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宁夏大学罗瑞明教授等:基于LF-NMR和HS-SMPE-GC-MS分析烤牛脂水分分布及关键挥发性风味
2023-09-26 22:59:28 74
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牛肉作为重要的蛋白质来源之一,牛脂作为牛的副产物之一,价格上明显低于牛肉。在烘焙食品、人造奶油、起酥油、火锅底料和速冻食品中经常能看到牛油的身影。低场-核磁共振(LF-NMR)技术具有快速、无损、稳定性好、低成本的优势,能够反映样品中水分的分布信息,在食品领域应用广泛。目前,肉类肌肉组织在低温贮藏、煮制、炸制、烤制过程中的水分迁移研究较多,但对肉类脂肪组织在高温加工过程中的水分迁移的影响研究鲜有报道。

宁夏大学王永瑞、王松磊*、罗瑞明*等采用LF-NMR技术以及顶空固相微萃取(HS-SPME)结合气相色谱-质谱(GC-MS)技术对秦川牛牛脂烤制过程中的水分分布和挥发性成分分别进行研究。通过结合OAV确定牛脂烤制过程中关键挥发性物质,以期为烤牛肉风味改善以及牛脂风味利用提供参考。

1 牛脂烤制过程中色泽的变化


对250 ℃烤制条件下牛脂样品的L*值、a*值以及b*值进行测定,结果如图1所示。结果表明,随着烤制时间的延长牛脂L*值明显下降(P<0.05),而a*值、b*值先上升后下降,在烤制15 min后明显降低。在烤制0~15 min的过程中,牛脂表面颜色由白色逐渐变为黄色,b*值增加。

2 牛脂烤制过程中水分迁移规律分析

2.1 牛脂烤制过程中不同状态水分相对含量的变化


牛脂烤制过程中水分横向弛豫时间T2分布如图2所示。在牛脂样品LF-NMR的反演图谱中共发现4 个峰,其中将T2值在0.01~10 ms之间的峰定义为结合水,在10~100 ms之间为不易流动水,在100~1 000 ms之间为自由水;在0.01~10 ms之间的2 个峰中,T2值较小的峰定义为强结合水,较大的定义为弱结合水,分别用T21T22表示。不易流动水以及自由水的T2弛豫时间分别用T23T24表示。不同状态水的相对含量分别用M21M22M23M24表示,结果见表1。


由表1可知,除烤制15 min和18 min外牛脂样品的总峰面积变化不显著(P>0.05),这说明牛脂在烤制0~12 min内持水性较好,12 min后持水性降低。结合水的相对含量在整个烤制过程中变化不显著(P>0.05)。强结合水在鲜牛脂中含量最高,在烤制3~12 min过程中含量较低,15~18 min含量上升。弱结合水在鲜牛脂中未被检测到,在3~12 min烤制时间段下降,而在15~18 min含量上升。不易流动水的相对含量呈现先增加(0~12 min)后降低(12~18 min),这可能是在烤制起始,高温条件下自由水扩散至空气中,导致不易流动水的相对含量上升。自由水整体下降(P>0.05),在烤制15 min以及18 min时未检测出自由水。这表明牛脂中的自由水在不停的扩散至空气中,导致在烤制进行到一定程度时检测不到自由水。

2.2 牛脂烤制过程中水分迁移变化分析

不同状态水的T2弛豫时间如表2所示。T21值在鲜牛脂中最大,表明鲜牛脂中强结合水与脂质分子间作用力小,水分的自由度大。随着烤制时间的延长T21值处于较低水平,这表明牛脂烤制过程中强结合水处于相对稳定的状态,无外迁趋势。牛脂烤制过程中T22值先上升(0~9 min)后下降(9~18 min),而在9~18 min烤制过程中弱结合水自由度降低,流动性减弱。T23T24值整体呈现下降趋势,T23值在烤制0~6 min以及12~15 min区间内显著降低,T24值在除烤制6 min牛脂样品外显著降低,这说明牛脂烤制阶段的主要驱动力是牛脂内部水分向外扩散的速率。烤制时间越长,大分子反应产物积累越多,对牛脂样品中氢质子的弛豫特性的影响就越大,最终导致T2谱的整体向左迁移。

3 烤牛脂样品电子鼻分析

3.1 电子鼻传感器响应信号分析


采用PEN 3.5电子鼻对烤牛脂样品进行检测分析,各传感器对样品的响应值结果如图3所示。金属传感器W3C、W5C、W6S和W1C对牛脂样品的响应曲线始终在1附近,表明氨、烷烃类以及部分芳香族化合物在牛脂样品中的含量较低且变化较小。传感器W5S、W2W、W2S、W1W、W1S以及W3S对烤牛脂样品的响应明显,其中W5S、W2W和W1W的响应值与烤制时间呈正相关,这表明氮氧类、部分芳香类、有机硫类和萜烯类化合物是烤牛脂样品重要挥发性物质。

3.2 电子鼻数据PCA

电子鼻数据PCA结果如图4所示,牛脂样品在PC1和PC2维度上有较好区分,PC1和PC2的贡献度分别为79.20%和15.20%,说明前2 个PC已将牛脂样品中绝大多数挥发性化合物信息涵盖。


由图4a可以看出,烤牛脂样品电子鼻数据可被划分为4 部分,即0~6、9、12 min以及15~18 min。由图4b可知,烤制0~6 min的牛脂样品中挥发性化合物主要与传感器W1S、W2S、W3S和W6S等相关,表明在0~6 min的烤牛脂样品中醇类、部分芳香化合物以及烷烃类含量相对其他烤制时间较高。烤制9 min的牛脂样品中挥发性化合物主要与传感器W5C、W3C和W1C相关,表明氨、芳香类化合物在烤制9 min的牛脂样品中含量相对较高。烤制15~18 min的牛脂样品中挥发性化合物主要与传感器W5S、W1W和W2W相关,表明氮氧化合物,芳香类化合物,有机硫化物以及萜烯类在烤制15~18 min的牛脂样品中含量最高。

4 烤牛脂样品HS-SPME-GC-MS分析

在电子鼻的分析基础上,采用HS-SPME结合GC-MS对烤牛脂样品中的挥发性化合物进行萃取分析,7 份牛脂样品中共鉴定出95 种挥发性化合物,结果如图5和表3所示。新鲜牛脂中醇类物质总含量较高,烤制3 min时总含量最低,随着烤制时间的延长醇类物质总含量明显上升,烤制15 min后总含量下降。醛类化合物含量在烤制0~12 min期间增长,烤制12 min后总含量降低。酮类、酸类、酯类、杂环类、胺类以及其他类物质的总含量在烤制9 min后明显增加。酮类、杂环、胺类、酯类和其他类物质的种类在烤制18 min时最多。醛类物质的种类随着烤制时间的延长呈现先增加后减少,酸类物质在鲜肉中种类最多。


牛脂样品中的醇类物质主要有1-甲氧基-2-丙醇、戊醇、己醇、2-庚醇、庚醇、1-辛烯-3-醇、辛醇、4-辛醇、芳樟醇等,主要是脂肪氧化产物,其中1-甲氧基-2-丙醇以及1-辛烯-3-醇在所有样品中均有检测到。这些化合物主要呈现清新的花草香气,对牛脂整体风味贡献较小。

在牛脂中检测出的醛类化合物主要有己醛、壬醛、苯甲醛、辛醛、(E,E)-2,4-癸二烯醛、(E)-2-辛烯醛、2-十一烯醛等。其中己醛以及壬醛在所烤牛脂样品中均有检测到。 它们被认为是烤肉中的关键挥发性成分,并且有研究表明己醛与壬醛比例可以作为羊肉新鲜度和整体质量的评判指标。

在牛脂中检测出的23 种酮类物质中主要以呋喃酮和吡喃酮为主,并且主要存在于烤制15 min和18 min样品中。这主要是由于在烤制15~18 min,牛脂中水分含量降低,牛脂表面温度上升引起的脂肪氧化裂解以及美拉德反应剧烈导致。呋喃酮,吡喃酮类物质气味阀值较低,具有明显的增香修饰效果,主要呈现强烈的焙烤焦糖香味,特征香气为果香、焦香、焦糖和菠萝样香气。

脂肪氧化、水解以及醛类、醇类氧化是酸类物质的主要来源。12 种酸类物质中,乙酸和壬酸在所有牛脂样品中均有存在。除鲜牛脂外,乙酸的含量随着烤制时间的延长显著增加,它具有刺鼻的醋味。壬酸的含量随着烤制时间的延长没有明显变化规律,它由油酸氧化生成,略有特殊气味。己酸甲酯主要存在于新鲜牛脂中,有令人愉快的气味。2-氧代-4-甲基戊酸甲酯以及2-氧代-3-甲基戊酸甲酯只在烤制18 min被检测到,来源可能是由于L-亮氨酸甲酯化、酰基化后发生裂解产生。乳酸甲酯主要存在于烤制9~18 min以及新鲜牛脂中。

杂环类化合物分为N杂环类和O杂环类化合物,在牛脂样品中N杂环类化合物主要为吡嗪类、吡啶类、吡咯类、吲哚类以及嘧啶类,主要存在于烤制15~18 min,普遍具有坚果、咖啡或烤肉样的烤味香型。O杂环类化合物只检测出2-戊基呋喃,在烤制9~18 min期间显著增加(P<0.05),呈现水果气息。

在烤牛脂样品中检测到的胺类物质主要有甲酰胺、乙酰胺、丙酰胺、丁酰胺、乳酰胺、戊二酰亚胺、己酰胺、N-乙基乙酰胺、N,N-二甲基乙酰胺。除乙酰胺存在于所有样品中外,其他酰胺类化合物主要存在于烤制12~18 min。甲酰胺略有氨味,乙酰胺通常有鼠臭味。

在其他类化合物中,烷烃类化合物以癸烷、十一烷和十二烷含量高,主要存在于烤制12~18 min牛脂样品中,但其对烤肉整体风味贡献较小。γ-松油烯以及月桂烯主要存在于新鲜牛脂中以及烤制3~9 min牛脂样品中。甲苯和苯酚广泛存在于0~18 min烤牛脂样品中。

5 牛脂烤制过程中关键挥发性风味物质分析

文献[75-76]在牛脂样品中确定了19 种挥发性化合物的OAV>1。其中包括醛类10 种、醇类5 种、酮类2 种、呋喃1 种和其他类1 种,表明醛类、醇类物质是牛脂烤制过程中的关键挥发性物质。壬醛、1-辛烯-3-醇和己醛在烤牛脂所有样品中均有检测出,对牛脂基本风味形成有重要贡献。辛醛、壬醛、1-辛烯-3-醇和芳樟醇在新鲜牛脂中OAV>1,为新鲜牛脂关键挥发性物质。烤制20 min后牛脂风味更加浓郁,共有14 种物质OAV>1,分别为辛醛、壬醛、己醛、2-辛酮、1-辛醇、2-十一烯醛、2-呋喃甲醇、苯甲醛、甲苯、(E)-2-辛烯醛、2-戊基呋喃、(E,E)-2,4-癸二烯醛、1-辛烯-3-醇和芳樟醇。并且由图6可以看出,在19 种关键挥发性物质中,大部分在烤制12 min含量最高。

6 结 论

在牛脂烤制过程中,L*值显著下降(P<0.05),a*值、b*值先上升后下降。结合水的相对含量变化不显著,而不易流动水的相对含量先上升后下降,自由水呈现整体下降趋势。T2324以及T24减小表明水分子与大分子物质结合更加紧密。电子鼻数据能将不同烤制时间牛脂样品进行有效区分,并且电子鼻数据PCA表明烤制过程对牛脂中的醇类、芳香族化合物、萜类以及有机硫化合物具有显著影响。在不同烤制时间的牛脂样品中共检出95 种挥发性成分,其中1-甲氧基-2-丙醇、1-辛烯-3-醇、己醛、壬醛、乙酸、壬酸和乙酰胺含量较高且普遍存在于每个样品中,酮类、杂环类、胺类化合物主要存在于烤制后期。确定了以醛类、醇类为主的19 种关键挥发性物质,其中大部分物质OAV在烤制12 min最大。下一步将对烤牛脂中水分、脂肪酸和氨基酸调控己醛和1-辛烯-3-醇等关键挥发性物质形成的分子途径进行全面深入的研究。

作者简介

通信作者:


罗瑞明,博士,二级教授,博士生导师,享受国务院政府特殊津贴专家。中国畜产品加工学会常务理事,国家羊肉加工技术研发分中心主任,宁夏肉品加工及质量安全控制工程技术研究中心主任。近五年主持“十二五”国家科技支撑计划课题2 项,“十三五”国家重点研发计划课题1 项,主持国家自然科学基金项目3 项。发表学术论文50余篇,在科学出版社出版专著1 部,所发明专利及软件等成果在国内多家企业应用,使企业累计新增经济效益6.5 亿元。2018年度获国家科学技术进步奖1 项。近5年先后担任过国家研究生教育与学位中心第四轮食品科学与工程学科评估专家,科技部国家重点研发计划评审专家,国家奖励办农艺与农业工程类国家科技进步奖评审专家。


王松磊,男,河南南阳人,宁夏大学食品科学与工程学院院副院长,食品科学技术学会预制菜分委会高级会员。入选宁夏自治区青年拔尖人才后备骨干培养工程,为加拿大曼尼托巴大学留学归国人员,日本新泻大学JSPS项目高级访问学者。主要从事农产品加工检测及智能化装备研发。主持国家自然科学基金项目3项:主持自治区重点研发计划项目4项,主持完成成果转化项目2项。作为骨干成员(排名第3)完成国家支撑计划课题“枣果商品化无损检测分级关键技术装备”及科技成果转化项目“枣果无损检测分级关键技术装备推广与应用示范”各1 项,参与完成国家自然科学基金项目及自治区重点攻关课题各1 项(排名第3)。以一作及通讯作者发表SCI、EI检索论文24 篇,授权发明专利5 项(排名第1),授权实用新型及软著10 项。作为骨干成员研发枣果自动化无损检测分级设备先后推广20余台,为企业创造效益千万元以上;主持研发复合加热式智能化无烟烧烤设备及肉品真空低温干燥现已进入推广应用阶段;引进加拿大牛肉分级分割技术1 套,为企业制定牛肉分级分割技术规程1 项,曾获宁夏科技术进步二等奖1 项(排名第3),获2015年度宁夏自然科学优秀论文一等奖1 项,指导大学生创新竞赛获国家第十五届“挑战杯”科技作品竞赛获三等奖1 项,其他省部级奖励5 项;2018年度获自治区教学成果一等奖1 项(排名第2)。

第一作者:

王永瑞,男,宁夏银川人,宁夏大学博士研究生在读,研究方向为畜产品加工。目前以第一作者身份发表论文19 篇,其中SCI、EI收录 9 篇。

本文《基于LF-NMR和HS-SMPE-GC-MS分析烤牛脂水分分布及关键挥发性风味物质》来源于《食品科学》2023年44卷12期278-288页. 作者:王永瑞,王松磊,陈放,柏霜,李秀,罗瑞明. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220523-283.

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