超聲波在魚糜制品中的應用進展

熊 瑤 ，李倩如 ，劉云，黃倩云 ，張 怡 ， 張龍濤 ，鄭寶東

（1.福建農林大學食品科學學院，福建福州 350002；2.中愛國際合作食品物質學與結構設計研究中心，福建福州 350002；3.福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室，福建福州 350002）

0 引言

魚糜制品是以魚肉作為原料，經過斬拌、擂潰、成型、凝膠等一系列加工方式制得的一種食品[1]，具有高蛋白、低脂肪、食用方便的特點[2]，深受消費者喜愛。隨著生活水平的提高，人們對魚糜制品的需求量也不斷增加，多年的非理性、掠奪性捕撈導致海洋漁業資源枯竭，優質魚漿已難以滿足魚糜加工業需求。淡水魚和劣質魚漿的使用，導致魚糜制品的凝膠強度較低，產品口感和風味下降。如何通過技術手段彌補魚漿品質下降的短板，提高魚糜制品的凝膠強度和凍藏品質，成為產業持續發展亟待解決的技術問題。

超聲波是一種可持續的綠色加工技術，具有良好的發展前景[3]，被廣泛應用于食品研究與加工[4]、化工和醫療等諸多領域。在食品行業中的應用主要包括超聲波輔助提取、殺菌、超聲波輔助干燥與除氣、無損檢測和提高肉制品品質等，在魚糜加工中具有較大的應用潛力，也是國內外魚糜加工產業關注的熱點之一，然而關于超聲波技術對魚糜制品加工作用的綜述并不多見，對近年來超聲波技術對魚糜制品作用的研究情況進行綜述。

1 魚糜產業加工現狀及主要技術瓶頸

我國是全球的漁業大國，擁有豐富的海洋和淡水漁業資源。據《2017中國漁業統計年鑒》統計結果顯示，2016年全國水產總量比上一年增長3.01%，達到6 901.25×104t，其中海水水產產量占水產總量的50.57%，達到3 490.15×104t；淡水水產產量占水產總量的49.43%，達到3 411.11×104t[5]。我國魚糜加工歷史悠久，早在秦始皇時期就有魚糜制品的相關記錄，但工業化生產的歷史并不長，始于1984年初次引進冷凍魚糜生產線。經過多年的發展，目前已實現魚糜產業的自動化生產，產品主要包括魚丸、魚糕、魚卷、蟹柳、龍蝦丸等。

傳統魚糜是從魚類白肌中提取基質蛋白，所得的具有一定保藏期的重要中間產品[6-7]，具有脂肪含量低、營養價值高等特點。魚糜根據加工方式的不同主要被分為冷凍魚糜和生鮮魚糜，由于冷凍魚糜制品克服了生鮮魚糜地域性強、運輸困難、食用不便等缺點，是目前市場上流通的主要品項。魚糜加工原料包括白色肌肉和深色肌肉的海水魚和淡水魚，如羅非魚、黃花魚、蜥蜴魚、阿拉斯加鱈魚、沙丁魚、鱸魚和大眼鯛等。

隨著社會的進步和生活水平的提高，人們對于食品的消費觀念發生了轉變，低能量、高蛋白、優質營養的消費理念日漸深入人心，魚糜加工產品作為符合這一消費理念的優質選項得到普遍關注，其為加工的騰飛也注入了新的活力[8]，市場潛力和產業發展空間巨大，但仍存在一系列的技術問題和產業瓶頸亟待解決，主要包括以下3個方面：①海洋的持續過度捕撈導致優質魚漿日益短缺，品質欠佳的低值魚魚漿用量逐漸增大，導致魚糜的凝膠強度普遍較低，產品口感、風味下降；③傳統的魚糜加工方法所得魚糜制品品種單一，品質提升空間受限，以及優質蛋白質的缺乏導致現有的魚糜產品難以滿足消費者對產品多樣性的需求；④冷凍貯藏過程中蛋白質冷凍變性，產品析水、凍裂，進而影響產品品質。因此，針對產業現狀，發掘新技術手段、提升加工技術水平、改善產品品質、開發新型營養與功能型魚糜是解決目前產業問題的主要思路。超聲波技術作為一種新興的技術手段，得到國內外研究者的關注，并期望通過該技術改善魚糜制品的凝膠強度、凍融穩定性等理化指標。

2 超聲波技術

2.1 超聲波在介質中的作用機制

超聲波是指頻率超過人類聽覺極限的聲波，一般人耳的聽覺范圍為20 Hz～20 kHz，而超聲波的頻率范圍可達20 kHz～1 MHz[9]。超聲波可在固體、液體和氣體3種媒介中傳送[10]，其作用機制分為空穴效應、加熱效應和機械效應。空穴效應主要與超聲波在液體媒介中的傳播有關，超聲波在作用過程中產生正壓和負壓且周期交替，當能量足夠高時產生的巨大負壓使氣核從液體中脫離，形成空穴氣泡，在幾個周期循環中，氣泡經歷振蕩、膨脹、收縮，最終崩潰[11]。加熱效應分為瞬時熱效應和連續熱效應2種形式，前者的產生是由于空穴效應形成的氣泡破裂或閉合時引起的瞬間高溫；后者的產生是由于超聲波的連續作用伴隨著內摩擦，一部分的聲波能量被介質吸收成為熱能，作用一段時間后媒介聲場區的溫度升高。機械效應是由于介質中的粒子不斷高速振動，形成速度、聲強、聲壓等力學量變化所引起的，空穴效應也會產生相應的機械效應。

超聲波通常被分為低頻率超聲波（20～100 kHz）和高頻率超聲波（100 kHz～1 MHz）[12]，其中高頻率超聲波（低場強）具有快速、精準的優點，不會對所作用的介質產生破壞而常被應用于食品的無損檢測；而低頻率超聲波（高場強）因能量高，能對介質中產生強大剪切力、壓力和高溫，使得介質的物理結構發生化學改變，可應用于物料理化性質的改善。對于這2種聲波類型，后者的研究相對較少，但在近幾年，也得到了業界和學者的廣泛關注。

2.2 超聲波在肉制品的中的應用

超聲波在蛋制品、乳制品、酒類釀造和肉制品等各種食品加工過程中均有應用，在肉制品中的應用主要包括肉制品檢測、嫩化和解凍。

在低場強超聲頻率范圍內，超聲波在精肉和肥肉中傳播速度有著明顯差異，因此能夠快速無損地檢測出肉制品中精肉的厚度和脂肪含量；除此之外，結合超聲波成像技術，也能檢測出復雜結構肉制品原料的組織結構。Brondum J等人[13]報道了一種包含16個超聲傳感器的檢測系統，能夠在線檢測豬胴體，精準快速分析出豬肉的肥瘦程度。

在高場強超聲頻率范圍內，聲波在肌肉中傳播時產生強大能量，聲耦作用使得肌肉受迫振動，經過快速的收縮和伸張肌肉結構被破壞，可緩解肌肉的僵直現象，起到嫩化效果。付麗等人[14]采用控溫的三頻段超聲（22，28，40 kHz；180，240，300 W）處理腌制牛肉，結果表明在超聲溫度8℃，超聲頻率28 kHz和超聲功率180 W處理下牛肉的保水性和嫩度達到最優。肌原纖維的主要成分是肌動球蛋白，其與肌肉收縮有關，肌動球蛋白的存在狀態關系著肉質的軟硬程度和嫩度。在超聲波作用下，蛋白質間的連接鍵改變導致肌肉結構的破壞，從而緩解肌肉僵直狀態，改善肌肉嫩度[15]。

肉品的解凍過程非常緩慢，導致食品加工的成本增加和效率降低，并由于原料暴露時間的延長增加了食品安全的風險。傳統傳導熱的解凍方法由于漏熱和表面過熱等問題限制了解凍效率，超聲波解凍避免了食品內部的局部高溫，防止食品解凍過程中不均勻的現象，聲波通過傳質傳熱可以有效升高整體介質溫度，能夠降低食品汁液流失，更好地保留食品的營養價值和品質。張昕等人[16]研究了超聲波對雞胸肉品質影響，發現超聲處理可以有效提高雞胸肉的解凍速率，并具有一定的滅菌效果。魚糜在貯藏運輸過程中反復凍融對其品質所產生的影響是巨大的，但目前研究者多注重超聲波對雞肉、鴨肉等肉制品的影響，少見有關超聲波技術在魚糜解凍工藝方面的應用及其對產品品質影響的相關報道。

3 超聲波對魚糜制品的影響

凝膠強度為破斷力與破斷距離的乘積，其破斷力反映了蛋白質分子間結合的緊密程度，而破斷距離反映了蛋白質分子間作用力的強弱，蛋白質分子間的緊密程度決定魚糜凝膠抵抗破壞力的能力[17]。魚糜制品的凝膠強度取決于離子強度和肌質蛋白的品質[18-19]，超聲波處理能夠改變魚糜制品的凝膠強度。不同的超聲場在一定范圍內可以產生相同的凝膠強度，但超過一定范圍后魚糜凝膠強度隨超聲場強度的增加而增強[20]。

張崟等人[21]探究超聲波輔助凝膠化對羅非魚魚糜凝膠性能影響時發現，不同超聲頻率和功率處理的不同魚糜凝膠樣品的破斷力和破斷距離的顯著性相似，并指出不同超聲處理對魚糜凝膠強度的提高效果可能相同。Zhang Y等人[22]采用250 W超聲強度處理羅非魚魚糜，結果表明3種頻率（28 kHz，45 kHz和100 kHz）的聲波都會增強魚糜制品的凝膠強度，并且對照組中鹽溶性蛋白質、水溶性蛋白質的含量都明顯升高，表明超聲波破壞了羅非魚的肌肉組織且影響了魚糜的凝膠強度。Zhang Y等人[23]對比了超聲波在2種加熱方式中羅非魚魚糜凝膠強度的變化，發現無論是在40～90℃進行升溫式加熱，還是分別在65℃和90℃這2個溫度恒溫加熱，其魚糜的凝膠強度都顯著提高。Annamaria F A等人[24]將研究對象換成非洲大砍刀魚和羅非魚時也得到類似的結論。Fan D等人[20]研究鰱魚魚糜時也發現伴隨超聲波強度的增大，凝膠強度也增加，指出超聲波的機械效應提高了蛋白質分子相互連接的緊密度，從而提高魚糜的凝膠強度。

持水性、起泡性、乳化性等也是魚糜制品品質的評價指標。胡愛軍等人[25]在研究超聲波（160～320 W，5～25 min）對鰱魚魚肉蛋白性質的影響時發現：①超聲功率越大，對照組的溶解度、乳化性、乳化穩定性、起泡性、氣泡穩定性的變化趨勢都是先升高再降低。其中，溶解度、乳化性及乳化穩定性的最佳超聲功率是240 W；而在160 W時，起泡性和氣泡穩定性達到最優。②隨著超聲時間的增加各性質的變化趨勢同①，但在得出最佳處理時間時，發現除乳化穩定性在超聲時間15 min時最優，其余性質的最佳條件都是10 min。由此得出結論，超聲波處理中的功率和時間變量與凝膠強度性質的變化具有一定相關性。其他研究者也發現超聲波處理還會提高魚糜的持水性、硬度和咀嚼性[24]，并且提出這是超聲波脈沖對肌原纖維蛋白分子間的空間產生作用的后果。

4 超聲波對肌原纖維蛋白的影響

肌原纖維蛋白是魚類肌肉的主要蛋白質和形成凝膠的主要成分，其凝膠形成能力和乳化特性與肉制品加工質量密切相關。肌原纖維蛋白是一類具有重要生物學功能特性的鹽溶性結構蛋白群，主要包括肌球蛋白、肌動蛋白、原肌球蛋白、肌鈣蛋白等，占總蛋白含量的50%～55%[26]。超聲波處理魚糜凝膠強度等理化性質的影響，目前的研究認為主要是引起了魚糜肌原纖維蛋白的二級結構的改變。常海霞等人[27]研究發現超聲波會破壞草魚肌原纖維蛋白的二級結構，但不影響其一級結構。超聲波處理后的草魚肌原纖維蛋白分子展開，疏水基團暴露，使得蛋白分子顆粒分布更均勻。同時，發現超聲波會減少肌原纖維蛋白分子的粒徑、熱聚集程度、內源熒光強度及巰基含量，但降低的幅度隨超聲處理的時間增長而減小。Fan D等人[20]通過圓二色性光譜法分析證實了超聲波處理對肌原纖維蛋白的二級結構的影響，其中α-轉角從35.4%下降到29.8%，β-折疊則從12.4%上升到了18.0%。Annamaria F A等人[24]也得出過類似結論，認為超聲波產生的脈沖直接作用于肌原纖維蛋白質分子的結構空間，通過超聲波的空化效應對蛋白質分子進行一系列按壓和釋壓。Ibrahim G等人[28]也提出超聲波空化作用會產生剪切力、沖擊波，這些作用可能改變蛋白質的功能性質。

Zhao Y Y等人[29]在研究雞胸肉肌原纖維蛋白所形成的復合凝膠的性質時發現，隨著超聲強度的增加，復合凝膠的黏度會先提高后降低。M A等人[30]指出液體介質黏度的降低，主要是由于超聲波空化期間所產生的剪切力破壞了蛋白質分子間的二硫鍵或疏水相互作用。在聲波空化過程中，由于布朗運動和蛋白質分子之間或者蛋白質與油相之間的弱作用，液體介質受到剪切、振蕩等物理力量。當剪切速率不斷增加直至可以克服布朗運動和分子碰撞時，乳液液滴在流場中變得更加有序，表現為受到更少的流動阻力，從而導致液體黏度降低。超聲波通過改變肌原纖維蛋白的二級結構提高了肌肉蛋白的持水性，這也證實超聲波可以應用于提高肌原纖維蛋白的保水能力。

5 超聲波對肌動球蛋白的影響

在用超聲波（20 kHz，50 W超聲30 min）處理雞胸肉的肌動球蛋白時發現肌動球蛋白的溶解度明顯增加，原因是肌動球蛋白分子發生了重組。且紫外光譜分析所得的結果證實肌球蛋白和肌動球蛋白的構象都在聲波的作用下發生了改變，進而改善了肌動球蛋白的功能。Saleem R等人[31]在處理雞胸肉肌動球蛋白時也有相同發現，低頻超聲波會顯著改變肌動球蛋白凝膠的三維網絡結構，從而提高凝膠強度和持水性。研究高強度超聲處理對鵝胸肉肌動球蛋白特性的影響，發現超聲波處理能夠破壞肌肉的結構從而改變肌肉蛋白質之間的連接鍵，促進肌動球蛋白由大分子聚合物解離為小分子蛋白，達到改善肉品品質的效果。

綜上所述，聲波通過影響肌動球蛋白的結構來改變雞肉等肌動球蛋白的凝膠強度、持水性等理化特性，但目前鮮見關于超聲波對魚糜肌動球蛋白影響的報道。同時，因肌動球蛋白是一種不溶于水的復合體，由肌球蛋白和肌動蛋白結合而成。熱凝膠過程中不同質量比例的肌球蛋白和肌動蛋白對肌球-肌動蛋白的加強程度不同[32]，而單獨的肌球蛋白對凝膠體系的影響已有報道。因此，進一步再單獨研究超聲波對肌球蛋白或者肌動蛋白的影響可能更有助于闡明超聲波對蛋白質的作用機理，因此需要更多的試驗數據和分析來對此進行討論。

6 結語

超聲波技術在食品工業中已有廣泛應用，其通過特有的熱效應、機械效應、空穴效應等作用可以改善物料的凝膠性能等理化性質，由此提高產品品質、延長產品貯藏保質期。但目前的研究多注重超聲波技術對雞肉等紅肉原料的影響，超聲波在魚糜生產、加工及貯藏方面的研究還較少。為進一步探明超聲波技術對魚糜蛋白的作用機理，提出了以下幾種研究的思路：①簡化研究對象，分別考查超聲波對肌球蛋白、肌動蛋白的影響來對超聲波技術在魚糜中的應用機理進行闡明；②擴展超聲波技術在魚糜解凍方面的應用來抑制魚糜在貯藏運輸過程中反復凍融的品質損傷；③超聲波技術對魚糜的安全性影響存在爭議，需要更多的試驗研究來確認。此外，如何將超聲波技術大規模運用應用到實際生產加工過程中也是有待進一步研究的課題。