肉品中水分检测方法研究进展

袁乙平，李 靖

（1.成都工业学院宜宾校区综合事务部，四川 成都 611730；2.四川科伦博泰生物医药股份有限公司，四川 成都 611138）

肉类作为人类膳食体系中最为重要的食物之一，在日常消费中占据着很大的比例。随着居民消费水平的提高和饮食结构的改善，我国人均肉类消费量呈日益增长的趋势，从2000年的20.22 kg增长到2016年的59 kg，2018年增长至61.90 kg，2019—2020年因猪肉价格、新冠疫情爆发等因素虽有所下降，但人均年消费量仍保持较高水平。2018年中国猪、牛、羊、禽肉产量占全球的25.22%，表观消费量占全球的26.70%。同时冷鲜肉、低温肉制品等的消费比例逐渐增加。近年来，我国肉制品深加工企业规模和数量不断扩大，区域集中度显著提高。我国在肉制品深加工领域突破了传统肉制品工业化的技术难点，在冷冻肉加工、冷鲜肉加工、低温肉制品加工以及高温肉制品加工领域取得了显著的成效。但是由于企业生产产量、加工设备、加工条件等限制因素，原料肉一般要进行冷藏或冷冻保存，最后进入生产线。冷冻方式及冻藏时间会引起原料肉中水分含量、状态、分布发生变化；随着冻藏时间的延长，肉中的冰晶体体积不断增大，对肉的品质造成极大损害，同时在贮存过程中冷冻-解冻及由于温度波动引起的反复冻融也会造成肉的品质下降。因此利用快速、准确、绿色的仪器分析手段来实时监测和分析肉品中水分含量、状态的变化，对肉的加工和贮藏品质判断极为重要。

水分作为肉品中含量最多的组分，几乎存在于所有的食品中，部分食品含量可高达80%以上，水分的状态和含量变化会导致食品体系的品质发生一系列变化，包括感官、质构、贮藏稳定性和加工性能等，因此对肉品中水分的探究显得尤为重要。目前，随着科技的不断进步，利用高精尖的先进仪器对鲜肉、肉制品加工及贮藏过程中的水分进行检测和分析，能够为肉的加工和品控提供参考依据。传统水分检测方法的技术改进和近几年的新检测技术被大量研究学者报道，但鲜有学者对肉品中水分的检测方法和技术手段进行集中分析报道。本文主要综述肉品中水分的含量、水分在肌纤维中的分布状况、冻结过程中水分的变化情况，同时分析不同的水分分析方法，包括常规分析法、波谱分析法、热物性分析法的研究进展及应用范围，为推进肉品中水分快速、高效测定提供参考依据。

1 鲜肉中水分的含量及存在形式

1.1 水分含量

在肉品中，蛋白质含量为16%～22%，碳水化合物含量为1%～2%，脂肪含量为1%～13%，其余的可溶性物质含量为1%，而水分含量为65%～80%，因此水分在肉品中占绝大部分，其含量影响肉品的加工性能和感官特性，常见的肉品水分含量见表1。如果把肉中的成分比喻成复杂的胶体分散体系，水作为溶剂，其他各种成分，如离子等以不同形式分散在溶剂中。肌肉中的大部分水分存在于肌原纤维、肌球蛋白粗纤丝、肌动蛋白/原肌球蛋白细纤丝之间的间隙中，粗纤丝和细纤丝之间的间隙为32～57 nm，同时受pH值、离子强度、肌节长度、渗透压及肌肉是否处于僵直状态的影响。粗纤丝和细纤丝之间的间隙可发生3 倍体积的变化，因此，肌原纤维间隙中的水分含量变化远远大于与蛋白质相结合的水分含量的变化。

表1 常见肉品水分含量[6-7]Table 1 Water contents of common meat products[6-7]

以畜禽肌肉为代表，其中的水分含量对肉的多汁性、嫩度、质构及感官品质等都有很大影响。同时在从活体肌肉到肉的成熟再到肉品的加工制作过程中，肌纤维间的水分含量、分布、移动性受到宰前因素（动物品种、宰前应激水平）及宰后因素（宰杀方式、冷冻方式、成熟时间及贮藏温度）的影响会出现不同程度的变化，而这些变化势必对肉的品质产生一定程度影响。

1.2 水分的存在形式

研究表明，肉品中的水分以多种形式存在。按水分子与非水物质相互作用的性质和紧密程度，可将肉品中的水分为：结合水和体相水两大类。核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）研究表明，肉中的水分主要以自由水、不易流动水和结合水3 种形式存在：被组织所截留的自由水，具有一定的流动性，保持着水本身的物理特性，可作为胶体和盐的分散剂、溶剂，占总水分的15%；存在于肌肉中的肌纤丝、肌原纤维及肌膜之间的不易流动水，能作为盐及其他非水物质的溶剂，并在0 ℃或以下时结冰，约占总水分的80%；肉品中的依靠化学力或物理化学力与非水物质缔合的结合水，这部分水低温（-40 ℃或更低）下不易冻结，一般不受肌肉蛋白质结构和电荷变化的影响，约占总水分的5%。按照肉品中水分的冻结温度，可分为“冻结水”和“非冻结水”。

2 冷冻肉中水分变化的特点及对肉品质的影响

2.1 水分在冻结过程中的变化

冷冻贮藏作为一种高效、安全的低温贮藏手段，在肉类工业中广泛应用。但随着冻藏期的延长，肉会发生如“干耗”“冻结烧”“重结晶”等品质劣变，引起这些变化的主要原因是肉中水分、蛋白质、脂肪等成分的改变。目前关于冷冻肉品质方面的研究大多关注的是冻结过程参数，冻藏后的肉中水分分布、冰晶体形态、肌原纤维结构随冻藏时间延长而发生的变化鲜有研究。

在肉的冻结过程中，存在于肌原纤维内的自由水会首先冻结，而后不易流动水不断析出、冻结。结合水一般在低于-40 ℃才会冻结。肉中冰晶体的分布及结合位点对肉的品质有很大影响。在冷冻过程（部分冷冻/初始表面冻结）中，冰晶的形成从表面到肉品的中心，并形成不同大小的冰晶层。在肉的常规冻结中，由于冻结速率较慢，细胞外渗透压低于细胞内渗透压，因此冰晶首先形成于胞外。肉在冷冻过程中随着冰晶体的不断形成，肌浆中的离子浓度增加，细胞内的水分不断外渗，并在已形成的冰晶体上冻结，肌肉中电导率发生改变，冰晶体不断增大，致使肌肉中肌原纤维的扭曲和破坏。而当肉在快速冷冻时，细胞内水分来不及外渗，就会在胞内形成冰晶体，从而造成细胞膜的机械损伤。黄鸿兵研究冷冻工艺及冻藏过程对猪肉品质的影响，并通过研究肌肉中冰晶的形态来解释宏观的品质变化，结果表明，冷冻会导致肌纤维直径变大，纤维结构被破坏。向迎春等总结阐述冷冻过程中冰晶的形成对水产品蛋白质、脂质、水分、色泽与质构等一系列营养指标的影响。

2.2 冷冻对肉品质的影响

肉在冷冻时，由于冰晶体不断生成，破坏了结合水和蛋白质分子的缔合状态水合层，促进蛋白质氧化，导致蛋白质分子内部某些化学键被破坏，进而产生交联反应。蛋白质分子结构的改变标志着蛋白质变性的发生，而盐浓度的增加也促进了肌肉中蛋白质的变性，在蛋白质的一系列变化中，最主要的是肌原纤维蛋白的变化导致肉的感官品质、质构特性、加工特性下降。在冷冻过程中，由于温度的波动会导致重结晶的形成，在重结晶过程中，冰晶可以通过水分的重新分布来增加体积和减少数量。此外，肉贮藏期间，体积较小的冰晶相对于体积较大的冰晶在热力学上是不稳定的，容易发生数量、体积和形状上的变化，这些变化也会引起重结晶的发生。孙圳借助低场核磁共振（low field NMR，LF-NMR）技术和氢质子磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术，研究冷冻贮藏过程中肉样肌原纤维蛋白变性情况，根据贮藏过程中蛋白质水合特性及牛肉微观结构的变化结合肉样中水分状态转变分析，阐述牛肉亚冻结贮藏过程中水分迁移机制。王芳芳等分析冷冻-解冻及反复冻融对生鲜肉品质的影响，探讨冷冻-解冻及反复冻融对肉色、嫩度、保水性、脂质氧化、蛋白质变性及氧化的影响机制。

3 肉品中水分检测方法

肉品的水分分析方法中，主要有直接干燥法、蒸馏法、化学反应定量法、NMR、近红外（near infrared，NIR）分析、超声波分析等方法，可分为三大类：常规分析、热及物性分析和波谱分析。常规分析方法主要包括直接干燥、蒸馏及利用化学反应进行定量分析；热及物性分析法主要包括差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）分析、扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）；波谱分析法主要包括NIR、NMR、超声波等。

3.1 常规分析法

3.1.1 蒸馏法

蒸馏提取作为一种分离共沸化合物和相对不易挥发混合物的适宜方法，在化学和制药工业中有着广泛应用。通过向A和B（A的沸点低于B）的共沸混合物中加入夹带剂E，利用E改变混合物中原始组分的相对挥发度，从而达到对特定组分的分离。利用某些有机化合物能与水形成共沸混合物的特性，在待干燥样品中加入某一有机物形成共沸物，因共沸混合物的沸点通常低于样品中的有机物沸点，通过Dean-Stark装置与冷凝回流和收集装置联用，即可进行物料的干燥及水分定量测定。

随着绿色化学的不断发展，石油溶剂作为传统的共沸物，逐渐被对环境无害、低毒甚至无毒的溶剂替代，如柠檬烯等。Bertouche等利用-蒎烯代替甲苯进行食品中水分的含量测定，其形成的共沸物沸点（97～98 ℃）高于甲苯形成的共沸物沸点（84 ℃），可将蒸馏时间有效缩短70%左右，且结果与传统方法比较差异不显著。同时，还可利用微波辅助来降低传统方法（如Dean-Stark蒸馏）的高能耗和长时耗。Veillet等用微波辅助法，将蒸馏时间从120 min缩短到10 min。同时研究者们也在寻求更加优化的算法来降低蒸馏过程中的能耗，如仿真模拟、过程优化、热集成过程分析等，有研究表明，能耗降低甚至能够高达30%。

蒸馏法作为一种宏观的水分定量方法，其缺点是无法对含量很少的样品及高精度要求的样品进行分析，且耗时较长（视样品大小和所用仪器而定）。共沸蒸馏时，最好对样品进行定量以确保数据的准确性，同时避免回收水分过多，超过计量管的量程带来误差。

3.1.2 化学定量反应法

化学定量反应法是利用水分与CaH反应生成H或者与CaC反应生成CH。反应式如式（1）～（2）所示。

根据产生气体的量来确定样品中水分含量，但是气体的体积受温度和压力的影响而产生变化，需要对此加以考虑。

Karl Fischer滴定法也是一类常用的化学滴定分析方法，主要是针对样品中的微量水分进行滴定分析，具有较高的准确度。其原理是在咪唑和甲醇（或乙醇）存在的条件下，碘、SO与水反应，利用2 支铂电极插入溶液中，当溶液中的水分被消耗完后，过量的碘与碘离子在电极附近发生氧化还原反应，产生电流，即为滴定终点，通过消耗碘的量来确定水分含量。该方法还用于组成复杂样品的水分分析，如肉制品等样品。Adam等利用Karl Fischer滴定法测定肉饼的水分含量及吸湿等温线，在对提取溶剂、提取时间、样品大小进行优化之后，数据结果与传统的干燥方式相比无差异，同时为肉饼的水分测定提供了参考。

3.1.3 干燥法

根据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》，肉及肉制品使用直接干燥法，在101～105 ℃下干燥至恒质量后根据质量差进行水分含量测定。但传统的干燥方法无法将其中的紧密结合水进行蒸发，同时在干燥过程中由于高温和氧化等作用，导致挥发性物质的产生和变化也会带来样品质量的变化，给实验结果带来一定的误差。

随着分析方法的进步，逐渐过渡到利用红外或微波辅助加热下的分析方式，缩短分析时间。在微波辅助加热下进行样品中水分含量的分析，微波的能量消耗低，所需时间短，在肉品的干燥过程中，不易出现除水之外的挥发性物质导致样品质量变化引起的结果误差。Marques等分别利用常规干燥法、红外干燥法、微波辅助干燥法对肉品进行水分含量测定，比较几种测定方法的误差。结果表明：利用红外和微波加热时，红外加热方式使得物料表面形成了一个干/湿层，阻止了水分的蒸发；微波加热缩短了分析时间（用时为原来的1/61），能量消耗仅为原来的1/30。

传统的水分分析方法只能够对样品中总的水分含量进行简单测定。但是由于食品中的水分和大分子物质结合紧密程度不同，会表现出不同的特性，因此在利用常规方法进行水分含量测定时，只能让其中95%左右的水分挥发，剩余的紧密结合水无法蒸发，同时物料中挥发性物质的变化也会导致实验结果出现一定的差异，因此常规的检测方法只能简单对食品中的总水分含量进行检测。随着食品分析技术的不断发展，绿色、快速、无损且能准确定量的分析技术将会成为发展方向，并逐步普及，如利用超声波、NIR、NMR等方法进行快速、无损定量检测。

3.2 热及物性分析法

3.2.1 DSC

食品在加热过程中，成分都会发生一定程度的变化，包括相变化、构相变化、成分变化（如变性）。DSC法是利用热力学方法，借助于温度程序，测定热过程引起的样品热物性指标的变化（如焓变、熵变），来表征样品的变性、熔融等过程。

在肉品冷冻过程中，部分水分冻结，结合水一般不冻结，其玻璃态转变温度、相平衡、水分含量及水分活度都会发生改变。利用DSC研究肉品的玻璃态转变、相平衡、水分含量及水分活度。Lu Zhaohui等利用NMR计算的非冻结水含量和DSC计算结果显著相关（=0.72，＜0.05），为食品的冷冻加工和贮藏提供了科学的指导。Kołczak等利用DSC测定宰后不同成熟时间及不同热处理方式下牛肉非冻结水、自由水、不可移动水含量。结果表明：牛肉半腱肌和腰大肌中的非冻结水含量为7%～8%，不同热处理方式下肉中的自由水含量有一定差异：煮制最高，烤制次之，炸制最低。同时，经过12 h的成熟后，肉品中的非冻结水含量降低。Tolstorebrov等利用DSC研究北大西洋主要商业鱼类肌肉中非冻结水含量，通过对DSC熔融曲线进行分析，发现其中的非冻结水含量为5.1%～8.6%，其低温玻璃化转变温度为-86.0～-68.0 ℃、高温玻璃化转变温度为-14～12 ℃，为后续预测鱼类在不同温度下的冷冻处理程序及不同温度下贮藏的货架期提供了参考。

3.2.2 SEM

作为一种微观分析方法，SEM在食品分析中的应用变得越来越重要，利用SEM能够分析不同加工方式，如冷冻、粉碎对食品结构的破坏程度，进行加工方式优选。在肉品的加工、贮藏、运输过程中，不同的冷冻方式、冷冻速率、反复的冻结-解冻都会对肉品质产生一定程度的影响，引起肌肉的收缩及解冻损失的加剧，冰晶体的大小极大影响肉品贮藏过程中的品质。通过观察肌纤维之间的间隙及肌纤维被冰晶体损伤的程度可评估不同处理方式对肉品品质的损伤大小。同时，对SEM获得的图像进行有效信息提取更为关键，通过合理且科学的SEM图像处理方式，能够获得更多的信息。因此，作为研究肉品中水分在冷处理过程中对体系影响的方法之一，通过SEM能够准确、直观地观察冰晶的形状和粒度分布以及对肉品肌原纤维的破坏情况，成为一种高效、可取的辅助手段。

3.3 波谱分析法

作为近年来快速发展的分析技术，波谱分析法是指利用肉品的各种波谱性质，如光谱、微波、核磁等对肉品品质进行分析的方法。由于肉品种类及处理条件的差异，往往会呈现出性质上的差异，通过对肉品的反射或吸收波谱分析，即可获得肉品的品质变化规律，从而为实现波谱分析提供了可能。

3.3.1 声波分析

在过去的几年中，超声辅助加工技术在食品加工和贮藏过程中得到越来越广泛的应用，其具有无损、快速、非侵入式、易操作、能耗低、易实现在线检测等优点，在食品热加工过程中能增加热传导速率，在食品保藏过程中，可用于食品质构及成分分析。

声波技术由于其独特的优点，在食品研究中的应用越来越广泛，不同的食品组分，其超声波的传播速度及迟滞现象会呈现出一定范围内的差异，利用声波的迟滞现象分析食品中的组分也成为一大研究热点。许多学者利用声音采集系统采集声音信号，并对声音信号进行去噪处理，提取声波信号强度、功率谱能量、谱峰值等特征参数，研究各特征参数与水分含量之间的关系，通过线性回归技术、误差反向传播算法建立水分含量声学预测模型，研究表明，这些特征参数能够对食品中水分含量进行准确预测。因此，利用声波技术对肉品贮藏及加工过程中水分的动态变化进行检测是一个新的研究热点，在生产实际中具有指导性意义。研究处于封闭环境内贮藏肉类的内部结构情况，如水分散失情况、食品结构变化等，借助超声波无损检测技术能够观察到密闭空间中肉类品质的变化过程，预测其水分含量的变化，对肉类品质进行预估。

3.3.2 NIR分析

近红外光是指处于可见光和中红外光之间的一种光，其波长为780～2 500 nm，主要由物质吸收光能使分子振动从基态向高能级跃迁产生，其谱峰记录了有机物分子中C-H、N-H、O-H和S-H等含氢基团的各级倍频和合频吸收信息。由于动植物食品的成分大多由此类基团构成，吸收波谱包含分子的结构、组成等信息，因此可定量分析样品的密度、粒度、硬度、黏度等物理性质及蛋白质、氨基酸、脂肪、水分等化学成分。红外光谱建模进行食品品质预测的一般方法为：通过利用NIR对样品进行扫描，对原始光谱图像进行处理并寻找特征吸收峰，利用化学计量学方法将样品的品质指标和红外特征光谱进行模型建立，通过考察相关系数，确定模型的优劣。光谱模型预处理方法有多元散射校正、标准归一化、倒数处理、平滑处理等方法，包括排除异常样品、对图谱信息的净化、光谱噪声消除等方面。建模方法有偏最小二乘、主成分分析、多元线性回归、支持向量机等方法。

NIR作为一种主流的光学技术，已经大量应用于猪肉、羊肉、牛肉、鱼肉、屠宰加工等肉品加工行业。王立石、刘魁武等利用NIR对冷鲜猪肉中脂肪、水分、蛋白质含量进行测定，借助多种数据处理方法，运用模型通过NIR可准确预测肉品中的成分含量。Andrés等利用NIR预测肉品的脂肪和水分含量，模型对指标预测的相关系数分别达到0.841和0.674。陈杰等基于小波变换与多元散射校正的数据预处理方法结合NIR技术，使用偏最小二乘法建立预测模型，对鲜羊肉的水分含量进行实时监测。大量研究表明，NIR法可应用于肉品中水分的快速定量检测。

由于NIR具有分析速度快、样品准备简单、从单个样品可进行多种组分的分析、不消耗样品、没有化学污染等优点，因此在实际生产中的应用正逐渐增多。现今大型的食品加工企业大多将NIR技术结合到生产线中，利用NIR无损、快速的特性，进行原料的自动分级和筛选。从20世纪80年代起，NIR技术在物质成分定性、定量检测领域有着广泛应用，并在仪器开发、数据处理等领域发展迅速。正是由于这一技术具有许多独特的优点，NIR-可见光技术在肉品检测中的应用也越来越多，未来快速、便携式的NIR-可见光谱测量仪是现代食品检测与分析中所急需的，也是发展的必然趋势。

3.3.3 NMR分析

NMR技术是基于原子核在外磁场中受到磁化，产生不同频率的振动，当外加能量与原子核振动频率相同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信号，通过得到的原子波谱可对食品成分进行研究。在LF-NMR技术中由于自旋-晶格弛豫时间（）和自旋-自旋弛豫时间（）与水分含量和流动性之间的良好对应关系，可通过监测和的变化来探究食品内部被非水物质固定的不同部位的水分子流动特性和结构特性。研究表明，利用NMR能够准确测定肉品中水分的分布及迁移情况，为肉品加工过程中水分的动态变化监测提供了一种较佳的手段。早在1986年，Lundberg等利用NMR检测宰后牛肉的乳酸含量，达到对牛肉宰后成熟过程中新陈代谢情况的监测；初步探究了畜禽从肌肉到肉的转化过程，成熟、冷冻、蒸煮过程中水分的分布及迁移规律。NMR的弛豫参数能够精确反映肉在冻结过程中水分的“态变”和迁移。

通过LF-NMR的横向弛豫时间能够准确反映样品中不同结合状态的水分，同时结合各峰的峰面积得出各部分水的含量。陈琳莉等利用LF-NMR技术定量测定猪、牛、羊、鸡、鸭5 种畜禽肉类中的结合水、不易流动水与自由水。汪春玲等基于LF-NMR技术分析新微冻气调罗非鱼片水分迁移与品质变化之间的相关性。Qian Shuyi等研究低压静电场解冻对冻融牛肉肌原纤维蛋白理化性质及品质的影响，采用LF-NMR结合MRI技术研究证实低压静电场解冻可以减少牛肉解冻损失。程天赋等基于LF-NMR横向弛豫时间分析冷藏解冻、微波解冻（微波-1、微波-2）与超声解冻（180、200 W）5 种不同解冻方式过程中肌原纤维水分分布及流动性与鸡肉食用品质间的相关性。

现阶段大量的研究集中于利用NMR进行不同处理条件下肉中水分的变化情况分析，通过横向弛豫时间反映其中各状态水分含量的变化，但关于冷冻肉品在解冻过程中水分的“态变”、迁移、分布等变化的研究较少。因此，可通过LF-NMR技术研究肉在解冻过程中水分的“态变”情况。随着NMR技术的不断发展，也为其在食品检测中拓宽应用，可以将其应用于检测食品中的物性成分变化对食品品质的影响，各个组分的变化情况可以清晰反映在共振图谱中。

4 结 语

以上的研究内容为肉品中水分的变化情况及检测方法的推广与应用提供了一定参考。现今，关于肉品中水分的分析研究主要分为含量测定和状态分析研究。肉品水分含量测定主要采用常规分析方法中的热风干燥法进行分析，主要是基于热风干燥方式的便捷性和可操作性。如果需要进一步对水分的状态进行分析研究，常规的分析方法则几乎无法满足要求，因此波谱分析和热分析逐渐成为主流方式，尤其是近几年逐渐发展起来的红外光谱检测技术、NMR检测技术，通过简单、无损、快速的检测就可对肉品中的水分含量和状态进行详细、准确的分析。NMR检测技术才刚开始起步，因此，未来的发展空间广阔。NIR-可见光技术在肉品检测中的应用也越来越多，开发快速、便携式NIR-可见光谱测量仪是现代食品安全监管中所急需的，也是发展的必然趋势。

目前关于水分状态变化与肉品质变化相关性的研究较少，作为含量最大的组分，进行水分变化与肉品品质的相关性研究尤为重要。如今，水分在肉品冷冻处理过程中的动态变化情况、能否研究出无需解冻的在线实时检测技术是未来发展的方向，也是品质变化研究的必然趋势，通过某一指标的变化，以及指标的变化而牵涉到的某些其他指标的变化，如水分的变化会导致哪些品质指标的变化，包括肉的颜色、脂肪氧化程度、蛋白质降解、肉中总挥发性盐基氮含量的升高、水分的变化与蛋白质、脂肪之间存在内在的某种联系，探究这些内在联系可以很好揭示它们之间的变化规律，从而通过测定水分的变化情况就可以建立预测模型，实现对肉品品质的实时监控。