超聲波技術在肉及肉制品中的應用研究進展

黃亞軍　周存六

摘 要：超聲波作為一種新型綠色食品加工技術，具有縮短加工時間、降低生產成本和改善肉及肉制品品質等優勢，在肉及肉制品行業中的應用受到廣泛關注。本文綜述超聲波技術對肉及肉制品理化特性（嫩度、持水性、色澤、氧化穩定性和pH值）的影響及其機理，此外，對超聲波技術在腌制、冷凍和解凍、殺菌等肉制品加工工藝中的應用和影響機制進行總結，為其在肉及肉制品實際生產中的應用提供理論依據。

關鍵詞：超聲處理;肉及肉制品;理化性質;加工工藝

Abstract： Ultrasound， a new type of green food processing technology， is advantageous in shortening the processing time， reducing the production cost and improving the quality of meat and meat products， and has attracted widespread attention for its application in the meat and meat products industry. This paper reviews the effects and mechanisms of ultrasound on physiochemical properties （tenderness， water retention capacity， color， oxidation stability and pH value） of meat and meat products. In addition， it also summarizes the effects and mechanisms of ultrasonic on the salting， freezing and thawing and sterilization of meat products. We hope that this paper can provide a theoretical basis for the application of ultrasound in the processing of meat and meat products.

Keywords： ultrasound treatment; meat and meat products; physiochemical properties; processing technology

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20200319-079

中圖分類號：TS251.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2020）05-0091-07

近幾年，人們的健康意識逐漸提升，消費觀念也發生轉變，對無外源添加劑或外源添加劑較少的食品更加青睞。為滿足消費者需求，高壓、微波和超聲波等新興技術在食品加工中的應用及其對食品品質的改善作用成為食品科學與技術領域的研究熱點[1]。其中，超聲波作為一種能耗少、能量高、損害小、無化學殘留、瞬時高效、穿透力強的綠色環保非熱物理加工技術，能有效提高腌制、冷凍和殺菌等工藝效果[2]，在肉及肉制品行業中的應用研究受到廣泛關注。目前，已有學者對相關研究進行總結[1-4]，但大都局限于超聲波技術對加工工藝的改進，很少對相關機制進行歸納總結;關于超聲波技術對肉及肉制品品質影響的總結只涉及嫩度，忽視了其對肉及肉制品持水性、色澤、氧化穩定性及pH值等的影響。因此，本文主要綜述超聲波技術對肉及肉制品理化特性（嫩度、持水性、色澤、氧化穩定性和pH值）的影響及機理，此外，還對超聲波技術在肉及肉制品加工中應用的熱點（腌制、冷凍和解凍、殺菌）進行綜述，重點介紹超聲波提高加工工藝效果的機制，為超聲波技術在肉及肉制品實際生產中的應用提供理論依據和技術參考。

1 超聲波簡介

1.1 超聲波的定義及分類

超聲波屬于聲能，是機械能的一種非電離、非侵入、非污染形式，超聲波的頻率超過人類的聽覺范圍（16 kHz）。根據頻率或強度，超聲波通常可劃分為：低頻率、高強度超聲波（16～100 kHz，10～1 000 W/cm2），要用于食品理化特性改性;高頻率、低強度超聲波（1～100 MHz，<1 W/cm2），主要用于食品成分分析與檢測，如糖含量、酸度、成熟度等，是一種快速、非侵入、無損檢測技術[5]。

1.2 超聲波的作用機理

超聲波的作用機理主要有空化效應、機械效應、熱效應及彌散效應。空化效應是指流體（液體）中嵌入氣泡的生長和破裂（圖1），主要包括2 種類型：穩態空化和瞬態空化。在穩態下，稀疏半周期產生的負壓能克服液體分子間的吸引力，使分子間距離達到極限，導致結構被破壞，形成細小的空化氣泡;隨之而來的壓縮半周期產生的正壓會使空化氣泡收縮，由于處于稀疏半周期的空化氣泡會發生膨脹，表面積增大，因此，每經歷1 個循環周期，這些空化氣泡的尺寸就會變大;持續若干個周期后，空化氣泡的尺寸達到不穩定的臨界狀態，由穩態空化轉變為瞬態空化;在最后1 個壓縮半周期，處于臨界狀態的空化氣泡因受到正壓而急劇崩潰，將空化氣泡生長過程中獲得的勢能轉化為動能，裂解成許多小氣泡，同時產生5 000 K的高溫和101 MPa的高壓[6]。機械效應是指空化效應過程中伴隨的局部高壓、湍流及高能剪切力;熱效應是指介質吸收超聲波產生能量后發生劇烈振蕩，介質之間相互摩擦導致溫度上升的過程;彌散效應是指超聲波強化液體介質中物質的擴散過程[7]。

2 超聲波技術對肉及肉制品理化特性的影響及機制

肉及肉制品的理化特性直接影響消費者的接受程度。因此，將一種新技術或新方法應用于肉及肉制品加工時，其對肉及肉制品品質、理化特性的影響至關重要。目前，有關超聲波技術對肉及肉制品嫩度、持水性、色澤、氧化穩定性及pH值等理化特性影響及機制的研究很多，為肉及肉制品研發提供了理論支持。

2.1 超聲波技術對肉及肉制品嫩度的影響及機制

肉及肉制品的嫩度是質地、口感的重要影響因素，也是肉制品品質特性的重要決定因素之一。目前，改善肉及肉制品嫩度的方法主要分為機械嫩化、酶法嫩化和化學嫩化[2]。利用超聲波技術提高肉嫩度可以追溯到20世紀90年代。Solomon等[8]研究發現，炸藥爆炸時在水中產生的聲波能破壞肌肉組織結構，提高牛肉嫩度。近幾年，學者們在證實超聲波有助于改善肉及肉制品嫩度的同時，還試圖從不同角度闡明相應機制。Yeung等[9]研究發現，超聲處理（15 kHz、2 200 W）能提高豬腰肉的肌原纖維小片化指數，降低硬度和剪切力，表明超聲能有效改善豬腰肉嫩度。Dickens等[10]發現，超聲處理（40 kHz、2 400 W）后，雞胸肉剪切力顯著下降，這可能與肌纖維內及周圍空化氣泡的內爆破壞了肌纖維成分有關。Xiong Guoyuan等[11]研究超聲處理（24 kHz、12 W/cm2）及蛋白質水解酶抑制劑對雞胸肉組織降解、嫩度和蒸煮損失的影響，結果表明，超聲處理能促進雞胸肉組織降解，進而顯著降低雞胸肉剪切力，改善雞胸肉嫩度。Zou Yunhe等[12]研究超聲對五香牛肉嫩度和持水性的影響，通過觀察微觀結構發現，超聲處理后的五香牛肉肌原纖維間隙增大，肌原纖維沿Z線斷裂，導致肌肉膨脹和破裂，有效改善了五香牛肉嫩度。Chang Haijun等[13]對牛半腱肌進行超聲（40 kHz、1 500 W）嫩化處理，結果發現，超聲波能夠降低牛半腱肌剪切力和結締組織機械強度，導致肌纖維收縮、肌節縮短、肌細胞和肌內膜的破壞以及肌束膜厚度減小，表明肌肉組織結構的破壞在一定程度上能提高肉制品嫩度。Barekat等[14]研究表明，高強度超聲處理與酶處理相結合不僅可以通過破壞肌肉完整性來改善肉嫩度，而且可以改善肌肉組織中酶的水解活性;當超聲功率100 W、超聲時間20 min時，蛋白水解活性最高，肌肉嫩度最高。Wang Anran等[15]研究發現，超聲處理（20 kHz、25 W/cm2）提高了肌原纖維小片化指數，降低了牛肉剪切力，增加了肌間線蛋白和肌鈣蛋白-T的降解，表明超聲處理可以通過調節鈣蛋白酶活性和蛋白質降解改善牛肉嫩度。

總的來說，超聲波對肉及肉制品嫩度的影響可以歸因于2 個主要方面：直接破壞肌肉組織結構完整性和間接激活相關酶活性。一方面，超聲波循環周期中，局部產生的正負交替壓力使介質發生壓縮或膨脹，導致肌細胞破裂和肌原纖維蛋白結構被破壞，肌纖維沿Z線和Ⅰ帶斷裂[16];另一方面，由于超聲波破壞了組織結構完整性，組織蛋白酶從溶酶體中釋放，鈣離子從細胞內流出，激活鈣蛋白酶，促進蛋白質水解[17]。

2.2 超聲波技術對肉及肉制品持水性的影響及機制

持水性影響肉及肉制品的質地和口感，是肉及肉制品重要品質特性之一。超聲能否改善肉及肉制品的持水能力一直飽受爭議。有些學者認為超聲處理能有效提高肉及肉制品的保水性[18]，而另一些學者則持相反意見[13，19]。總結近幾年的研究發現，超聲能否改善肉及肉制品的持水性主要與肉及肉制品是否經過腌制、超聲時間及超聲強度有關。

一般情況下，未經腌制的肉類產品經過超聲處理，水分損失會增加;而經腌制的肉類產品經過超聲處理后，持水性會顯著增加。例如，Chang Haijun等[13]研究低頻高強度超聲（40 kHz、1 500 W）對牛肉品質特性的影響，發現超聲后牛肉滲出液增多，失水率增加;Siró等[20]對浸泡在40 g/L NaCl溶液中的豬肉進行超聲處理（20 kHz、2～4 W/cm2），結果表明，超聲能顯著提高豬肉持水性和質構特性。對于腌制肉樣品，超聲能增強鹽在肌肉組織中的擴散，同時促進肌原纖維蛋白的提取，進而可能改善樣品持水性。

超聲時間影響肉及肉制品的持水性。Li Ke等[21]研究不同時間的超聲處理（40 kHz、300 W）對雞胸肉肉糜功能特性的影響，結果表明，超聲處理10 min或20 min均能提高肉糜的持水能力，改善肉糜質構特性;但超聲時間延長到40 min時，產品持水能力降低。超聲強度是影響肉類產品持水性的另一重要因素。Zou Yunhe等[12]研究發現，當超聲強度高于93.33 W/cm2時，經過腌制的牛肉蒸煮損失增加。在肌原纖維蛋白中也出現類似的現象。例如，Zhang Ziye等[22]對肌原纖維蛋白溶液（30 g/L）進行超聲處理，發現超聲強度低于150 W/cm2時，肌原纖維蛋白溶液熱誘導凝膠結構均勻致密且保水性顯著提高;但當超聲強度高于150 W/cm2時，凝膠內部出現許多大孔洞，保水性降低。由于大多數被固定的水分子存在于肌原纖維內[23]，因此超聲對持水性的改善可能與肌原纖維結構有關。超聲波產生的機械效應能破壞肌原纖維的結構，有助于肌原纖維容納更多水分[12];此外，適當的超聲處理會促進蛋白質展開，形成均勻、致密的凝膠網絡，從而提高肉制品持水性[24]。但高強度或長時間超聲可能導致蛋白質嚴重變性，破壞蛋白質結構，使加熱過程中蛋白質分子的展開速率大大降低，聚集速率相對增加，形成粗糙多孔的凝膠網絡，削弱對水分子的固定能力，進而降低肉制品持水性[22]。值得注意的是，雖然過強的超聲處理（超聲功率過高、時間過長）可能導致蛋白質變性、肉及肉制品持水性降低，造成不必要的能源浪費，但過低強度和過短時間的超聲處理可能無法誘導肉及肉制品產生有益的變化，因此不能一味降低超聲功率或縮短超聲時間。在實際生產加工過程中應注意控制超聲強度和超聲時間，以便充分發揮超聲對肉制品持水性的改善作用。

2.3 超聲波技術對肉及肉制品色澤的影響及機制

色澤是消費者購買肉及肉制品時最直接的印象，影響消費者的購買決定[25]。超聲產生的熱效應不足以使色素變性，因此有學者認為超聲波對肉類色澤影響不大。例如，Sikes等[26]研究發現，超聲處理（600 kHz，48、65 kPa）不改變4 ℃成熟7 d后牛排的色澤;Stadnik等[27]對超聲處理（40 kHz、2 W/cm2）后牛肉的剪切力、色澤和肌紅蛋白進行研究，結果發現，超聲處理顯著降低了牛肉剪切力，但對牛肉色澤（亮度值（L*）、紅度值（a*）和黃度值（b*））無顯著影響，脫氧肌紅蛋白（Mb（Fe2+），紫紅色）、氧合肌紅蛋白（MbO2（Fe2+），鮮紅色）和高鐵肌紅蛋白（MetMb（Fe3+），灰棕色）含量與對照組沒有顯著差異。但是，Sikes等[26]報道，新鮮牛排經超聲處理（2 MHz、48 kPa）后L*降低，顏色變暗。與之相反，Pe?a-Gonzalez等[28]研究發現，高強度超聲處理（40 kHz、11 W/cm2）后牛肉L*增加，a*和飽和度（C*，C*=（a*2+b*2）1/2）降低，顏色更傾向黃橙色（色度角增大），Gómez-Salazar等[19]的研究中也出現類似現象。由此不難發現，超聲對肉及肉制品色澤的影響較復雜。通常肉制品色澤與Mb（Fe2+）、MbO2（Fe2+）和MetMb（Fe3+）的比例有關[29]，不同的超聲條件可能使3 種形態的肌紅蛋白相對含量發生改變，進而導致肉的色澤呈現不同變化，這可能與超聲波強度（超聲功率和超聲時間）[26]、原料肉性質[19，28]和加工條件[27，30]有關。盡管目前有關超聲對肉及肉制品色澤影響的報道較少，影響規律也尚不明晰;但最近的研究表明，超聲波并不會對熟肉色澤產生負面影響[30-31]，這為超聲波技術的實際應用創造了條件。

2.4 超聲波技術對肉及肉制品氧化穩定性的影響及機制

超聲波作為一種新型食品加工技術，對肉及肉制品品質的改善作用毋庸置疑，但其產生的負面影響同樣不容忽視，特別是由空穴效應產生的局部高溫高壓和高活性自由基引發的自由基鏈式反應[32]，促使脂肪和蛋白質發生氧化[31]。Kang Dachang等[33]研究超聲處理對牛肉中蛋白質氧化及其結構的影響時發現，超聲處理增加了硫代巴比妥酸和羰基的含量，說明超聲處理會促進脂肪和蛋白質氧化。通常，脂肪氧化會產生不愉悅風味[34]，蛋白質氧化會對肉及肉制品嫩度產生不良影響。Zhang Wangang等[35]認為，肉制品中蛋白質的氧化會使蛋白質分子中的巰基氧化成二硫鍵，蛋白質通過二硫鍵交聯形成聚集體，蛋白質溶解度降低，肉韌度增加。雖然超聲處理會引起蛋白質氧化，導致肉類產品韌度增加;但大多數研究表明，超聲處理對肉及肉制品嫩度的改善作用顯著[9-17]，這可能與超聲波對肌原纖維結構的破壞占主導作用有關[13]。

2.5 超聲波技術對肉及肉制品pH值的影響及機制

在研究超聲波對肉及肉制品理化特性的影響時，只有部分研究涉及超聲對pH值的影響。Stadnik等[27]發現超聲處理不改變宰后24、72、96 h牛肉的pH值，但能提高宰后48 h牛肉的pH值;Jayasooriya等[36]研究超聲處理（24 kHz、12 W/cm2）后不同部位牛肉的物理特性，發現與未經超聲處理的樣品相比，不同時間的超聲處理均能顯著提高牛半腱肌pH值，而牛最長肌pH值在超聲120 s或240 s時增加，超聲30 s時降低，超聲60 s時沒有變化;Pe?a-Gonzalez等[28]研究超聲處理對牛肉嫩度的影響時發現，超聲處理顯著提高了貯藏7 d或14 d牛肉的pH值，但不改變未貯藏牛肉的pH值。目前，關于超聲誘導pH值變化的原因可歸納為兩點：1）空穴效應可能會導致蛋白水解酶和脫氨基酶的釋放，它們能提高氨基酸和堿性胺類的利用率[37-38]，并減少酸性蛋白質基團數量[39];2）超聲處理加速離子從細胞結構釋放到細胞質中或蛋白質結構改變，導致某些離子基團位置發生變化[40]。超聲處理對pH值的影響規律及超聲誘導pH值改變對肉及肉制品理化特性的影響尚不明晰，值得進一步研究。

3 超聲波技術在肉及肉制品加工中的應用及機理

3.1 超聲波技術在肉及肉制品腌制中的應用及機理

腌制是肉及肉制品加工中常用的保鮮方法，對提高肉及肉制品嫩度、質構、持水性等品質特性十分有益，通常分為濕法腌制、干法腌制和混合腌制[41]。由于肌肉組織是一個復雜的基質，肌肉中存在肌間脂肪和肌內脂肪，使鹽分在肉中的擴散十分緩慢，容易導致鹽分分布不勻、腌制時間過長等問題，增加生產成本[42]。近年來，為改善腌制過程，人們嘗試了真空、超高壓、超聲波等多種技術。其中，超聲波作為一種新興食品加工技術，具有很強的穿透力，能夠在不損害肉及肉制品品質的情況下加速腌制過程，引起廣泛關注。

目前，關于超聲輔助腌制的研究很多。Ozuna等[43]研究不同NaCl質量濃度條件下高強度超聲（40 kHz、37.5 W/dm3）對豬肉質量傳遞、微觀結構和質構特性的影響，結果表明，超聲的應用強化了傳質動力學（即水從肌肉組織向鹽水中遷移，鹽從鹽水中向肌肉組織遷移），增加了NaCl和水分的有效擴散率，使NaCl更均勻地分布在肉中。Inguglia等[44]在不同超聲頻率、不同超聲時間條件下對低鈉禽肉進行超聲處理，發現與傳統腌制技術相比，超聲增加了細胞膜通透性并促進了電解質離子的滲透和擴散，可以顯著縮短腌料浸入肌肉組織所需要的時間。Xiong Guoyuan等[45]對超聲輔助碳酸氫鈉腌制雞胸肉的腌制效率進行研究，發現超聲輔助碳酸氫鈉腌制的雞胸肉對腌制液的吸收率和雞胸肉中氯化物含量顯著高于碳酸氫鈉腌制雞胸肉，表明超聲處理能顯著改善腌制效果;該研究認為這可能是由超聲過程中產生的空化效應導致：即超聲空化效應排出氣體，破壞肌肉組織，使肌束之間的間隙增大，同時肌肉組織內的負壓降低了腌料進入肉塊的阻力，因而有利于鹽水擴散到雞胸肉組織中。Mcdonnell等[46]評估超聲波的機械作用對豬肉中NaCl擴散的影響，發現NaCl在豬肉組織中的擴散速率隨超聲強度的升高而增加，且超聲輔助NaCl擴散的機制與溫度無關，很可能與空化效應產生的機械作用有關;穩定空化時，正負壓交替導致氣泡壓縮膨脹，產生聲流，使離子保持恒定運動，有助于增強傳質;瞬時空化時，局部產生的微流束和沖擊波能沿著聲波傳遞的方向傳播，穿透生物組織，導致組織損傷并促進NaCl擴散。此外，經過超聲波處理的鹽水既可以強化肉及肉制品的腌制過程，又可以提高肌肉組織的持水性。Krasulya等[47]將NaCl溶液進行超聲處理（20 kHz、200 W/L）后用于豬肉腌制，發現超聲處理鹽水的使用對腌制動力學有積極影響，超聲處理鹽水中所含鹽分在豬肉中的滲透率高于未經處理的鹽水，表明超聲處理鹽水能提高鹽水擴散滲透效率;此外，與用未經超聲處理鹽水腌制的豬肉相比，使用超聲處理鹽水可以將豬肉的腌制時間縮短3 倍，加速鹽水處理過程中豬肉中NaCl的擴散以及由此引起的理化變化，并確保鹽水均勻分布在肌肉組織中。

現有研究表明，超聲能有效縮短肉及肉制品的腌制時間，并促進鹽在肉類產品中的均勻分布。關于超聲輔助腌制機理，目前為大多數學者普遍接受的有以下2 種：破壞組織結構和加速傳質過程。目前，關于超聲通過何種機制加速傳質過程尚未得到有效證實。此外，關于超聲強度、超聲時間、鹽含量、溫度等對超聲輔助腌制的影響，以及超聲提高腌制效率后對肉及肉制品理化特性的影響，已有學者進行過詳細綜述[2，4]。

3.2 超聲波技術在肉及肉制品冷凍和解凍中的應用及機理

肉及肉制品因富含蛋白質而容易腐敗，因此常用冷凍貯藏方式保存，冷凍肉及肉制品質量主要取決于冰晶大小及冰晶在肌肉組織中的分布[48]。通常，緩慢冷凍會產生大且不規則的細胞外冰晶，導致肌肉結構的破壞，從而降低肉類產品的感官接受度;而快速冷凍會產生細小而均勻的細胞外和細胞內冰晶，減小對肌肉組織結構的破壞[49]。與傳統冷凍方法相比，超聲波具有快速、高效、高能的特點，能在較高溫度下誘導晶核形成，能通過碎裂冰晶增加晶核數目，并減小冰晶尺寸[50]，因此可作為一種快速冷凍技術提高冷凍效率。Zhang Mingchen等[51]研究不同功率下超聲輔助浸漬冷凍對豬肉冷凍速度和豬肉質量的影響，發現超聲（30 kHz、180 W）能顯著加快冷凍速率，減小冰晶尺寸，使冰晶分布更均勻，同時超聲輔助浸漬冷凍豬肉的色澤、蒸煮損失與浸漬冷凍及新鮮豬肉相比無顯著差異。Sun Qinxiu等[50]比較超聲輔助浸漬冷凍、空氣冷凍和浸漬冷凍對鯉魚理化特性的影響，發現超聲輔助浸漬冷凍抑制了冰晶生長，降低了結合水和游離水的流動性和流失率，減少了解凍和蒸煮損失，并延緩了硫代巴比妥酸反應物和總揮發性鹽基氮含量的增加。類似的研究結果還有很多[52-54]，表明超聲波不僅能縮短冷凍所需要的時間，還有助于抑制冷凍肉類產品凍藏過程中的受損和變質。

解凍是冷凍肉及肉制品進一步加工前必不可少的過程，可能會改變肉類產品理化性質，導致肉類產品質量降低[55]。與傳統解凍相比，聲學解凍能將聲能轉化為熱能，在加速解凍的同時，降低解凍對肉類產品質量的不良影響[56]。此外，利用超聲波技術解凍需要注意控制超聲頻率和強度，避免表面過熱，相關研究報道已有學者進行過詳細綜述[2，7]。

3.3 超聲波技術在肉及肉制品殺菌中的應用及機理

超聲波產生的局部高壓、剪切力、溫度梯度和活性自由基等會破壞生物細胞壁、細胞膜和DNA，促進細胞死亡[57]，因此，超聲波技術可用于無損殺菌。例如，Caraveo等[58]發現，超聲處理（40 kHz、11 W/cm2）導致牛肉中所含的嗜中性菌，特別是大腸桿菌和嗜冷菌菌數減少。然而，想要達到完全滅菌的效果，超聲波單獨處理需要非常高的超聲強度，因此常聯合其他殺菌技術（如高壓、熱處理、殺菌劑等），以達到滿意的殺菌效果。Cichoski等[59]研究發現，超聲波（25 kHz、200 W）與巴氏殺菌聯用能有效抑制嗜冷菌和乳酸菌生長，且微生物的細胞結構在60、70 ℃時更容易受到物理作用而破壞，增強超聲波的抑菌能力。Musavian等[60]發現，與對照組相比，超聲波與蒸汽技術聯合使用顯著減少了肉雞胴體彎曲桿菌菌數，減少約1 （lg（CFU/g））。綜上所述，不能局限于超聲波技術本身對工藝的改良，還應將超聲波技術與其他技術結合，充分發揮超聲波的優勢。

4 結 語

近幾年，超聲波作為一種新型綠色食品加工技術，在肉及肉制品加工領域取得了巨大進展。超聲波能夠縮短腌制時間、提高腌制效果、提高冷凍效率、減少冷凍過程中肉及肉制品品質的損壞、促進解凍、殺死有害微生物及致病菌。此外，超聲波技術的應用還有助于改善肉及肉制品嫩度、持水性等理化特性。盡管超聲波技術屬于非侵入型無損加工技術，但實際生產中超聲波產生的高能量及高活性自由基是否會導致有害物質生成尚未見報道。此外，超聲波技術對肉及肉制品理化性質影響機制的研究還不夠深入。基于上述原因，超聲波技術在實際生產中尚未得到充分應用。如何將現有研究成果成功運用到肉及肉制品加工工業，仍是一個巨大挑戰。

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