超声波技术在肉品加工中的应用以及对肉品风味前体物质的影响

王娟娟,周昌瑜,王 冲,郑燕燕,叶可萍,唐长波,周光宏

(南京农业大学食品科技学院,国家肉品质量安全控制工程技术研究中心,江苏南京 210095)

随着当代人民生活水平的提高,人们开始追求高品质的健康生活,尤其在对于食品的选择与烹调上。低温烹调、清淡饮食已当成为我国人民不断追求的健康生活方式,而食品加工技术地不断发展,为人类提供了可部分替代热加工食品的非热加工食品,提高了大众生活质量[1]。

在食品加工技术中,热加工是使用高温加热来杀灭食品中的微生物和使酶失活,是目前最常用的加工技术。但是,热加工过程在某些情况下会引起食品发生化学或物理变化,导致食品的感官评分下降,营养物质含量降低,活性成分利用率降低[2-3]。在某些加工条件下甚至会产生对人体有害的物质,如丙烯酰胺[4]、呋喃[5-6]等。因此,相对营养安全的食品非热加工(超声波、超高压、微波、辐照等)已成为目前食品加工领域的研究热点。与食品的热加工相比,食品非热加工不仅可以杀菌消毒、钝酶,更可以减少食品中营养物质的流失,活性成分的降低,以及有害物质的生成,从而改善食品的感官特性、食用品质、营养功能和提高食品安全性[1,7]。在国内外的食品生产实践中,超声波技术已经得到了一些应用,主要体现在杀菌、腌制、嫩化、解冻、无损检测,以及利用超声波辅助提取食品中的成分等方面。本文详细综述了超声波在肉类的杀菌、腌制、嫩化、解冻和无损检测中的应用,并阐述了超声波处理对肉类风味前体物质的影响。

1 超声波技术

超声波具有高频、高功率、短波长、良好的方向性等特点,特别是强大的穿透力和高能量[8],在实际应用中,有两种分类,即检测超声波和功率超声波。检测超声波产生的超声波高频低能,常用来分析和检测食品质量;功率超声波产生的超声波低频高能,通常用于食品杀菌消毒、解冻、干燥、提取、过滤和均质化等。低频高能超声波应用在食品行业的时间比高频低能超声波短,但它有很大的上升和发展空间,现主要用于食品的杀菌、冻结、解冻和干燥等[9]。超声波技术作用的理论依据主要有三种,分别为空化效应、热效应和机械作用[10-11]。

空化效应是指超声波传播于液体介质中时,液体微粒往往会剧烈地振动,从而产生大量的小气泡(即在液体的内部产生一些小空洞),液体中的微小气泡核随着超声波的传播作用产生振动后,声压随之上升,当达到一定值时,气泡便会迅速地生长膨大再崩溃闭合,使得液体中的小微粒之间发生剧烈的碰撞,在小气泡中发生的一系列生长和崩溃的动力学过程是超声波的空化。

热效应是超声波传播在介质中,其辐射声强大于1 W/cm2时,便会产生显著的热效应。随着超声波的传播,介质不断地吸收其振动和摩擦产生的能量,并将其转化为自身的热能,介质整体温度和边界外的局部温度会因此升高。超声波在介质中频率越高,所产生的热效应就会越强。

机械效应为超声波传播在介质中时,介质质点的压缩和伸张会交替地进行,压力会因此发生变化,压力产生的变化便导致了机械效应。在液体中,机械振动导致在能量传播时引起有效的流动和搅动,破坏液体介质的结构,液体中的颗粒被粉碎,普通低频机械搅拌,不能达到如此显著的效果。

2 超声波技术在肉类加工中的应用

2.1 在肉类杀菌中的应用

超声波产生的空化作用可用于对肉品进行杀菌[11]。该作用过程产生的压力将会产生达到50 MPa以上,微生物细胞中的内容物会发生剧烈地振荡,细菌、病菌等细胞结构会随之破裂并达到有效的杀菌作用。此外,经过超声波处理后的肉及肉制品,活细胞的增殖会受到抑制、酶的活性会受到影响,杀菌效果明显提高[12-13]。超声波可以在较好地保持肉类产品中的营养物质和风味等食用品质的基础上,有效杀灭肉品中的微生物,所以,超声波杀菌技术在肉及肉质品的加工中应用前景非常广阔。

张磊等[14]利用超声波预处理真空包装后的卤牛肉进行超声杀菌,发现与对照组相比,随着超声时间、功率和温度的增大,菌落总数随之降低,同时,肉的嫩度也得到改善。靳慧杰[15]通过在超声功率为40 kHz条件下,对冷却猪肉进行0、5、10、15、20、25、30 min的超声处理,发现随着时间的延长,杀菌率增加,但大于20 min的处理组之间杀菌率变化不显著。Lillard等[16]研究显示,20 kHz、15～30 min的超声波处理,能有效减少肉鸡皮上沙门氏菌总数,减少量高于含氯溶液方法消毒处理。

2.2 在肉类腌制中的应用

在肉类腌制中,传统的腌制方法主要有干腌、湿腌、盐水注射和滚揉腌制等,若结合超声波处理,腌制时间将会大大地缩短,腌制速率得到显著提高,应用在肉类生产中,将会大大地提高生产效率。在超声波的作用下,某些酶和细胞被激活并参与各种生理和化学反应,同时增强了细胞内外的质量传输,细胞新陈代谢过程被加速,氯化钠在肉中的渗透与扩散作用得到促进,最终使得腌制时间有效地缩短[13]。

钟赛意[10]研究发现,超声波腌制时,食盐和香辛料等的溶出得到促进,并可以渗透到鸭肉组织中,既可以缩短腌制时间,又可以促进入味,提高口感。而且结果还表明,超声频率、功率、腌制液的盐分、腌制时间分别为26.4 kHz、400 W、12%、80 min时,腌制效果最好。冯婷等[17]分别比较了利用静置、滚揉和超声波对生鲜鸡肉腌制的效果,结果表明,超声波处理组与静置和滚揉处理组相比,在40～60 min的腌制效果相当于与静置处理和滚揉处理120 min或者更长时间的腌制效果,大大缩短了腌制时间。唐善虎等[18]研究结果显示,超声波腌制对牦牛肉的腌制,在较短时间75 min就可以达到感官品质总分31.2分的效果,而普通腌制条件下,48 h的感官品质总分为27.4分,可见超声波腌制大大缩短了肉类腌制时间,且提高了感官得分(感官总分为36分)。

2.3 在肉类嫩化中的应用

肉类加工中常用的嫩化技术主要包括有物理嫩化、化学嫩化和生物嫩化。物理嫩化以滚揉、吊挂和电刺激为主,但会影响肌肉组织结构的美观;化学嫩化以添加磷酸盐、钙盐等为主,但会因注射操作造成针状损坏及影响肉类风味;生物嫩化主要基于在肉中添加木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等,同样会因注射操作不可避免地产生针状损伤。而超声波应用于肉的嫩化时,在空化作用、热效应、机械作用的联合作用下,有效地破坏了肉的肌原纤维蛋白、结缔组织以及溶酶体,促进了肌肉的成熟,而且肉的风味和色泽不受影响[8,13]。

Jayasooriya等[19]研究结果表明,超声条件为24 kHz、12 W/cm2的处理可以对牛肉的剪切力、硬度、蒸煮损失造成显著地降低,而不影响牛肉的色泽。付丽等[20]以牛肉为研究对象,在利用不同超声处理条件下,发现超声的频率、功率、温度、时间分别为28 kHz、180 W、8 ℃、180 min时,牛肉具有最优的保水性和嫩度。目前,超声波与氯化钙溶液相结合产生的协同作用,比单独使用两种处理达到的效果更好。张坤等[21]研究结果显示,超声波与AMP(一磷酸腺苷)联合处理鹅胸肉,在低超声功率和短时间AMP处理下,达到更佳的嫩化效果,且鹅胸肉剪切力与肌原纤维小片化指数、肌动球蛋白解离程度呈显著负相关。Zou等[22]研究结果也显示,超声作用能显著增加鹅乳腺肌肉中肌动球蛋白的游离量。

2.4 在肉类解冻中的应用

传统的解冻方法有静水解冻、流水解冻、空气解冻等,与传统解冻方法相比,超声波解冻更加快速,效率高、能效高[8]。食品已冻结区比未冻结区对超声波的吸收高出几十倍,其中,食品对超声波吸收能力最大是在初始冻结点附近。超声波加快了热在介质中的传递[23],其携带的许多能量可以在肉的冻结处和冻结表面被很好地吸收。

Shore等[24]研究报道,超声波在冻结肉介质中传播时,衰减程度比在未冻结肉中大,而且随着温度的增加,衰减随之显著增加,当达到起始冷冻点时有最大值。从其衰减温度曲线来看,超声波解冻比微波解冻更加快速和稳定。张昕等[25]研究结果表明,超声波解冻相比于传统的静水解冻,不但可以有效提高鸡胸肉解冻速率,而且能够显著地改善其新鲜度,但超声波处理对解冻后的鸡胸肉品质产生了一定的负面影响。针对不同的超声功率解冻,综合比较得出180 W对肉的品质影响最小。蒋奕等[26]研究超声波解冻对猪肉品质的影响,当利用不同的超声功率处理猪肉时发现,超声波处理虽然可以缩短解冻时间,但会导致损失较多的汁液,而且,随着超声波功率的增大,会增大猪肉的蒸煮损失。

2.5 在肉类无损检测中的应用

超声波检测是指0.5～20 MHz的高频声波与不同物质之间相互作用,通过被测物质声学特性获得物质内部组织结构变化和理化性质的一种无损检测技术[27]。当超声波在不同介质中穿过时,会发生反射、投射、散射和吸收,由于穿过时产生不同的衰减系数等特征参数,则肉品与声波相互作用时所产生的特征信息便可以通过穿透之前和穿透之后特征参数的变化来确定,从而达到对肉类进行快速无损检测的要求[28]。

李涛[29]利用超声波识别生猪肉中猪眼肌肉脂肪含量的B超图像,并结合支持向量机分类器不仅可以很好地检测对猪眼肌脂肪含量,并以此进行分类,而且识别正确率可以达到94.9%,为无损检测在生猪脂肪含量的应用上提供了一定的参考。Correia等[30]发现,将超声波声速的变化用来检测剔骨的鸡胸肉中的碎骨,可以为经常食用鸡胸肉的人群提高安全性。De等[31]通过建立的回归模型发现,利用超声波技术检测腌制猪肉中盐分和水分的含量与超声波的传播速度呈线性相关,即超声波技术可以应用在预测腌制肉中盐分和水分含量上。

3 超声波处理对肉类风味前体物质的影响

肉在加工成肉制品后的风味物质由多种挥发性化合物组成,包括醛类、醇类、酯类、酮类等,而肉类最终香味和滋味的形成,主要由风味前体物质游离氨基酸、肽类、还原糖、硫胺素、游离脂肪酸等经过一系列化学变化产生[32]。以下主要综述目前超声波对肉风味形成中的前体物质氨基酸和脂肪酸的影响。

3.1 超声波对肉中氨基酸的影响

氨基酸在肉类加工过程中,主要通过降解以及和还原糖发生美拉德反应而产生风味物质。美拉德反应十分复杂,反应过程中会生成一系列芳香化合物,包括呋喃、吡嗪、吡咯、含硫含氮化合物以及杂环化合物。其中,在前期阶段会产生风味活性物质糠醛(中间产物),它是最终形成的杂环化合物的前体物质[33]。氨基酸种类、含量越多,反应后产物风味越丰富,对风味影响越大。

蛋白质通过水解为游离氨基酸后,发生与还原糖的美拉德反应。陈海燕[34]研究发现,适当的热处理或者超声波处理均可使鸭肉中蛋白质的水解速度加快,热处理需要75 ℃,15 min达到约53%的蛋白水解度,而中频49.8 kHz的超声波处理10 min可以达到约58%的蛋白水解度。两者相比之下,超声波预处理具有更好的加速效果。钟赛意[10]发现超声波处理可以在腌制鸭肉时增加蛋白质的水解,超声波腌制相比湿腌和干湿混合腌制两种传统的腌制方法,可以显著提高游离氨基酸含量(p<0.05),而游离氨基酸对肉制品的风味形成具有着重要的作用。Perez-Santaescolastica等[35]在单独使用热处理和超声波辅助热处理干腌火腿时,发现超声波辅助热处理有更高的总游离氨基酸含量,超声波辅助热处理组总游离氨基酸量为6691.5 mg/100 g,而单独使用热处理组为6067.5 mg/100 g。因此,干腌火腿中超声波协助处理将有助于火腿中形成风味物质。

3.2 超声波对肉中脂肪酸的影响

脂肪酸在肉类加工过程中主要通过热降解产生香味,在挥发性风味物质中的醛类主要由其氧化降解产生,醛类阈值一般很低,所以在肉类众多挥发性风味中贡献较大。Cameron等[36]认为肉中含有高含量的饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸可以提高肉的风味,改善肉的质构,但高含量的多不饱和脂肪酸则会降低肉的风味和质构,可能因其易氧化腐败所致。所以在肉中多不饱和脂肪酸的含量越低,风味会越好。在肉类加工过程中,利用超声波对其进行不同频率和不同时间的处理,对肉中脂肪酸影响不同,特别是,它对饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的相对含量有影响。

Ojha等[37]研究结果表明,不同频率的超声波会显著影响牛肉干的饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸的含量以及三者之间的比例。雷辰等[38]发现,在五花猪肉炖煮结束后,超声组与传统组相比,多不饱和脂肪酸降低显著(p<0.05),而且在炖煮结束后,超声组的多不饱和脂肪酸比传统组降低更加显著,炖煮风味也更好。

综上,超声波在肉品加工有着重要作用,它通过影响风味前体物质,尤其是肉中游离氨基酸、脂肪酸的含量来影响肉中风味的形成与变化。超声处理对氨基酸的影响主要通过促进蛋白水解为游离氨基酸,使得大量氨基酸经过各种反应途径生产各种风味物质,对脂肪酸的影响主要通过影响肉中各种脂肪酸的组成与含量,使得不同的脂肪酸降解为不同风味物质,最终影响肉品的风味变化。

4 结论与展望

本文介绍了超声波技术在肉品加工中的应用,以及对肉品风味前体物质的影响。超声波技术广泛应用于肉类加工,在一定频率和时间下的超声处理对氨基酸和脂肪酸有一定的积极影响。超声波作为一种先进的肉品加工技术之一,提高了加工效率,且节约能源,有很大的开发应用价值。超声波处理后不仅可以提高肉品的品质、安全性,还可以增强产品风味,但目前在实际生产中的应用还不够成熟,一方面,要想使肉制品品质、安全性和风味三者同时得到提高,单一使用超声波处理可能无法达到理想的效果,这就需要肉品领域的研究人员将超声波技术和其他技术联合使用,研究如何产生协同作用使超声波技术得以广泛深入地应用。另一方面,要研究清楚超声设备在应用于肉类加工时的机制,这样才能设计出更适合实际应用的超声设备。