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低場核磁共振分析豬肉宰后成熟過程中的水分變化

  • 來源:酒旗網 http://www.ffpbooth.com 發布人:旗旗 新聞分類:行業資訊
    • 水是畜肉中含量最高且非常重要的化學組分,肌肉中的水分含量大約為75%。肉品儲存水分的能力被稱為肉品的保水性(Water Holding Capacity,WHC),保水性是衡量肉品品質的重要指標之一,它直接影響肉品的加工特性[1],原料肉中的水分含量和分布形態是影響肉與肉制品質量和貨架期的重要因素[2-3]。探究肉品保水性已成為國內外肉類領域的熱點[4]。常規的肉品保水性主要通過滴水損失、離心損失、蒸煮損失等方法來進行測定[5]。這些傳統的檢測方法能夠反映肉的持水能力,但并不能反映肉品中水分的分布及遷移狀況,而且檢測過程費時費力,還會破壞樣品原有的結構和性質。低場核磁共振技術(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)是一種新型的分析檢測技術,它不僅能夠分析肉品的水分分布狀態、不同狀態水的含量及遷移過程,同時還可以進行成像分析,是一種快速、高效、無損的光譜檢測技術[6]。國內外學者用LF-NMR研究了宰前管理、蒸煮、凍結、解凍方式、冷卻工藝、腌漬等對冷卻肉保水性的影響[7],但是針對不同保水性豬肉在宰后成熟過程中肌肉內部水分分布狀態及遷移規律的研究相對較少。

      本文以三元雜交豬為實驗對象,利用低場核磁共振技術,動態檢測其脈沖 CPMG(carr-purcell-meiboom-gill sequence)序列信號,測定肉樣橫向弛豫時間T2,根據T2弛豫時間的反演圖譜,通過其時段信號和波峰位置的改變揭示不同保水性豬肉在宰后成熟過程中的水分分布狀態及遷移規律,探究冷卻豬肉保水性機理,并為核磁共振技術在肉品的應用提供理論依據。

      1 材料與方法


      1.1 材料與儀器

      杜長大三元雜交豬 30頭,北京華都豬場。

      NMR PQ 001分析儀 上海紐邁電子科技有限公司;AY220電子天平 日本SHIMADZU公司。

      1.2 實驗方法

      1.2.1 屠宰工藝 選取質量為(90±5) kg的實驗豬30頭。實驗當天,所有豬在運輸前已禁食禁水4 h,運輸卡車為單層單欄設計,車速約60 km/h,經1.5 h運輸到達北京順鑫農業鵬程食品分公司。所有豬經3 h靜養后,采用三點式電擊暈(電壓85 V,時間3 s)處理。擊暈后,經水平放血、熱燙(溫度 63 ℃,時間6 min)、剝皮、摘除內臟、劈半等工藝,胴體進入4 ℃冷庫冷卻24 h。

      1.2.2 核磁肉樣處理 取宰后45 min、4、8、12、24 h后的豬胴體背最長肌,除去脂肪和筋膜,再切成8 mm×8 mm×15 mm的長方體肉條,切面要平整垂直,置于直徑12 mm的圓柱形玻璃管內為核磁共振專用樣品管內,并用塑封膜將管口封好,再將樣品管放入直徑15 mm的核磁管中,在核磁共振成像儀中進行測量。每個胴體測3個重復。

      1.2.3 指標測定

      1.2.3.1 保水性測定 保水性采用滴水損失率方法測定。切取胴體冷卻24 h后第三與第四根肋骨間的背最長肌,去除脂肪和筋腱,切成3 cm×2 cm×2 cm的肉樣,稱重W1后,用鐵絲鉤住肉塊的一端,懸掛于聚乙烯的塑料袋中(肉樣不得與塑料袋壁接觸),扎緊袋口后懸掛于4 ℃冰箱內,24 h后取出并用濾紙擦去肉樣表面汁液,再次稱重W2。利用兩次稱量的重量差異計算肉的重量損失百分比,每頭胴體做3個平行。滴水損失(Drip Loss)計算公式如下:

      滴水損失率(%)=[(W1-W2)/W1]×100

      1.2.3.2 NMR 橫向弛豫時間(T2)測定 NMR橫向弛豫時間的測定在核磁共振分析儀上進行。測定前儀器需預熱 30 min以上。測試條件為:質子共振頻率設置為23.0 MHz,測量溫度為32 ℃,NMR 橫向弛豫時間T2用CPMG 序列(carr-purcell-meiboom-gill sequence)測量。所使用的參數為:90°脈沖和180°脈沖之間的時間τ值=200 μs、重復采樣NS=4、重復間隔時間TR=1800 ms、回波個數 EchoCount=2000、采樣頻率SW=100 kHz。CPMG指數衰減曲線用儀器自帶的MultiExp Inv Analysis 軟件(上海紐邁電子科技有限公司)進行反演,得到弛豫時間分布情況。

      1.2.3.3 NMR核磁共振成像 NMR成像采用多層自旋回波(multi-slice spin echo,MSE)序列來產生自旋回波圖像。參數設置重復間隔時間TR=550 ms,回波間隔時間TE=20 ms。成像層厚為2 mm,圖像分辨率為128 像素×256 像素。

      1.4 數據統計分析

      采用SPSS 13.0對所測30個肉樣的滴水損失率進行聚類分析,不同滴水損失組之間的差異采用ANOVA方差分析及Ducan檢驗(p<0.05),結果表示為平均數±標準差。

      2 結果與分析


      2.1 聚類分析

      根據滴水損失率的大小,將30個樣品分為滴水損失率小于2.8%、大于5.5%以及3.0%~5.5%之間三組,即低滴水損失組(n=5),高滴水損失組(n=4)和中滴水損失組(n=21)。三組滴水損失率的變異范圍分別是1.73%~2.72%,5.51%~6.53%和3.16%~4.98%。

      2.2 冷卻豬肉的低場核磁共振檢測

      肉中水分存在的形式可分為三種,即結合水、不易流動水和自由水,三種水分的含量和存在狀態會影響肉的品質和貯藏性。通過核磁共振原理可知,質子所處的化學環境不同,T2弛豫時間的長短也不相同,T2弛豫時間越短表明水與底物結合越緊密,水分自由度越低,T2弛豫時間越長表明水分與底物結合越松散,水分越自由[8]。NMR檢測所得到的樣品弛豫特性可以反映樣品內部氫質子所處的物理化學屬性。肌肉組織中1H核磁共振信號主要來自于水分子,核磁共振T2弛豫特性則能夠反映肌肉中水分子動力學特征。因此T2弛豫時間可以間接反映水分的自由度,從而表征出豬肉中水分的存在狀態。

      圖1顯示的是冷卻24 h肉樣的NMR橫向弛豫時間T2的反演圖譜。從圖1中可以看出,肉樣在進行NMR反演后的弛豫圖有3個峰,區間分別處于T21(1~10 ms)、T22(10~100 ms)和T23(100~1000 ms)。三個峰的分界明顯,弛豫時間和峰面積也明顯不同,這可以反映肉中水分存在的三種狀態,T21為蛋白質分子表面的極性基團與水分子緊密結合的結合水,T22代表肌肉中存在于肌纖絲、肌原纖維及細胞膜之間的不易流動水,占肌肉中水分的絕大部分,T23表示存在于細胞外間隙中可自由流動的水,峰面積的差異代表不同狀態水的比例。這與Bertram等人的檢測結果完全相同[9]。也有其他學者通過LF-NMR在肉中檢測出不同數量的組分[10-11],與本實驗結果不一致的原因可能是肉樣產生信號的不均勻可能會導致不同弛豫特性的質子群,或是肉中存在不同狀態水之間的轉換導致的[12]。

      圖1 冷卻24 h后豬肉的NMR橫向馳豫時間T2反演圖

      Fig.1 The transverse relaxation timeT2 of pork at 24 h postmortem

      2.3 不同保水性豬肉宰后成熟過程中T2弛豫特性

      不同保水性豬肉成熟過程中T2弛豫時間的變化如圖2所示。橫向弛豫時間可以反應水分的自由度,T2分布的變化表征豬肉成熟過程中各狀態水分的結合狀態和自由移動程度。從圖2中可以看出,T21峰弛豫時間相對較短,介于 2.127~2.541 ms之間,隨著宰后成熟時間的延長,三組肉樣的T21呈現一定的下降趨勢,但各組肉樣在整個宰后成熟過程中下降幅度均在0.4 ms以內,統計結果并無顯著性差異(p>0.05),這表明宰后成熟作用對豬肉內部結合水自由度的影響并不大。宰后同一時間下不同保水性豬肉的T21無顯著差異,表明T21代表的結合水對豬肉保水性的影響并不大。弛豫時間在 31.248~48.817 ms之間的T22峰波動比較明顯,T22在宰后8 h內呈上升趨勢,并在宰后8 h達到最高值,之后平緩下降。這一結果表明宰后前期存在于肌原纖維內部的不易流動水自由度增加,原因可能是宰后僵直使得肌纖維縱向收縮,肌細胞內滲透壓增加致使細胞內部空間膨脹造成胞內水分子自由度增加。高保水性組的弛豫時間T22明顯低于中、低保水性兩組(p<0.05),說明高保水性豬肉內部不易流動水與底物結合得更加穩定。對于T23而言,其弛豫時間在167.086~275.782 ms之間,不同保水性豬肉的弛豫時間T23在宰后成熟過程中呈現先上升后下降的趨勢,在宰后8 h達到最高值,這與Tornberg等人的研究結果一致[13]。

      圖2 不同保水性豬肉在成熟過程中T2弛豫時間的變化

      Fig.2 The carve of transverse relaxation time T2 ofdifferent WHC pork during aging time

      注:a、b、c圖分別表示不同保水性豬肉在成熟過程中的T21、T22、T23的變化趨勢。

      2.4 不同保水性組宰后肌肉的水分分布及遷移規律

      核磁共振反演軟件可自動算出譜圖上每個峰的峰面積,與樣品中氫質子的數量成正比,各個峰面積比例可以反映樣品中不同狀態水分的含量比例,峰面積比例變化情況可以表征各種狀態水分群的分布狀態和流動遷移情況。不同保水性組豬肉在宰后成熟過程中T2弛豫峰的面積百分比如圖3所示,其中P21、P22、P23分別表示弛豫時間T21、T22、T23的弛豫峰面積百分比。從圖3中可以看出,宰后同一時間下,高保水性組P21雖略有上升,但相互之間并無顯著性差異(p>0.05)。三組肉樣的P21均隨著宰后成熟時間的延長呈現先降低后升高的趨勢,但肉在宰后成熟過程中的P21并無顯著性差異(p>0.05)。原因是肉在成熟過程中糖酵解產生的乳酸致使pH下降,當pH達到或接近蛋白質等電點時,蛋白質的凈電荷為零,相互靠近使其與水的水合作用減弱,所以表征結合水的P21減少[14],盡管如此,結合水占肌肉總體水分比例不到10%,因此宰后成熟過程中結合水對保水性無太大影響。

      P22代表的是肉樣內部不易流動水的比例。圖3顯示不同保水性組的P22具有顯著性差異(p<0.05),高保水性組豬肉P22明顯高于低保水性組,這與Bertram等人[15]的研究結果完全一致。本實驗中高保水性組宰后24 h的P22為93.81%,比低保水性組高出3.5個百分點。本研究發現P22隨著宰后成熟時間的延長呈現先上升后下降的趨勢,且在宰后8 h達到最高值,原因可能是宰后成熟早期肌肉無氧酵解使得肌細胞膜通透性增加引起了肌絲空間膨脹[16],使其吸水力增強,導致細胞內水分增加。隨后不易流動水比例減小,原因是肌肉pH進一步降低使得肌原纖維網格結構收縮,鈣蛋白酶降解肌動骨架蛋白和細胞膜之間的連接蛋白,形成汁液流失通道,致使肌原纖維之間的的不易流動水轉移到肌原纖維外部,形成自由水[17]。

      圖4 不同保水性豬肉在成熟過程中的核磁成像圖

      Fig.4 The images obtained on pork of different WHC during aging time

      注:低、中、高組滴水損失率分別為6.21%、3.45%和2.07%。

      自由水是肉中水分活度最大的水,宰后肉品的水分遷移是一個動態的過程,水分活度最大的自由水最先滴出,P23代表自由水的比例。因此,P23與冷卻肉的保水性關系非常密切。圖3可以看出,保水性越低的肉P23越高,低保水性組自由水比例P23顯著高于高保水性組(p<0.05)。此外,P23隨著宰后成熟時間的延長呈先下降后上升的趨勢。本實驗中P23在宰后8~12 h內降到最低值,隨后又有一定程度增加。原因可能是宰后早期肌絲空間膨脹吸水使胞外自由水轉化為胞內水,隨后P23增加是因為隨著成熟后期僵直的進行,肌節收縮變短,肌原纖維之間的水分被擠壓到外部空隙中,不易流動水逐漸轉化為自由水[18]。

      圖3 不同保水性豬肉在宰后成熟過程中峰面積比例變化

      Fig.3 Evolution of peak area ratio ofdifferent WHC pork during aging time

      2.5 豬肉宰后成熟過程中的核磁成像分析

      不同保水性豬肉宰后成熟過程中的核磁成像如圖4所示。本實驗采用的是質子密度加權成像,能得到肌肉內部的質子密度圖,反映肉中氫質子的分布,通常氫質子越密集的區域,質子密度圖譜越亮,表明該區域水分含量越高[19]。由圖4可以看出,宰后同一時間下,保水性越低,肉樣內部形成汁液流失通道,所以肉樣成像圖片的亮度越高。此外,肉在宰后成熟不同階段,核磁成像亮度不同。宰后45 min時各組肉樣的核磁成像亮度差異不明顯,水分分布相對比較均勻,宰后12 h時的肉樣核磁成像邊緣亮度增高,肉樣在宰后24 h的邊緣和內部亮度進一步增加,低保水性組豬肉邊緣及內部區域均呈現較大亮區,這可能是由于肌肉成熟后期水分遷移率增大形成汁液流失通道造成的,這一結果與該組T23峰面積比例增加的結果也是一致的。由此可以得出,核磁共振成像技術作為一種無損檢測的新方法,可直觀地反映肉品的保水性。

      3 結論


      利用低場核磁共振及成像技術測定橫向弛豫時間,研究了不同保水性豬肉在成熟過程中的水分分布狀態及遷移情況。結果表明,低場核磁共振技術能夠很好地表征宰后成熟不同階段下豬肉中不同形式水分的分布和遷移狀況。根據T2弛豫譜的多組分特征和豬肉內部水分特性,將豬肉成熟過程中的水分劃分為結合水、不易流動水和自由水三種水分狀態,橫向弛豫時間T21(2.127~2.541 ms)定義為結合水,T22(31.248~48.817 ms)為不易流動水,T23(167.086~275.782 ms)定義為自由水;肉在成熟過程中T21變化不大,T22和T23呈現先上升后下降的趨勢,水分自由度先增加后下降;結合水比例P21在成熟過程中無顯著性差異,不易流動水比例P22和自由水比例P23變化顯著(p<0.05),呈相反趨勢,肉成熟過程中保水性的變化就是不易流動水和自由水的相互轉化遷移的結果;核磁共振成像技術可直觀反映豬肉內部水分分布情況,能作為判斷豬肉保水性的依據,為今后研究肉品水分提供了一種快速準確的檢測方法,同時為屠宰行業動態監測肉品保水性提供理論依據。


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      Analysis of moisture changes of pork duringpostmortem aging by low-field NMR


      ZHEN Shao-bo1,LIU Yi-ren2,GUO Hui-yuan3,WANG Hu-jun1,PAN Teng3,REN Fa-zheng3,*

      (1.Higher Vocational and Technical College,China Institute of Industrial Relations,Beijing 100048,China;2.Beijing Centre for Physical and Chemical Analysis,Beijing 100094,China;3.Beijing Laboratory of Food Quality and Safety,College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing Higher Institution Engineering Research Center ofAnimal Product,Key Laboratory of Functional Dairy,Beijing 100083, China)


      Abstract :In order to investigate the moisture changes of pork with different water holding capacity during aging,a total of thirty Duroc×Large White×Landrace pigs were used in this study by using low-field nuclear magnetic resonance(LF-NMR),and transverse relaxation time and water propotion of different phase water were analysed. In the present investigation,three peaks were identified in pork during aging through the multi-exponential fitting of the bulk NMR T2 transverse relaxation time data. The peaks were directly related to three water components T21(2.127~2.541 ms),T22(31.248~48.817 ms)and T23(167.086~275.782 ms). Compared with low WHC group,T22,T23 and P23 decreased significantly in high WHC group,while P22increased dramatically,T21 and P21 was not significantly different from the three groups. During postmortem aging,the general trend of T22 and T23 increased firstly and declining,and reached the highest value at 8 h postmortem,the water molecules mobility of immobilized water and free water had the same trend,while T21 changed little. The proportion of free water P22 increased initially and then decreased during aging,while the opposite trend was detected for the proportion of free water P23. The NMR images showed that the brightness of pork increased during aging. The results was of important significance to study the moisture changes of pork during postmortem aging,and it could provide theoretical basis for explain the mechanism of water holding capacity of meat.


      Key words:nuclear magnetic resonance;moisture;transverse relaxation time;pork;aging;water holding capacity


      收稿日期:2017-04-01


      作者簡介:甄少波(1983-),男,博士,副教授,研究方向:食品加工,E-mail:zhenshaobo@139.com。

      *


      通訊作者:任發政(1962-),男,博士,教授,研究方向:畜產品加工,E-mail:renfazheng@263.net。


      基金項目:現代農業產業技術體系北京市生豬產業創新團隊項目(BAIC02-2017)。


      中圖分類號:TS252.1


      文獻標識碼:A


      文章編號:1002-0306(2017)22-0066-05


      doi:10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.014
      文章地址:http://www.ffpbooth.com/news/1121.html

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