冲击波在肉类嫩化中的应用研究进展

曾令英，贺稚非,2，李洪军，2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(重庆市特色食品工程技术研究中心,重庆, 400715)

随着经济发展和生活水平的提高，人们的饮食观念也随之改变，对肉的需求已从单纯的“量”转化为“质”与“量”并重。嫩度、风味、多汁性和外观等属性越来越成为消费者对肉类食品品质的主要要求，其中肉的嫩度是评价肉制品品质的重要指标，与肉制品的口感、风味相关，直接影响到消费者的喜爱程度和消费水平。肉的嫩度是指肉入口咀嚼时，对组织状态的感觉印象，一般由Warner-Bratzler剪切力(Warner-Bratzler shear force，WBSF)评价[1]，它是利用物料剪切的原理来评价肌肉嫩度，因为在一定范围内剪切力与嫩度呈负相关，因此可通过测定剪切过程中的最大剪切力来量化嫩度。从本质上讲，肉的嫩度取决于3个因素，即：(1)肌节长度和肌纤维直径；(2)肌原纤维蛋白的水解程度；(3)肌肉的物理表型、结缔组织含量和组成[2]。而这3个因素很大程度上取决于宰前因素(如物种、基因型、性别、年龄、肌肉部位、营养状况和宰前压力等)和宰后因素(如电刺激和胴体悬挂等宰后技术、肉的成熟、包装和存储条件等)[3]。一般来说，宰前因素更为复杂，难以改变，因此食品工业上主要通过控制宰后因素来实现肉的嫩化。目前常用的生物嫩化方法处理条件难控制且普适性差，而常用的化学和物理嫩化方法容易发生交叉污染影响肉制品的颜色和质地，难以达到鲜肉嫩化的要求。

冲击波(shockwave，SW)或流体动力学压力处理(hydrodynamic pressure processing，HDP)早前主要作为一种杀菌技术[4]和前处理技术[5]应用于食品工业，也用于牡蛎的开壳，米粉的生产以及改善从番茄中提取皂苷的工艺[6]。近年来冲击波用于肉的嫩化的研究越来越受到关注，相关的嫩化试验也不断展开。HEINZ等[7]用冲击波处理牛肉在7 d之后达到了传统方法成熟14 d后相同的嫩度水平，也就是说，冲击波将牛肉的成熟时间缩短了50%；BOLUMAR等[8]发现，经冲击波处理的牛肉里脊与对照相比嫩度改善了20%左右。越来越多的研究证明，冲击波处理嫩化效果十分理想，在肉制品嫩化方面具有较大潜力。

本文根据近年来国内外研究的最新进展，综述了冲击波嫩化技术的作用机理、嫩化效果、发展情况与应用现状，并预测了该技术的发展趋势，以期为冲击波在肉制品中的工业化应用和后续研究提供理论依据。

1 冲击波概述

1.1 定义与分类

冲击波，又名流体动力学压力，是指在几分之一毫秒内瞬时产生的高达1 GPa的压力波，可在液体介质(通常是水)中传播，最后对肉类施加压力[9]。一般来说冲击波可由2种方法产生：一种是通过水下引爆爆炸物的化学方法产生，这种方法产生的冲击波叫爆炸冲击波(explosive shockwave)，最先用于牛肉的嫩化；另一种是通过水下放电产生，得到电生冲击波(electrical shockwave)，最开始也是用于牛肉的嫩化，后来被CLAUS等[10]用来嫩化禽肉。值得一提的是，这种水下放电系统可以通过在水中的2个电极之间高压放电或通过火花系统来实现。目前许多研究表明，冲击波可以用于肉类产品的嫩化，并有十分理想的效果。表1[11-17]中列举了常用嫩化方法及其优缺点。与传统嫩化方法相比，冲击波更易控制，更适于工业化生产；与其他新兴嫩化技术相比，冲击波成本低、效率高，而且作用过程中几乎不产生热效应，对食品品质稳定性和外观没有负面影响[18]。研究表明，冲击波处理除了改善肉制品的嫩度，还可以减少整个肉块的嫩度差异，使嫩度分布更加均匀[19]，一定程度上还起到杀菌作用，如减少食源性病毒和噬菌体[20]。

表1 各种嫩化方法的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of various tenderization methods

1.2 冲击波嫩化机理

冲击波可在流体(水)以及任何与水声学匹配的物体中快速传播。肌肉由75%的水构成，冲击波能穿过水及水中的任何物体，同时产生具有与水相匹配的机械阻抗，所以波能通过肌肉样品并且撕裂肌肉蛋白质，产生所谓的“破裂效应”[21]。大多数研究已证明，无论是在降低剪切力方面还是提高嫩度感官评分方面，冲击波都有较为显著的作用。一般认为其嫩化主要有2个作用机制：(1)对肉类结构的瞬时作用导致肌原纤维中肌动蛋白结构的改变；(2)增强结构肌肉蛋白质的水解或加速成熟[22]。研究表明，冲击波处理牛背最长肌可引起肌节I带的碎裂，破坏Z线的完整性，扩大肌原纤维之间的间距[23]。ZUCKERMAN等[24]利用细胞浸渍扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM)技术观察到经过冲击波处理的样品肌内膜蜂窝结构发生变形，其外观变为松散的网眼状结构。此外，BOWKER等[25]通过Western Blotting技术发现，冲击波影响肌钙蛋白T(TnT)的降解，使TnT带的强度降低，TnT降解产生的蛋白质片段(分子质量为30 kDa)积累增多，这表明了冲击波的嫩化是由于肌原纤维结构的物理破坏和蛋白水解增强。

1.3 冲击波设备的发展

自20世纪70年代以来，冲击波在食品嫩化方面的应用已有研究，而第1个基于使用爆炸物的半工业冲击波设备直到20世纪90年代才得以发展，比较有代表性的是美国Hydrodyne公司研制的爆炸冲击波设备。相比爆炸冲击波而言，电生冲击波安全性更高，成本更低，虽然起始相对较晚，但冲击波设备的发展和应用却在不断革新。2000年，研究人员发现利用电容放电系统可以产生冲击波。后来，相关专利的提出和技术的改进促进了Hydrodyne公司的Tender Class系统的商业化发展，也鼓舞了用于肉类嫩化的商业化冲击波系统的开发。但目前，Hydrodyne公司的Tender Class系统并没有全面地用于肉类行业的商业化生产。2006年，COOPER[26]根据加拿大5432756专利，使用等离子体火花装置进行肉的嫩化研究。2007年，LONG申请专利[27]，试图通过隔膜将冲击波传送到肉上。2008—2011年，基于放电的冲击波分批处理系统得以建立，德国食品技术研究所[28]建立了具有一定工业规模的冲击波试点工厂，研究并设计出了基于水下放电的冲击波设备原型，其原理是依靠水下由铝线介导的2个电极之间的电能释放来实现电能向机械能的转换，嫩化试验中取得了良好的嫩化效果，验证了这批嫩化设备的适用性和有效性。2011年，高效紧凑型火花机产生的冲击波在实验室规模上可使2.5 cm牛排和完整的牛肉里脊剪切力降低10%～57%，嫩度有了很好的改善[29]。后来，欧洲资助的Shock Meat项目开发了一个升级的可连续处理的冲击波工业原型，该系统的传送带将肉运送到处理区域进行冲击波处理，也显示出良好的嫩化效果。

2 影响冲击波嫩化效果的因素

2.1 宰后时间和肌肉状态

冲击波的嫩化作用与样品的宰后时间和肌肉状态有关。SOLOMON等[30]分别在宰后第2、4、7天对新鲜牛肉里脊进行冲击波处理，发现嫩度改善分别为11%、25%和28%，由于在此期间肌肉处于成熟阶段，未处理的对照样品的剪切力也降低了12%左右，所以这些差异并不显著。可以看出肌肉完全成熟之前，冲击波有一定的嫩化作用，但肌肉同时也发生自然成熟，冲击波嫩化作用不是特别显著。SOLOMON等[31]将宰后24 h的牛半膜肌经冲击波处理后测定其剪切力的变化情况，发现剪切力从对照组的78～129 N，降低到28～57 N，嫩度提高了55%～66%。而ZUCKERMAN等[24]对经过7 d成熟的牛半膜肌，在相同条件下进行冲击波处理，剪切力平均减少了20 N以上，嫩度提高了约37%。这表明在肌肉完全成熟之后，没有了自然成熟的协同，肌肉中蛋白酶活性低，结缔组织较多，且肌节长度相对较短，嫩化相对较困难，总的嫩化程度稍有降低，但是冲击波的嫩化作用还是十分可观的。

冲击波对不同的肉类以及肌肉类型的嫩化作用是不同的，一方面可能是由于初始嫩度本身差异，另一方面也可能是不同的肌肉组织结构类型对冲击波作用的物理反应不同。值得一提的是，冲击波对鲜肉和冷冻/解冻肉的嫩化作用不同。SOLOMON等[32]对比了新鲜牛排和冷冻/解冻的牛排(宰后48 h开始冷冻，6 d后解冻)经冲击波处理后1 d和6 d的嫩度变化情况，发现在第1天冷冻/解冻样品的剪切力比鲜肉小10 N，第6天的剪切力比鲜肉小8 N。冲击波改善了这2种肉的嫩度，但冷冻/解冻样品的改善程度更高。

2.2 作用形式

自20世纪90年代中期以来，研究人员就对基于爆炸冲击波的Hydrodyne工艺进行了广泛的试验，根据大量研究显示，经处理后不同肉类(如牛肉、猪肉和羊肉)的嫩度改善了25%～70%[33]。现有的关于电生冲击波的文献较少，但总体来说，使用电生冲击波实现了牛肉、猪肉、火鸡和鸡肉等肉类12%～30%的嫩度改善[34]。从这种意义上来讲，爆炸冲击波的嫩化效果普遍优于电生冲击波，这是由于爆炸冲击波单位负载产生的能量比电生冲击波单位脉冲产生的能量大，对肌肉微观结构的破坏程度差异大，造成嫩化效果上的差异。可通过增加电生冲击波的脉冲频率和能量设置能提高嫩化效果，而爆炸冲击波要实现波的重复可以通过反复加载卸载来实现，但是操作相对繁琐[35]。

2.3 过程控制

2.3.1 容器类型

冲击波的穿透深度范围受处理区域和周围环境中不同材料的传播损耗、吸收、反射和折射的影响[6]，因此不同材料的容器将影响冲击波的作用效果。目前主要有3种类型的冲击波容器：装有扁平钢反射板的塑料容器(PEC)，商业原型的钢制容器(CHU)和实验室模型的钢制容器(LHU)。SOLOMON[36]将PEC容器与LHU容器进行了比较，结果表明在PEC中产生的冲击波使牛肉里脊剪切力从83 N降低至48 N，嫩度改善了43%，而LHU中的样品剪切力降低了28%。SOLOMON等[37]发现，在CHU中用冲击波处理的样品剪切力从82 N降低至55 N，嫩度改善了33%。可以看出，塑料容器对冲击波的影响更大，塑料容器中冲击波的嫩化性能明显优于钢制容器。ZUCKERMAN等[24]用电子显微镜在PEC样品中观察到了比CHU更严重的肌内结缔组织被破坏，肌内膜的蜂窝结构普遍改变，胶原纤维破坏以及肌内膜鞘的粒状化，这可能是塑料容器比钢制容器有更好嫩化效果的原因。

2.3.2 作用位置和能量

MEEK等[38]在特定的作用距离和爆炸物用量下对鸡胸肉进行4组冲击波处理：20 cm处200 g、23 cm处350 g、20 cm处275 g和20 cm处350 g，分别产生了142、159、163和177 MPa的压力锋。不难看出，随着爆炸物用量的增大，冲击波强度越大；同时，与在26.4 cm处的200 g用量相比，20 cm处的200 g的嫩度改善程度更大，这表明作用距离越短冲击波强度越大，效果越好。另外，肌肉的嫩度改善效果还与冲击波处理的次数有关，BOLUMAR等[34]发现2次冲击波处理牛肉，嫩度提高了5%，而5次处理则提高了25%。电生冲击波的强度和作用效果也取决于放电装置的功率大小和作用距离。BOWKER等[39]的高效火花系统便是如此，将火花头安装在样品上方7.5 cm处，压力锋6.6 MPa，嫩度平均改善了5%～10%，最大为24%。将火花头重新定位至样品上方3.75 cm处并增加压力锋至12.3 MPa，嫩度平均改善了20%～25%，最大为37%。此外，脉冲数量也是影响嫩化的关键因素，脉冲数量增加会加剧嫩化，尽管单个冲击波产生的压力锋相对较低，但多个脉冲的嫩化效果是叠加的，但是在应用时应考虑到冲击波强度过大对包装材料的影响。

3 冲击波在肉制品加工中的应用

为了有效实现嫩化并防止微生物交叉感染，冲击波一般作用于尸僵后和预包装后的肉产品，不需要改动原有的加工流水线，它可以插入到屠宰场标准生产线末端的剔骨和真空包装工艺之后，或者插入到肉类加工厂的生产线开始之前(图1)。将冲击波设备加入到肉类加工工艺流程中不仅能实现肉的嫩化，并且能够有效缩短处理时间从而提高物流效率。

图1 应用冲击波的肉产品加工布局图[34]Fig.1 Meat product processing layout with integrated shockwave plant

3.1 爆炸冲击波应用

表2总结了冲击波对各类肌肉嫩度的影响。爆炸冲击波早期主要应用于质地非常坚韧的牛肉，处理结果大多比较理想。爆炸冲击波对嫩度的影响在羊肉里脊，牛背最长肌、半膜肌、股二头肌、半腱肌和禽肉胸肌等都得以体现。爆炸冲击波对嫩度的影响受处理条件限制，并且因肌肉类型和物种的不同而不同。从表中可以看出，爆炸冲击波应用于初始韧性较大的牛肉和羊肉时，嫩化效果十分可观，可使牛肉的嫩度提高10%～68%，羊肉嫩度提高33%～67%。但当肉已经很嫩的时候了采用冲击波处理，冲击波不会导致进一步的嫩化[10]。

3.2 电生冲击波应用

虽然现有的关于水下放电冲击波的文献十分有限，但是大多文献都表明应用电生冲击波实现了嫩度的改善。虽然并没有得到如爆炸冲击波那样强烈的嫩化效果，但对于电生冲击波，可以通过重复处理和增加能量使嫩化加剧。从表2可以看出，应用电生冲击波处理一般的牛肉、猪肉、火鸡肉和鸡肉，嫩度最高可提高30%左右，剪切力平均可减小15%。CLAUS等[10]已经证明对热剔骨或冷剔骨的禽肉胸肌施加电生冲击波可以得到10～20 N的嫩化效果。最近，BOWKER等[39]报道了用高效火花机产生的冲击波作用于牛肉里脊可使剪切力降低20%～30%。WARNER等[33]采用2脉冲新型半自动冲击波商业原型处理猪的半膜肌和半腱肌，其嫩度没有明显的改变。相反，使用相同的操作单元，牛半腱肌和里脊显示剪切力分别从84 N减少至63 N,48 N减少至39 N，嫩度分别改善了25%和18%(表2)。嫩度改善程度的差异可能与物种、肉的初始嫩度、处理时肉的宰后时间和储藏时间，以及冲击波处理的具体条件、设备类型都有关。

3.3 冲击波的发展方向

冲击波技术早在20世纪70年代初期就用于肉类加工，但在工业上的应用非常有限。很大原因是由于当时冲击波的产生方式还主要依赖于使用爆炸物，而这不符合食品行业标准所要求的环境条件，并且存在着潜在的安全问题和技术挑战，因此，它很难在肉类行业推广使用。电生冲击波明显是更加安全的替代方法，就自动化方面而言可行性更高，并且通过调节功率和每次处理的脉冲次数可以很容易地控制冲击波强度，处理时间更短，效率更高，因此是冲击波未来发展的主要方向。然而尽管冲击波的有效性在牛肉，猪肉，羊肉和禽肉中得到了多次证明，但为了防止微生物交叉污染，冲击波必须作用于预包装后的肉制品，并且包装材料必须能够耐受冲击波的作用而不发生破损[45]，这也是目前其商业化的主要障碍。未来可能的研究方向是发现和应用抗冲击波的食品包装材料或者通过控制冲击波和食品包装的相互作用来减小其对包装造成的不良影响。

另外，尽可能地探索各种优良的技术组合，通过2种或2种以上技术之间的协同作用获得更好的嫩化效果。目前已经有了刀片嫩化与冲击波联合应用的成功案例[46]，不仅加快了肉的成熟，还大大提高了嫩度水平。此外，对于鲜肉的嫩化，可以考虑将冲击波和新兴拉伸技术相结合，拉伸技术应用于尸僵前，防止肌肉冷缩并使肌肉定型，冲击波应用于尸僵后加快肉的成熟并发生进一步的嫩化。对于成品或半成品的嫩化，可以通过添加外源蛋白酶与冲击波相结合的方法，使肌肉结构变化的同时，增强蛋白质水解，从而加剧嫩化。

表2 冲击波对嫩度的影响Table 2 Effect of shockwave on tenderness

4 结语

肉的嫩化是肉类制品加工生产过程中的一个重要工艺，改善肌肉嫩度并提高肉类品质是国内外众多科研工作者长期研究的热点，尽管过去50年来进行了广泛的研究工作，肉的嫩化仍然是肉类行业的一个难题。与传统嫩化技术相比，冲击波更易控制和操作，加工耗时短，成本低，效果好；作为一种新兴嫩化技术，处理过程中不产生热效应，保证了肉制品的品质，更适用于鲜肉的嫩化。此外，还可以采取与不同的干预措施或各种嫩化方法结合的方式，达到更好的嫩化效果。因此，冲击波作为一种高效的新兴嫩化技术具有很大潜力，有望为这个工业难题提供有效的解决办法。但在冲击波设备不断改进和发展的同时，耐受冲击波处理的包装材料的发展也必须与之相适应。目前电生冲击波设备和系统正在向商业化推广中，有望通过不断改进冲击波的新工艺，建造性能更好的冲击波设备，让冲击波嫩化技术在不久的将来实现工业化。