超聲波技術(shù)在肉品加工中的應(yīng)用以及對(duì)肉品風(fēng)味前體物質(zhì)的影響

王娟娟,周昌瑜,王 沖,鄭燕燕,葉可萍,唐長(zhǎng)波,周光宏

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,國(guó)家肉品質(zhì)量安全控制工程技術(shù)研究中心,江蘇南京 210095)

隨著當(dāng)代人民生活水平的提高,人們開(kāi)始追求高品質(zhì)的健康生活,尤其在對(duì)于食品的選擇與烹調(diào)上。低溫烹調(diào)、清淡飲食已當(dāng)成為我國(guó)人民不斷追求的健康生活方式,而食品加工技術(shù)地不斷發(fā)展,為人類提供了可部分替代熱加工食品的非熱加工食品,提高了大眾生活質(zhì)量[1]。

在食品加工技術(shù)中,熱加工是使用高溫加熱來(lái)殺滅食品中的微生物和使酶失活,是目前最常用的加工技術(shù)。但是,熱加工過(guò)程在某些情況下會(huì)引起食品發(fā)生化學(xué)或物理變化,導(dǎo)致食品的感官評(píng)分下降,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量降低,活性成分利用率降低[2-3]。在某些加工條件下甚至?xí)a(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì),如丙烯酰胺[4]、呋喃[5-6]等。因此,相對(duì)營(yíng)養(yǎng)安全的食品非熱加工(超聲波、超高壓、微波、輻照等)已成為目前食品加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與食品的熱加工相比,食品非熱加工不僅可以殺菌消毒、鈍酶,更可以減少食品中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失,活性成分的降低,以及有害物質(zhì)的生成,從而改善食品的感官特性、食用品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)功能和提高食品安全性[1,7]。在國(guó)內(nèi)外的食品生產(chǎn)實(shí)踐中,超聲波技術(shù)已經(jīng)得到了一些應(yīng)用,主要體現(xiàn)在殺菌、腌制、嫩化、解凍、無(wú)損檢測(cè),以及利用超聲波輔助提取食品中的成分等方面。本文詳細(xì)綜述了超聲波在肉類的殺菌、腌制、嫩化、解凍和無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用,并闡述了超聲波處理對(duì)肉類風(fēng)味前體物質(zhì)的影響。

1 超聲波技術(shù)

超聲波具有高頻、高功率、短波長(zhǎng)、良好的方向性等特點(diǎn),特別是強(qiáng)大的穿透力和高能量[8],在實(shí)際應(yīng)用中,有兩種分類,即檢測(cè)超聲波和功率超聲波。檢測(cè)超聲波產(chǎn)生的超聲波高頻低能,常用來(lái)分析和檢測(cè)食品質(zhì)量;功率超聲波產(chǎn)生的超聲波低頻高能,通常用于食品殺菌消毒、解凍、干燥、提取、過(guò)濾和均質(zhì)化等。低頻高能超聲波應(yīng)用在食品行業(yè)的時(shí)間比高頻低能超聲波短,但它有很大的上升和發(fā)展空間,現(xiàn)主要用于食品的殺菌、凍結(jié)、解凍和干燥等[9]。超聲波技術(shù)作用的理論依據(jù)主要有三種,分別為空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械作用[10-11]。

空化效應(yīng)是指超聲波傳播于液體介質(zhì)中時(shí),液體微粒往往會(huì)劇烈地振動(dòng),從而產(chǎn)生大量的小氣泡(即在液體的內(nèi)部產(chǎn)生一些小空洞),液體中的微小氣泡核隨著超聲波的傳播作用產(chǎn)生振動(dòng)后,聲壓隨之上升,當(dāng)達(dá)到一定值時(shí),氣泡便會(huì)迅速地生長(zhǎng)膨大再崩潰閉合,使得液體中的小微粒之間發(fā)生劇烈的碰撞,在小氣泡中發(fā)生的一系列生長(zhǎng)和崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程是超聲波的空化。

熱效應(yīng)是超聲波傳播在介質(zhì)中,其輻射聲強(qiáng)大于1 W/cm2時(shí),便會(huì)產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。隨著超聲波的傳播,介質(zhì)不斷地吸收其振動(dòng)和摩擦產(chǎn)生的能量,并將其轉(zhuǎn)化為自身的熱能,介質(zhì)整體溫度和邊界外的局部溫度會(huì)因此升高。超聲波在介質(zhì)中頻率越高,所產(chǎn)生的熱效應(yīng)就會(huì)越強(qiáng)。

機(jī)械效應(yīng)為超聲波傳播在介質(zhì)中時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的壓縮和伸張會(huì)交替地進(jìn)行,壓力會(huì)因此發(fā)生變化,壓力產(chǎn)生的變化便導(dǎo)致了機(jī)械效應(yīng)。在液體中,機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致在能量傳播時(shí)引起有效的流動(dòng)和攪動(dòng),破壞液體介質(zhì)的結(jié)構(gòu),液體中的顆粒被粉碎,普通低頻機(jī)械攪拌,不能達(dá)到如此顯著的效果。

2 超聲波技術(shù)在肉類加工中的應(yīng)用

2.1 在肉類殺菌中的應(yīng)用

超聲波產(chǎn)生的空化作用可用于對(duì)肉品進(jìn)行殺菌[11]。該作用過(guò)程產(chǎn)生的壓力將會(huì)產(chǎn)生達(dá)到50 MPa以上,微生物細(xì)胞中的內(nèi)容物會(huì)發(fā)生劇烈地振蕩,細(xì)菌、病菌等細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)隨之破裂并達(dá)到有效的殺菌作用。此外,經(jīng)過(guò)超聲波處理后的肉及肉制品,活細(xì)胞的增殖會(huì)受到抑制、酶的活性會(huì)受到影響,殺菌效果明顯提高[12-13]。超聲波可以在較好地保持肉類產(chǎn)品中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味等食用品質(zhì)的基礎(chǔ)上,有效殺滅肉品中的微生物,所以,超聲波殺菌技術(shù)在肉及肉質(zhì)品的加工中應(yīng)用前景非常廣闊。

張磊等[14]利用超聲波預(yù)處理真空包裝后的鹵牛肉進(jìn)行超聲殺菌,發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比,隨著超聲時(shí)間、功率和溫度的增大,菌落總數(shù)隨之降低,同時(shí),肉的嫩度也得到改善。靳慧杰[15]通過(guò)在超聲功率為40 kHz條件下,對(duì)冷卻豬肉進(jìn)行0、5、10、15、20、25、30 min的超聲處理,發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng),殺菌率增加,但大于20 min的處理組之間殺菌率變化不顯著。Lillard等[16]研究顯示,20 kHz、15～30 min的超聲波處理,能有效減少肉雞皮上沙門氏菌總數(shù),減少量高于含氯溶液方法消毒處理。

2.2 在肉類腌制中的應(yīng)用

在肉類腌制中,傳統(tǒng)的腌制方法主要有干腌、濕腌、鹽水注射和滾揉腌制等,若結(jié)合超聲波處理,腌制時(shí)間將會(huì)大大地縮短,腌制速率得到顯著提高,應(yīng)用在肉類生產(chǎn)中,將會(huì)大大地提高生產(chǎn)效率。在超聲波的作用下,某些酶和細(xì)胞被激活并參與各種生理和化學(xué)反應(yīng),同時(shí)增強(qiáng)了細(xì)胞內(nèi)外的質(zhì)量傳輸,細(xì)胞新陳代謝過(guò)程被加速,氯化鈉在肉中的滲透與擴(kuò)散作用得到促進(jìn),最終使得腌制時(shí)間有效地縮短[13]。

鐘賽意[10]研究發(fā)現(xiàn),超聲波腌制時(shí),食鹽和香辛料等的溶出得到促進(jìn),并可以滲透到鴨肉組織中,既可以縮短腌制時(shí)間,又可以促進(jìn)入味,提高口感。而且結(jié)果還表明,超聲頻率、功率、腌制液的鹽分、腌制時(shí)間分別為26.4 kHz、400 W、12%、80 min時(shí),腌制效果最好。馮婷等[17]分別比較了利用靜置、滾揉和超聲波對(duì)生鮮雞肉腌制的效果,結(jié)果表明,超聲波處理組與靜置和滾揉處理組相比,在40～60 min的腌制效果相當(dāng)于與靜置處理和滾揉處理120 min或者更長(zhǎng)時(shí)間的腌制效果,大大縮短了腌制時(shí)間。唐善虎等[18]研究結(jié)果顯示,超聲波腌制對(duì)牦牛肉的腌制,在較短時(shí)間75 min就可以達(dá)到感官品質(zhì)總分31.2分的效果,而普通腌制條件下,48 h的感官品質(zhì)總分為27.4分,可見(jiàn)超聲波腌制大大縮短了肉類腌制時(shí)間,且提高了感官得分(感官總分為36分)。

2.3 在肉類嫩化中的應(yīng)用

肉類加工中常用的嫩化技術(shù)主要包括有物理嫩化、化學(xué)嫩化和生物嫩化。物理嫩化以滾揉、吊掛和電刺激為主,但會(huì)影響肌肉組織結(jié)構(gòu)的美觀;化學(xué)嫩化以添加磷酸鹽、鈣鹽等為主,但會(huì)因注射操作造成針狀損壞及影響肉類風(fēng)味;生物嫩化主要基于在肉中添加木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等,同樣會(huì)因注射操作不可避免地產(chǎn)生針狀損傷。而超聲波應(yīng)用于肉的嫩化時(shí),在空化作用、熱效應(yīng)、機(jī)械作用的聯(lián)合作用下,有效地破壞了肉的肌原纖維蛋白、結(jié)締組織以及溶酶體,促進(jìn)了肌肉的成熟,而且肉的風(fēng)味和色澤不受影響[8,13]。

Jayasooriya等[19]研究結(jié)果表明,超聲條件為24 kHz、12 W/cm2的處理可以對(duì)牛肉的剪切力、硬度、蒸煮損失造成顯著地降低,而不影響牛肉的色澤。付麗等[20]以牛肉為研究對(duì)象,在利用不同超聲處理?xiàng)l件下,發(fā)現(xiàn)超聲的頻率、功率、溫度、時(shí)間分別為28 kHz、180 W、8 ℃、180 min時(shí),牛肉具有最優(yōu)的保水性和嫩度。目前,超聲波與氯化鈣溶液相結(jié)合產(chǎn)生的協(xié)同作用,比單獨(dú)使用兩種處理達(dá)到的效果更好。張坤等[21]研究結(jié)果顯示,超聲波與AMP(一磷酸腺苷)聯(lián)合處理鵝胸肉,在低超聲功率和短時(shí)間AMP處理下,達(dá)到更佳的嫩化效果,且鵝胸肉剪切力與肌原纖維小片化指數(shù)、肌動(dòng)球蛋白解離程度呈顯著負(fù)相關(guān)。Zou等[22]研究結(jié)果也顯示,超聲作用能顯著增加鵝乳腺肌肉中肌動(dòng)球蛋白的游離量。

2.4 在肉類解凍中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的解凍方法有靜水解凍、流水解凍、空氣解凍等,與傳統(tǒng)解凍方法相比,超聲波解凍更加快速,效率高、能效高[8]。食品已凍結(jié)區(qū)比未凍結(jié)區(qū)對(duì)超聲波的吸收高出幾十倍,其中,食品對(duì)超聲波吸收能力最大是在初始凍結(jié)點(diǎn)附近。超聲波加快了熱在介質(zhì)中的傳遞[23],其攜帶的許多能量可以在肉的凍結(jié)處和凍結(jié)表面被很好地吸收。

Shore等[24]研究報(bào)道,超聲波在凍結(jié)肉介質(zhì)中傳播時(shí),衰減程度比在未凍結(jié)肉中大,而且隨著溫度的增加,衰減隨之顯著增加,當(dāng)達(dá)到起始冷凍點(diǎn)時(shí)有最大值。從其衰減溫度曲線來(lái)看,超聲波解凍比微波解凍更加快速和穩(wěn)定。張昕等[25]研究結(jié)果表明,超聲波解凍相比于傳統(tǒng)的靜水解凍,不但可以有效提高雞胸肉解凍速率,而且能夠顯著地改善其新鮮度,但超聲波處理對(duì)解凍后的雞胸肉品質(zhì)產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。針對(duì)不同的超聲功率解凍,綜合比較得出180 W對(duì)肉的品質(zhì)影響最小。蔣奕等[26]研究超聲波解凍對(duì)豬肉品質(zhì)的影響,當(dāng)利用不同的超聲功率處理豬肉時(shí)發(fā)現(xiàn),超聲波處理雖然可以縮短解凍時(shí)間,但會(huì)導(dǎo)致?lián)p失較多的汁液,而且,隨著超聲波功率的增大,會(huì)增大豬肉的蒸煮損失。

2.5 在肉類無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

超聲波檢測(cè)是指0.5～20 MHz的高頻聲波與不同物質(zhì)之間相互作用,通過(guò)被測(cè)物質(zhì)聲學(xué)特性獲得物質(zhì)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化和理化性質(zhì)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[27]。當(dāng)超聲波在不同介質(zhì)中穿過(guò)時(shí),會(huì)發(fā)生反射、投射、散射和吸收,由于穿過(guò)時(shí)產(chǎn)生不同的衰減系數(shù)等特征參數(shù),則肉品與聲波相互作用時(shí)所產(chǎn)生的特征信息便可以通過(guò)穿透之前和穿透之后特征參數(shù)的變化來(lái)確定,從而達(dá)到對(duì)肉類進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)的要求[28]。

李濤[29]利用超聲波識(shí)別生豬肉中豬眼肌肉脂肪含量的B超圖像,并結(jié)合支持向量機(jī)分類器不僅可以很好地檢測(cè)對(duì)豬眼肌脂肪含量,并以此進(jìn)行分類,而且識(shí)別正確率可以達(dá)到94.9%,為無(wú)損檢測(cè)在生豬脂肪含量的應(yīng)用上提供了一定的參考。Correia等[30]發(fā)現(xiàn),將超聲波聲速的變化用來(lái)檢測(cè)剔骨的雞胸肉中的碎骨,可以為經(jīng)常食用雞胸肉的人群提高安全性。De等[31]通過(guò)建立的回歸模型發(fā)現(xiàn),利用超聲波技術(shù)檢測(cè)腌制豬肉中鹽分和水分的含量與超聲波的傳播速度呈線性相關(guān),即超聲波技術(shù)可以應(yīng)用在預(yù)測(cè)腌制肉中鹽分和水分含量上。

3 超聲波處理對(duì)肉類風(fēng)味前體物質(zhì)的影響

肉在加工成肉制品后的風(fēng)味物質(zhì)由多種揮發(fā)性化合物組成,包括醛類、醇類、酯類、酮類等,而肉類最終香味和滋味的形成,主要由風(fēng)味前體物質(zhì)游離氨基酸、肽類、還原糖、硫胺素、游離脂肪酸等經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)變化產(chǎn)生[32]。以下主要綜述目前超聲波對(duì)肉風(fēng)味形成中的前體物質(zhì)氨基酸和脂肪酸的影響。

3.1 超聲波對(duì)肉中氨基酸的影響

氨基酸在肉類加工過(guò)程中,主要通過(guò)降解以及和還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng)而產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)。美拉德反應(yīng)十分復(fù)雜,反應(yīng)過(guò)程中會(huì)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雜環(huán)化合物。其中,在前期階段會(huì)產(chǎn)生風(fēng)味活性物質(zhì)糠醛(中間產(chǎn)物),它是最終形成的雜環(huán)化合物的前體物質(zhì)[33]。氨基酸種類、含量越多,反應(yīng)后產(chǎn)物風(fēng)味越豐富,對(duì)風(fēng)味影響越大。

蛋白質(zhì)通過(guò)水解為游離氨基酸后,發(fā)生與還原糖的美拉德反應(yīng)。陳海燕[34]研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)臒崽幚砘蛘叱暡ㄌ幚砭墒锅喨庵械鞍踪|(zhì)的水解速度加快,熱處理需要75 ℃,15 min達(dá)到約53%的蛋白水解度,而中頻49.8 kHz的超聲波處理10 min可以達(dá)到約58%的蛋白水解度。兩者相比之下,超聲波預(yù)處理具有更好的加速效果。鐘賽意[10]發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以在腌制鴨肉時(shí)增加蛋白質(zhì)的水解,超聲波腌制相比濕腌和干濕混合腌制兩種傳統(tǒng)的腌制方法,可以顯著提高游離氨基酸含量(p<0.05),而游離氨基酸對(duì)肉制品的風(fēng)味形成具有著重要的作用。Perez-Santaescolastica等[35]在單獨(dú)使用熱處理和超聲波輔助熱處理干腌火腿時(shí),發(fā)現(xiàn)超聲波輔助熱處理有更高的總游離氨基酸含量,超聲波輔助熱處理組總游離氨基酸量為6691.5 mg/100 g,而單獨(dú)使用熱處理組為6067.5 mg/100 g。因此,干腌火腿中超聲波協(xié)助處理將有助于火腿中形成風(fēng)味物質(zhì)。

3.2 超聲波對(duì)肉中脂肪酸的影響

脂肪酸在肉類加工過(guò)程中主要通過(guò)熱降解產(chǎn)生香味,在揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)中的醛類主要由其氧化降解產(chǎn)生,醛類閾值一般很低,所以在肉類眾多揮發(fā)性風(fēng)味中貢獻(xiàn)較大。Cameron等[36]認(rèn)為肉中含有高含量的飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸可以提高肉的風(fēng)味,改善肉的質(zhì)構(gòu),但高含量的多不飽和脂肪酸則會(huì)降低肉的風(fēng)味和質(zhì)構(gòu),可能因其易氧化腐敗所致。所以在肉中多不飽和脂肪酸的含量越低,風(fēng)味會(huì)越好。在肉類加工過(guò)程中,利用超聲波對(duì)其進(jìn)行不同頻率和不同時(shí)間的處理,對(duì)肉中脂肪酸影響不同,特別是,它對(duì)飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的相對(duì)含量有影響。

Ojha等[37]研究結(jié)果表明,不同頻率的超聲波會(huì)顯著影響牛肉干的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸的含量以及三者之間的比例。雷辰等[38]發(fā)現(xiàn),在五花豬肉燉煮結(jié)束后,超聲組與傳統(tǒng)組相比,多不飽和脂肪酸降低顯著(p<0.05),而且在燉煮結(jié)束后,超聲組的多不飽和脂肪酸比傳統(tǒng)組降低更加顯著,燉煮風(fēng)味也更好。

綜上,超聲波在肉品加工有著重要作用,它通過(guò)影響風(fēng)味前體物質(zhì),尤其是肉中游離氨基酸、脂肪酸的含量來(lái)影響肉中風(fēng)味的形成與變化。超聲處理對(duì)氨基酸的影響主要通過(guò)促進(jìn)蛋白水解為游離氨基酸,使得大量氨基酸經(jīng)過(guò)各種反應(yīng)途徑生產(chǎn)各種風(fēng)味物質(zhì),對(duì)脂肪酸的影響主要通過(guò)影響肉中各種脂肪酸的組成與含量,使得不同的脂肪酸降解為不同風(fēng)味物質(zhì),最終影響肉品的風(fēng)味變化。

4 結(jié)論與展望

本文介紹了超聲波技術(shù)在肉品加工中的應(yīng)用,以及對(duì)肉品風(fēng)味前體物質(zhì)的影響。超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于肉類加工,在一定頻率和時(shí)間下的超聲處理對(duì)氨基酸和脂肪酸有一定的積極影響。超聲波作為一種先進(jìn)的肉品加工技術(shù)之一,提高了加工效率,且節(jié)約能源,有很大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。超聲波處理后不僅可以提高肉品的品質(zhì)、安全性,還可以增強(qiáng)產(chǎn)品風(fēng)味,但目前在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用還不夠成熟,一方面,要想使肉制品品質(zhì)、安全性和風(fēng)味三者同時(shí)得到提高,單一使用超聲波處理可能無(wú)法達(dá)到理想的效果,這就需要肉品領(lǐng)域的研究人員將超聲波技術(shù)和其他技術(shù)聯(lián)合使用,研究如何產(chǎn)生協(xié)同作用使超聲波技術(shù)得以廣泛深入地應(yīng)用。另一方面,要研究清楚超聲設(shè)備在應(yīng)用于肉類加工時(shí)的機(jī)制,這樣才能設(shè)計(jì)出更適合實(shí)際應(yīng)用的超聲設(shè)備。