超声波技术在肉制品腌制加工中的应用研究进展

肉类食品网 http://www.meat360.cn 2021/8/20 11:40:39 关注：2340 评论： 我要投稿

  摘 要
  腌制是一种以添加食盐、亚硝酸盐、复合磷酸盐等添加剂浸渍食品的加工技术，是肉制品加工过程中的重要环节之一，广泛应用于酱卤和腌腊肉制品中。腌制不仅可以改善肉制品的质构、风味等，还可以起到防腐保藏的作用。然而，传统腌制技术存在腌制工序时间长、食盐渗透不均匀、品质不稳定等问题。超声波技术是一种新兴的非热加工技术，已在食品加工的诸多领域进行应用。在肉制品腌制方面，超声波辅助腌制技术因其加快腌制速率、减少营养成分流失、改善腌制肉品嫩度等优势得到广泛研究。因此，本文综述了超声波技术在肉制品腌制中应用的基本原理，包括空化作用、机械作用和热作用，阐述在肉制品腌制过程中，超声波辅助腌制技术对肉制品的保水性、嫩度、物料渗透率、风味物质等方面的影响，展望超声波辅助腌制技术在肉制品加工领域的应用前景，为超声波技术应用于肉制品工业化生产奠定基础。
  关键词：超声波；腌制；肉制品；保水；嫩度；风味腌制是肉制品加工过程中的重要环节之一。在腌制过程中，腌制液的有效成分在肌肉组织中渗透、传递及与肌肉中的组分进行再分配。腌制液的配料主要以食盐为主，腌制时氯化钠渗透进入肌肉组织，提高了肌细胞的渗透压力，降低水分活度，从而抑制有害微生物的生长繁殖，延长货架期。而如今腌制工艺不仅仅只是为了防腐保鲜，而是以提高肉制品的食用品质为主，因而在腌制过程中往往加入复合磷酸盐、亚硝酸盐、调味料等辅料以提高肉的保水性，改善风味及稳定肉制品品质。
  传统腌制方式分为干腌法和湿腌法。干腌法是通过在肉品表面涂抹食盐，使表面有汁液外渗，依靠渗出的汁液和盐分混合形成腌制液进行腌制。干腌技术具有易操作和保藏、营养物质损失少等优点，但是会出现味道过咸、表面失水等问题。干腌法主要用于腌制腊肉、火腿、风干类禽肉等。湿腌法是用盐水等腌制液对肉制品进行腌制的方法。相较于干腌法，湿腌法虽然改善肉品的嫩度、风味，但是肉品营养流失严重，容易腐败变质，且湿腌法劳动量相对较大。湿腌法多用于酱卤产品、中式酱肉产品和无注射的西式火腿等产品的腌制。目前国内腌制肉制品生产标准化程度不高，操作方式多样，导致产品质量不稳定。因此，随着科技的进步，更多新技术被应用于肉品加工中的腌制环节，如注射腌制、滚揉腌制、静态变压腌制等技术，以提高腌制效率和产品质量。
  超声波技术作为一种绿色加工技术，已在食品领域得到了广泛的应用，如超声波辅助提取、超声波干燥、超声波解冻等。超声波技术作为一种非热加工技术，可以替代化学或热处理方式，具有高频、高功率、短波长、高能量等优点，发展前景广阔。目前超声波技术在肉品加工领域受到越来越多的关注。多数研究表明，超声波辅助腌制技术不仅可以缩短腌制时间，还可以提高产品的理化和感官品质。然而超声波辅助腌制技术在肉类加工的实际生产中的应用尚处于初级阶段，还有待进一步加强，因此，本文主要综述了超声波技术在肉制品腌制中的应用，为超声波辅助腌制技术在肉品加工中提供理论依据。
  1  超声波简介
  图片
  超声波是指频率在20kHz及以上的声波，常见的超声波设备使用频率为20kHz～10MHz。根据频率和能量，超声波通常分为两种类型：低强度高频（频率＞1MHz，强度＜1W/cm2）的超声波和高强度低频（20～100kHz，10～1000W/cm2）的超声波。超声波的作用机理分别为空化作用，机械作用和热作用。
  1.1  机械效应
  超声波的机械作用是指超声波在介质中传播时，在介质中可造成巨大的压强变化。超声波的频率和强度决定了超声波机械作用的强弱。超声波的机械效应是超声最基本的效应，不论超声强度大小均能产生此种效应。它有两个来源：一是超声在介质中前进所产生的机械效应，称为行波场中的机械效应；另一种是超声在介质传播时由反射而产生的机械效应，称为驻波场中的机械效应。
  超声波在液体中传播时，其间质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。如果频率为20kHz、超声强度为1W/cm2的超声波在水中传播，则其产生的声压幅值为173kPa，这表示声压幅值每秒钟内要在173kPa到-173kPa之间变化2万次，最大质点加速度达1.44×104m/s2 ，大约是重力加速度的1500倍。这样激烈而快速变化的机械运动会产生超声效应，能够打乱介质原有的结构。超声波的机械效应在肉品加工方面有独特意义，如在腌制过程中使坚硬的结缔组织延伸、松软，增加腌制料液的渗透速率。
  1.2  空化效应
  超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化效应的发生要求超声波的频率在20～100kHz，因为当超声波的频率大于2.5 MHz时，空化作用就不能发生，所以使用的超声波频率必须在2.5 MHz以下。空化效应的产生是由于超声波通过介质传播时，液体介质分子发生周期性的交替拉伸和压缩，这种交替变化会导致液体介质中形成气泡。在超声波的作用下，气穴气泡在短时间内振荡、生长，达到临界尺寸时，并在高声压下变得不稳定并剧烈坍塌和破裂，产生高温（5000K）和高压（50 MPa）。这个过程会产生强烈的冲击波，当冲击波向外传播时，会对环境内部造成强烈的干扰，破坏生物组织的细胞膜。在肉品加工过程中，超声波的空化作用可破坏肉品中的肌纤维结构，使肌原纤维蛋白结构松弛和肌肉蛋白溶出，从而提高肉质的保水性。
  1.3  热效应概述
  热效应是超声波在介质内传播过程中，其能量不断地被介质吸收而使介质的温度升高的一种现象。声能的吸收可引起介质中整体的加热、边界外的局部加热、空化形成激波时导致波前处的局部加热等。同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质间会因相互摩擦而发热。因此超声波的热效应来自于超声空化产生的热和介质吸收声能后转化产生的热。前者使得介质局部产生高温，后者使得介质整体温度升高。
  有学者提出，直接观察到超声波的作用就是超声加热。由于吸收而导致的声能减少部分转化为热存留在介质中，并使介质温度以以下速率开始升高：

  式中，αa表示声吸收系数，是声波频率f（MHz）的函数，可近似表示为 ：αa=0.26f1.1，cm-1；I表示为所测量位置超声波强度，W/cm2；ρ0表示为介质平均密度，g/cm3；Cp表示为所测介质在一定压力下的比热容量，J/g℃。如取介质的平均密度 ρ0=1.00g/cm3 ，比热 Cp与水相同，即为4.18J/g℃，且产生的热量不失散，那么超声波照射t秒后介质的温升为：

  1.4  超声波装置
  目前专门用于工业化肉品腌制的超声波设备较少，付丽等人提供了一种超声波腌制装置，可以解决腌制过程中由于肉品堆积、浸泡不完全，导致腌制质量口感不佳以及人工打捞费时费力等问题。当前，大部分科学研究者使用改进的超声波清洗器进行超声波辅助腌制实验。实验室研究不同超声参数如超声强度、超声处理时间等对肉品理化性质影响一般使用如图1所示的实验装置。将肉品浸在一个玻璃器皿中，烧杯周围的冷却池可以起到稳定温度的作用，再将整个超声探头插入距肉品表面2cm的腌制液中，设置不同强度和频率进行超声处理。

  2.1  保水性
  肉与肉制品的保水性又称持水力，是指当肌肉受到外力（如压力、冻融等）作用时，其保持原有水分与通过渗透添加水分的能力。肉的保水性是评价肉制品品质的重要指标之一，与畜禽种类、肌肉部位、pH值、宰后时间等因素有关。超声波辅助腌制技术对保水性影响的相关研究见表1。
  表1  超声波辅助腌制技术对肉保水性影响的相关研究结果

  近年来，诸多学者在超声波辅助腌制对肉制品持水力方面进行了大量的研究。Xiong等研究发现与传统腌制组相比，超声波辅助腌制可以显著减少鸡胸肉的蒸煮损失。唐善虎等研究也发现，超声波腌制可以降低耗牛肉的蒸煮损失并且蒸煮损失变化相对稳定。这可能是因为肌细胞在空化作用下，肌纤维结构遭到破坏，使得盐溶性的肌原纤维蛋白溶出，聚集在肉的表面，从而阻止水分的流失，降低肉品的蒸煮损失。另外，腌制液的渗透作用会增加肌肉中的离子强度，增强蛋白质之间的相互作用，使之结合更多的自由水。
  在超声波辅助腌制技术应用研究中，超声时间是影响肉品系水力的重要因素之一。黄瀚发现随着超声时间的增加，腌制兔肉的蒸煮损失呈下降的趋势，且超声处理组的蒸煮损失显著低于静水腌制组，这一结果与冯婷、Siró I、Krause等的研究成果基本一致。但李博文等在研究超声处理对牛肉蒸煮损失时发现蒸煮损失随着超声时间呈现先下降后上升的趋势，当超声时间大于160min，超声波处理组的蒸煮损失会有所提高，这可能是因为牛肉组织被过分破坏，从而降低了肌纤维的保水能力，导致超声过度后腌制牛肉的蒸煮损失增加。Pohlman等发现超声时间对牛肉的蒸煮损失无显著影响，这可能是因为设置的超声时间（0、5、10min）太短，不足以发现超声时间对蒸煮损失的影响。超声的功率和频率同样会显著影响肉制品的系水力。Stadnik等研究发现20kHz的超声波处理可以改变肌肉组织的微观结构，提高肉的保水性。贾娜等发现低频率、大功率的超声波能有效降低蒸煮损失。这可能是因为低频率、大功率的超声波产生更强的空化作用，空化泡迅速破裂进一步造成肌肉组织中的细胞破裂，使肌纤维断裂更加严重，有利于腌制液的渗透，提高了肉的保水性。
  2.2  嫩度
  剪切力是目前评定嫩度最常用的指标，嫩度越高，剪切力越小。近年来，超声波在肉制品嫩化方面的研究较多，如刘树萍等研究超声波辅助姜汁嫩化炸猪排工艺、龙锦鹏等应用超声波技术降低小酥肉的剪切力以提高产品的嫩度等。超声波辅助腌制技术对嫩度影响的相关研究见表2。
  表2  超声波辅助腌制技术对嫩度影响的相关研究

  超声波处理可以显著破坏肌肉组织结构的完整性，从而影响肉的嫩度，如Vimini等发现低频超声作用下，牛肉卷的破碎强度超过未超声的对照组；Shi等研究发现超声处理的鸡胸肉剪切力明显低于对照组，大大提高肉品嫩度。Ye等也发现350W超声波结合碳酸氢钠溶液辅助腌制技术可以有效增加鸡胸肉的肌原纤维小片化指数（myofibril fragmentation index，MFI），降低剪切力，这与田其英等的结果相一致，并且随着功率、频率增加，MFI 呈现出上升的趋势。由此可见，超声波技术有利于肉嫩度的改善，使肌肉纤维发生明显的松散、断裂、弯曲、脱落等变化，部分研究者认为这是由于超声波的空化作用破坏了肌原纤维蛋白和结缔组织，同时破坏了溶酶体，使溶酶体组织蛋白酶发挥嫩化作用而致。也有研究者认为这是由于超声波机械作用和盐的协同作用破坏了肌原纤维蛋白的结构。
  超声波技术对嫩度的影响受到超声功率和频率影响。Lyng等发现高强度超声处理对牛排的嫩度没有产生积极影响。而贾娜等研究发现低频率和高功率的超声波会提高嫩化效果。Leong等发现剪切效应在超声频率为20～100kHz之间最强，在1MHz以上最弱。但是Mc Donnell等发现低频率超声处理对牛肉的嫩化效果仅限于表面，内部肌肉嫩化效果不明显，付丽等也得出了不同频率的超声波对牛肉剪切力影响不显著的结论。由此可见，由于超声设备和原料等因素存在差异，不同超声功率和频率对剪切效应影响的结果尚无法统一。
  2.3  对氯化钠渗透率的影响
  在肉制品腌制过程中，将肉品浸入饱和盐溶液会吸收更多的盐分。传统腌制依赖于高盐分的渗透，腌制液渗透缓慢且不均匀，造成产品风味不足、质量不稳定的问题。运用超声波技术能很好地解决该问题，超声波辅助腌制技术对氯化钠渗透率影响的相关研究见表3。
  表3  超声波辅助腌制技术对氯化钠渗透率影响的相关研究

  超声波技术可以显著降低腌制所需的时间，如Inguglia等研究发现采用130kHz超声波处理可在1h内完成猪肉的腌制，而传统的浸泡方法所需的时间为16h。Gómez-Salazar等研究发现超声波（40kHz、110W）处理可以加速腌制兔肉，提高产品质量。Ozuna等同样发现超声处理可以提高猪肉中的NaCl和水分的有效扩散率。Zhao等研究发现超声处理可以加速NaCl向牛肉的扩散。这些结果为超声波在肉制品快速腌制中的应用提供了依据。
  在肉品腌制中运用超声波技术可增加氯化钠渗透率，但是仅在高超声功率条件下才有显著促进作用。权硕伟研究发现随着超声波功率（80、90和100W）的增大，鸡皮和鸡腿肉的NaCl含量都逐渐增加。Ojha的研究同样证明了仅在高超声功率下，盐在猪肉样品中的传质系数才显著高于静态盐水。原因可能是当超声波的功率增大，其产生的空化效应、机械效应等也增强，在一定程度上加大了NaCl的渗透速率。
  2.4  对肉品风味影响
  肉类挥发性的风味物质的来源主要是由肉中水溶性和脂溶性前体物质的降解形成的。风味前体物质主要是氨基酸和脂肪酸。氨基酸和脂肪酸的含量、种类及进行一系列反应后产生的物质对肉品的风味产生影响。比如蛋白质经水解后的游离氨基酸，与还原糖发生美拉德反应，会生成一系列芳香化合物；挥发性风味物质中醛类主要来源是脂肪酸，它在加热条件下经热降解产生香味。香味是由风味前体物质经分解、氧化、还原等化学反应产生，香味物质包括醛、醇、酸、酮、酯以及含氮含硫等化合物；滋味物质主要由氨基酸、肽、核苷酸、糖类、有化酸和盐类等组成。
  2.4.1  对风味前体物质的影响
  超声波辅助腌制可增加游离氨基酸的含量。李莹影等研究发现随着超声时间和功率的增加，盐焗鸡翅中游离氨基酸和挥发性盐基氮的含量不断增加。原因是超声功率越大，产生的空化作用越强，对肌肉组织产生更大的破坏作用，增强蛋白质分解的能力。当腌制时间为0.83h时，鸡翅中游离氨基酸含量达到97.26mg/100g，比传统方式静置腌制5h得到的游离氨基酸量高约6mg/100g。超声波辅助腌制大大加快了鸡翅中风味物质的形成，与传统腌制方式相比腌制时间缩短了一半以上。郭卓钊研究发现随着超声功率和超声时间的增加，潮式卤鸡肫中的游离氨基酸含量都呈现先升高后降低的变化趋势，且在超声功率140W和超声温度38℃时游离氨基酸含量达到最大值，分别为200mg/100g和62mg/100g。Li等使用40kHz，140W的超声波处理鸡肉，结果表明超声作用可以使游离肽从（1465.9±34.6）μg/mL增加到（4725.7±43.2）μg/mL，使氨基酸从（1.503±0.096）mg/mL增加到（2.593±0.109）mg/mL。
  超声波辅助腌制对脂质降解起到促进作用。Kang等用不同的超声强度（2.39，6.23，11.32和20.96W/cm2）和超声时间（30、60、90和120min）处理牛肉，结果显示超声处理显著增加了脂质氧化的程度（P＜0.05），且最佳超声条件为20.96W/cm2，120min。蔡华珍用频率25kHz，超声强度0.68W/cm2超声波连续3天处理咸肉30min，发现三次超声波处理后的酸价显著高于对照组（P＜0.01），其中酸价反映了脂肪中总游离脂肪酸的多少，表明超声波处理对脂肪的分解起促进作用。因此超声波辅助腌制处理可以改善风味前体物质，不仅增加了游离氨基酸的含量，而且可以促进脂质降解，从而增强了风味物质的形成。
  2.4.2  对肉品中风味物质的影响
  大量研究表明超声波辅助腌制能增加肉制品中风味物质的含量。Zou等用超声波处理五香牛肉后，从中检测到的挥发性化合物有醛类、醇类、酮类、烃类、酯类等，发现经超声处理后的总挥发性化合物浓度与对照组比较显著升高（P＜0.05），特别是醛、醇和酮。这可能是由于超声波处理引起脂质氧化水平增加，不同风味的化合物的产生主要是由于脂质氧化。但是在较高功率下（1000W）酯的相对含量显著降低（P＜0.05）。原因可能是酯类是在超声处理下能水解成酸和醇。钟赛意研究对比超声工艺组和传统工艺组盐水鸭的挥发性香气成分，结果表明在传统工艺加工盐水鸭中鉴定出60种风味化合物，超声波工艺加工盐水鸭中有62种风味化合物，超声工艺组中醛类、酮类含量比传统工艺组高，分别高出19%和7.4%，超声组的酯类化合物种类较少但是含量较高，主要为乙酸乙酯，超声工艺组和传统工艺组的其它种类风味化合物（如烃类、酸类、杂环化合物、含硫化合物等）总量相差不大。用超声波辅助腌制后，腌制肉品的风味在很大程度上得到改善。段昌圣采用电子鼻研究不同处理方法对酱卤鸭脖整体风味的影响，发现超声波处理组与传统酱卤处理组的整体风味差异较大。由此可见，相较于传统腌制技术，超声波辅助腌制技术可以提高肉品中的风味物质含量及种类，改善肉品的风味。
  2.5  对肉其他品质与安全的影响
  超声波辅助腌制技术还可以对肉品的肉色、菌落总数等产生影响。Pohlman等研究发现超声（20kHz、22W/cm2）处理10min的牛肉L*和b*值相对较高，a*值相对较低。钟赛意发现超声波辅助腌制后鸭肉表面亮度值 L*增加，可能是由于超声波强烈的机械作用将肌肉中残留的淤血清除，有效改善了鸭肉的颜色，而传统腌制方法往往采用较高浓度的盐使肌肉中的淤血渗出，因此超声波技术的应用有利于开发低盐腌腊肉制品。韦田等人发现超声波在低功率的范围内不会对肉品色泽产生显著影响，且色泽 L*值随超声时间（30～180min）变化不显著，a*、b*值均呈先降低后上升趋势。而黄瀚研究发现随着超声时间（0～120min）的增加，腌制兔肉的亮度值呈现先下降后平缓的趋势，同时发现相较滚揉腌制组和对照组，超声辅助腌制组的兔肉红度值最高。
  冯婷婷等发现超声波处理能有效地抑制卤鸡爪菌落总数的增长，延长保藏时间，并提高其保藏期的品质。张建梅等研究发现超声波辅助腌制生产的鸡胸肉初始菌数量小于静腌工艺，说明超声波具有一定的灭菌作用，同时研究还发现超声辅助腌制组在贮藏过程中菌落总数上升速度比静腌工艺组慢，说明超声波工艺可以减缓微生物的生长速度，延长产品贮藏期和货架期。因此，超声波辅助腌制技术可以改善肉品色泽，同时还具有抑制微生物生长的作用，延长肉品的保藏时间。
  3  总结与展望
  超声波技术在肉制品中的应用是加工工艺的创新。本文综述了超声波在肉制品腌制加工中的应用。超声波辅助腌制技术可以有效解决肉品在腌制时耗时长、效率低、质量损失大等问题，并延长腌制肉品的货架期。该技术对腌制肉品的嫩度、保水性、氯化钠渗透率、风味有显著的改善作用，提高了腌制速率，且基本上不产生不利的影响。另外，本文总结了近年学者的研究成果，为以后的研究奠定了基础。超声波技术尽管已经相对成熟，但是有一些问题尚未解决。如超声波仪器的结构、规格、参数性能等方面仍有需要改进的地方。总的来说，超声波技术是一项发展潜能较大的新兴技术，同时超声波技术在肉品方面的应用还会有新的进展和突破，例如将超声波与微波、盐（氯化钙、碳酸氢钠等）及滚揉等方法联合使用，复合方式腌制效果显著高于单一方法腌制，能够产生更大的作用。