超聲波聯合處理改善牛肉嫩度的研究進展

邵建航， 昝林森,2*

(1.西北農林科技大學動物科技學院，陜西 楊凌 712100;2.國家肉牛改良中心，陜西 楊凌 712100)

改革開放40年來，我國牛肉產銷兩旺，牛肉品質逐漸開始被廣大消費者所重視，通過科學合適的方法對牛肉進行必要處理以改善其嫩度、提高其品質，一直是國內外研究的熱點。

1 牛肉嫩度

牛肉是由肌肉組織、結締組織、脂肪組織及骨組織等各部分組成。其大致比例為：肌肉組織50%～60%，脂肪組織20%～30%，骨組織15%～20%，結締組織9%～11%。牛肉組成比例依品種、年齡、性別、營養狀況等不同差異較大[1]。由于各部分所占比例的差異，肉的嫩度主要取決于肌肉組織和結締組織的含量和性質。

對肉品的嫩化方法包括宰前嫩化和宰后嫩化，宰前嫩化主要通過品種的改良和飼養管理技術的改進了來達到嫩化的目的，一般需要的年限比較長，是一個系統、長期的過程。宰后嫩化是現在比較常用的嫩化方法，可以在短期內改善牛肉的品質，取得良好的經濟效益。嫩化的方法也多種多樣，主要可以分為物理嫩化法、化學嫩化法、酶嫩化法和基因工程嫩化法[2]。

1.1 肌原纖維的性質與嫩度的關系

肌肉的基本構造單位是肌纖維。肌原纖維結構中的蛋白質主要有肌球蛋白、肌動蛋白和肌動球蛋白。肌原纖維的直徑、肌節的長度以及肌細胞的骨架蛋白均會對肌肉的嫩度造成影響[3]。

肌節的長度不是恒定的，它取決于肌肉所處的狀態。肌肉的收縮或松弛是通過粗絲和細絲的相對滑動，使肌節變短或變長。肌肉冷收縮與肌節長度和嫩度之間的關系最早由Herring闡明，他認為冷收縮時肌節長度、肌纖維直徑和肉的嫩度直接相關，冷收縮肌肉的肌纖維變粗，直徑增加到原來的2倍，肌節長度由3 μm縮短到1.3 μm，肉的硬度增加，對剪切作用產生較大的抵抗力。動物宰后肌肉冷收縮的研究結果反映了肌節長度、肌纖維直徑與嫩度的關系[4]。有研究表明雙肌臀基因牛肌纖維較細，其肉質也較嫩。Koohmaraie等[5]發現，注射β-agonists的家畜肌肉的肌纖維較粗，宰后1 d的硬度也較大。另外大量研究也表明，肌節長度的長短和肌纖維直徑的粗細決定牛肉硬度。

目前常見的通過影響肌纖維進而影響肌肉嫩度的處理方式分為物理處理、化學處理和酶處理法。物理處理方式分為高壓、沖擊波、電擊、超聲等方式[6]，主要機理是通過機械力對肌肉的破壞作用。目前應用較為廣泛的化學處理方法為鈣離子和磷酸鹽處理等方法[7]，通過激活內源蛋白酶進而發揮其嫩化作用。加入外源蛋白酶可以通過肌纖維和膠原纖維蛋白的水解來改善肉品嫩度，常見的外源蛋白酶來源可分為植物、真菌和微生物。

大量研究發現，肌原纖維骨架蛋白的生物化學特性對肌肉嫩度具有重要作用，宰后采用的一些嫩化技術主要就是影響這些骨架蛋白的結構而起到嫩化效果的。目前研究中常采用鈣激活酶(calpains)的活性表示肌纖維蛋白水解程度，而且其活性越大，肌原纖維蛋白降解程度越大。鈣激活酶是鈣離子調控下的蛋白酶，在鈣激活酶家族中，鈣激活酶-1是與肉品嫩度提高最為相關和研究最廣泛的[8]。鈣激活酶的靶蛋白有肌聯蛋白、伴肌動蛋白、肌間線蛋白和肌鈣蛋白-T，因此可以同時監控這些蛋白的變化驗證鈣激活酶的變化[9]。

1.2 膠原纖維的性質與嫩度的關系

Strandine等人[10]根據肌束膜的組成將肌肉分為不同類型，也發現肌肉類型與嫩度有較好相關性。Sbottom等人[11]研究認為不同肌肉類型在剪切力值上的不同主要是由膠原蛋白的含量決定。這些經典的實驗結果解釋了膠原蛋白在肉品質量中的大部分功能，膠原蛋白含量和肌束厚度決定了不同肌肉類型的剪切力。也有許多研究表明,不同部位肉的嫩度與膠原蛋白含量高度相關。一般來講，對于特定的肌肉類型，膠原蛋白含量和嫩度之間的相關性較差。結締組織對剪切力或感官評定的肉質結構的貢獻遠遠小于肌原纖維的構成對肉質的貢獻。有研究表明，大約有12%的肉質結構的變化是由結締組織的含量不同產生的[12]。Brooks等人[13]報道，肌束膜的厚度對宰后3，7，14，21 d的牛肉剪切力變化的貢獻率分別為4.5%，9.5%，20.0%和4.0%，其余變化是由肌原纖維降解產生的。

膠原蛋白是一種重要的肌肉組織成分，在維持肌肉結構、柔韌性、強度、肌肉質地等方面起著重要作用[14]。有研究表明膠原蛋白含量與肉的嫩度呈現負相關，而熱溶解膠原蛋白含量與肉的嫩度呈正相關。肌間結締組織的穩定性不僅與膠原蛋白分子內交聯有關，還有膠原纖維的大小和分布以及肌肉中膜的網架結構有關。動物隨著年齡的增長，肌束膜和肌內膜變厚，一些研究中發現肌束膜的厚度是影響其對動物宰后肌肉剪切力貢獻值的主要因素[15]。另外，從一些嫩化方法也可以看出，膠原蛋白結構的變化的確影響了肉的嫩度。

2 超聲波嫩化

超聲波是一種由縱向機械波產生的能量形式，其振動頻率大于每秒20 000次(20 kHz)，高于人類的可聽限度。聲音被認為是具有一維傳播的壓力波。超聲波脈沖的速度取決于介質的聲學特性，聲音傳播的速度在固體中比在液體中更大，在液體中比在氣體中更高。在超聲系統中，電能轉化為振動能，即機械能已通過超聲介質傳播。部分輸入能量通過轉換為熱量而損失，其余部分可能產生氣穴現象。一部分空化能產生化學、物理或生物效應，而其他部分在聲音的重新發射中被反射和消耗。超聲波的范圍為20～10 000 kHz，分為三類：高強度(>5 W/cm2或10～1 000 W/cm2)和低頻(20～100 kHz)；中等強度和中頻(100～1 000 kHz)；低強度(<1 W/cm2)和高頻(1 000～10 000 kHz)。低強度、高頻超聲波具有分析應用，可提供有關食品物理化學性質的信息，如成分、結構和條件。此外，與傳統的分析技術不同，它是非侵入性和非破壞性的，測量快速、自動化，易于在實驗室和生產線中使用。高功率超聲波也稱為高強度超聲波，會引起食物的物理、化學或機械特性的變化[16]。

超聲波中頻率為20～100 kHz，強度超過1 W/cm2的低頻高強度超聲，可以有效改善肉品品質，提高加工效率。肉的嫩度在很大程度上影響了其口感，嫩度主要是在放血后肌肉成為食用肉過程中，各種生物化學物質相互作用的結果，其主要取決于肌肉纖維收縮、肌纖維骨架蛋白和結締組織含量。高強度超聲對于肌肉僵直后期的嫩化有積極作用[17]。

近些年相關研究表明,在宰后牛肉向食用牛肉轉化的過程中，細胞凋亡酶能夠影響牛肉的嫩化程度，而采用超聲波對宰后牛肉進行處理具有殺滅細胞的作用，因此超聲波處理能夠加速細胞的凋亡，同時可有效提高capase-3和鈣激活酶活性[18]。

3 聯合化學嫩化

鹽水和腌泡汁中最常見的兩種成分是NaCl和某些類型的磷酸鹽，最常見的是三聚磷酸鈉(STP)。鹽(NaCl或KCl)是最古老、最有效的食品防腐劑之一。肌肉組織液的離子強度低于鹽水的離子強度，并且通過滲透過程，鹽水溶液將被肉吸收直至達到平衡狀態。肉制品的鹽含量不是受管制的成分，而是自限性的。由于飲食限制鹽攝入量，KCl、磷酸鹽和其他高離子強度化合物等成分可以幫助提高持水能力(WHC)，同時保持低水平的鹽。然而，KCl不容易用于進一步加工的產品，因為它可能導致產品中的澀味。除鹽含量外，鹽的純度也很重要，因為不純的鹽可能會影響產品的質量。

很多研究證實堿性物質被用于肉類腌制中起到很好的嫩化作用，如磷酸鹽和碳酸氫鈉1∶8復配而成的腌制劑對重組牛排有很好的嫩化效果；李劼等[19]分別把碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液涂抹在牛肉上進行腌制來研究堿對醬牛肉的嫩化作用，證實了碳酸鈉和碳酸氫鈉在提高肌肉pH值和保水性的同時，還可以降低蒸煮損失。同濃度的純堿對醬牛肉嫩化都有一定的作用，對醬牛肉的品質有一定影響，0.4%的純堿處理的醬牛肉剪切力值最低，嫩度最大，嫩化效果最好[20]。通過加堿提高肉的pH值和保水能力，降低烹飪損失，改善熱制肉的色澤并使結締組織熱變性提高，而使肌原纖維蛋白對熱變性有較大的抗性，從而使肉的嫩度提高。碳酸鈉能夠對蛋白質有一定腐蝕作用，可破壞肉類的組織結構，促使結構發生改變。而碳酸氫鹽的功效歸因于其溶解肌纖維蛋白和增強靜電排斥作用的能力，碳酸氫鈉作為一種常見的無磷食品添加劑，可提高產品多汁性、整體適口性,減少蒸煮損失和剪切力來提高肉制品的營養質量，有效改善產品嫩度。

超聲導致氣泡形成，其撞擊組織，這可能導致鹽水顯微注入樣品中。這種效應可能有助于解釋觀察到的超聲波肉中NaCl含量的增加[21]。最終的NaCl和水分含量以及超聲應用促進了肉質結構的變化，這可以通過顯微結構觀察得到證實。而超聲波與CaCl2聯合處理后，與單獨處理組相比嫩度和持水性得到了顯著提高，表明超聲可以通過和CaCl2的相互作用使得嫩化效果更為顯著[22]。張坤等發明了一種通過牛胰蛋白酶與超聲波聯用快速成熟嫩化牛肉的方法，既保持了牛肉的特有風味、營養，又加快了成熟速度，生產效率高，極大地滿足了人們對優質牛肉的需求[23]。

傳統上，肉被腌制以改善風味，改善嫩度并增加產品保質期。腌制的一個重要方面是提高生肉的產量，這可以為生產者和消費者帶來益處。腌制對肉質的有益效果包括多汁的質地和減少烹飪過程中的水分損失[24]。有3種生產腌制產品的方法，包括浸泡、注射和真空翻滾。沉浸，最古老的方法，包括將淹沒在腌料中的肉，并允許成分隨著時間的推移通過擴散滲透肉。這種方法對于肉類工業來說是不可靠的，因為它不能提供成分分布的規律性，并且它不實用，因為它需要很長的加工時間,并且限制了腌料的添加量[25]。多針注射腌制可能是最廣泛使用的方法，因為它允許加入精確數量的腌料，確保產品的規律性，而不需要浸泡所需的時間損失。為了注入腌泡汁，插入針頭或探針，并在取出探針或針頭時注射腌泡汁，將腌泡汁散布在整個片中。真空翻滾是一種腌制禽肉的方法，在食品加工廠或超市或肉店提供即食，增值產品。按摩和翻滾導致蛋白質滲出物(主要由鹽溶性蛋白質肌動蛋白和肌球蛋白組成)的提取，其促進熱處理期間的內聚力。翻滾產生的產品具有改善的多汁性和更好的切片特性。研究報告指出，將肌原纖維蛋白質提取到肉的表面有2個功能：首先，蛋白質在加熱時凝固以改善結合特性；其次，提取的蛋白質在熱處理時起到密封劑的作用，從而有利于保留肉組織中含有的水分[26]。

3 小 結

超聲波處理是一種健康方便的處理方法，從現有的研究結果來看，這項技術在改善牛肉嫩度、提高牛肉品質方面有顯著效果。隨著研究的不斷深入，超聲波聯合化學制劑、生物酶等處理牛肉的研究成果會越來越多，必將對肉品加工生產發揮重要作用。