动力学模型预测川味发酵香肠货架期的研究

范文教1,2,易宇文1,贾洪锋1,邓 春2,张永奎2,*

(1.四川旅游学院食品科学系,四川 成都 610100;2.四川大学化学工程学院,四川 成都 610065)

 

:通过对川味发酵香肠在不同发酵温度的挥发性盐基氮(TVB-N)值和硫代巴比妥酸(TBA)值随发酵时间的变化规律及其动力学特性的研究,建立了TVB-N值和TBA值与发酵温度的化学反应动力学模型。根据所建立的化学反应动力学模型的拟合程度,确定以TBA值为因子并通过Arrhenius方程建立川味香肠货架期预测模型。结果表明,该货架期动力学模型可准确预测发酵香肠在不同发酵温度条件下的货架期,预测值相对误差在±7%以内。

关键词:动力学模型;预测;川味香肠;货架期

 

Shelf Life Prediction of Sichuan-Type Sausage through Kinetic Models

 

FAN Wen-jiao1,2,YI Yu-wen1,JIA Hong-feng1,DENG Chun2,ZHANG Yong-kui2,*

(1. Department of Food Science, Sichuan Tourism University, Chengdu 610100, China;

2. School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China

 

Abstract:The changes and dynamic characteristics of total volatile basic nitrogen (TVB-N) and 2-thiobarbituric acid (TBA) in Sichuan-type sausage at different fermentation temperatures during storage were studied. Chemical kinetic models of T-VBN value and TBA value with respect to fermentation temperature were developed. According to regression coefficient of the chemical kinetic model, TBA value was confirmed as a measure of shelf life and a prediction model for the shelf-life of Sichuan-type sausage was established. The results indicated that the shelf-life of Sichuan-type sausage could be predicted at different fermentation storage temperatures and the reliability assessment between the predicted and observed shelf-life showed relative error within ± 7%.

Key words:kinetic model;prediction;Sichuan-type sausage;shelf-life

中图分类号:TS251.65 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2013)20-0334-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201320069

香肠是一种风味独特的传统肉制品,在漫长的发展过程中,最终形成了以川味和广味为代表的两大类别的香肠。川味香肠又称为川式香肠、麻辣肠,是四川乃至西南地区特色传统肉制品,其特点是味重麻辣,常使用辣椒、花椒、胡椒作为辅料[1]。

香肠中因含有大量的蛋白质和脂肪酸,在发酵及贮藏过程中极易受到肉类致病菌等腐败微生物污染而导致其腐败变质。因此,准确预测香肠发酵过程中的品质变化及货架期对香肠产品的开发,工艺参数的优化以及安全性的评价具有实际意义。目前,应用动力学模型预测肉类食品货架期的研究已有大量报道,已有的研究对象包括鱼丸[2]、板鸭[3]、冷却猪肉[4]等。相比之下,国内外应用该方法预测发酵香肠的食品货架期的研究尚未见报道。同时,随着对香肠制品中微生物研究的深入,各种乳酸菌[5]、球菌[6]、酵母菌[7]及霉菌[8]等微生物发酵菌剂陆续被分离并应用到了香肠制品中,大大缩短了香肠的生产周期,并使其风味品质及质量更稳定,货架期更长[9]。但是,由于引入优势发酵菌种相应增加了香肠的微生物菌相,使得其发酵过程中的生物化学变化更加复杂,特别是发酵香肠的风味物质成分诸如醇类、醛类、羧酸类、杂环硫化物类等阐值较低的芳香风味化合物都是发酵香肠复杂微生物菌相在发酵过程中发生一系列反应的结果[10],造成腐败微生物菌相和有益微生物菌相的界线鉴定难度加大,最终影响微生物指标检测香肠品质变化的准确性[11]。

本实验通过对川味发酵香肠在不同温度条件下的硫代巴比妥酸(2-thiobarbituric acid,TBA)、挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)变化规律的研究,应用动力学模型建立川味香肠品质随发酵温度和时间变化的货架期预测模型,为建立香肠制品在流通过程中品质变化及剩余货架期的预测提供基础数据,从而为香肠的安全生产和贮运的预测预报体系提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

鲜猪前腿肉、鲜猪背膘、盐渍肠衣(猪小肠)购自成都市龙泉驿区平安市场;其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FAl004电子分析天平 上海精科实业有限公司;TGL20台式高速冷冻离心机 成都-科仪器设备有限公司;HH-2电热恒温水浴锅 上海比朗仪器有限公司;UV-9600紫外-可见分光光度计 上海精密仪器仪表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 香肠制备

分别将鲜猪前腿瘦肉、鲜猪背膘肥肉绞成丝,按肥瘦比3:7(m/m)配合,辅料按每10kg肉加盐260g、白糖100g、味精50g、花椒粉20g、辣椒粉24g、生姜16g、曲酒200g,然后将原料混合均匀,灌肠、洗肠、打针眼,于烘箱50℃烘焙48h,后置5、10、15℃的环境自然发酵60d(模型验证的发酵温度为8、12℃和20℃)。在发酵贮藏期内,每隔6d按AOAC分析方法取样进行TVB-N、TBA值的测定。

1.3.2 挥发性盐基氮(TVB-N)值的测定

按半微量蒸馏法进行测定[12]。香肠除去肠衣,称取10.00g绞碎置于烧杯中加蒸馏水至100mL,均匀搅拌后静置30min过滤,取5mL滤液和5mL 10g/L氧化镁混悬液混合于蒸馏器反应室蒸馏,用0.01mol/L标准盐酸溶液滴定馏出液,根据消耗的盐酸量计算TVB-N值。

1.3.3 硫代巴比妥酸(TBA)值的测定

按硫代巴比妥酸实验法测定[12]。香肠除去肠衣,称取10.00g绞碎置于凯氏蒸馏瓶中,加入20mL蒸馏水搅拌均匀,然后加2mL盐酸溶液(1:2)及2mL液体石蜡。采用水蒸气蒸馏,收集50mL蒸馏液。取5mL蒸馏液与5mL TBA醋酸溶液充分混合,再水浴(100℃)加热35min后冷却,在535nm波长处测吸光度A。以蒸馏水为空白样。

TBA值/(mg/100g)=A×7.8

1.3.4 香肠货架期预测模型的建立

香肠货架期化学品质TBA和TVB-N的测定都是根据香肠在发酵过程中化学反应引起的反应产物浓度变化,其化学品质变化与贮藏时间之间的关系遵循化学反应动力学模型,所以产品的货架期可通过该模型进行预测[13];同时,由于化学反应速率是温度的函数,因此结合Arrhenius方程可以预测川味香肠在不同发酵温度条件下的化学品质货架期。

1.3.5 香肠货架期预测模型验证和评价

比较香肠货架期实测值和由货架期预测模型计算得出的预测值,评价香肠货架期预测模型的准确性,计算相对误差。

1.4 数据处理

数据均为3次平行实验的平均值,用方差分析和Duncan多重检验法来检验平均值间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同发酵温度条件下川味香肠TVB-N值的变化

TVB-N是指肉类产品因内源酶或细菌的作用,致使肉蛋白质分解而产生的氨、胺类(二甲胺、三甲胺)等碱性含氮挥发性物质,它是衡量肉类制品腐败变质的重要指标之一,是我国国标中用于评价肉质鲜度的唯一理化指标[14]。目前一般认为TVB-N值超过30mg/100g就可以判定肉类产品已经腐败变质[15]。

362834.jpg 

图 1 不同发酵温度条件下川味香肠TVB-N值的变化

Fig.1 Changes of TVB-N contents in Sichuan-type sausage at different fermentation temperatures during storage

由图1可知,整个发酵期间香肠TVB-N值变化趋势为先上升后下降,再快速上升。其下降原因可能是碱性含氮挥发性物质与发酵中期香肠产生的酸性风味物质结合有关[16]。同时,在不同发酵温度条件下香肠的TVB-N值随着发酵温度的升高,TVB-N值增加,这主要是由于较高的温度会加快微生物繁殖速度和内源酶的活性,导致较快的肉蛋白质分解速率,从而表现为较高的TVB-N值[17]。

2.2 不同发酵温度条件下川味香肠TBA值的变化。

362851.jpg 

图 2 不同发酵温度条件下川味香肠TBA值的变化

Fig.2 Changes of TBA contents in Sichuan-type sausage at different fermentation temperatures during storage

TBA是肉类产品脂肪氧化酸败程度,属于极好的脂肪氧化判断指标。它与肉类脂肪氧化程度有很强的相关性,TBA值越大,表明脂肪的氧化程度越高,氧化酸败就越严重[18]。一般认为,当TBA值大于0.5mg MAD/kg时,表明氧化开始进行,当TBA值超过3mg MAD/kg,可判定肉类产品已经腐败变[19]。

由图2可知,可以看出随着发酵时间的延长,TBA值呈上升趋势。发酵温度在15℃的香肠在第18天就已经开始进入氧化酸败阶段,而发酵温度在5℃的香肠要在第32天才进入这个阶段。这说明温度对香肠的脂肪氧化酸败具有一定的影响作用,温度越高,香肠的脂肪氧化酸败速度越快。同时,从图1、2可以得出,当TVB-N值超过30mg/100g这上限时,TBA值远远未达到3mg MAD/kg,表明香肠的脂肪氧化酸败程度远低于肉蛋白质分解腐烂程度。因此取TVB-N值为30mg/100g时香肠相对应的TBA值1.1mg MAD/kg为货架期终点。

2.3 川味香肠化学反应动力学模型的建立

用一级化学反应动力学模型对不同发酵温度条件下TVB-N值和TBA值进行指数方程回归分析,相关参数如表1所示。回归方程表达式为:

B=B0ekBt (1)

式中:t为贮藏时间/d;B0为初始指标值;B为贮藏时间t时的指标值;KB为品质变化速率常数。

表 1 川味香肠TVB-N和TBA指标变化动力学模型参数

Table 1 Parameters of the kinetic models for TVB-N and TBA of Sichuan-type sausage

发酵

温度/℃

TVB-N值/(mg/100g)

 

TBA值/(mg MAD/kg)

B0

KB

R2

 

B0

KB

R2

5

9.6458

0.0192

0.8226

 

0.2836

0.0276

0.9771

10

9.9816

0.0209

0.8722

 

0.2300

0.0267

0.9831

15

10.1630

0.02170

0.8609

 

0.3070

0.0262

0.9822

 

 

由表1可知,TVB-N的3个方程的回归系数均小于0.9,表明指数回归方程对川味香肠货架期期间的TVB-N变化趋势拟合性不佳,这主要是由于香肠发酵过程中酸性风味物质的干扰,使得碱性含氮挥发性物质的变化存在不确定性[20]。TBA的3个方程的回归系数分别为0.9771、0.9831、0.9822,表明指数回归方程对川味香肠货架期期间的TBA的变化趋势有较好的拟合性,可准确预测其变化趋势,为相关数学模型的建立提供准确数据和验证依据。

2.4 川味香肠货架期模型的建立

由于化学反应速率是温度的函数,因此结合Arrhenius方程可以预测川味香肠在不同发酵温度条件下的化学品质货架期。

Arrhenius 方程表达式为:

362789.jpg (2)

式中:K0为指前因子(又称频率因子);Ea为活化能/(J/mol);T为绝对温度/K;R为气体常数,8.3144J/(molK);K0和Ea都是与反应系统物质本性有关的经验常数。

对式(2)取对数:

362807.jpg (3)

在求得不同发酵温度条件下香肠的TBA反应速率常数后,用lnKB对热力学温度的倒数(1/T)作图(图3)可得到1条斜率为-Ea/R的直线,得到线性方程y=0.4179x-5.0944(R2=0.9787)。

362881.jpg 

图 3 川味香肠TBA值变化的Arrhenius曲线

Fig.3 Arrhenius curve of TBA change in Sichuan-type sausage

由直线斜率可求出反应活化能Ea=3.48kJ/mol,由截距可求出指前因子K0=163.11。在此基础上建立川味香肠发酵过程中TBA变化速率常数k与贮藏温度(T)之间的Arrhenius方程为:

362821.jpg (4)

2.5 川味香肠货架期模型的验证

将在8、12℃和20℃温度条件下发酵的川味香肠TBA的实际货架期与建立的Arrhenius方程模型计算的货架期预测者进行比较,验证上述动力学模型的准确性。结果如表2所示。可以看出,在8、12℃和20℃条件下发酵的川味香肠TBA的预测值与实测值的相对误差分别为
-3.1%、2.0%和6.6%,两者能较好地符合。

表 2 川味香肠在8、12℃和20℃发酵过程中货架期的预测值和实测值

Table 2 Predicted and observed shelf-life of Sichuan-type sausage stored at 8, 12 ℃ or 20 ℃

发酵温度/℃

货架期预测值/d

货架期实测值/d

相对误差/%

8

50.5

49

-3.1

12

40.2

41

2.0

20

27.1

29

6.6

 

 

3 结 论

3.1 不同发酵温度条件下川味香肠的TVB-N值随发酵时间的变化趋势为先上升后下降,再快速上升,回归方程拟合性不符合一级化学反应动力学模型;而TBA值随着发酵时间的延长而不断增加,且符合一级化学反应动力学模型。

3.2 建立了以川味发酵香肠化学指标TBA值为因子的货架期动力学模型,可准确预测发酵香肠在不同发酵温度条件下的货架期,经过对模型的验证,预测值相对误差在±7%以内。

3.3 本实验建立的川味发酵香肠货架期模型可为香肠制品在流通过程中品质变化及剩余货架期的预测评估的时间-温度指示系统的建立提供基础数据,从而为香肠的安全生产和贮运的预测预报体系提供参考依据。

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收稿日期:2012-09-19

基金项目:肉类加工四川省重点实验室项目(10R05);四川省教育厅重点研究项目(12ZA128)

作者简介:范文教(1980—),男,博士研究生,主要从事天然产物化学研究。E-mail:wenjiaolc@163.com

*通信作者:张永奎(1966—),男,教授,博士,主要从事工业微生物领域研究。E-mail:zhangyongkui@scu.edu.cn