超声波技术在牛肉嫩化中的应用研究进展

孙海磊，罗欣，朱立贤，毛衍伟，张文华，张一敏*

1(山东农业大学 食品科学与工程学院，山东 泰安，271018)2(国家肉牛牦牛产业技术体系中卫站，宁夏 中卫，755000)

牛肉不仅味道鲜美，而且营养价值高，深受广大消费者的喜爱。随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国牛肉的消费量日益增大，2019年我国牛肉消费量为923.3万t，同比增长109.3万t[1]。与此同时，消费者对牛肉品质的要求也越来越高。牛肉的品质包括嫩度、肉色、保水性等，其中肉的嫩度是指肉在食用时口感的老嫩，可以反映牛肉的韧性[2]。嫩度是评价牛肉食用品质的最为重要的指标，MILLER等[3]发现消费者愿意花费更高的价钱来购买嫩度好的牛肉。牛的肌肉中结缔组织的性质和含量以及肌原纤维蛋白的结构是影响嫩度的主要因素[2]。有报道显示，我国大多数牛肉企业唯“规模”是图，牛肉品质“均值化”，与市场需求不符。因此改善牛肉嫩度，解决牛肉嫩度“均值化”也成为我国牛肉企业急需解决的问题[4]。常见的改善牛肉嫩度的方法有外源酶嫩化法、超高压嫩化法、超声波嫩化法等，其中超声波技术具有绿色、安全、无污染的优点，在改善牛肉嫩度方面具有良好的应用前景[5]。因此，本文在前人研究的基础上就超声波技术的作用原理，超声波技术改善牛肉嫩度的效果和超声波技术与其他嫩化技术复合应用对牛肉嫩度的影响等最新研究结果进行了综述，旨在为超声波技术在牛肉嫩化方面的合理应用提供理论指导。

1 超声波技术

超声波是一种由纵波产生的能量，频率超过20 kHz，高于人类听觉上限。超声波技术属于非热物理加工技术，在肉制品加工中应用广泛[6]。该技术通过超声波处理过程中产生的空化效应、机械效应和热效应来改善牛肉嫩度，其中空化效应最为重要[7-8]。在超声波系统中，电能通过超声介质转化为机械能[9]，转化的能量部分会转化成热能而损失，其余能量会产生空化效应。产生空化效应的能量中大部分会被反射和消耗，剩余部分能量则产生物理、化学或生化效应[10]。超声波作用于液体时使液体振动，进而产生大量的微小气泡，微小气泡随着超声频率共振，导致声压上升，当声压到达一定值时，微小气泡会迅速膨胀再闭合湮灭，湮灭时气泡内部可产生高温和高压，这种膨胀、闭合湮灭等一系列动力学过程称为空化效应；机械效应是指超声波在传播时使液体搅动和产生剪切应力，破坏介质的结构过程；热效应是指超声波在传播过程中能量被介质吸收并转化为热能，导致温度升高的过程，热效应的强度随超声波强度的升高而升高。按照频率，超声波在20 kHz～10 MHz可分为三类：(1)低频高强度(频率介于20～100 kHz，强度介于10～100 W/cm2)；(2)中频中强度(频率介于100 kHz～1 MHz)；(3)高频低强度(频率大于1 MHz，强度小于1 W/cm2)[11]。超声波的应用主要有直接应用、通过与设备联合使用及将产品浸泡在水中进行超声波处理3种方式[12]。

2 超声波技术对牛肉嫩度的影响

衡量牛肉嫩度的指标有肌原纤维小片化指数(myofibril fragmentation index，MFI)，质构剖面分析(texture profile analysis，TPA)，沃-布剪切力法(Warner-Bratzler shear force，WBSF)，研究中最常用的指标是WBSF值[13]。有研究表明，牛宰后肉的成熟时间和程度对牛肉的嫩度有重要影响[14]，有学者认为超声波处理可以缩短牛肉的成熟周期[15]，改善嫩度。机理是当牛肉进行超声波处理时，肌间线蛋白和肌钙蛋白-T发生降解，Z线和I带断裂，加速了蛋白质水解[16-17]或超声波处理使细胞内钙离子激活钙蛋白酶，进而加速蛋白质的水解作用[18-19]，最终使牛肉的成熟周期缩短，嫩度得到改善。目前，大多数学者认为超声波技术改善牛肉嫩度的作用来源于超声过程中产生的热效应、空化效应和机械效应[7]，3种效应可以破坏结缔组织、肌原纤维蛋白和溶酶体，释放出钙蛋白酶和组织蛋白酶，在不影响色泽和风味的情况下起到改善嫩度的作用[17,20-21]。也有学者发现，超声波技术可能通过改善牛肉的pH值而改善牛肉嫩度。有研究指出高pH值的肉比低pH值肉中的钙蛋白酶活性高，降解蛋白的速度快，肉的嫩度也高[22]。GOT等[23]对牛的半膜肌用超声波(2.6 MHz，10 W/cm2)进行处理发现肉的初始pH值以及嫩度都增加了。JAYASOORIYA等[24]对牛肉进行超声波处理(24 kHz, 12 W/cm2)后发现牛肉的pH值显著提高，剪切力显著降低，pH值升高的原因可能是超声波处理使细胞结构中的离子释放到细胞质，也可能是超声导致蛋白质结构改变，使离子位置改变。然而也有文献报道称超声后牛肉的pH值变化不显著或无变化，如DOLATOWSKI等[25]对牛的半膜肌进行超声波处理(25 kHz，2 W/cm2)后并未发现pH值有明显变化，这可能与超声波处理的强度较低有关。

最近，许多学者研究了超声波技术在牛肉嫩化方面上的潜在应用。表1总结了最新的关于超声波技术在牛肉嫩化方面的研究。

表1 超声波处理对牛肉嫩度影响的研究Table 1 Study on the effect of ultrasonic treatment on beef tenderness

由表1可以看出，大部分研究发现超声波处理可以改善牛肉嫩度，尤其是采用高强度超声波处理的牛肉嫩度均有所改善[26-30]。高强度超声波处理改善牛肉嫩度的机制可能是高强度的超声波处理破坏了细胞膜，改变了肌肉组织的结构或者是激活了一些生化反应，释放出的Ca2+激活了钙蛋白酶，加速蛋白质水解作用，最终加速了牛肉的成熟，改善了嫩度[16-19, 23]。相比之下，LYNG等[34]采用20 kHz、62 W/cm2的超声波对牛肉处理15 s以及POHLMAN等[35]用20 kHz、22 W/cm2的超声波对牛肉分别处理0、5、10 min的研究并没有发现超声波处理后牛肉的嫩度得到改善，原因可能是用超声波处理的时间太短。

就目前研究结果来看超声波技术确实可以起到改善牛肉嫩度的作用，但是单纯应用超声波技术的嫩化时间较长，因此可以考虑将超声波技术与其他嫩化技术复合使用进行牛肉的嫩化，以此缩短嫩化时间，提高经济效益。

3 超声波技术与其他嫩化技术复合对牛肉嫩度的影响

目前，传统牛肉嫩化技术如腌制、外源酶嫩化和钙盐嫩化等都具有各自的局限性。为了克服传统牛肉嫩化技术所存在的缺陷，许多学者研究了超声波技术与其他嫩化技术复合应用对牛肉嫩度的影响，如超声波辅助腌制、超声波与外源酶结合、超声波与钙盐嫩化法相结合。

3.1 超声波技术辅助腌制对牛肉嫩度的影响

腌制是牛肉及牛肉制品常用的保存和嫩化方法之一[36]。但是腌制技术存在腌制时间长、腌制不均匀、产品风味不足、质量不佳以及食盐资源浪费等问题[37]。超声波处理过程中产生的空化效应、热效应和机械效应可以加快物料的渗透扩散速率，提高牛肉的腌制效率，且在不对牛肉的其他品质产生负面影响的基础上提高嫩度[38-40]。因此，超声波技术辅助腌制是一个具有应用潜力的技术。

很多学者就超声波技术辅助腌制对牛肉嫩度的影响进行了相关研究。康大成[40]采用不同的超声波强度(2.39、6.23、11.32、20.96 W/cm2)辅助腌制对牛背最长肌分别处理30 min和120 min，结果显示当超声波强度大于11.32 W/cm2时牛肉的剪切力显著下降。龙锦鹏等[41]分别采用120、210、300 W的超声波功率辅助腌制牦牛肉，结果显示超声波技术辅助腌制与单纯腌制相比剪切力分别下降了43、46、47 kg，表明超声波技术辅助腌制比单纯腌制的嫩化效果好。李博文等[42]用频率25 kHz、功率500 W的超声波处理腌制酱牛肉，发现随着超声波处理时间的增加，腌制牛肉的剪切力也随之降低，牛肉嫩度得到显著改善。嫩度改善的机理是超声波处理产生的空化效应和机械效应导致肌原纤维在Z线和M线处发生断裂，机械作用还和盐等协同作用破坏肌原纤维蛋白结构，促进了肌原纤维的降解，同时超声波促进腌制液的渗透导致肌球蛋白的溶解度增加，最终提高了牛肉的嫩度[40-41]。现有的研究结果表明，超声波技术辅助腌制对牛肉嫩度的改善有积极的作用，且超声波辅助腌制比单纯腌制的效果要好。

然而，超声波技术辅助腌制在企业的应用还需要对超声波技术的参数进行大量研究确定，因为超声波强度较高和处理时间过长可能会导致蛋白质变性，而较低的超声波强度和较短的处理时间却不能起到促进物料渗透扩散和改善嫩度的效果。但是，超声波辅助腌制技术具有绿色、安全、无污染的优点，同时可以克服传统腌制技术所存在的局限性，因此，该技术具有一定的应用潜力。

3.2 超声波技术结合外源酶嫩化法对牛肉嫩度的影响

外源酶嫩化法是指通过向肉中加入外源酶使肉嫩化的一种方法，嫩化的机理是在温度合适的情况下，蛋白酶可降解结缔组织和肌纤维中的蛋白质，使肽键断裂，氨基酸的分子结构发生变化，使肉变得柔软、适口，达到肉嫩化的目的[43]。外源酶嫩化法具有操作方法简单、条件需求低以及安全无毒等优点[44]。但是外源酶嫩化法存在物料内部分布不均匀，以及用量稍多就造成水解过度、风味变差和品质下降等问题[45]。超声波技术联合外源酶对牛肉进行嫩化，不仅可以使外源酶在牛肉中的作用效果更加均匀，减少其使用量，还可以增加外源酶活性，缩短嫩化时间[44, 46-47]。因此，超声波技术结合外源酶嫩化法在牛肉嫩化方面具有良好的应用前景。

很多学者对超声波技术结合外源酶嫩化法对牛肉嫩度的影响进行了相关研究。韩玲等[47]发明了一种通过超声波与牛胰蛋白酶联合使用使牛肉快速成熟嫩化的方法，这种方法不仅保护了牛肉的原有的营养物质和风味，而且还加快了牛肉成熟速度，使生产效率大大提高，极大地满足了人们对优质牛肉的需求。王清波等[46]用超声波技术结合木瓜蛋白酶对牛肉进行处理，结果发现当超声波功率为151 W、处理时间为20 min、酶浓度为16 U/g、处理温度为51 ℃时，剪切力与对照组相比降低了49%；同时还发现相较于单独使用木瓜蛋白酶，牛肉肌纤维结构断裂的片段更小且比较均匀，表明超声波结合木瓜蛋白酶的嫩化效果更佳。陈一萌等[48]研究对比了超声波技术结合木瓜蛋白酶与超声波技术、木瓜蛋白酶法对牦牛肉的嫩化效果，结果发现，当超声波功率为190 W、处理时间为30 min、酶浓度为20 U/g、处理温度为51 ℃时超声波技术结合木瓜蛋白酶的嫩化效果要比单独使用超声波技术和木瓜蛋白酶法要好。总体来看，现有的研究结果均表明超声波技术结合外源酶可以改善牛肉嫩度，且其嫩化效果要比单独使用超声波技术和外源酶法要好。

目前，由于不同的外源酶的适用条件不同，所需要的超声波处理参数也就不同。因此，针对不同的外源酶，研究优化超声波的处理参数以及酶的适用条件是这项技术急需解决的问题。但是，超声波技术结合外源酶嫩化法可以解决传统外源酶嫩化存在的问题，且其嫩化效果要好，故该技术也是一个具有良好应用潜力的牛肉嫩化技术。

3.3 超声波技术结合钙盐嫩化法对牛肉嫩度的影响

钙盐嫩化法属于化学嫩化法的一种，其作用机理是钙离子可以激活钙蛋白酶的活性，降解肌肉中的肌纤维结构蛋白，加速肉的成熟，缩短肉达到正常嫩度所需要的时间[2]。运用钙盐改善牛肉的嫩度有注射和浸泡两种方法。目前钙盐嫩化法存在在肉中浓度分布不均匀、局部浓度过高而导致颜色、风味等品质下降的问题，而利用超声波技术辅助可以加速钙盐在肉中的渗透，避免局部浓度过高所带来的品质下降问题[49-50]。

目前研究常用的钙盐是CaCl2。很多学者对超声波技术结合CaCl2对牛肉嫩度的影响进行了相关研究。李林强等[50]研究了超声波技术结合氯化钙浸泡处理对牛肉嫩度的影响，结果表明当超声波处理强度为200～220 W/m2、CaCl2质量浓度为0.25～0.30 g/L、超声处理时间为10～15 min时，牛肉的剪切力为36.65～39.89 N，肌纤维直径显著变小，肌纤维间距显著增大，嫩化效果较好。钟赛意等[7]发现超声波技术结合氯化钙可以显著降低牛肉的硬度的同时减少CaCl2的用量。万云飞[32]报道称超声波技术和CaCl2联合处理对牛肉嫩度的改善效果要高于超声波技术处理和CaCl2单独处理。超声波技术和CaCl2联合处理对牛肉嫩度的改善机理可能是超声波的空化效应和机械效应加速了CaCl2的扩散和渗透，使肉中的Ca2+浓度增加，降解肌纤维结构蛋白，进而改善嫩度。现有研究表明超声波技术结合CaCl2可以改善牛肉嫩度，且超声波技术和CaCl2联合处理对牛肉嫩度的改善效果要高于超声波技术处理和CaCl2单独处理[6-7，32]。

超声波结合钙盐嫩化也还需要大量的实验研究来优化处理参数，尤其是Ca2+的浓度，若Ca2+的浓度过高，超声波可能会钝化酶的活性[7]，不仅造成钙盐的浪费，还减弱了改善效果。超声波结合钙盐嫩化牛肉可以在提高牛肉嫩度的同时降低钙盐所带来的负面影响。因此，超声波技术结合钙盐嫩化这项技术同样也是一项具有应用潜力的技术。

4 结语

超声波技术作为一种经济、节能、绿色、安全的非热加工新技术，在牛肉嫩化方面有一定的应用前景。这种技术不仅能改善生鲜牛肉的嫩度，而且还能够解决腌制、外源酶嫩化、钙盐嫩化等传统牛肉嫩化过程中存在的诸如作用效果不均匀、作用时间较长等问题。但是，超声波技术和超声波技术与其他嫩化技术的复合要想应用于工厂的实际生产中，还需要对超声波技术以及复合的技术的工艺处理参数进行大量的实践和研究。此外，通过研究超声波技术嫩化牛肉的机理能够为设计出适用于牛肉胴体嫩化的超声波设备奠定良好的基础。