酱牛肉应力松弛特性实验*

马龙，武杰，赵大庆，许晖，杨国辉

1(蚌埠学院生物与食品工程系，安徽 蚌埠，233000)2(蚌埠丰牧牛羊肉制品有限公司，安徽 蚌埠，233000)

酱牛肉是一种具有独特地方特色的中国传统酱卤肉制品，该产品是熟肉制品，食用方便、风味浓郁、柔嫩多汁、适口性好，深受广大消费者的喜爱［1－2］。传统手工加工酱牛肉制品生产加工工艺落后，不适宜贮藏，现做现食，就地销售;近年来，随着食品包装技术与现代食品加工技术的发展，开始对传统酱牛肉制品的加工工艺进行现代化改造，酱牛肉工业化生产小包装方便食品应运而生，该类产品已进入消费市场，走向千家万户［1－3］。

随着经济水平的提高，消费者对肉制品的需求也日益增加。消费者选择肉制品时主要由外观、香气、质构和滋味等感官品质决定，其中质构品质是消费者接受某种肉制品的重要因素［4］。传统评价肉制品质构品质一般采用感官品尝鉴别这一主观评价的方法，易受主观因素的影响，评价的可靠性和可比性不够理想;为更加科学、客观、准确地描述和控制肉制品质构品质，仪器测定成为表现肉制品质构的重要方法之一［5］。目前，使用质构仪对肉制品质构品质进行评价应用广泛，以TPA 测试法居多［6－8］，而应力松弛方法报道较少。应力松弛就是给试样瞬时加载，并使其发生相应变形，然后保持这一变形，其内部应力随时间变化的过程［9］。大多食品都属于黏弹性物质，应力松弛试验是研究黏弹性材料的常用试验方法，其结果可以很好的反映出材料内部的结构构成和粘弹性状态，在预测食品质构特性和口感品质方面起到非常重要的作用［9－10］。本研究采用英国TA. XT Express质构仪对酱牛肉进行应力松弛试验研究，建立酱牛肉的应力松弛模型，获得应力松弛参数，考察应力、应变与时间的变化规律。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

“金富帝”五香牛肉(200 g 包装)，蚌埠丰牧牛羊肉制品有限公司;“五芳斋”牛肉(200 g 包装)，浙江五芳斋实业股份有限公司;“恒盛”五香牛肉(200 g包装)，安徽恒盛实业有限责任公司;“雨润”香卤牛肉(200 g 包装)，马鞍山雨润食品有限公司;“正益”五香牛肉(200 g 包装)，安徽正益肉类食品有限责任公司。

TA. XT Express 质构仪，英国Stable Micro Systems 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理

在酱牛肉最厚处中心部位，用锋利刀具按相同的纹路将样品切成20 mm ×20 mm ×20 mm 的肉丁作为测试肉样。

1.2.2 探头型号与测试速度的选择

在农产品压缩试验中，探头直径与测试速度对试验结果具有显著影响［11］。参考文献［8，11－12］选用P/5探头(直径5 mm)，测试速度1 mm/s，测试时探头接触与肌纤维走向平行的平面。

1.2.3 力-变形曲线测定

根据应力松弛的定义，应力松弛试验需要在弹性变形范围内进行，故首先对样品进行纵向破坏性压缩试验，通过力-变形曲线找出试样弹性变形范围，即对样品施加的最大变形量［9，13］。

试验条件:P/5 探头(直径5 mm)，测试速度1 mm/s，触发力5 g，数据采集速率200 pps。

1.2.4 应力松弛曲线测定

进行应力松弛试验时，选取纵向破坏压缩试验获取的弹性变形范围内的某个变形量作为瞬时加载变形量，保持此变形量不变，测定试样应力与时间的关系曲线，根据测定结果绘制应力松弛曲线并建立其流变学模型［9，13］。

试验条件为:测试模式measure force in compression，探头运行程序hold until time，P/5 探头(直径5 mm)，测前速度1 mm/s，测试速度1 mm/s，测后速度5 mm/s，样品变形量维持在10%，保持时间60 s，触发力5 g，数据采集速率200 pps，每个品种做5 个平行。

1.2.5 数据处理

本试验涉及到的全部数据处理过程均采用统计软件IBM SPSS Statistics 20.0 进行分析。

2 结果与讨论

2.1 酱牛肉力-变形曲线特征

对5 个品牌酱牛肉进行纵向破坏性压缩试验发现:当样品变形量设置在10%(压缩2 mm)时，全部样品均可绘制出形如图1 所示的力-变形曲线，该曲线为一条直线，即力(应力)与变形(应变)成正比，故样品变形量10%能够保证全部样品都属于弹性形变;而样品变形量扩大到20%(压缩4 mm)，部分样品的力-变形曲线不再出现出直线状态。因此，在应力松弛试验中，选取样品变形量10%作为瞬时形变的压缩量。

图1 酱牛肉力-变形曲线Fig．1 The curve of the pressure and deformation of spiced beef

2.2 酱牛肉应力松弛特征

酱牛肉在固定10%的压缩变形量下，应力随时间变化的曲线(即应力松弛曲线)见图2。从图2 可以看出，随着时间的推移，酱牛肉的应力不断下降，开始变化速度很快，逐渐变化缓慢，最后速度趋于平坦，表明酱牛肉具有应力松弛现象，是一种既有弹性又有粘性的材料。

图2 酱牛肉应力松弛曲线Fig．2 Stress relaxation cure of spiced beef

研究表明，大多数食品物料的应力松弛特性可用广义Maxwell 模型进行描述，该模型由一个弹簧并联若干个Maxwell 模型构成，其模型结构见图3，其应力松弛方程为［14］:

式中:σ(t)，应力松弛过程中任意时刻t时的应力，MPa;t，应力松弛试验时间，s;ε0，压缩变形量，%，ε0=10%;E0，平衡弹性模量，MPa;Ei，衰变弹性模量，MPa;τi，松弛时间，s;ηi，阻尼体粘滞系数，MPa·s，ηi=Ei×τi。

图3 广义Maxwell 模型Fig．3 Generalized Maxwell model

分别以三元件模型(1 个弹簧并联1 个Maxwell模型)、五元件模型(1 个弹簧并联2 个Maxwell 模型)和七元件模型(1 个弹簧并联3 个Maxwell 模型)对应力松弛曲线的原始试验数据进行非线性回归拟合［13］。拟合结果:三元件模型的决定系数R2在0.941 ～0.958 内，五元件模型的决定系数R2在0.995 ～0.997 内，七元件模型的决定系数R2在0.997 ～0.999 内，故五元件模型和七元件模型对应力松弛曲线的拟合度都很高，2 个模型都能很好的描述酱牛肉的应力松弛现象。但是为了简化数据，本试验选用五元件模型来描述酱牛肉的应力松弛现象。

根据非线性回归拟合计算获得5 个品牌酱牛肉 五元件模型应力松弛参数，各数值见表1。

表1 五个品牌酱牛肉的应力松弛参数(n=5)Table 1 Stress-relaxation parameters of five varieties of spiced beef

2.3 应力松弛参数之间的主成分分析结果

对表1 中酱牛肉应力松弛参数进行相关性分析，应力松弛参数之间的相关系数结果见表2。从表2 可以看出，酱牛肉的部分应力松弛参数之间存在着一定的相关性，即参数之间相互影响，存在信息重叠的现象，故可采用主成分分析对其应力松弛参数进行分析。

表2 酱牛肉应力松弛参数相关系数矩阵Table 2 The correlation matrix of stress-relaxation parameters of spiced beef

继续对表1 数据进行主成分分析，分析结果见表3 和表4。从表3 可以看出，前2 个主成分的累积方差贡献率达到了95.77%，且特征值均大于1，故酱牛肉的应力松弛特性参数可以被第一和第二主成分很好的解释。根据表4 中主成分载荷量可知，第一主成分F1主要反映了参数x1、x2、x4、x5、x7的信息，即物体的黏性和弹性;第二主成分F2主要反映了参数x3和x6的信息，即物体的松弛时间。松弛时间是应力松弛模型中的一个非常重要的参数，松弛时间越长，物料结构越强，肌原纤维蛋白分子间黏结力越大，互相滑动所需的时间也就越长［15］。

按照文献［16］的方法计算出主成分的特征向量列于对表4，根据主成分特征向量可以得出2 个主成分的表达式:

主成分F1=0.42x1+0.44x2－0.05x3+0.45x4+0.45x5+0.21x6+0.44x7(式中xi为表1 数据标准化后数据)。

主成分F2= －0.21x1－0.19x2+0.72x3+0.08x4－0.07x5+0.62x6+0.16x7(式中xi为表1 数据标准化后数据)。

表3 相关矩阵的特征值与方差贡献率Table 3 Eigenvalues and percentage of the correlation matrix

表4 主成分载荷矩阵与特征向量Table 4 Component matrix and eigenvectors

3 结论

(1)酱牛肉是黏弹性材料，其应力松弛现象可以用五元件广义Maxwell 模型来模拟，而且拟合效果很好。

(2)通过非线性回归分析获得了不同品牌酱牛肉的7 个应力松弛流变学参数。

(3)酱牛肉的7 个应力松弛参数之间存在一定的相关性，故可以进行主成分分析，结果将这7 个参数归纳为两类，第一，酱牛肉的弹性和粘性，第二，酱牛肉的松弛时间。

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