压能够保持胶原蛋白共价键以及胶原亚基的完整性，可以形成较高品质的明胶。此外，超高压还可以显著增强蛋白质的水化，从而增强热处理对牛皮明胶的热力作用[13]。因此，超高压技术替代传统方法制备胶原蛋白具有理论可行性。陈丽清等[15]采用正交试验发现，猪皮明胶的最佳超高压参数为：0.75%(体积分数)HCl介质，超高压压力250 MPa，超高压时间10 min，与酸处理对比，超高压条件下制备的猪皮明胶，凝胶强度提高20%，预处理时间由20 h缩至10 min。CHEN等[14]在研究超高压技术制备猪皮明胶工艺中发现，当超高压介质为1% HCl溶液，超高压时间为15 min时，与其他超高压压力相较，300 MPa下预处理的明胶具有最高的提胶率、凝胶强度、熔点和凝固点。

在肉制品加工工艺中，NaCl不仅提供其独有的风味，还可以显著改善产品乳化稳定性、汁液损失和质构等特性[16]。此外，研究表明，复合磷酸盐对肉制品具有保水、嫩化、杀菌和抗氧化等作用[17]。因此，本研究以超高压技术辅助制备的牛皮胶原替代100%牛脂肪，结合质构、烹饪损失和感官评分的综合结果研究超高压压力、超高压时间、NaCl添加量和复合磷酸盐添加量对牛皮胶原低脂牛肉饼的影响，并在此基础上，采用响应面试验优化牛肉饼的最佳工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛皮，甘肃省平凉市崆峒区景兴清真肉品有限责任公司；肉饼原辅料：牛后腿肉、NaCl、淀粉、胡椒粉、丁香、茴香和八角，北京当地华联超市；复合磷酸盐，上海健音食品科技有限公司。

1.2 仪器与设备

MM-12A绞肉机，诸城和义机械有限公司；ZLQ斩拌机，安徽华菱西厨装备股份有限公司；CR-10色度仪，北京科美润达仪器有限公司；TA.XT Express质构仪，英国Stable Micro Systems公司；电热恒温水浴锅，上海力辰邦西仪器科技有限公司；电子秤，深圳市美孚电子有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 超高压技术辅助制备牛皮胶原

将牛皮经过清洗、脱毛等处理后，浸泡于5倍体积去离子水中，加入10%(质量分数)Na2CO3，于40 ℃恒温脱脂90 min后，用清水冲洗2次，并切成1 cm×1 cm的块状。然后加入10%(质量分数)NaCl和4倍体积的去离子水，盐析24 h，多次清洗牛皮即可[18]。将清洗后的适量牛皮装入聚乙烯袋真空包装后，在25 ℃条件下，以水为介质对其进行超高压处理，此后，将牛皮置于铝盒中，加入2倍体积的去离子水，于130 ℃恒温加热6 h，用纱布过滤残渣，重复过滤2次，将滤液收集，4 ℃冷藏备用。

1.3.2 牛皮胶原低脂牛肉饼工艺[19]

1.3.2.1 基本配方

新鲜牛肉与牛皮胶原质量比为4∶1，其他辅料添加量以肉质量为基础：淀粉13%，胡椒粉0.1%，八角0.05%，丁香0.05%，茴香0.05%，冰水30%。NaCl和复合磷酸盐根据试验设计添加。

1.3.2.2 工艺流程

工艺流程如下：

鲜牛肉→绞碎→腌制→添加剩余辅料→斩拌→成型→煎炸

1.3.2.3 工艺要点

选择新鲜牛后腿肉，剔除表面的筋膜和结缔组织等，漂洗干净，切为长条状，并采用筛孔孔径为8 mm的绞肉机绞为肉糜。将提前准备好的牛皮胶原与肉糜按质量比1∶4混合，并按照比例加入NaCl、复合磷酸盐和香辛料等，搅拌均匀，于4 ℃下腌制12 h。此后加入一定比例淀粉，边加入冰水边对其搅拌，充分混匀。将混合均匀的肉糜用模具(直径8 cm，高度1.5 cm)成型。于110 ℃油温下煎炸5 min至肉饼两面金黄，捞出。

1.4 试验设计及方法

1.4.1 单因素试验

在固定其他辅料添加量的基础之上，选择制备牛皮胶原所需的超高压压力为200、250、300、350和400 MPa，超高压时间为5、10、15、20和25 min。制备牛肉饼所需的NaCl添加量为1%、1.3%、1.5%、1.7%和1.9%(质量分数)，复合磷酸盐添加量为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%(质量分数)。以牛肉饼的烹饪损失、质构和感官评分为指标，确定各因素的最佳工艺参数。

1.4.2 响应面试验

在单因素试验基础之上，根据Box-Behnken试验设计原理，选取超高压压力、超高压时间、NaCl添加量和复合磷酸盐添加量为考察变量，弹性和感官评分为响应值，应用Design-Expert 10.0软件设计4因素3水平响应面分析试验，因素水平表见表1。总共29个试验点，其中24个为分析因子，5个为零点，零点试验进行6次，其他试验以随机形式进行，重复3次。

1.4.3 烹饪损失的测定[20]

将制备的肉饼在110 ℃菜籽油中煎炸5 min。记油炸前的重量为m1，肉饼煎炸后，冷却至室温，并记重量为m2，各组处理做3个平行，烹饪损失计算如公式(1)所示：

将熟制后的肉饼冷却至室温后，切成块状(1 cm×1 cm×1 cm)，采用TA.XT Express的“TPA”模式进行质地剖面分析。测定参数：测试前速率：1.0 mm/s，测试速率：2.0 mm/s，测试后速率：1.0 mm/s，2次下压间隔时间5 s，形变50%，触发值为5 g，P36探头(直径为36 mm)。各组样品测定12次，取平均值。

选择14名食品专业成员(7男7女)参加感官评定，每个样品用3位数随机代码编号，置于食品托盘中由小组成员随机评估。每个样品评定前，小组成员需用纯净水漱口，在评定时不能互相交流，评定项目包括色泽、滋味、口感和组织形态。感官评价标准如表2所示[19]。

1.5 数据分析

采用Design Expert 10.0进行响应面试验设计与分析，实验数据通过SPSS 20.0统计软件的Duncan′s Multiple-Range Test进行显著性分析。每组试验均重复3次。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 不同超高压压力下牛皮胶原对牛肉饼质构、烹饪损失和感官特性的影响

由图1-A和图1-B可知，随着牛皮胶原超高压压力的增大，牛肉饼的硬度、弹性和感官评分显著增加，当压力超出350 MPa后，三者均开始下降；而烹饪损失与上述变化趋势相反，在350 MPa时达到最低。这可能是因为，随着超高压压力的增加，牛皮胶原蛋白和多糖之间的相互作用加强，2个聚合物系统更加接近，非共价键和氢键之间的相互作用显著增强，导致牛皮凝胶网络结构更加稳定；然而，在过高的压力下很可能诱导蛋白质变性，导致凝胶网络显著破坏，硬度和弹性相应降低[21]。此外，适当的高压能够促进牛皮胶原中致密的三维网络结构的形成，有助于更多的水分以结合水的形式被捕获在网络结构中，减少了牛肉饼在煎炸过程中水分的渗出；但当压力过高时，凝胶网络结构的断裂将导致更多的自由水从内部转移到外部凝胶网络结构，从而增加了肉饼的烹饪损失[22]。综合4项评价指标，确定350 MPa为最佳超高压压力。

2.1.2 不同超高压时间下牛皮胶原对牛肉饼质构、烹饪损失和感官特性的影响

由图2-A和图2-B可知，随着牛皮胶原超高压时间的延长，牛肉饼的硬度、弹性和感官评分显著增加，超过20 min后开始下降；烹饪损失随着牛皮胶原超高压时间的延长而下降，在20 min时达到最低，此后呈上升趋势。分析其原因，随着超高压时间的延长，牛皮胶原蛋白的三螺旋结构显著松散，促进胶原明胶化，高分子组分含量显著增加，从而增强了牛皮胶原凝胶强度；然而，超高压时间过长时，胶原蛋白再次发生聚合的可能性极小，高分子组分含量降低，低分子组分含量增加，导致亚基间联结受阻，胶原凝胶强度降低，从而使得牛肉饼硬度和弹性降低[23]。此外，较短时间的超高压作用会增强蛋白质与蛋白质、蛋白质与水之间的相互作用，进而促进了凝胶三维网状结构的形成；但当超高压时间过长时，蛋白质结构会过度变形，导致不能形成强大的网络，使得蛋白质与水之间的结合作用减弱，从而增加了牛肉饼在煎炸过程中水分的流失[24]。综合4项评价指标，选择20 min为最佳超高压时间。

2.1.3 NaCl添加量对牛肉饼质构、烹饪损失和感官特性的影响

由图3-A和图3-B可知，NaCl添加量在1%～1.5%时，牛肉饼的弹性和感官评分随着NaCl添加量的增加而上升，超过1.5%后，两者均开始下降；NaCl添加量在1%～1.7%时，牛肉饼的硬度呈上升趋势，超过1.7%后，硬度显著下降；此外，随着NaCl添加量的增加，肉饼的烹饪损失持续降低，超过1.5%后，烹饪损失下降不显著。由于NaCl可以促进肉糜中盐溶性蛋白的溶解，进而导致肌球蛋白或肌动蛋白形成一层较厚的膜，这层膜包裹在脂肪微粒表面，显著提高了肉糜的凝胶特性，从而改善了牛肉饼的硬度和弹性[25]；但高浓度NaCl可能会导致肉糜的蛋白凝胶网络结构疏松膨胀，含水量过多，肉糜体系的支撑强度降低，使得肉饼的硬度和弹性下降[26]。此外，NaCl还可以促进肌动球蛋白解离，导致蛋白质结构充分展开，水分子运动受到束缚，形成致密的三维网状结构，从而提高保水性，降低肉饼的烹饪损失[16]。综合4项评价指标，确定1.5%为最佳NaCl添加量。

2.1.4 复合磷酸盐添加量对牛肉饼质构、烹饪损失和感官特性的影响

由图4-A和4-B可知，随着复合磷酸盐的增加，牛肉饼的弹性和感官评分显著增高，硬度下降，添加量超过0.3%后，三者均变化缓慢；烹饪损失在添加量为0.3%时最低，此后呈现上升趋势。这是因为，复合磷酸盐可以促进肉饼中的肌动球蛋白解离，使之生成肌动蛋白与肌球蛋白，当二者分离时，水分进入肌肉纤维间隙，嫩度增加，从而导致肉饼硬度降低，弹性增加[17]。此外，复合磷酸盐可显著提高肉糜pH值，导致肌原纤维蛋白与等电点偏离，电荷之间相互排斥，蛋白质与蛋白质之间形成更大的空间，使肉组织可容纳更多水分，保水性更高；但当复合磷酸盐过多时，蛋白质会形成致密的凝胶网络结构，且凝胶网络中分布有大量的微小孔洞，它们仅借助毛细管的作用力固定部分水分，导致保水性降低，从而增加了肉饼在煎炸过程中的烹饪损失[27]。综合4项评价指标，选择0.3%为最佳复合磷酸盐添加量。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 响应面优化试验结果及方差分析

根据表3结果，通过Design-Expert 10.0软件对数据进行多元回归拟合分析，以超高压压力A、超高压时间B、NaCl添加量C、复合磷酸盐添加量D为自变量，以弹性(权重40%)和感官评分(权重60%)的综合值Y为因变量，得到的二次多项方程为：Y=0.99+3.165E-003A+1.636E-003B+3.999E-003C-1.728E-004D+3.576E-003AB+1.360E-003AC+3.990E-003AD+2.306E-003BC+1.720E-003BD+1.762E-004CD-9.062E-003A2-0.012B2-0.012C2-0.010D2，R2=0.970 4，校正系数

表明响应值变化的97.04%能用该模型解释，试验结果有94.07%受试验因素的影响，说明该回归模型拟合程度较佳。可通过回归方程对实际试验结果进行方差分析，结果如表4所示。

由表4可知，该模型极显著(P<0.000 1)，失拟项不显著(P=0.219 7>0.05)，表明该回归模型建立有效。自变量A和C对综合值Y的影响极显著(P<0.01)，B影响显著(P<0.05)，而D影响不显著(P>0.05)；模型中的交互项AB和AD对综合值Y的影响极显著(P<0.01)，AC、BC、BD和CD影响不显著(P>0.05)；模型中的二次项A2、B2、C2和D2对综合值Y的影响均达到极显著水平(P<0.01)。综上所述，各因素对弹性和感官评分综合值Y的影响程度为：A、C>B>D，即超高压压力、NaCl添加量>超高压时间>复合磷酸盐添加量。

2.2.2 各因素间交互作用分析

为了更加直观地反映超高压压力(A)、超高压时间(B)、NaCl添加量(C)和复合磷酸盐添加量(D)4个因素之间的交互作用对综合值Y的影响，采用Design Expert 10.0软件绘制了每2个因素与综合值之间的响应面和等高线图(图5)。响应面的曲面越陡峭、等高线的形状越接近椭圆形，表明自变量间的交互作用对响应值影响越显著。与其他图相较，交互项AB和AD的等高线呈椭圆形，且分布密集，曲面较为陡峭，说明超高压压力分别与超高压时间、复合磷酸盐添加量之间的交互作用明显，且对综合值的影响更加显著，与表4所述内容一致。

通过回归模型预测，确定超高压技术辅助优化牛皮胶原低脂牛肉饼的最佳工艺条件为：超高压压力361.24 MPa、超高压时间20.642 min、NaCl添加量1.509%、复合磷酸盐添加量0.32%，此时，牛肉饼感官评分和弹性分别为84.5分和0.82%。考虑到实际操作的可能性，将最佳工艺条件调整为：超高压压力360 MPa、超高压时间21 min、NaCl添加量1.5%、复合磷酸盐添加量0.3%，结果表明，牛肉饼的感官评分和弹性分别为84.1分和0.8%，如图6所示，重复验证3次，实际值与模型理论值相近，表明该模型在优化牛肉饼工艺方面具有一定可行性。

3 结论

本文通过单因素和响应面试验优化得出，超高压压力和NaCl添加量对牛肉饼弹性和感官评分的影响极显著(P<0.01)，超高压时间影响显著(P<0.05)，而复合磷酸盐添加量影响不显著(P>0.05)，但复合磷酸盐和超高压压力，超高压时间和超高压压力之间的交互作用影响极显著(P<0.01)。超高压辅助优化牛皮胶原低脂牛肉饼的最佳工艺为：超高压压力360 MPa，超高压时间21 min，NaCl添加量1.5%(质量分数)，复合磷酸盐添加量0.3%(质量分数)。通过验证试验证实，本研究模型生产富含牛皮胶原低脂牛肉饼的工艺可行。

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Ultra-high pressure technology assists optimizing the process of cowhide collagen low-fat beef patties

(College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

ABSTRACT The cowhide collagen assisted by ultra-high pressure technology was used as a fat substitute to make low-fat beef patties. Combined the texture, cooking loss, and sensory scoring, the effects of ultra-high pressure, ultra-high pressure time, NaCl content, and compound phosphate addition on the quality of beef patties was explored. Through the optimization of single factor and response surface experiments, the best process formula of cowhide collagen low-fat beef patties was finally determined. The results showed that under the conditions of an ultra-high pressure of 360 MPa for 21 min with a NaCl content of 1.5%, and a compound phosphate addition of 0.3%, the sensory score of beef patties reached 84.1, and the elasticity was 0.8%. The overall quality of patties was better.

Key words ultra high pressure;cowhide collagen;low fat;beef patties;response surface