DOI:10.3969/j.issn.2095-6002.2020.02.015
中图分类号:TS254.4
超声波技术在鱼类加工中的应用研究进展
蔡路昀1， 万江丽1， 周小敏2， 曹爱玲3， 关荣发4， 张宇昊5， 赵元晖6， 励建荣1
| 【作者机构】 | 1渤海大学食品科学与工程学院； 2浙江兴业集团有限公司； 3杭州海关； 4中国计量大学生命科学学院； 5西南大学食品学院； 6中国海洋大学食品科学与工程学院 |
| 【分 类 号】 | TS254.4 |
| 【基 金】 | 国家重点研发计划项目(2018YFD0901106) 国家自然科学基金资助项目(31401478) 辽宁省自然科学基金资助项目(20170540006) |
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超声波技术在鱼类加工中的应用研究进展
据统计2016年全国水产品总产量达6 901.25万t，比上一年增长3.01%[1]。鱼类由于地域因素需要进行不定距离的运输，是鱼类全产业链中的重要一环。因此，如何保持运输过程中鱼类品质非常重要。鱼类加工过程中，传统的方法有冷冻、熏制、腌制、干燥、发酵等。近年来，各种新型加工技术如超高压[2]、超声波[3]、辐照、微波、膜分离等技术在食品中的应用，有效地防止了鱼类品质劣变并延长了货架期[4]。但从实质上讲，我国鱼类加工行业还面临许多挑战。如何使鱼类从粗加工逐渐走向精深加工，开发出更多色香味俱全且保存时间更久的水产精深加工产品，一直是科研人员的主要关注焦点之一。
随着生活水平的不断提高，人们对产品的品质有着更高的需求。超声波技术作为一种新兴技术，具有方向性好、能量大、穿透能力强、安全环保、能实现无损检测等优点，应用于鱼类加工过程能提升其品质[5]。文章介绍了超声波技术基本原理，从鱼类加工的角度，涉及提取、干燥、冷冻、解冻、杀菌等方面，对超声波技术在鱼类加工中的应用研究进展进行了陈述分析。
1 超声波技术工作原理
自1928年美国普林斯顿大学化学实验室的科技人员首次发现超声波有加速化学反应的作用以来，超声波技术发展尤为迅速。20世纪80年代，超声波技术作为声学和化学交叉的新兴技术，随着超声波设备的不断改进和完善，其在食品、医药、军事、工业、日化等诸多领域有了更广泛的应用[6]。
超声波是指频率大于20 kHz的声波，因其超出了人耳听力上限，故称之为超声波。按照功率、频率的大小分为高功率低频超声波(20～100 kHz)和低功率高频超声波(0.1～10 MHz)[3]，前者在食品加工中有广泛的应用，如冷冻、干燥、改性、灭菌、乳化等[7]；后者可用于食品中理化性质的测定[8]。
超声波属于机械波的一种，在传播过程中与介质相互作用，使介质物理性质、状态、生物特性发生改变或加快上述过程，从而达到对物质改性、乳化、冷冻、干燥等目的。此过程中发生的一系列效应归结为热作用、机械作用、空化作用[9]。
1.1 热作用
超声波在介质传播的过程中，由于机械震荡使超声波的能量被介质吸收，导致介质的整体温度和周围边界局部温度上升。这种升温能达到其他加热方式的同等效果，超声波强度越大，热作用越强。
1.2 机械作用
超声波是机械能量的传递形式，会产生线性的交变振动作用，加速质量的传递作用。振动速度、原点位移、加速度以及声压参数可以表现超声效应。机械作用有助于物质的破碎、凝聚、切割等。
1.3 空化作用
超声波在液态介质中传播时，存在一个正负压强的交变周期，对介质分子产生交替的压缩和拉伸作用[10]。当声波足够大时，液体介质受到强烈的正负压强而形成空穴或气泡。随超声波的传播，有些气泡重新溶解于液体介质；有些则在拉伸和压缩作用下迅速生长，达到临界半径后发生溃陷、破裂，气泡内会出现高压高温，附近流体中也形成局部强烈的激波。因此可产生一系列的次级效应，如乳化作用、分散作用、化学效应等。在流体中应用的超声波技术，绝大多数都是利用超声波的空化作用[11]。
2 超声波技术在鱼类加工中的应用
鱼类因低脂肪、高蛋白，含多种人体必需氨基酸和维生素等优点，深受广大消费者喜爱。但由于其含有大量水分和营养物质，极易腐败，当捕捞离开水面后，鱼类的营养品质也随之下降。鱼类加工方式主要是遵循“一保鲜、二保活、三加工”的原则。近年来，超声波技术应用于鱼类加工过程(提取、干燥、冷冻、解冻、杀菌)能更大程度地保存鱼类品质。
2.1 在鱼类活性成分提取中的应用
在鱼类提取过程中，超声波辅助是一种快速高效的方法，主要是利用了超声波的空化作用。提取过程中，以某种物质为介质，当超声波的频率达到一定临界值时，介质中会产生气泡进而发生破裂，释放出巨大的能量，此能量使附近细胞的细胞膜和细胞壁破裂，提取物将流出到提取介质中，最终实现提取物和实验对象的分离[12]。以水产品或其副产物为原料，可利用超声波辅助提取的部分产物见表1。
表1 超声波辅助提取产物
Tab.1 Products of ultrasonic assisted extraction
实验对象提取物参考文献鲤鱼鱼鳞明胶[13]草鱼鱼皮胶原蛋白[14]金鲳鱼鱼骨鱼骨油[15]罗非鱼鱼皮胶原蛋白[16]大黄鱼卵磷脂[17]鲭鱼肌肉蛋白[18]罗非鱼下脚料硫酸软骨素[19]鲶鱼内脏粗酶液[20]鲣鱼脑磷脂[21]
鱼类副产物主要包括鱼鳞、鱼皮、鱼内脏、鱼骨等，在鱼类加工过程中，这些副产物一般不经过二次处理直接丢弃。如何更好地利用这些副产物是鱼类产品开发过程中的难题之一[22]。近年来很多学者利用超声波技术从上述副产物中提取活性成分，提高鱼类副产物的利用率和水产品的附加值，同时有益于环境保护。Huang等[13]以鲤鱼鱼鳞为原料，采用超声波辅助水浴(UWB)和常规水浴(CWB)对不同温度(60、70、80 ℃)提取的明胶的流变学及结构特性进行了研究。结果表明，鱼鳞中提取明胶有较高的得率，UWB在60 ℃提取的鱼鳞明胶有最高的凝固点和熔点，凝胶强度和黏度也较其他实验组好。通过X射线衍射分析，发现UWB提取的鱼鳞明胶随着温度的升高，凝胶特性降低，表明高温和超声波降低了鱼鳞明胶的三螺旋含量，进而使凝胶的性能受到影响；此外，原子力显微镜研究表明，高温和超声波可以降低鱼明胶表面的团聚体。因此，在短时间(1 h)内进行超宽带可以增强明胶的流变特性，获得高质量的鱼鳞明胶。超宽频声波也被证明是一项很有前途的技术。赵丹[23]同样利用超声波辅助盐酸水解提取鲤鱼鱼鳞中的胶原蛋白，在单因素实验基础之上，采用二次回归正交优化了提取工艺，优化工艺条件为温度92 ℃、时间121 min、超声波功率300 W、料液比1∶11 g/mL，此条件下的鲤鱼鱼鳞胶原蛋白得率为48.58%。王金梅等[14]利用超声波辅助酶解提取草鱼鱼皮胶原蛋白，超声波功率310 W、超声时间10 min、酶解时间29 h，提取率达到68.67%。郝淑贤等[16]研究了不同提取方法(热水法、酶法、超声波辅酶法)对罗非鱼鱼皮胶原蛋白理化性质的影响，结果表明超声波辅酶法提取的胶原蛋白具有Ⅰ型胶原蛋白特征，紫外光谱吸收特性峰为223 nm，变性温度在31 ℃附近，特征氨基酸含量与其他2组相比差异不显著。曹璇等[15]以金鲳鱼鱼骨为原料，利用超声波辅助稀碱水解法提取金鲳鱼鱼骨油，实验表明优化提取工艺条件为液料比为4∶1 mL/g、 pH值9、提取温度60 ℃、提取时间30 min、超声功率500 W，金鲳鱼鱼骨油的提取率为80.51%。陈文娟等[17]研究超声波辅助提取大黄鱼卵磷脂的工艺，在一定工艺条件下提取率能达到59.37%。
lvarez等[18]利用超声波辅助酸/碱提取法，从鲭鱼副产物中提取蛋白质，提取率达到95%以上。成长玉[19]以罗非鱼下脚料为原料，优化了硫酸软骨素的提取工艺，提取率为0.627%。
2.2 在鱼类干燥中的应用
干燥过程中水分内部扩散和外部表面汽化是同时进行的，在不同阶段其速率不同，而整个过程由2个过程中较慢的一个阶段控制。传统的干燥脱水是比较经济的方法，但消除鱼体内的水分需要相对较长的时间，在此过程中还会受到许多因素(温度、时间、湿度等)的影响。超声波技术作为一种非热加工技术，在干燥过程中能够起到增加传热、加速水分扩散的作用。由于超声波技术具有时间短、效率高的特点，所以在干燥过程中能够最大化地保持食品原有色泽和营养价值[24]。
鱼类捕捞之后质量开始下降，为了保证其营养品质，会采用不同的加工方式对水产品进行加工和储藏，同时也生产出多样化的产品供人们选择。Bantle等[25]利用超声波辅助带鱼干燥，发现在20 ℃、超声强度25 W/kg条件下，干燥时间可以减少43%。同时还比较了热泵干燥、加热环境干燥、超声波辅助干燥的效果。热泵干燥是最节能的脱水处理方法，其次是加热环境干燥，超声波干燥脱水速度最快，能节省时间，但耗能较大。为了节省能耗，在干燥过程中，超声波强度应小于2 W/kg，同时能使干燥时间缩短50%。干燥过程中发现，超声波对干燥速率的影响表现为初始阶段干燥速率增加，后期影响不大。Ozuna等[26]利用超声波辅助干燥鳕鱼，采用盐渍的鳕鱼片进行实验。结果表明，超声波显著增加干燥速率，在有效的扩散系数中平均增加了74%，同时发现对鳕鱼的颜色和微观结构都有一定的影响。虽然是针对不同实验材料，但超声波辅助都表现出增加干燥速率的特征。超声波影响干燥速率的具体机理、对干燥对象其他方面(结构、性质、色泽、品质等)的影响及作用机制仍需进一步研究。
2.3 在鱼类冷冻中的应用
冷冻是指人工利用低温的方式将食品中的液态水冻结成固态水的过程，这种方式能有效抑制微生物的生长和繁殖，进而保证食品品质。超声波辅助冷冻是将超声波技术和冷冻技术相耦合的一种新型冷冻技术，利用超声波产生的热作用、机械作用、空化作用影响冷冻过程中晶核、冰晶的生长，从而间接控制冷冻食品的品质。超声波应用于冷冻过程的最大优势是只从物理方面改变食品的宏观和微观结构，既有安全保证，又能满足消费者的实际需求。
超声波辅助冷冻能够加强传质传热，其空化作用在介质中产生大量气泡，从而促进冰核的生成，破碎较大的冰晶体，使冰晶粒径变小而数量增加并更均匀地分布在食品内部，减少冰晶对细胞膜的损伤作用，改善冷冻食品的品质[27]。Xin等[28]利用超声波辅助冷冻西兰花，结果表明超声波强度为0.25～0.42 W/cm2时，能够很好地保护细胞壁上的钙离子，对西兰花的色泽、品质、质构都有积极的影响。但超声波辅助冷冻技术在果蔬、肉品等中的应用较广，在鱼类中的应用相对较少[27]。
2.4 在鱼类解冻中的应用
冷冻食品再次食用时需经过解冻，传统的解冻方法有水解冻和空气解冻。这2种方法耗时较长，成本增加，且容易引起微生物生长及体内各种生理生化反应，不利于保持冷冻食品的品质。而超声波技术因其时间短、成本低、操作简单、可智能化控制的优势，被广泛应用于工业化生产中解冻大体积的冷冻食品。影响超声波辅助解冻的主要因素有频率、时间、强度、解冻对象性质[29]。
张珂[30]用超声波辅助解冻罗非鱼片，研究表明解冻温度能够显著影响超声波解冻罗非鱼片的时间和K值。随着温度的升高，解冻时间也逐渐减少，但同时鱼肉的鲜度会显著下降。综合考虑超声波辅助解冻的优化工艺条件为超声波功率500 W、温度21 ℃。Chemat等[3]利用超声波辅助浸水解冻鳕鱼块，在1 500 Hz、60 W的条件下，相比于单独浸水解冻时间缩短了71%。类似的，Xin等[28]研究发现，低频超声波(1 500 Hz、60 W)辅助鳕鱼解冻的时间也大大缩短，且解冻后的鱼肉品质不受超声波的影响。Miles等[31]研究发现，低频 (小于430 kHz)时，强度为0.5～2 W/cm2的超声波穿透性差，会使肉品质发生空化现象，导致肉制品表面温度过高；高频(大于740 kHz)时，由于频率衰减的增加以及在低频下空化效应的开始，同样会产生表面过热现象，超声波频率在500 kHz时能够形成弛豫效应，此时条件下可用于肉和鱼的解冻。由此可见使用超声波辅助解冻时，在一定范围之内解冻效果和超声波频率成正比，但也不能单一的需求某一个值的最佳效果，因为食品中各指标最佳值对应的条件不一定完全相同，只能选择各种因素综合评价后的最优条件。
2.5 在鱼类杀菌中的应用
控制微生物生长提高水产品质量，是水产品加工中面临的重要问题之一。通过特定腐败菌预测货架期，进而了解鱼类品质，是常用的鱼类品质监控方法。处于不同环境的鱼类其体内的腐败菌种类也不一样，常见的特定腐败菌及其分类见表2。
表2 鱼类常见特定腐败菌类型
Tab.2 Common types of spoilage bacteria in fish
生存环境特定腐败菌参考文献未冷冻鲜鱼弧菌科等发酵型革兰氏阴性细菌[32]污水中的鱼肠细菌[32]气调、冷藏水产品磷发光杆菌、乳酸菌、热杀索氏菌[33]热带淡水鱼假单胞菌[34]海洋温带水域鱼腐败希瓦氏菌[34]
传统杀菌方法热杀菌的原理是利用大多数细菌都不耐热，在高温条件下易变性而失去原有生物活性的特点，达到杀菌目的。但在热杀菌过程中由于较高的温度，水产品的质构、色泽、风味会受到负面影响，不利于保持良好的口感[35]。徐红梅等[36]以鳙鱼为对象，研究热杀菌方法对其鱼汤营养成分的影响，结果表明经过热杀菌的鱼汤中粗蛋白、粗脂肪、氨基态氮等基本成分均显著下降，氨基酸组成也发生明显的变化。但是热杀菌对矿物质的影响很小，总的来说采用118 ℃、45 min的杀菌条件比121 ℃、30 min条件的营养破坏程度要低。两种条件下杀菌后，鱼汤蛋白质的ASS、CS、EAAI值未发生显著变化，说明热杀菌对蛋白质的氨基酸组成影响比较小。超声波杀菌属于非热杀菌，虽然杀菌效果弱于传统热杀菌，但是在整个杀菌过程中，食品的温度不会升高太多，所以比起传统热杀菌方式，超声波杀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。超声波杀菌的原理主要是利用其产生的空化效应，在两界面之间形成机械振动，使微生物细胞受到震荡，导致细胞结构破坏、内容物流出，直至细菌死亡[37]。Salleh-Mack等[38]研究了温度、有机酸、pH值、可溶性固形物对超声波杀菌的影响，发现超声波增强了大肠杆菌的热敏感性，可溶性固形物对大肠杆菌有保护作用，使超声波的作用时间更长；与热敏感性相似，较低的pH环境导致大肠杆菌对超声波的抵抗力较低。除了超声波单一杀菌外，还可以联合其他杀菌剂或前处理进行辅助杀菌，刘锡久[39]发明了一种超声波紫外线杀菌装置，运用联合方法杀菌，杀菌后还能进行清洗，操作方便，控制简单。
3 超声波技术的缺陷及带来的问题
超声波技术有操作简单、时间短、成本低、安全环保、自动化等优点，相应的也存在一定缺点。超声波技术一般更适用于液体或浸泡在液体中的食品，处理食品的规模较小。由于影响超声波技术的因素较多[40]，工业上利用超声波技术处理不同样品时，每个样品对应的最佳工艺参数不完全相同，这一定程度上限制了超声波技术的大规模应用。如何更好、更广泛地运用超声波技术，实现大规模、高效率、工业化应用是有待进一步解决的问题。
4 展 望
超声波技术作为一种新兴技术，在食品、医学、工业等领域也有广泛的应用[41]。除上述提取、干燥、冷冻等过程外，超声波在食品检测方面也有应用。超声波技术在食品行业中的应用，减少了化工物质的添加，提高了食品的安全性。超声波技术运用于鱼类加工的研究，大都还集中在理化性质、功能特性、营养品质等基础层面，对于更深层次的作用机理和具体机制研究甚少，例如超声波解冻的应用研究中，大多数还是测量解冻后的具体理化指标、营养、安全等方面的内容，解冻过程中具体机制研究比较少。此外超声波在应用过程中，合理设置超声波的功率、频率、时间、温度等多个参数，更好地应用在鱼类加工过程中，也是今后研究的方向。
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