超聲波在魚糜制品中的應(yīng)用進(jìn)展

熊 瑤 ，李倩如 ，劉云，黃倩云 ，張 怡 ， 張龍濤 ，鄭寶東

（1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建福州 350002；2.中愛國際合作食品物質(zhì)學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中心，福建福州 350002；3.福建省特種淀粉品質(zhì)科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350002）

0 引言

魚糜制品是以魚肉作為原料，經(jīng)過斬拌、擂潰、成型、凝膠等一系列加工方式制得的一種食品[1]，具有高蛋白、低脂肪、食用方便的特點(diǎn)[2]，深受消費(fèi)者喜愛。隨著生活水平的提高，人們對魚糜制品的需求量也不斷增加，多年的非理性、掠奪性捕撈導(dǎo)致海洋漁業(yè)資源枯竭，優(yōu)質(zhì)魚漿已難以滿足魚糜加工業(yè)需求。淡水魚和劣質(zhì)魚漿的使用，導(dǎo)致魚糜制品的凝膠強(qiáng)度較低，產(chǎn)品口感和風(fēng)味下降。如何通過技術(shù)手段彌補(bǔ)魚漿品質(zhì)下降的短板，提高魚糜制品的凝膠強(qiáng)度和凍藏品質(zhì)，成為產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展亟待解決的技術(shù)問題。

超聲波是一種可持續(xù)的綠色加工技術(shù)，具有良好的發(fā)展前景[3]，被廣泛應(yīng)用于食品研究與加工[4]、化工和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。在食品行業(yè)中的應(yīng)用主要包括超聲波輔助提取、殺菌、超聲波輔助干燥與除氣、無損檢測和提高肉制品品質(zhì)等，在魚糜加工中具有較大的應(yīng)用潛力，也是國內(nèi)外魚糜加工產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)之一，然而關(guān)于超聲波技術(shù)對魚糜制品加工作用的綜述并不多見，對近年來超聲波技術(shù)對魚糜制品作用的研究情況進(jìn)行綜述。

1 魚糜產(chǎn)業(yè)加工現(xiàn)狀及主要技術(shù)瓶頸

我國是全球的漁業(yè)大國，擁有豐富的海洋和淡水漁業(yè)資源。據(jù)《2017中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2016年全國水產(chǎn)總量比上一年增長3.01%，達(dá)到6 901.25×104t，其中海水水產(chǎn)產(chǎn)量占水產(chǎn)總量的50.57%，達(dá)到3 490.15×104t；淡水水產(chǎn)產(chǎn)量占水產(chǎn)總量的49.43%，達(dá)到3 411.11×104t[5]。我國魚糜加工歷史悠久，早在秦始皇時(shí)期就有魚糜制品的相關(guān)記錄，但工業(yè)化生產(chǎn)的歷史并不長，始于1984年初次引進(jìn)冷凍魚糜生產(chǎn)線。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已實(shí)現(xiàn)魚糜產(chǎn)業(yè)的自動化生產(chǎn)，產(chǎn)品主要包括魚丸、魚糕、魚卷、蟹柳、龍蝦丸等。

傳統(tǒng)魚糜是從魚類白肌中提取基質(zhì)蛋白，所得的具有一定保藏期的重要中間產(chǎn)品[6-7]，具有脂肪含量低、營養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)。魚糜根據(jù)加工方式的不同主要被分為冷凍魚糜和生鮮魚糜，由于冷凍魚糜制品克服了生鮮魚糜地域性強(qiáng)、運(yùn)輸困難、食用不便等缺點(diǎn)，是目前市場上流通的主要品項(xiàng)。魚糜加工原料包括白色肌肉和深色肌肉的海水魚和淡水魚，如羅非魚、黃花魚、蜥蜴魚、阿拉斯加鱈魚、沙丁魚、鱸魚和大眼鯛等。

隨著社會的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對于食品的消費(fèi)觀念發(fā)生了轉(zhuǎn)變，低能量、高蛋白、優(yōu)質(zhì)營養(yǎng)的消費(fèi)理念日漸深入人心，魚糜加工產(chǎn)品作為符合這一消費(fèi)理念的優(yōu)質(zhì)選項(xiàng)得到普遍關(guān)注，其為加工的騰飛也注入了新的活力[8]，市場潛力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間巨大，但仍存在一系列的技術(shù)問題和產(chǎn)業(yè)瓶頸亟待解決，主要包括以下3個(gè)方面：①海洋的持續(xù)過度捕撈導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)魚漿日益短缺，品質(zhì)欠佳的低值魚魚漿用量逐漸增大，導(dǎo)致魚糜的凝膠強(qiáng)度普遍較低，產(chǎn)品口感、風(fēng)味下降；③傳統(tǒng)的魚糜加工方法所得魚糜制品品種單一，品質(zhì)提升空間受限，以及優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的缺乏導(dǎo)致現(xiàn)有的魚糜產(chǎn)品難以滿足消費(fèi)者對產(chǎn)品多樣性的需求；④冷凍貯藏過程中蛋白質(zhì)冷凍變性，產(chǎn)品析水、凍裂，進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)。因此，針對產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，發(fā)掘新技術(shù)手段、提升加工技術(shù)水平、改善產(chǎn)品品質(zhì)、開發(fā)新型營養(yǎng)與功能型魚糜是解決目前產(chǎn)業(yè)問題的主要思路。超聲波技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，得到國內(nèi)外研究者的關(guān)注，并期望通過該技術(shù)改善魚糜制品的凝膠強(qiáng)度、凍融穩(wěn)定性等理化指標(biāo)。

2 超聲波技術(shù)

2.1 超聲波在介質(zhì)中的作用機(jī)制

超聲波是指頻率超過人類聽覺極限的聲波，一般人耳的聽覺范圍為20 Hz～20 kHz，而超聲波的頻率范圍可達(dá)20 kHz～1 MHz[9]。超聲波可在固體、液體和氣體3種媒介中傳送[10]，其作用機(jī)制分為空穴效應(yīng)、加熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)?？昭ㄐ?yīng)主要與超聲波在液體媒介中的傳播有關(guān)，超聲波在作用過程中產(chǎn)生正壓和負(fù)壓且周期交替，當(dāng)能量足夠高時(shí)產(chǎn)生的巨大負(fù)壓使氣核從液體中脫離，形成空穴氣泡，在幾個(gè)周期循環(huán)中，氣泡經(jīng)歷振蕩、膨脹、收縮，最終崩潰[11]。加熱效應(yīng)分為瞬時(shí)熱效應(yīng)和連續(xù)熱效應(yīng)2種形式，前者的產(chǎn)生是由于空穴效應(yīng)形成的氣泡破裂或閉合時(shí)引起的瞬間高溫；后者的產(chǎn)生是由于超聲波的連續(xù)作用伴隨著內(nèi)摩擦，一部分的聲波能量被介質(zhì)吸收成為熱能，作用一段時(shí)間后媒介聲場區(qū)的溫度升高。機(jī)械效應(yīng)是由于介質(zhì)中的粒子不斷高速振動，形成速度、聲強(qiáng)、聲壓等力學(xué)量變化所引起的，空穴效應(yīng)也會產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械效應(yīng)。

超聲波通常被分為低頻率超聲波（20～100 kHz）和高頻率超聲波（100 kHz～1 MHz）[12]，其中高頻率超聲波（低場強(qiáng)）具有快速、精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，不會對所作用的介質(zhì)產(chǎn)生破壞而常被應(yīng)用于食品的無損檢測；而低頻率超聲波（高場強(qiáng)）因能量高，能對介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)大剪切力、壓力和高溫，使得介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)改變，可應(yīng)用于物料理化性質(zhì)的改善。對于這2種聲波類型，后者的研究相對較少，但在近幾年，也得到了業(yè)界和學(xué)者的廣泛關(guān)注。

2.2 超聲波在肉制品的中的應(yīng)用

超聲波在蛋制品、乳制品、酒類釀造和肉制品等各種食品加工過程中均有應(yīng)用，在肉制品中的應(yīng)用主要包括肉制品檢測、嫩化和解凍。

在低場強(qiáng)超聲頻率范圍內(nèi)，超聲波在精肉和肥肉中傳播速度有著明顯差異，因此能夠快速無損地檢測出肉制品中精肉的厚度和脂肪含量；除此之外，結(jié)合超聲波成像技術(shù)，也能檢測出復(fù)雜結(jié)構(gòu)肉制品原料的組織結(jié)構(gòu)。Brondum J等人[13]報(bào)道了一種包含16個(gè)超聲傳感器的檢測系統(tǒng)，能夠在線檢測豬胴體，精準(zhǔn)快速分析出豬肉的肥瘦程度。

在高場強(qiáng)超聲頻率范圍內(nèi)，聲波在肌肉中傳播時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大能量，聲耦作用使得肌肉受迫振動，經(jīng)過快速的收縮和伸張肌肉結(jié)構(gòu)被破壞，可緩解肌肉的僵直現(xiàn)象，起到嫩化效果。付麗等人[14]采用控溫的三頻段超聲（22，28，40 kHz；180，240，300 W）處理腌制牛肉，結(jié)果表明在超聲溫度8℃，超聲頻率28 kHz和超聲功率180 W處理下牛肉的保水性和嫩度達(dá)到最優(yōu)。肌原纖維的主要成分是肌動球蛋白，其與肌肉收縮有關(guān)，肌動球蛋白的存在狀態(tài)關(guān)系著肉質(zhì)的軟硬程度和嫩度。在超聲波作用下，蛋白質(zhì)間的連接鍵改變導(dǎo)致肌肉結(jié)構(gòu)的破壞，從而緩解肌肉僵直狀態(tài)，改善肌肉嫩度[15]。

肉品的解凍過程非常緩慢，導(dǎo)致食品加工的成本增加和效率降低，并由于原料暴露時(shí)間的延長增加了食品安全的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)傳導(dǎo)熱的解凍方法由于漏熱和表面過熱等問題限制了解凍效率，超聲波解凍避免了食品內(nèi)部的局部高溫，防止食品解凍過程中不均勻的現(xiàn)象，聲波通過傳質(zhì)傳熱可以有效升高整體介質(zhì)溫度，能夠降低食品汁液流失，更好地保留食品的營養(yǎng)價(jià)值和品質(zhì)。張昕等人[16]研究了超聲波對雞胸肉品質(zhì)影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理可以有效提高雞胸肉的解凍速率，并具有一定的滅菌效果。魚糜在貯藏運(yùn)輸過程中反復(fù)凍融對其品質(zhì)所產(chǎn)生的影響是巨大的，但目前研究者多注重超聲波對雞肉、鴨肉等肉制品的影響，少見有關(guān)超聲波技術(shù)在魚糜解凍工藝方面的應(yīng)用及其對產(chǎn)品品質(zhì)影響的相關(guān)報(bào)道。

3 超聲波對魚糜制品的影響

凝膠強(qiáng)度為破斷力與破斷距離的乘積，其破斷力反映了蛋白質(zhì)分子間結(jié)合的緊密程度，而破斷距離反映了蛋白質(zhì)分子間作用力的強(qiáng)弱，蛋白質(zhì)分子間的緊密程度決定魚糜凝膠抵抗破壞力的能力[17]。魚糜制品的凝膠強(qiáng)度取決于離子強(qiáng)度和肌質(zhì)蛋白的品質(zhì)[18-19]，超聲波處理能夠改變魚糜制品的凝膠強(qiáng)度。不同的超聲場在一定范圍內(nèi)可以產(chǎn)生相同的凝膠強(qiáng)度，但超過一定范圍后魚糜凝膠強(qiáng)度隨超聲場強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)[20]。

張崟等人[21]探究超聲波輔助凝膠化對羅非魚魚糜凝膠性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同超聲頻率和功率處理的不同魚糜凝膠樣品的破斷力和破斷距離的顯著性相似，并指出不同超聲處理對魚糜凝膠強(qiáng)度的提高效果可能相同。Zhang Y等人[22]采用250 W超聲強(qiáng)度處理羅非魚魚糜，結(jié)果表明3種頻率（28 kHz，45 kHz和100 kHz）的聲波都會增強(qiáng)魚糜制品的凝膠強(qiáng)度，并且對照組中鹽溶性蛋白質(zhì)、水溶性蛋白質(zhì)的含量都明顯升高，表明超聲波破壞了羅非魚的肌肉組織且影響了魚糜的凝膠強(qiáng)度。Zhang Y等人[23]對比了超聲波在2種加熱方式中羅非魚魚糜凝膠強(qiáng)度的變化，發(fā)現(xiàn)無論是在40～90℃進(jìn)行升溫式加熱，還是分別在65℃和90℃這2個(gè)溫度恒溫加熱，其魚糜的凝膠強(qiáng)度都顯著提高。Annamaria F A等人[24]將研究對象換成非洲大砍刀魚和羅非魚時(shí)也得到類似的結(jié)論。Fan D等人[20]研究鰱魚魚糜時(shí)也發(fā)現(xiàn)伴隨超聲波強(qiáng)度的增大，凝膠強(qiáng)度也增加，指出超聲波的機(jī)械效應(yīng)提高了蛋白質(zhì)分子相互連接的緊密度，從而提高魚糜的凝膠強(qiáng)度。

持水性、起泡性、乳化性等也是魚糜制品品質(zhì)的評價(jià)指標(biāo)。胡愛軍等人[25]在研究超聲波（160～320 W，5～25 min）對鰱魚魚肉蛋白性質(zhì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：①超聲功率越大，對照組的溶解度、乳化性、乳化穩(wěn)定性、起泡性、氣泡穩(wěn)定性的變化趨勢都是先升高再降低。其中，溶解度、乳化性及乳化穩(wěn)定性的最佳超聲功率是240 W；而在160 W時(shí)，起泡性和氣泡穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)。②隨著超聲時(shí)間的增加各性質(zhì)的變化趨勢同①，但在得出最佳處理時(shí)間時(shí)，發(fā)現(xiàn)除乳化穩(wěn)定性在超聲時(shí)間15 min時(shí)最優(yōu)，其余性質(zhì)的最佳條件都是10 min。由此得出結(jié)論，超聲波處理中的功率和時(shí)間變量與凝膠強(qiáng)度性質(zhì)的變化具有一定相關(guān)性。其他研究者也發(fā)現(xiàn)超聲波處理還會提高魚糜的持水性、硬度和咀嚼性[24]，并且提出這是超聲波脈沖對肌原纖維蛋白分子間的空間產(chǎn)生作用的后果。

4 超聲波對肌原纖維蛋白的影響

肌原纖維蛋白是魚類肌肉的主要蛋白質(zhì)和形成凝膠的主要成分，其凝膠形成能力和乳化特性與肉制品加工質(zhì)量密切相關(guān)。肌原纖維蛋白是一類具有重要生物學(xué)功能特性的鹽溶性結(jié)構(gòu)蛋白群，主要包括肌球蛋白、肌動蛋白、原肌球蛋白、肌鈣蛋白等，占總蛋白含量的50%～55%[26]。超聲波處理魚糜凝膠強(qiáng)度等理化性質(zhì)的影響，目前的研究認(rèn)為主要是引起了魚糜肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)的改變。常海霞等人[27]研究發(fā)現(xiàn)超聲波會破壞草魚肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)，但不影響其一級結(jié)構(gòu)。超聲波處理后的草魚肌原纖維蛋白分子展開，疏水基團(tuán)暴露，使得蛋白分子顆粒分布更均勻。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)超聲波會減少肌原纖維蛋白分子的粒徑、熱聚集程度、內(nèi)源熒光強(qiáng)度及巰基含量，但降低的幅度隨超聲處理的時(shí)間增長而減小。Fan D等人[20]通過圓二色性光譜法分析證實(shí)了超聲波處理對肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)的影響，其中α-轉(zhuǎn)角從35.4%下降到29.8%，β-折疊則從12.4%上升到了18.0%。Annamaria F A等人[24]也得出過類似結(jié)論，認(rèn)為超聲波產(chǎn)生的脈沖直接作用于肌原纖維蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)空間，通過超聲波的空化效應(yīng)對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行一系列按壓和釋壓。Ibrahim G等人[28]也提出超聲波空化作用會產(chǎn)生剪切力、沖擊波，這些作用可能改變蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)。

Zhao Y Y等人[29]在研究雞胸肉肌原纖維蛋白所形成的復(fù)合凝膠的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著超聲強(qiáng)度的增加，復(fù)合凝膠的黏度會先提高后降低。M A等人[30]指出液體介質(zhì)黏度的降低，主要是由于超聲波空化期間所產(chǎn)生的剪切力破壞了蛋白質(zhì)分子間的二硫鍵或疏水相互作用。在聲波空化過程中，由于布朗運(yùn)動和蛋白質(zhì)分子之間或者蛋白質(zhì)與油相之間的弱作用，液體介質(zhì)受到剪切、振蕩等物理力量。當(dāng)剪切速率不斷增加直至可以克服布朗運(yùn)動和分子碰撞時(shí)，乳液液滴在流場中變得更加有序，表現(xiàn)為受到更少的流動阻力，從而導(dǎo)致液體黏度降低。超聲波通過改變肌原纖維蛋白的二級結(jié)構(gòu)提高了肌肉蛋白的持水性，這也證實(shí)超聲波可以應(yīng)用于提高肌原纖維蛋白的保水能力。

5 超聲波對肌動球蛋白的影響

在用超聲波（20 kHz，50 W超聲30 min）處理雞胸肉的肌動球蛋白時(shí)發(fā)現(xiàn)肌動球蛋白的溶解度明顯增加，原因是肌動球蛋白分子發(fā)生了重組。且紫外光譜分析所得的結(jié)果證實(shí)肌球蛋白和肌動球蛋白的構(gòu)象都在聲波的作用下發(fā)生了改變，進(jìn)而改善了肌動球蛋白的功能。Saleem R等人[31]在處理雞胸肉肌動球蛋白時(shí)也有相同發(fā)現(xiàn)，低頻超聲波會顯著改變肌動球蛋白凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高凝膠強(qiáng)度和持水性。研究高強(qiáng)度超聲處理對鵝胸肉肌動球蛋白特性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波處理能夠破壞肌肉的結(jié)構(gòu)從而改變肌肉蛋白質(zhì)之間的連接鍵，促進(jìn)肌動球蛋白由大分子聚合物解離為小分子蛋白，達(dá)到改善肉品品質(zhì)的效果。

綜上所述，聲波通過影響肌動球蛋白的結(jié)構(gòu)來改變雞肉等肌動球蛋白的凝膠強(qiáng)度、持水性等理化特性，但目前鮮見關(guān)于超聲波對魚糜肌動球蛋白影響的報(bào)道。同時(shí)，因肌動球蛋白是一種不溶于水的復(fù)合體，由肌球蛋白和肌動蛋白結(jié)合而成。熱凝膠過程中不同質(zhì)量比例的肌球蛋白和肌動蛋白對肌球-肌動蛋白的加強(qiáng)程度不同[32]，而單獨(dú)的肌球蛋白對凝膠體系的影響已有報(bào)道。因此，進(jìn)一步再單獨(dú)研究超聲波對肌球蛋白或者肌動蛋白的影響可能更有助于闡明超聲波對蛋白質(zhì)的作用機(jī)理，因此需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析來對此進(jìn)行討論。

6 結(jié)語

超聲波技術(shù)在食品工業(yè)中已有廣泛應(yīng)用，其通過特有的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、空穴效應(yīng)等作用可以改善物料的凝膠性能等理化性質(zhì)，由此提高產(chǎn)品品質(zhì)、延長產(chǎn)品貯藏保質(zhì)期。但目前的研究多注重超聲波技術(shù)對雞肉等紅肉原料的影響，超聲波在魚糜生產(chǎn)、加工及貯藏方面的研究還較少。為進(jìn)一步探明超聲波技術(shù)對魚糜蛋白的作用機(jī)理，提出了以下幾種研究的思路：①簡化研究對象，分別考查超聲波對肌球蛋白、肌動蛋白的影響來對超聲波技術(shù)在魚糜中的應(yīng)用機(jī)理進(jìn)行闡明；②擴(kuò)展超聲波技術(shù)在魚糜解凍方面的應(yīng)用來抑制魚糜在貯藏運(yùn)輸過程中反復(fù)凍融的品質(zhì)損傷；③超聲波技術(shù)對魚糜的安全性影響存在爭議，需要更多的試驗(yàn)研究來確認(rèn)。此外，如何將超聲波技術(shù)大規(guī)模運(yùn)用應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)加工過程中也是有待進(jìn)一步研究的課題。