超声辅助腌制处理对牛肉干干燥及理化特性的影响

刘 梦，杨 震，史智佳,,*，王 薇，乔晓玲，王守伟

（1.中国肉类食品综合研究中心，北京 100068；2.宁夏伊佳仁食品有限公司，宁夏 银川 750020）

超声波是一种由物质机械振动产生的频率高于20 kHz的声波，可在气体、液体和固体中传播。根据频率和能量密度，超声波可以分为高频超声和低频超声两类。高频超声一般指频率大于100 kHz的超声波，又称诊断超声；低频超声又称功率超声，一般是指频率介于20～100 kHz的超声波[1-2]。功率超声在液体中传播时会对液体分子产生拉伸和压缩作用，进而在拉伸阶段形成空穴，这些空穴在压缩阶段瞬间破裂，可产生瞬时高温和高压等极端条件[3]，称为功率超声的空穴作用。空穴作用可导致食品发生多种理化和生化变化，如传质传热效率提高、微生物和酶活性改变、细胞膜崩解、产生自由基、蛋白氧化、脂质氧化等[4-8]。目前，功率超声在食品加工中的研究和应用日益增多，涉及提取、过滤、消泡、脱气、蒸煮、切割、干燥、肉的嫩化、均质、结晶、生物合成、冷冻和解冻等过程[1,4]。功率超声处理食品既可能产生有利影响，也可能产生不利影响，如高能量水平的功率超声有利于改善肉的质构特性[9]，但会对胡萝卜、果汁等食品的色泽、颜色和营养产生不利影响[5,10-11]。在肉类加工领域，国内外已有的报道主要评价超声对肉类蛋白质的理化特性[12-13]、盐分扩散[13-14]、肉的嫩度及微观结构[15-16]、酶活性[17]等方面的影响。丁玉勇等研究发现超声波用于原料肉辅助腌制可以提高食盐渗透速度[14]；李林强等研究发现超声强度和超声处理时间交互作用对牛肉嫩化影响显著，可导致牛肉肌纤维直径显著变小、肌纤维间距显著增大，嫩化效果较好[15]；李莹等研究发现超声和微波联合作用对肌肉嫩化效果显著，最佳组合为功率400 W、超声-微波时间10 min、超声时间4 s/间隙时间4 s[16]。Lyng等研究超声处理对牛肉剪切力、胶原蛋白溶解性的影响，发现处理组与未处理组相比并无显著差异[18]。

牛肉干是肉类深加工制品的重要品类之一，深受消费者喜爱。但牛肉干普遍存在口感硬度大、难以咀嚼的问题。功率超声可导致肌纤维损伤，进而提高肉的嫩度[15,19]，但也有报道称超声处理并不能提高肉的嫩度[18]，甚至还会降低肉的嫩度。而且经过超声处理的肉类样品，在失去大量水分后测定的剪切力与未经超声处理的肉类样品是否存在差异尚不明确。此外，干燥是牛肉干加工过程耗时长、能源消耗大的主要环节。在腌制环节应用功率超声对牛肉中肌红蛋白析出、牛肉干干燥过程及终产品品质的影响同样不得而知。为此，本实验在牛肉片腌制环节应用超声处理，研究其对牛肉干终产品的硬度、干燥速度、肌红蛋白溶出和理化性质的影响，以评估超声在牛肉干加工中应用的适宜性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛小米龙肉（Eye Round，屠宰后排酸48 h后速冻）河北福成五丰食品股份有限公司。

三氯乙酸、乙二胺四乙酸二钠、硫代巴比妥酸、1,1,3,3-四乙氧基丙烷（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

DK-1500P超声水浴（水槽长×宽×深为33 cm×30 cm×15 cm、工作频率为40 kHz） 深圳市得康洗净电器有限公司；DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱、DZF-6050真空干燥箱 北京莱凯博仪器设备有限公司；UV-2800型紫外-可见分光光度计 尤尼柯（中国）仪器有限公司；HYZ-B5000型电子天平 上海亚津电子科技有限下公司；TA.XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；MS-200型盐度计 东莞市盛山电子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料肉处理

将条状牛肉沿垂直于肌纤维方向切成长度约为80 mm的肉段，然后用切片机沿肌纤维方向将肉段切成厚度为8 mm的肉片，每片宽度为（90±10）mm。牛肉片随机分成5 组，控制每组质量为（300±2）g。

1.3.2 牛肉干加工工艺及超声处理

牛肉干加工工艺：牛肉解冻→切片机切片→超声辅助腌制（或静置腌制）→干燥→热加工→进一步干燥（使各组水分质量分数基本一致）

将各组牛肉片分别加入到5 L质量分数2.0% NaCl溶液（25 ℃）中，按表1所示条件进行超声处理。超声处理时牛肉片距离水槽底部5 cm。

表 1 牛肉片超声处理实验设计Table 1 Experimental design of ultrasonic treatments on beef slices

1.3.3 腌制过程溶液中溶出物质量分数的测定

取静置腌制和超声辅助腌制牛肉片后的食盐溶液50 mL，置于电热恒温干燥箱内105 ℃干燥至恒质量，称取干物质的质量，进而计算腌制液中从牛肉片中溶出物的质量分数。

1.3.4 肌红蛋白浓度的测定

肌红蛋白浓度测定参照Krzywicki[20]的方法，取静置腌制和超声辅助腌制牛肉片的食盐溶液20 g，5 000×g离心10 min，取上清液测定其在525 nm波长处吸光度A525nm。肌红蛋白浓度按公式（1）计算。

式中：c为肌红蛋白浓度/（mmol/mL）；MAC525nm为本实验中肌红蛋白在525 nm波长处的摩尔吸光系数（7.6 mL/mol）。

1.3.5 腌制和干燥过程中水分损失率的测定

腌制和干燥过程中牛肉片的水分损失率按公式（2）计算。

式中：m1为腌制或干燥处理前的牛肉片质量/g；m2为经过一定条件处理后的牛肉片质量/g。

1.3.6 剪切力的测定

将热加工后的牛肉片在常温下进一步干燥，直至各组水分质量分数为（51±1）%，此时牛肉片厚度为（4.0±0.2）mm。随后将牛肉片沿肌纤维方向切成宽度为10 mm条状，取厚度一致的部分使用质构仪测定其剪切力。测定时使用HDP/BS测试附件中Warner Bratzler刀头（60°角V形刀头），测试中刀头行进速率为0.5 mm/s，测试后刀头行进速率为10 mm/s。

1.3.7 牛肉干食盐质量分数的测定

热加工后，进一步对牛肉干进行干燥，使牛肉干中水分质量分数为（50±2）%。将进一步干燥后的牛肉干绞碎，取10 g加入40 g去离子水中，使用均质机5 000 r/min均质2 min，过夜静置后使用盐度计进行测定。

1.3.8 水分质量分数测定

牛肉片水分质量分数测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[21]的方法。

1.3.9 脂质氧化的测定

为避免牛肉脂肪含量差异对检测结果造成的影响，脂肪氧化情况以牛肉脂肪中丙二醛含量表示。牛肉绞碎后加入无水乙醚（料液比为1∶5），在4 ℃条件下放置过夜，然后将无水乙醚40 ℃下旋转蒸发除去乙醚，剩余为粗脂肪。依照GB 5009.181—2016《食品安全国家标准 食品中丙二醛的测定》[22]中分光光度法测定丙二醛含量。

1.3.10 微观结构观察

将牛肉样品用刀沿着肌纤维方向切取靠近中心、长约5 mm、宽约5 mm的小肉块，迅速投入体积分数10%甲醛溶液，腌制24 h后切片进行苏木精-伊红（haematoxylin-eosin，HE）染色。切片观察使用BX41生物显微镜（配备数字摄像头及图像分析软件Imageporplus 4.0和5.0），拍摄组织图像。

1.4 数据统计与分析

数据处理使用SPSS软件，结果采用平均值±标准差形式，平均值比较采用最小显著差异法，取95%置信度（P＜0.05）。使用Sigma Plot软件作图。

2 结果与分析

2.1 腌制过程中牛肉片水分损失率、溶出物和食盐质量分数的变化

表 2 超声处理对牛肉片的水分损失率、溶出物及食盐质量分数的影响Table 2 Effect of ultrasonic treatment on water loss rate, soluble substance content and sodium chloride content of beef slices

静置腌制和超声辅助腌制条件下，牛肉片的水分损失率如表2所示。超声处理导致牛肉片在腌制过程中失水。静置腌制后牛肉片质量增加6.14%，而超声处理后牛肉片的水分损失率最高达6.93%。牛肉片的水分损失率与超声处理的功率和作用时间呈正相关关系。0.6 W/cm2下超声处理30 min和60 min，较0.3 W/cm2相应条件下牛肉片的水分损失率分别高3.70%和2.43%；0.6 W/cm2和0.3 W/cm2下超声处理60 min较处理30 min的牛肉片水分损失率分别高0.81%和2.08%。由表2可以看出，超声处理促进了牛肉中可溶性物质的溶出，使得盐溶液中溶出物质量分数增加。相较于静置腌制，除U4组外，其余各组盐溶液中溶出物质量分数均显著升高，但与超声功率和作用时间成反比。超声的空穴作用会对肉的组织结构产生破坏作用，如造成肌纤维直径变小、间距增大[15]，可能会在肉品内部形成微通道，促进传质过程[23]，进而促进肉中可溶物的析出，导致盐溶液中可溶物质量分数增加。同时，超声的空穴作用还会导致肉类蛋白空间结构发生改变，增加其表面疏水性，引发蛋白氧化并通过二硫键彼此间聚合，导致肉的持水能力降低[6]，进而导致牛肉片的水分损失率增加和蛋白类可溶物溶出量减少，使得盐溶液中可溶物质量分数下降。丁玉勇等研究发现腌制过程应用超声波可以提高食盐渗透速度[14]。本研究中，牛肉片经腌制、干燥、蒸煮及二次干燥后，食盐质量分数基本一致，这主要是因为牛肉片较薄，使得食盐易于扩散。

2.2 腌制过程中牛肉片肌红蛋白溶出的变化

牛肉中红色素主要为肌红蛋白和血红蛋白，前者所含血红素铁约占总血红素铁的80%，后者约占20%。由于肌红蛋白和血红蛋白在525 nm波长处的摩尔吸光系数一致（均为7.6 L/（mol·cm）），因此按照本研究方法测定的总肌红蛋白浓度可视为肌红蛋白和血红蛋白的总浓度。

牛肉中肌红蛋白（也包括血红蛋白）浓度较高，肌红蛋白氧化形成高铁肌红蛋白导致牛肉干制品色泽暗黑。腌制除去肌红蛋白可以有效改善牛肉干的颜色。不同处理条件下，腌制牛肉片的盐溶液中肌红蛋白浓度如图1所示。超声处理显著提高了盐溶液中肌红蛋白的浓度，即促进了牛肉中肌红蛋白的溶出。肌红蛋白的溶出率与超声处理的功率和时间呈正相关关系。超声处理促进肌红蛋白溶出，一方面是其可能会在肉品内部形成微通道，促进传质过程[23]；另一方面是其促进液体扰动，增加传质效率。

图 1 不同处理方式下盐溶液中肌红蛋白浓度Fig. 1 Myoglobin contents in salt solution under different treatments

2.3 干燥过程中牛肉片水分损失率的变化

在不同条件下腌制的牛肉片在干燥过程中的水分损失率如表3所示。在干燥的最初20 min内，各组牛肉片的干燥水分损失率有所不同。U3组干燥水分损失率最大，但与C组差异不显著，而显著高于其他各组；而U4和U2组则显著低于另外3 组，且彼此间差异不显著（P＞0.05）；C组与U1组和U3组干燥水分损失率差异不显著。导致这一现象的原因与腌制阶段不同处理条件下牛肉片水分损失率不同有关（表2）。在此后的干燥过程中，超声处理后牛肉片的干燥水分损失率与未经超声处理的C组基本一致或略高。但随着干燥时间的延长，干燥水分损失率逐渐下降，如C组牛肉片每干燥20 min时水分损失率由最初的10.42%降至最后的3.62%。随着干燥时间的延长，牛肉中的水分质量分数降低，牛肉中存在的自由水减少，进而导致干燥阶段水分损失率逐渐降低。

表 3 超声处理对牛肉片干燥过程中水分损失率的影响Table 3 Effect of ultrasonic treatment on water loss rate of beef slices during drying

由表2、3可知，整个干燥阶段，同一时间段内C组的水分质量分数均显著高于超声处理组，在此条件下具有与超声处理各组大致相同的干燥水分损失率。以腌制前牛肉质量计，C组干燥40 min后的水分损失率为11.98%，其与U1组牛肉片干燥20 min后的水分损失率（12.60%）相当（U1组水分质量分数略低于C组），但两者在随后的20 min内干燥水分损失率分别为5.41%和9.42%，表明在同样水分质量分数下静置腌制牛肉片的干燥速率小于经过超声处理的牛肉片，即超声处理可以提高牛肉片的干燥速率。其余各组的情况与此类似。其原因可能与超声处理改变牛肉微观结构有关。李林强等研究发现220 W超声处理可以极显著增大牛肉肌纤维间距（增大近7 倍）、缩小肌纤维直径（缩小18%）[15]。而Ortuno等认为超声作用会导致食品内部组织结构发生改变，高频的挤压与剪切作用导致微毛细管扩张，超声空化效应则会导致新的微细孔道形成，有利于促进传质过程，进而提高干燥速率[23]。

2.4 腌制过程中牛肉片油脂氧化程度的变化

脂质氧化形成的氢过氧化物初级产物不稳定，会进一步氧化分解生成醛、酮、醇等次级产物，其既是肉类风味的来源，也往往会导致食品营养和感官品质的下降[22]。丙二醛是脂质氧化的次级产物，性质稳定，常被用于评价脂质氧化情况。不同条件下牛肉脂肪中丙二醛含量如图2所示。牛肉片经超声处理后，其脂肪中丙二醛含量显著高于未经超声处理的C组，且功率越大、作用时间越长，丙二醛含量越高。超声具有空化作用，空化气泡破裂时生产瞬时高温和高压，可将水分子热解产生多种高活性的自由基[24]，导致脂质发生自由基氧化。Jana等研究发现羟自由基生成量随超声功率密度增大而呈线性增加[25]。Kang Dacheng等研究牛肉腌制过程应用超声对脂肪氧化的影响，结果显示牛肉中的丙二醛含量显著增加，且与超声的实际功率呈正相关[6]，与本研究结果一致。

图 2 不同处理方式下牛肉干脂肪中丙二醛含量Fig. 2 Malondialdehyde content in lipids of beef jerky under different treatments

2.5 不同方式处理后牛肉片剪切力的变化

图 3 不同处理方式下牛肉干剪切力的变化Fig. 3 Shear force of beef jerky under different treatments

由图3可知，一定条件下，超声处理可显著提高牛肉片的嫩度，降低其剪切力。相较于静置腌制，U4组和U2组显著降低了牛肉片的剪切力，U3组剪切力下降但差异不显著，U1组基本没有变化。肌纤维直径和结缔组织含量对肉的嫩度有明显影响，且肌原纤维比结缔组织对硬度的影响更大[26]。谌启亮等研究发现，牛肉的剪切力与肌纤维直径和结缔组织含量呈正相关[27]，即牛肉的肌纤维直径越大，剪切力越大，嫩度越低。另外，超声还会造成牛肉肌束膜结缔组织大量破坏[28]。

2.6 超声对牛肉微观结构的影响

超声的空穴作用往往会导致肉类微观结构发生改变。肉类微观结构与其品质紧密相关，如保水性以及嫩度。为了评估超声处理对牛肉组织结构的影响，本研究在0.60 W/cm2条件下分别超声处理牛肉30 min和60 min，并与未经处理的牛肉对比，结果如图4所示。未经超声处理的牛肉肌纤维束排列整齐、粗细均匀，仅有少许断裂（可能与前期冻融有关）；超声处理30 min后，肌纤维膜部分破损，肌纤维束部分断裂；超声处理60 min后，肌纤维破损和肌纤维束断裂程度进一步增大。这说明超声处理确实对牛肉微观结构产生了破坏作用，是导致牛肉干剪切力下降的重要原因。

图 4 不同处理方式下牛肉微观结构（×10）Fig. 4 Microstructure of beef under different treatments (× 10)

3 结 论

超声凭借其空穴作用产生的物理和化学效应，对牛肉理化特性产生了显著影响，且影响水平与超声功率及作用时间呈正相关。在牛肉片腌制过程中应用超声，促进了牛肉中肌红蛋白等色素蛋白及其他可溶性蛋白析出，但过大的功率导致蛋白性质改变并发生凝聚，一方面使盐溶液中可溶性蛋白质量分数降低；另一方面使得牛肉持水力下降，造成牛肉水分损失率增大。超声能够促进脂质氧化，使得牛肉脂质中的丙二醛含量显著上升，且与超声功率呈正相关，即功率越大，产生的促进作用越强。超声处理会造成牛肉微观结构改变，降低水分迁移阻力，进而提高牛肉片的干燥速率。一定强度的超声处理可以显著降低牛肉干的剪切力。综上，在牛肉干加工过程腌制环节中应用超声处理，对后续干燥过程具有显著影响，可以降低牛肉干的硬度，且无明显不利影响，具有一定应用前景。