冷等離子體技術對肉品品質的影響研究進展

豆紅艷,賀稚非,2,韓薇,謝兆華,郭熒輝,李洪軍,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715)

肉和肉制品是人類獲取優質蛋白質和微量營養素(碘、微生素A、鐵、鋅)的重要來源[1]。肉類及其產品在運輸、儲藏等過程中常常受到微生物的污染而導致食用價值的降低和食源性疾病的發生,為了盡可能避免微生物的污染和提高肉品食用品質及安全性出現了很多殺菌技術。傳統的殺菌方法有熱處理,使用防腐劑、抑菌劑等,但傳統的殺菌方式存在破環熱敏性食品的營養、防腐劑濫用等缺點,隨著科學技術的發展,出現了脈沖電場、冷等離子體(cold plasma,CP)技術、超聲波、超臨界CO2等非熱殺菌技術[2]。非熱殺菌技術在盡可能保留食品原有感官性狀和營養狀況下對食品進行殺菌,具有高效、綠色、經濟的特點[3]。其中,CP技術作為一種新型非熱殺菌技術在食品工業中得到了廣泛的應用。

CP中含有的帶電粒子和活性物質可以有效殺滅多種腐敗微生物,達到肉品殺菌保藏的目的,但當CP激發氣體中含有O2和N2時, 能夠激發形成具有高氧化活性的含氧和含氮自由基,對肉品品質產生一定程度的影響,且影響程度與處理樣品種類、處理條件等相關[4]?，F多數研究都集中在CP對微生物的滅活效果,而忽視了對肉品品質的影響。因此本文綜述了CP技術的基本原理,從肉品脂質氧化、色澤、嫩度、風味、pH值5個方面詳細闡述了CP對肉品品質的影響,同時探討了其在肉品殺菌保藏中的應用,以期為CP技術在肉和肉制品中的應用和推廣提供理論參考。

1 CP技術的概述

1.1 CP的概念

CP是一類溫度接近室溫(30～60 ℃)的等離子體。在各種激發能的作用下,通過增加氣態原子和分子中電子的動能,將氣態原子和分子從較低的能態激發到較高的能態而產生等離子體[5]。等離子體中含有大量的帶電粒子、活性氧物質(reactive oxygen species,ROS)、活性氮物質(reactive nitrogen specie,RNS)、激發分子、紫外線光子以及正負離子[6]。

1.2 CP的分類

根據等離子體中活性粒子的相對溫度,將等離子體分為兩大類,如圖1所示。高溫等離子體是在高溫的環境下電離氣體產生的,其各粒子之間處于熱力學平衡,因此也稱作熱平衡等離子體[7];低溫等離子體又分為準平衡等離子體(100～150 ℃)和非平衡等離子體(<60 ℃),非平衡等離子體因具有較低的溫度稱為CP[8]。

圖1 等離子體的分類Fig.1 Classification of plasmas

1.3 CP的產生方式

CP的放電系統有介質阻擋放電(dielectric barrier discharge,DBD)、大氣壓等離子體射流(atmospheric pressure plasma jet, APPJ)、電暈放電、輝光放電、高頻放電等[9], 在肉類加工中最常見的CP放電系統是DBD和APPJ[10]。

如圖2所示,DBD放電是在兩個電極之間的電壓達到擊穿氣體的閾值時,導致介質間隙內的氣體電離而產生等離子體[11],其主要由高壓電極、絕緣介質、接地電極3部分組成,絕緣介質主要由玻璃、塑料、硅或陶瓷等絕緣材料制成,其主要作用是防止電流通過和熱等離子體的產生[12]。DBD放電的主要優勢是設計簡單,可以根據不同的樣品進行靈活更改、作用時間短、均勻放電以及使用不同的電極形狀等[13]。

圖2 介質阻擋放電示意圖Fig.2 Schematic diagram of dielectric discharge barrier

1.4 影響CP工作效果的因素

CP對微生物的殺菌效果和對肉品品質的影響程度與CP設備的載氣類型、輸入電壓,處理樣品的物理存在狀態、水分含量等相關。

與CP產生設備有關的因素主要是載氣類型,輸入電壓、功率,CP流速等。常用的載氣有空氣、O2、N2、惰性氣體或幾種氣體的不同組合,空氣是最常用和成本最低的載氣[14]?？諝庠诜烹娺^程中會產生大量的ROS和RNS,其在肉品殺菌過程中發揮著重要作用。由于惰性氣體的良好穩定性,與食品分子相互作用時對食品成分的影響較小,此外研究發現,惰性氣體與O2混合作為CP的載氣可以降低對食品成分的氧化降解作用[15]。對于氣體流速而言,在低流速下一些半衰期短的活性物質可能無法到達食品內部,從而對食品的殺菌效果較弱,而增加氣體流速可以增大活性物質與食品成分碰撞和相互作用的可能性。但也有研究發現,隨著氣體流速的增大會導致活性物質在食品中停留時間的縮短,從而減弱CP的作用效果[16-17]。因此在實際應用中要綜合考慮多種因素確定CP的氣體流速,以達到最佳的處理效果。

食品本身就是一個多組分的復雜基質,食品的物理存在狀態、水分含量、表面粗糙程度等都會影響CP處理的效果。食品的物理存在狀態會影響活性物質的穿透深度。對液體食品而言,其食品成分可以與活性物質充分接觸,穿透深度不成問題,而固體食品的成分、孔隙率、水分含量都會影響活性物質的穿透深度進而影響CP的處理效果[18]。食品中水分含量不同時會導致CP產生不同的活性物質,比如以O2為載氣時,食品水分含量較高會產生H2O2、過氧化氫自由基、超氧陰離子和其他ROS,從而提高殺菌效果,但也會導致CP對食品成分的氧化作用加強[18]。食品表面的粗糙程度可以作為物理屏障保護微生物免受CP中活性物質的攻擊而降低CP的殺菌效果。研究發現,由于雞肉和雞皮的表面粗糙程度不同,當用CP進行滅菌時,雞肉表面的無核李斯特菌在4 min后減少了3 lg CFU/g,而雞皮中的無核李斯特菌在8 min后只減少了1 lg CFU/g[19]。

2 CP技術對肉品品質的影響

2.1 CP對肉品脂質氧化的影響

脂質以三?；视王?、磷脂和固醇的形式廣泛分布在肉的細胞內外[20]。脂質的存在使肉變得鮮嫩多汁,但脂質中存在的不飽和鍵很容易在外界條件的刺激下發生氧化,形成一系列的氧化產物致使肉的營養價值下降。

研究發現CP中的ROS會導致肉品表面的脂質氧化,而脂質氧化程度與處理電壓、處理時間、肉品本身的脂質含量等有關[21]。WANG等[22]用DBD-CP處理牛肉餅時,發現隨著處理電壓的升高(50、60、70 kV)硫代巴比妥酸反應物(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)值也升高。同樣,孟婧怡等[23]采用DBD-CP處理豬肉,也發現 TBARS含量隨處理電壓的增加和處理時間的延長而呈上升趨勢,同時發現,在處理時間不變的情況下,電壓強度對脂質氧化的影響較大。與此不同的是,MOUTIQ等[24]用100 kV CP處理1～5 min雞肉,發現處理組和對照組之間的TBARS值無顯著差異。綜上,升高電壓、延長處理時間會增加CP中ROS的含量進而加速肉品中脂質氧化,但相對于處理時間而言,電壓強度對脂質氧化影響更大,可能是因為電壓的升高對激發活性氧的作用更大。相對于豬肉、牛肉而言,雞肉經CP處理后脂質氧化程度變化較小,可能與雞肉中脂質含量低有關,故 CP處理可以更好地保持雞肉等低脂質含量的肉品品質。

基于CP處理對肉品脂質氧化帶來的負面影響,研究發現可以通過天然抗氧化劑復合薄膜涂抹的方式和控制CP激發氣體中O2的含量來改善肉品的脂質氧化[4]。QIAN等[25]研究發現精油-蛋白質復合薄膜涂抹能顯著降低CP誘導的脂質氧化,WANG等[26]也發現,在CP處理前用殼聚糖-黃皮籽精油復合薄膜涂抹的黃魚片與未涂抹樣品相比,其TBARS值較低。由于惰性氣體本身很穩定,當惰性氣體與O2混合作為CP的載氣時可以減少ROS的產生進而緩解CP處理對食品成分的氧化降解作用[15]。KIM 等[27]采用純He、He加0.3% O2作為CP載氣處理豬腰肉, 發現純He處理組樣品脂質氧化程度減弱, 但伴隨著殺菌效果降低。因此,當以惰性氣體和O2混合作為CP的激發氣體時,應綜合考慮多種因素確定混合氣體的比例以達到最好的效果。

2.2 CP對肉品色澤的影響

肉的顏色是肉品新鮮度的一個重要標志,也是決定消費者是否購買肉品的一個重要決定因素。肉顏色的變化與肌肉中肌紅蛋白(myoglobin, Mb)的含量密切相關,Mb通常以3種形式存在:氧合肌紅蛋白(oxy-myoglobin, Oxy-Mb)、脫氧肌紅蛋白(deoxy-myoglobin, Deoxy-Mb)和高鐵肌紅蛋白(met-myoglobin, Met-Mb),肉品顏色的變化主要與肌紅蛋白氧化還原形式有關[22]。

有研究表明,CP中形成的活性粒子會導致Mb蛋白氧化為Met-Mb,從而導致肉品的a*值下降。LUO等[28]用DBD-CP處理鮮豬里脊,發現對照組和不同處理組之間的肉類樣品L*值穩定,隨著處理電壓的升高(50、60、70 kV),處理組的a*值呈下降趨勢。WANG等[22]用DBD-CP處理牛肉餅,也發現隨著處理電壓的升高,a*值呈下降趨勢,通過分析Oxy-Mb、Met-Mb的相對含量發現,隨著處理電壓的升高,Oxy-Mb含量下降而Met-Mb的相對含量增加,也就是用DBD-CP處理加速了Mb向Met-Mb紅蛋白的氧化,從而導致a*值下降。CP產生的活性物質可能通過氧化Mb和破壞其化學結構而使Oxy-Mb含量降低[29]。此外,有學者研究表明脂質氧化會加速Mb的氧化,BEKHIT等[30]也發現脂質氧化產生的自由基可以氧化Mb,基于此有學者推斷DBD-CP產生的自由基首先加速了脂質的氧化產生過氧化物,過氧化物又進一步氧化Mb從而改變肉品的顏色[22],也就是在CP處理肉品過程中Mb的氧化還原和脂質的氧化以一定的方式相互交織、互相影響。

在肉制品加工中,亞硝酸鹽常用作發色劑,使肉制品呈現令人愉悅的色澤但人體攝入過多的亞硝酸鹽會對人體健康產生不良影響。研究發現CP中的RNS可以作為肉制品中亞硝酸鹽的替代物,使肉制品呈現獨特的顏色。YONG等[31]將經鹽水腌制過的豬肉干用CP分別處理0、20、40、60 min,并于用亞硝酸鹽腌制過的豬肉干進行對比,發現用CP處理40 min的豬肉干其顏色與用亞硝酸鹽腌制的豬肉干顏色相當,且兩者的亞硝基血紅素含量差異不顯著,也就是說CP處理增加了豬肉中亞硝基血紅素的含量。之前的研究表明CP中含有的RNS與Mb結合形成亞硝酸肌紅蛋白,亞硝酸肌紅蛋白受熱后分解為球蛋白和亞硝酸肌色原,使肉品呈現穩定的紅色[32-33]。

2.3 CP對肉品嫩度的影響

肉的嫩度是評價肉品品質的一個重要指標,其與肌原纖維蛋白(myofibrillar protein,MP)的含量密切相關,肉類宰后MP的降解直接影響肉的嫩度[34]。一般用剪切力和肌原纖維斷裂指數(myofibril breakage index,MFI)來評價肉的嫩度,剪切力越低或者MFI值越高說明肉的嫩度越好[35]。研究表明,用DBD-CP處理肉品能使MP的結構發生改變,增加肉的嫩度。ABDEL-NAEEM等[36]研究不同載氣(O2和Ar)DBD-CP處理3、5 min雞胸肉,發現與未處理的樣品相比,所有經DBD等離子體樣品的剪切力值都顯著降低。同時發現以Ar為載氣的DBD-CP處理樣品其剪切力值低于以O2為載氣的樣品。LUO等[28]也發現,用DBD-CP處理豬里脊肉會增加MFI值,降低剪切力值,改善其嫩度。綜上,CP中含有的活性粒子(OH-、O3、H2O2)會和樣品中的水發生反應造成樣品的pH值降低,由于低的pH值導致MP的肌節和膠原結構發生變化而導致肉品的嫩度增加[37]。

2.4 CP對肉品風味的影響

CP除了能改善肉制品的嫩度之外,研究發現還可以增加MP與風味物質的結合能力進而改善肉品的風味。MP與風味化合物的結合能力與氨基酸側鏈結構的變化有關,特別是與疏水鍵、分子間作用力、離子鍵、氫鍵和二硫鍵有關[38]。LUO等[39]用不同電壓(0、50、60、70 kV)下的DBD-CP處理臘肉肌原纖維蛋白研究其對MP與風味物質結合能力的影響。研究發現隨著處理電壓的增加,MP與正丁醛、庚醛和辛醛等醛類化合物的結合能力也增加。羅輯[40]用DBD-CP處理蒸餾水制備了一種新型腌制液,以風干豬里脊肉為實驗材料研究DBD處理對MP蛋白結構功能及產品風味變化的影響,結果表明高強度處理能促進蛋白質表面疏水性的增加,從而促進MP與風味物質的結合。已有研究證明,隨著DBD-CP處理電壓的增加MP的α螺旋含量減少而β折疊和無規則卷曲增加,也就是說DBD-CP處理會導致MP蛋白質結構逐漸展開,誘導MP中疏水基團的暴露從而使MP多褶皺表面積上與風味物質的結合位點增大,進而提升MP與風味物質的結合能力[41-42]。

2.5 CP對肉品pH的影響

pH值是評估肉和肉制品質量及新鮮度的關鍵指標。杜曼婷等[43]用不同強度DBD-CP處理宰后羊雙側背最長肌,結果發現,處理組和對照組的pH值均在貯藏3 d內下降,在5 d內顯著上升,不管是上升還是下降CP處理的樣品 pH 值均比未處理過的樣品低。陳家盛等[44]研究DBD-CP在處理條件為50 kV、30 s時對魷魚冷藏過程中的品質影響,其研究結果與上述杜曼婷[43]的結果一致,即在冷藏過程中實驗組的pH值均比對照組的低。在貯藏前期,一方面肌肉在宰后僵直過程中會發生糖酵解產生乳酸從而導致肌肉的pH值下降[45],另一方面CP產生的活性粒子會和樣品及環境中的水發生反應產生酸性物質使樣品的pH值降低[46];在貯藏后期,肌肉處于自溶和腐敗階段,微生物大量繁殖,蛋白被逐漸分解產生一些堿性物質從而導致pH值的升高。從以上分析可以看出,CP處理能使樣品在貯藏過程中更好的保持樣品品質。

綜上,CP處理對肉品品質的影響詳見表1。

表1 CP處理對肉品品質的影響Table 1 Effect of CP treatment on meat quality

3 CP在肉品殺菌保藏中的應用

肉和肉制品由于豐富的營養成分成為促進各種腐敗微生物極易生長的媒介。雖然等離子體滅活微生物的機制還尚不明確,但先前有研究表明,活性物質、帶電粒子、靜電破壞和電穿孔都參與其中[47]。WANG 等[48]用 DBD-CP在處理電壓70 kV,處理時間60、120、180、240、300 s條件下處理羅非魚,結果發現,腸炎鏈球菌和單核細胞增多性乳桿菌分別減少2.34 lg CFU/g和1.69 lg CFU/g。ZHAO等[49]采用不同載氣(空氣和N2)等離子體處理(處理0～10 min)雞胸肉,發現經CP處理后雞胸肉表面微生物明顯減少,且空氣CP處理的滅菌效果比N2等離子體好。此外,ZHAO等[50]研究空氣和N2CP對銅綠假單胞菌的滅活效果時也得出同樣的結論。當用CP滅活微生物時,細胞膜的完整性被破壞,CP產生的活性物質引起微生物細胞膜的脂質過氧化進而導致細胞膜的通透性增加,細胞內溶物流失最終使微生物細胞死亡[50-51]。而空氣CP產生的ROS氧化能力高于N2等離子體產生的RNS,因此空氣CP的滅活效果比N2等離子體好[52]。

用CP直接對肉品進行殺菌,由于肉品的成分復雜、形狀各異等因素存在滅菌不均勻的問題,隨著科學技術的發展出現了CP活化水(plasma-activited water,PAW)、CP活化冰等形式。PAW是指水被CP處理后,水分子離解的產物與等離子體中的活性物質反應產生富含更多種類活性成分的水溶液。PAW作為一種新型殺菌液,具有更好的滲透性和流動性[53]。BARRALES等[54]用PAW浸泡牛肉240 s和300 s,發現鼠傷寒沙門氏菌和大腸桿菌分別減少了5.9 lg CFU/g和4 lg CFU/g,并可以較好的保持牛肉品質。但SAMMANEE等[55]用PAW浸泡豬肉15 min,結果發現豬肉表面的腸炎沙門氏菌、鼠傷寒沙門氏菌均有所減少,但效果并不顯著。此外,有研究表明,超聲波技術與PAW聯合處理可以增強其滅菌效果。ROYINTARAT等[56]對雞肉使用超聲波與PAW聯合處理60 min,發現抑菌效果優于單獨使用PAW,可能是超聲波的機械效應和空化效應使雞肉表面變得更加多孔,使得PAW可以更好的滲透,從而提高對微生物的滅活效率。

綜上,CP在肉類殺菌中的應用如表2所示。

表2 CP在肉類殺菌中的應用Table 2 Application of CP in meat sterilization

4 展望

CP技術因其高效、綠色無殘留、經濟的特點在肉品殺菌中得到廣泛的應用,但在殺菌時CP產生的ROS和RNS會造成肉品的脂質氧化、a*值下降等不利影響,但在改善肉品嫩度和風味方面具有很大研究潛力。在后面的研究中仍需對以下幾個方面進行深入研究:

1)CP的工藝條件不同對肉品的脂質氧化程度不同,因此在后續的研究中應嚴格控制CP的工藝條件,此外,由于雞肉的脂質含量較低,CP作用對其脂質氧化程度并不顯著,有利于維持雞肉的品質,因此CP處理在低脂質含量的肉產品中可能具有更廣闊的空間。

2)對于CP處理對肉品脂質氧化帶來的負面影響,現有研究發現可以通過天然抗氧化劑復合薄膜涂抹的方式和控制CP激發氣體中O2的含量來改善肉品的脂質氧化程度,以后的研究中應尋找更多的方式來減緩CP誘導的脂質氧化。

3)現有研究表明,CP處理在改善肉品嫩度和風味方面具有很大的潛力,這為改善肉品品質提供了一個新的研究思路,需要對其作用機理進行深入研究,形成一套成熟的理論來指導實際應用。

4)CP直接對肉品殺菌存在殺菌不均勻的問題,而現在出現的CP活化水、活化冰等新的作用方式,因具有較好的流動性和滲透性不存在這樣的問題,未來可以聯合其他新型技術比如納米技術等創新更多的CP作用方式。