长期以来,常见的肉类解冻方法是在空气和水中进行,这些传统解冻方法除耗时外往往还会导致汁液流失、颜色劣变、细菌易繁殖及持水能力下降[1]。近年来,冰箱解冻在肉类工业中得到应用,旨在低温条件下抑制微生物引起的腐败。但是,由于解冻过程缓慢,这种方法效率相对较低[2]。其余新型解冻方法,如超高压解冻[3]、微波解冻[4]和超声波解冻[5]也得到了应用。尽管这些解冻方法效率高,能够显著缩短解冻时间,但也存在一定局限性,例如微波解冻会导致局部过热,引起蛋白质变性[6];超高压解冻和超声解冻由于功耗高和设备昂贵,不适合大规模应用[7]。
高压静电场在肉类冷冻-解冻中的应用是当前非热加工技术领域的一项重要发展,高压静电场中的静电力促使水分子活化,水分子因而增加彼此间的摩擦碰撞,振荡加速,由固态冰晶转化为液态水分子,从而加速解冻[8]。王丽等[9]研究高压静电场对解冻猪肉品质的影响,结果表明,高压静电场解冻具有解冻损失小、解冻速率快等特点,同时能够有效保护肌肉的微观结构。臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应,穿入菌体内部,作用于蛋白质和脂多糖,改变细胞膜通透性[10],可以很好地抑制解冻肉中细菌滋生,有助于更好地保持肉品品质。顾赛麒等[11]研究臭氧处理对丁香鱼干品质特性的影响,结果表明,臭氧能有效抑制丁香鱼干常温贮藏过程中的微生物增长速率,降低总挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)生成量,进而延长产品货架期。
目前,低压静电场结合高湿解冻猪肉的方式已被证实解冻效果优于单一解冻方式[12],然而关于高压静电场协同臭氧对猪肉解冻期间品质影响的研究较少,其解冻效果是否优于单一解冻方式已成为研究重点。本研究选用猪肉为实验原料,以菌落总数、水分含量、解冻损失率、色差、质构、微观结构、TVB-N含量、硫代巴比妥酸反应物(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)值的变化及挥发性风味等作为评价指标,通过高压静电场(4 000 V、10 mA)和臭氧(64.5 mg/m3、30 min)结合对冷冻猪肉进行解冻处理,探究其品质变化,旨在为高压静电场结合臭氧解冻对猪肉品质的影响提供一定理论依据。
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1.3.1 样品处理
剔除新鲜猪肉结缔组织和外部脂肪,仅保留中心色泽均匀部分,切分成45 mm×45 mm×20 mm块状(每块质量(120±5)g),用密封袋包装好后于-20 ℃冰箱冻藏72 h。以新鲜猪肉作为对照组。
1.3.2 解冻处理
当肉样中心温度达到4 ℃,即认为解冻过程完成。
冰箱解冻:将冷冻猪肉样品置于4 ℃冰箱解冻,时间约4 h。
高压静电场解冻:将冷冻猪肉样品置于接地电极板上,接通4 000 V电压,置于4 ℃解冻,时间约2.5 h。
臭氧解冻:将冷冻猪肉样品置于接地电极板上,不接通电压,通入64.5 mg/m3臭氧处理30 min后置于4 ℃继续解冻,时间约3.5 h。
高压静电场协同臭氧解冻:高压静电场结合臭氧解冻装置如图1所示;将冷冻猪肉样品置于接地电极板上,接通4 000 V电压,通入64.5 mg/m3臭氧处理30 min后置于4 ℃继续解冻,时间约2 h。
图1 高压静电场结合臭氧解冻装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of the HVEF-ozone thawing device
1.3.3 猪肉水分含量测定
参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。
1.3.4 猪肉解冻损失率测定
参考郑旭等[13]的方法,分别称量解冻前后猪肉质量,解冻损失率按式(1)计算:
式中:m1为冷冻肉质量/g;m2解冻后肉质量/g。
1.3.5 猪肉色泽测定
使用色差仪测定猪肉色泽。色差仪进行黑白板校正后,将猪肉样品垂直放置于探头中心,随机选取3 个点,测定其亮度值(L*)、红度值(a*)和黄度值(b*),并计算总色差(ΔE)[12]。ΔE按式(2)计算:
式中:∆L*、∆a*、∆b*分别为处理组与新鲜猪肉L*、a*、b*的差值。
1.3.6 猪肉菌落总数测定
参考GB 4789.2—2016《食品微生物学检验 菌落总数测定》。
1.3.7 猪肉TVB-N含量测定
参考GB 5009.228—2016《食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》。
1.3.8 猪肉TBARS含量测定
参考GB 5009.181—2016《食品安全国家标准 食品中丙二醛的测定》。
1.3.9 猪肉质构特性测定
参考王策[14]的方法,并稍作修改。将解冻后的猪肉切成20 mm×20 mm×10 mm肉块,用P/36平底柱形探头进行测定。回程距离20 mm,测定前、中、后速率均为2 mm/s,肉样形变量50%,2 次测定时间间隔5 s。每组样品平行测定3 次。
1.3.10 扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察
参考Wu Guangyu等[15]的方法并作修改。将猪肉沿纤维方向切成5 mm×5 mm×5 mm肉块,并在质量分数2.5%戊二醛溶液中固定48 h。使用双蒸水清洗后用戊二醛进行双固定,用体积分数30%、50%、70%、80%、90%乙醇溶液和无水乙醇进行梯度脱水,再用无水乙醇反复脱水3~4 次,约10 min,然后进行干燥。用银粉导电胶将样品固定在样品台上,随后在高真空镀膜机内给样品表面镀一层金属膜。在100 倍放大倍数下观察样品微观结构。
1.3.11 挥发性成分测定
参考钟嫒嫒等[16]的方法,并做适当调整。固相微萃取(solid phase micro-extraction,SPME)条件:称取2 g猪肉样品加入3 mL饱和氯化钠溶液后装入15 mL顶空固相萃取瓶中,在75 ℃条件下平衡10 min后推出纤维头,在距离样品1~2 cm处提取香气成分;萃取40 min后进样[17],在250 ℃条件下解吸5 min,进行GC-MS分析。
GC条件:色谱柱为H P -5MS 毛细管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm),以纯度≥99.999%的氦气作为载气,流速1.0 mL/min,进样口温度250 ℃;升温程序:35 ℃保持5 min,以5 ℃/min升至130 ℃,保持2 min,以15 ℃/min升至280 ℃,保持5 min,后运行程序:280 ℃保持3 min;不分流进样。
MS条件:电子能量70 eV,离子源温度230 ℃,质量扫描范围m/z 30~450,电子电离源。
定性及相对定量分析:通过与NIST17质谱数据库比对,并通过正构烷烃(C7~C28)对化合物进行定性,采用化合物峰面积进行相对定量分析,保留指数按式(3)计算:
式中:n为正构烷烃所含碳原子数;ti为目标化合物i保留时间/min;tn为Cn保留时间/min;tn+1为Cn+1保留时间/min。
1.3.12 特征香气成分评价
采用相对气味活度值(relative odor activity value,ROAV)[18]确定样品中关键挥发性风味化合物,定义对样品总体风味贡献最大的组分。ROVA按式(4)计算:
式中:Ci为挥发性物质i的相对含量/%;Ti为挥发性物质i对应的感官阈值/(mg/kg);Cmax为对样品整体风味贡献最大组分的相对含量/%;Tmax为对样品整体风味贡献最大组分对应的感官阈值/(mg/kg)。
采用Origin 2022软件绘图,SPSS Statistics 26软件进行统计分析,每组解冻处理各采用3 份样品,实验重复3 次。结果以平均值±标准差表示,P<0.05表示差异显著。
由图2可知,不同解冻方式对猪肉的水分含量有显著影响,高压静电场协同臭氧解冻后猪肉水分质量分数为77.15%,显著高于高压静电场组(74.55%)(P<0.05),这可能是由于臭氧和高压静电场均能加快解冻速率,而高压静电场解冻速率大,能够使冰晶解冻汁液充分渗透到细胞内,避免汁液外溢流失,从而加快了解冻过程,更好地维持其水分含量[19]。结果说明,结合2 种解冻方式解冻可以更好地抑制解冻期间猪肉水分流失。
图2 不同解冻方式对猪肉水分含量的影响
Fig.2 Effect of different thawing methods on the moisture content of pork
小写字母不同表示组间差异显著(P<0.05)。图3~7同。
在解冻过程中,冷冻肉会经历汁液流失,导致其营养价值降低。由图3可知,冰箱解冻的猪肉样品汁液损失率最高,为2.17%,原因可能是冰箱解冻时间较长,蛋白质氧化严重,导致营养和水分流失。相较于其他解冻组,高压静电场协同臭氧解冻处理降低了猪肉样品解冻损失率,可能是由于猪肉在高压静电场下解冻能快速通过最大冰晶带,保证冰晶均匀融化,减少重结晶对肌纤维细胞的破坏,降低细胞被刺穿和组织结构被破坏的风险[20]。同时在实验中发现冰箱解冻会产生较多血水,而加臭氧处理后血水明显减少,这表明臭氧辅助解冻可以有效减少解冻过程中的营养流失,从而更好地保留猪肉中营养成分。而且高压静电场组的解冻损失率(1.31%)低于臭氧组(1.43%),说明高压静电场解冻在抑制营养流失方面发挥的作用更为显著。
图3 不同解冻方式对猪肉解冻损失率的影响
Fig.3 Effect of different thawing methods on the thawing loss of pork
色泽作为评估食品品质重要的指标之一,直接影响消费者对肉的感官体验[21]。由图4A可知,高压静电场协同臭氧解冻的猪肉样品L*(57.18)显著高于其余解冻处理组(P<0.05),说明高压静电场协同臭氧解冻可以提高猪肉L*,可能是由于解冻过程中微观结构变化和光反射率改变[22]。高压静电场在解冻过程中能够产生臭氧,附着在肉样表面,造成紫红色的肌红蛋白和分子氧之间形成共价键结合成氧合肌红蛋白,使肉色呈鲜红色,同时由于较高水分含量有助于提高光线折射率[23],因此,结合臭氧辅助解冻后猪肉表面L*更高。a*与肉中的血红蛋白和肌红蛋白的含量紧密相关,高压静电场协同臭氧解冻的猪肉样品a*为7.79,显著高于其余解冻处理组(P<0.05)。说明高压静电场协同臭氧解冻可以提高解冻速率并最大限度减少高铁肌红蛋白的形成。同时,该组猪肉样品a*最接近新鲜猪肉组(8.81)。而臭氧组猪肉样品a*(4.47)显著低于高压静电场组(5.55)(P<0.05),说明单一高压静电场处理方式优于臭氧处理组。可能是由于臭氧具有强氧化性,促进脂肪氧化,使得肌红蛋白形成高铁肌红蛋白,这与颜明月[24]在臭氧水对罗非鱼片脂质氧化及品质影响的研究中得到的结论基本一致。同时高压静电场解冻组(4.10)、高压静电场协同臭氧解冻组(3.60)的猪肉样品b*显著低于冰箱解冻组(5.70)和臭氧解冻组(4.77)(P<0.05),表明高压静电场辅助解冻时间短,能抑制蛋白质氧化和脂质氧化,从而降低猪肉b*。
图4 不同解冻方式对猪肉色泽(A)和ΔE(B)的影响
Fig.4 Effect of different thawing methods on color parameters (A) and color difference (B) of pork
由图4B可知,高压静电场协同臭氧解冻的猪肉样品ΔE最小(1.57),而冰箱解冻组最大(8.61),说明高压静电场协同臭氧解冻处理对肉样色泽影响较小,更接近于新鲜猪肉的颜色,相较于单一解冻方法,高压静电场协同臭氧解冻处理方法具有更高可接受性。
由图5可知,新鲜猪肉的菌落总数为5.27(lg(CFU/g));冰箱解冻后猪肉菌落总数为5.40(lg(CFU/g)),显著高于臭氧组、高压静电场组和高压静电场协同臭氧解冻组(P<0.05),说明在解冻过程中施加高压静电场可以有效抑制细菌生长,臭氧的协同作用对微生物的抑制效果更加明显。高压静电场对细菌细胞膜的破坏作用是其主要的抑菌机制之一,会导致细菌死亡[23];臭氧作为一种杀菌剂,能够有效降低肉品中微生物数量、抑制其繁殖,而当高压静电场与臭氧协同作用时,它们能够更好地减少菌落总数,进一步抑制微生物繁殖。这与胡煌等[25]研究臭氧对鸭肉品质的结论一致。
图5 不同解冻方式对猪肉菌落总数的影响
Fig.5 Effect of different thawing methods on the total plate count of pork
猪肉新鲜度可通过TVB-N含量来判断,当TVB-N含量<15 mg/100 g时,表示猪肉新鲜,含量越低则代表越新鲜。由图6可知,冰箱解冻组的猪肉TVB-N含量(9.80 mg/100 g)高于高压静电场组(8.40 mg/100 g)、臭氧组(6.26 mg/100 g)和高压静电场协同臭氧组(5.45 mg/100 g),这可能是由于高压静电场产生的臭氧负离子降低新陈代谢、导致机体内源酶失活或活性降低[24,26]。相比之下,两者协同解冻处理后的猪肉更接近新鲜状态,这表明高压静电场协同臭氧解冻能很好地维持猪肉解冻后的新鲜度,在一定程度上保护食品原有品质,延缓食品腐败。
图6 不同解冻方式对猪肉TVB-N含量的影响
Fig.6 Effect of different thawing methods on the TVB-N content of pork
TBARS值是用于衡量脂肪氧化程度的指标,主要代表丙二醛含量[21]。TBARS值越大,说明脂肪氧化程度越严重。由图7可知,冰箱解冻后的猪肉TBARS值(0.36 mg/kg)高于高压静电场组(0.14 mg/kg)、臭氧组(0.16 mg/kg)和高压静电场协同臭氧组(0.12 mg/kg),原因可能是冰箱解冻过程缓慢,从而加速了脂肪氧化[13]。同时,协同处理组的猪肉TBARS值更接近于新鲜猪肉组(0.11 mg/kg),这可能是由于电场解冻过程隔绝了外界空气,减少了空气对肉脂肪的氧化[10],同时适当的臭氧浓度在一定程度上可以抑制脂肪氧化[27]。2 种解冻方式结合使用可以更好地保持解冻后猪肉新鲜度。
图7 不同解冻方式对猪肉TBARS值的影响
Fig.7 Effect of different thawing methods on the TBARS value of pork
质构特性是反映肉制品质地和口感的关键指标。由表1可知,与新鲜组猪肉(14 902.89 g)相比,高压静电场解冻、臭氧解冻、高压静电场协同臭氧解冻后的猪肉硬度均逐渐增加,这可能与解冻过程中的水分流失、冰晶破坏和蛋白质氧化有关[21]。高压静电场具有更快的解冻速率,导致肉质更加硬实。臭氧具有强氧化性,使肌原纤维蛋白氧化,导致肌原纤维蛋白交联和聚集,使得肉质变硬[28]。与冰箱解冻组(0.537±0.025)相比,高压静电场解冻、臭氧解冻和高压静电场协同臭氧解冻后的猪肉弹性均增加,这可能是由于冰箱解冻时间过长会降低猪肉的持水能力,造成组织结构松软,降低其硬度、弹性等质构特性[12]。冰箱解冻后猪肉胶黏性为12 337.087±198.733,可能是解冻后的汁液大量分布在猪肉表面,使溶质浓度增加。相比之下,高压静电场协同臭氧解冻处理能够更快地解冻,减少了蛋白质氧化和冰晶损伤,使肌肉组织更紧密[9],从而获得更接近新鲜组的质构特性。与单一解冻处理方式相比,高压静电场协同臭氧解冻处理具有更好的效果。
表1 不同解冻处理猪肉样品的质构参数
Table 1 Textural parameters of frozen pork samples subjected to different thawing treatments
注:同行小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。表2同。
由图8可知,新鲜猪肉的肌纤维均匀分布,排列致密有序,整体结构完整;然而,经过冻结和解冻后,肌纤维排列变得松散,冰箱解冻的猪肉组织结构损伤最为严重,肌纤维排列松散、结构收缩、间隙变大、表面出现凹陷且粗糙[29]。相反,高压静电场解冻和高压静电场协同臭氧解冻后,猪肉肌纤维结构保持完整、排列整齐,纤维轮廓清晰,但臭氧组表面存在少量冰晶破裂产生的孔隙残留,导致表面不光滑,这可能是由于臭氧引起的肌原纤维蛋白的氧化反应破坏了肉样纤维结构的完整性。刘慈坤[30]的研究也表明,臭氧处理会导致草鱼肌原纤维蛋白发生氧化,从而造成蛋白质构象的改变。高压静电场解冻过程中,氢键断裂加速,导致水分子的组成发生变化,实现了快速解冻,有效避免了冰晶对细胞造成的损伤,这与唐梦[31]的研究一致,这一解冻方式能够很好地保持肉类原有组织结构。结果表明,高压静电场协同臭氧解冻过程有利于保护猪肉肌肉的微观组织结构,对猪肉品质影响较小。
图8 不同解冻方式猪肉肌纤维横切面SEM图像
Fig.8 Cross-sectional SEM images of frozen pork muscles thawed by different methods
A~E.分别为新鲜猪肉、冰箱解冻猪肉、臭氧解冻猪肉、高压静电场解冻猪肉、高压静电场协同臭氧解冻猪肉。
风味是影响消费者选择和接受度的关键因素,也是评估食品品质的关键指标[32]。由表2可知,4 组解冻处理组和新鲜猪肉样品中共检出37 种挥发性物质,其中包含醛类6 种、醇类9 种、酮类5 种、酯类3 种、烷烃类8 种、酸类1 种和其他类5 种。
表2 不同解冻方式猪肉挥发性风味物质组成及相对含量
Table 2 Relative contents of volatile flavor compounds of frozen pork thawed by different methods%
续表2
注:/.未检出。表3同。
在冷冻-解冻后,4 个处理组的猪肉样品中均未检出反-2-辛烯醛,可能是由于低温可以减缓猪肉脂肪的氧化,抑制脂肪氧化源风味物质的生成,这与余力等[33]的研究结果一致。与新鲜猪肉组相比,高压静电场协同臭氧解冻处理后增加了正己醛和壬醛的相对含量,其原因可能是高压静电场解冻过程中产生臭氧离子,促进不饱和脂肪酸的氧化。与其余4 组相比,臭氧解冻后癸醛和苯甲醛的相对含量最高,可能是臭氧加速了脂质氧化,导致醛类物质含量增加[11]。
醇类物质一般来自脂肪氧化,1-壬烯-3-醇仅在冰箱解冻猪肉样品中检出,原因是解冻速率慢,促进了脂肪氧化。臭氧处理后猪肉样品中新增了苯乙醇,其风味阈值较低,对猪肉总体风味有一定修饰作用[34]。高压静电场协同臭氧解冻处理后,猪肉样品中新增正庚醇、反-2-辛烯-1-醇、薄荷醇3 种醇类物质,其中反-2-辛烯-1-醇、薄荷醇等醇类物质对猪肉风味影响较小,正庚醇风味阈值较低,对猪肉风味的贡献相对较大,起到一定作用。
酮类物质性质稳定,并且香气持久,一般呈现花香味,在很大程度上促进了肉品的香气[35]。高压静电场协同臭氧解冻处理后猪肉样品中新增2-庚酮、2-壬酮2 种酮类物质,其风味阈值较低,对猪肉的风味起到一定修饰作用。
臭氧处理组新增乙酸苯乙酯,其相对含量较低,且阈值较大,对总体风味影响较小。与新鲜猪肉组和冰箱解冻组相比,高压静电场协同臭氧解冻后,猪肉样品中烃类化合物相对含量明显降低,其中二十五烷、正二十六烷在冰箱处理组猪肉中被检出,而十四烷、环烷仅在高压静电场协同臭氧处理组猪肉中被检出。烷烃类化合物阈值较高,对于猪肉的风味影响较小。猪肉中共检测出1 种酸类物质,即2-氨基-4-甲基苯甲酸,其阈值较高,对猪肉风味的影响可忽略不计。
臭氧解冻处理后的猪肉样品中新增2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚,高压静电场协同臭氧解冻处理后增加2,5-二叔丁基酚化合物,其相对含量较低、阈值较高,对猪肉风味影响可以忽略不计。与冰箱解冻组相比,高压静电场协同臭氧解冻处理后苯乙烯化合物的相对含量呈显著增加的趋势,其风味阈值较低,对猪肉风味贡献突出。
通过ROAV对冷冻猪肉不同解冻方式的关键挥发性风味物质进行分析,ROAV越高,说明该物质对整体气味贡献度越大。ROAV≥1被认为是关键风味物质,0.1<ROAV<1被认为是起修饰作用的风味物质[36]。由表3可知,不同解冻方式中,共有7 种挥发性风味化合物的ROAV>1,主要为醛类和醇类物质。可能是使用SPME纤维在75 ℃下进行40 min挥发性微萃取,产生热反应产物后生成的醛类、醇类物质较多。新鲜猪肉中正己醛、庚醛、壬醛、癸醛、1-辛烯-3-醇为关键风味物质。不同解冻处理中,醛、醇类物质始终是关键风味物质,其中正己醛(腥味、青草味)、庚醛(脂肪味)、壬醛(油脂香)、癸醛(清香)、1-辛烯-3-醇(蘑菇味)[36]在对照组(新鲜猪肉组)和4 组解冻组中均起到了关键风味作用。正庚醇赋予猪肉青香味、辛香味、玫瑰香味[37],仅在高压静电场协同臭氧解冻处理的猪肉样品中被检出;同时,壬醛对整体风味的贡献最大(ROAV=100),说明高压静电场协同臭氧解冻处理为猪肉整体风味提供了一定青香味及脂肪气息。
表3 不同解冻方式猪肉挥发性风味物质的ROAV
Table 3 ROAV of volatile flavor substances in frozen pork thawed by different methods
研究冰箱解冻、高压静电场解冻、臭氧解冻及高压静电场协同臭氧解冻对冷冻猪肉品质的影响。结果表明:高压静电场解冻、臭氧解冻及高压静电场协同臭氧解冻均能有效抑制猪肉品质劣变,且高压静电场协同臭氧解冻时间较短,解冻猪肉品质最好,能够抑制高铁肌红蛋白形成,保持解冻猪肉色泽和水分含量稳定,降低解冻损失率;此外,高压静电场协同臭氧解冻还能保护肌肉微观结构,增加解冻后猪肉硬度和弹性,检出的醛类和醇类化合物相对含量最低,挥发性风味物质保持较好;值得注意的是,高压静电场处理缩短了猪肉样品的解冻时间,并且提高了其保水性;另一方面,臭氧处理在抑制微生物数量方面发挥了更重要的作用。综上,高压静电场协同臭氧解冻处理可提升解冻猪肉的品质,这一发现对于肉类解冻技术的发展和实际应用具有重要指导意义。
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