蔡路昀，萬江麗，周小敏，曹愛玲，關(guān)榮發(fā)，張宇昊，趙元暉，勵(lì)建榮，*

(1.渤海大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 錦州 121013； 2.浙江興業(yè)集團(tuán)有限公司， 浙江 舟山 316101；3.杭州海關(guān)， 浙江 杭州 311208； 4.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州 310018；5.西南大學(xué) 食品學(xué)院， 重慶 400715； 6.中國(guó)海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年全國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量達(dá)6 901.25萬t，比上一年增長(zhǎng)3.01%[1]。魚類由于地域因素需要進(jìn)行不定距離的運(yùn)輸，是魚類全產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)。因此，如何保持運(yùn)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(yīng)用，有效地防止了魚類品質(zhì)劣變并延長(zhǎng)了貨架期[4]。但從實(shí)質(zhì)上講，我國(guó)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(shí)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(guān)注焦點(diǎn)之一。

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)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(qiáng)、安全環(huán)保、能實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)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(duì)超聲波技術(shù)在魚類加工中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行了陳述分析。

1 超聲波技術(shù)工作原理

自1928年美國(guó)普林斯頓大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科技人員首次發(fā)現(xiàn)超聲波有加速化學(xué)反應(yīng)的作用以來，超聲波技術(shù)發(fā)展尤為迅速。20世紀(jì)80年代，超聲波技術(shù)作為聲學(xué)和化學(xué)交叉的新興技術(shù)，隨著超聲波設(shè)備的不斷改進(jìn)和完善，其在食品、醫(yī)藥、軍事、工業(yè)、日化等諸多領(lǐng)域有了更廣泛的應(yīng)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(yīng)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(cè)定[8]。

超聲波屬于機(jī)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(dá)到對(duì)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(yīng)歸結(jié)為熱作用、機(jī)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(jī)械震蕩使超聲波的能量被介質(zhì)吸收，導(dǎo)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(dá)到其他加熱方式的同等效果，超聲波強(qiáng)度越大，熱作用越強(qiáng)。

1.2 機(jī)械作用

超聲波是機(jī)械能量的傳遞形式，會(huì)產(chǎn)生線性的交變振動(dòng)作用，加速質(zhì)量的傳遞作用。振動(dòng)速度、原點(diǎn)位移、加速度以及聲壓參數(shù)可以表現(xiàn)超聲效應(yīng)。機(jī)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(shí)，存在一個(gè)正負(fù)壓強(qiáng)的交變周期，對(duì)介質(zhì)分子產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸作用[10]。當(dāng)聲波足夠大時(shí)，液體介質(zhì)受到強(qiáng)烈的正負(fù)壓強(qiáng)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(zhǎng)，達(dá)到臨界半徑后發(fā)生潰陷、破裂，氣泡內(nèi)會(huì)出現(xiàn)高壓高溫，附近流體中也形成局部強(qiáng)烈的激波。因此可產(chǎn)生一系列的次級(jí)效應(yīng)，如乳化作用、分散作用、化學(xué)效應(yīng)等。在流體中應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，深受廣大消費(fèi)者喜愛。但由于其含有大量水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，極易腐敗，當(dāng)捕撈離開水面后，魚類的營(yíng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)超聲波的頻率達(dá)到一定臨界值時(shí)，介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生氣泡進(jìn)而發(fā)生破裂，釋放出巨大的能量，此能量使附近細(xì)胞的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁破裂，提取物將流出到提取介質(zhì)中，最終實(shí)現(xiàn)提取物和實(shí)驗(yàn)對(duì)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(xué)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(shí)有益于環(huán)境保護(hù)。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(duì)不同溫度(60、70、80 ℃)提取的明膠的流變學(xué)及結(jié)構(gòu)特性進(jìn)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(diǎn)和熔點(diǎn)，凝膠強(qiáng)度和黏度也較其他實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(tuán)聚體。因此，在短時(shí)間(1 h)內(nèi)進(jìn)行超寬帶可以增強(qiáng)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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(shí)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(shí)間10 min、酶解時(shí)間29 h，提取率達(dá)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dá)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(dá)到95%以上。成長(zhǎng)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(yīng)用

干燥過程中水分內(nèi)部擴(kuò)散和外部表面汽化是同時(shí)進(jìn)行的，在不同階段其速率不同，而整個(gè)過程由2個(gè)過程中較慢的一個(gè)階段控制。傳統(tǒng)的干燥脫水是比較經(jīng)濟(jì)的方法，但消除魚體內(nèi)的水分需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，在此過程中還會(huì)受到許多因素(溫度、時(shí)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?jǐn)U散的作用。由于超聲波技術(shù)具有時(shí)間短、效率高的特點(diǎn)，所以在干燥過程中能夠最大化地保持食品原有色澤和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[24]。

魚類捕撈之后質(zhì)量開始下降，為了保證其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，會(huì)采用不同的加工方式對(duì)水產(chǎn)品進(jìn)行加工和儲(chǔ)藏，同時(shí)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(qiáng)度25 W/kg條件下，干燥時(shí)間可以減少43%。同時(shí)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(shí)間，但耗能較大。為了節(jié)省能耗，在干燥過程中，超聲波強(qiáng)度應(yīng)小于2 W/kg，同時(shí)能使干燥時(shí)間縮短50%。干燥過程中發(fā)現(xiàn)，超聲波對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，超聲波顯著增加干燥速率，在有效的擴(kuò)散系數(shù)中平均增加了74%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)鱈魚的顏色和微觀結(jié)構(gòu)都有一定的影響。雖然是針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)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(jī)理、對(duì)干燥對(duì)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(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

2.3 在魚類冷凍中的應(yīng)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(zhǎng)和繁殖，進(jìn)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(jī)械作用、空化作用影響冷凍過程中晶核、冰晶的生長(zhǎng)，從而間接控制冷凍食品的品質(zhì)。超聲波應(yīng)用于冷凍過程的最大優(yōu)勢(shì)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(fèi)者的實(shí)際需求。

超聲波輔助冷凍能夠加強(qiáng)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(jìn)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(duì)細(xì)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(qiáng)度為0.25～0.42 W/cm2時(shí)，能夠很好地保護(hù)細(xì)胞壁上的鈣離子，對(duì)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(yīng)用較廣，在魚類中的應(yīng)用相對(duì)較少[27]。

2.4 在魚類解凍中的應(yīng)用

冷凍食品再次食用時(shí)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(shí)較長(zhǎng)，成本增加，且容易引起微生物生長(zhǎng)及體內(nèi)各種生理生化反應(yīng)，不利于保持冷凍食品的品質(zhì)。而超聲波技術(shù)因其時(shí)間短、成本低、操作簡(jiǎn)單、可智能化控制的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)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(shí)間、強(qiáng)度、解凍對(duì)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(shí)間和K值。隨著溫度的升高，解凍時(shí)間也逐漸減少，但同時(shí)魚肉的鮮度會(huì)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(dú)浸水解凍時(shí)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(shí)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(shí)，強(qiáng)度為0.5～2 W/cm2的超聲波穿透性差，會(huì)使肉品質(zhì)發(fā)生空化現(xiàn)象，導(dǎo)致肉制品表面溫度過高；高頻(大于740 kHz)時(shí)，由于頻率衰減的增加以及在低頻下空化效應(yīng)的開始，同樣會(huì)產(chǎn)生表面過熱現(xiàn)象，超聲波頻率在500 kHz時(shí)能夠形成弛豫效應(yīng)，此時(shí)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(shí)，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(gè)值的最佳效果，因?yàn)槭称分懈髦笜?biāo)最佳值對(duì)應(yīng)的條件不一定完全相同，只能選擇各種因素綜合評(píng)價(jià)后的最優(yōu)條件。

2.5 在魚類殺菌中的應(yīng)用

控制微生物生長(zhǎng)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(yù)測(cè)貨架期，進(jìn)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(xì)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(diǎn)，達(dá)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(fēng)味會(huì)受到負(fù)面影響，不利于保持良好的口感[35]。徐紅梅等[36]以鳙魚為對(duì)象，研究熱殺菌方法對(duì)其魚湯營(yíng)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(duì)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(yíng)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(duì)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(gè)殺菌過程中，食品的溫度不會(huì)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(yīng)，在兩界面之間形成機(jī)械振動(dòng)，使微生物細(xì)胞受到震蕩，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞、內(nèi)容物流出，直至細(xì)菌死亡[37]。Salleh-Mack等[38]研究了溫度、有機(jī)酸、pH值、可溶性固形物對(duì)超聲波殺菌的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波增強(qiáng)了大腸桿菌的熱敏感性，可溶性固形物對(duì)大腸桿菌有保護(hù)作用，使超聲波的作用時(shí)間更長(zhǎng)；與熱敏感性相似，較低的pH環(huán)境導(dǎo)致大腸桿菌對(duì)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(jìn)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(yùn)用聯(lián)合方法殺菌，殺菌后還能進(jìn)行清洗，操作方便，控制簡(jiǎn)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(jiǎn)單、時(shí)間短、成本低、安全環(huán)保、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，相應(yīng)的也存在一定缺點(diǎn)。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(shí)，每個(gè)樣品對(duì)應(yīng)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(yīng)用。如何更好、更廣泛地運(yùn)用超聲波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效率、工業(yè)化應(yīng)用是有待進(jìn)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(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用[41]。除上述提取、干燥、冷凍等過程外，超聲波在食品檢測(cè)方面也有應(yīng)用。超聲波技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)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(yùn)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(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等基礎(chǔ)層面，對(duì)于更深層次的作用機(jī)理和具體機(jī)制研究甚少，例如超聲波解凍的應(yīng)用研究中，大多數(shù)還是測(cè)量解凍后的具體理化指標(biāo)、營(yíng)養(yǎng)、安全等方面的內(nèi)容，解凍過程中具體機(jī)制研究比較少。此外超聲波在應(yīng)用過程中，合理設(shè)置超聲波的功率、頻率、時(shí)間、溫度等多個(gè)參數(shù)，更好地應(yīng)用在魚類加工過程中，也是今后研究的方向。