冷冻是目前常用的保存猪肉延长其保质期的一种重要的方式,然而单一的空气冷冻过程冷冻速率慢,且猪肉细胞组织间会形成较大且分布不均匀的冰晶,这些冰晶会破坏猪肉的品质[1],引起猪肉机械性损伤导致猪肉感官和品质的下降,造成解冻后的汁液流失、质构劣变等问题[2]。LI等[3]论述了在冷冻过程中施加物理场能有效改变食品冷冻过程中冰晶的大小,提升冷冻效率,提高食品冷冻后的品质。因此,选择一种合适的冷冻方式可以有效提升肉制品在冷冻过程中的品质。
磁场辅助冷冻作为一种新型的冷冻技术受到广泛的关注,它绿色、无污染,不仅可以减小冰晶体积,还不会改变食品内部压力,破坏食品结构,同时在冷冻过程中也不会产生氧化物质对食品质量造成影响[4]。磁场辅助冷冻技术可以影响食品的冷冻过程,缩短食品冷冻的总时间,改变水分子的性质,促进细小均匀的冰晶生成[5]。ZHOU等[6]研究了静态磁场(2 mT)对不同冻融周期的面团的影响,研究发现在磁场环境下面团通过最大冰晶生成带时间缩短了7 min,总冷冻时间缩短了23 min;LIU等[7]研究了弱磁场(1 mT、50 Hz)对冻藏猪肉和牛肉性质的影响,结果表明在磁场环境贮存下,牛肉的冰点比传统冷冻方式降低了0.5 ℃,同时猪肉和牛肉的相变时间分别缩短了55.56%和50.00%,同时保持较高的持水能力;SUN等[8]发现了不同磁场强度对虾肌肉的冷冻过程有显著的影响,适当的磁场强度可以缩短冷冻时间,减少解冻和蒸煮损失,保持冷冻虾样品的持水能力。
目前磁场主要应用于面制品、水果以及肉制品的冷冻中,且多以加快冷冻效率以及影响冰晶成核的研究为主,对从结构影响以及水分迁移角度提升猪肉冷冻品质的研究还尚不充分[2]。本研究旨在探究不同强度磁场对猪肉品质的提升作用,评估磁场辅助冷冻对猪肉的持水能力、嫩度、水分分布以及微观结构等方面的影响,以期为磁场在生鲜肉冷冻保鲜方面提供理论指导和参考。
1 材料与方法
1.1 材料
新鲜的猪里脊肉,郑州某大型超市,猪肉贮存在0～4 ℃的环境下于15 min内运送至实验室;对猪肉表面可见的筋膜进行去除,切成均匀大小分装于聚乙烯袋中分别进行实验。
1.2 仪器与设备
MFI-F1磁场辅助冷冻冷藏试验箱,英都斯特(无锡)感应科技有限公司;AT4508多路温度巡检仪,常州市应用精密仪表有限公司;BCD-656 WPT冰箱,中国海尔集团;HH-42型数显恒温水浴锅,常州国华电器有限公司;Avanti J-26 s XPI高速冷冻离心机,美国Beakman公司;Ultraturrax T25高速匀浆机,德国IKA公司;TU-1810紫外分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;TA.XT.plus质构分析仪,英国Stable Micro Systems公司;NM120低场核磁共振仪,纽迈电子科技(苏州)有限公司;CryoStar NX50冷冻切片机,美国赛默飞世尔科技公司;BX53M偏光显微镜,日本奥林巴斯;Q20差示扫描量热仪,上海力瑞科学仪器有限公司;Regulus 8100高分辨场发射扫描电子显微镜,日本日立公司。
1.3 实验方法
1.3.1 样品制备
本研究使用MFI-F1磁场辅助冷冻冷藏试验箱(图1),该设备包含样品室(38 cm×32 cm×40 cm)、磁场发生器[一对亥姆霍兹线圈(80 cm×80 cm,400匝)]、电源;在0～8 A的激励电流下提供0～5 mT的均匀磁场,该激励电流由频率为50 Hz和占空比为50%的双极方波产生。
图1 磁场辅助冷冻冷藏试验箱设备示意图
Fig.1 Schematic diagram of magnetic field-assisted freezing and refrigeration test chamber equipment
样品处理方法:新鲜猪肉去除表面的结缔组织和脂肪,切割成3 cm×3 cm×3 cm块状,平均每块重(20±0.5) g,分成5份分别用聚乙烯袋密封包装,4 ℃贮存6 h,以稳定样品的初始温度。
实验设置1个对照组、4个实验组。仅保存于4 ℃平衡温度后的样品(鲜肉)作为对照组,不经冷冻处理直接进行各项指标的测定;其余样品通过不同的方式进行冷冻处理,分别做空气冷冻处理(air freezing,AF)和3种磁场冷冻处理(magnetic field freezing,MF)。样品在磁场试验箱中于(-20.0±0.5) ℃完成冻结,静磁场条件(static magnetic field,SMF)分别在0 mT(AF)、1 mT(MF-1)、3 mT(MF-3)、5 mT(MF-5)的磁场强度下将猪肉中心温度冻结至-18 ℃,完成冷冻;实验组冻结后的样品在冰箱中于-18 ℃放置24 h,等待测量。
1.3.2 冻结温度曲线
猪肉的冻结曲线使用AT4508多路温度巡检仪进行测量,通过使用连接到计算机上的T型热电偶线探头插入猪肉样品的几何中心,机器显示的温度即为猪肉样品的温度(测定频率:1 次/s)。
1.3.3 持水性
肉的持水能力(water holding capacity,WHC)是表观肉的品质的重要参数,通常用汁液损失、蒸煮损失来表示[9]。
解冻损失:猪肉在4 ℃的冰箱中解冻完成,滤纸吸干表面水分,称重,记为M1,冷冻前猪肉的质量记为M0,解冻损失的计算如公式(1)所示:
解冻损失
(1)
蒸煮损失:解冻后的样品放入蒸煮袋中,在(85±0.5) ℃水浴锅中加热至中心温度达75 ℃,滤纸吸干表面水分和残渣,称重。记录蒸煮前的质量(M2)和蒸煮后的质量(M3),蒸煮损失的计算如公式(2)所示:
蒸煮损失
(2)
1.3.4 剪切力
剪切力的测量参考李可等[10]的方法并略作调整,蒸煮后的样品垂直于纤维组织方向切成1 cm×1 cm×3 cm,使用仪器的HDP-BS Meat探头检测样品的剪切力,参数设置:测试前后速率2 mm/s,测试时速率为1 mm/s,触发力设为20 g,测试距离为25 mm。每组样品测量6次。
1.3.5 低场核磁共振(low field-nuclear magnetic resonance,LF-NMR)和磁共振图像(magnetic resonance image,MRI)分析
低场核磁共振参考CHENG等[11]的方法,利用LF-NMR分析仪对猪肉内部水分分布进行分析。样品(约2 g)放在2 mL的圆柱形管中,然后放入核磁共振探针中,再通过CMPG序列记录样品的横向弛豫时间T2,采集期间的参数设置:(采样频率为200 kHz,回波次数15 000,90°和180°脉冲之间的时间为13 μs,扫描范围0～10 000 ms,重复次数4次)CPMG序列完成后,对样品进行多自旋回波脉冲序列成像测试。使用MRI成像软件和仪器自带的多自旋回波序列采集样本的冠状面质子密度图像。
1.3.6 可冻结水含量
利用差示扫描量分析仪(differential scanning calorimetry,DSC)对解冻后猪肉可冻结水含量进行测量。称量(15±1) mg解冻后的样品置于专用DSC的坩埚中,压盖密封;并用密封的空坩埚作为对照组。样品首先在25 ℃下平衡1 min,接着以5 ℃/min的速度下降到-20 ℃,并在-20 ℃下保持在1 min,最后以5 ℃/min的升温速率加热至25 ℃,利用Muse软件分析得到相应猪肉解冻吸热的熔融焓变化;参考谭银莹[12]的方法进行适当修改,可冻结水含量(Wf)的计算如公式(3)所示:
(3)
式中:ΔH,熔化焓值,J/g;ΔH0,单位质量纯水结成冰的融化潜热(334 J/g);WA,猪肉样品的总含水量,%。
1.3.7 微观结构
参考ZHANG等[13]方法略作修改;选择不同截面的样品,将肉块(1 cm×1 cm×0.5 cm)包埋在OCT胶中,使用冷冻切片机在-20 ℃的条件下分别将冷冻样品垂直和平行于纤维方向切成约10 μm的薄片,放置于载玻片上,用75%(体积分数)乙醇连续脱洗(每次稀释1 min),用伊红染料染色1 min,吸去多余染液,盖上盖玻片。置于偏光显微镜下放大50×观察冰晶形态。
参考LI等[14]的方法,使用高分辨场发射扫描电子显微镜(high-resolution field emission scanning electron microscope,FE-SEM)观察肌纤维表观形态。解冻后的样品切成2 mm×2 mm×5 mm大小,4 ℃下浸没在2.5%(质量分数)戊二醛溶液中保存48 h。用PBS缓冲液(0.1 mol/L,pH 7.0)冲洗3次,每次停留30 min。然后用不同梯度体积分数的乙醇溶液(30%、50%、75%、95%)对样品进行洗脱,每种溶液停留时间30 min,最后用无水乙醇溶液脱水3次,每次30 min。洗脱过的样品经12 h冷冻干燥后,喷镀上10 nm厚的金层,使用FE-SEM在放大350×下观察并拍照,加速电压3 kV。
1.4 数据分析
实验完全随机设计,每个实验重复3次平行实验,实验结果表示为平均值±标准差表示。使用SPSS软件的单因素方差分析(one-way analysis of variance,ANOVA)进行分析;显著性分析采用Duncan多重比较检验(P<0.05)。所有数据都是使用Origin 2022生成的。
2 结果与分析
2.1 磁场辅助冷冻对猪肉冻结速率的影响
不同冷冻方法样品的冻结曲线如图2所示。
图2 不同冷冻方法样品的冻结曲线
Fig.2 Freezing curves of samples with different freezing methods
如表1所示,根据冷冻过程的条件,将冷冻过程分为3个阶段:预冷阶段(4～-1 ℃);最大冰晶生成阶段(-1～-5 ℃);过冷阶段(-5～-18 ℃)。预冷阶段,各处理组冷冻所需的时间差异不显著(P>0.05)。与AF组相比,MF组显著降低了最大冰晶生成阶段时间,MF-3组的最大冰晶生成阶段时间显著缩短了34.4%,这可能是由于MF增加了猪肉样品中水分子电子的跃迁偶极矩和原子极化,原子位置变化,改变水分分布状态[2]。AF组的总冷冻时间最长(13 545 s),冷冻时间显著长于其他处理组(P<0.05);MF-1组比其快27.96%(9 758 s);MF-3组比其快30.42%(9 425 s);MF-5组比其快36.06%(8 660 s)。这表明MF可以显著加快冷冻速率,可能是由于MF引起了氢键断裂,发生了能量变化,大分子水簇转化成了小分子水簇,形成了更细小、均匀的冰晶,缩短了冻结时间[15]。同时在实验中并没有观察到样品冰点的变化。
表1 不同冷冻方法对猪肉冻结曲线的影响
Table 1 Effect of different freezing methods on the freezing curve of pork meat
处理组预冷阶段时间/s最大冰晶生成阶段时间/s过冷阶段时间/s总冷冻时间/s冰点温度/℃AF657±6.11a 6 694±276.81a6 192±276.95a13 545±19.55a-0.6MF-1569±19.09b4 673±28.99b 4 515±87.68b 9 758±39.59b-0.7MF-3570±54.11b 4 427±201.82bc 4 437±103.07b 9 425±75.53c-0.6MF-5554±13.43b4 046±229.80c4 059±73.53c 8 660±142.83d-0.7
注：同一指标中不同字母表示存在显著性差异(P<0.05)。
2.2 磁场辅助冷冻对猪肉冻藏后持水性的影响
样品经过冷冻处理水分会转化为冰晶,过大的冰晶会对肉的组织结构形成严重的破坏,造成解冻后的汁液流失[16],如表2所示,AF组的解冻损失(2.93%),显著大于其他处理组(P<0.05),这可能是由于缓慢冷冻形成了大且不规则的冰晶,对肌肉组织造成了损伤,导致汁液流失更加严重;MF组,随着磁场强度的增加,样品的解冻损失先减小后增大,且在磁场强度为3 mT时达到最小值(1.15%),这说明适当施加磁场,能有效地促进小而均匀的冰晶生成,减少冰晶对猪肉组织的破坏[2]。AF组的蒸煮损失最大(26.11%),MF各组相比AF组的蒸煮损失均有所降低,也证明了磁场的作用能有效降低冰晶大小,抑制蛋白发生变性,提高持水能力,与鲜肉更为接近,这也与LIN等[17]的研究结果相接近。
表2 不同冷冻方法对猪肉持水性的影响
Table 2 Effects of different freezing methods on water holding capacity of pork
处理组解冻损失/%蒸煮损失/%剪切力/g对照—19.98±0.89c2 759.75±135.18dAF2.93±0.50a26.11±1.22a3 958.60±120.64aMF-11.96±0.09b23.74±0.59b3 065.25±200.98cMF-31.15±0.06c22.24±1.35b2 754.63±200.87dMF-51.50±0.14b22.88±0.49b2 494.33±142.21e
注：同一指标中不同字母表示存在显著性差异(P<0.05);-表示无数据。
2.3 磁场辅助冷冻对猪肉冻藏后嫩度的影响
肉的嫩度是评价肉类食品食用品质的重要指标,很大程度上决定着消费者对产品的接受程度,肉的嫩度主要决定于其内部组织成分及其蛋白结构[18]。表2显示了不同处理样品剪切力大小,AF组的剪切力(2 759.75 g)显著高于其他处理组(P<0.05),经过MF处理后嫩度均有不同程度的改善,其中MF-3组与对照组无明显差异。MF-5组(2 494.33 g)相对于对照组剪切力有所降低,这可能是由于在冷冻过程中过大的MF强度引起了部分肌原纤维蛋白变性而发生聚集和水分流失[19]。
2.4 磁场辅助冷冻对猪肉冻藏后水分分布的影响
LF-NMR广泛应用于食品中水分分布的测定,作为一种非破坏性的的方法,不会对食品的组织结构产生任何影响。T2弛豫反演谱的变化为0.01～1 000 ms,依次记为T2b(0.1～10 ms)、T21(10～100 ms)、T22(100～1 000 ms)[20]。
如图3-a所示,弛豫时间T2b为结合水,与猪肉组织结合紧密,是猪肉中最不活跃的一组水分,组织的束缚作用使其表现出非常短暂的弛豫时间[21],在所有样品中没有观察到横向弛豫时间T2b的显著差异(P>0.05)。弛豫时间T21为不易流动水,处理组的T21振幅都有不同程度的减少,T22都有所增加;表明不易流动水向自由水迁移,引起猪肉内部水分分布发生变化。其中MF-3组与对照组无明显差异(P>0.05),这表明MF可以抑制大冰晶的形成,减少冰晶对组织网络结构的破坏,抑制不易流动水向自由水的转变[20]。TANG等[22]研究也表明适当的增加磁场,可以减小水分子团簇,增加结合水的含量,减少水分流失,蛋白结构更加稳定。
a-不同冷冻方法样品的LF-NMR曲线;b-不同冷冻方法样品的MRI图像
图3 不同冷冻方法样品的LF-NMR曲线和MRI图像
Fig.3 MRI images and LF-NMR curves of samples from different freezing methods
MRI是一种快速、无创的成像技术,可以清晰、直观地表现出样品内部水分的分布和迁移规律。红色越深代表质子密度越高,水含量越高;绿色信号强度越高,水含量越低。图3-b是新鲜猪里脊肉和经过不同处理方法的猪肉磁共振成像图。经过冷冻处理后,图像的质子密度均有不同程度的降低,其中AF处理组的红色区域分布最少且亮度最低,而MF组较AF组有明显的改善,其中MF-3组水分分布更加均匀。这也表明磁场可以提高猪肉在冻融后持水能力[20],反映到伪彩图上的红色区域更多,质子密度更高。
2.5 磁场辅助冷冻对猪肉冻藏后可冻结水含量的影响
冷冻过程中,食品中组织细胞会受到冰晶的破坏,造成解冻后内部发生水分迁移,使不易流动水向自由水的方向迁移,导致自由水的含量变多,改变了内部水分分布状态,影响品质[23]。表3为不同磁场强度辅助冷冻猪肉的可冻结水含量,由表3可以看出,不同处理组的融熔焓变化显著(P<0.05),冷冻后的猪肉融熔焓(ΔH)均有增大,其中AF组的最大,有135.35 J/g,说明AF组由冰转化为液态水过程中所吸收的热量最大,说明其可冻结水含量多,固定水向自由水迁移较多;AF组的可冻结水含量最大为59.53%。MF组的Wf呈现先降低后增大的趋势,且MF-3组达到最低(51.01%),说明适当的磁场强度可以提高样品的持水能力,能够减小冰晶对蛋白质等的脱水作用[24]。
表3 不同冷冻方法对猪肉可冻结水含量的影响
Table 3 Effects of different freezing methods on freezable water content of pork
处理组ΔH/(J/g)ΔHf/%Wf/%对照109.06±2.89e32.53±0.87e43.28±0.29eAF135.35±1.05a40.53±0.31a59.53±1.09aMF-1127.47±1.16b38.16±0.34b56.38±1.10bMF-3115.95±2.67d34.72±0.80d51.01±0.48dMF-5124.33±1.40c37.23±0.41c53.40±0.30c
注：同一指标中不同字母表示存在显著性差异(P<0.05)。ΔH,熔融焓;ΔHf,可冻结水的熔融焓百分比;Wf,可冻结水含量。
2.6 磁场辅助冷冻对猪肉微观结构的影响
图4-a是不同猪肉样品组织结构的横截面和纵截面的切片,粉红色的区域是经过伊红染液染色后的肌纤维,白色区域则是空隙部分。AF组肌肉组织间的空隙最大,这可能由于肌纤维组织间形成的冰晶过大且不规则,造成组织破坏严重,解冻后空白区域过多[11];对于MF-1组,冰晶留下的空隙仍然较大,但空隙孔径尺寸变得更加均匀;相比于AF组,MF-3组则显示出更加完整的组织结构,更接近鲜肉的结构,进一步表明MF可以有效地改变冰晶的大小,使生成的冰晶变得细小而均匀,这也与持水性的观察结果一致。
a-光学显微镜图;b-SEM(350×)图
图4 不同冷冻方法样品组织的光学显微镜图和SEM(350×)图
Fig.4 The optical micrographs and SEM (350×) images of sample tissues from different freezing methods
图4-b是猪肉在扫描电镜放大350×下的微观结构图;对于AF组来说,肌纤维结构大部分已经被破坏,表明AF组在冷冻过程中形成了许多大且不均匀的冰晶,破坏了猪肉的组织结构。在所有冷冻样品中,MF-3的组织结构均保存的比较完整,但纤维之间仍有一定的空隙(相比于对照组),表明了MF-3促进了细小且均匀的冰晶的生成,这也可以进一步说明MF-3组的解冻损失较少的原因。这与前面的光学显微镜切片观察结果一致。
3 结论
本文研究了不同强度磁场辅助冷冻对猪肉品质的影响。研究发现,与AF组相比,MF组冷冻速率更快,产生的冰晶更小,造成的汁液流失更小,可冻结水含量更少,且随着磁场强度的升高呈现先上升后下降的趋势,并在MF-3组达到最小值(51.01%),且水分含量及分布状态更佳。FE-SEM则显示,MF处理组肌肉结构更为完整,因冰晶破坏的程度较小。因此,与传统冷冻相比,MF冷冻处理的猪肉品质更佳,与鲜肉更为接近。该研究可为磁场辅助冷冻及其相关物理场新型冷冻方式对减少生鲜肉冷冻保鲜品质劣变提供理论和技术参考。
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