|
风干牛肉是我国典型的天然发酵腌制肉制品，其微生物生态系统在整个生产过程中会经历动态变化。在长时间的风干发酵过程中，通过自然选择和长期驯化，肉类积累了多种微生物种群。然而，传统风干方法的开放性使肉制品易受昆虫和环境污染物的侵扰，从而对质量控制和标准化生产造成重大挑战。
在工业实践中，在35 ℃左右运行的对流干燥或热风干燥（hot air drying，HAD）技术作为风干肉制品主要的加工方法。而食品的导热系数低，产品内部的传热有限，因此对流加热期间的能量利用效率较低、干燥时间较长。此外，长时间暴露在高温下不仅会加速非酶促褐变反应和其他热诱导转化，还会导致多方面的食品品质下降。鉴于这些考虑，探索和采用更先进的干燥技术对于提高干燥效率、减轻与热处理相关的不利影响至关重要。
与传统干燥方法相比，红外（infrared radiation，IR）技术具有多功能性、加热快、易于安装、投资成本低等优势。此外，红外发射和传播与介质无关，因此与传导和对流传热方法相比，具有更高的传热效率和更低的能量损失。食品干燥过程中，接触式超声（contact ultrasound，CU）作为一种加速传质的有效方法而受到关注。目前，有关CU和IR在低温牛肉干燥中应用的研究较少。
南京农业大学肉制品加工与质量控制教育部重点实验室、温氏食品集团股份有限公司的Gao Jiahua等将CU与IR相结合，开发了一种新型复合干燥系统，旨在优化牛肉产品HAD的加工效果。通过数学模型定量描述干燥过程中的传质机理。结合水分迁移、蛋白质变性和物理性质，研究了该工艺对干燥的强化作用。
a.设备外部；b.设备内部。1.控制面板；2.轴流风扇；3.进气口；4.K型热电偶；5.红外线灯；6.超声振动板；7.牛肉样品；8.出气口。
图1 干燥设备示意图
最初，不同处理样品的温度迅速升高，30～40 ℃内稳定和波动。不同处理的温度升高速率和最终稳态温度存在差异。在HAD中引入超声加速了热传导过程，导致HAD组和接触式超声结合热风干燥（hot air drying with CU，CU-HAD）组的温度曲线明显不同。而红外线热风干燥（hot air drying with IR，IRD）组和接触式超声结合红外干燥（hot air drying with CU and IR，CU-IRD）组的温度曲线具有较大相似性。
图2 不同干燥条件下牛肉的温度变化
随着干燥时间的延长，含水率（moisture ratio，MR）的下降趋势减缓。CU的应用能够有效地加速水分扩散。与应用CU相比，IRD对干燥曲线的影响更为明显。采用CU和IR相结合的干燥方法，干燥时间缩短36.84%。
图3 不同干燥条件下牛肉MR随时间变化的曲线牛肉的干燥速率随着MR的降低而持续下降。在0.9～1.0的MR范围内，HAD和CU-HAD组均表现出短暂的加速期。
AS.加速阶段；FRS.降速阶段。
图4 不同干燥条件下牛肉的干燥速率
随着干燥时间的延长，T21和T22有明显的向更低弛豫时间偏移的趋势，且相应峰面积显著减少（P＜0.05）。相反，随着干燥过程的延长，T2b和相应的峰面积A2b呈逐渐增加的趋势；而以T2b为中心的峰显著变宽，导致不易流动水与结合水峰重叠。超声处理牛肉的A23显著高于HAD组，而A22减小。
图5 不同干燥处理对牛肉干燥过程中水分分布的影响在整个干燥过程中，P2b和P22组分分别呈现显著的上升和下降趋势。而P21在HAD组和CU-HAD组早期相对稳定，甚至略有升高。
字母不同表示不同干燥方式之间差异显著（P＜0.05）。下同。
图6 不同干燥处理对T2峰面积比例的影响
与CT组（2.87 μg）相比，HAD组（3.32 μg）蛋白质的表面疏水性略有增加（P＞0.05），而所有其他组均显著增加（P＜0.05）。
图7 不同干燥处理后蛋白质的表面疏水性
在HAD组中，样品上表面和侧边缘的信号强度明显低于内部和底部区域，并伴有明显的收缩。与其他干燥方法相比，IRD组具有更高的传热效率和一定程度的渗透能力，能够在材料内产生相对均匀的温度分布。在超声处理的牛肉样品中，H质子信号的分布表现出较高的均匀性。与CU-HAD组相比，CU-IRD组表现出更均匀的水分分布和更低的收缩率，褶皱现象明显改善。
0%、25%和50%表示质量损失的量。
图8 不同干燥过程中牛肉的二维H质子密度图
新鲜样品中的椭圆形肌纤维杂乱无章，纤维束之间有明显的间隙，肌内结缔组织清晰可辨且完整。HAD处理后，解冻的肉样肌肉纤维之间的间距显著减小，导致组织结构更致密，整体质地较差。热空气的不均匀加热加剧了HAD组和CU-HAD组肌纤维形态的不均匀性，内径和外径之间存在显著差异。然而，较温和的干燥条件在一定程度上相对减轻了结构损伤，使HAD组样品能够保持相对完整的纤维结构。随着红外线加热时间的延长，肌肉纤维结构开始分解，胶原蛋白从凝胶状网络转变为颗粒状。CU-IRD组的纤维直径和纤维间隙优于IRD组。
A～E.分别表示CT、HAD、CU-HAD、IRD、CU-IRD组。
图9 不同干燥条件下牛肉微观结构
研究结果表明，CU和IR的协同作用显著加快了干燥过程中的传质速率，这主要归因于肌球蛋白热变性焓的降低和蛋白质表面疏水基团暴露的增加，这反过来又降低了肌肉纤维的持水能力。超声波的海绵效应减少了干燥过程中的梯度现象，改变了纤维结构，有助于产品的质构。此外，CU与IR相结合的干燥系统能够提高效率，同时有效减轻与干燥相关的不均匀性和嫩度损失。
文章《Effects of contact ultrasound coupled with infrared radiation on drying kinetics, water migration and physical properties of beef during hot air drying》发表于Ultrasonics Sonochemistry 2024年108卷南京农业大学肉制品加工与质量控制教育部重点实验室韩敏义副研究员为本文通信作者文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.foodres.2024.114627
|
