新型牛肉嫩化技術研究進展

季現秋，羅欣，朱立賢，梁榮蓉，陳雪，韓明山，張文華，張一敏*

1(山東農業大學，山東 泰安，271018)2(國家肉牛牦牛產業技術體系通遼站，內蒙古 通遼，028100) 3(國家肉牛牦牛產業技術體系中衛站，寧夏 中衛，755000)

我國是牛肉生產和消費大國，2019年我國的牛肉產量達到685萬t，僅次于美國、巴西和歐盟；而牛肉消費量更是高達923.3萬t，位于世界第2位[1]。作為一種低脂肪、高蛋白的食品，牛肉深受消費者的喜愛。其中，嫩度是影響消費者滿意度和接受度的主要因素，也是衡量牛肉食用品質的關鍵指標之一。牛的品種、年齡、性別、營養狀況和肌肉部位等都會影響牛肉的嫩度，但究其根本，肌節長度、結締組織含量和肌原纖維蛋白水解程度才是決定肉嫩度的關鍵因素[2]。

研究發現消費者愿意高價購買肉質較嫩的牛肉，并且通常以牛肉嫩度的高低來評價肉質的好壞[3]。一般用剪切力值作為牛肉嫩度的客觀評定指標。在我國，當牛肉剪切力值> 55.43 N時，消費者會認為肉質較韌；當剪切力值< 41.4 N時，牛肉肉質較嫩，消費者易于接受[4]。而近期的研究發現，我國牛肉多處于較韌的范疇(63～99 N)[5-7]，因此如何改善牛肉的嫩度一直是國內外肉類研究領域的重點問題之一。多種嫩化技術如電刺激[8-9,13-15]、盆骨吊掛[10-11]和延遲冷卻[12]等已實現商業應用并取得良好的嫩化效果。近年來出現的超聲波、脈沖電場、SmartStretchTM等技術在牛肉嫩化方面也表現出巨大的潛力，因而受到廣泛關注，但是當前對上述3種新型嫩化方法的優缺點仍缺乏系統性的總結，其嫩化機制及作用效果仍存在爭議。因此，本文就超聲波、脈沖電場、SmartStretchTM技術的應用現狀進行綜述，并深入分析了其嫩化機制及應用前景，旨在為牛肉嫩化技術的發展提供理論依據。

1 超聲波嫩化技術

超聲波是頻率高于20 kHz的聲波，具有綠色環保、穿透力強、方向性好、安全性高等優點[16]。我國對于超聲波技術的研究較晚，但發展迅速，該技術已經在醫療化工等方面取得了廣泛應用。超聲波通常可以分為：高強度(10～1 000 W/cm2)低頻率(20～100 kHz)聲波和低強度(<1 W/cm2)高頻率(>1 MHz)超聲波[17]。2種類型的超聲波在食品加工中應用都比較廣泛，前者可用于修飾細胞結構，有助于食品的腌制、干燥和嫩化等，后者可用于食品的無損檢驗及品質監控等。近幾年，超聲波作為一種新技術，已成為肉品加工領域的研究熱點，并在肉類嫩化、腌制、殺菌、解凍等方面產生了重要的應用價值。

1.1 超聲波對肉嫩度的影響

超聲波具有熱效應、空化效應和機械效應等特性[18]，其中起嫩化效果的主要是空化效應和機械效應。該技術對肉類的嫩化機制可以概括為以下2個方面[16]：改變細胞膜的通透性，破壞結締組織并降低其機械強度；促進Ca2+及蛋白酶的釋放，加快蛋白質水解，損壞肌肉超微結構[19]，從而使肉的嫩度得到改善。目前，許多研究已經證實，當超聲波參數控制在20 k～40 kHz，11～25 W/cm2時，可使牛肉剪切力值降低，嫩化效果明顯，但當超聲波處理時間過短或者波頻率過高時嫩度改善效果不顯著(表1)。

表1 超聲波技術對牛肉嫩度的影響Table 1 Effect of ultrasound technology on beef tenderness

1.1.1 空化效應

空化效應是通過高溫高壓作用導致細胞及肌肉結構損壞，使肌質網和溶酶體等被破壞，促進Ca2+和蛋白酶的釋放，加快肌原纖維蛋白的降解，并使肌纖維沿Z線和I帶斷裂，縮短成熟時間[16]。眾所周知，鈣蛋白酶系統通過調節肌原纖維蛋白(包括伴肌球蛋白、伴肌動蛋白、肌間線蛋白、肌鈣蛋白-T等)的水解程度來影響肉的嫩度。如表1所示，WANG等[20]發現牛半腱肌經超聲波(20 kHz，25 W/cm2)處理后，肌原纖維解體，小片化指數增加，且處理組肌間線蛋白與肌鈣蛋白-T的降解速度明顯高于對照組，研究得出鈣蛋白酶對肌原纖維結構完整性和組成的影響是超聲波處理提高牛肉嫩度的原因。KANG等[21]也得出類似的結果，并且還發現高功率(300 W)、長時間(120 min)的超聲波處理可破壞肌纖維的顯微結構，使肌原纖維發生斷裂，降低牛肉剪切力值(處理組45.88 N,對照組63.23 N)。

1.1.2 機械效應

結締組織的含量主要影響肉的本底硬度，且在一定程度上，其機械強度還可以反映剪切力值。機械效應可以引起組織細胞內物質的運動，改變細胞膜的通透性，促使細胞內部結構發生變化，導致結締組織機械強度降低[16]。張坤等[22]證實超聲波可以在短時間內破壞結締組織，增大肌原纖維小片化指數。在CHAGN等[23]的研究中，處理組的機械強度低于對照組，與剪切力值結果一致，并說明結締組織機械強度的削弱是導致牛肉變嫩的主因，且40 kHz、1 500 W超聲波處理30 min的肉質更嫩(約43 N)。PENA-GONZALEZ等[24]也指出低頻超聲波(40 kHz、11 W/cm2、60 min)處理可使牛肉肌纖維之間的空隙增大，結締組織降解增加，貯藏0、7、14 d的牛排經過處理后，其剪切力值(分別是20.41、17.11和17.32 N顯著低于對照組的22.95、19.56、20.31 N，與此前JAYASOORIYA等[25]的報道相似。

1.2 存在的問題

超聲波技術作為一種非熱加工方法，在改善肉類嫩度方面展現出較大的應用前景，但在實際生產中還不夠成熟。近期，部分學者發現超聲波可以加速脂質氧化，并產生具有攻擊性的自由基(過氧化物、己醛、丙醛、丙二醛)來加速蛋白質的氧化，然而蛋白質氧化會通過二硫鍵的交聯作用產生蛋白質聚集體，這些化學結構的存在增加了肉的韌性，對嫩度產生負面影響[26-28]。KANG等[28]研究了超聲波對牛肉蛋白質氧化程度的影響，結果發現隨超聲波強度的增加(2.39、6.23、11.32、20.96 W/cm2)，牛肉中的羰基含量、游離蛋白質巰基呈現上升的趨勢，但總巰基含量卻隨超聲處理時間的延長而降低，從而導致蛋白質以共價交聯的方式聚集。然而LYNG等[29]卻發現蛋白質水解程度及膠原蛋白溶解度無顯著變化，超聲波處理(20 kHz、15 s、62 W/cm2)未能改善牛肉嫩度，這很可能是處理時間較短造成的。然而，長時間使用超聲波技術也會對肉質造成不利影響(溫度升高、蛋白質變性)，因此在操作過程中應嚴格把控超聲波處理時間。

2 脈沖電場嫩化技術

脈沖電場(pulsed electric field，PEF)是食品行業為提高食品安全性、改善食品結構、提取食品生物活性物質而發明的一種非熱處理技術。該技術可以在短時間內(ns、ms級)將高壓脈沖施加到兩電極之間的物料上[31]，具有高效、環保、無污染等優點[32]。PEF主要由脈沖發生裝置、脈沖處理室、示波器等組成[33]，其最初應用于牛奶、果蔬汁[34]等液態食品的加工中，近年來在牛肉嫩化方面也表現出巨大的應用潛力。有研究表明，當PEF處理參數設置在5～10 kV，20～90 Hz時，牛背最長肌和半膜肌可獲得較優嫩化效果。但有時也會因為牛種、年齡、性別等因素而對牛肉嫩度產生不良影響(表2)。

表2 脈沖電場技術對牛肉嫩度的影響Table 2 Effect of pulsed electric field technology on beef tenderness

2.1 PEF技術對肉嫩度的影響

PEF技術嫩化肉類的機制主要有[32]：PEF電場強度超過跨膜電位的臨界值(0.5 kV/cm)時[35]會造成細胞膜損傷，導致其通透性增加，加速Ca2+釋放，進而較早激發鈣蛋白酶活性[36]；促使溶酶體釋放組織蛋白酶，促進蛋白質降解；加速僵直前期肉的糖酵解進程。

2.1.1 PEF技術對牛肉肌原纖維及其骨架蛋白降解的影響

肌鈣蛋白-T和肌間線蛋白的降解是牛肉嫩化的標志[37]。有研究發現[35]，當牛背最長肌多次應用PEF(10 kV，90 Hz，20 μs)技術時，其骨架蛋白在1次應用PEF處理組中降解明顯，但隨著PEF重復次數的增加，蛋白降解明顯減少，這與BEKHIT等[38]的研究結果相似。但是牛肉的剪切力值會隨PEF處理次數的增加而發生顯著差異(P<0.01)。可能是反復PEF處理造成牛肉溫度升高1、2、3次PEF處理組分別升溫：8.1～8.5 ℃、12.6～12.7 ℃、16.1～16.2 ℃)，促使蛋白水解酶變性。此外，SUWANDY等[39]發現不同的PEF處理參數(如電壓、頻率、電場強度等)也會影響牛肉骨架蛋白的降解情況。通過設置不同的PEF處理參數(電壓為5、10 kV；頻率為20、50、90 Hz)，得出肌鈣蛋白-T在低壓高頻(5 kV,90 Hz)和高壓低頻(10 kV,20 Hz)處理組中降解明顯，肌間線蛋白在低壓中頻(5 kV,50 Hz)和高壓低頻(10 kV,20 Hz)處理組中降解明顯，幾種處理均能夠使牛背最長肌和半膜肌的剪切力值降低19%左右。這與BEKHIT[40]的結果類似，但在BEKHIT的研究中，半膜肌的剪切力只有在90 Hz處理組中才可降低19%左右(20、50 Hz處理組的剪切力分別下降4.1%、10.4%)。另外，SUWANDY[41]等對熱剔骨牛背最長肌和半膜肌進行相同的PEF[39]處理，發現肌鈣蛋白-T與肌間線蛋白的降解只發生在少數樣品中，而且在20 Hz(低頻)處理組降解較為明顯。

SUWANDY等[42]進一步研究了PEF處理對不同極限pH值(ultimate pH，pHu)牛肉嫩度的影響。結果發現PEF處理(10 kV，90 Hz，20 μs)使肌鈣蛋白-T和肌間線蛋白降解增加，其中低pHu組(5.5～5.8)蛋白降解最明顯，這在剪切力結果上也有所體現,低、中(pH 5.8～6.2)、高(pH>6.2)pH組分別為57、67、71 N。說明PEF處理在改善低pHu組牛肉嫩度上具有較大的應用潛力。

2.1.2 PEF技術對牛肉的物理破壞

PEF技術可以破壞肌纖維的物理結構，縮短成熟時間，改善牛肉嫩度。KHAN等[43]以冷卻牛肉為研究對象，發現與未處理組相比，低PEF處理組(2.5 kV，200 Hz，20 μs)的肌纖維束被拉長，而高PEF處理組(10 kV，200 Hz，20 μs)的肌纖維束卻發生收縮，這與剪切力值結果相符(高PEF組：102～124 N；低PEF組：56～100 N；對照組：62～97 N)。還有學者發現經PEF(1.1～2.8 kV/cm，5～200 Hz，12.7～226 kJ/kg)處理后，肌原纖維碎片增多，但是未能顯著改善牛肉嫩度，可能是應用的電場強度較低所致[44]。

2.2 存在的問題

牛肉在經PEF技術處理后會產生輕微的歐姆加熱現象，導致肉溫度升高(1.9～40.5 ℃)、蛋白質變性，并對肉的嫩度產生不良影響。KHAN等[43]發現，低PEF處理組(2.5 kV，200 Hz，20 μs)牛肉溫度升高1.9 ℃，而高PEF處理組(10 kV，200 Hz，20 μs)可升溫40.5 ℃，明顯抑制蛋白水解酶的活性，并且其剪切力值比低PEF處理組高出24～46 N，導致牛肉嫩度較差。O’DOWD[44]和BEKHIT等[38]也發現PEF致使牛肉溫度升高，蛋白質變性，牛肉嫩化效果不顯著。

除此之外，SUWANDY等[41]發現PEF技術會對牛背最長肌和半膜肌的剪切力值產生不同的影響(背最長肌增加，半膜肌降低21.6%)，表明PEF技術在嫩化牛肉方面效果有限，并且其主要部件和裝置依然需要合理設計，技術水平有待進一步提高，這也在一定程度上限制了該技術的商業化應用。

3 SmartStretchTM技術

關于肌肉拉伸技術的研究最早見于20世紀60年代末，歐洲的部分國家在90年代就已經將肌肉拉伸技術進行商業化應用[45]。常用的拉伸技術包括盆骨吊掛、嫩切、PiVac?等。近年來，研究人員發現熱剔骨工藝具備節省冷卻空間、減少制冷成本、提高產品質量、加快產品周轉速度等優點[46]，但是與冷剔骨相比，熱剔骨肉更容易發生收縮，且嫩度較差[41]。因此，為了增加企業利潤的同時滿足消費者對高品質牛肉的需求，SmartStretchTM開始出現在肉類研究中。

3.1 SmartStretchTM技術對肉嫩度的影響

SmartStretchTM技術可將肌肉拉伸和肌肉塑形相結合，在改善嫩度的同時起到塑形的效果。它主要是應用一種可以放置在密閉室中的彈性橡膠套筒和安全氣囊，當空氣被泵出密閉室時，產生的負壓會導致橡膠管膨脹，從而允許肉被插入，當空氣泵入氣囊時會將肉壓縮，以此防止垂直于肌纖維的力使肉的直徑擴大，從而起到嫩化的作用[32]。根據TAYLOR等[47]修改后的SmartStretchTM的操作示意圖,如圖1所示。

SmartStretchTM的嫩化機制與盆骨吊掛類似，胴體在僵直期間，其肌原纖維會產生收縮張力，對胴體進行吊掛及對肌肉進行拉伸的原理就是人為地施加與收縮張力相反的力，起到防止肌肉收縮，降低肌動蛋白和肌球蛋白重疊程度的作用，從而提高肉的嫩度[48]。另有研究發現，拉伸會導致I帶斷裂、Z線解體，肌動蛋白、伴肌球蛋白、伴肌動蛋白等遭到破壞，肌節完整性也受到損害，以此改善肉的嫩度[49]，但目前SmartStretchTM技術是否也會對肌肉造成同等程度的物理破壞，還尚待闡明。

圖1 SmartStretchTM操作示意圖Fig.1 Operation diagram of the SmartStretchTM machine

當前，SmartStretchTM技術主要應用于熱剔骨的牛羊肉，相關報道已經證實SmartStretchTM技術可明顯提高羊肉嫩度[50]，即使成熟5 d[49]后，改善效果依然存在，但在牛肉上的應用卻沒有表現出令人滿意的結果。研究發現，當牛臀中肌[47]應用SmartStretchTM技術后，其長度可以達1.92 μm，和對照的1.7 μm相比，平均增加34%，肌節長度顯著增加。此外，處理后牛肉的初始剪切力值為53.6 N，與對照的66.3 N相比降低20%，但是在成熟8 d后，該技術對剪切力值的改善效果不顯著。TAYLOR等[51]也發現該技術可以改善牛背最長肌的初始嫩度，但是在成熟14 d之后，改善效果同樣不明顯。雖然SmartStretchTM技術導致肌肉長度增加，但是對肌節長度無顯著影響，可能是牛肉內部發生了一些斷裂導致肌肉變長，這與PEN等[52]的研究結果相似，同時PEN還發現SmartStretchTM技術對牛肉剪切力值無影響，嫩化效果較差。為了探究SmartStretchTM技術對不同部位肉嫩度的改善情況，TOOHEY等[53]將該技術應用于成年牛的半膜肌，發現只有成熟時間影響牛肉的剪切力，SmartStretchTM技術對剪切力值無顯著影響(P>0.05)，該研究結果與TAYLOR等[51]的研究形成鮮明的對比。很可能是該研究的肉樣取自成年牛，結締組織數量以及交聯程度偏大，在一定程度上影響著牛肉的剪切力值。因此，為了更好的理解結締組織數量和類型對SmartStretchTM改善效果的影響，在后續的工作中有必要對成年牛肉的肌肉結構以及結締組織對肉本底嫩度的影響進行深入研究。

3.2 存在的問題

SmartStretchTM作為一種新穎的拉伸方法，發展潛力巨大，但是目前針對SmartStretchTM技術的研究較少，其推廣過程中也面臨諸多挑戰。例如，將設備集成到現有生產鏈的成本、操作人員的培訓、處理后肉樣嫩度不一致以及熱剔骨肉牛屠宰場相對較少等[32]。而且，目前關于SmartStretchTM技術對于牛肉嫩度的影響，只是從剪切力以及肌節長度等方面進行解釋，而在肌原纖維蛋白降解以及肌肉的物理結構等方面鮮有研究，為了更好的利用該技術，促進其商業化發展，有必要對上述問題進行深入探究。

4 結語

綜上所述，超聲波、脈沖電場、SmartStretchTM等技術均能起到改善牛肉嫩度的作用，其中，高強度(10～1 000 W/cm2)低頻率(20～100 kHz)超聲波可以有效改善牛肉嫩度，而SmartStretchTM技術的嫩化效果稍顯不足。因此，根據物種、年齡、肌肉部位等因素來優化工藝參數，并將以上技術進行商業化、工廠化應用成為未來牛肉嫩化研究的新方向。此外，多種嫩化技術的復合應用可以解決單一嫩化技術存在的效果不明顯、過度處理等缺陷，如超聲波與木瓜蛋白酶的聯用[54-55]；凍融與PEF技術的結合[56]都可在一定程度上降低牛肉剪切力值，提高牛肉嫩度，滿足市場和消費者對高品質牛肉的需求，多種復合嫩化技術的涌現為牛肉嫩化提供更多可能，也是未來牛肉嫩化研究的重點之一。