超声波在鱼糜制品中的应用进展

熊 瑶 ，李倩如 ，刘云，黄倩云 ，张 怡 ， 张龙涛 ，郑宝东

（1.福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002；2.中爱国际合作食品物质学与结构设计研究中心，福建福州 350002；3.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室，福建福州 350002）

0 引言

鱼糜制品是以鱼肉作为原料，经过斩拌、擂溃、成型、凝胶等一系列加工方式制得的一种食品[1]，具有高蛋白、低脂肪、食用方便的特点[2]，深受消费者喜爱。随着生活水平的提高，人们对鱼糜制品的需求量也不断增加，多年的非理性、掠夺性捕捞导致海洋渔业资源枯竭，优质鱼浆已难以满足鱼糜加工业需求。淡水鱼和劣质鱼浆的使用，导致鱼糜制品的凝胶强度较低，产品口感和风味下降。如何通过技术手段弥补鱼浆品质下降的短板，提高鱼糜制品的凝胶强度和冻藏品质，成为产业持续发展亟待解决的技术问题。

超声波是一种可持续的绿色加工技术，具有良好的发展前景[3]，被广泛应用于食品研究与加工[4]、化工和医疗等诸多领域。在食品行业中的应用主要包括超声波辅助提取、杀菌、超声波辅助干燥与除气、无损检测和提高肉制品品质等，在鱼糜加工中具有较大的应用潜力，也是国内外鱼糜加工产业关注的热点之一，然而关于超声波技术对鱼糜制品加工作用的综述并不多见，对近年来超声波技术对鱼糜制品作用的研究情况进行综述。

1 鱼糜产业加工现状及主要技术瓶颈

我国是全球的渔业大国，拥有丰富的海洋和淡水渔业资源。据《2017中国渔业统计年鉴》统计结果显示，2016年全国水产总量比上一年增长3.01%，达到6 901.25×104t，其中海水水产产量占水产总量的50.57%，达到3 490.15×104t；淡水水产产量占水产总量的49.43%，达到3 411.11×104t[5]。我国鱼糜加工历史悠久，早在秦始皇时期就有鱼糜制品的相关记录，但工业化生产的历史并不长，始于1984年初次引进冷冻鱼糜生产线。经过多年的发展，目前已实现鱼糜产业的自动化生产，产品主要包括鱼丸、鱼糕、鱼卷、蟹柳、龙虾丸等。

传统鱼糜是从鱼类白肌中提取基质蛋白，所得的具有一定保藏期的重要中间产品[6-7]，具有脂肪含量低、营养价值高等特点。鱼糜根据加工方式的不同主要被分为冷冻鱼糜和生鲜鱼糜，由于冷冻鱼糜制品克服了生鲜鱼糜地域性强、运输困难、食用不便等缺点，是目前市场上流通的主要品项。鱼糜加工原料包括白色肌肉和深色肌肉的海水鱼和淡水鱼，如罗非鱼、黄花鱼、蜥蜴鱼、阿拉斯加鳕鱼、沙丁鱼、鲈鱼和大眼鲷等。

随着社会的进步和生活水平的提高，人们对于食品的消费观念发生了转变，低能量、高蛋白、优质营养的消费理念日渐深入人心，鱼糜加工产品作为符合这一消费理念的优质选项得到普遍关注，其为加工的腾飞也注入了新的活力[8]，市场潜力和产业发展空间巨大，但仍存在一系列的技术问题和产业瓶颈亟待解决，主要包括以下3个方面：①海洋的持续过度捕捞导致优质鱼浆日益短缺，品质欠佳的低值鱼鱼浆用量逐渐增大，导致鱼糜的凝胶强度普遍较低，产品口感、风味下降；③传统的鱼糜加工方法所得鱼糜制品品种单一，品质提升空间受限，以及优质蛋白质的缺乏导致现有的鱼糜产品难以满足消费者对产品多样性的需求；④冷冻贮藏过程中蛋白质冷冻变性，产品析水、冻裂，进而影响产品品质。因此，针对产业现状，发掘新技术手段、提升加工技术水平、改善产品品质、开发新型营养与功能型鱼糜是解决目前产业问题的主要思路。超声波技术作为一种新兴的技术手段，得到国内外研究者的关注，并期望通过该技术改善鱼糜制品的凝胶强度、冻融稳定性等理化指标。

2 超声波技术

2.1 超声波在介质中的作用机制

超声波是指频率超过人类听觉极限的声波，一般人耳的听觉范围为20 Hz～20 kHz，而超声波的频率范围可达20 kHz～1 MHz[9]。超声波可在固体、液体和气体3种媒介中传送[10]，其作用机制分为空穴效应、加热效应和机械效应。空穴效应主要与超声波在液体媒介中的传播有关，超声波在作用过程中产生正压和负压且周期交替，当能量足够高时产生的巨大负压使气核从液体中脱离，形成空穴气泡，在几个周期循环中，气泡经历振荡、膨胀、收缩，最终崩溃[11]。加热效应分为瞬时热效应和连续热效应2种形式，前者的产生是由于空穴效应形成的气泡破裂或闭合时引起的瞬间高温；后者的产生是由于超声波的连续作用伴随着内摩擦，一部分的声波能量被介质吸收成为热能，作用一段时间后媒介声场区的温度升高。机械效应是由于介质中的粒子不断高速振动，形成速度、声强、声压等力学量变化所引起的，空穴效应也会产生相应的机械效应。

超声波通常被分为低频率超声波（20～100 kHz）和高频率超声波（100 kHz～1 MHz）[12]，其中高频率超声波（低场强）具有快速、精准的优点，不会对所作用的介质产生破坏而常被应用于食品的无损检测；而低频率超声波（高场强）因能量高，能对介质中产生强大剪切力、压力和高温，使得介质的物理结构发生化学改变，可应用于物料理化性质的改善。对于这2种声波类型，后者的研究相对较少，但在近几年，也得到了业界和学者的广泛关注。

2.2 超声波在肉制品的中的应用

超声波在蛋制品、乳制品、酒类酿造和肉制品等各种食品加工过程中均有应用，在肉制品中的应用主要包括肉制品检测、嫩化和解冻。

在低场强超声频率范围内，超声波在精肉和肥肉中传播速度有着明显差异，因此能够快速无损地检测出肉制品中精肉的厚度和脂肪含量；除此之外，结合超声波成像技术，也能检测出复杂结构肉制品原料的组织结构。Brondum J等人[13]报道了一种包含16个超声传感器的检测系统，能够在线检测猪胴体，精准快速分析出猪肉的肥瘦程度。

在高场强超声频率范围内，声波在肌肉中传播时产生强大能量，声耦作用使得肌肉受迫振动，经过快速的收缩和伸张肌肉结构被破坏，可缓解肌肉的僵直现象，起到嫩化效果。付丽等人[14]采用控温的三频段超声（22，28，40 kHz；180，240，300 W）处理腌制牛肉，结果表明在超声温度8℃，超声频率28 kHz和超声功率180 W处理下牛肉的保水性和嫩度达到最优。肌原纤维的主要成分是肌动球蛋白，其与肌肉收缩有关，肌动球蛋白的存在状态关系着肉质的软硬程度和嫩度。在超声波作用下，蛋白质间的连接键改变导致肌肉结构的破坏，从而缓解肌肉僵直状态，改善肌肉嫩度[15]。

肉品的解冻过程非常缓慢，导致食品加工的成本增加和效率降低，并由于原料暴露时间的延长增加了食品安全的风险。传统传导热的解冻方法由于漏热和表面过热等问题限制了解冻效率，超声波解冻避免了食品内部的局部高温，防止食品解冻过程中不均匀的现象，声波通过传质传热可以有效升高整体介质温度，能够降低食品汁液流失，更好地保留食品的营养价值和品质。张昕等人[16]研究了超声波对鸡胸肉品质影响，发现超声处理可以有效提高鸡胸肉的解冻速率，并具有一定的灭菌效果。鱼糜在贮藏运输过程中反复冻融对其品质所产生的影响是巨大的，但目前研究者多注重超声波对鸡肉、鸭肉等肉制品的影响，少见有关超声波技术在鱼糜解冻工艺方面的应用及其对产品品质影响的相关报道。

3 超声波对鱼糜制品的影响

凝胶强度为破断力与破断距离的乘积，其破断力反映了蛋白质分子间结合的紧密程度，而破断距离反映了蛋白质分子间作用力的强弱，蛋白质分子间的紧密程度决定鱼糜凝胶抵抗破坏力的能力[17]。鱼糜制品的凝胶强度取决于离子强度和肌质蛋白的品质[18-19]，超声波处理能够改变鱼糜制品的凝胶强度。不同的超声场在一定范围内可以产生相同的凝胶强度，但超过一定范围后鱼糜凝胶强度随超声场强度的增加而增强[20]。

张崟等人[21]探究超声波辅助凝胶化对罗非鱼鱼糜凝胶性能影响时发现，不同超声频率和功率处理的不同鱼糜凝胶样品的破断力和破断距离的显著性相似，并指出不同超声处理对鱼糜凝胶强度的提高效果可能相同。Zhang Y等人[22]采用250 W超声强度处理罗非鱼鱼糜，结果表明3种频率（28 kHz，45 kHz和100 kHz）的声波都会增强鱼糜制品的凝胶强度，并且对照组中盐溶性蛋白质、水溶性蛋白质的含量都明显升高，表明超声波破坏了罗非鱼的肌肉组织且影响了鱼糜的凝胶强度。Zhang Y等人[23]对比了超声波在2种加热方式中罗非鱼鱼糜凝胶强度的变化，发现无论是在40～90℃进行升温式加热，还是分别在65℃和90℃这2个温度恒温加热，其鱼糜的凝胶强度都显著提高。Annamaria F A等人[24]将研究对象换成非洲大砍刀鱼和罗非鱼时也得到类似的结论。Fan D等人[20]研究鲢鱼鱼糜时也发现伴随超声波强度的增大，凝胶强度也增加，指出超声波的机械效应提高了蛋白质分子相互连接的紧密度，从而提高鱼糜的凝胶强度。

持水性、起泡性、乳化性等也是鱼糜制品品质的评价指标。胡爱军等人[25]在研究超声波（160～320 W，5～25 min）对鲢鱼鱼肉蛋白性质的影响时发现：①超声功率越大，对照组的溶解度、乳化性、乳化稳定性、起泡性、气泡稳定性的变化趋势都是先升高再降低。其中，溶解度、乳化性及乳化稳定性的最佳超声功率是240 W；而在160 W时，起泡性和气泡稳定性达到最优。②随着超声时间的增加各性质的变化趋势同①，但在得出最佳处理时间时，发现除乳化稳定性在超声时间15 min时最优，其余性质的最佳条件都是10 min。由此得出结论，超声波处理中的功率和时间变量与凝胶强度性质的变化具有一定相关性。其他研究者也发现超声波处理还会提高鱼糜的持水性、硬度和咀嚼性[24]，并且提出这是超声波脉冲对肌原纤维蛋白分子间的空间产生作用的后果。

4 超声波对肌原纤维蛋白的影响

肌原纤维蛋白是鱼类肌肉的主要蛋白质和形成凝胶的主要成分，其凝胶形成能力和乳化特性与肉制品加工质量密切相关。肌原纤维蛋白是一类具有重要生物学功能特性的盐溶性结构蛋白群，主要包括肌球蛋白、肌动蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白等，占总蛋白含量的50%～55%[26]。超声波处理鱼糜凝胶强度等理化性质的影响，目前的研究认为主要是引起了鱼糜肌原纤维蛋白的二级结构的改变。常海霞等人[27]研究发现超声波会破坏草鱼肌原纤维蛋白的二级结构，但不影响其一级结构。超声波处理后的草鱼肌原纤维蛋白分子展开，疏水基团暴露，使得蛋白分子颗粒分布更均匀。同时，发现超声波会减少肌原纤维蛋白分子的粒径、热聚集程度、内源荧光强度及巯基含量，但降低的幅度随超声处理的时间增长而减小。Fan D等人[20]通过圆二色性光谱法分析证实了超声波处理对肌原纤维蛋白的二级结构的影响，其中α-转角从35.4%下降到29.8%，β-折叠则从12.4%上升到了18.0%。Annamaria F A等人[24]也得出过类似结论，认为超声波产生的脉冲直接作用于肌原纤维蛋白质分子的结构空间，通过超声波的空化效应对蛋白质分子进行一系列按压和释压。Ibrahim G等人[28]也提出超声波空化作用会产生剪切力、冲击波，这些作用可能改变蛋白质的功能性质。

Zhao Y Y等人[29]在研究鸡胸肉肌原纤维蛋白所形成的复合凝胶的性质时发现，随着超声强度的增加，复合凝胶的黏度会先提高后降低。M A等人[30]指出液体介质黏度的降低，主要是由于超声波空化期间所产生的剪切力破坏了蛋白质分子间的二硫键或疏水相互作用。在声波空化过程中，由于布朗运动和蛋白质分子之间或者蛋白质与油相之间的弱作用，液体介质受到剪切、振荡等物理力量。当剪切速率不断增加直至可以克服布朗运动和分子碰撞时，乳液液滴在流场中变得更加有序，表现为受到更少的流动阻力，从而导致液体黏度降低。超声波通过改变肌原纤维蛋白的二级结构提高了肌肉蛋白的持水性，这也证实超声波可以应用于提高肌原纤维蛋白的保水能力。

5 超声波对肌动球蛋白的影响

在用超声波（20 kHz，50 W超声30 min）处理鸡胸肉的肌动球蛋白时发现肌动球蛋白的溶解度明显增加，原因是肌动球蛋白分子发生了重组。且紫外光谱分析所得的结果证实肌球蛋白和肌动球蛋白的构象都在声波的作用下发生了改变，进而改善了肌动球蛋白的功能。Saleem R等人[31]在处理鸡胸肉肌动球蛋白时也有相同发现，低频超声波会显著改变肌动球蛋白凝胶的三维网络结构，从而提高凝胶强度和持水性。研究高强度超声处理对鹅胸肉肌动球蛋白特性的影响，发现超声波处理能够破坏肌肉的结构从而改变肌肉蛋白质之间的连接键，促进肌动球蛋白由大分子聚合物解离为小分子蛋白，达到改善肉品品质的效果。

综上所述，声波通过影响肌动球蛋白的结构来改变鸡肉等肌动球蛋白的凝胶强度、持水性等理化特性，但目前鲜见关于超声波对鱼糜肌动球蛋白影响的报道。同时，因肌动球蛋白是一种不溶于水的复合体，由肌球蛋白和肌动蛋白结合而成。热凝胶过程中不同质量比例的肌球蛋白和肌动蛋白对肌球-肌动蛋白的加强程度不同[32]，而单独的肌球蛋白对凝胶体系的影响已有报道。因此，进一步再单独研究超声波对肌球蛋白或者肌动蛋白的影响可能更有助于阐明超声波对蛋白质的作用机理，因此需要更多的试验数据和分析来对此进行讨论。

6 结语

超声波技术在食品工业中已有广泛应用，其通过特有的热效应、机械效应、空穴效应等作用可以改善物料的凝胶性能等理化性质，由此提高产品品质、延长产品贮藏保质期。但目前的研究多注重超声波技术对鸡肉等红肉原料的影响，超声波在鱼糜生产、加工及贮藏方面的研究还较少。为进一步探明超声波技术对鱼糜蛋白的作用机理，提出了以下几种研究的思路：①简化研究对象，分别考查超声波对肌球蛋白、肌动蛋白的影响来对超声波技术在鱼糜中的应用机理进行阐明；②扩展超声波技术在鱼糜解冻方面的应用来抑制鱼糜在贮藏运输过程中反复冻融的品质损伤；③超声波技术对鱼糜的安全性影响存在争议，需要更多的试验研究来确认。此外，如何将超声波技术大规模运用应用到实际生产加工过程中也是有待进一步研究的课题。