超聲輔助腌制處理對牛肉干干燥及理化特性的影響

劉 夢，楊 震，史智佳,,*，王 薇，喬曉玲，王守偉

（1.中國肉類食品綜合研究中心，北京 100068；2.寧夏伊佳仁食品有限公司，寧夏 銀川 750020）

超聲波是一種由物質機械振動產(chǎn)生的頻率高于20 kHz的聲波，可在氣體、液體和固體中傳播。根據(jù)頻率和能量密度，超聲波可以分為高頻超聲和低頻超聲兩類。高頻超聲一般指頻率大于100 kHz的超聲波，又稱診斷超聲；低頻超聲又稱功率超聲，一般是指頻率介于20～100 kHz的超聲波[1-2]。功率超聲在液體中傳播時會對液體分子產(chǎn)生拉伸和壓縮作用，進而在拉伸階段形成空穴，這些空穴在壓縮階段瞬間破裂，可產(chǎn)生瞬時高溫和高壓等極端條件[3]，稱為功率超聲的空穴作用。空穴作用可導致食品發(fā)生多種理化和生化變化，如傳質傳熱效率提高、微生物和酶活性改變、細胞膜崩解、產(chǎn)生自由基、蛋白氧化、脂質氧化等[4-8]。目前，功率超聲在食品加工中的研究和應用日益增多，涉及提取、過濾、消泡、脫氣、蒸煮、切割、干燥、肉的嫩化、均質、結晶、生物合成、冷凍和解凍等過程[1,4]。功率超聲處理食品既可能產(chǎn)生有利影響，也可能產(chǎn)生不利影響，如高能量水平的功率超聲有利于改善肉的質構特性[9]，但會對胡蘿卜、果汁等食品的色澤、顏色和營養(yǎng)產(chǎn)生不利影響[5,10-11]。在肉類加工領域，國內外已有的報道主要評價超聲對肉類蛋白質的理化特性[12-13]、鹽分擴散[13-14]、肉的嫩度及微觀結構[15-16]、酶活性[17]等方面的影響。丁玉勇等研究發(fā)現(xiàn)超聲波用于原料肉輔助腌制可以提高食鹽滲透速度[14]；李林強等研究發(fā)現(xiàn)超聲強度和超聲處理時間交互作用對牛肉嫩化影響顯著，可導致牛肉肌纖維直徑顯著變小、肌纖維間距顯著增大，嫩化效果較好[15]；李瑩等研究發(fā)現(xiàn)超聲和微波聯(lián)合作用對肌肉嫩化效果顯著，最佳組合為功率400 W、超聲-微波時間10 min、超聲時間4 s/間隙時間4 s[16]。Lyng等研究超聲處理對牛肉剪切力、膠原蛋白溶解性的影響，發(fā)現(xiàn)處理組與未處理組相比并無顯著差異[18]。

牛肉干是肉類深加工制品的重要品類之一，深受消費者喜愛。但牛肉干普遍存在口感硬度大、難以咀嚼的問題。功率超聲可導致肌纖維損傷，進而提高肉的嫩度[15,19]，但也有報道稱超聲處理并不能提高肉的嫩度[18]，甚至還會降低肉的嫩度。而且經(jīng)過超聲處理的肉類樣品，在失去大量水分后測定的剪切力與未經(jīng)超聲處理的肉類樣品是否存在差異尚不明確。此外，干燥是牛肉干加工過程耗時長、能源消耗大的主要環(huán)節(jié)。在腌制環(huán)節(jié)應用功率超聲對牛肉中肌紅蛋白析出、牛肉干干燥過程及終產(chǎn)品品質的影響同樣不得而知。為此，本實驗在牛肉片腌制環(huán)節(jié)應用超聲處理，研究其對牛肉干終產(chǎn)品的硬度、干燥速度、肌紅蛋白溶出和理化性質的影響，以評估超聲在牛肉干加工中應用的適宜性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛小米龍肉（Eye Round，屠宰后排酸48 h后速凍）河北福成五豐食品股份有限公司。

三氯乙酸、乙二胺四乙酸二鈉、硫代巴比妥酸、1,1,3,3-四乙氧基丙烷（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

DK-1500P超聲水?。ㄋ坶L×寬×深為33 cm×30 cm×15 cm、工作頻率為40 kHz） 深圳市得康洗凈電器有限公司；DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱、DZF-6050真空干燥箱 北京萊凱博儀器設備有限公司；UV-2800型紫外-可見分光光度計 尤尼柯（中國）儀器有限公司；HYZ-B5000型電子天平 上海亞津電子科技有限下公司；TA.XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司；MS-200型鹽度計 東莞市盛山電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料肉處理

將條狀牛肉沿垂直于肌纖維方向切成長度約為80 mm的肉段，然后用切片機沿肌纖維方向將肉段切成厚度為8 mm的肉片，每片寬度為（90±10）mm。牛肉片隨機分成5 組，控制每組質量為（300±2）g。

1.3.2 牛肉干加工工藝及超聲處理

牛肉干加工工藝：牛肉解凍→切片機切片→超聲輔助腌制（或靜置腌制）→干燥→熱加工→進一步干燥（使各組水分質量分數(shù)基本一致）

將各組牛肉片分別加入到5 L質量分數(shù)2.0% NaCl溶液（25 ℃）中，按表1所示條件進行超聲處理。超聲處理時牛肉片距離水槽底部5 cm。

表 1 牛肉片超聲處理實驗設計Table 1 Experimental design of ultrasonic treatments on beef slices

1.3.3 腌制過程溶液中溶出物質量分數(shù)的測定

取靜置腌制和超聲輔助腌制牛肉片后的食鹽溶液50 mL，置于電熱恒溫干燥箱內105 ℃干燥至恒質量，稱取干物質的質量，進而計算腌制液中從牛肉片中溶出物的質量分數(shù)。

1.3.4 肌紅蛋白濃度的測定

肌紅蛋白濃度測定參照Krzywicki[20]的方法，取靜置腌制和超聲輔助腌制牛肉片的食鹽溶液20 g，5 000×g離心10 min，取上清液測定其在525 nm波長處吸光度A525nm。肌紅蛋白濃度按公式（1）計算。

式中：c為肌紅蛋白濃度/（mmol/mL）；MAC525nm為本實驗中肌紅蛋白在525 nm波長處的摩爾吸光系數(shù)（7.6 mL/mol）。

1.3.5 腌制和干燥過程中水分損失率的測定

腌制和干燥過程中牛肉片的水分損失率按公式（2）計算。

式中：m1為腌制或干燥處理前的牛肉片質量/g；m2為經(jīng)過一定條件處理后的牛肉片質量/g。

1.3.6 剪切力的測定

將熱加工后的牛肉片在常溫下進一步干燥，直至各組水分質量分數(shù)為（51±1）%，此時牛肉片厚度為（4.0±0.2）mm。隨后將牛肉片沿肌纖維方向切成寬度為10 mm條狀，取厚度一致的部分使用質構儀測定其剪切力。測定時使用HDP/BS測試附件中Warner Bratzler刀頭（60°角V形刀頭），測試中刀頭行進速率為0.5 mm/s，測試后刀頭行進速率為10 mm/s。

1.3.7 牛肉干食鹽質量分數(shù)的測定

熱加工后，進一步對牛肉干進行干燥，使牛肉干中水分質量分數(shù)為（50±2）%。將進一步干燥后的牛肉干絞碎，取10 g加入40 g去離子水中，使用均質機5 000 r/min均質2 min，過夜靜置后使用鹽度計進行測定。

1.3.8 水分質量分數(shù)測定

牛肉片水分質量分數(shù)測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》[21]的方法。

1.3.9 脂質氧化的測定

為避免牛肉脂肪含量差異對檢測結果造成的影響，脂肪氧化情況以牛肉脂肪中丙二醛含量表示。牛肉絞碎后加入無水乙醚（料液比為1∶5），在4 ℃條件下放置過夜，然后將無水乙醚40 ℃下旋轉蒸發(fā)除去乙醚，剩余為粗脂肪。依照GB 5009.181—2016《食品安全國家標準 食品中丙二醛的測定》[22]中分光光度法測定丙二醛含量。

1.3.10 微觀結構觀察

將牛肉樣品用刀沿著肌纖維方向切取靠近中心、長約5 mm、寬約5 mm的小肉塊，迅速投入體積分數(shù)10%甲醛溶液，腌制24 h后切片進行蘇木精-伊紅（haematoxylin-eosin，HE）染色。切片觀察使用BX41生物顯微鏡（配備數(shù)字攝像頭及圖像分析軟件Imageporplus 4.0和5.0），拍攝組織圖像。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)處理使用SPSS軟件，結果采用平均值±標準差形式，平均值比較采用最小顯著差異法，取95%置信度（P＜0.05）。使用Sigma Plot軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 腌制過程中牛肉片水分損失率、溶出物和食鹽質量分數(shù)的變化

表 2 超聲處理對牛肉片的水分損失率、溶出物及食鹽質量分數(shù)的影響Table 2 Effect of ultrasonic treatment on water loss rate, soluble substance content and sodium chloride content of beef slices

靜置腌制和超聲輔助腌制條件下，牛肉片的水分損失率如表2所示。超聲處理導致牛肉片在腌制過程中失水。靜置腌制后牛肉片質量增加6.14%，而超聲處理后牛肉片的水分損失率最高達6.93%。牛肉片的水分損失率與超聲處理的功率和作用時間呈正相關關系。0.6 W/cm2下超聲處理30 min和60 min，較0.3 W/cm2相應條件下牛肉片的水分損失率分別高3.70%和2.43%；0.6 W/cm2和0.3 W/cm2下超聲處理60 min較處理30 min的牛肉片水分損失率分別高0.81%和2.08%。由表2可以看出，超聲處理促進了牛肉中可溶性物質的溶出，使得鹽溶液中溶出物質量分數(shù)增加。相較于靜置腌制，除U4組外，其余各組鹽溶液中溶出物質量分數(shù)均顯著升高，但與超聲功率和作用時間成反比。超聲的空穴作用會對肉的組織結構產(chǎn)生破壞作用，如造成肌纖維直徑變小、間距增大[15]，可能會在肉品內部形成微通道，促進傳質過程[23]，進而促進肉中可溶物的析出，導致鹽溶液中可溶物質量分數(shù)增加。同時，超聲的空穴作用還會導致肉類蛋白空間結構發(fā)生改變，增加其表面疏水性，引發(fā)蛋白氧化并通過二硫鍵彼此間聚合，導致肉的持水能力降低[6]，進而導致牛肉片的水分損失率增加和蛋白類可溶物溶出量減少，使得鹽溶液中可溶物質量分數(shù)下降。丁玉勇等研究發(fā)現(xiàn)腌制過程應用超聲波可以提高食鹽滲透速度[14]。本研究中，牛肉片經(jīng)腌制、干燥、蒸煮及二次干燥后，食鹽質量分數(shù)基本一致，這主要是因為牛肉片較薄，使得食鹽易于擴散。

2.2 腌制過程中牛肉片肌紅蛋白溶出的變化

牛肉中紅色素主要為肌紅蛋白和血紅蛋白，前者所含血紅素鐵約占總血紅素鐵的80%，后者約占20%。由于肌紅蛋白和血紅蛋白在525 nm波長處的摩爾吸光系數(shù)一致（均為7.6 L/（mol·cm）），因此按照本研究方法測定的總肌紅蛋白濃度可視為肌紅蛋白和血紅蛋白的總濃度。

牛肉中肌紅蛋白（也包括血紅蛋白）濃度較高，肌紅蛋白氧化形成高鐵肌紅蛋白導致牛肉干制品色澤暗黑。腌制除去肌紅蛋白可以有效改善牛肉干的顏色。不同處理條件下，腌制牛肉片的鹽溶液中肌紅蛋白濃度如圖1所示。超聲處理顯著提高了鹽溶液中肌紅蛋白的濃度，即促進了牛肉中肌紅蛋白的溶出。肌紅蛋白的溶出率與超聲處理的功率和時間呈正相關關系。超聲處理促進肌紅蛋白溶出，一方面是其可能會在肉品內部形成微通道，促進傳質過程[23]；另一方面是其促進液體擾動，增加傳質效率。

圖 1 不同處理方式下鹽溶液中肌紅蛋白濃度Fig. 1 Myoglobin contents in salt solution under different treatments

2.3 干燥過程中牛肉片水分損失率的變化

在不同條件下腌制的牛肉片在干燥過程中的水分損失率如表3所示。在干燥的最初20 min內，各組牛肉片的干燥水分損失率有所不同。U3組干燥水分損失率最大，但與C組差異不顯著，而顯著高于其他各組；而U4和U2組則顯著低于另外3 組，且彼此間差異不顯著（P＞0.05）；C組與U1組和U3組干燥水分損失率差異不顯著。導致這一現(xiàn)象的原因與腌制階段不同處理條件下牛肉片水分損失率不同有關（表2）。在此后的干燥過程中，超聲處理后牛肉片的干燥水分損失率與未經(jīng)超聲處理的C組基本一致或略高。但隨著干燥時間的延長，干燥水分損失率逐漸下降，如C組牛肉片每干燥20 min時水分損失率由最初的10.42%降至最后的3.62%。隨著干燥時間的延長，牛肉中的水分質量分數(shù)降低，牛肉中存在的自由水減少，進而導致干燥階段水分損失率逐漸降低。

表 3 超聲處理對牛肉片干燥過程中水分損失率的影響Table 3 Effect of ultrasonic treatment on water loss rate of beef slices during drying

由表2、3可知，整個干燥階段，同一時間段內C組的水分質量分數(shù)均顯著高于超聲處理組，在此條件下具有與超聲處理各組大致相同的干燥水分損失率。以腌制前牛肉質量計，C組干燥40 min后的水分損失率為11.98%，其與U1組牛肉片干燥20 min后的水分損失率（12.60%）相當（U1組水分質量分數(shù)略低于C組），但兩者在隨后的20 min內干燥水分損失率分別為5.41%和9.42%，表明在同樣水分質量分數(shù)下靜置腌制牛肉片的干燥速率小于經(jīng)過超聲處理的牛肉片，即超聲處理可以提高牛肉片的干燥速率。其余各組的情況與此類似。其原因可能與超聲處理改變牛肉微觀結構有關。李林強等研究發(fā)現(xiàn)220 W超聲處理可以極顯著增大牛肉肌纖維間距（增大近7 倍）、縮小肌纖維直徑（縮小18%）[15]。而Ortuno等認為超聲作用會導致食品內部組織結構發(fā)生改變，高頻的擠壓與剪切作用導致微毛細管擴張，超聲空化效應則會導致新的微細孔道形成，有利于促進傳質過程，進而提高干燥速率[23]。

2.4 腌制過程中牛肉片油脂氧化程度的變化

脂質氧化形成的氫過氧化物初級產(chǎn)物不穩(wěn)定，會進一步氧化分解生成醛、酮、醇等次級產(chǎn)物，其既是肉類風味的來源，也往往會導致食品營養(yǎng)和感官品質的下降[22]。丙二醛是脂質氧化的次級產(chǎn)物，性質穩(wěn)定，常被用于評價脂質氧化情況。不同條件下牛肉脂肪中丙二醛含量如圖2所示。牛肉片經(jīng)超聲處理后，其脂肪中丙二醛含量顯著高于未經(jīng)超聲處理的C組，且功率越大、作用時間越長，丙二醛含量越高。超聲具有空化作用，空化氣泡破裂時生產(chǎn)瞬時高溫和高壓，可將水分子熱解產(chǎn)生多種高活性的自由基[24]，導致脂質發(fā)生自由基氧化。Jana等研究發(fā)現(xiàn)羥自由基生成量隨超聲功率密度增大而呈線性增加[25]。Kang Dacheng等研究牛肉腌制過程應用超聲對脂肪氧化的影響，結果顯示牛肉中的丙二醛含量顯著增加，且與超聲的實際功率呈正相關[6]，與本研究結果一致。

圖 2 不同處理方式下牛肉干脂肪中丙二醛含量Fig. 2 Malondialdehyde content in lipids of beef jerky under different treatments

2.5 不同方式處理后牛肉片剪切力的變化

圖 3 不同處理方式下牛肉干剪切力的變化Fig. 3 Shear force of beef jerky under different treatments

由圖3可知，一定條件下，超聲處理可顯著提高牛肉片的嫩度，降低其剪切力。相較于靜置腌制，U4組和U2組顯著降低了牛肉片的剪切力，U3組剪切力下降但差異不顯著，U1組基本沒有變化。肌纖維直徑和結締組織含量對肉的嫩度有明顯影響，且肌原纖維比結締組織對硬度的影響更大[26]。諶啟亮等研究發(fā)現(xiàn)，牛肉的剪切力與肌纖維直徑和結締組織含量呈正相關[27]，即牛肉的肌纖維直徑越大，剪切力越大，嫩度越低。另外，超聲還會造成牛肉肌束膜結締組織大量破壞[28]。

2.6 超聲對牛肉微觀結構的影響

超聲的空穴作用往往會導致肉類微觀結構發(fā)生改變。肉類微觀結構與其品質緊密相關，如保水性以及嫩度。為了評估超聲處理對牛肉組織結構的影響，本研究在0.60 W/cm2條件下分別超聲處理牛肉30 min和60 min，并與未經(jīng)處理的牛肉對比，結果如圖4所示。未經(jīng)超聲處理的牛肉肌纖維束排列整齊、粗細均勻，僅有少許斷裂（可能與前期凍融有關）；超聲處理30 min后，肌纖維膜部分破損，肌纖維束部分斷裂；超聲處理60 min后，肌纖維破損和肌纖維束斷裂程度進一步增大。這說明超聲處理確實對牛肉微觀結構產(chǎn)生了破壞作用，是導致牛肉干剪切力下降的重要原因。

圖 4 不同處理方式下牛肉微觀結構（×10）Fig. 4 Microstructure of beef under different treatments (× 10)

3 結 論

超聲憑借其空穴作用產(chǎn)生的物理和化學效應，對牛肉理化特性產(chǎn)生了顯著影響，且影響水平與超聲功率及作用時間呈正相關。在牛肉片腌制過程中應用超聲，促進了牛肉中肌紅蛋白等色素蛋白及其他可溶性蛋白析出，但過大的功率導致蛋白性質改變并發(fā)生凝聚，一方面使鹽溶液中可溶性蛋白質量分數(shù)降低；另一方面使得牛肉持水力下降，造成牛肉水分損失率增大。超聲能夠促進脂質氧化，使得牛肉脂質中的丙二醛含量顯著上升，且與超聲功率呈正相關，即功率越大，產(chǎn)生的促進作用越強。超聲處理會造成牛肉微觀結構改變，降低水分遷移阻力，進而提高牛肉片的干燥速率。一定強度的超聲處理可以顯著降低牛肉干的剪切力。綜上，在牛肉干加工過程腌制環(huán)節(jié)中應用超聲處理，對后續(xù)干燥過程具有顯著影響，可以降低牛肉干的硬度，且無明顯不利影響，具有一定應用前景。