肉品嫩化方法及超声波技术应用于肉品嫩化的研究进展

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　　 摘要：嫩度是肉品品质的重要指标之一，改善肉品嫩度一直是肉品科学的研究重点。根据近年来国内外肉品嫩化的研究情况，围绕超声波嫩化肉品的原理、主要影响因素及其与其他方法联合使用嫩化肉品的研究进展进行了综述，旨在为探究肉品嫩化机理，进一步提高肉品品质提供新的思路和理论指导。
　　 关键词：肉品嫩化;超声波;空化效应;原理;影响因素;肌原纤维蛋白
　　 中图分类号： TS205  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）02-0033-05
　　 嫩度是影响肉制品营养、口感、风味和消化的重要因素之一[1-2]。它受许多因素的影响，其中宰后肉品的成熟和处理是改善肉品质量的关键[3];肉品中结缔组织的含量和性质与肌原纤维蛋白的结构和状态是影响肌肉嫩度的主要因素[3-4]，肌肉嫩度的变化也是组织蛋白酶、钙激活酶等多种酶协同作用的结果[5-9]。
　　超声波是一种频率高于20 kHz的机械波，因其超出人的听觉上限，称之为超声波[10-11]。超声波有多种物理和化学效应，如热效应、空化效应、机械效应等。目前，超声波广泛应用于食品行业中，如超声波提取动植物体内的功能活性成分、超声波干燥、超声波均质与超声波杀菌等[12-14]。近年来，在肉品加工领域，超声波作为新技术具有潜在的、广阔的发展前景，成为肉品科学家们的研究热点。例如，超声波可加快腌制肉品速度和检测肉品成分等，缓解了人们对优质肉品的需求压力[15]。另外，相比其他加工方法，超声波有安全性高、绿色环保、运行成本低、瞬时高效等优点[16]。但有关超声波嫩化肉品的研究报道较少，本文主要就超声波嫩化肉品的原理、主要影响因素及其与其他方法联合使用嫩化肉品的研究进展作综述，不仅为促进超声嫩化技术在肉品加工领域的广泛应用奠定理论基础，也为肉品高效嫩化技术的研发提供新思路。
　　1 肉品嫩化的方法和原理
　　肉品嫩化是肉制品加工过程中的1个重要步骤，嫩化一般分为宰前嫩化和宰后嫩化。
　　1.1 宰前嫩化
　　宰前嫩化是动物出栏前，在其口粮中适当添加维生素，或者宰前适当注射胰岛素等激素来达到嫩化肌肉的效果。维生素D3（VD3）和维生素E（VE）对肌肉的嫩化有促进作用[17-18]。维生素D3能促进钙结合蛋白的形成，促进肠道钙吸收，提高血清中Ca2+的含量。维生素E是一种抗氧化剂，既能抑制生物膜脂发生过氧化反应，抑制胶原蛋白解离，又能防止钙蛋白酶氧化，对肌肉嫩化有促进作用。畜禽宰前，注射适量激素制剂如胰岛素、肾上腺激素等，可以减少肌糖原贮存[17]，降低宰后肌肉酸化，pH值趋向中性，有利于中性蛋白酶发挥水解蛋白作用[18]，抑制宰后僵直，从而起到嫩化肉质作用。宰前嫩化使用的试剂或方法大多安全可靠、无毒无害，但使用宰前嫩化方法的时间点和试剂量较难控制，因此嫩化效果差别较大，相比较而言，宰后嫩化效果较好，方法成熟，因此宰后嫩化多被青睐。
　　1.2 宰后嫩化
　　相对于宰前嫩化，宰后嫩化是动物宰杀后食用前的肉质改善方法，它主要包括物理嫩化[19-20]、化学嫩化[21-22]、生物嫩化[23-24]等。物理嫩化包括低温吊挂嫩化法、机械滚揉嫩化法、超声波嫩化法、高压嫩化法及电刺激嫩化法等。化学嫩化包括一磷酸腺苷（AMP）嫩化法和钙离子嫩化法等。生物嫩化主要是酶法嫩化，酶法嫩化又分为激活内源酶嫩化法和外源酶嫩化法。
　　1.2.1 低温吊挂嫩化法 低温吊挂法是在低于10 ℃的低温环境中，通过吊挂拉伸肌肉，使肌纤维直径减小，肌节长度变大，进而改善肉品嫩度的方法[25]。马俪珍等研究了低温吊挂对羊肉肉质嫩化的影响发现，预冷后低温吊挂嫩化效果更佳，剪切力显著下降，减缓了pH值降低速率，利于肉质嫩化[26-27]。此法在低温条件下完成，解决了常温及高温（<45 ℃）条件下肉品卫生质量不能保证的问题[28]。但吊挂过程中易干耗或污染，且所需低温空间大，扩建空间费用高，目前仅用于中高档牛肉的生产[28]。
　　1.2.2 机械滚揉嫩化法 用机械方法对肉品进行翻滚、按摩、揉擦，破坏肉品肌纤维，使肌肉组织结构遭到破坏，释放的胞液黏着在肉品表面，从而增加肌肉嫩度和保水性[25]。李正英等用40 r/min对新鲜羊腿滚揉处理，剪切力和破碎指数显著下降[29]。此法适用于较坚肉类和腌制肉制品的嫩化。滚揉处理前对肉品先腌制或者在滚筒中加入适量腌渍液，机械滚揉过程可以加速腌渍液的扩散与渗透，在肉品表面附着，同样增加肉品的嫩度[30]。
　　1.2.3 高压嫩化法 对肉进行高壓处理使肉收缩，削弱肌动蛋白和肌球蛋白间的作用，破坏肌纤维[20]，溶酶体破裂导致蛋白酶被释放，软化分解结缔组织，分子间距增大及极性区域暴露，造成肌肉结构松散且保水性增加，嫩度提高[31]。靳烨等发现，结缔组织高的部位高压嫩化效果不明显，优质部位如牛最长肌等嫩化效果更明显，同时压力增大导致pH值上升，减少了微生物污染机会[31]。但高压处理会改变肉的色泽，且生产成本较高，仍须对高压设备进一步发展和改善[32]。
　　1.2.4 电刺激嫩化法 利用探针或电极对完全放血的胴体进行电刺激，在一定程度上对肌原纤维结构造成物理破坏，肌肉结构松弛，肉品嫩度增加[4，28]。贾文婷等对比了电刺激嫩化和低温吊挂嫩化法，电刺激嫩化法有效防止冷收缩，显著缩短宰后尸僵时间，加快了肌原纤维蛋白降解，促进宰后嫩化[27]。同时，电刺激法操作较简便，利于流水线加工，应用前景广阔。但此法对安全实施电刺激的空间有较高要求，且对肌肉保水性有不利影响，目前仅广泛应用于大型屠宰企业[4]。
　　1.2.5 一磷酸腺苷（adenosine 5′-monophosphate，AMP）嫩化法 随着宰后肌肉中ATP逐渐分解耗尽，体内积累大量AMP[33]。AMP作用于肌动球蛋白促进其解离，改善肉品嫩度[34-37]，因此，AMP有一定改善嫩度作用。张淼等研究表明，添加适当浓度的AMP溶液能显著改善鸭肉嫩度，且AMP无毒无害[36-37]，通常作为食品添加剂用于改善风味及特定营养[38]，因此，AMP嫩化法极具研究潜力。 　　1.2.6 酶嫩化法 酶嫩化法分为内源酶嫩化和外源酶嫩化。内源酶系统主要由组织蛋白酶（溶酶体蛋白酶）、钙激活酶和蛋白酶体3个系统组成，主要存在肌肉组织中，一般认为肌肉宰后成熟期嫩度改善主要是内源酶对肌原纤维蛋白的降解作用。朱蓓薇等发明了低温激活海参体壁内源酶活、物理手段辅助处理，生产熟化海参制品的方法，嫩度明显提升[39]。目前广泛认为宰后肌肉的蛋白水解是内源酶系统的协同增效作用，内源酶嫩化法嫩化效果较好，但多依靠物理方法辅助激活内源酶活性发挥嫩化作用[40-41]，受温度、pH值、盐等因素影响，且最佳酶活条件须优选控制，实施较为不便，目前未广泛应用。
　　外源酶嫩化是人为添加蛋白酶制剂以提高肌肉嫩度。用于肌肉嫩化的外源酶主要分为植物性蛋白酶（木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等）和细菌性蛋白酶（中性蛋白酶等）[30]，分解结缔组织中的纤维、蛋白，松散肌肉结构，其中木瓜蛋白酶的嫩化效果较突出[42]。外源酶法无毒无害、方法简单、条件要求相对低，处理后的肉品柔软多汁、易于咀嚼，肉品品质显著提高，研究应用较为广泛。但酶的种类相对单一，动物源性外源酶应用较少，酶纯度须进一步提高等[43]。
　　1.2.7 超声波嫩化法 20世纪90年代，肉品科学家Solomon等发现了1种全新的肉品嫩化技术——超声波嫩化，超声波嫩化技术与当时的嫩化技术原理全然不同，开启了超声波在肉品嫩化中的研究应用[44-45]。超声波嫩化又叫水波（hydrodyne）嫩化，最初是用小块炸药在水中爆炸引起的振荡波使肉被迫振动，改变肉品中影响嫩度的蛋白质及其联接键[46]，从而改善肉品品质，达到肉品嫩化的效果。利用低频超声波（20～100 kHz）处理肉品，超声波的“声耦”作用[47-48]使肉受迫振动，破坏肌肉结构，溶酶体、结缔组织和肌原纤维结构均遭到破坏[49]。溶酶体破坏蛋白酶体系，大量蛋白酶被释放，降解肌肉中的肌原纤维蛋白和胶原蛋白，肉品得到嫩化[50-51]。苏丹对老龄梅花鹿肉进行超声波嫩化处理，结果显示超声波可以改变鹿肉组织结构，降低硬度、咀嚼性和蒸煮损失，肌原纤维小片化程度增加，肉的口感改善，嫩化效果较好[52]。常海霞等对草鱼肌肉超声处理发现，超声波处理诱导草鱼肌原纤维蛋白分子展开，肌原纤维蛋白高级结构破坏，草鱼肉质嫩化[53]。张婷等采用微波法、酶解法、超声波法等5种嫩化方法处理牛肉用以制作牛肉粒，综合分析发现超声波嫩化工艺处理的牛肉粒品质高于其他处理组，感官评价最高，硬度和咀嚼性显著降低[54]。
　　Jayasooriya等的研究证实超声波处理促进肌肉老化，pH值升高，蒸煮损失和剪切力降低[55-56]。超声波处理加速了肉品宰后成熟速率，且不影响肉的色泽、风味等，较其他嫩化方法更安全、经济、效果佳，应用前景广阔。但目前超声波嫩化主要处于理论阶段，具体技术还不成熟，实际生产中的应用不如其他成熟的嫩化方法，且单一使用超声波嫩化不如与其他方法联用效果理想，这些仍待科研工作者们进一步探索研究。
　　1.2.8 复合嫩化法 近年来，复合嫩化法的研究取得了很大进展。李莹等将超声波与微波联合使用对淘汰蛋鸡鸡胸肉进行嫩化处理[57]，唐福元等对猪脯肉进行超声波和蛋白酶复合嫩化剂处理，以及将超声波与盐及滚揉等嫩化方法两两或多个复合，发现复合方式嫩化效果显著高于单一方法嫩化，如超声波与氯化钙联合可降低氯化钙的使用浓度，减小氯化钙对肉品的负面影响[58-59]。复合嫩化法既节省嫩化时间，又能显著改善肉品嫩度，将是肉品嫩化的研究热点。
　　2 超声波嫩化肉品的原理
　　超声波是一种能穿透各种物质、频率大于20 kHz的机械波，可分为低频率超声波（20～100 kHz）和高频率超声波（100 kHz～10 MHz）。超声波因强针对性和作用温和被广泛应用于食品加工领域，是一种极具发展潜力的食品加工技术[60]。超声波法是目前最常用的物理嫩化方法，通过改变影响肌肉硬度的蛋白成分及其联接键，降低肌肉硬度，达到嫩化肉品的效果[50]。超声波具有空化、机械振动、击碎等特性，对肉品嫩化起主要作用的特性是“机械效应”和“空化效应”[48]。
　　机械效应是超声在介质中前进时产生的振动效应，超声波的振荡引起胞内振动，改变细胞膜的通透性及蛋白合成率，破坏物质结构，软化结缔组织等。Stadnik等研究发现，宰后 24 h 的牛肉经超声波处理后，肌原纤维被破碎、小片化指数增加，保水力增强，证实了机械效应对肉品嫩化的作用[56]。周丹通过超声波嫩化处理河蚌肉的研究表明，超声波嫩化处理效果显著，并且得出了超声波嫩化處理河蚌肉的最佳参数为：超声功率200 W，超声时间30 min，此条件处理下河蚌肉硬度和咀嚼性显著降低，嫩度较好[61]。李正英等研究了超声波处理对羊肉的嫩化效果，确定了超声波嫩化的最佳条件为： 3 W/cm2 处理10 min，可以获得嫩化效果较好的羊肉[62]。
　　空化效应是声波在介质中传播时，介质因流动产生无数微小气泡，气泡不断受到拉伸和压缩，足够强的负压导致分子间距离超过极限值，液体断裂，结构完整性被破坏并形成近似真空的空洞，空洞在压缩时崩溃，产生的瞬时高温高压破坏细胞及肌肉结构。超声波快速破坏肌肉结构，肌肉细胞中的溶酶体、肌质网和线粒体等被破坏，促进蛋白酶的释放，同时，肌质网和线粒体结合使Ca2+的能力降低，Ca2+被释放，有助于激活酶原[63]，肌纤维结构蛋白和肌纤维间联接蛋白被释放的酶降解，肌原纤维蛋白降解速率增大，可溶性蛋白增加，自然成熟时间缩短。尚军等的研究证明，超声波可改变胞膜通透性或击破细胞膜，释放酶，提高酶解速率等[64]。李正英等进一步确定了超声波处理后羊肉的最佳后熟条件，结果显示，超声波处理缩短了肌肉宰后成熟期，提高了肌肉嫩化速率，嫩化效果较佳[62]，这也与Jayasooriya等的结论[55]相似。
　　另外，超声波促进溶液水分快速渗透，“空化效应”导致的空洞可容纳更多的水分和小分子营养物质，保水性增加，嫩化效果显著。在肉品加工中，超声波可以破坏肌原纤维结构，利于肉质嫩化[65]，这也与Lamminen等的结果[66]一致。 　　3 影响超声波嫩化肉品的因素
　　超声波根据频率、功率的不同可分为高频低强度超声波（检测超声，频率一般大于1 MHz，功率密度小于1 W/cm2）和低频高强度超声波（功率超声，频率为20～100 kHz，功率密度在10～100 W/cm2范围），用于食品分析、蛋白质改性和肉品嫩化的超声波为低频高强度超声波[67]。国内外学者对影响超声波嫩化肉品因素的研究尚未得出一致结论，目前普遍认为主要是超声波的频率、功率以及超声波处理时间对嫩度改善有较大影响。
　　Smith等认为低频短时超声波处理显著提高肉品嫩度，他们用25.9 kHz超声波分别处理牛半键肌0、2、4、8、16 min后发现2、4 min处理组剪切力显著降低，显著改善牛半键肌嫩度[68];Dickens等用40 kHz、2 400 W超声波对鸡胸肉处理 15 min，鸡胸肉剪切力显著降低（P<0.05），这是因为超声波处理改变了肌肉结构，加速了肌原纤维蛋白降解，结缔组织软化，肌肉的剪切力降低[69];Pohlman等对牛胸肌超声处理，分别用20 kHz，2 W/cm2超声波处理0、5、10 min及1.55 W/cm2处理8、16、24 min，发现牛胸肌蒸煮损失和剪切力下降，超声波处理改善了牛肉的剪切性能和烹饪性能及口感[70-71];Got等用20 W/cm2、2.6 MHz对50 g牛半键肌超声波处理15 s，发现牛肉超微结构显著（P<0.05）改变[72]。赵立等通过单因素试验和响应面设计优化超声波嫩化鸭肉的参数，结果表明，超声波功率和温度影响显著，超声功率、时间和温度交互作用对剪切力影响极显著，各参数的影响力大小顺序为超声波温度（℃）>超声波功率（W）>超声波时间（s），在25 ℃条件下75 W超声波处理鸭肉30 min能显著改善鸭肉嫩度[73]。
　　上述国内外研究从各个角度证实，超声波处理对肉品有显著嫩化效果，但也有部分学者认为超声波对肉质嫩化没有显著影响，Lyng等分别对牛肉和羊肉进行超声波处理，发现 20 kHz、62 W/cm2处理15 s对牛羊肉的嫩度均没有显著影响，这可能是用于处理肉品的超声波功率太小或者处理时间太短，因此嫩化作用不明显[74-75]。
　　4 超声波联合其他方法对肉品嫩化的研究进展
　　超声波嫩化法较其他物理和化学嫩化法有诸多优点，如不影响肉的外观，瞬时、高效、成本低以及无化学残留、卫生安全等。但在实际生产应用中，单一使用超声波嫩化肉品效果不如与其他嫩化方法联用效果好，近年来，越来越多的研究偏向超声波与化学方法、生物方法协同作用嫩化肉品。
　　杨性民等在超声波处理虾干的基础上对嫩化条件进行正交优化分析，添加0.2% CaCl2、0.008%木瓜蛋白酶时300 W超声波处理7 min为最佳组合[76]，可达到较好的嫩化效果。此时虾干的剪切力为136 kg/cm2，游离氨基酸含量为 19.3 mg/g，超声波结合木瓜蛋白酶对虾干的嫩化效果显著;Barekat等采用高强度超声波联合木瓜蛋白酶对牛肉进行嫩化，研究结果表明，100 W超声波处理20 min与0.1%木瓜蛋白酶联用，蛋白酶水解活性最大，嫩度最好，超声波与酶联用有助于肉质嫩化[77];韩玲等发明了一种通过牛胰蛋白酶与超声波联用快速成熟嫩化牛肉的方法，既保持了牛肉的特有风味、营养，又加快了成熟速度，生产效率高，极大地满足了人们对优质牛肉的需求[78]。这可能是超声波对肌纤维、线粒体和肌质网等有破坏作用，加快木瓜蛋白酶在肌肉中渗透和扩散，提高了嫩化效果[79]。
　　孙道运等对嫩化淘汰蛋鸡的超声波处理条件进行优化，结果显示，26.4 kHz、400 W超声波处理15 min与CaCl2联合作用嫩化效果最佳[80]，研究发现超声波与氯化钙联合可降低氯化钙的使用浓度，减小氯化钙对肉品的负面影响[59]。冯婷等研究了超声波辅助滚揉对鸡胸肉腌制效果和嫩度的影响，发现随着处理时间的延长，样品剪切力显著降低，肌原纤维小片化指数增加，大分子蛋白降解产生较大小分子蛋白，超声波辅助滚揉不仅促进生鲜鸡胸肉腌制，还对肉品嫩化起显著作用[81]。
　　将超声波与盐及滚揉等嫩化方法两两或多个联合，复合方式嫩化效果显著高于单一方法嫩化，既节省嫩化时间，又显著改善肉品嫩度，是肉品嫩化的研究热点。
　　5 总结
　　综上所述，超声波对嫩化肉品有显著影响。将超声波处理应用于肉品嫩化中，可对肌肉中的一些物质如组织蛋白酶、肌原纤维蛋白等进行激活或者降解，改变其结构或存在状态，从而改善肉品嫩度，优化食用口感，提高肌肉品质。尤其是与其他嫩化方法或者嫩化剂联合作用，嫩化效果会更显著。本研究就超声波嫩化肉品的原理、主要影响因素及其联合其他方法对肉品嫩化的研究进展进行综述，然而在超声波嫩化方面仍有许多待解决的问题，主要包括：（1）目前多数研究集中于牛肉、羊肉和猪肉等，超声波嫩化法应用于鹅肉、鸭肉等尚未深入研究。（2）超声波作为辅助手段与其他嫩化方法联合使用以提高嫩化效率，节约能源。（3）超声波嫩化与化学嫩化剂联用是否会使化学嫩化剂发生化学反应，产生有毒物质或者污染肉品等，为超声波技术改善肉品嫩度，优化肉品品质提供科学基础。
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