基于低场核磁共振技术检测冷鲜滩羊肉的嫩度

马天兰,吴龙国,王松磊,,贺晓光,*,何建国

(1.宁夏大学农学院,宁夏银川 750021;2.宁夏大学土木水利工程学院,宁夏银川 750021)

基于低场核磁共振技术检测冷鲜滩羊肉的嫩度

马天兰1,吴龙国2,王松磊1,2,贺晓光1,*,何建国1

(1.宁夏大学农学院,宁夏银川 750021;2.宁夏大学土木水利工程学院,宁夏银川 750021)

以宁夏滩羊肉为研究对象,采用低场核磁共振(LF-NMR)技术研究了冷鲜滩羊肉在贮藏过程中水分分布、迁移情况,与羊肉的品质指标pH、肉色(L*、a*、b*)、剪切力等进行相关性分析。结果发现,LF-NMR测得冷鲜滩羊肉的横向弛豫时间 T2谱中出现4个水分群,各水分群对应的横向弛豫时间分别为 T20、T21、T22、T23,且与各指标间显著性较高(p<0.05),其中T2与剪切力相关系数为-0.996,极显著相关(p<0.01),总峰面积A与剪切力极显著负相关(p<0.01),相关系数为-0.991。为了进一步研究峰面积A、横向弛豫时间T2与剪切力的关系,建立曲线回归方程进行拟合分析,其峰面积A、横向弛豫时间T2与剪切力回归拟合效果较好,回归系数分别为0.960、0.942。研究结果可为滩羊肉在贮藏过程中嫩度的快速检测提供理论依据。

低场核磁共振,滩羊肉,冷藏时间,横向弛豫时间,嫩度

宁夏滩羊肉因含脂率低、肉质细嫩、不膻不腥、营养丰富,是公认的优质羊肉。随着人们生活水平的提高,冷鲜肉因其安全系数高、营养价值高、感官舒适性高越来越受到广大消费者的青睐。如今,冷鲜肉在发达国家几乎达到了100%的市场占有率[1-2]。肉品嫩度是评价肉质量高低的一项重要指标,肌肉的组织形态学结构、动物屠宰前后因素、宰后肉品嫩化因素对肉质嫩度都有一定的影响[3]。因此,如何快速检测肉品嫩度一直是国内外肉品科学研究工作的热点问题之一。传统检测肉品嫩度的主要方法有感官评定和剪切力方法,这两个方法耗时、有损,无法实现快速检测。随着光谱技术和成像技术的发展,Mitsumotom等[4]采用近红外(NIR)技术测量牛肉嫩度,结果表明剪切力和NIR测量值具有较好的相关性,R2为0.83。Xia等[5]利用牛肉光谱散射系数预测牛肉嫩度,二者相关性显著,R2为0.59。Cluff等[6]基于高光谱散射特性预测牛肉的嫩度,预测相关系数最高为0.76。但是光谱成像技术作为新兴的研究手段具有成本高、数据量大、图像的获取、处理和分类时间较长等缺点,这些限制了其在线检测的应用。

低场核磁共振(NMR)是一种通过分析肉与肉制品中不同状态水分的分布、含量以及迁移过程,同时可进行成像分析,以获取样品内部水分的空间分布信息,从而更好的分析肉与肉制品中水分与其他品质特性间的关系的分析检测技术[7-8]。具有快速、无损、样品需要量少等优点,是国际上用于研究水分分布、流动,进而研究样品的内部物性特征的最有效手段之一[9]。目前,利用低场核磁共振(LF-NMR)在水果检测、掺假、肉品水分的研究相对较多。熊婷[10]采用LF-NMR对果品进行检测研究,实现了水果含糖量和机械损伤的综合检测。姜潮[11]对牛乳掺假进行了检测研究,发现LF-NMR在惨假牛乳的区分识别中应用效果较好。Engelsen等[12-14]利用LF-NMR对肉的水分分布、含量及性质进行来研究,发现冷冻温度越低,冻藏时间越长,导致非冻结水分含量损失越多。而从水分分布及流动特性角度对冷鲜滩羊肉在贮藏过程中其品质变化及嫩度快速检测的研究鲜有报道。

本文利用LF-NMR技术,以宁夏盐池滩羊肉为对象,研究了冷鲜羊肉在不同冷藏时间的水分分布及品质变化规律,探讨了横向弛豫时间T2、总峰面积A与pH、肉色、剪切力间的关系,以期为冷鲜滩羊肉在冷藏过程中嫩度的快速检测提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

滩羊肉 产地宁夏,屠宰后经0 ℃冷库排酸24 h后采集背脊肉样,置于保鲜箱低温保存当天运至实验室,去除样本表面的脂肪和肌膜,整形切块(大小20×20×10 mm)100个,分别用保鲜袋包装,在贮藏温度为4 ℃下预冷12 h待用。

NM120型核磁共振分析仪 上海纽迈电子科技有限公司,磁场强度0.56 T,共振频率 21～23 MHz;AR2140型电子天平 美国OHAUS;HH-6型数显恒温水浴锅 国华电器有限公司;Testo 205酸度计 德国德图公司;DC-P3型全自动测色色差计 北京市兴光测色仪器公司;TA-XT plus型质构仪 英国Stable Micro System公司。

1.2 实验方法

1.2.1 理化指标的测定

1.2.1.1 pH测定 pH测定用校准便携式,肉块冷却至室温后,将pH探针插入肉中进行测定。每天测10个样本,每个样本测定3个不同位置做平行对照,取10个样本的平均值作为最终结果,连续测定10 d。

1.2.1.2 肉色测定 选取3个不同位点进行测定。利用校正后的Minolta每天测10个样,每个样品测定3个不同部位做平行,最终以10个样的平均值作为最终结果,连续测定10 d。

1.2.1.3 剪切力值测定 测量前,称取样本质量。将温度探头埋入样本中心,埋入时避开脂肪和缔结组织,然后将样本放入75～80 ℃水浴中加热,加热过程中记录样本中心温度,当中心温度达到70 ℃时,取出样本,冷却至室温时测量嫩度。其测量依据NY/T 1180-2006标准进行,置于TA-XT plus质构仪上,垂直于肌肉纤维方向剪切,每次测10个样本,取每个样本3个肉条剪切力的均值作为该样本的嫩度值,最终以10个样本的平均值作为最终结果。测试参数设定[15]:测试模式为压缩测试,探头下降速度为6.0 mm/s,探头回程速度为6.0 mm/s,测试距离为20 mm。

1.2.2 低场核磁共振时间T2测定 采用NM120核磁共振成像分析仪,磁场强度:(0.5±0.08) T,测量温度为32 ℃。首先沿肌纤维方向取1.0 g,修整为10×10×10 mm的肉样10份,在温度为32 ℃(仪器工作温度)水浴锅中水浴8 min,分别放入15 mm检测管中。将横向弛豫时间T2的测定选用Q-CPMG序列进行测定,其参数值[16]为:SW=200,NS=8,SF=18.38 MHz,TW=1200 ms,NECH=5000,RFD=0.02 ms,TE=0.385 ms。参数设置完后,开始采样,每个测试重复3次。采样结束,进行T2拟合保存实验结果,然后进入T2反演软件反演出实验结果。

1.2.3 核磁共振参数与食用品质的相关性分析 为了研究滩羊肉在冷藏过程中其食用品质pH、肉色(L*、a*、b*)和剪切力与核磁共振参数变化的关系，采用SPSS 20.0软件对滩羊肉pH、肉色、剪切力与核磁共振参数T2、T20、T21、T22、T23、总峰面积A进行相关性分析。

1.2.4 回归模型建立 在核磁共振参数与食用品质的相关性分析的基础上,选取极显著相关指标(p<0.01),建立曲线回归模型进行拟合分析。

1.3 数据处理与统计分析

本实验利用SPSS 20.0统计软件进行Pearson相关系数分析,同时用SPSS20.0软件通过曲线回归分析建立线性、二次、对数回归模型。

2 结果与分析

2.1 滩羊肉在冷藏过程中各理化指标的变化

2.1.1 滩羊肉pH的变化 pH是反映羊肉新鲜度的重要指标之一,对冷藏过程中对滩羊肉的pH变化进行研究,其结果如图1所示。

图1 滩羊肉pH随冷藏时间的变化图Fig.1 Changes of pH in chilled mutton with storage time

从图1中可以看出,第1～4 d,pH逐渐降低,主要是因为宰后生理代谢终止,由有氧呼吸转化为无氧呼吸,发生糖酵解反应,最终产物乳酸的积累使pH下降;第4 d以后,随着冷藏时间的延长整体呈上升趋势,特别是从第7 d以后,pH显著上升,这是由于在冷藏过程中蛋白质在细菌及酶作用下分解为氨及胺类碱性物质,表面较黏且伴有不良气味,说明此时的肉已经开始腐败。与李志成等[17]研究了羊肉新鲜度与其挥发性有机化合物之间的关系结果一致,在温度为4 ℃下冷藏,随着冷藏时间的增加,pH逐渐上升;顾赛麒等[18]对冷却羊肉新鲜度变化进行了研究,发现在不同温度(4,20 ℃)下贮藏,在4 ℃下其pH随着冷藏天数的延长而显著增加。

2.1.2 滩羊肉色度的变化 肉色是反映冷鲜肉食用品质的重要指标,也是消费者判断是否购买的主要依据之一。通过肉色的变化可以反映滩羊肉在冷藏过程中的生理、生化及微生物变化等情况[19]。通常用L*(亮度)、a*(红度)和b*(黄度)来反映肉表面颜色的变化,L*、b*值越高,a*值越低,说明渗出水越多,肉越不新鲜。实验研究了10 d滩羊肉的肉色值变化,如图2所示。

图2 滩羊肉色度随冷藏时间的变化Fig.2 Changes of color in chilled mutton with storage time

从图2得知,L*、b*值在冷藏过程中逐渐增大,a*逐渐减小。这主要是因为冷鲜滩羊肉在贮藏过程中,外源微生物入侵,消耗分解肉中蛋白质、脂肪、糖类等营养物质进行大量繁殖,加速肉的腐败;肉色主要取决于肌肉中的色素肌红蛋白和血红蛋白,在微生物作用下会产生H2S,它与肌红蛋白生成硫化肌红蛋白,肌红蛋白含量随冷藏时间的延长而下降,使肉色变暗[20]。因此,在一定的冷藏时间内,L*、a*、b*值可以作为判断冷鲜滩羊肉品质的指标。

2.1.3 滩羊肉剪切力的变化 鲜肉嫩度可以反映肉的内部结构,并且可以在一定程度上反映了肉中肌原纤维、结缔组织以及肌肉内脂肪的含水量、分布和化学结构,而嫩度的下降主要是肌原纤维收缩导致的。通常羊肉嫩度的高低用剪切力值的大小表示,羊肉的剪切力值越小,羊肉的肉质越嫩。滩羊肉冷藏过程中剪切力的变化,如图3所示。

图3 滩羊肉剪切力随冷藏时间的变化图Fig.3 Changes of shear force in chilled mutton with storage time

由图3得知,第1～2 d,剪切力值几乎没有发生变化,说明此时肉比较嫩;第2～5 d,剪切力值缓慢上升,说明此时肉的嫩度开始逐渐降低;从第6 d以后,剪切力值随着冷藏时间变化比较明显,说明此时由于在冷藏过程中,肉中肌纤维结构松散逐渐变得紧密,不能吸附更多的水,纤维成分的物理强度增大,使肌纤维束不容易分离,肌肉变得粗硬,剪切力值增大,嫩度降低[21-22]。因此,通过剪切力值的变化可以反映冷鲜滩羊肉嫩度的高低。

2.2 冷藏滩羊肉的核磁共振分析

图4 滩羊肉在冷藏过程中弛豫时间T2分布图Fig.4 Distribution of transverse relaxation time T2in chilled mutton during the cold storage

由图4可知,弛豫图谱上有4个峰,分别是T20(0～1 ms)、T21(1～10 ms)、T22(10～100 ms)、T23(100～1000 ms)。各峰所占的积分面积的比例也不同,分别是PT20(0.8%～6%)、PT21(0.6%～2%)、PT22(92%～96%)和PT23(0.4%～4%)。各组分弛豫时间和积分面积所占的比例不同,可以反映出肉中存在着不同状态的水。目前,学者们基于肉与肉制品水分T2分布的理论研究,做了大量关于从水分分布、流动性角度解释影响肉与肉制品品质与加工特性的实验,利用LF-NMR得到T2的分布也都有所不同[23-24]。Anja等[25]采用LF-NMR研究经滚揉、烟熏处理的通脊肉的水分扩散与感官特性之间的关系,研究发现T2弛豫谱图上有3种分布状态的水分群,分别代表结合水、不易流动水、自由水;陈琳莉等[26]利用低场核磁共振法测定五种肉类中不同状态水分含量,样品测定过程中T2图谱中出现4个峰,分别是弱结合水、强结合水、不易流动水,自由水。Borisova等[27]检测到5种不同组分,分别代表了3种不同形式的水分以及肉中的肌动球蛋白等大分子、跟肌肉蛋白有关的组分。本实验从弛豫时间及所占的比例可以看出,当弛豫时间在0～10 ms范围时,出现两个峰,这是由于在结合水中按水分子与肉中非水组分结合的牢固程度可分为最紧密的化合水和处于非水组分亲水性基团周围的邻近水及多层水。结合方式的不同导致了峰顶点弛豫时间的差异[28]。因此,T20、T21是与蛋白质分子表面结合紧密,不受外界压力影响的结合水;T22是存在于纤丝、肌原纤维及膜之间的不易流动水;T23存在于肌细胞外间隙中的水分,主要靠毛细管凝结作用而存在于肌肉中的自由水[29]。从图中得知,横向弛豫时间T2可以间接表明水分的自由度,横向弛豫时间T2越大表明水分越自由[30]。

表1 冷藏过程中滩羊肉横向弛豫参数与食用品质变化的相关性分析Table 1 The correlation analysis of chilled mutton transverse relaxation parameters and eating quality changes

注:*在0.05水平(双侧)上显著相关(p<0.05);**在0.01水平(双侧)上极显著相关(p<0.01)。

2.2.2 不同水分所对应横向弛豫时间的变化 滩羊肉在贮藏过程中LF-NMR T2图谱中各种状态水所对应弛豫时间T2(T20、T21、T22、T23)随冷藏时间的变化情况,如图5所示。

图5 滩羊肉在冷藏过程中弛豫时间T2的变化图Fig.5 Changes of transverse relaxation time T2in chilled mutton during the cold storage

从图5可以看出:随着冷藏时间的延长,横向弛豫时间T20、T21没有明显变化,这可能是由于该组分中的水与肉中非水组分物质结合的较牢固,不受冷藏时间的影响[31]。而T22、T23在冷藏过程中,随着冷藏时间的延长,不易流动水和结合水弛豫时间明显缩短。这与李伟妮等[32]冷藏山羊肉品质变化的核磁共振研究的结果是一致的,随着冷藏时间的变化,横向弛豫时间T22、T23明显缩短。从积分面积比例可以看出,pT22先增大后减小,pT23随贮藏时间逐渐增大,说明不易流动水在冷藏过程发生了水分迁移导致其含量降低,即不易流动水向自由水转化,从而使自由水含量增加。这与李春等[33]对利用低场核磁共振研究冷却条件对猪肉保水性的影响研究结果一致。

2.2.3 总峰面积A随时间的变化 LF-NMR所检测到滩羊肉总峰面积A在贮藏过程中随贮藏时间的变化,如图6所示。

图6 总峰面积A随冷藏时间的变化图Fig.6 Changes of peak area of A with storage time

从图6可知:随着冷藏时间的延长,总峰面积A逐渐减小。这主要是因为滩羊肉在冷藏过程中,肉质容易滋生微生物生长,消耗了部分水分,导致滩羊肉的总水分含量降低[34]。因此,总峰面积A可以反映肉中总水分含量的变化。从以上结果可以看出,滩羊肉在冷藏过程中其弛豫时间T2、总峰面积A可以反映滩羊肉在冷藏过程中水分的分布、迁移及总的含水量变化情况。

2.3 核磁共振参数与食用品质的相关性分析

通过以上分析发现,滩羊肉在冷藏过程中其食用品质pH、肉色(L*、a*、b*)和剪切力与核磁共振参数变化有联系。采用SPSS 20.0软件对滩羊肉pH、肉色、剪切力与核磁共振参数T2、T20、T21、T22、T23、总峰面积A进行相关性分析,其结果见表1。

从表1可以看出,pH、a*、b*与总峰面积A、弛豫时间T2(T20、T21、T22、T23)之间均不显著(p>0.05);L*与弛豫时间(T22、T23、T2)显著相关(p<0.05);剪切力与T22、T2、总峰面积A极显著相关(p<0.01),相关系数分别为-0.992、-0.996、-0.991。

表2 模型汇总和参数估计Table 2 Model summary and parameter estimation

注:因变量为剪切力,自变量为T2。

由此可以看出,不同冷藏过程中滩羊肉的核磁共振参数与各品质指标之间密切相关,从以上相关性结果进一步说明,滩羊肉在冷藏过程中水分的迁移及水分含量的变化是影响其剪切力变化的重要因素。可以通过低场核磁弛豫时间T2及总峰面积A反映肉中水分的迁移及含水量的变化进而研究冷藏过程中滩羊肉嫩度的变化。

多孔壁面槽道湍流中的流动阻力和传热···············张一凡 刘财喜 董宇红 (3,378)

2.4 回归模型建立

2.4.1 总峰面积A与剪切力回归模型的建立 滩羊肉冷藏过程中总峰面积A与剪切力相关系数为-0.991,极显著负相关(p<0.01),随着冷藏时间的延长,总峰面积A逐渐减小,即总水含量在冷藏过程中减少;剪切力值逐渐增大,即嫩度在整个过程中逐渐降低。为了研究总峰面积A与剪切力的线性关系,建立曲线回归模型,如图7所示。

图7 剪切力与峰面积值A的曲线回归图Fig.7 The curve regression of shear force and peak area of A

从图7得知,剪切力与总峰面积A在三条曲线模型拟合的曲线中,对二次型拟合的曲线与原始观测值拟合的最好,而线性模型与对数模型拟合曲线都有许多观察点没有拟合好。由拟合的观察图来看,二次模型最适合本实验的数据建模,可以得出滩羊肉剪切力与总峰面积A之间的关系为Y=-7.093e-0.006X2+0.94X-1258.516,它们之间存在显著的曲线回归关系(p<0.001)。因此,根据曲线回归方程,通过LF-NMR测定总峰面积A,可在一定的贮藏时间内快速检测出滩羊肉冷藏过程中的嫩度的变化。

2.4.2 横向弛豫时间T2与剪切力回归模型的建立 冷藏过程中羊肉中水分横向弛豫时间T2与剪切力相关系数为-0.996,呈极显著负相关(p<0.01)。横向弛豫时间T2随着冷藏时间逐渐降低,说明在冷藏过程中结合水、不易流动水、自由水含量减少;而嫩度在冷藏过程随剪切力增大逐渐降低。为了研究弛豫时间T2与剪切力的线性关系,建立曲线回归模型,其模型汇总和参数估计、曲线回归模型图分别如表2、图8所示。

图8 弛豫时间T2与剪切力的曲线回归图Fig.8 The curve regression of transverserelaxation time T2 and shear force

从表2可以看出,三个回归模型中,拟合度最好的是对数模型(R2=0.942),其次是二次曲线模型(R2=0.966)和线性模型(R2=0.942)。从F值来看,对数模型的拟合情况最好,因为二次模型的F值最大,为129.304。三个次模型的概率值都是0.000(p<0.001),极其显著。

由图8可以看出,通过线性、对数、二次模型拟合的曲线中,对数模型拟合的曲线与原始观测值拟合的最好,而线性模型与二次模型拟合曲线都有许多观察点没有拟合好。因此,本实验数据建模选用对数模型建模为宜。所得的滩羊肉剪切力与弛豫时间T2之间的关系为Y=-58.081In(X)+358.916。当在冷藏过程中弛豫时间T2缩短时,剪切力逐渐增大,嫩度降低。因此,通过线性回归方程可实现冷藏过程中滩羊嫩度监控。

3 结论

滩羊肉随着冷藏时间的延长,肉色、剪切力等品质指标发生明显变化,冷藏时间的控制对羊肉在冷藏过程中品质变化的影响极为重要。利用低场核磁共振技术对羊肉冷藏过程中的四个水分群的横向弛豫时间的变化可知,借助肉中水分的分布及流动情况可对其品质变化进行判断具有一定的可行性。并分析了其变化与食用品质之间的关系,在此基础上建立曲线回归模型,其模型具有很好的拟合度,通过横向弛豫时间T2和总峰面积A可实现对羊肉在贮藏过程中嫩度的监控及其预测。

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权威·核心·领先·实用·全面

Detection of tan-sheep meat tenderness based on low-field nuclear magnetic resonance

MA Tian-lan1,WU Long-guo2,WANG Song-lei1,2,HE Xiao-guang1,*,HE Jian-guo1

(1.School of Agriculture,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.Institute of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

Tan-sheep meat in Ningxia was used to be as the research object,the water distribution and mobility of the cold fresh tan-sheep meat during storage was studied by low-field nuclear magnetic resonance(LF-NMR)technique,and carried on the correlation analysis with the quality indexes such as pH,color(L*,a*,b*),shear force which were determined. The results found that the NMR transverse relaxation time T2spectrum data indicated that four distinct water populations were observed in the tan-sheep muscle. Each group of water corresponding to the transverse relaxation time was T20,T21,T22,T23,and with each index was significantly higher(p<0.05),where the relaxation time T2and shear were significant correlation(p<0.01),and the correlation coefficient was 0.996,the total peak area of A was significantly negative correlation with shear force(p<0.01),and the correlation coefficient was-0.991. To further study the relationship between peak area A,the transverse relaxation time T2and shear force,established the regression equation curve to be fitting analysis,the peak area of A,transverse relaxation time T2and the shear stress regression fitting effect were good,regression coefficients respectively were 0.960,0.942. This study would provide theoretical basis for the rapid detection of tan-sheep meat in the process of storage.

LF-NMR;chilled mutton;storage time;transverse relaxation time;tenderness

2016-06-28

马天兰(1990-)，女，硕士研究生，主要从事农产品无损检测方面的研究,E-mail:1511531975@qq.com。

*通讯作者:贺晓光(1963-)，男，教授，主要从事农产品无损检测、食品机械自动化控制、食品物性学方面的研究,E-mail：13995015705@163.com。

国家自然科学基金资助项目(31660484)项目资助;宁夏高等学校科学研究项目(NGY2016018)。

TS251.1

A

1002-0306(2017)02-0069-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.005