超聲波技術(shù)在魚類加工中的應用研究進展

蔡路昀，萬江麗，周小敏，曹愛玲，關榮發(fā)，張宇昊，趙元暉，勵建榮，*

(1.渤海大學 食品科學與工程學院， 遼寧 錦州 121013； 2.浙江興業(yè)集團有限公司， 浙江 舟山 316101；3.杭州海關， 浙江 杭州 311208； 4.中國計量大學 生命科學學院， 浙江 杭州 310018；5.西南大學 食品學院， 重慶 400715； 6.中國海洋大學 食品科學與工程學院， 山東 青島 266100)

據(jù)統(tǒng)計2016年全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量達6 901.25萬t，比上一年增長3.01%[1]。魚類由于地域因素需要進行不定距離的運輸，是魚類全產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)。因此，如何保持運輸過程中魚類品質(zhì)非常重要。魚類加工過程中，傳統(tǒng)的方法有冷凍、熏制、腌制、干燥、發(fā)酵等。近年來，各種新型加工技術(shù)如超高壓[2]、超聲波[3]、輻照、微波、膜分離等技術(shù)在食品中的應用，有效地防止了魚類品質(zhì)劣變并延長了貨架期[4]。但從實質(zhì)上講，我國魚類加工行業(yè)還面臨許多挑戰(zhàn)。如何使魚類從粗加工逐漸走向精深加工，開發(fā)出更多色香味俱全且保存時間更久的水產(chǎn)精深加工產(chǎn)品，一直是科研人員的主要關注焦點之一。

隨著生活水平的不斷提高，人們對產(chǎn)品的品質(zhì)有著更高的需求。超聲波技術(shù)作為一種新興技術(shù)，具有方向性好、能量大、穿透能力強、安全環(huán)保、能實現(xiàn)無損檢測等優(yōu)點，應用于魚類加工過程能提升其品質(zhì)[5]。文章介紹了超聲波技術(shù)基本原理，從魚類加工的角度，涉及提取、干燥、冷凍、解凍、殺菌等方面，對超聲波技術(shù)在魚類加工中的應用研究進展進行了陳述分析。

1 超聲波技術(shù)工作原理

自1928年美國普林斯頓大學化學實驗室的科技人員首次發(fā)現(xiàn)超聲波有加速化學反應的作用以來，超聲波技術(shù)發(fā)展尤為迅速。20世紀80年代，超聲波技術(shù)作為聲學和化學交叉的新興技術(shù)，隨著超聲波設備的不斷改進和完善，其在食品、醫(yī)藥、軍事、工業(yè)、日化等諸多領域有了更廣泛的應用[6]。

超聲波是指頻率大于20 kHz的聲波，因其超出了人耳聽力上限，故稱之為超聲波。按照功率、頻率的大小分為高功率低頻超聲波(20～100 kHz)和低功率高頻超聲波(0.1～10 MHz)[3]，前者在食品加工中有廣泛的應用，如冷凍、干燥、改性、滅菌、乳化等[7]；后者可用于食品中理化性質(zhì)的測定[8]。

超聲波屬于機械波的一種，在傳播過程中與介質(zhì)相互作用，使介質(zhì)物理性質(zhì)、狀態(tài)、生物特性發(fā)生改變或加快上述過程，從而達到對物質(zhì)改性、乳化、冷凍、干燥等目的。此過程中發(fā)生的一系列效應歸結(jié)為熱作用、機械作用、空化作用[9]。

1.1 熱作用

超聲波在介質(zhì)傳播的過程中，由于機械震蕩使超聲波的能量被介質(zhì)吸收，導致介質(zhì)的整體溫度和周圍邊界局部溫度上升。這種升溫能達到其他加熱方式的同等效果，超聲波強度越大，熱作用越強。

1.2 機械作用

超聲波是機械能量的傳遞形式，會產(chǎn)生線性的交變振動作用，加速質(zhì)量的傳遞作用。振動速度、原點位移、加速度以及聲壓參數(shù)可以表現(xiàn)超聲效應。機械作用有助于物質(zhì)的破碎、凝聚、切割等。

1.3 空化作用

超聲波在液態(tài)介質(zhì)中傳播時，存在一個正負壓強的交變周期，對介質(zhì)分子產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸作用[10]。當聲波足夠大時，液體介質(zhì)受到強烈的正負壓強而形成空穴或氣泡。隨超聲波的傳播，有些氣泡重新溶解于液體介質(zhì)；有些則在拉伸和壓縮作用下迅速生長，達到臨界半徑后發(fā)生潰陷、破裂，氣泡內(nèi)會出現(xiàn)高壓高溫，附近流體中也形成局部強烈的激波。因此可產(chǎn)生一系列的次級效應，如乳化作用、分散作用、化學效應等。在流體中應用的超聲波技術(shù)，絕大多數(shù)都是利用超聲波的空化作用[11]。

2 超聲波技術(shù)在魚類加工中的應用

魚類因低脂肪、高蛋白，含多種人體必需氨基酸和維生素等優(yōu)點，深受廣大消費者喜愛。但由于其含有大量水分和營養(yǎng)物質(zhì)，極易腐敗，當捕撈離開水面后，魚類的營養(yǎng)品質(zhì)也隨之下降。魚類加工方式主要是遵循“一保鮮、二?；?、三加工”的原則。近年來，超聲波技術(shù)應用于魚類加工過程(提取、干燥、冷凍、解凍、殺菌)能更大程度地保存魚類品質(zhì)。

2.1 在魚類活性成分提取中的應用

在魚類提取過程中，超聲波輔助是一種快速高效的方法，主要是利用了超聲波的空化作用。提取過程中，以某種物質(zhì)為介質(zhì)，當超聲波的頻率達到一定臨界值時，介質(zhì)中會產(chǎn)生氣泡進而發(fā)生破裂，釋放出巨大的能量，此能量使附近細胞的細胞膜和細胞壁破裂，提取物將流出到提取介質(zhì)中，最終實現(xiàn)提取物和實驗對象的分離[12]。以水產(chǎn)品或其副產(chǎn)物為原料，可利用超聲波輔助提取的部分產(chǎn)物見表1。

表1 超聲波輔助提取產(chǎn)物

魚類副產(chǎn)物主要包括魚鱗、魚皮、魚內(nèi)臟、魚骨等，在魚類加工過程中，這些副產(chǎn)物一般不經(jīng)過二次處理直接丟棄。如何更好地利用這些副產(chǎn)物是魚類產(chǎn)品開發(fā)過程中的難題之一[22]。近年來很多學者利用超聲波技術(shù)從上述副產(chǎn)物中提取活性成分，提高魚類副產(chǎn)物的利用率和水產(chǎn)品的附加值，同時有益于環(huán)境保護。Huang等[13]以鯉魚魚鱗為原料，采用超聲波輔助水浴(UWB)和常規(guī)水浴(CWB)對不同溫度(60、70、80 ℃)提取的明膠的流變學及結(jié)構(gòu)特性進行了研究。結(jié)果表明，魚鱗中提取明膠有較高的得率，UWB在60 ℃提取的魚鱗明膠有最高的凝固點和熔點，凝膠強度和黏度也較其他實驗組好。通過X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)UWB提取的魚鱗明膠隨著溫度的升高，凝膠特性降低，表明高溫和超聲波降低了魚鱗明膠的三螺旋含量，進而使凝膠的性能受到影響；此外，原子力顯微鏡研究表明，高溫和超聲波可以降低魚明膠表面的團聚體。因此，在短時間(1 h)內(nèi)進行超寬帶可以增強明膠的流變特性，獲得高質(zhì)量的魚鱗明膠。超寬頻聲波也被證明是一項很有前途的技術(shù)。趙丹[23]同樣利用超聲波輔助鹽酸水解提取鯉魚魚鱗中的膠原蛋白，在單因素實驗基礎之上，采用二次回歸正交優(yōu)化了提取工藝，優(yōu)化工藝條件為溫度92 ℃、時間121 min、超聲波功率300 W、料液比1∶11 g/mL，此條件下的鯉魚魚鱗膠原蛋白得率為48.58%。王金梅等[14]利用超聲波輔助酶解提取草魚魚皮膠原蛋白，超聲波功率310 W、超聲時間10 min、酶解時間29 h，提取率達到68.67%。郝淑賢等[16]研究了不同提取方法(熱水法、酶法、超聲波輔酶法)對羅非魚魚皮膠原蛋白理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明超聲波輔酶法提取的膠原蛋白具有Ⅰ型膠原蛋白特征，紫外光譜吸收特性峰為223 nm，變性溫度在31 ℃附近，特征氨基酸含量與其他2組相比差異不顯著。曹璇等[15]以金鯧魚魚骨為原料，利用超聲波輔助稀堿水解法提取金鯧魚魚骨油，實驗表明優(yōu)化提取工藝條件為液料比為4∶1 mL/g、 pH值9、提取溫度60 ℃、提取時間30 min、超聲功率500 W，金鯧魚魚骨油的提取率為80.51%。陳文娟等[17]研究超聲波輔助提取大黃魚卵磷脂的工藝，在一定工藝條件下提取率能達到59.37%。lvarez等[18]利用超聲波輔助酸/堿提取法，從鯖魚副產(chǎn)物中提取蛋白質(zhì)，提取率達到95%以上。成長玉[19]以羅非魚下腳料為原料，優(yōu)化了硫酸軟骨素的提取工藝，提取率為0.627%。

2.2 在魚類干燥中的應用

干燥過程中水分內(nèi)部擴散和外部表面汽化是同時進行的，在不同階段其速率不同，而整個過程由2個過程中較慢的一個階段控制。傳統(tǒng)的干燥脫水是比較經(jīng)濟的方法，但消除魚體內(nèi)的水分需要相對較長的時間，在此過程中還會受到許多因素(溫度、時間、濕度等)的影響。超聲波技術(shù)作為一種非熱加工技術(shù)，在干燥過程中能夠起到增加傳熱、加速水分擴散的作用。由于超聲波技術(shù)具有時間短、效率高的特點，所以在干燥過程中能夠最大化地保持食品原有色澤和營養(yǎng)價值[24]。

魚類捕撈之后質(zhì)量開始下降，為了保證其營養(yǎng)品質(zhì)，會采用不同的加工方式對水產(chǎn)品進行加工和儲藏，同時也生產(chǎn)出多樣化的產(chǎn)品供人們選擇。Bantle等[25]利用超聲波輔助帶魚干燥，發(fā)現(xiàn)在20 ℃、超聲強度25 W/kg條件下，干燥時間可以減少43%。同時還比較了熱泵干燥、加熱環(huán)境干燥、超聲波輔助干燥的效果。熱泵干燥是最節(jié)能的脫水處理方法，其次是加熱環(huán)境干燥，超聲波干燥脫水速度最快，能節(jié)省時間，但耗能較大。為了節(jié)省能耗，在干燥過程中，超聲波強度應小于2 W/kg，同時能使干燥時間縮短50%。干燥過程中發(fā)現(xiàn)，超聲波對干燥速率的影響表現(xiàn)為初始階段干燥速率增加，后期影響不大。Ozuna等[26]利用超聲波輔助干燥鱈魚，采用鹽漬的鱈魚片進行實驗。結(jié)果表明，超聲波顯著增加干燥速率，在有效的擴散系數(shù)中平均增加了74%，同時發(fā)現(xiàn)對鱈魚的顏色和微觀結(jié)構(gòu)都有一定的影響。雖然是針對不同實驗材料，但超聲波輔助都表現(xiàn)出增加干燥速率的特征。超聲波影響干燥速率的具體機理、對干燥對象其他方面(結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、色澤、品質(zhì)等)的影響及作用機制仍需進一步研究。

2.3 在魚類冷凍中的應用

冷凍是指人工利用低溫的方式將食品中的液態(tài)水凍結(jié)成固態(tài)水的過程，這種方式能有效抑制微生物的生長和繁殖，進而保證食品品質(zhì)。超聲波輔助冷凍是將超聲波技術(shù)和冷凍技術(shù)相耦合的一種新型冷凍技術(shù)，利用超聲波產(chǎn)生的熱作用、機械作用、空化作用影響冷凍過程中晶核、冰晶的生長，從而間接控制冷凍食品的品質(zhì)。超聲波應用于冷凍過程的最大優(yōu)勢是只從物理方面改變食品的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，既有安全保證，又能滿足消費者的實際需求。

超聲波輔助冷凍能夠加強傳質(zhì)傳熱，其空化作用在介質(zhì)中產(chǎn)生大量氣泡，從而促進冰核的生成，破碎較大的冰晶體，使冰晶粒徑變小而數(shù)量增加并更均勻地分布在食品內(nèi)部，減少冰晶對細胞膜的損傷作用，改善冷凍食品的品質(zhì)[27]。Xin等[28]利用超聲波輔助冷凍西蘭花，結(jié)果表明超聲波強度為0.25～0.42 W/cm2時，能夠很好地保護細胞壁上的鈣離子，對西蘭花的色澤、品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)都有積極的影響。但超聲波輔助冷凍技術(shù)在果蔬、肉品等中的應用較廣，在魚類中的應用相對較少[27]。

2.4 在魚類解凍中的應用

冷凍食品再次食用時需經(jīng)過解凍，傳統(tǒng)的解凍方法有水解凍和空氣解凍。這2種方法耗時較長，成本增加，且容易引起微生物生長及體內(nèi)各種生理生化反應，不利于保持冷凍食品的品質(zhì)。而超聲波技術(shù)因其時間短、成本低、操作簡單、可智能化控制的優(yōu)勢，被廣泛應用于工業(yè)化生產(chǎn)中解凍大體積的冷凍食品。影響超聲波輔助解凍的主要因素有頻率、時間、強度、解凍對象性質(zhì)[29]。

張珂[30]用超聲波輔助解凍羅非魚片，研究表明解凍溫度能夠顯著影響超聲波解凍羅非魚片的時間和K值。隨著溫度的升高，解凍時間也逐漸減少，但同時魚肉的鮮度會顯著下降。綜合考慮超聲波輔助解凍的優(yōu)化工藝條件為超聲波功率500 W、溫度21 ℃。Chemat等[3]利用超聲波輔助浸水解凍鱈魚塊，在1 500 Hz、60 W的條件下，相比于單獨浸水解凍時間縮短了71%。類似的，Xin等[28]研究發(fā)現(xiàn)，低頻超聲波(1 500 Hz、60 W)輔助鱈魚解凍的時間也大大縮短，且解凍后的魚肉品質(zhì)不受超聲波的影響。Miles等[31]研究發(fā)現(xiàn)，低頻 (小于430 kHz)時，強度為0.5～2 W/cm2的超聲波穿透性差，會使肉品質(zhì)發(fā)生空化現(xiàn)象，導致肉制品表面溫度過高；高頻(大于740 kHz)時，由于頻率衰減的增加以及在低頻下空化效應的開始，同樣會產(chǎn)生表面過熱現(xiàn)象，超聲波頻率在500 kHz時能夠形成弛豫效應，此時條件下可用于肉和魚的解凍。由此可見使用超聲波輔助解凍時，在一定范圍之內(nèi)解凍效果和超聲波頻率成正比，但也不能單一的需求某一個值的最佳效果，因為食品中各指標最佳值對應的條件不一定完全相同，只能選擇各種因素綜合評價后的最優(yōu)條件。

2.5 在魚類殺菌中的應用

控制微生物生長提高水產(chǎn)品質(zhì)量，是水產(chǎn)品加工中面臨的重要問題之一。通過特定腐敗菌預測貨架期，進而了解魚類品質(zhì)，是常用的魚類品質(zhì)監(jiān)控方法。處于不同環(huán)境的魚類其體內(nèi)的腐敗菌種類也不一樣，常見的特定腐敗菌及其分類見表2。

表2 魚類常見特定腐敗菌類型

傳統(tǒng)殺菌方法熱殺菌的原理是利用大多數(shù)細菌都不耐熱，在高溫條件下易變性而失去原有生物活性的特點，達到殺菌目的。但在熱殺菌過程中由于較高的溫度，水產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、色澤、風味會受到負面影響，不利于保持良好的口感[35]。徐紅梅等[36]以鳙魚為對象，研究熱殺菌方法對其魚湯營養(yǎng)成分的影響，結(jié)果表明經(jīng)過熱殺菌的魚湯中粗蛋白、粗脂肪、氨基態(tài)氮等基本成分均顯著下降，氨基酸組成也發(fā)生明顯的變化。但是熱殺菌對礦物質(zhì)的影響很小，總的來說采用118 ℃、45 min的殺菌條件比121 ℃、30 min條件的營養(yǎng)破壞程度要低。兩種條件下殺菌后，魚湯蛋白質(zhì)的ASS、CS、EAAI值未發(fā)生顯著變化，說明熱殺菌對蛋白質(zhì)的氨基酸組成影響比較小。超聲波殺菌屬于非熱殺菌，雖然殺菌效果弱于傳統(tǒng)熱殺菌，但是在整個殺菌過程中，食品的溫度不會升高太多，所以比起傳統(tǒng)熱殺菌方式，超聲波殺菌更好地保持了食品成分的生理活性，且有利于食品原有色香味的保持。超聲波殺菌的原理主要是利用其產(chǎn)生的空化效應，在兩界面之間形成機械振動，使微生物細胞受到震蕩，導致細胞結(jié)構(gòu)破壞、內(nèi)容物流出，直至細菌死亡[37]。Salleh-Mack等[38]研究了溫度、有機酸、pH值、可溶性固形物對超聲波殺菌的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波增強了大腸桿菌的熱敏感性，可溶性固形物對大腸桿菌有保護作用，使超聲波的作用時間更長；與熱敏感性相似，較低的pH環(huán)境導致大腸桿菌對超聲波的抵抗力較低。除了超聲波單一殺菌外，還可以聯(lián)合其他殺菌劑或前處理進行輔助殺菌，劉錫久[39]發(fā)明了一種超聲波紫外線殺菌裝置，運用聯(lián)合方法殺菌，殺菌后還能進行清洗，操作方便，控制簡單。

3 超聲波技術(shù)的缺陷及帶來的問題

超聲波技術(shù)有操作簡單、時間短、成本低、安全環(huán)保、自動化等優(yōu)點，相應的也存在一定缺點。超聲波技術(shù)一般更適用于液體或浸泡在液體中的食品，處理食品的規(guī)模較小。由于影響超聲波技術(shù)的因素較多[40]，工業(yè)上利用超聲波技術(shù)處理不同樣品時，每個樣品對應的最佳工藝參數(shù)不完全相同，這一定程度上限制了超聲波技術(shù)的大規(guī)模應用。如何更好、更廣泛地運用超聲波技術(shù)，實現(xiàn)大規(guī)模、高效率、工業(yè)化應用是有待進一步解決的問題。

4 展 望

超聲波技術(shù)作為一種新興技術(shù)，在食品、醫(yī)學、工業(yè)等領域也有廣泛的應用[41]。除上述提取、干燥、冷凍等過程外，超聲波在食品檢測方面也有應用。超聲波技術(shù)在食品行業(yè)中的應用，減少了化工物質(zhì)的添加，提高了食品的安全性。超聲波技術(shù)運用于魚類加工的研究，大都還集中在理化性質(zhì)、功能特性、營養(yǎng)品質(zhì)等基礎層面，對于更深層次的作用機理和具體機制研究甚少，例如超聲波解凍的應用研究中，大多數(shù)還是測量解凍后的具體理化指標、營養(yǎng)、安全等方面的內(nèi)容，解凍過程中具體機制研究比較少。此外超聲波在應用過程中，合理設置超聲波的功率、頻率、時間、溫度等多個參數(shù)，更好地應用在魚類加工過程中，也是今后研究的方向。