超聲波技術在肉品加工中的應用以及對肉品風味前體物質(zhì)的影響

王娟娟,周昌瑜,王 沖,鄭燕燕,葉可萍,唐長波,周光宏

(南京農(nóng)業(yè)大學食品科技學院,國家肉品質(zhì)量安全控制工程技術研究中心,江蘇南京 210095)

隨著當代人民生活水平的提高,人們開始追求高品質(zhì)的健康生活,尤其在對于食品的選擇與烹調(diào)上。低溫烹調(diào)、清淡飲食已當成為我國人民不斷追求的健康生活方式,而食品加工技術地不斷發(fā)展,為人類提供了可部分替代熱加工食品的非熱加工食品,提高了大眾生活質(zhì)量[1]。

在食品加工技術中,熱加工是使用高溫加熱來殺滅食品中的微生物和使酶失活,是目前最常用的加工技術。但是,熱加工過程在某些情況下會引起食品發(fā)生化學或物理變化,導致食品的感官評分下降,營養(yǎng)物質(zhì)含量降低,活性成分利用率降低[2-3]。在某些加工條件下甚至會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì),如丙烯酰胺[4]、呋喃[5-6]等。因此,相對營養(yǎng)安全的食品非熱加工(超聲波、超高壓、微波、輻照等)已成為目前食品加工領域的研究熱點。與食品的熱加工相比,食品非熱加工不僅可以殺菌消毒、鈍酶,更可以減少食品中營養(yǎng)物質(zhì)的流失,活性成分的降低,以及有害物質(zhì)的生成,從而改善食品的感官特性、食用品質(zhì)、營養(yǎng)功能和提高食品安全性[1,7]。在國內(nèi)外的食品生產(chǎn)實踐中,超聲波技術已經(jīng)得到了一些應用,主要體現(xiàn)在殺菌、腌制、嫩化、解凍、無損檢測,以及利用超聲波輔助提取食品中的成分等方面。本文詳細綜述了超聲波在肉類的殺菌、腌制、嫩化、解凍和無損檢測中的應用,并闡述了超聲波處理對肉類風味前體物質(zhì)的影響。

1 超聲波技術

超聲波具有高頻、高功率、短波長、良好的方向性等特點,特別是強大的穿透力和高能量[8],在實際應用中,有兩種分類,即檢測超聲波和功率超聲波。檢測超聲波產(chǎn)生的超聲波高頻低能,常用來分析和檢測食品質(zhì)量;功率超聲波產(chǎn)生的超聲波低頻高能,通常用于食品殺菌消毒、解凍、干燥、提取、過濾和均質(zhì)化等。低頻高能超聲波應用在食品行業(yè)的時間比高頻低能超聲波短,但它有很大的上升和發(fā)展空間,現(xiàn)主要用于食品的殺菌、凍結、解凍和干燥等[9]。超聲波技術作用的理論依據(jù)主要有三種,分別為空化效應、熱效應和機械作用[10-11]。

空化效應是指超聲波傳播于液體介質(zhì)中時,液體微粒往往會劇烈地振動,從而產(chǎn)生大量的小氣泡(即在液體的內(nèi)部產(chǎn)生一些小空洞),液體中的微小氣泡核隨著超聲波的傳播作用產(chǎn)生振動后,聲壓隨之上升,當達到一定值時,氣泡便會迅速地生長膨大再崩潰閉合,使得液體中的小微粒之間發(fā)生劇烈的碰撞,在小氣泡中發(fā)生的一系列生長和崩潰的動力學過程是超聲波的空化。

熱效應是超聲波傳播在介質(zhì)中,其輻射聲強大于1 W/cm2時,便會產(chǎn)生顯著的熱效應。隨著超聲波的傳播,介質(zhì)不斷地吸收其振動和摩擦產(chǎn)生的能量,并將其轉化為自身的熱能,介質(zhì)整體溫度和邊界外的局部溫度會因此升高。超聲波在介質(zhì)中頻率越高,所產(chǎn)生的熱效應就會越強。

機械效應為超聲波傳播在介質(zhì)中時,介質(zhì)質(zhì)點的壓縮和伸張會交替地進行,壓力會因此發(fā)生變化,壓力產(chǎn)生的變化便導致了機械效應。在液體中,機械振動導致在能量傳播時引起有效的流動和攪動,破壞液體介質(zhì)的結構,液體中的顆粒被粉碎,普通低頻機械攪拌,不能達到如此顯著的效果。

2 超聲波技術在肉類加工中的應用

2.1 在肉類殺菌中的應用

超聲波產(chǎn)生的空化作用可用于對肉品進行殺菌[11]。該作用過程產(chǎn)生的壓力將會產(chǎn)生達到50 MPa以上,微生物細胞中的內(nèi)容物會發(fā)生劇烈地振蕩,細菌、病菌等細胞結構會隨之破裂并達到有效的殺菌作用。此外,經(jīng)過超聲波處理后的肉及肉制品,活細胞的增殖會受到抑制、酶的活性會受到影響,殺菌效果明顯提高[12-13]。超聲波可以在較好地保持肉類產(chǎn)品中的營養(yǎng)物質(zhì)和風味等食用品質(zhì)的基礎上,有效殺滅肉品中的微生物,所以,超聲波殺菌技術在肉及肉質(zhì)品的加工中應用前景非常廣闊。

張磊等[14]利用超聲波預處理真空包裝后的鹵牛肉進行超聲殺菌,發(fā)現(xiàn)與對照組相比,隨著超聲時間、功率和溫度的增大,菌落總數(shù)隨之降低,同時,肉的嫩度也得到改善。靳慧杰[15]通過在超聲功率為40 kHz條件下,對冷卻豬肉進行0、5、10、15、20、25、30 min的超聲處理,發(fā)現(xiàn)隨著時間的延長,殺菌率增加,但大于20 min的處理組之間殺菌率變化不顯著。Lillard等[16]研究顯示,20 kHz、15～30 min的超聲波處理,能有效減少肉雞皮上沙門氏菌總數(shù),減少量高于含氯溶液方法消毒處理。

2.2 在肉類腌制中的應用

在肉類腌制中,傳統(tǒng)的腌制方法主要有干腌、濕腌、鹽水注射和滾揉腌制等,若結合超聲波處理,腌制時間將會大大地縮短,腌制速率得到顯著提高,應用在肉類生產(chǎn)中,將會大大地提高生產(chǎn)效率。在超聲波的作用下,某些酶和細胞被激活并參與各種生理和化學反應,同時增強了細胞內(nèi)外的質(zhì)量傳輸,細胞新陳代謝過程被加速,氯化鈉在肉中的滲透與擴散作用得到促進,最終使得腌制時間有效地縮短[13]。

鐘賽意[10]研究發(fā)現(xiàn),超聲波腌制時,食鹽和香辛料等的溶出得到促進,并可以滲透到鴨肉組織中,既可以縮短腌制時間,又可以促進入味,提高口感。而且結果還表明,超聲頻率、功率、腌制液的鹽分、腌制時間分別為26.4 kHz、400 W、12%、80 min時,腌制效果最好。馮婷等[17]分別比較了利用靜置、滾揉和超聲波對生鮮雞肉腌制的效果,結果表明,超聲波處理組與靜置和滾揉處理組相比,在40～60 min的腌制效果相當于與靜置處理和滾揉處理120 min或者更長時間的腌制效果,大大縮短了腌制時間。唐善虎等[18]研究結果顯示,超聲波腌制對牦牛肉的腌制,在較短時間75 min就可以達到感官品質(zhì)總分31.2分的效果,而普通腌制條件下,48 h的感官品質(zhì)總分為27.4分,可見超聲波腌制大大縮短了肉類腌制時間,且提高了感官得分(感官總分為36分)。

2.3 在肉類嫩化中的應用

肉類加工中常用的嫩化技術主要包括有物理嫩化、化學嫩化和生物嫩化。物理嫩化以滾揉、吊掛和電刺激為主,但會影響肌肉組織結構的美觀;化學嫩化以添加磷酸鹽、鈣鹽等為主,但會因注射操作造成針狀損壞及影響肉類風味;生物嫩化主要基于在肉中添加木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等,同樣會因注射操作不可避免地產(chǎn)生針狀損傷。而超聲波應用于肉的嫩化時,在空化作用、熱效應、機械作用的聯(lián)合作用下,有效地破壞了肉的肌原纖維蛋白、結締組織以及溶酶體,促進了肌肉的成熟,而且肉的風味和色澤不受影響[8,13]。

Jayasooriya等[19]研究結果表明,超聲條件為24 kHz、12 W/cm2的處理可以對牛肉的剪切力、硬度、蒸煮損失造成顯著地降低,而不影響牛肉的色澤。付麗等[20]以牛肉為研究對象,在利用不同超聲處理條件下,發(fā)現(xiàn)超聲的頻率、功率、溫度、時間分別為28 kHz、180 W、8 ℃、180 min時,牛肉具有最優(yōu)的保水性和嫩度。目前,超聲波與氯化鈣溶液相結合產(chǎn)生的協(xié)同作用,比單獨使用兩種處理達到的效果更好。張坤等[21]研究結果顯示,超聲波與AMP(一磷酸腺苷)聯(lián)合處理鵝胸肉,在低超聲功率和短時間AMP處理下,達到更佳的嫩化效果,且鵝胸肉剪切力與肌原纖維小片化指數(shù)、肌動球蛋白解離程度呈顯著負相關。Zou等[22]研究結果也顯示,超聲作用能顯著增加鵝乳腺肌肉中肌動球蛋白的游離量。

2.4 在肉類解凍中的應用

傳統(tǒng)的解凍方法有靜水解凍、流水解凍、空氣解凍等,與傳統(tǒng)解凍方法相比,超聲波解凍更加快速,效率高、能效高[8]。食品已凍結區(qū)比未凍結區(qū)對超聲波的吸收高出幾十倍,其中,食品對超聲波吸收能力最大是在初始凍結點附近。超聲波加快了熱在介質(zhì)中的傳遞[23],其攜帶的許多能量可以在肉的凍結處和凍結表面被很好地吸收。

Shore等[24]研究報道,超聲波在凍結肉介質(zhì)中傳播時,衰減程度比在未凍結肉中大,而且隨著溫度的增加,衰減隨之顯著增加,當達到起始冷凍點時有最大值。從其衰減溫度曲線來看,超聲波解凍比微波解凍更加快速和穩(wěn)定。張昕等[25]研究結果表明,超聲波解凍相比于傳統(tǒng)的靜水解凍,不但可以有效提高雞胸肉解凍速率,而且能夠顯著地改善其新鮮度,但超聲波處理對解凍后的雞胸肉品質(zhì)產(chǎn)生了一定的負面影響。針對不同的超聲功率解凍,綜合比較得出180 W對肉的品質(zhì)影響最小。蔣奕等[26]研究超聲波解凍對豬肉品質(zhì)的影響,當利用不同的超聲功率處理豬肉時發(fā)現(xiàn),超聲波處理雖然可以縮短解凍時間,但會導致?lián)p失較多的汁液,而且,隨著超聲波功率的增大,會增大豬肉的蒸煮損失。

2.5 在肉類無損檢測中的應用

超聲波檢測是指0.5～20 MHz的高頻聲波與不同物質(zhì)之間相互作用,通過被測物質(zhì)聲學特性獲得物質(zhì)內(nèi)部組織結構變化和理化性質(zhì)的一種無損檢測技術[27]。當超聲波在不同介質(zhì)中穿過時,會發(fā)生反射、投射、散射和吸收,由于穿過時產(chǎn)生不同的衰減系數(shù)等特征參數(shù),則肉品與聲波相互作用時所產(chǎn)生的特征信息便可以通過穿透之前和穿透之后特征參數(shù)的變化來確定,從而達到對肉類進行快速無損檢測的要求[28]。

李濤[29]利用超聲波識別生豬肉中豬眼肌肉脂肪含量的B超圖像,并結合支持向量機分類器不僅可以很好地檢測對豬眼肌脂肪含量,并以此進行分類,而且識別正確率可以達到94.9%,為無損檢測在生豬脂肪含量的應用上提供了一定的參考。Correia等[30]發(fā)現(xiàn),將超聲波聲速的變化用來檢測剔骨的雞胸肉中的碎骨,可以為經(jīng)常食用雞胸肉的人群提高安全性。De等[31]通過建立的回歸模型發(fā)現(xiàn),利用超聲波技術檢測腌制豬肉中鹽分和水分的含量與超聲波的傳播速度呈線性相關,即超聲波技術可以應用在預測腌制肉中鹽分和水分含量上。

3 超聲波處理對肉類風味前體物質(zhì)的影響

肉在加工成肉制品后的風味物質(zhì)由多種揮發(fā)性化合物組成,包括醛類、醇類、酯類、酮類等,而肉類最終香味和滋味的形成,主要由風味前體物質(zhì)游離氨基酸、肽類、還原糖、硫胺素、游離脂肪酸等經(jīng)過一系列化學變化產(chǎn)生[32]。以下主要綜述目前超聲波對肉風味形成中的前體物質(zhì)氨基酸和脂肪酸的影響。

3.1 超聲波對肉中氨基酸的影響

氨基酸在肉類加工過程中,主要通過降解以及和還原糖發(fā)生美拉德反應而產(chǎn)生風味物質(zhì)。美拉德反應十分復雜,反應過程中會生成一系列芳香化合物,包括呋喃、吡嗪、吡咯、含硫含氮化合物以及雜環(huán)化合物。其中,在前期階段會產(chǎn)生風味活性物質(zhì)糠醛(中間產(chǎn)物),它是最終形成的雜環(huán)化合物的前體物質(zhì)[33]。氨基酸種類、含量越多,反應后產(chǎn)物風味越豐富,對風味影響越大。

蛋白質(zhì)通過水解為游離氨基酸后,發(fā)生與還原糖的美拉德反應。陳海燕[34]研究發(fā)現(xiàn),適當?shù)臒崽幚砘蛘叱暡ㄌ幚砭墒锅喨庵械鞍踪|(zhì)的水解速度加快,熱處理需要75 ℃,15 min達到約53%的蛋白水解度,而中頻49.8 kHz的超聲波處理10 min可以達到約58%的蛋白水解度。兩者相比之下,超聲波預處理具有更好的加速效果。鐘賽意[10]發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以在腌制鴨肉時增加蛋白質(zhì)的水解,超聲波腌制相比濕腌和干濕混合腌制兩種傳統(tǒng)的腌制方法,可以顯著提高游離氨基酸含量(p<0.05),而游離氨基酸對肉制品的風味形成具有著重要的作用。Perez-Santaescolastica等[35]在單獨使用熱處理和超聲波輔助熱處理干腌火腿時,發(fā)現(xiàn)超聲波輔助熱處理有更高的總游離氨基酸含量,超聲波輔助熱處理組總游離氨基酸量為6691.5 mg/100 g,而單獨使用熱處理組為6067.5 mg/100 g。因此,干腌火腿中超聲波協(xié)助處理將有助于火腿中形成風味物質(zhì)。

3.2 超聲波對肉中脂肪酸的影響

脂肪酸在肉類加工過程中主要通過熱降解產(chǎn)生香味,在揮發(fā)性風味物質(zhì)中的醛類主要由其氧化降解產(chǎn)生,醛類閾值一般很低,所以在肉類眾多揮發(fā)性風味中貢獻較大。Cameron等[36]認為肉中含有高含量的飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸可以提高肉的風味,改善肉的質(zhì)構,但高含量的多不飽和脂肪酸則會降低肉的風味和質(zhì)構,可能因其易氧化腐敗所致。所以在肉中多不飽和脂肪酸的含量越低,風味會越好。在肉類加工過程中,利用超聲波對其進行不同頻率和不同時間的處理,對肉中脂肪酸影響不同,特別是,它對飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的相對含量有影響。

Ojha等[37]研究結果表明,不同頻率的超聲波會顯著影響牛肉干的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸的含量以及三者之間的比例。雷辰等[38]發(fā)現(xiàn),在五花豬肉燉煮結束后,超聲組與傳統(tǒng)組相比,多不飽和脂肪酸降低顯著(p<0.05),而且在燉煮結束后,超聲組的多不飽和脂肪酸比傳統(tǒng)組降低更加顯著,燉煮風味也更好。

綜上,超聲波在肉品加工有著重要作用,它通過影響風味前體物質(zhì),尤其是肉中游離氨基酸、脂肪酸的含量來影響肉中風味的形成與變化。超聲處理對氨基酸的影響主要通過促進蛋白水解為游離氨基酸,使得大量氨基酸經(jīng)過各種反應途徑生產(chǎn)各種風味物質(zhì),對脂肪酸的影響主要通過影響肉中各種脂肪酸的組成與含量,使得不同的脂肪酸降解為不同風味物質(zhì),最終影響肉品的風味變化。

4 結論與展望

本文介紹了超聲波技術在肉品加工中的應用,以及對肉品風味前體物質(zhì)的影響。超聲波技術廣泛應用于肉類加工,在一定頻率和時間下的超聲處理對氨基酸和脂肪酸有一定的積極影響。超聲波作為一種先進的肉品加工技術之一,提高了加工效率,且節(jié)約能源,有很大的開發(fā)應用價值。超聲波處理后不僅可以提高肉品的品質(zhì)、安全性,還可以增強產(chǎn)品風味,但目前在實際生產(chǎn)中的應用還不夠成熟,一方面,要想使肉制品品質(zhì)、安全性和風味三者同時得到提高,單一使用超聲波處理可能無法達到理想的效果,這就需要肉品領域的研究人員將超聲波技術和其他技術聯(lián)合使用,研究如何產(chǎn)生協(xié)同作用使超聲波技術得以廣泛深入地應用。另一方面,要研究清楚超聲設備在應用于肉類加工時的機制,這樣才能設計出更適合實際應用的超聲設備。