超声波技术在肉及肉制品中的应用研究进展

黄亚军　周存六

摘 要：超声波作为一种新型绿色食品加工技术，具有缩短加工时间、降低生产成本和改善肉及肉制品品质等优势，在肉及肉制品行业中的应用受到广泛关注。本文综述超声波技术对肉及肉制品理化特性（嫩度、持水性、色泽、氧化稳定性和pH值）的影响及其机理，此外，对超声波技术在腌制、冷冻和解冻、杀菌等肉制品加工工艺中的应用和影响机制进行总结，为其在肉及肉制品实际生产中的应用提供理论依据。

关键词：超声处理;肉及肉制品;理化性质;加工工艺

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

中图分类号：TS251.1                                       文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2020）05-0091-07

近几年，人们的健康意识逐渐提升，消费观念也发生转变，对无外源添加剂或外源添加剂较少的食品更加青睐。为满足消费者需求，高压、微波和超声波等新兴技术在食品加工中的应用及其对食品品质的改善作用成为食品科学与技术领域的研究热点[1]。其中，超声波作为一种能耗少、能量高、损害小、无化学残留、瞬时高效、穿透力强的绿色环保非热物理加工技术，能有效提高腌制、冷冻和杀菌等工艺效果[2]，在肉及肉制品行业中的应用研究受到广泛关注。目前，已有学者对相关研究进行总结[1-4]，但大都局限于超声波技术对加工工艺的改进，很少对相关机制进行归纳总结;关于超声波技术对肉及肉制品品质影响的总结只涉及嫩度，忽视了其对肉及肉制品持水性、色泽、氧化稳定性及pH值等的影响。因此，本文主要综述超声波技术对肉及肉制品理化特性（嫩度、持水性、色泽、氧化稳定性和pH值）的影响及机理，此外，还对超声波技术在肉及肉制品加工中应用的热点（腌制、冷冻和解冻、杀菌）进行综述，重点介绍超声波提高加工工艺效果的机制，为超声波技术在肉及肉制品实际生产中的应用提供理论依据和技术参考。

1 超声波簡介

1.1 超声波的定义及分类

超声波属于声能，是机械能的一种非电离、非侵入、非污染形式，超声波的频率超过人类的听觉范围（16 kHz）。根据频率或强度，超声波通常可划分为：低频率、高强度超声波（16～100 kHz，10～1 000 W/cm2），要用于食品理化特性改性;高频率、低强度超声波（1～100 MHz，<1 W/cm2），主要用于食品成分分析与检测，如糖含量、酸度、成熟度等，是一种快速、非侵入、无损检测技术[5]。

1.2 超声波的作用机理

超声波的作用机理主要有空化效应、机械效应、热效应及弥散效应。空化效应是指流体（液体）中嵌入气泡的生长和破裂（图1），主要包括2 种类型：稳态空化和瞬态空化。在稳态下，稀疏半周期产生的负压能克服液体分子间的吸引力，使分子间距离达到极限，导致结构被破坏，形成细小的空化气泡;随之而来的压缩半周期产生的正压会使空化气泡收缩，由于处于稀疏半周期的空化气泡会发生膨胀，表面积增大，因此，每经历1 个循环周期，这些空化气泡的尺寸就会变大;持续若干个周期后，空化气泡的尺寸达到不稳定的临界状态，由稳态空化转变为瞬态空化;在最后1 个压缩半周期，处于临界状态的空化气泡因受到正压而急剧崩溃，将空化气泡生长过程中获得的势能转化为动能，裂解成许多小气泡，同时产生5 000 K的高温和101 MPa的高压[6]。机械效应是指空化效应过程中伴随的局部高压、湍流及高能剪切力;热效应是指介质吸收超声波产生能量后发生剧烈振荡，介质之间相互摩擦导致温度上升的过程;弥散效应是指超声波强化液体介质中物质的扩散过程[7]。

2 超声波技术对肉及肉制品理化特性的影响及机制

肉及肉制品的理化特性直接影响消费者的接受程度。因此，将一种新技术或新方法应用于肉及肉制品加工时，其对肉及肉制品品质、理化特性的影响至关重要。目前，有关超声波技术对肉及肉制品嫩度、持水性、色泽、氧化稳定性及pH值等理化特性影响及机制的研究很多，为肉及肉制品研发提供了理论支持。

2.1 超声波技术对肉及肉制品嫩度的影响及机制

肉及肉制品的嫩度是质地、口感的重要影响因素，也是肉制品品质特性的重要决定因素之一。目前，改善肉及肉制品嫩度的方法主要分为机械嫩化、酶法嫩化和化学嫩化[2]。利用超声波技术提高肉嫩度可以追溯到20世纪90年代。Solomon等[8]研究发现，炸药爆炸时在水中产生的声波能破坏肌肉组织结构，提高牛肉嫩度。近几年，学者们在证实超声波有助于改善肉及肉制品嫩度的同时，还试图从不同角度阐明相应机制。Yeung等[9]研究发现，超声处理（15 kHz、2 200 W）能提高猪腰肉的肌原纤维小片化指数，降低硬度和剪切力，表明超声能有效改善猪腰肉嫩度。Dickens等[10]发现，超声处理（40 kHz、2 400 W）后，鸡胸肉剪切力显著下降，这可能与肌纤维内及周围空化气泡的内爆破坏了肌纤维成分有关。Xiong Guoyuan等[11]研究超声处理（24 kHz、12 W/cm2）及蛋白质水解酶抑制剂对鸡胸肉组织降解、嫩度和蒸煮损失的影响，结果表明，超声处理能促进鸡胸肉组织降解，进而显著降低鸡胸肉剪切力，改善鸡胸肉嫩度。Zou Yunhe等[12]研究超声对五香牛肉嫩度和持水性的影响，通过观察微观结构发现，超声处理后的五香牛肉肌原纤维间隙增大，肌原纤维沿Z线断裂，导致肌肉膨胀和破裂，有效改善了五香牛肉嫩度。Chang Haijun等[13]对牛半腱肌进行超声（40 kHz、1 500 W）嫩化处理，结果发现，超声波能够降低牛半腱肌剪切力和结缔组织机械强度，导致肌纤维收缩、肌节缩短、肌细胞和肌内膜的破坏以及肌束膜厚度减小，表明肌肉组织结构的破坏在一定程度上能提高肉制品嫩度。Barekat等[14]研究表明，高强度超声处理与酶处理相结合不仅可以通过破坏肌肉完整性来改善肉嫩度，而且可以改善肌肉组织中酶的水解活性;当超声功率100 W、超声时间20 min时，蛋白水解活性最高，肌肉嫩度最高。Wang Anran等[15]研究发现，超声处理（20 kHz、25 W/cm2）提高了肌原纤维小片化指数，降低了牛肉剪切力，增加了肌间线蛋白和肌钙蛋白-T的降解，表明超声处理可以通过调节钙蛋白酶活性和蛋白质降解改善牛肉嫩度。

总的来说，超声波对肉及肉制品嫩度的影响可以归因于2 个主要方面：直接破坏肌肉组织结构完整性和间接激活相关酶活性。一方面，超声波循环周期中，局部产生的正负交替压力使介质发生压缩或膨胀，导致肌细胞破裂和肌原纤维蛋白结构被破坏，肌纤维沿Z线和Ⅰ带断裂[16];另一方面，由于超声波破坏了组织结构完整性，组织蛋白酶从溶酶体中释放，钙离子从细胞内流出，激活钙蛋白酶，促进蛋白质水解[17]。

2.2 超声波技术对肉及肉制品持水性的影响及机制

持水性影响肉及肉制品的质地和口感，是肉及肉制品重要品质特性之一。超声能否改善肉及肉制品的持水能力一直饱受争议。有些学者认为超声处理能有效提高肉及肉制品的保水性[18]，而另一些学者则持相反意见[13，19]。总结近几年的研究发现，超声能否改善肉及肉制品的持水性主要与肉及肉制品是否经过腌制、超声时间及超声强度有关。

一般情况下，未经腌制的肉类产品经过超声处理，水分损失会增加;而经腌制的肉类产品经过超声处理后，持水性会显著增加。例如，Chang Haijun等[13]研究低频高强度超声（40 kHz、1 500 W）对牛肉品质特性的影响，发现超声后牛肉渗出液增多，失水率增加;Siró等[20]对浸泡在40 g/L NaCl溶液中的猪肉进行超声处理（20 kHz、2～4 W/cm2），结果表明，超声能显著提高猪肉持水性和质构特性。对于腌制肉样品，超声能增强盐在肌肉组织中的扩散，同时促进肌原纤维蛋白的提取，进而可能改善样品持水性。

超声时间影响肉及肉制品的持水性。Li Ke等[21]研究不同时间的超声处理（40 kHz、300 W）对鸡胸肉肉糜功能特性的影响，结果表明，超声处理10 min或20 min均能提高肉糜的持水能力，改善肉糜质构特性;但超声时间延长到40 min时，产品持水能力降低。超声强度是影响肉类产品持水性的另一重要因素。Zou Yunhe等[12]研究发现，当超声强度高于93.33 W/cm2时，经过腌制的牛肉蒸煮损失增加。在肌原纤维蛋白中也出现类似的现象。例如，Zhang Ziye等[22]对肌原纤维蛋白溶液（30 g/L）进行超声处理，发现超声强度低于150 W/cm2时，肌原纤维蛋白溶液热诱导凝胶结构均匀致密且保水性显著提高;但当超声强度高于150 W/cm2时，凝胶内部出现许多大孔洞，保水性降低。由于大多数被固定的水分子存在于肌原纤维内[23]，因此超声对持水性的改善可能与肌原纤维结构有关。超声波产生的机械效应能破坏肌原纤维的结构，有助于肌原纤维容纳更多水分[12];此外，适当的超声处理会促进蛋白质展开，形成均匀、致密的凝胶网络，从而提高肉制品持水性[24]。但高强度或长时间超声可能导致蛋白质严重变性，破坏蛋白质结构，使加热过程中蛋白质分子的展开速率大大降低，聚集速率相對增加，形成粗糙多孔的凝胶网络，削弱对水分子的固定能力，进而降低肉制品持水性[22]。值得注意的是，虽然过强的超声处理（超声功率过高、时间过长）可能导致蛋白质变性、肉及肉制品持水性降低，造成不必要的能源浪费，但过低强度和过短时间的超声处理可能无法诱导肉及肉制品产生有益的变化，因此不能一味降低超声功率或缩短超声时间。在实际生产加工过程中应注意控制超声强度和超声时间，以便充分发挥超声对肉制品持水性的改善作用。

2.3 超声波技术对肉及肉制品色泽的影响及机制

色泽是消费者购买肉及肉制品时最直接的印象，影响消费者的购买决定[25]。超声产生的热效应不足以使色素变性，因此有学者认为超声波对肉类色泽影响不大。例如，Sikes等[26]研究发现，超声处理（600 kHz，48、65 kPa）不改变4 ℃成熟7 d后牛排的色泽;Stadnik等[27]对超声处理（40 kHz、2 W/cm2）后牛肉的剪切力、色泽和肌红蛋白进行研究，结果发现，超声处理显著降低了牛肉剪切力，但对牛肉色泽（亮度值（L*）、红度值（a*）和黄度值（b*））无显著影响，脱氧肌红蛋白（Mb（Fe2+），紫红色）、氧合肌红蛋白（MbO2（Fe2+），鲜红色）和高铁肌红蛋白（MetMb（Fe3+），灰棕色）含量与对照组没有显著差异。但是，Sikes等[26]报道，新鲜牛排经超声处理（2 MHz、48 kPa）后L*降低，颜色变暗。与之相反，Pe?a-Gonzalez等[28]研究发现，高强度超声处理（40 kHz、11 W/cm2）后牛肉L*增加，a*和饱和度（C*，C*=（a*2+b*2）1/2）降低，颜色更倾向黄橙色（色度角增大），Gómez-Salazar等[19]的研究中也出现类似现象。由此不难发现，超声对肉及肉制品色泽的影响较复杂。通常肉制品色泽与Mb（Fe2+）、MbO2（Fe2+）和MetMb（Fe3+）的比例有关[29]，不同的超声条件可能使3 种形态的肌红蛋白相对含量发生改变，进而导致肉的色泽呈现不同变化，这可能与超声波强度（超声功率和超声时间）[26]、原料肉性质[19，28]和加工条件[27，30]有关。尽管目前有关超声对肉及肉制品色泽影响的报道较少，影响规律也尚不明晰;但最近的研究表明，超声波并不会对熟肉色泽产生负面影响[30-31]，这为超声波技术的实际应用创造了条件。

2.4 超声波技术对肉及肉制品氧化稳定性的影响及机制

超声波作为一种新型食品加工技术，对肉及肉制品品质的改善作用毋庸置疑，但其产生的负面影响同样不容忽视，特别是由空穴效应产生的局部高温高压和高活性自由基引发的自由基链式反应[32]，促使脂肪和蛋白质发生氧化[31]。Kang Dachang等[33]研究超声处理对牛肉中蛋白质氧化及其结构的影响时发现，超声处理增加了硫代巴比妥酸和羰基的含量，说明超声处理会促进脂肪和蛋白质氧化。通常，脂肪氧化会产生不愉悦风味[34]，蛋白质氧化会对肉及肉制品嫩度产生不良影响。Zhang Wangang等[35]认为，肉制品中蛋白质的氧化会使蛋白质分子中的巯基氧化成二硫键，蛋白质通过二硫键交联形成聚集体，蛋白质溶解度降低，肉韧度增加。虽然超声处理会引起蛋白质氧化，导致肉类产品韧度增加;但大多数研究表明，超声处理对肉及肉制品嫩度的改善作用显著[9-17]，这可能与超声波对肌原纤维结构的破坏占主导作用有关[13]。

2.5 超声波技术对肉及肉制品pH值的影响及机制

在研究超声波对肉及肉制品理化特性的影响时，只有部分研究涉及超声对pH值的影响。Stadnik等[27]发现超声处理不改变宰后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]研究超声处理（24 kHz、12 W/cm2）后不同部位牛肉的物理特性，发现与未经超声处理的样品相比，不同时间的超声处理均能显著提高牛半腱肌pH值，而牛最长肌pH值在超声120 s或240 s时增加，超声30 s时降低，超声60 s时没有变化;Pe?a-Gonzalez等[28]研究超声处理对牛肉嫩度的影响时发现，超声处理显著提高了贮藏7 d或14 d牛肉的pH值，但不改变未贮藏牛肉的pH值。目前，关于超声诱导pH值变化的原因可归纳为两点：1）空穴效应可能会导致蛋白水解酶和脱氨基酶的释放，它们能提高氨基酸和碱性胺类的利用率[37-38]，并减少酸性蛋白质基团数量[39];2）超声处理加速离子从细胞结构释放到细胞质中或蛋白质结构改变，导致某些离子基团位置发生变化[40]。超声处理对pH值的影响规律及超声诱导pH值改变对肉及肉制品理化特性的影响尚不明晰，值得进一步研究。

3 超声波技术在肉及肉制品加工中的应用及机理

3.1 超声波技术在肉及肉制品腌制中的应用及机理

腌制是肉及肉制品加工中常用的保鲜方法，对提高肉及肉制品嫩度、质构、持水性等品质特性十分有益，通常分为湿法腌制、干法腌制和混合腌制[41]。由于肌肉组织是一个复杂的基质，肌肉中存在肌间脂肪和肌内脂肪，使盐分在肉中的扩散十分缓慢，容易导致盐分分布不匀、腌制时间过长等问题，增加生产成本[42]。近年来，为改善腌制过程，人们尝试了真空、超高压、超声波等多种技术。其中，超声波作为一种新兴食品加工技术，具有很强的穿透力，能够在不损害肉及肉制品品质的情况下加速腌制过程，引起广泛关注。

目前，关于超声辅助腌制的研究很多。Ozuna等[43]研究不同NaCl质量浓度条件下高强度超声（40 kHz、37.5 W/dm3）对猪肉质量传递、微观结构和质构特性的影响，结果表明，超声的应用强化了传质动力学（即水从肌肉组织向盐水中迁移，盐从盐水中向肌肉组织迁移），增加了NaCl和水分的有效扩散率，使NaCl更均匀地分布在肉中。Inguglia等[44]在不同超声频率、不同超聲时间条件下对低钠禽肉进行超声处理，发现与传统腌制技术相比，超声增加了细胞膜通透性并促进了电解质离子的渗透和扩散，可以显著缩短腌料浸入肌肉组织所需要的时间。Xiong Guoyuan等[45]对超声辅助碳酸氢钠腌制鸡胸肉的腌制效率进行研究，发现超声辅助碳酸氢钠腌制的鸡胸肉对腌制液的吸收率和鸡胸肉中氯化物含量显著高于碳酸氢钠腌制鸡胸肉，表明超声处理能显著改善腌制效果;该研究认为这可能是由超声过程中产生的空化效应导致：即超声空化效应排出气体，破坏肌肉组织，使肌束之间的间隙增大，同时肌肉组织内的负压降低了腌料进入肉块的阻力，因而有利于盐水扩散到鸡胸肉组织中。Mcdonnell等[46]评估超声波的机械作用对猪肉中NaCl扩散的影响，发现NaCl在猪肉组织中的扩散速率随超声强度的升高而增加，且超声辅助NaCl扩散的机制与温度无关，很可能与空化效应产生的机械作用有关;稳定空化时，正负压交替导致气泡压缩膨胀，产生声流，使离子保持恒定运动，有助于增强传质;瞬时空化时，局部产生的微流束和冲击波能沿着声波传递的方向传播，穿透生物组织，导致组织损伤并促进NaCl扩散。此外，经过超声波处理的盐水既可以强化肉及肉制品的腌制过程，又可以提高肌肉组织的持水性。Krasulya等[47]将NaCl溶液进行超声处理（20 kHz、200 W/L）后用于猪肉腌制，发现超声处理盐水的使用对腌制动力学有积极影响，超声处理盐水中所含盐分在猪肉中的渗透率高于未经处理的盐水，表明超声处理盐水能提高盐水扩散渗透效率;此外，与用未经超声处理盐水腌制的猪肉相比，使用超声处理盐水可以将猪肉的腌制时间缩短3 倍，加速盐水处理过程中猪肉中NaCl的扩散以及由此引起的理化变化，并确保盐水均匀分布在肌肉组织中。

现有研究表明，超声能有效缩短肉及肉制品的腌制时间，并促进盐在肉类产品中的均匀分布。关于超声辅助腌制机理，目前为大多数学者普遍接受的有以下2 种：破坏组织结构和加速传质过程。目前，关于超声通过何种机制加速传质过程尚未得到有效证实。此外，关于超声强度、超声时间、盐含量、温度等对超声辅助腌制的影响，以及超声提高腌制效率后对肉及肉制品理化特性的影响，已有学者进行过详细综述[2，4]。

3.2 超声波技术在肉及肉制品冷冻和解冻中的应用及机理

肉及肉制品因富含蛋白质而容易腐败，因此常用冷冻贮藏方式保存，冷冻肉及肉制品质量主要取决于冰晶大小及冰晶在肌肉组织中的分布[48]。通常，缓慢冷冻会产生大且不规则的细胞外冰晶，导致肌肉结构的破坏，从而降低肉类产品的感官接受度;而快速冷冻会产生细小而均匀的细胞外和细胞内冰晶，减小对肌肉组织结构的破坏[49]。与传统冷冻方法相比，超声波具有快速、高效、高能的特点，能在较高温度下诱导晶核形成，能通过碎裂冰晶增加晶核数目，并减小冰晶尺寸[50]，因此可作为一种快速冷冻技术提高冷冻效率。Zhang Mingchen等[51]研究不同功率下超声辅助浸渍冷冻对猪肉冷冻速度和猪肉质量的影响，发现超声（30 kHz、180 W）能显著加快冷冻速率，减小冰晶尺寸，使冰晶分布更均匀，同时超声辅助浸渍冷冻猪肉的色泽、蒸煮损失与浸渍冷冻及新鲜猪肉相比无显著差异。Sun Qinxiu等[50]比较超声辅助浸渍冷冻、空气冷冻和浸渍冷冻对鲤鱼理化特性的影响，发现超声辅助浸渍冷冻抑制了冰晶生长，降低了结合水和游离水的流动性和流失率，减少了解冻和蒸煮损失，并延缓了硫代巴比妥酸反应物和总挥发性盐基氮含量的增加。类似的研究结果还有很多[52-54]，表明超声波不仅能缩短冷冻所需要的时间，还有助于抑制冷冻肉类产品冻藏过程中的受损和变质。

解冻是冷冻肉及肉制品进一步加工前必不可少的过程，可能会改变肉类产品理化性质，导致肉类产品质量降低[55]。与传统解冻相比，声学解冻能将声能转化为热能，在加速解冻的同时，降低解冻对肉类产品质量的不良影响[56]。此外，利用超声波技术解冻需要注意控制超声频率和强度，避免表面过热，相关研究报道已有学者进行过详细综述[2，7]。

3.3 超声波技术在肉及肉制品杀菌中的应用及机理

超声波产生的局部高压、剪切力、温度梯度和活性自由基等会破坏生物细胞壁、细胞膜和DNA，促进细胞死亡[57]，因此，超声波技术可用于无损杀菌。例如，Caraveo等[58]发现，超声处理（40 kHz、11 W/cm2）导致牛肉中所含的嗜中性菌，特别是大肠杆菌和嗜冷菌菌数减少。然而，想要达到完全灭菌的效果，超声波单独处理需要非常高的超声强度，因此常联合其他杀菌技术（如高压、热处理、杀菌剂等），以达到满意的杀菌效果。Cichoski等[59]研究发现，超声波（25 kHz、200 W）与巴氏杀菌联用能有效抑制嗜冷菌和乳酸菌生长，且微生物的细胞结构在60、70 ℃时更容易受到物理作用而破坏，增强超声波的抑菌能力。Musavian等[60]发现，与对照组相比，超声波与蒸汽技术联合使用显著减少了肉鸡胴体弯曲杆菌菌数，减少约1 （lg（CFU/g））。综上所述，不能局限于超声波技术本身对工艺的改良，还应将超声波技术与其他技术结合，充分发挥超声波的优势。

4 结 语

近几年，超声波作为一种新型绿色食品加工技术，在肉及肉制品加工领域取得了巨大进展。超声波能够缩短腌制时间、提高腌制效果、提高冷冻效率、减少冷冻过程中肉及肉制品品质的损坏、促进解冻、杀死有害微生物及致病菌。此外，超声波技术的应用还有助于改善肉及肉制品嫩度、持水性等理化特性。尽管超声波技术属于非侵入型无损加工技术，但实际生产中超声波产生的高能量及高活性自由基是否会导致有害物质生成尚未见报道。此外，超声波技术对肉及肉制品理化性质影响机制的研究还不够深入。基于上述原因，超声波技术在实际生产中尚未得到充分应用。如何将现有研究成果成功运用到肉及肉制品加工工业，仍是一个巨大挑战。

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