超聲波技術在牛肉嫩化中的應用研究進展

孫海磊，羅欣，朱立賢，毛衍偉，張文華，張一敏*

1(山東農業大學 食品科學與工程學院，山東 泰安，271018)2(國家肉牛牦牛產業技術體系中衛站，寧夏 中衛，755000)

牛肉不僅味道鮮美，而且營養價值高，深受廣大消費者的喜愛。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，我國牛肉的消費量日益增大，2019年我國牛肉消費量為923.3萬t，同比增長109.3萬t[1]。與此同時，消費者對牛肉品質的要求也越來越高。牛肉的品質包括嫩度、肉色、保水性等，其中肉的嫩度是指肉在食用時口感的老嫩，可以反映牛肉的韌性[2]。嫩度是評價牛肉食用品質的最為重要的指標，MILLER等[3]發現消費者愿意花費更高的價錢來購買嫩度好的牛肉。牛的肌肉中結締組織的性質和含量以及肌原纖維蛋白的結構是影響嫩度的主要因素[2]。有報道顯示，我國大多數牛肉企業唯“規模”是圖，牛肉品質“均值化”，與市場需求不符。因此改善牛肉嫩度，解決牛肉嫩度“均值化”也成為我國牛肉企業急需解決的問題[4]。常見的改善牛肉嫩度的方法有外源酶嫩化法、超高壓嫩化法、超聲波嫩化法等，其中超聲波技術具有綠色、安全、無污染的優點，在改善牛肉嫩度方面具有良好的應用前景[5]。因此，本文在前人研究的基礎上就超聲波技術的作用原理，超聲波技術改善牛肉嫩度的效果和超聲波技術與其他嫩化技術復合應用對牛肉嫩度的影響等最新研究結果進行了綜述，旨在為超聲波技術在牛肉嫩化方面的合理應用提供理論指導。

1 超聲波技術

超聲波是一種由縱波產生的能量，頻率超過20 kHz，高于人類聽覺上限。超聲波技術屬于非熱物理加工技術，在肉制品加工中應用廣泛[6]。該技術通過超聲波處理過程中產生的空化效應、機械效應和熱效應來改善牛肉嫩度，其中空化效應最為重要[7-8]。在超聲波系統中，電能通過超聲介質轉化為機械能[9]，轉化的能量部分會轉化成熱能而損失，其余能量會產生空化效應。產生空化效應的能量中大部分會被反射和消耗，剩余部分能量則產生物理、化學或生化效應[10]。超聲波作用于液體時使液體振動，進而產生大量的微小氣泡，微小氣泡隨著超聲頻率共振，導致聲壓上升，當聲壓到達一定值時，微小氣泡會迅速膨脹再閉合湮滅，湮滅時氣泡內部可產生高溫和高壓，這種膨脹、閉合湮滅等一系列動力學過程稱為空化效應；機械效應是指超聲波在傳播時使液體攪動和產生剪切應力，破壞介質的結構過程；熱效應是指超聲波在傳播過程中能量被介質吸收并轉化為熱能，導致溫度升高的過程，熱效應的強度隨超聲波強度的升高而升高。按照頻率，超聲波在20 kHz～10 MHz可分為三類：(1)低頻高強度(頻率介于20～100 kHz，強度介于10～100 W/cm2)；(2)中頻中強度(頻率介于100 kHz～1 MHz)；(3)高頻低強度(頻率大于1 MHz，強度小于1 W/cm2)[11]。超聲波的應用主要有直接應用、通過與設備聯合使用及將產品浸泡在水中進行超聲波處理3種方式[12]。

2 超聲波技術對牛肉嫩度的影響

衡量牛肉嫩度的指標有肌原纖維小片化指數(myofibril fragmentation index，MFI)，質構剖面分析(texture profile analysis，TPA)，沃-布剪切力法(Warner-Bratzler shear force，WBSF)，研究中最常用的指標是WBSF值[13]。有研究表明，牛宰后肉的成熟時間和程度對牛肉的嫩度有重要影響[14]，有學者認為超聲波處理可以縮短牛肉的成熟周期[15]，改善嫩度。機理是當牛肉進行超聲波處理時，肌間線蛋白和肌鈣蛋白-T發生降解，Z線和I帶斷裂，加速了蛋白質水解[16-17]或超聲波處理使細胞內鈣離子激活鈣蛋白酶，進而加速蛋白質的水解作用[18-19]，最終使牛肉的成熟周期縮短，嫩度得到改善。目前，大多數學者認為超聲波技術改善牛肉嫩度的作用來源于超聲過程中產生的熱效應、空化效應和機械效應[7]，3種效應可以破壞結締組織、肌原纖維蛋白和溶酶體，釋放出鈣蛋白酶和組織蛋白酶，在不影響色澤和風味的情況下起到改善嫩度的作用[17,20-21]。也有學者發現，超聲波技術可能通過改善牛肉的pH值而改善牛肉嫩度。有研究指出高pH值的肉比低pH值肉中的鈣蛋白酶活性高，降解蛋白的速度快，肉的嫩度也高[22]。GOT等[23]對牛的半膜肌用超聲波(2.6 MHz，10 W/cm2)進行處理發現肉的初始pH值以及嫩度都增加了。JAYASOORIYA等[24]對牛肉進行超聲波處理(24 kHz, 12 W/cm2)后發現牛肉的pH值顯著提高，剪切力顯著降低，pH值升高的原因可能是超聲波處理使細胞結構中的離子釋放到細胞質，也可能是超聲導致蛋白質結構改變，使離子位置改變。然而也有文獻報道稱超聲后牛肉的pH值變化不顯著或無變化，如DOLATOWSKI等[25]對牛的半膜肌進行超聲波處理(25 kHz，2 W/cm2)后并未發現pH值有明顯變化，這可能與超聲波處理的強度較低有關。

最近，許多學者研究了超聲波技術在牛肉嫩化方面上的潛在應用。表1總結了最新的關于超聲波技術在牛肉嫩化方面的研究。

表1 超聲波處理對牛肉嫩度影響的研究Table 1 Study on the effect of ultrasonic treatment on beef tenderness

由表1可以看出，大部分研究發現超聲波處理可以改善牛肉嫩度，尤其是采用高強度超聲波處理的牛肉嫩度均有所改善[26-30]。高強度超聲波處理改善牛肉嫩度的機制可能是高強度的超聲波處理破壞了細胞膜，改變了肌肉組織的結構或者是激活了一些生化反應，釋放出的Ca2+激活了鈣蛋白酶，加速蛋白質水解作用，最終加速了牛肉的成熟，改善了嫩度[16-19, 23]。相比之下，LYNG等[34]采用20 kHz、62 W/cm2的超聲波對牛肉處理15 s以及POHLMAN等[35]用20 kHz、22 W/cm2的超聲波對牛肉分別處理0、5、10 min的研究并沒有發現超聲波處理后牛肉的嫩度得到改善，原因可能是用超聲波處理的時間太短。

就目前研究結果來看超聲波技術確實可以起到改善牛肉嫩度的作用，但是單純應用超聲波技術的嫩化時間較長，因此可以考慮將超聲波技術與其他嫩化技術復合使用進行牛肉的嫩化，以此縮短嫩化時間，提高經濟效益。

3 超聲波技術與其他嫩化技術復合對牛肉嫩度的影響

目前，傳統牛肉嫩化技術如腌制、外源酶嫩化和鈣鹽嫩化等都具有各自的局限性。為了克服傳統牛肉嫩化技術所存在的缺陷，許多學者研究了超聲波技術與其他嫩化技術復合應用對牛肉嫩度的影響，如超聲波輔助腌制、超聲波與外源酶結合、超聲波與鈣鹽嫩化法相結合。

3.1 超聲波技術輔助腌制對牛肉嫩度的影響

腌制是牛肉及牛肉制品常用的保存和嫩化方法之一[36]。但是腌制技術存在腌制時間長、腌制不均勻、產品風味不足、質量不佳以及食鹽資源浪費等問題[37]。超聲波處理過程中產生的空化效應、熱效應和機械效應可以加快物料的滲透擴散速率，提高牛肉的腌制效率，且在不對牛肉的其他品質產生負面影響的基礎上提高嫩度[38-40]。因此，超聲波技術輔助腌制是一個具有應用潛力的技術。

很多學者就超聲波技術輔助腌制對牛肉嫩度的影響進行了相關研究。康大成[40]采用不同的超聲波強度(2.39、6.23、11.32、20.96 W/cm2)輔助腌制對牛背最長肌分別處理30 min和120 min，結果顯示當超聲波強度大于11.32 W/cm2時牛肉的剪切力顯著下降。龍錦鵬等[41]分別采用120、210、300 W的超聲波功率輔助腌制牦牛肉，結果顯示超聲波技術輔助腌制與單純腌制相比剪切力分別下降了43、46、47 kg，表明超聲波技術輔助腌制比單純腌制的嫩化效果好。李博文等[42]用頻率25 kHz、功率500 W的超聲波處理腌制醬牛肉，發現隨著超聲波處理時間的增加，腌制牛肉的剪切力也隨之降低，牛肉嫩度得到顯著改善。嫩度改善的機理是超聲波處理產生的空化效應和機械效應導致肌原纖維在Z線和M線處發生斷裂，機械作用還和鹽等協同作用破壞肌原纖維蛋白結構，促進了肌原纖維的降解，同時超聲波促進腌制液的滲透導致肌球蛋白的溶解度增加，最終提高了牛肉的嫩度[40-41]。現有的研究結果表明，超聲波技術輔助腌制對牛肉嫩度的改善有積極的作用，且超聲波輔助腌制比單純腌制的效果要好。

然而，超聲波技術輔助腌制在企業的應用還需要對超聲波技術的參數進行大量研究確定，因為超聲波強度較高和處理時間過長可能會導致蛋白質變性，而較低的超聲波強度和較短的處理時間卻不能起到促進物料滲透擴散和改善嫩度的效果。但是，超聲波輔助腌制技術具有綠色、安全、無污染的優點，同時可以克服傳統腌制技術所存在的局限性，因此，該技術具有一定的應用潛力。

3.2 超聲波技術結合外源酶嫩化法對牛肉嫩度的影響

外源酶嫩化法是指通過向肉中加入外源酶使肉嫩化的一種方法，嫩化的機理是在溫度合適的情況下，蛋白酶可降解結締組織和肌纖維中的蛋白質，使肽鍵斷裂，氨基酸的分子結構發生變化，使肉變得柔軟、適口，達到肉嫩化的目的[43]。外源酶嫩化法具有操作方法簡單、條件需求低以及安全無毒等優點[44]。但是外源酶嫩化法存在物料內部分布不均勻，以及用量稍多就造成水解過度、風味變差和品質下降等問題[45]。超聲波技術聯合外源酶對牛肉進行嫩化，不僅可以使外源酶在牛肉中的作用效果更加均勻，減少其使用量，還可以增加外源酶活性，縮短嫩化時間[44, 46-47]。因此，超聲波技術結合外源酶嫩化法在牛肉嫩化方面具有良好的應用前景。

很多學者對超聲波技術結合外源酶嫩化法對牛肉嫩度的影響進行了相關研究。韓玲等[47]發明了一種通過超聲波與牛胰蛋白酶聯合使用使牛肉快速成熟嫩化的方法，這種方法不僅保護了牛肉的原有的營養物質和風味，而且還加快了牛肉成熟速度，使生產效率大大提高，極大地滿足了人們對優質牛肉的需求。王清波等[46]用超聲波技術結合木瓜蛋白酶對牛肉進行處理，結果發現當超聲波功率為151 W、處理時間為20 min、酶濃度為16 U/g、處理溫度為51 ℃時，剪切力與對照組相比降低了49%；同時還發現相較于單獨使用木瓜蛋白酶，牛肉肌纖維結構斷裂的片段更小且比較均勻，表明超聲波結合木瓜蛋白酶的嫩化效果更佳。陳一萌等[48]研究對比了超聲波技術結合木瓜蛋白酶與超聲波技術、木瓜蛋白酶法對牦牛肉的嫩化效果，結果發現，當超聲波功率為190 W、處理時間為30 min、酶濃度為20 U/g、處理溫度為51 ℃時超聲波技術結合木瓜蛋白酶的嫩化效果要比單獨使用超聲波技術和木瓜蛋白酶法要好。總體來看，現有的研究結果均表明超聲波技術結合外源酶可以改善牛肉嫩度，且其嫩化效果要比單獨使用超聲波技術和外源酶法要好。

目前，由于不同的外源酶的適用條件不同，所需要的超聲波處理參數也就不同。因此，針對不同的外源酶，研究優化超聲波的處理參數以及酶的適用條件是這項技術急需解決的問題。但是，超聲波技術結合外源酶嫩化法可以解決傳統外源酶嫩化存在的問題，且其嫩化效果要好，故該技術也是一個具有良好應用潛力的牛肉嫩化技術。

3.3 超聲波技術結合鈣鹽嫩化法對牛肉嫩度的影響

鈣鹽嫩化法屬于化學嫩化法的一種，其作用機理是鈣離子可以激活鈣蛋白酶的活性，降解肌肉中的肌纖維結構蛋白，加速肉的成熟，縮短肉達到正常嫩度所需要的時間[2]。運用鈣鹽改善牛肉的嫩度有注射和浸泡兩種方法。目前鈣鹽嫩化法存在在肉中濃度分布不均勻、局部濃度過高而導致顏色、風味等品質下降的問題，而利用超聲波技術輔助可以加速鈣鹽在肉中的滲透，避免局部濃度過高所帶來的品質下降問題[49-50]。

目前研究常用的鈣鹽是CaCl2。很多學者對超聲波技術結合CaCl2對牛肉嫩度的影響進行了相關研究。李林強等[50]研究了超聲波技術結合氯化鈣浸泡處理對牛肉嫩度的影響，結果表明當超聲波處理強度為200～220 W/m2、CaCl2質量濃度為0.25～0.30 g/L、超聲處理時間為10～15 min時，牛肉的剪切力為36.65～39.89 N，肌纖維直徑顯著變小，肌纖維間距顯著增大，嫩化效果較好。鐘賽意等[7]發現超聲波技術結合氯化鈣可以顯著降低牛肉的硬度的同時減少CaCl2的用量。萬云飛[32]報道稱超聲波技術和CaCl2聯合處理對牛肉嫩度的改善效果要高于超聲波技術處理和CaCl2單獨處理。超聲波技術和CaCl2聯合處理對牛肉嫩度的改善機理可能是超聲波的空化效應和機械效應加速了CaCl2的擴散和滲透，使肉中的Ca2+濃度增加，降解肌纖維結構蛋白，進而改善嫩度。現有研究表明超聲波技術結合CaCl2可以改善牛肉嫩度，且超聲波技術和CaCl2聯合處理對牛肉嫩度的改善效果要高于超聲波技術處理和CaCl2單獨處理[6-7，32]。

超聲波結合鈣鹽嫩化也還需要大量的實驗研究來優化處理參數，尤其是Ca2+的濃度，若Ca2+的濃度過高，超聲波可能會鈍化酶的活性[7]，不僅造成鈣鹽的浪費，還減弱了改善效果。超聲波結合鈣鹽嫩化牛肉可以在提高牛肉嫩度的同時降低鈣鹽所帶來的負面影響。因此，超聲波技術結合鈣鹽嫩化這項技術同樣也是一項具有應用潛力的技術。

4 結語

超聲波技術作為一種經濟、節能、綠色、安全的非熱加工新技術，在牛肉嫩化方面有一定的應用前景。這種技術不僅能改善生鮮牛肉的嫩度，而且還能夠解決腌制、外源酶嫩化、鈣鹽嫩化等傳統牛肉嫩化過程中存在的諸如作用效果不均勻、作用時間較長等問題。但是，超聲波技術和超聲波技術與其他嫩化技術的復合要想應用于工廠的實際生產中，還需要對超聲波技術以及復合的技術的工藝處理參數進行大量的實踐和研究。此外，通過研究超聲波技術嫩化牛肉的機理能夠為設計出適用于牛肉胴體嫩化的超聲波設備奠定良好的基礎。