高功率超聲波對蛋白質功能特性的影響及其在肉品加工中的應用研究進展

康大成，劉云國，張萬剛

（1.臨沂大學生命科學學院，山東 臨沂 276000；2.南京農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，教育部肉品加工與質量控制重點實驗室，江蘇 南京 210095）

食品中的蛋白質可為人體提供能量和各類氨基酸，具有重要營養(yǎng)特性，另一方面蛋白質自身的功能性質對食品的加工特性有重要意義，是優(yōu)化食品加工工藝的重要理論基礎[1]。蛋白質的功能特性可定義為在食品加工、保藏、制備和消費期間影響蛋白質在食品體系中性能的物理和化學性質[2]。蛋白質的功能特性主要包括3 方面：1）蛋白質水合作用：包括蛋白質的水/油親和性、潤濕性、溶解性和增稠性等；2）蛋白質表面活性：如疏水/親水性、凈電荷或影響蛋白質-脂質膜形成的電荷分布、起泡性和乳化性等；3）蛋白質結構的改變：如形狀、大小、氨基酸組成和序列，它們可影響蛋白質流變特性、黏度、彈性、黏附性、聚集性和凝膠性等[3]。

影響蛋白質功能性質的因素可歸為3 類：生物（主要是酶的作用）、化學和物理作用[3]。在食品加工過程中，蛋白質還可與食品中水分、脂肪、糖類以及其他組分相互作用從而改變其功能性質；另外，外界加工條件如溫度、水分活度、離子強度和pH值等也會影響蛋白質結構，進而對蛋白質的功能性質產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)蛋白質改性方法如酸堿水解、熱處理、冷凍-解凍、氧化處理和脫水處理等技術已有廣泛研究，然而這類技術的高能耗提高了食品加工的成本，產(chǎn)品的質量與安全性也需進一步評估。近年來，一些新興的物理加工手段如超高壓、微波、脈沖電場、歐姆加熱和超聲波技術等得到了越來越多的研究，其能夠在基本不影響食品營養(yǎng)品質的前提下改善蛋白質的功能特性，因此其在提高產(chǎn)品質量、開發(fā)新產(chǎn)品和提高能源利用率方面優(yōu)勢顯著，具有廣闊的應用前景[4]。

超聲波輔助加工技術因其可改善食品的化學、物理和功能特性，目前已廣泛應用于食品生產(chǎn)、食品改性、食品分析等方面[5-7]。在處理過程中，超聲波通過液體介質時產(chǎn)生的縱波可與液體、溶解的氣體相互作用形成“聲空化”現(xiàn)象[8-9]，空化氣泡在振動和破碎過程中引起介質的各種物理和化學反應，如沖擊波、超聲微噴流、紊流、剪切力[10-11]、自由基生成[12-13]等，這些現(xiàn)象可促進物料質量及能量傳輸[14-15]，同時縮短加工時間，改善產(chǎn)品質量，延長產(chǎn)品貨架期[4]。Awad等[16]按超聲波頻率和強度將超聲波分為低功率（高頻，100 kHz～1 MHz）超聲波和高功率（低頻，16～100 kHz）超聲波，低功率超聲波超聲強度低于1 W/cm2，主要用于測定樣品組成成分、物理化學性質及在線無損檢測；而高功率超聲波（也稱功率超聲波）的超聲強度高于1 W/cm2，主要用于食品加工、殺菌保鮮及其他輔助應用[17]。因此在食品加工領域，主要應用的是高功率超聲波。本文首先綜述了高功率超聲波對蛋白質功能特性的影響，同時，由于肉中的主要成分為蛋白質（約占干質量的75%～80%），其結構和功能的變化必然對產(chǎn)品質量產(chǎn)生影響，因此進一步介紹了超聲波技術在肉品加工中的應用進展。

1 高功率超聲波對蛋白質功能特性的影響

1.1 溶解性

蛋白質的功能特性受蛋白質溶解性的影響較大，溶解性也是蛋白質功能性產(chǎn)生的基礎，在肉品加工中蛋白質的溶解性或提取性是肌肉蛋白質功能特性之一[18]。影響蛋白質溶解性的主要機制在于蛋白質-蛋白質分子間的疏水相互作用或蛋白質-水間的離子相互作用，前者使蛋白質溶解性降低，而后者使蛋白質溶解性增加。因此采用技術手段降低蛋白間的疏水相互作用、提高蛋白質與水間的相互作用是提高蛋白質溶解度的方法之一。

研究表明，高功率超聲波處理能夠使蛋白質結構展開，使更多的親水性氨基酸處在外層，從而提高蛋白質的溶解性[19-20]。Arzeni等[21]以20 kHz、直徑為13 mm的超聲波探頭處理乳清蛋白、大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）和卵白蛋白溶液，結果表明，除乳清蛋白溶液外，SPI和卵白蛋白的溶解性均有所提高，其原因在于超聲波處理（20 min）時溶液溫度可升至43～45 ℃[20]，溫度升高可促進蛋白質聚合物的解體，降低大分子蛋白顆粒數(shù)量的同時提高蛋白質與水間的相互作用，從而有利于蛋白質的溶解。但Tang Chuanhe[22]、Hu Hao[23]等的研究結果表明，SPI經(jīng)超聲波處理后可形成可溶性聚合物，將疏水性氨基酸殘基掩蔽在聚合物中心，使外層親水性氨基酸殘基數(shù)量相對增高，溶解性提高。這兩種截然相反的結果可能是處理樣品的濃度、溫度、pH值及超聲波設備頻率不同所造成的。

此外對SPI和牛肌原纖維蛋白的研究表明，蛋白質溶解性隨超聲波強度的增大和處理時間的延長而增大（超聲波強度＞2.39 W/cm2，處理時間20～90 min），且表面疏水性與溶解性呈正相關[23-25]。但Zou Ye等[26]認為超聲波強度在1.15～2.36 W/cm2范圍內可顯著提高雞肌動球蛋白的溶解性和表面疏水性，高超聲波強度11.43 W/cm2條件下處理時可使蛋白形成聚合物，蛋白溶解性和表面疏水性均顯著降低。因此綜合多數(shù)研究來看，適度超聲波處理條件可暴露出包埋在蛋白內部的疏水基團，增加蛋白表面疏水性，使蛋白質構型由不溶性向可溶性轉變，增大了蛋白-水的相互作用，從而促進蛋白質溶解性的提高[21]。因此在實際應用時需要根據(jù)蛋白質的固有特性來設定超聲波處理參數(shù)，否則超聲波強度過大或處理時間過長可引起蛋白質過度變性聚集，導致蛋白質溶解性的喪失。

1.2 界面性質

1.2.1 起泡性

蛋白質具有起泡性的原因在于其是天然的兩性物質，能夠自發(fā)地遷移至氣-水界面來降低液膜和氣泡間的表面張力。蛋白質起泡能力受到自身性質和外界環(huán)境的影響，通常評價蛋白質起泡性的指標有起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，高功率超聲波的空化效應可使蛋白質部分變性、展開，通過暴露出更多疏水區(qū)域來提高泡沫穩(wěn)定性，通過降低蛋白粒徑使蛋白迅速分布到空氣-水界面上來改善起泡能力和泡沫體積[20,27-31]。

近年研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理對不同來源的蛋白質起泡能力和泡沫穩(wěn)定性具有不同影響[32]。Sheng Long等[33]采用90、120、240、360 W和480 W功率的超聲波（20 kHz）處理卵白蛋白10 min后發(fā)現(xiàn)，360 W超聲波處理可使卵白蛋白具有最大起泡能力（260%），然而超聲波處理卻降低了蛋白質泡沫穩(wěn)定性。Xiong Wenfei等[34]認為超聲波處理可通過提高蛋白表面疏水性和降低表面凈電荷來提高卵清蛋白起泡能力，但對泡沫穩(wěn)定性無顯著影響。此外，Arzeni等[35]發(fā)現(xiàn)采用直徑為13 mm的探頭在20 kHz、（4.27±0.71）W的條件下對卵白蛋白進行超聲處理后，蛋白起泡性和泡沫穩(wěn)定性均下降。然而Amiri等[25]研究認為3 g/100 mL肌原纖維蛋白溶液在超聲波（20 kHz，100～300 W，0～30 min）處理后其起泡能力和起泡穩(wěn)定性均有所提高。產(chǎn)生上述差異結論的原因主要在于超聲波處理條件、蛋白質自身分子性質如溶解性、疏水性、極性基團的分布和分子質量等。一般認為，蛋白質的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性之間存在矛盾，因此一個同時具有良好起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的蛋白質，應當在柔性和剛性之間保持平衡，以適應分子展開和參與界面上的分子間相互作用。近年來研究發(fā)現(xiàn)，過度超聲波處理后蛋白質之間會形成共價或非共價聚合物[24,34]，導致蛋白粒徑的增大，在起泡過程中不能迅速吸附至氣-液表面，從而降低蛋白質的起泡性。因此在實際應用中應結合蛋白質自身性質，根據(jù)所需的工藝要求選擇合適的超聲波處理條件，使蛋白質在展開-聚合間得到適當?shù)钠胶?，從而獲得具有良好起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的蛋白溶液。

1.2.2 乳化性

乳化性是蛋白質的重要功能特性，多數(shù)食品如牛乳、冰淇淋、奶油等需要蛋白質在其中自發(fā)地展開和分散，在油-水或氣-水界面形成蛋白吸附層，從而起到形成和穩(wěn)定乳狀液的作用。一些新低脂食品的開發(fā)也取決于能否在加工過程中運用乳化技術。對于西式乳化腸，肌原纖維蛋白的乳化能力和效果對產(chǎn)品的出品率、保水性和質構特性等具有重要影響，這也是提高產(chǎn)品凝膠性和品質的理論基礎。因此，選擇乳化能力強的蛋白質或采用新技術對蛋白質進行處理提高其乳化能力，對于食品工業(yè)具有重要實際意義。

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與蛋白質起泡性質類似，常用的評價蛋白質乳化性的指標有乳化能力和乳化穩(wěn)定性。超聲波處理對蛋白質乳化性的影響，從宏觀層面來看可通過提高分散相體積分數(shù)、降低液滴粒徑和絮凝程度來提高蛋白質的乳化性[36-38]。從分子層面，超聲波產(chǎn)生的空化效應能夠提高蛋白質溶解性、表面疏水性和分子柔性，使之能夠迅速吸附至油-水或氣-水界面，從而有助于提高蛋白質的乳化能力[36,39]。值得注意的是，超聲波對蛋白質乳化性的影響與蛋白質種類、蛋白質與油或其他組分相互作用、蛋白質預處理條件和超聲波處理順序等相關。

De Figueiredo等[40]在300 W、20 kHz條件下采用直徑1.3 cm的超聲探頭對1 g/100 mL酪蛋白酸鈉和1 g/100 mL乳鐵蛋白分別超聲處理2、4、6 min后發(fā)現(xiàn)，酪蛋白酸鈉分子直徑顯著降低而乳鐵蛋白直徑則增大，進一步分析表明，乳鐵蛋白在經(jīng)超聲波處理后可產(chǎn)生非共價聚合物，導致分子間靜電斥力增大，蛋白二級結構中β-折疊含量降低，無規(guī)卷曲含量升高，同時蛋白表面疏水性也顯著提高；然而超聲波處理對酪蛋白酸鈉蛋白結構卻無顯著影響。因此超聲波處理后的乳鐵蛋白可在油-水溶液中分散成較小的液滴并形成穩(wěn)定的乳化體系。O'Sullivan等[41]對比了動物蛋白如牛明膠（bovine gelatin，BG）、魚明膠（fish gelatin，F(xiàn)G）和卵清蛋白（egg white protein，EWP）以及植物蛋白如豌豆分離蛋白（pea protein isolate，PPI）、SPI和大米分離蛋白（rice protein isolate，RPI）經(jīng)超聲波處理乳化性能的差異。結果發(fā)現(xiàn)，與未超聲處理相比，處理后FG、SPI和RPI形成的液滴粒徑和乳化液穩(wěn)定性無顯著差異，這表明超聲波處理對界面處蛋白變性速率和界面張力無顯著影響；但超聲波處理后的BG、EWP和PPI液滴粒徑顯著降低，乳化液穩(wěn)定性提高，這與界面表面張力降低和蛋白表面疏水性增大有關。因此為獲得穩(wěn)定的蛋白質乳化液，應綜合考慮蛋白質的來源和分子結構的差異，選擇合適的超聲波條件進行處理。

此外，Taha等[42]報道稱，將SPI（1 g/100 mL）分別與中鏈三酸甘油脂（medium chain triglycerides，MCT）、棕櫚油、大豆油和菜籽油（體積分數(shù)10%）在超聲波條件下（20 kHz）進行乳化處理，其中MCT與SPI乳化處理18 min時形成的液滴粒徑最小，為（0.5±0.0）μm，形成的乳化體系最穩(wěn)定，其原因在于超聲波處理后SPI在MCT形成的乳化液滴的油-水界面上的吸附量最大，同時較高的ζ-電位測定值也證實了MCT乳化液體系的穩(wěn)定性。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在90 ℃進行熱處理時，棕櫚油所形成的乳化體系具有更高的熱穩(wěn)定性。因此超聲波處理時間和油的種類對于乳化液的物理化學性質影響較大。

超聲波與其他方法（熱處理、酸堿處理等）協(xié)同處理可對蛋白溶液乳化液的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。Shen Xue等[43]分別將乳清蛋白在超聲波處理前后進行85 ℃熱處理30 min，該學者發(fā)現(xiàn)蛋白經(jīng)熱處理后再進行超聲波處理（20 kHz，31 W/cm2）20 min，所形成的蛋白質聚合物粒徑最小，表面疏水性和表面活性巰基含量升高，因此得到的乳化液穩(wěn)定性也最好。Jiang Zhanmei等[44]分析了乳清蛋白在75 ℃預處理15 min后，超聲波處理對轉谷氨酰胺酶交聯(lián)的乳清蛋白乳化性的影響。結果表明，熱處理后的乳清蛋白經(jīng)超聲波處理和轉谷氨酰胺酶交聯(lián)后形成的蛋白聚合物粒徑最大，同時乳化性和起泡性較其他處理組顯著提高。上述結果表明，超聲波處理有助于提高蛋白乳化液的穩(wěn)定性，對蛋白進行預熱處理更有利于發(fā)揮超聲波的作用。此外，蛋白質在超聲波處理前進行酸堿處理也會對乳化液穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。Jiang Shanshan等[45]先將豌豆分離蛋白溶液的pH值分別調節(jié)為2、4、10和12后，再用直徑13 mm超聲波探頭處理5 min（20 kHz，68 W/100 mL），最后將溶液pH值調至中性。結果顯示，溶液pH 12時，與超聲波結合處理可顯著降低蛋白聚合物粒徑，提高蛋白質溶解性和表面疏水性，其原因在于堿性條件可導致蛋白部分展開，超聲波的空化效應進一步破壞蛋白間的非共價相互作用和二硫鍵，從而產(chǎn)生大量小分子蛋白；因此研究人員推測該處理組合有助于提高蛋白質乳化性。

1.3 黏度

蛋白質體系的黏度是流體食品的主要功能性質，在食品輸送、混合、加熱、冷卻和噴霧干燥等過程中，涉及到質量和熱的轉移，因此是流體食品加工必須考慮的重要功能性質。對于蛋白質溶液，其黏度大小主要受蛋白質分子固有特性、蛋白質-溶劑間相互作用和蛋白質-蛋白質間相互作用影響。多數(shù)蛋白質溶解性或吸水性與黏度之間存在指數(shù)相關性[46]。

高功率超聲波處理可改變溶液中蛋白質的粒徑和聚集程度，因此對蛋白質溶液的流變性也會產(chǎn)生影響。在超聲波對溶液流體種類和黏度影響的規(guī)律上，不同研究報道的結果之間存在差異。Arzeni等[21]認為10 g/100 mL的濃縮乳清蛋白（whey protein concentrate，WPC）、500E SPI和卵清蛋白（egg white protein，EW）為剪切稀化流體，其流變指數(shù)均小于1，超聲波處理后黏度值顯著下降，特別是SPI溶液，其黏度值從2 896 mPa·s下降至46.60 mPa·s，研究還發(fā)現(xiàn)超聲波處理后溶液流變指數(shù)趨近于1，流體類型也更趨近于牛頓流體；此外對肌原纖維蛋白和酪蛋白酸鈣等溶液的研究也得到類似的結論[25,36]。另一方面，Khatkar等[47]采用150 W超聲波處理質量分數(shù)12.5%的乳清蛋白溶液19.5 min后，溶液黏度亦顯著下降，并認為該蛋白溶液為牛頓流體。上述研究表明，超聲波的空化效應可降低分子直徑、破壞分子間相互作用力、改變蛋白質空間結構，使之部分展開并暴露出更多的疏水基團，分子間距離增大從而使其流動性增加[41]。

Kre?i?等[48]則認為質量分數(shù)10%的濃縮WPC和乳清分離蛋白（whey protein isolate，WPI）為剪稠流體，超聲波處理后其表觀黏度在剪切速率1 240 s-1時均從（7.0±0.1）mPa·s上升至（8.0±0.1）mPa·s，但流體類型未發(fā)生改變。Jambrak等[20]分析了超聲波處理對質量分數(shù)10% SPI溶液黏度的影響，結果發(fā)現(xiàn)超聲波處理可顯著提高溶液黏度，并認為超聲波處理可促進氨基酸親水基團與其周圍水的水合作用，導致與水分子的結合量增加，從而增大蛋白質溶液黏度。有人指出超聲波處理過程中溫度的升高也是導致溶液黏度增大的原因[23]。

Jambrak等[49]的另一項研究發(fā)現(xiàn)，超聲波對α-乳清蛋白溶液表觀黏度無顯著影響。Shanmugam等[28]采用21 W和40 W超聲波（20 kHz）對含33 g/L蛋白和1.5 g/L脂肪的脫脂牛奶處理15、30、45 min和60 min后發(fā)現(xiàn)，牛奶的黏度未發(fā)生明顯變化，這可能是超聲波處理使脂肪液滴和可溶性顆粒粒徑均降低引起的。

1.4 凝膠性

凝膠化作用和形成凝膠結構是食品蛋白質的重要功能性質，在許多食品如豆腐、西式乳化腸和奶酪等制備中起到主要作用。蛋白質膠凝作用還可提高產(chǎn)品的吸水性、顆粒黏結和泡沫穩(wěn)定性。高功率超聲波作為一種可改善蛋白凝膠性的技術已經(jīng)得到越來越多的關注。多數(shù)研究表明，超聲波處理可通過改變蛋白分子結構增大蛋白質流動性和蛋白質-蛋白質/水間相互作用的幾率，有利于加熱時迅速形成蛋白交聯(lián)，從而改善凝膠品質和保水性[25,30,50-53]。

Li Ke等[53]分析了超聲波處理對類PSE雞肉糜（含7.5 g/100 mL蛋白質和2 g/100 mL NaCl）凝膠強度和凝膠保水性的影響。結果表明，高強度超聲波處理（750 W，20 kHz）可提高類PSE雞肉糜樣品的凝膠強度和保水性，改變類PSE肉糜樣品儲能模量（G′）和損失模量（G″）的模式，提高凝膠的黏彈性。該研究還發(fā)現(xiàn)，超聲波處理后的類PSE肉糜樣品在加熱后可形成均一和緊密的凝膠網(wǎng)狀結構，作者認為超聲波空化效應導致的類PSE肉肌原纖維蛋白粒度的降低以及蛋白質二級結構的改變是引起類PSE雞肉凝膠特性改善的原因。因此超聲波技術在提高低值肉的利用價值方面具有較大的應用潛力。Shen Xue等[54]采用20 kHz的超聲波探頭在低于45 ℃條件下對預加熱的WPI溶液（10 g/100 mL，85 ℃預處理30 min）超聲處理5～40 min，然后以葡萄糖酸內酯為凝固劑形成酸誘導凝膠。結果表明，超聲波處理后形成凝膠的保水性、凝膠強度和G′均顯著提高。其機理在于超聲波空化效應可破壞蛋白質間非共價相互作用，降低蛋白粒徑，提高預加熱WPI表面游離的—SH含量，從而有利于后續(xù)酸誘導凝膠過程中產(chǎn)生更多二硫鍵，形成致密、均一網(wǎng)狀凝膠交聯(lián)結構。因此超聲波在改善酸誘導乳清蛋白凝膠的品質、開發(fā)新型凝膠乳制品方面具有重要應用價值。然而Zhang Ziye等[55]將30 g/L雞肌原纖維蛋白溶液超聲波處理后發(fā)現(xiàn)，適度超聲波處理（強度≤150 W/cm2）可使蛋白溶液形成致密均一的凝膠結構并提高其保水性，但超聲波強度大于150 W/cm2時，形成的凝膠內部空洞較大，結構不均一，相應的保水性也降低，高超聲波強度處理可引起蛋白質過度變性和展開，從而不利于形成有序凝膠結構。王靜宇等[30]進一步研究了超聲波對肌原纖維蛋白凝膠化學作用力與保水性的影響，并分析了化學作用力與保水性之間的內在聯(lián)系。結果發(fā)現(xiàn)，決定凝膠保水性的主要作用力為疏水作用力、靜電斥力和氫鍵，而二硫鍵次之；超聲波處理時間為6 min時凝膠的疏水作用力、氫鍵和靜電斥力均達到最大，形成的凝膠網(wǎng)絡結構均勻致密，可最大限度地保留水分。

綜上所述，高功率超聲波可作為改善蛋白質凝膠特性的替代方法，在具體應用時不僅要考慮蛋白質種類和處理溫度，選擇合適的超聲波強度對于形成高品質凝膠也是必不可少的。另外本實驗室近期研究發(fā)現(xiàn)超聲波空化效應產(chǎn)生的自由基（·OH）可對蛋白質的側鏈產(chǎn)生氧化效應[24]。有研究證實，蛋白適度氧化有利于形成穩(wěn)定的凝膠，但氧化程度的增大則可降低蛋白的凝膠特性[56]。因此后續(xù)研究需要進一步評價超聲波的氧化效應對凝膠品質和營養(yǎng)成分如必需氨基酸的影響。

1.5 風味

蛋白質具有與風味物質相結合的功能特性。如前所述，超聲波處理對蛋白質結構的改變和修飾已得到充分研究，但結構變化后的蛋白對風味物質結合能力的影響鮮見報道，這與加工后產(chǎn)品風味的保持和貨架期密切相關。目前已有學者開展了蛋白質和多肽在超聲波輔助處理條件下與糖類形成加合產(chǎn)物后的結構、溶解性、乳化性和抗氧化性等功能特性的研究，并發(fā)現(xiàn)上述加合產(chǎn)物都是通過美拉德反應獲得的，超聲波處理可加快反應進程，同時經(jīng)修飾的產(chǎn)物其溶解性、抗氧化性等均顯著提高[57-59]。另一方面，美拉德反應是形成風味物質的基礎。因此經(jīng)過改性或與其他物質發(fā)生交聯(lián)后的蛋白質，在與風味物質的結合能力上還需從蛋白結構、構象、蛋白與風味物質間的相互作用等方面繼續(xù)開展研究。其次經(jīng)過加合后的產(chǎn)物在后續(xù)加工過程中是否會產(chǎn)生新的風味物質和有害物質也需要進一步分析。

風味是肉制品的一種重要食用品質。在風味物質形成方面，已有研究者采用氨基酸和糖類構建模型體系，分析超聲波處理對風味物質反應速率和產(chǎn)物的影響[60-61]。研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可顯著降低美拉德反應所需的活化能，提高反應速率[62]。Ong等[63]發(fā)現(xiàn)對于半胱氨酸-木糖體系，與對照組相比，超聲波處理后可生成微量的含硫揮發(fā)性物質。然而對于更復雜反應體系如多肽和蛋白質與還原糖在超聲波條件下風味物質的形成規(guī)律還需進一步研究。因此后續(xù)研究還應繼續(xù)關注超聲波處理對風味物質形成和保持的影響。

2 高功率超聲波技術在肉品加工中的應用

蛋白質作為肉中的主要成分，其結構和功能的變化必然對產(chǎn)品品質產(chǎn)生影響。肌原纖維蛋白是肉制品中最重要的功能性蛋白質之一，主要由肌球蛋白、肌動蛋白和穩(wěn)定肌原纖維結構的一些骨架蛋白構成，肌原纖維蛋白結構的變化是引起肉制品凝膠特性、乳化性和其他功能特性變化的根本因素。不同的加工處理條件如鹽濃度、加熱溫度和時間、冷凍和解凍速率等可改變肌原纖維蛋白結構和功能性質，進而影響肉制品的品質和感官特性。如前所述，適度的超聲波處理可改善蛋白質的功能特性，因此將超聲波技術應用于肉品加工領域，對于提升產(chǎn)品品質、開發(fā)新型肉制品、降低傳統(tǒng)加工可能產(chǎn)生的有毒有害物質等方面具有很好的應用價值。目前超聲波輔助加工技術在肉品腌制、冷凍解凍和發(fā)酵香腸生產(chǎn)等方面已得到廣泛的研究[64]。

2.1 腌制

肉制品腌制是肉品加工的一個重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)腌制過程不僅耗時長，并且易產(chǎn)生腌制不均勻、微生物污染等現(xiàn)象，難以適應現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求；同時大量鹽的使用使肉中的鹽分含量較高，不利于人體健康。近10 年研究表明，超聲波可通過其空化效應改變物料質量傳輸效率，促進物料的滲透與擴散，縮短腌制時間，同時由于可在較低鹽濃度條件下快速獲得腌制平衡，因此采用超聲波腌制技術開發(fā)低鹽肉制品很有意義[15,65-67]。

超聲波的強度、處理時間以及腌制液鹽濃度是影響超聲波輔助腌制效果的主要因素[64,68]。本實驗室前期的研究比較了超聲波強度與腌制液鹽濃度對NaCl、水分含量及其擴散速率的影響，結果表明提高超聲波強度更有利于促進NaCl和水分的擴散，而鹽濃度因素對擴散系數(shù)的改變影響較小[69]。Inguglia等[70]認為超聲波處理體系的幾何參數(shù)，如探頭直徑、探頭與肉樣間的距離、肉肌纖維與探頭間的平行或垂直方向等對肉中NaCl的傳質效率也有很大影響。

在肉品質方面，超聲波輔助腌制處理有利于肉品質的改善，其機理在于超聲波機械作用和鹽的協(xié)同作用可破壞肌原纖維蛋白結構。McDonnell等[71]分析了超聲波處理對豬肉中水-蛋白相互作用的影響，結果發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波處理后肉中蛋白提取率顯著提高，在19 W/cm2超聲波強度下處理40 min可引起肉表面肌漿球蛋白變性，但掃描電子顯微鏡掃描未見肉內部結構發(fā)生明顯變化。該研究認為超聲波處理可能只影響肉表面，并不影響肉的總體品質。與此同時，McDonnell等[72]探索了超聲波輔助腌制中試生產(chǎn)應用，將大塊豬肉（300 g，90 mm×80 mm×30 mm）密封在含有225 mL腌制液的聚乙烯袋后浸入12 ℃水中進行超聲波處理。結果發(fā)現(xiàn)，即使有塑料袋阻隔，超聲波處理依然能夠縮短50%的腌制時間，但處理結束后所有處理組肉中的NaCl含量均無顯著差異。超聲波處理對產(chǎn)品的質量或感官屬性無顯著影響。此外，Krasulya等[73]將腌制液超聲波處理活化后進行豬肉腌制，發(fā)現(xiàn)該處理可使腌制時間縮短至初始的1/3，改善后續(xù)加工的肉品質如保水性和嫩度，但其機理還需進一步探討。因此后續(xù)研究應通過增加肉的比表面積進一步優(yōu)化加工條件，同時分析能源和成本投入從而將超聲波技術更有效地應用到肉品加工行業(yè)中。

2.2 冷凍與解凍

肉品冷凍可延長肉品保質期和保持產(chǎn)品品質。在冷凍過程中提高肉品的凍結速率、減少大冰晶的形成是提高冷凍肉品質的關鍵。超聲波輔助冷凍由于其可控制水的成核和結晶過程，并且空化氣泡破碎時產(chǎn)生的微射流可提高質量和能量傳輸速率[74]，故而超聲波輔助產(chǎn)品凍結已引起人們的關注，目前在果蔬速凍方面已得到廣泛研究[75-76]。在肉品冷凍方面，Sun Qinxiu等[77]研究發(fā)現(xiàn)超聲波（175 W，30 kHz）輔助冷凍處理可抑制鯉魚肉冷凍過程中冰晶的生長，降低冷凍處理對肌原纖維蛋白的變性作用，從而減少肉的解凍和蒸煮損失。Zhang Mingcheng等[78]認為豬背最長肌在180 W、30 kHz超聲波輔助冷凍處理時，肉中心溫度達到-18 ℃時所需時間最短（約82 min），對肉品質的影響與Sun Qinxiu等[77]的研究結果一致。因此超聲波輔助肉品冷凍技術在保持肉品品質、節(jié)約能源方面具較大的研究價值及應用前景。

肉品解凍是凍結的逆過程，研究表明解凍速率對肉品質具有較大影響。常溫解凍速率越快，對肌纖維破壞作用越大，同時傳統(tǒng)的低溫解凍耗時較長，不適應現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)。Kalichevsky等[79]研究發(fā)現(xiàn)低溫條件下快速解凍有利于保持產(chǎn)品品質。由于超聲波可促進熱量傳輸、交換過程，若選擇合適的頻率和功率，則超聲波輔助解凍可實現(xiàn)低溫快速解凍并改善肉品質的目的。Miles等[80]研究發(fā)現(xiàn)，高強度超聲波解凍會引起肉表面局部溫度過熱，造成表面蛋白質變性，但采用500 kHz和0.5 W/cm2超聲條件可在2.5 h內將牛肉、豬肉及鱈魚解凍7.6 cm，同時不引起肉表面蛋白質的變化。Gambuteanu等[81]研究了超聲波（25 kHz，0.2 W/cm2或0.4 W/cm2）輔助解凍和浸水解凍條件下豬背最長肌物理、化學、微生物及品質指標，結果表明超聲波解凍處理的肉在化學特性、微生物、品質特性等方面與水浸解凍無顯著差異，同時可縮短解凍時間。因此，超聲波解凍技術在縮短解凍時間的同時，有助于改善肉品品質，在工業(yè)化應用中具有較大潛力。

2.3 發(fā)酵肉制品

發(fā)酵肉制品是指在自然或人工控制條件下，利用微生物或酶的發(fā)酵作用，使原料肉發(fā)生一系列生物化學及物理變化，從而形成具有特殊風味、色澤和質地以及較長保藏期的肉制品[82]。在生產(chǎn)過程中通過有益微生物的發(fā)酵，可在較低pH值條件下使肌原纖維蛋白發(fā)生變性和降解，從而改善產(chǎn)品質地和風味特性，此外肉中益生菌可對致病菌和腐敗菌形成競爭性抑制，提高產(chǎn)品安全性并延長產(chǎn)品貨架期。

在發(fā)酵肉制品生產(chǎn)中，微生物發(fā)酵劑在肉中生長情況對最終產(chǎn)品品質具有較大影響。研究發(fā)現(xiàn)，低強度、短時間超聲波處理（低于2 W/cm2，低于5 min）可促進乳酸菌的生長，從而有利于改善發(fā)酵香腸品質[82]。Ojha等[83]發(fā)現(xiàn)清酒乳桿菌（Lactobacillus sakei）在2 W、5 min的超聲波（20 kHz）條件下預處理后具有較強的活力，在接種到肉上模擬發(fā)酵24 h后，其細胞提取物可有效抑制金黃葡萄球菌、沙門氏菌等致病微生物的繁殖，從理論上證實了超聲波技術在改善微生物發(fā)酵劑活性從而提高發(fā)酵香腸產(chǎn)品安全性方面的應用價值。de Lima Alves等[84]采用25 kHz超聲波處理乳酸菌和微球菌9 min后，將其接種至意大利薩拉米香腸中進行發(fā)酵，研究發(fā)現(xiàn)，超聲波預處理可提高微生物的活力，接種經(jīng)超聲波處理的發(fā)酵劑的薩拉米香腸具有較高的蛋白和脂肪氧化水平，這對于形成薩拉米香腸特有風味必不可少，然而作者并未進一步分析超聲波預處理對產(chǎn)品風味的影響。因此后續(xù)研究還應從肌原纖維蛋白與微生物間相互作用、風味物質組成變化、產(chǎn)品感官品質等方面繼續(xù)開展，綜合評價超聲波預處理發(fā)酵劑對發(fā)酵肉制品品質的影響。

3 結 語

超聲波技術是一種良好的輔助加工方法，與傳統(tǒng)的加工方法相比，超聲波可顯著改善蛋白質尤其是肌原纖維蛋白的功能特性，提高產(chǎn)品質量，縮短加工時間。除此之外，超聲波輔助加工對肉品質影響較小，可為新產(chǎn)品的開發(fā)提供條件。目前超聲波在肉品加工中的應用還主要是在實驗室階段，技術上并未得以廣泛應用[72]，但是理論上已證實其具有很好的應用價值。因此后續(xù)研究應從以下幾個方面開展：1）采用高功率超聲波（大于100 W/cm2）處理時，超聲波的氧化效應不能忽略。目前的研究僅關注超聲波處理過程中對蛋白和脂肪的氧化作用，但在后續(xù)貯藏過程中，是否會繼續(xù)氧化導致風味的變化，降低產(chǎn)品感官可接受性，在這方面應該進行更多的研究，可以通過控制工藝參數(shù)、優(yōu)化產(chǎn)品的配方或采用新型包裝來抵消這種副作用。此外有研究發(fā)現(xiàn)將腌制液預處理后進行腌制也可有效提高腌制速率，改善肉品質，這種方式可有效避免超聲波加工過程中的氧化問題[73]，但其機制還需從分子活化能或分子間相互作用等方面進一步探討，這也是超聲波應用的一個新的方向。2）采用不同設備或不同處理條件時獲得的數(shù)據(jù)有時不具有可比性，缺乏統(tǒng)一的比較標準。因此有必要將所有影響超聲波處理效果的因素（如物料擴散速率、蛋白質溶解性、起泡性和黏度等）綜合考慮，采用工程中的量綱分析法建立數(shù)學模型確定超聲波處理的特征數(shù)，從工程角度明確超聲波處理的優(yōu)化方向，降低設備和操作成本。3）將超聲波技術與熱、壓力、化學方法等相結合，可取得較好的加工效果，且在節(jié)能環(huán)保、提高生產(chǎn)效率方面也能得到很大提高。此外在后續(xù)研究中還應積極探索生產(chǎn)具有特定質構和營養(yǎng)強化特性的新型凝膠肉制品。4）進一步研發(fā)具有穩(wěn)定功率輸出并且能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)的設備，探索超聲波輔助加工技術的工業(yè)化應用，實現(xiàn)科技到生產(chǎn)力的轉化。