沖擊波在肉類嫩化中的應用研究進展

曾令英，賀稚非,2，李洪軍，2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶, 400715)

隨著經濟發展和生活水平的提高，人們的飲食觀念也隨之改變，對肉的需求已從單純的“量”轉化為“質”與“量”并重。嫩度、風味、多汁性和外觀等屬性越來越成為消費者對肉類食品品質的主要要求，其中肉的嫩度是評價肉制品品質的重要指標，與肉制品的口感、風味相關，直接影響到消費者的喜愛程度和消費水平。肉的嫩度是指肉入口咀嚼時，對組織狀態的感覺印象，一般由Warner-Bratzler剪切力(Warner-Bratzler shear force，WBSF)評價[1]，它是利用物料剪切的原理來評價肌肉嫩度，因為在一定范圍內剪切力與嫩度呈負相關，因此可通過測定剪切過程中的最大剪切力來量化嫩度。從本質上講，肉的嫩度取決于3個因素，即：(1)肌節長度和肌纖維直徑；(2)肌原纖維蛋白的水解程度；(3)肌肉的物理表型、結締組織含量和組成[2]。而這3個因素很大程度上取決于宰前因素(如物種、基因型、性別、年齡、肌肉部位、營養狀況和宰前壓力等)和宰后因素(如電刺激和胴體懸掛等宰后技術、肉的成熟、包裝和存儲條件等)[3]。一般來說，宰前因素更為復雜，難以改變，因此食品工業上主要通過控制宰后因素來實現肉的嫩化。目前常用的生物嫩化方法處理條件難控制且普適性差，而常用的化學和物理嫩化方法容易發生交叉污染影響肉制品的顏色和質地，難以達到鮮肉嫩化的要求。

沖擊波(shockwave，SW)或流體動力學壓力處理(hydrodynamic pressure processing，HDP)早前主要作為一種殺菌技術[4]和前處理技術[5]應用于食品工業，也用于牡蠣的開殼，米粉的生產以及改善從番茄中提取皂苷的工藝[6]。近年來沖擊波用于肉的嫩化的研究越來越受到關注，相關的嫩化試驗也不斷展開。HEINZ等[7]用沖擊波處理牛肉在7 d之后達到了傳統方法成熟14 d后相同的嫩度水平，也就是說，沖擊波將牛肉的成熟時間縮短了50%；BOLUMAR等[8]發現，經沖擊波處理的牛肉里脊與對照相比嫩度改善了20%左右。越來越多的研究證明，沖擊波處理嫩化效果十分理想，在肉制品嫩化方面具有較大潛力。

本文根據近年來國內外研究的最新進展，綜述了沖擊波嫩化技術的作用機理、嫩化效果、發展情況與應用現狀，并預測了該技術的發展趨勢，以期為沖擊波在肉制品中的工業化應用和后續研究提供理論依據。

1 沖擊波概述

1.1 定義與分類

沖擊波，又名流體動力學壓力，是指在幾分之一毫秒內瞬時產生的高達1 GPa的壓力波，可在液體介質(通常是水)中傳播，最后對肉類施加壓力[9]。一般來說沖擊波可由2種方法產生：一種是通過水下引爆爆炸物的化學方法產生，這種方法產生的沖擊波叫爆炸沖擊波(explosive shockwave)，最先用于牛肉的嫩化；另一種是通過水下放電產生，得到電生沖擊波(electrical shockwave)，最開始也是用于牛肉的嫩化，后來被CLAUS等[10]用來嫩化禽肉。值得一提的是，這種水下放電系統可以通過在水中的2個電極之間高壓放電或通過火花系統來實現。目前許多研究表明，沖擊波可以用于肉類產品的嫩化，并有十分理想的效果。表1[11-17]中列舉了常用嫩化方法及其優缺點。與傳統嫩化方法相比，沖擊波更易控制，更適于工業化生產；與其他新興嫩化技術相比，沖擊波成本低、效率高，而且作用過程中幾乎不產生熱效應，對食品品質穩定性和外觀沒有負面影響[18]。研究表明，沖擊波處理除了改善肉制品的嫩度，還可以減少整個肉塊的嫩度差異，使嫩度分布更加均勻[19]，一定程度上還起到殺菌作用，如減少食源性病毒和噬菌體[20]。

表1 各種嫩化方法的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of various tenderization methods

1.2 沖擊波嫩化機理

沖擊波可在流體(水)以及任何與水聲學匹配的物體中快速傳播。肌肉由75%的水構成，沖擊波能穿過水及水中的任何物體，同時產生具有與水相匹配的機械阻抗，所以波能通過肌肉樣品并且撕裂肌肉蛋白質，產生所謂的“破裂效應”[21]。大多數研究已證明，無論是在降低剪切力方面還是提高嫩度感官評分方面，沖擊波都有較為顯著的作用。一般認為其嫩化主要有2個作用機制：(1)對肉類結構的瞬時作用導致肌原纖維中肌動蛋白結構的改變；(2)增強結構肌肉蛋白質的水解或加速成熟[22]。研究表明，沖擊波處理牛背最長肌可引起肌節I帶的碎裂，破壞Z線的完整性，擴大肌原纖維之間的間距[23]。ZUCKERMAN等[24]利用細胞浸漬掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)技術觀察到經過沖擊波處理的樣品肌內膜蜂窩結構發生變形，其外觀變為松散的網眼狀結構。此外，BOWKER等[25]通過Western Blotting技術發現，沖擊波影響肌鈣蛋白T(TnT)的降解，使TnT帶的強度降低，TnT降解產生的蛋白質片段(分子質量為30 kDa)積累增多，這表明了沖擊波的嫩化是由于肌原纖維結構的物理破壞和蛋白水解增強。

1.3 沖擊波設備的發展

自20世紀70年代以來，沖擊波在食品嫩化方面的應用已有研究，而第1個基于使用爆炸物的半工業沖擊波設備直到20世紀90年代才得以發展，比較有代表性的是美國Hydrodyne公司研制的爆炸沖擊波設備。相比爆炸沖擊波而言，電生沖擊波安全性更高，成本更低，雖然起始相對較晚，但沖擊波設備的發展和應用卻在不斷革新。2000年，研究人員發現利用電容放電系統可以產生沖擊波。后來，相關專利的提出和技術的改進促進了Hydrodyne公司的Tender Class系統的商業化發展，也鼓舞了用于肉類嫩化的商業化沖擊波系統的開發。但目前，Hydrodyne公司的Tender Class系統并沒有全面地用于肉類行業的商業化生產。2006年，COOPER[26]根據加拿大5432756專利，使用等離子體火花裝置進行肉的嫩化研究。2007年，LONG申請專利[27]，試圖通過隔膜將沖擊波傳送到肉上。2008—2011年，基于放電的沖擊波分批處理系統得以建立，德國食品技術研究所[28]建立了具有一定工業規模的沖擊波試點工廠，研究并設計出了基于水下放電的沖擊波設備原型，其原理是依靠水下由鋁線介導的2個電極之間的電能釋放來實現電能向機械能的轉換，嫩化試驗中取得了良好的嫩化效果，驗證了這批嫩化設備的適用性和有效性。2011年，高效緊湊型火花機產生的沖擊波在實驗室規模上可使2.5 cm牛排和完整的牛肉里脊剪切力降低10%～57%，嫩度有了很好的改善[29]。后來，歐洲資助的Shock Meat項目開發了一個升級的可連續處理的沖擊波工業原型，該系統的傳送帶將肉運送到處理區域進行沖擊波處理，也顯示出良好的嫩化效果。

2 影響沖擊波嫩化效果的因素

2.1 宰后時間和肌肉狀態

沖擊波的嫩化作用與樣品的宰后時間和肌肉狀態有關。SOLOMON等[30]分別在宰后第2、4、7天對新鮮牛肉里脊進行沖擊波處理，發現嫩度改善分別為11%、25%和28%，由于在此期間肌肉處于成熟階段，未處理的對照樣品的剪切力也降低了12%左右，所以這些差異并不顯著。可以看出肌肉完全成熟之前，沖擊波有一定的嫩化作用，但肌肉同時也發生自然成熟，沖擊波嫩化作用不是特別顯著。SOLOMON等[31]將宰后24 h的牛半膜肌經沖擊波處理后測定其剪切力的變化情況，發現剪切力從對照組的78～129 N，降低到28～57 N，嫩度提高了55%～66%。而ZUCKERMAN等[24]對經過7 d成熟的牛半膜肌，在相同條件下進行沖擊波處理，剪切力平均減少了20 N以上，嫩度提高了約37%。這表明在肌肉完全成熟之后，沒有了自然成熟的協同，肌肉中蛋白酶活性低，結締組織較多，且肌節長度相對較短，嫩化相對較困難，總的嫩化程度稍有降低，但是沖擊波的嫩化作用還是十分可觀的。

沖擊波對不同的肉類以及肌肉類型的嫩化作用是不同的，一方面可能是由于初始嫩度本身差異，另一方面也可能是不同的肌肉組織結構類型對沖擊波作用的物理反應不同。值得一提的是，沖擊波對鮮肉和冷凍/解凍肉的嫩化作用不同。SOLOMON等[32]對比了新鮮牛排和冷凍/解凍的牛排(宰后48 h開始冷凍，6 d后解凍)經沖擊波處理后1 d和6 d的嫩度變化情況，發現在第1天冷凍/解凍樣品的剪切力比鮮肉小10 N，第6天的剪切力比鮮肉小8 N。沖擊波改善了這2種肉的嫩度，但冷凍/解凍樣品的改善程度更高。

2.2 作用形式

自20世紀90年代中期以來，研究人員就對基于爆炸沖擊波的Hydrodyne工藝進行了廣泛的試驗，根據大量研究顯示，經處理后不同肉類(如牛肉、豬肉和羊肉)的嫩度改善了25%～70%[33]?，F有的關于電生沖擊波的文獻較少，但總體來說，使用電生沖擊波實現了牛肉、豬肉、火雞和雞肉等肉類12%～30%的嫩度改善[34]。從這種意義上來講，爆炸沖擊波的嫩化效果普遍優于電生沖擊波，這是由于爆炸沖擊波單位負載產生的能量比電生沖擊波單位脈沖產生的能量大，對肌肉微觀結構的破壞程度差異大，造成嫩化效果上的差異?？赏ㄟ^增加電生沖擊波的脈沖頻率和能量設置能提高嫩化效果，而爆炸沖擊波要實現波的重復可以通過反復加載卸載來實現，但是操作相對繁瑣[35]。

2.3 過程控制

2.3.1 容器類型

沖擊波的穿透深度范圍受處理區域和周圍環境中不同材料的傳播損耗、吸收、反射和折射的影響[6]，因此不同材料的容器將影響沖擊波的作用效果。目前主要有3種類型的沖擊波容器：裝有扁平鋼反射板的塑料容器(PEC)，商業原型的鋼制容器(CHU)和實驗室模型的鋼制容器(LHU)。SOLOMON[36]將PEC容器與LHU容器進行了比較，結果表明在PEC中產生的沖擊波使牛肉里脊剪切力從83 N降低至48 N，嫩度改善了43%，而LHU中的樣品剪切力降低了28%。SOLOMON等[37]發現，在CHU中用沖擊波處理的樣品剪切力從82 N降低至55 N，嫩度改善了33%?？梢钥闯?，塑料容器對沖擊波的影響更大，塑料容器中沖擊波的嫩化性能明顯優于鋼制容器。ZUCKERMAN等[24]用電子顯微鏡在PEC樣品中觀察到了比CHU更嚴重的肌內結締組織被破壞，肌內膜的蜂窩結構普遍改變，膠原纖維破壞以及肌內膜鞘的粒狀化，這可能是塑料容器比鋼制容器有更好嫩化效果的原因。

2.3.2 作用位置和能量

MEEK等[38]在特定的作用距離和爆炸物用量下對雞胸肉進行4組沖擊波處理：20 cm處200 g、23 cm處350 g、20 cm處275 g和20 cm處350 g，分別產生了142、159、163和177 MPa的壓力鋒。不難看出，隨著爆炸物用量的增大，沖擊波強度越大；同時，與在26.4 cm處的200 g用量相比，20 cm處的200 g的嫩度改善程度更大，這表明作用距離越短沖擊波強度越大，效果越好。另外，肌肉的嫩度改善效果還與沖擊波處理的次數有關，BOLUMAR等[34]發現2次沖擊波處理牛肉，嫩度提高了5%，而5次處理則提高了25%。電生沖擊波的強度和作用效果也取決于放電裝置的功率大小和作用距離。BOWKER等[39]的高效火花系統便是如此，將火花頭安裝在樣品上方7.5 cm處，壓力鋒6.6 MPa，嫩度平均改善了5%～10%，最大為24%。將火花頭重新定位至樣品上方3.75 cm處并增加壓力鋒至12.3 MPa，嫩度平均改善了20%～25%，最大為37%。此外，脈沖數量也是影響嫩化的關鍵因素，脈沖數量增加會加劇嫩化，盡管單個沖擊波產生的壓力鋒相對較低，但多個脈沖的嫩化效果是疊加的，但是在應用時應考慮到沖擊波強度過大對包裝材料的影響。

3 沖擊波在肉制品加工中的應用

為了有效實現嫩化并防止微生物交叉感染，沖擊波一般作用于尸僵后和預包裝后的肉產品，不需要改動原有的加工流水線，它可以插入到屠宰場標準生產線末端的剔骨和真空包裝工藝之后，或者插入到肉類加工廠的生產線開始之前(圖1)。將沖擊波設備加入到肉類加工工藝流程中不僅能實現肉的嫩化，并且能夠有效縮短處理時間從而提高物流效率。

圖1 應用沖擊波的肉產品加工布局圖[34]Fig.1 Meat product processing layout with integrated shockwave plant

3.1 爆炸沖擊波應用

表2總結了沖擊波對各類肌肉嫩度的影響。爆炸沖擊波早期主要應用于質地非常堅韌的牛肉，處理結果大多比較理想。爆炸沖擊波對嫩度的影響在羊肉里脊，牛背最長肌、半膜肌、股二頭肌、半腱肌和禽肉胸肌等都得以體現。爆炸沖擊波對嫩度的影響受處理條件限制，并且因肌肉類型和物種的不同而不同。從表中可以看出，爆炸沖擊波應用于初始韌性較大的牛肉和羊肉時，嫩化效果十分可觀，可使牛肉的嫩度提高10%～68%，羊肉嫩度提高33%～67%。但當肉已經很嫩的時候了采用沖擊波處理，沖擊波不會導致進一步的嫩化[10]。

3.2 電生沖擊波應用

雖然現有的關于水下放電沖擊波的文獻十分有限，但是大多文獻都表明應用電生沖擊波實現了嫩度的改善。雖然并沒有得到如爆炸沖擊波那樣強烈的嫩化效果，但對于電生沖擊波，可以通過重復處理和增加能量使嫩化加劇。從表2可以看出，應用電生沖擊波處理一般的牛肉、豬肉、火雞肉和雞肉，嫩度最高可提高30%左右，剪切力平均可減小15%。CLAUS等[10]已經證明對熱剔骨或冷剔骨的禽肉胸肌施加電生沖擊波可以得到10～20 N的嫩化效果。最近，BOWKER等[39]報道了用高效火花機產生的沖擊波作用于牛肉里脊可使剪切力降低20%～30%。WARNER等[33]采用2脈沖新型半自動沖擊波商業原型處理豬的半膜肌和半腱肌，其嫩度沒有明顯的改變。相反，使用相同的操作單元，牛半腱肌和里脊顯示剪切力分別從84 N減少至63 N,48 N減少至39 N，嫩度分別改善了25%和18%(表2)。嫩度改善程度的差異可能與物種、肉的初始嫩度、處理時肉的宰后時間和儲藏時間，以及沖擊波處理的具體條件、設備類型都有關。

3.3 沖擊波的發展方向

沖擊波技術早在20世紀70年代初期就用于肉類加工，但在工業上的應用非常有限。很大原因是由于當時沖擊波的產生方式還主要依賴于使用爆炸物，而這不符合食品行業標準所要求的環境條件，并且存在著潛在的安全問題和技術挑戰，因此，它很難在肉類行業推廣使用。電生沖擊波明顯是更加安全的替代方法，就自動化方面而言可行性更高，并且通過調節功率和每次處理的脈沖次數可以很容易地控制沖擊波強度，處理時間更短，效率更高，因此是沖擊波未來發展的主要方向。然而盡管沖擊波的有效性在牛肉，豬肉，羊肉和禽肉中得到了多次證明，但為了防止微生物交叉污染，沖擊波必須作用于預包裝后的肉制品，并且包裝材料必須能夠耐受沖擊波的作用而不發生破損[45]，這也是目前其商業化的主要障礙。未來可能的研究方向是發現和應用抗沖擊波的食品包裝材料或者通過控制沖擊波和食品包裝的相互作用來減小其對包裝造成的不良影響。

另外，盡可能地探索各種優良的技術組合，通過2種或2種以上技術之間的協同作用獲得更好的嫩化效果。目前已經有了刀片嫩化與沖擊波聯合應用的成功案例[46]，不僅加快了肉的成熟，還大大提高了嫩度水平。此外，對于鮮肉的嫩化，可以考慮將沖擊波和新興拉伸技術相結合，拉伸技術應用于尸僵前，防止肌肉冷縮并使肌肉定型，沖擊波應用于尸僵后加快肉的成熟并發生進一步的嫩化。對于成品或半成品的嫩化，可以通過添加外源蛋白酶與沖擊波相結合的方法，使肌肉結構變化的同時，增強蛋白質水解，從而加劇嫩化。

表2 沖擊波對嫩度的影響Table 2 Effect of shockwave on tenderness

4 結語

肉的嫩化是肉類制品加工生產過程中的一個重要工藝，改善肌肉嫩度并提高肉類品質是國內外眾多科研工作者長期研究的熱點，盡管過去50年來進行了廣泛的研究工作，肉的嫩化仍然是肉類行業的一個難題。與傳統嫩化技術相比，沖擊波更易控制和操作，加工耗時短，成本低，效果好；作為一種新興嫩化技術，處理過程中不產生熱效應，保證了肉制品的品質，更適用于鮮肉的嫩化。此外，還可以采取與不同的干預措施或各種嫩化方法結合的方式，達到更好的嫩化效果。因此，沖擊波作為一種高效的新興嫩化技術具有很大潛力，有望為這個工業難題提供有效的解決辦法。但在沖擊波設備不斷改進和發展的同時，耐受沖擊波處理的包裝材料的發展也必須與之相適應。目前電生沖擊波設備和系統正在向商業化推廣中，有望通過不斷改進沖擊波的新工藝，建造性能更好的沖擊波設備，讓沖擊波嫩化技術在不久的將來實現工業化。