吳平，姚芳，王正云，劉萍，鄭海松，孫智遠(yuǎn)，徐嘉蔓

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院食品科技學(xué)院，江蘇泰州 225300）

在我國畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)中，畜禽養(yǎng)殖業(yè)、特別是其中的養(yǎng)豬業(yè)一直占據(jù)主導(dǎo)地位，豬肉產(chǎn)量占肉類總產(chǎn)量 的54%，在肉類產(chǎn)量中占比位居首位[1]；豬肉消費(fèi)量也占據(jù)我國城鄉(xiāng)居民肉類消費(fèi)量的60%以上[2]。這使得我國成為全世界的畜產(chǎn)品消費(fèi)大國，尤其是豬肉消耗量更是高達(dá)5.6×107t，其體量相當(dāng)于近4億頭的生豬[3]。畜肉由于其肌肉化學(xué)組成中肌原纖維蛋白含量豐富（圖1），在屠宰后的一段時(shí)間內(nèi)若不能妥善儲(chǔ)存，其包含的自身酶類和一些腐敗微生物的生長會(huì)加速肉品的腐敗變質(zhì)，縮短冷鮮畜肉產(chǎn)品貯存期以及貨架期[4]。為延長原料肉的貯藏期及最大程度地保持肉品營養(yǎng)品質(zhì)，冷凍貯藏技術(shù)被普遍地用于肉類制品工業(yè)，其主要貯藏機(jī)理是肉制品肌肉纖維中自由流動(dòng)水分的固定化或去除[5]。同時(shí)，低溫環(huán)境也使得蛋白酶和微生物活性受到抑制。

冷凍畜產(chǎn)品在肉制品加工中有著舉足輕重的作用，是國家進(jìn)行肉類食品儲(chǔ)備與宏觀調(diào)控的主要籌碼[6]。然而，畜肉制品在長期冷凍貯藏中，由凍藏初期降溫過程中形成的小冰晶會(huì)不斷生長變大，不僅破壞了肌纖維的微觀結(jié)構(gòu)，還會(huì)增大肌蛋白結(jié)構(gòu)周圍的溶質(zhì)濃度。因此，常常在解凍的過程中出現(xiàn)肉制品原料性質(zhì)的物理和化學(xué)變化，如蛋白質(zhì)變性及氧化、色澤、質(zhì)地及風(fēng)味變化、汁液流失、脂肪氧化等問題。另外，肉制品原料中的食源性致病菌的生長與繁殖、肌肉中的蛋白酶等也會(huì)嚴(yán)重影響著原料肉的品質(zhì)。因此，冷凍畜肉產(chǎn)品的品質(zhì)高低不僅取決于冷凍技術(shù)的優(yōu)劣，對(duì)肉品的解凍方式也是決定畜肉制品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的原料解凍方式（如熱空氣或水浴解凍）除了耗時(shí)較長、能耗較大、效率不高外，還存在解凍均勻性低、酶促褐變以及微生物污染等問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者也開展了一些特殊解凍方式的研究，如微波解凍、電解凍和高壓解凍等。微波解凍是家庭中應(yīng)用較為廣泛的解凍方式，具有解凍效率高、穿透性強(qiáng)以及物料內(nèi)外同步解凍的特點(diǎn)，但其存在表面過熱[7]的問題。電解凍的特點(diǎn)是解凍效率高，受微生物污染較少，但是物料表面和內(nèi)部解凍均勻性的問題較為突出，會(huì)出現(xiàn)表面受熱融化解凍而核心解凍不足的問題[8]。高壓解凍速度快，過程污染小，但使用成本較高。因此，尋求一種既能提高解凍效率，又能緩解表面過熱問題的高效綠色解凍技術(shù)對(duì)最大限度地保留畜肉品質(zhì)、提高人們對(duì)畜產(chǎn)品的食用質(zhì)量十分重要。

超聲波技術(shù)作為一種食品物理加工的新技術(shù)，在食品工業(yè)中受到越來越廣泛的關(guān)注。其在食品功能成分的提取[9]、物料屬性的無損檢測[10]、食品滅菌[11]、干燥[12]、催陳[13]、霧化[14]以及控制冰晶體生長[15]上均有較為深入的研究。近年來，除上述研究中的輔助凍結(jié)外，研究學(xué)者還發(fā)現(xiàn)超聲波可以強(qiáng)化物料的解凍過程，促使物料內(nèi)部各個(gè)結(jié)晶區(qū)域的聲能吸收解凍界面不斷地向凍結(jié)區(qū)移動(dòng)，解凍均勻性與解凍效率均得到提高。因此，本文重點(diǎn)綜述了超聲波解凍技術(shù)、作用機(jī)制以及其對(duì)冷凍畜產(chǎn)品品質(zhì)的影響，旨在為目前的冷凍畜肉產(chǎn)品加工業(yè)的前處理提供新的解凍思路與技術(shù)參考。

1 超聲波解凍作用機(jī)制

超聲波是一類超出人耳聽覺頻率范圍（20 kHz～1 MHz）的聲波。它是機(jī)械波的一種，遵循聲波傳播的基本規(guī)律，能在介質(zhì)中以機(jī)械振動(dòng)的形式不斷傳遞超聲能量。該能量所及之處會(huì)產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，主要包括機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、空化效應(yīng)和自由基效應(yīng)[16]。根據(jù)超聲波能量的高低，又可分為高頻低強(qiáng)度和低頻高強(qiáng)度超聲波。前者是指頻率介于100～200 kHz之間、強(qiáng)度小于1 W/cm2的超聲波，它可用于研究食品質(zhì)量或結(jié)構(gòu)檢測，屬于診斷類超聲波；后者是指頻率介于18～100 kHz之間、強(qiáng)度大于1 W/cm2的超聲波，它可用于食品行業(yè)的加工與生產(chǎn)，屬于功率超聲波[17,18]。這兩種類型的超聲波為其在冷凍畜產(chǎn)品領(lǐng)域中的解凍與監(jiān)測應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

解凍是指使凍結(jié)食品冰晶融化，生成的水被物料吸收而恢復(fù)至原料凍結(jié)前新鮮狀態(tài)的過程，凍結(jié)食品在加工或消費(fèi)前必須進(jìn)行解凍。傳統(tǒng)的解凍過程是利用熱傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)物料解凍，如熱空氣或流水解凍等，這一過程易引起食品物料品質(zhì)的變化。特別是冷凍畜肉產(chǎn)品，不當(dāng)?shù)慕鈨龇绞讲粌H會(huì)造成肉汁損失，還會(huì)導(dǎo)致其他營養(yǎng)成分隨汁液而流失，影響后續(xù)加工和食用。傳統(tǒng)的解凍方式已無法滿足市場的要求。超聲波解凍是利用其聲能產(chǎn)生的熱量來對(duì)凍結(jié)組織進(jìn)行解凍的一種新型食品解凍技術(shù)。它適用于大體積的食品解凍。超聲能量在物料組織內(nèi)凍結(jié)處的衰減程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未凍結(jié)部分[19]，使得聲能轉(zhuǎn)化為的熱量集中在凍結(jié)區(qū)，從而不斷推進(jìn)凍結(jié)區(qū)與解凍區(qū)界面向著解凍區(qū)移動(dòng)，這是超聲波可以加速解凍最本質(zhì)的原因之一。另外，不同結(jié)晶區(qū)域的超聲能量吸收也使得物料內(nèi)外同時(shí)發(fā)生解凍，解凍均勻性較好。超聲能量與熱量的轉(zhuǎn)換方式主要為兩種，即機(jī)械效應(yīng)與空化效應(yīng)。機(jī)械效應(yīng)的產(chǎn)熱原理是，在超聲波作用過程中，其機(jī)械波產(chǎn)生的振動(dòng)能量被介質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)化為熱量，該熱量與介質(zhì)中超聲波頻率和持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)[20,21]?？栈?yīng)產(chǎn)熱原理是，超聲波在傳播時(shí)是以正負(fù)交替的波形形式傳遞的，介質(zhì)中氣體收到不斷地?cái)D壓與膨脹并經(jīng)歷多個(gè)周期后，氣泡內(nèi)壓力超出承受極限時(shí)發(fā)生破裂，此刻會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的能量[22]，空化泡內(nèi)部溫度變化的數(shù)值可高達(dá)上千攝氏度，該熱量能夠順利地通過冷凍物料，加速食品的解凍[23]。此外，空化效應(yīng)發(fā)生時(shí)還伴隨著液體微射流的產(chǎn)生[24]，對(duì)介質(zhì)形成了一定的攪拌作用，這種湍流攪拌在固體冷凍物料表面附近更強(qiáng)烈，同樣加快了傳熱效率，減少了解凍時(shí)間[25]。

2 超聲波技術(shù)對(duì)冷凍畜肉產(chǎn)品的影響

2.1 超聲波解凍效率

利用超聲波技術(shù)進(jìn)行解凍，可以大幅度縮短冷凍畜肉解凍時(shí)間。Gambuteanu等[26]研究了低強(qiáng)度超聲波對(duì)豬背最長肌的浸沒解凍過程，結(jié)果顯示與傳統(tǒng)空氣解凍相比，利用頻率為25 kHz、功率為0.6 W/cm2的超聲波可以對(duì)-5～-1 ℃溫度區(qū)間的解凍效率提高87%。而且，解凍溫升速率（0.46、0.57和0.84 ℃/min）隨著超聲強(qiáng)度（0.2、0.4和0.6 W/cm2）的提高不斷增加。同樣地，Wang等[27]對(duì)冷凍豬背最長肌進(jìn)行解凍的結(jié)果也表明，相比于時(shí)長為55 min的溫水解凍，利用功率500 W、頻率40 kHz的超聲波可將解凍時(shí)間縮短至45 min，且相比于傳統(tǒng)靜水解凍，超聲處理后對(duì)肌肉的凝膠特性品質(zhì)影響較小。Li等[28]對(duì)秘魯魷魚解凍時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用40 kHz、240 W超聲波處理，魷魚的解凍損失僅為10.72%，顯著低于空氣和靜水解凍結(jié)果；同時(shí)，肌纖維被破壞的程度最小。Guo等[29]對(duì)凍白牦牛肉進(jìn)行超聲波解凍時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)超聲介入可以大幅度縮短解凍時(shí)間，且無論是吸熱階段（-13.5～0 ℃）、相變階段（0～0.5 ℃），還是融化階段（0～4 ℃）的進(jìn)入速度均要高于傳統(tǒng)靜水（25 ℃）解凍組；同時(shí)，凍白牦牛肉通過上述溫度帶的速率隨著聲強(qiáng)的增加而進(jìn)一步增大。超聲波加速解凍的原因一方面是空化效應(yīng)造成的，當(dāng)超聲功率達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，凍結(jié)的物料結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)小孔[30]，使物料的凍結(jié)狀態(tài)在微觀上發(fā)生崩解；另一方面，已解凍汁液在超聲作用下產(chǎn)生的微射流以及湍流也有助于熱量的傳遞與冰晶體的消融[31]。

2.2 超聲波解凍對(duì)冷凍畜肉產(chǎn)品品質(zhì)的影響

超聲波最初被用于解凍領(lǐng)域可以追溯至上世紀(jì)50年代末。Brody等[32]首次發(fā)現(xiàn)超聲（20、400和1000 kHz）能夠加速對(duì)冰凍食品的解凍過程。次年，Wearmouth[33]報(bào)道了超聲波技術(shù)在食品解凍領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)超聲波緩解了牛奶解凍時(shí)發(fā)生分離的情況，保持住了新鮮度并延長了貨架期。盡管早在1982年，Kissam等[34]就發(fā)現(xiàn)利用1500 Hz的聲能（強(qiáng)度≤60 W），可以將太平洋鱈魚塊解凍時(shí)間縮短71%，而對(duì)風(fēng)味、質(zhì)地、酸敗度等未產(chǎn)生顯著影響。但是超聲波技術(shù)在冷凍畜肉產(chǎn)品中的應(yīng)用實(shí)際上是在Shore等[35]對(duì)牛骨骼肌超聲解凍研究之后才開始興起。該學(xué)者研究了早期壓電陶瓷產(chǎn)生的超聲波在牛骨骼肌中的衰減過程，重點(diǎn)探究了受試樣品溫度對(duì)超聲波衰減的影響，發(fā)現(xiàn)了在-20 ℃條件下、2～7 MHz頻率范圍內(nèi)，超聲波在冷凍肌肉組織中的衰減程度均遠(yuǎn)高于未凍結(jié)組織。這一現(xiàn)象也成為今后超聲波技術(shù)能應(yīng)用于解凍領(lǐng)域的關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。超聲波解凍技術(shù)作為傳統(tǒng)冷凍畜肉產(chǎn)品解凍的可替代方式之一，對(duì)于提高畜肉產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈前端預(yù)加工速度、推進(jìn)畜產(chǎn)品工業(yè)節(jié)能與綠色發(fā)展具有重要的意義。上述研究者在超聲解凍領(lǐng)域中開辟的前期研究基礎(chǔ)也為后來的學(xué)者們打開了畜肉產(chǎn)品超聲物理場解凍的新思路。

2.2.1 保水性

畜肉產(chǎn)品的保水性主要通過解凍后的蒸煮損失率、汁液損失率、滴水損失和離心損失等來評(píng)價(jià)的。Li等[36]研究超聲解凍對(duì)鳙魚魚片品質(zhì)影響的研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于慢速凍結(jié)的魚片來說，采用強(qiáng)度為0.135 W/L、頻率為28 kHz的超聲波在加速其解凍的同時(shí)，相比于空氣解凍或靜水解凍，其蒸煮損失率和解凍損失均無顯著性影響。侯曉榮等[37]也研究表明，相比于靜水解凍，超聲解凍（200 W、40 kHz）可降低其對(duì)中國對(duì)蝦的解凍損失率。這意味著，超聲解凍處理并不會(huì)進(jìn)一步增加對(duì)物料的解凍損失率。同樣地，朱明明等[38]對(duì)不同方式解凍的冷凍豬肉品質(zhì)特性進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)經(jīng)100 W、40 kHz超聲解凍后的豬肉蒸煮損失率與新鮮豬肉相比無顯著性差異，而流水解凍的蒸煮損失率顯著提高；超聲解凍使其滴水損失率也小于流水解凍，而離心損失率兩者無顯著差異。對(duì)于超聲解凍后豬肉汁液損失率略高于流水解凍，一方面這可能由于超聲解凍速率較高、時(shí)間較短，肉組織內(nèi)部汁液無法充分回流進(jìn)細(xì)胞內(nèi)而造成營養(yǎng)物質(zhì)流失；另一方面，解凍過程中，超聲波機(jī)械作用產(chǎn)生的能量傳遞給細(xì)胞內(nèi)外的冰晶體后，導(dǎo)致組織細(xì)胞完整性受到破壞，引起汁液流失率增加。此外，超聲解凍后的肉類pH值降低，蛋白質(zhì)分子凈電荷下降所引起的分子間斥力的降低也會(huì)改變肌肉組織的持水力，增加汁液損失率[4,39]。這提示了使用低功率超聲波解凍可能對(duì)冷凍畜肉產(chǎn)品的保水性更有利。蔣奕等[40]的研究結(jié)果印證了這一觀點(diǎn)，即隨著超聲功率的增加，解凍豬肉的汁液損失率確實(shí)不斷提高。程天賦等[41]研究解凍方式對(duì)雞肉品質(zhì)影響時(shí)還發(fā)現(xiàn)，隨著超聲功率的提高，不只是汁液損失率增加，持水性也在降低。這說明，高強(qiáng)度超聲波引發(fā)的冰晶振動(dòng)也改變了肌肉組織蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象，在一定程度會(huì)上影響肌肉組織的結(jié)構(gòu)，降低持水性。利用低場核磁共振技術(shù)，也可以反映出超聲波對(duì)畜肉產(chǎn)品作用后，其保水性發(fā)生的變化。水分橫向弛豫時(shí)間（T2）中的T21、T22和T23分別代表了與肌肉結(jié)合緊密的結(jié)合水、與肌肉保水性相關(guān)且占肌肉80%以上的不易流動(dòng)水以及自由水[42]。鄭捷等[43]發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波解凍后的泥鰍肉T22峰面積下降，而T23峰面積增加，這從側(cè)面印證了T23所代表的自由水是解凍過程中汁液損失的直接來源。因此，在對(duì)畜肉產(chǎn)品解凍時(shí)，需嚴(yán)格控制超聲功率，以最大程度降低其對(duì)保水性的影響。

2.2.2 質(zhì)構(gòu)

質(zhì)構(gòu)是影響畜肉產(chǎn)品感官和功能特性的重要品質(zhì)指標(biāo)，通常包括硬度、咀嚼性、回彈性和膠黏性等。鐘莉等[44]對(duì)豬里脊進(jìn)行解凍后發(fā)現(xiàn)，相比于靜水浸沒解凍，40 W功率的超聲解凍降低了其硬度和咀嚼性，而對(duì)彈性和回復(fù)性無顯著影響。張昕[45]研究了不同解凍工藝對(duì)雞胸肉品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示120～300 W、40 kHz的超聲波降低了雞肉的咀嚼性和回復(fù)性，使硬度數(shù)值上產(chǎn)生下降趨勢（p＞0.05），但對(duì)彈性和膠黏性均無顯著性影響。上述研究結(jié)果均說明超聲波解凍可降低肌肉組織的硬度，使得肉品質(zhì)較嫩；但同時(shí)咀嚼性的下降也降低了肉的“咬”感[46]。這可能與超聲波對(duì)畜肉產(chǎn)品的纖維組織有一定的損傷作用有關(guān)。肉組織細(xì)胞受到超聲機(jī)械或空化作用的影響，使得肌纖維和肌內(nèi)膜分離，增大了細(xì)胞間隙，肌肉組織的緊密程度有所降低[47]。超聲波解凍對(duì)不同畜肉組織質(zhì)構(gòu)變化的影響是不同。柏霜等[48]對(duì)羊肉臊子解凍后的品質(zhì)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示超聲作用后羊肉硬度、彈性、咀嚼性和膠黏性相比于靜水解凍均發(fā)生了提高。劉宏影等[49]利用280 W超聲處理金線魚肌原纖維蛋白時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比于靜水解凍，超聲解凍未顯著影響硬度、彈性和咀嚼性。這可能是超聲功率高，肌纖維蛋白排列緊密，其二級(jí)結(jié)構(gòu)變化較小。這些超聲解凍研究中不一致的結(jié)論，推測這可能與受試肉類本身品種或結(jié)構(gòu)不同以及選用超聲波功率的高低有關(guān)。盡管一些畜肉產(chǎn)品中的部分質(zhì)構(gòu)指標(biāo)受到了超聲作用的影響而發(fā)生變化，但總體來看，選擇合適的超聲波作用參數(shù)對(duì)肌肉蛋白解凍后的品質(zhì)和功能特性影響是較小的。

2.2.3 新鮮度

畜肉產(chǎn)品的新鮮程度是消費(fèi)者們最為關(guān)心的指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到食品安全性。影響新鮮度的指標(biāo)有色澤、pH值、揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）、電導(dǎo)率、微生物含量等。

色澤其實(shí)是影響人們對(duì)肉產(chǎn)品接受度最為直觀的指標(biāo)。它通常是由色差計(jì)進(jìn)行測定。朱文慧等[50]研究不同解凍方式對(duì)秘魯魷魚品質(zhì)特性影響的過程中發(fā)現(xiàn)，相比于流水解凍對(duì)照組，盡管超聲解凍后魷魚肉的亮度L值有所下降，這可能與失水有關(guān)；但是其紅值a和黃值b分別高于和低于對(duì)照組，這表明超聲解凍能保留住魷魚肉的新鮮度。李慢[47]還發(fā)現(xiàn)在超聲波解凍24 h后，中國對(duì)蝦的色澤品質(zhì)依然高于靜水或空氣解凍組的結(jié)果，感官特性也更接近新鮮組。朱明明等[38]發(fā)現(xiàn)超聲解凍的豬肉L值和a值均高于流水對(duì)照組，同時(shí)b值也高于對(duì)照組，這可能與豬肉脂肪較高有關(guān)，再加上較長的處理時(shí)間，最終導(dǎo)致其被氧化后發(fā)生色澤的變化。因此對(duì)于高脂肪含量的畜肉產(chǎn)品，應(yīng)在保證解凍效率的前提下，需選擇合適的超聲作用強(qiáng)度與處理時(shí)間。

pH值的變化從本質(zhì)上來看，其實(shí)是對(duì)畜肉肌肉系水力大小的反映，即蛋白質(zhì)分子的凈電荷效應(yīng)。解凍處理過程中，包含蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)分子的畜肉汁液的流失，破壞了肌細(xì)胞的電解質(zhì)平衡，引起pH值變化[51]。杜鵬飛等[52]對(duì)超聲解凍后的羊肉pH值進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示與對(duì)照組相比，隨著超聲功率的提高，羊肉pH值在不斷地降低。而朱明明等[38]對(duì)豬肉解凍后發(fā)現(xiàn)，無論對(duì)比對(duì)照組、流水解凍組還是空氣解凍組，超聲解凍后肉品的pH值均無顯著性影響，這可能是由于只用了100 W、超聲功率低不足以引起過高的電解質(zhì)失衡導(dǎo)致的。這與蔣奕等[40]的研究結(jié)果一致，在較低的功率（≤200 W）范圍內(nèi)，超聲對(duì)肉品pH值影響較小，特別是100 W時(shí)，與靜水解凍相比無顯著性差異。鄭捷等[43]對(duì)冷凍泥鰍肉解凍時(shí)也得出類似結(jié)論，50 W低功率超聲波解凍的肌肉pH值與新鮮樣品無顯著性差異。

TVB-N指標(biāo)衡量了肉品的蛋白質(zhì)分解程度，可用于評(píng)價(jià)動(dòng)物性食品的新鮮度[53]。張昕等[45]研究表明不同超聲功率組的雞胸肉TVB-N含量均顯著低于流水解凍組，但在功率組內(nèi)隨超聲功率的增加，TVB-N值也不斷提高。這說明，超聲解凍相比于傳統(tǒng)的流水解凍，減少了雞胸肉中一些能引發(fā)肉質(zhì)脫氨基、脫羧基等化學(xué)反應(yīng)的酶類，降低了堿性含氮類產(chǎn)物含量，提高了新鮮度。Guo等[29]在解凍白牦牛肉的過程中也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，在超聲200和400 W時(shí)處理時(shí)，TVB-N值顯著低于傳統(tǒng)的靜水解凍對(duì)照組，當(dāng)超聲波功率繼續(xù)提高至600 W后，才上升到對(duì)照組的數(shù)值。該研究者還發(fā)現(xiàn)TVB-N值與pH值的潛在關(guān)系，即pH值的變化可能與凍結(jié)肉解凍過程中含氮物質(zhì)的降解有關(guān)[54]。超聲場處理相比于傳統(tǒng)的解凍處理緩解了肌肉蛋白和氨基酸的分解速度，更好地保留了肉品的新鮮度。電導(dǎo)率指標(biāo)反映了畜肉產(chǎn)品中導(dǎo)電性物質(zhì)成分的含量，含量越高表明肌肉成分分解越高、新鮮度越低。有研究報(bào)道，該指標(biāo)與TVB-N值呈正相關(guān)[55]，可作為TVB-N指標(biāo)的輔助指標(biāo)對(duì)肉品新鮮度進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。

畜肉因微生物生長而發(fā)生的腐敗變質(zhì)是影響其新鮮度、質(zhì)量和安全性的重要因素之一。超聲波解凍一方面解凍速率高，能快速通過微生物繁殖的階段，減弱了其外部的生存空間、降低了微生物數(shù)量；另一方面，超聲的機(jī)械和空化效應(yīng)也使得微生物細(xì)胞發(fā)生損傷，從而抑制它們的活性。Gambuteanu等[56]利用25 kHz、0.2～0.4 W/cm2的超聲波對(duì)豬背最長肌進(jìn)行解凍后發(fā)現(xiàn)，好氧微生物數(shù)量相比于靜水解凍降低了約11%。谷小慧[57]也發(fā)現(xiàn)超聲波抑制了微生物的繁殖，經(jīng)超聲解凍處理的豬肉中大腸桿菌數(shù)量比水解凍、甚至新鮮豬肉還要低1個(gè)對(duì)數(shù)值。杜鵬飛等[52]在對(duì)羊肉的解凍效果研究后得出結(jié)論，肉中的菌落總數(shù)隨超聲波強(qiáng)度的增加不斷降低，超聲抑制了微生物的生物代謝。在冷凍海鮮的解凍上，超聲波對(duì)微生物的抑制效果也明顯高于空氣和靜水解凍，保證了制品解凍后的新鮮度[58]。超聲波對(duì)微生物的抑制作用來源于其機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力，它可以破壞細(xì)胞膜、引發(fā)細(xì)胞凋亡[59]。此外，空化效應(yīng)帶來的微射流與空化泡破裂瞬間產(chǎn)生的高溫也是撕扯細(xì)胞、繼而引發(fā)細(xì)胞內(nèi)容物外泄直至細(xì)胞死亡的主要原因。

超聲解凍對(duì)低脂肪的水產(chǎn)品色澤保持較好，而對(duì)較高脂肪的畜肉原料有一定的影響。超聲作用的突出優(yōu)勢是通過減少含氮類物質(zhì)含量以及解凍快速而緩解了肌肉蛋白分解速率來降低肉品TVB-N含量，從而保持住了原料肉的新鮮度；此外，產(chǎn)生的機(jī)械與空化效應(yīng)對(duì)菌體的生長抑制作用也從側(cè)面提高了原料的貯存品質(zhì)。

2.2.4 嫩度

嫩度指標(biāo)本質(zhì)上其實(shí)是肉制品肌肉中各種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的宏觀反映。不少研究結(jié)果表明，畜肉制品的剪切力[60]、肌原纖維小片化指數(shù)[61]、pH值[62]和持水力[63]等均與肌肉的嫩度有關(guān)，嫩度這項(xiàng)指標(biāo)的重要性不言而喻。有研究者發(fā)現(xiàn)超聲波處理可改變肌肉的嫩度。Zhang等[64]對(duì)冷凍雞胸肉解凍后發(fā)現(xiàn)，在200～500 W超聲作用下，剪切力不斷地降低；并在500 W時(shí)，剪切力僅為不加超聲組的77.8%。李蘭會(huì)[65]研究超聲對(duì)山羊臀部肌肉嫩化時(shí)發(fā)現(xiàn)，超聲影響了宰后第2～6 d的肌肉剪切力，尤其是處理后的第3 d，其剪切力與未經(jīng)超聲處理的宰后第6～7 d剪切力值無顯著性差異，這說明，超聲加速了山羊臀肌的后熟，提高了肉質(zhì)嫩度。劉夢等[66]利用0.3和0.6 W/cm2的超聲波連續(xù)一段時(shí)間處理牛肉干后，發(fā)現(xiàn)其剪切力值顯著下降。Al-Hilphy等[67]利用強(qiáng)度為24 W/ cm2、頻率為12 kHz的超聲波處理雞胸肉15 s時(shí)，發(fā)現(xiàn)肉質(zhì)剪切力顯著降低，嫩度升高。Hu等[68]研究螺肉超聲處理研究時(shí)，也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)論，當(dāng)超聲強(qiáng)度從100 W升至200 W后，超聲波降低了其近15%的剪切力。究其原因，一方面，超聲波無論作用于處在凍結(jié)狀態(tài)的冰晶體還是普通肌肉組織，其機(jī)械振動(dòng)作用產(chǎn)生的機(jī)械能均會(huì)引起畜肉產(chǎn)品內(nèi)原本完整肌肉細(xì)胞的破壞[69]；另一方面，超聲波導(dǎo)致的肌肉細(xì)胞或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致了胞內(nèi)各種蛋白酶和溶酶體的釋放，這使得酶促反應(yīng)的加劇以及蛋白質(zhì)的分解，最終也會(huì)引起肌細(xì)胞的剪切力值下降與嫩度增加[70]。

超聲波解凍在提高肉品解凍效率的同時(shí)，還影響了其肌纖維的剪切力值，這說明超聲場改變了畜肉中肌肉的蛋白組織結(jié)構(gòu)，相比于化學(xué)改性嫩化時(shí)試劑的殘留以及污水處理等問題，物理改性更具有潛在的推廣前景，符合當(dāng)下的高效與綠色發(fā)展趨勢。另外，值得注意的是，在解凍時(shí)的所采用的超聲功率與持續(xù)時(shí)間需嚴(yán)格控制，避免因追求肌肉嫩化效果而過多地影響到肉品的其他解凍品質(zhì)。

2.2.5 脂肪酸組成

畜肉制品中的脂肪酸組成的特征會(huì)影響到肉的風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值，適度的脂肪氧化可形成一些風(fēng)味化合物，如醛酮類、醇類、烴類等；而過度的脂肪氧化則會(huì)對(duì)人體健康造成影響[71]。據(jù)報(bào)道，超聲波處理對(duì)畜肉產(chǎn)品脂肪酸（包括飽和脂肪酸，SFA；單不飽和脂肪酸，MUFA；多不飽和脂肪酸，PUFA）組成有一定的影響。陳銀基等[72]研究了超聲波對(duì)腌漬牛肉脂肪酸組成的作用效果，結(jié)果顯示25 kHz、0.68 W/cm2的超聲波結(jié)合2%低濃度食鹽腌制顯著提高了牛肉脂肪酸PUFA/SFA（P/S）比值，同時(shí)也降低了脂肪酸動(dòng)脈粥樣硬化指數(shù)（IA）和血栓指數(shù)（IT）。該結(jié)果在黃瀚[73]的研究中也得到印證，該研究者發(fā)現(xiàn)在腌制時(shí)輔以超聲處理，不僅可降低兔肉脂肪含量，還增加了總脂肪酸中P/S值，減少了兔肉脂肪酸營養(yǎng)損失。高天麗等[74]對(duì)橫山羊肉超聲干制法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)40 kHz、300 W超聲波處理后羊肉中的飽和脂肪酸C14:0（肉豆蔻酸）發(fā)生顯著降低，而對(duì)總MUFA相對(duì)含量無顯著影響。C14:0是引發(fā)膽固醇增加的主要原因之一[75]，其相對(duì)含量的減少降低了機(jī)體高密度和低密度脂蛋白含量積累的風(fēng)險(xiǎn)。雷辰等[76]在五花肉的燉煮中引入了超聲波，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)40 kHz、250 W超聲處理后，五花肉中飽和脂肪酸之一的硬脂酸（C18:0）相對(duì)含量增加，其具有預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化的作用[77]。另外，該研究者還發(fā)現(xiàn)PUFA相對(duì)含量顯著降低以及MUFA含量的顯著升高。有相關(guān)研究表明，在加工過程中PUFA相比于SFA和MUFA更易發(fā)生降解[78]。由于高含量的PUFA會(huì)降低肉品的質(zhì)構(gòu)和風(fēng)味，因此經(jīng)超聲處理后PUFA含量的降低，緩解了肉品風(fēng)味品質(zhì)的下降。除超聲功率外，超聲頻率也會(huì)影響脂肪酸組成。Ojha等[79]研究超聲頻率對(duì)牛肉干脂肪酸組成的影響研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)使用25和45 kHz的超聲顯著提升了脂肪酸組成中的P/S值，而33 kHz對(duì)此無顯著性影響。在畜肉解凍領(lǐng)域中，國內(nèi)外關(guān)于超聲對(duì)肉制品解凍后的脂肪酸組成的研究鮮有報(bào)道。杜鵬飛等[52]對(duì)羊肉超聲解凍后的品質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示不同功率的超聲波（120～300 W）均對(duì)羊肉脂肪酸組成無顯著性影響。主要原因之一是超聲解凍平均作用時(shí)間較短；另外，不同的肉類含有不同的脂肪酸種類與相對(duì)含量，超聲波解凍有可能對(duì)除羊肉外的其他肉類脂肪酸組成產(chǎn)生影響，不過這有待研究者的進(jìn)一步探究。

超聲波作用一定時(shí)間后，能改變畜肉產(chǎn)品脂肪酸組成的原因與其空化效應(yīng)以及熱效應(yīng)密不可分。肌細(xì)胞中充滿了肌漿，當(dāng)接受超聲波作用后，其胞內(nèi)液體隨即產(chǎn)生空化效應(yīng)和機(jī)械熱效應(yīng)。超聲空化效應(yīng)會(huì)使探頭接觸處的肉中油脂發(fā)生氧化，導(dǎo)致脂肪酸組成的變化[80]。此外，超聲處理可對(duì)物料產(chǎn)生小分子化合物的聚合或解聚作用[81]。肌肉中脂肪酸鏈?zhǔn)情L鏈大分子物質(zhì)，當(dāng)超聲作用于其中后，便引起了脂肪酸鏈的聚合或解聚作用，最終影響了畜肉產(chǎn)品中脂肪酸的組成與相對(duì)含量。值得注意的是，在超聲處理時(shí)應(yīng)當(dāng)注意控制超聲波處理的作用強(qiáng)度，避免過強(qiáng)的超聲波引發(fā)的脂肪酸加速氧化。

2.3 超聲波對(duì)解凍過程的監(jiān)測作用

超聲波不僅可以對(duì)冷凍畜肉進(jìn)行解凍處理，還能對(duì)肉品的解凍過程進(jìn)行監(jiān)測。我們知道，超聲波分為高能量超聲（高強(qiáng)度、低頻）和低能量超聲（低強(qiáng)度、高頻）。前者常用于剪切、加工或強(qiáng)化輔助，正如超聲解凍過程等，而后者即可用于無損檢測[82,83]。這里所描述的監(jiān)測作用使用的即是低能量超聲波，聯(lián)合傅里葉變換分析超聲波時(shí)域或頻率域特性，來探究超聲波性質(zhì)與介質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到研究物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性變化的目的。相比于化學(xué)或生物手段，超聲波物理場對(duì)物料性質(zhì)的改變具有監(jiān)測速度快、低損傷，并可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的特點(diǎn)。利用食品的聲學(xué)特性進(jìn)行物料性質(zhì)的快速監(jiān)測已成為食品品質(zhì)快速檢測技術(shù)的熱點(diǎn)研究方向之一[84]。Kadi等[85]在對(duì)魚肉解凍過程進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，采用的裝置包含了一個(gè)寬帶超聲換能器以及一個(gè)超聲波脈沖接收器，它通過五種超聲回波來確定樣品的解凍狀態(tài)（圖2）。圖3a表示魚肉解凍的起點(diǎn)，此時(shí)凍結(jié)與解凍兩相間的界面還未形成，所以回波A2和A3是重疊在一起的，同時(shí)還出現(xiàn)了超聲穿過整個(gè)凍肉組織后被上方的凍結(jié)與解凍界面反射的少量回波A4，這說明解凍初始時(shí)超聲波可對(duì)冷凍肉的兩側(cè)同時(shí)作用，保證了解凍過程的均勻性。圖3b表示解凍終點(diǎn)，此時(shí)可觀察到肉品兩側(cè)解凍界面的回波A3與A4消失，而魚肉與容器壁邊界回波A5產(chǎn)生，這說明隨著解凍時(shí)間的延長，肉品四周的凍結(jié)/解凍相界面不斷向肉樣的中心推進(jìn)，當(dāng)相界面消失時(shí)，表明解凍結(jié)束；相比于圖3a中回波A4的位置，圖3b中A5的位置更靠前且波形振幅更寬，這說明超聲波在解凍后的肉中的傳播速率提高，并且衰減較小，這樣當(dāng)聲波通過上方肉品與器壁界面時(shí)，才有較高的剩余能量發(fā)生反射。而A4較小的反射振幅更加印證了超聲波在解凍時(shí)，聲能較多地消耗在了冰晶融化的兩相界面中，這也是超聲波能加速物料解凍的本質(zhì)原因之一。從圖3c超聲反射信號(hào)回波位置的演變圖中，同樣可以看出隨著解凍時(shí)間的延長（沿y軸向下）介質(zhì)水與下層容器壁界面回波A2一直都在，而下層容器壁與魚肉之間的回波A3在解凍的伊始與A2重疊，但隨后分離開來。當(dāng)解凍時(shí)間約為50 min時(shí)，A3消失，緊接著回波A5產(chǎn)生，這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)即為解凍完成點(diǎn)。該研究結(jié)果直觀、準(zhǔn)確地標(biāo)識(shí)了凍結(jié)魚肉中相變的發(fā)生與最終的解凍終點(diǎn)，描述出了超聲波能量作用于物料外層解凍界面的完整過程，保證肉品解凍均勻性的同時(shí)，也揭示了超聲作用機(jī)制，為畜肉產(chǎn)品解凍中超聲回波監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。近年來，超聲成像技術(shù)更是提高了超聲監(jiān)測的精確性。孫宗保等[86]對(duì)冷鮮和解凍牛肉進(jìn)行了基于超聲波成像技術(shù)的鑒別研究，結(jié)果表明根據(jù)牛肉超聲圖像反射回波強(qiáng)度，可輕易地分辨出解凍牛肉樣品。這是因?yàn)榻鈨龊蟮呐Ｈ饨M織有一定的損傷，細(xì)胞汁液外流與組織液混合后，引起肌纖維邊界模糊，導(dǎo)致了內(nèi)部質(zhì)構(gòu)差異減少，相比于冷鮮牛肉樣品，解凍后肉樣圖像的整體反射回波較?。▓D4b）。上述研究均表明超聲波可用于物料解凍過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測與質(zhì)量評(píng)估，這為超聲技術(shù)在畜肉產(chǎn)品解凍領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的研究思路。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了超聲波對(duì)冷凍畜肉產(chǎn)品品質(zhì)的影響與其潛在的解凍機(jī)制，并重點(diǎn)探討了物料解凍過程中的超聲實(shí)時(shí)監(jiān)測研究。經(jīng)文獻(xiàn)的整理與分析，發(fā)現(xiàn)超聲波主要利用其“機(jī)械效應(yīng)”和“空化效應(yīng)”產(chǎn)生的能量在組織內(nèi)凍結(jié)處的衰減程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未凍結(jié)部分這一特性，將聲能轉(zhuǎn)化為熱量，不斷推進(jìn)凍結(jié)區(qū)與解凍區(qū)的界面向著解凍區(qū)移動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的空氣、靜水或流水解凍，超聲波處理對(duì)冷凍畜肉產(chǎn)品的解凍有著安全、綠色、高效和低損等優(yōu)勢。在一定的頻率、功率以及處理時(shí)長下，超聲波可通過降低TVB-N含量以及抑制微生物活性的方式來改善畜肉產(chǎn)品的新鮮度；通過降低畜肉硬度以改善質(zhì)構(gòu)；通過降低剪切力以增加肉品嫩度；通過影響畜肉脂肪酸P/S比值，降低部分飽和脂肪酸含量、提高不飽和脂肪酸含量，來影響肉的脂肪酸組成。此外，若能將超聲波功率在解凍時(shí)一直控制在較低的水平，以及嘗試使用交替多頻超聲處理，那么是否可在最大程度上降低對(duì)畜肉產(chǎn)品保水性的影響，使解凍后的肉品品質(zhì)接近于冷鮮肉的質(zhì)量，這是今后亟待解決的首要關(guān)鍵問題。對(duì)于低能量超聲波來說，其能通過聯(lián)合傅里葉變換分析超聲波時(shí)域或頻率域特性，來探究超聲波性質(zhì)與介質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系，從而能研究物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性變化。在物料解凍過程中，可通過多種超聲回波狀態(tài)來確定樣品的實(shí)時(shí)解凍狀態(tài)。綜上，超聲波技術(shù)不僅在多種畜肉產(chǎn)品的解凍中扮演著“促進(jìn)者”的作用，還能在解凍的過程中兼任“監(jiān)測者”，這可為畜肉產(chǎn)品超聲解凍技術(shù)未來的工業(yè)化應(yīng)用與發(fā)展提供嶄新的研究思路與研究基礎(chǔ)。