超声波协同脉冲电场嫩化及高效腌制牛肉的方法和装置与流程

1.本发明涉及肉制品加工领域，特别地涉及一种超声波协同脉冲电场嫩化及高效腌制牛肉的方法和装置。


背景技术：

2.牛肉作为一种常见的食用肉类深受广大消费者的青睐，同猪肉相比，其氨基酸组成更接近人体需要；同禽类肉制品相比，其脂肪含量较低，能在为人体补充蛋白质的同时减少脂肪的摄入。与此同时，牛肉还拥有独特的风味和多种多样的烹调方法使其美味可口。随着中国餐饮行业的发展，牛肉在高端餐饮业中逐渐成为主角之一，然而有两个问题却极大限制了高端牛肉制品的进一步发展：其一，以传统西式牛扒的标准来看，食用时讲究肉质鲜嫩，通常在烹饪时有半熟、七分熟以及全熟等分类，主要感官品评依据就是嫩度和多汁感。然而，牛身上只有特殊部位少量优质肉适合制作牛扒，比如雪花牛肉煎烹后香软可口，对嫩度的极端追求及高端原料的极少量供给导致了高端牛扒价格昂贵，不利于普通质量的牛肉加工及广大消费者享受高端美味。其二，关于牛肉的很多中式烹调方法讲究提前腌制，在烹饪前将盐、料酒和调味料等将肉腌制，使料汁充分进入肌肉纤维中，缩短煎烹时间并增加复杂饱满的香味。在各地做法中腌制时间有长有短，有的需隔夜腌制，有的在烹饪前半小时左右腌制，对于餐饮行业在不明确第二天销量的情况下提前大量腌制肉品可能会造成浪费，接到订单后临时短时腌制又可能使菜品达不到最佳效果，因此在对肉品快速高效腌制技术的需求也是十分迫切。
3.目前关于牛肉嫩化技术的报道方面主要包括酶法和物理法两个方面。其中物理法中，中国发明专利申请cn107467149a公开了一种牛肉的嫩化方法，包括如下步骤：(1)切割牛肉，将新鲜的牛肉去除脊肉筋膜、脂肪，切成肉片；(2)将去筋后的牛肉滚揉5
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8分钟，自然晾干，进行嫩化处理；(3)以高压脉冲电场处理器的电场强度为10
‑
50kv/cm嫩化牛肉；(4)将经过嫩化处理后的牛肉经扎口，急冻后，切成50g/片的牛排，真空包装，急冻；(5)制备浇淋液，包装成15g/包。该技术高压脉冲电场处理器的电场强度为10
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50kv/cm，脉冲宽度≥2μs，脉冲电场处理时间为10
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50s，测试温度为10
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30℃。利用该技术可以实现处理时间短，能耗低、化学安全问题，避免了传统嫩化技术中存在的费用高、肉色不均匀及口感差等缺点，得到的产品价值高，食用绿色安全。
4.酶法方面，如中国发明专利cn103211235b公开了一种嫩化水牛肉的方法，包括如下步骤；采用外源酶液按注射酶用量为：10～80u/g水牛肉，注射体积为0.01～0.08ml/g水牛肉，对水牛肉进行均匀注射，静置3分钟，翻滚2分钟，沥干或者擦去排出至表面的酶液后，用聚乙烯或者聚偏二氯乙烯材质的食品塑料包装袋密封包装，于6～12℃环境中嫩化6～8h；嫩化结束后直接用于烹饪、加工或者于0～4℃条件下贮存，24～48h内备用。该方法嫩化效率高，效果显著，嫩化后水牛肉剪切力降低45％以上。对水牛肉的外观及产品得率影响小，较好地保持水牛肉的新鲜度，安全无毒，无不良风味，工业化可操作性强，适用于烹饪或深加工用水牛肉的嫩化处理。
5.在加速肉品腌制方面，中国发明专利cn103766944a公开了一种通电快速腌制肉类的方法，在腌制液中通入交流电，加快食盐中离子的运动速度，使其迅速进入肉类组织结构中，从而缩短腌制时间。
6.综合来看，虽然上述现有技术均体现出一定的嫩化或者加速腌制的效果，但存在以下不足：
7.1)酶法或者化学试剂法嫩化技术需加入外源酶制剂或者化学试剂等，会整体破坏肉纤维结构，使牛肉等失去应有的天然的咀嚼感，也不能满足一些高端餐饮消费者对于肉类无添加、纯天然的诉求；
8.2)现有的脉冲电场处理等方法条件很苛刻，对于1cm厚度的肉扒施加电压超过10kv，窄脉宽高电压高场强对设备要求很高，实现工业化难度很大，设备体积很大且价格高昂，很难适用于中小微餐饮场所；
9.3)牛肉腌制后煎制的过程中，由于高温和美拉德反应等，会产生苯并芘等有害物质，需要加以控制。
10.中国发明专利201510394382.5公开了利用脉冲电场和脉冲超声加工酱卤肉制品的方法，包括原料肉处理、腌制、卤制和杀菌步骤，所述腌制步骤采用将原料肉和腌制液搅拌均匀后，放入高压脉冲电场处理器中进行腌制；所述杀菌步骤采用将卤制后的原料肉置于单频或双频脉冲超声装置中进行杀菌处理。高压脉冲电场处理器的电场强度为15～40kv/cm，脉冲宽度≥2μs，初始温度为8～12℃。单频或双频脉冲超声装置的超声波频率为40～100khz。这一技术的问题在于腌制过程中加入了大量的食盐，然后进行超过15kv/cm的高压脉冲电场处理，一方面在高电导率下会产生大电流，并导致电源的功率输出要求很高，另一方面大电流下会发生显著的电化学反应形成新的食品安全问题。该技术超声波作用为杀菌处理，不涉及嫩化等目的。


技术实现要素：

11.为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种超声波辅助的脉冲电场嫩化及加速腌制牛肉的方法与装置，旨在通过耦合超声波与脉冲电场，实现较低场强的脉冲电场处理嫩化牛肉，一方面降低处理装置的参数要求以满足工业化的需要，实现牛背最长肌或者半腱肌等口感比较粗糙的牛肉部分经处理后能获得较嫩多汁的口感；另一方面减小煎制过程中的苯并芘等有害物质形成，提高食品安全水平。
12.本发明先采用较低功率的超声波对结构致密的牛肉进行处理，在超声波的空化作用下使肉质松散，采用的超声波功率比较低，不至于使局部温度过高致使蛋白质变性，然后采用较低场强的脉冲电场进行瞬间处理，由于超声波预处理使肌纤维间距增大，在脉冲电场作用时，荷电粒子在肌肉纤维之间的迁移运动速度加快，使牛肉z线断裂的程度增加，实现在较小电场强度下的嫩化效果；另一方面，由于肌纤维疏松，间距增大，使得腌制调味料容易进入肌肉纤维，加快腌制过程。所采用的超声波处理和脉冲电场处理都显著低于传统处理强度，不至于使牛肉纤维大幅度破坏断裂，仍能保持较好的咀嚼感等口感。
13.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
14.一种超声波脉冲电场协同牛肉嫩化与腌制装置，主要包括处理室外壳、下电极板、超声波发生器、上电极板、脉冲电发生及控制器；处理室外壳的底部上的空心部分为处理
室，处理室外壳底部与下电极板连接，下电极板与下支撑杆连接，下电极板下端的下支撑杆外周设有超声波发生器，下电极板和上电极板分别与脉冲电发生及控制器连接，上电极板设置在处理室的上端，上电极板与上支撑杆连接，上支撑杆通过升降装置与压力感应系统连接；超声波的功率密度控制为0.2
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0.5w/cm2；脉冲电场的强度控制为0.3
‑
1.5kv/cm。
15.为进一步实现本发明目的，优选地，所述的升降装置主要由升降杆、电机组成和2个点控开关；由电机带动转轴实现升降杆伸缩；下点控开关是控制电机启动和停止，上点控开关与压力感应系统连接。
16.优选地，所述的处理室为直径20cm的圆盘形处理室；所述的处理室外壳为内径为20cm，外径为24cm，厚度为2cm的处理室外壳，材料为陶瓷或聚四氟乙烯；所述的下电极板为直径20cm，厚度1mm的金属板，材料为钛，外层包裹绝缘薄层，与处理室外壳固定。
17.优选地，所述的下支撑杆的直径为2
‑
3cm的柱子，材料为不锈钢或者塑料；所述的上支撑杆为直径2
‑
3cm的支撑柱，材料为不锈钢或者塑料；所述的上电极板为直径20cm，厚度1mm的金属板，材料为纯钛或者钛合金，喷涂绝缘层；所述的处理室外壳为空心圆筒体，圆筒体的空心部分设有底部。
18.应用上述装置的超声波协同脉冲电场嫩化及高效腌制牛肉的方法，包括以下步骤：
19.1)肉品准备：选取需要加工的牛肉，冷冻成半僵硬状态，切割后置于处理室中；
20.2)电极调整：调整电极板，使上电极板和下电极板都与牛肉充分均匀接触；
21.3)超声波处理：开超声波发生器，发射超声波对肉扒进行处理1
‑
5分钟；所述的超声波的功率密度为0.2
‑
0.5w/cm2；
22.4)脉冲电场处理：关闭超声波，开启脉冲电发生及控制器，在上电极板和下电极板之间施加电脉冲，控制脉冲电场的频率为20
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500hz，脉冲电场的强度为0.3
‑
1.5kv/cm；
23.5)腌制：关闭脉冲电发生及控制器，将肉扒取出，放入料汁中腌制。
24.优选地，步骤1)中，所述的需要加工的牛肉选用牛肉半腱肌和牛背最长肌；所述的冷冻是在
‑
18℃冷冻2
‑
3小时；所述的切割是采用牛扒切片机切成厚度1
‑
1.5cm，宽度8
‑
10cm，长度12
‑
15cm的肉片。
25.优选地，步骤3)中，对于牛背最长肌，采用功率密度为0.2
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0.3w/cm2的超声波处理1
‑
2分钟；对于牛肉半腱肌，采用功率密度为0.3
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0.5w/cm2的超声波处理3
‑
5分钟。
26.优选地，步骤4)中，脉冲电场为平方波电脉冲，脉冲宽度为5
‑
20μs；对于牛背最长肌，以0.3
‑
1.0kv/cm场强处理20
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150个电脉冲；对于牛肉半腱肌，以0.8
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1.5kv/cm场强处理50
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300个电脉冲。
27.优选地，步骤5)中，腌制为涂抹料汁，腌制时间为5
‑
10分钟；料汁主要包括食盐和酱油。
28.优选地，腌制处理后的肉扒采用常规方法烹饪，采用商业煎牛扒机，对于1cm厚的肉扒采用最大功率每面煎30
‑
50s；对于1.5cm厚的肉扒采用最大功率每面煎60
‑
90s。
29.步骤2)电极调整是指将下电极固定，肉片放入处理室后，开启自动找高装置，通过压力感应，上电极自动调整到将肉片完全贴合的部位，如针对1cm厚度的肉片，电极距离优选为0.95cm；优选电极为圆形电极，优选直径为8
‑
15cm，电极材料为钛电极或者其他金属电极，表面可熔覆惰性材料以减少电化学反应发生。
30.经本技术处理后的牛肉z线断裂，肌原纤维破环程度提高，有利于牛肉的保水性和嫩度的提高。超声波使肉质柔软松散，更利于腌制料汁中离子更易进入肌肉纤维，使牛肉口感鲜嫩，风味十足。
31.与原有技术相比，本发明具有以下显著优点：
32.1)本发明对不同部位牛肉都有普适的嫩化作用，扩大高端牛肉制品的原料选择范围；
33.2)本发明破坏牛肉纤维，加速料汁腌制过程，从而提高餐饮业出菜效率；
34.3)本发明煎制后牛扒的苯并芘等有害物质大幅度减少，提高食品安全水平。
附图说明
35.图1为超声波脉冲电场协同牛肉嫩化与腌制装置的示意图。
36.图中示出：升降装置1、压力感应系统2、处理室3、处理室外壳4、下电极板5、超声波发生器6、下支撑杆7、上支撑杆8、上电极板9、脉冲电发生及控制器10。
具体实施方式
37.为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。
38.一种超声波脉冲电场协同牛肉嫩化与腌制装置，包括升降装置1、压力感应系统2、处理室3、处理室外壳4、下电极板5、超声波发生器6、下支撑杆7、上支撑杆8、上电极板9、脉冲电发生及控制器10；处理室外壳4优选为空心圆筒体，圆筒体的空心部分设有底部，底部上的空心部分为处理室3，底部与下电极板5连接，下电极板5与下支撑杆7连接，下电极板5下端的下支撑杆7外周设有超声波发生器6，下电极板5和上电极板9分别与脉冲电发生及控制器10连接，上电极板9设置在处理室3的上端，上电极板9与上支撑杆8连接，上支撑杆8通过升降装置1与压力感应系统2连接。
39.升降装置1主要由升降杆、电机组成和2个点控开关；由电机带动转轴实现升降杆伸缩；下点控开关是控制电机启动和停止，上点控开关与压力感应系统2连接，升降装置1控制上支撑杆8上下行程为1
‑
10cm。
40.压力感应系统2主要由带信号处理系统的石英晶体压力传感器(b26qup120m型)组成；信号处理系统实现如下功能：当升降装置1启动，上电极连杆移动，当上电极板接触到牛肉并形成20
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30pa的压力时，给出信号控制上点控开关关闭，确保牛肉紧贴电极板。
41.处理室3优选为直径20cm的圆盘形处理室，将牛肉放在其中接受脉冲电场处理。
42.处理室外壳4优选内径为20cm，外径为24cm，厚度为2cm的处理室外壳，材料为陶瓷、聚四氟乙烯或者绝缘性能好的工程塑料，把处理室与外界分隔开。
43.下电极板5为接地电极板，优选直径20cm，厚度1mm的金属板，材料为钛，外层包裹绝缘薄层，与处理室外壳固定。
44.超声波发生器6产生功率密度0
‑
0.5w/cm2的超声波，连续可调，其超声波能均匀覆盖样品处理室。
45.下支撑杆7优选直径为2
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3cm的柱子，支撑装置，材料为不锈钢或者塑料。
46.上支撑杆8优选直径2
‑
3cm的支撑柱，材料为不锈钢或者塑料，连接自动找高装置
与上极板。
47.上电极板9优选直径20cm，厚度1mm的金属板，材料为纯钛或者钛合金，喷涂绝缘层。
48.脉冲电发生及控制器10可以选用通用的脉冲电源，主要由信号源、升压装置及控制系统组成，升压装置主要是由四个绝缘栅双极型晶体管连接组成，控制系统设定脉冲电的电压、频率和脉冲数等参数，对处理室中的样品进行处理，处理结束后自动关闭。优选为广州派虎科技有限公司生产pef
‑
50型产品，信号源产生频率1
‑
500hz，脉宽2
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30μs的平方波电脉冲信号，由4个1kw功率的绝缘栅双极型晶体管(igbt)升压至0
‑
20kv，瞬间电流最大可达100a。信号源高压端与上电极板9连接，低压端与下电极板5连接，下电极板5接地。
49.在食品领域，现有技术有分别采用超声处理和电场处理的做法，两者结合的做法尚未发现。一般来说，现有技术采用超声处理是用于灭菌、清洗，而采用电场处理是用于提取或者灭菌。本发明采用先超声波处理，然后再脉冲电场处理，两者配合对牛肉进行嫩化。尤其是，现有技术超声波灭菌、清洗等操作功率密度在1w/cm2以上，现有技术提取或者灭菌的电场处理的电场强度在10.0kv/cm以上；而本发明超声波采用0.2
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0.5w/cm2功率密度，所采用的脉冲电场处理强度为0.3
‑
1.5kv/cm，这样的低超声波功率和低电场强度不仅保证了非常良好的牛肉嫰化效果，而且同时还保证了牛肉品质，以及苯并芘含量下降含量低。
50.实施例1
51.采用图1的装置，选取内蒙古三河牛半腱肌1kg，在
‑
18℃冷冻2小时后，采用牛扒切片机(aimeili sl
‑
518型)切成厚度1cm，宽度10cm，长度12cm的肉片，重量为120g，放入消毒后的处理室3中；进行电极调整，下电极板5固定，肉片放入处理室3后，开启升降装置1，通过压力感应系统2，将上电极板9调整到将肉片完全贴合的部位，电极距离(上电极板9与下电极板5之间的距离)为0.95cm；启动超声波发生器6，进行超声波处理，采用功率密度为0.3w/cm2的超声波处理3分钟；启动脉冲电发生及控制器10，进行脉冲电场处理，采用广州派虎科技有限公司的pef
‑
500脉冲电场处理器处理，脉冲电场条件为频率20hz，平方波电脉冲，脉冲宽度为20μs，0.8kv/cm场强处理50个电脉冲。在上述处理后的肉扒上均匀涂抹海天生抽2.0ml，黑胡椒0.18g，海天料酒1.5ml，金龙鱼花生油2.0ml，腌制5分钟；用煎锅在2000w功率下肉片每面煎30s，起锅，为样品1
‑
1。
52.取同样重量的同批次牛肉，不经超声波和脉冲电场处理，直接腌制烹饪，为对照样品1
‑
2，同样条件单独超声波处理不经脉冲电场处理后腌制烹饪为对照样品1
‑
3，不经超声波处理单独脉冲电场处理后腌制烹饪为对照样品1
‑
4，各样品的剪切力、志愿者感官评分(10人，经训练)和苯并芘值见表1，可以看到本发明的超声波和脉冲电场联用预处理方法烹饪的牛肉剪切力比不预处理低了29.3％，比单一超声波处理和单一脉冲电场处理方法分别低了18.0％和14.6％，反映出嫩度明显提高，与不经任何预处理的样品相比感官品质由70分提升到85分，苯并芘含量下降了73.1％，鲜嫩美味的同时，反应出更加绿色安全。
53.实施例2
54.采用图1的装置，选取安格斯牛半腱肌，在
‑
18℃冷冻3小时后，采用牛扒切片机(aimeili sl
‑
518型)切成厚度1.5cm，宽度6cm，长度15cm的肉片，重量为135g，放入消毒后的处理室3中；进行电极调整，下电极板5固定，肉片放入处理室3后，开启升降装置1，通过压力感应系统2，上电极板9自动调整到将肉片完全贴合的部位，电极距离(上电极板9与下电
极板5之间的距离)为0.95cm；启动超声波发生器6，进行超声波处理，采用功率密度为0.5w/cm2的超声波处理5分钟；启动脉冲电发生及控制器10，进行脉冲电场处理，采用广州派虎科技有限公司的pef
‑
500脉冲电场处理器处理，脉冲电场条件为频率300hz，平方波电脉冲，脉冲宽度为10μs，1.5kv/cm场强处理300个电脉冲。把上述处理后的肉扒涂抹海天生抽3.0ml，黑胡椒0.25g，海天料酒2.0ml，金龙鱼花生油3.0ml，腌制10分钟；用煎锅在2000w功率下肉片每面煎60s，起锅，为样品2
‑
1。
55.取同样重量的同批次牛肉，不经超声波和脉冲电场处理，直接腌制烹饪，为对照样品2
‑
2，同样条件单独超声波处理不经脉冲电场处理后腌制烹饪为对照样品2
‑
3，不经超声波处理单独脉冲电场处理后腌制烹饪为对照样品2
‑
4，从表1可以看到本发明的超声波和脉冲电场联用预处理方法烹饪的牛扒剪切力比不预处理低了30.3％，比单一超声波处理和单一脉冲电场处理方法分别低了22.0％和13.3％，反映出嫩度明显提高，与不经任何预处理的样品相比感官品质由73分提升到88分，苯并芘含量下降了75.9％。
56.实施例3
57.采用图1的装置，选取内蒙古三河牛背部最长肌，在
‑
18℃冷冻3小时后，采用牛扒切片机(aimeili sl
‑
518型)切成厚度1cm，宽度8cm，长度15cm的肉片，重量为120g，放入消毒后的处理室3中；进行电极调整，下电极板5固定，肉片放入处理室3后，开启升降装置1，通过压力感应系统2，上电极板9自动调整到将肉片完全贴合的部位，电极距离(上电极板9与下电极板5之间的距离)为0.95cm；启动超声波发生器6，进行超声波处理，采用功率密度为0.2w/cm2的超声波处理2分钟；启动脉冲电发生及控制器10，进行脉冲电场处理，采用广州派虎科技有限公司的pef
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500脉冲电场处理器处理，脉冲电场条件为频率500hz，平方波电脉冲，脉冲宽度为20μs，0.3kv/cm场强处理150个电脉冲。把上述处理后的肉扒涂抹海天生抽2.0ml，黑胡椒0.18g，海天料酒1.5ml，金龙鱼花生油2.0ml，腌制5分钟；用煎锅在2000w功率下肉片每面煎50s，起锅，为样品3
‑
1。
58.取同样重量的同批次牛肉，不经超声波和脉冲电场处理，直接腌制烹饪，为对照样品3
‑
2，同样条件单独超声波处理不经脉冲电场处理后腌制烹饪为对照样品3
‑
3，不经超声波处理单独脉冲电场处理后腌制烹饪为对照样品3
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4，从表1可以看到本发明的超声波和脉冲电场联用预处理方法烹饪的牛肉剪切力比不预处理低了30.8％，比单一超声波处理和单一脉冲电场处理方法分别低了25.0％和18.2％，反映出嫩度明显提高，与不经任何预处理的样品相比感官品质由73分提升到90分，苯并芘含量下降了77.8％。
59.实施例4
60.采用图1的装置，选取安格斯牛背部最长肌，在
‑
18℃冷冻3小时后，采用牛扒切片机(aimeili sl
‑
518型)切成厚度1.5cm，宽度10cm，长度10cm的肉片，重量为150g，放入消毒后的处理室3中；进行电极调整，下电极板5固定，肉片放入处理室3后，开启升降装置1，通过压力感应系统2，上电极板9自动调整到将肉片完全贴合的部位，电极距离(上电极板9与下电极板5之间的距离)为0.95cm；启动超声波发生器6，进行超声波处理，采用功率密度为0.3w/cm2的超声波处理1分钟；启动脉冲电发生及控制器10，进行脉冲电场处理，采用广州派虎科技有限公司的pef
‑
500脉冲电场处理器处理，脉冲电场条件为频率500hz，平方波电脉冲，脉冲宽度为15μs，1kv/cm场强处理20个电脉冲。把上述处理后的肉扒涂抹海天生抽3.0ml，黑胡椒0.25g，海天料酒2.5ml，金龙鱼花生油3.0ml，腌制10分钟；用煎锅在2000w功
率下肉片每面煎90s，起锅，为样品4
‑
1。
61.取同样重量的同批次牛肉，不经超声波和脉冲电场处理，直接腌制烹饪，为对照样品4
‑
2，同样条件单独超声波处理不经脉冲电场处理后腌制烹饪为对照样品4
‑
3，不经超声波处理单独脉冲电场处理后腌制烹饪为对照样品4
‑
4，从表1可以看到本发明的超声波和脉冲电场联用预处理方法烹饪的牛肉剪切力比不预处理低了32.7％，比单一超声波处理和单一脉冲电场处理方法分别低了23.9％和14.6％，反映出嫩度明显提高，与不经任何预处理的样品相比感官品质由75分提升到92分，苯并芘含量下降了76.3％。
62.综合以上4个实施例可以看到，对于牛半腱肌和背部最长肌这2种口感粗燥牛肉，经超声和脉冲电场联合处理后，烹饪后剪切力均显著降低，明显优于未处理技术和单一处理技术，取得了意想不到的嫩度改善效果，品质提升明显。
63.表1实施例各种处理方法烹饪的牛扒指标对照表
64.样品剪切力(n)感官得分3,4
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苯并芘(μg/kg)1
‑
141852.11
‑
258707.81
‑
350785.51
‑
448814.22
‑
139882.02
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256738.32
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350797.32
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445825.23
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136901.83
‑
252738.13
‑
348806.23
‑
444846.04
‑
135921.94
‑
252758.04
‑
346835.84
‑
441853.9