冷等离子体技术替代肉制品中亚硝酸盐的研究进展

倪思思，樊丽华，廖新浴，沈默斐，刘东红，丁 甜*

（1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，智能食品加工技术与装备国家地方联合工程实验室，浙江省农产品加工技术研究重点实验室，浙江 杭州 310058；2.浙江大学馥莉食品研究院，浙江 杭州 310058；3.浙江大学宁波研究院，浙江 宁波 315100）

冷等离子体技术作为一种非热食品加工技术被广泛应用于食品加工。目前，冷等离子体技术在食品领域中的应用有消毒灭菌、改变食品成分、去除农药残留和食品包装加工等[1]。近几年也有研究报道利用冷等离子体技术替代肉制品工业中亚硝酸盐的直接添加。亚硝酸盐是一种重要的食品添加剂，具有抑菌防腐、发色固色、抗氧化、增添风味等作用，被广泛运用于肉制品中。然而亚硝酸盐具有一定的毒性，正常人的中毒剂量是0.2～0.5 g，致死量为1.0～2.0 g[2]。此外，亚硝酸盐还能在酸性条件下形成致癌的亚硝胺，人体长期摄入亚硝酸盐含量高的食物可增加罹患癌症的风险。因此，一直以来研究人员都在寻找亚硝酸盐的替代物以减少亚硝酸盐的使用量。本文主要介绍了冷等离子体技术在替代肉制品中亚硝酸盐方面的作用机理和研究进展。

1 冷等离子体技术替代肉制品中亚硝酸盐的作用机理及安全性

1.1 肉制品中的亚硝酸盐

亚硝酸盐是肉制品中常用的添加剂，其主要作用为抑制微生物生长、发色固色、抗氧化、增添风味等。亚硝酸盐可显著抑制肉制品中多种微生物（尤其是肉毒杆菌）的繁殖生长，增加了肉制品的安全性。在感官风味上，亚硝酸盐能使肉制品呈现出诱人的粉红色，显著延缓发酵肉制品产生酸败味，并有助改善肉制品风味。

虽然亚硝酸盐作为添加剂在肉制品应用中有许多优点，但是，亚硝酸盐的毒性使其在实际应用中存在局限性。亚硝酸盐具有强氧化性，可将血液中正常的低铁血红蛋白氧转化为高铁血红蛋白，诱发高铁血红蛋白血症[3]。亚硝酸盐还能与仲胺（例如衍生自蛋白质的氨基酸）反应生成具有致癌性的亚硝胺[4]。为保障食品安全，GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》规定，腌腊肉制品中亚硝酸盐最大添加量为0.15 g/kg，最大残留量限制为30 mg/kg（以亚硝酸钠计）[5]。

目前，开发新技术以降低甚至消除亚硝酸盐的潜在危害是食品加工领域面临的难题。然而如今食品工业无法完全杜绝肉制品中的亚硝酸盐，因为亚硝酸盐广泛存在于自然界，肉制品本身含有一定量的亚硝酸盐[6]。此外，事实证明，完全不添加任何形式亚硝酸盐的肉制品无法保障安全，外观口味也不尽如人意[7]。而现有的技术水平下，研究者们尚未找到能完全取代亚硝酸盐的材料[8]，目前较为可行的方法是在肉品腌制过程中添加低浓度的亚硝酸盐结合一些其他的化合物对肉品进行混合腌制[9]。

1.2 冷等离子体技术的替代作用机理及安全性

等离子体是部分或完全电离的气体，是电子辐射（紫外光子和可见光）的量子、无数亚原子和分子实体的集合体[10]。等离子体可分为热等离子体和冷等离子体，其中后者的能量主要存储在自由电子中，并且总温度较低[11]。组成冷等离子体的物质种类及其浓度取决于许多因素，包括诱发等离子体的气体、等离子体源的配置、输入气体的功率、处理时间和湿度水平[12]。冷等离子体的一大重要特征是其富含独特的生物活性物质而且接近环境温度，这使其能够安全地应用于食品中。

大气冷等离子体的含氮活性物可以作为受处理物的亚硝酸盐来源。大气冷等离子体以空气为原料，空气中的氧气和氮气在能量源的激发下可产生大量活性氧和活性氮，包括NO、NO2、N2O3、N2O4等氮氧化合物，而这些氮氧化合物遇到水分子后能发生一系列复杂的反应，参与硝酸根和亚硝酸根的生成，相关反应方程式如式（1）～（6）[13-14]。因此冷等离子体活化水具有亚硝酸根和硝酸根，在肉制品中能够以亚硝酸盐的形式起杀菌防腐和增色的作用。

而Jung等[15]利用大气冷等离子体处理紫苏提取物，随着处理时间的延长，原本不含亚硝酸盐的紫苏叶提取物产生一定含量的亚硝酸盐，进一步证实了冷等离子体处理可用于生产天然亚硝酸盐的论点。Jung等[16]还通过研究证实了当大气压等离子体直接处理肉浆时，同样可通过冷等离子体与肉浆中液体分子的相互作用而在肉浆中生成亚硝酸盐。

冷等离子体技术在肉制品中的运用也被证实是安全可靠的。Kim等[17]以冷等离子活化水制得的乳化香肠为样品，通过Ames实验检测样品对鼠伤寒沙门氏菌菌株TA98和TA100的诱变程度，通过小鼠实验检测样品的免疫毒性。细胞实验和小鼠实验结果表明，冷等离子体技术在乳化香肠中的运用没有致突变性和免疫毒性。

2 冷等离子体技术作亚硝酸盐替代物的研究现状

2.1 冷等离子体技术在食品中的应用现状

虽然等离子体在食品工业中还处于研究阶段，但其未来发展不可小觑。目前，等离子体技术已在多种食品领域中广泛应用。从20世纪60年代至今，大量研究证明等离子体在多种食品中具有良好的杀菌效果，例如在受沙门氏菌污染的生鸡蛋[18]和生牛乳[19]，以及被大肠杆菌污染的鲜切芹菜中[20]。等离子技术还可以用于豌豆等干散货食品从而调节其材料功能[21]，降解新鲜农产品如草莓上的残留农药[22]，以及处理薄膜外包装从而对鱼肉的保鲜起到辅助作用[23]。但也有研究提出等离子体可能会加速乳品中脂质氧化而产生负面影响[24]。

已经开发用于食品加工的冷等离子体生成系统包括介质阻挡放电、滑动电弧放电、电晕放电和射频等离子体等[1]。在冷等离子体技术的使用方式上，除了直接处理，国内外许多研究还通过水作为中介来运用这项技术。食品原料的不规则形状能够影响冷等离子体技术处理结果的均匀性，而等离子体活化水可以改善这一点[14]。

2.2 冷等离子体技术在肉制品中替代亚硝酸盐的应用

冷等离子体技术运用在肉制品中时可分为等离子体活化水处理和直接处理两种方式（表1）。

表1 冷等离子体技术在肉制品中作亚硝酸盐替代物的应用研究Table 1 Previous studies on application of cold plasma application of cold plasma as a nitrite substitute in meat products

2.2.1 等离子体活化水在肉制品中替代亚硝酸盐

Jung等[25]首次提出把等离子体活水化作为肉制品中的亚硝酸盐源的可能性，他们以不同方法制得的乳化香肠为研究对象，对各项指标和感官评定的结果进行统计分析，发现大气等离子体活化水和亚硝酸钠的抑菌效果不存在显著性差异，且经两者处理后的产品颜色、过氧化值和感官品质也相似，但前者亚硝酸盐残留量更低。之后，Jung等[26]研究了等离子体活化水对肉类的显色能力，结果表明，肉糜经过常压等离子体活化水处理后，可以得到和常规亚硝酸钠处理近似的腌肉色。研究结果证实了等离子体处理水对肉类的显色能力，且与其前期的乳化香肠实验结果[25]相吻合。在毒理学方面，Kim等[17]通过研究确认了等离子体活化水作为亚硝酸盐来源肉制品的安全性。细胞实验和小鼠实验的实验结果表明，等离子体处理水制得的乳化香肠不存在致突变性和免疫毒性。该结果从安全的角度证明了等离子体处理水作为肉制品加工中天然亚硝酸盐的可行性，增加了Jung等[25]研究结果的实际应用可能性。相似地，Yong等[28]评估了等离子体处理水作为里脊肉火腿生产中亚硝酸钠替代品的潜力。结果表明，与亚硝酸钠处理得到的里脊肉火腿相比，等离子体活化水制得的里脊肉火腿鲜红度更高，亚硝酸盐残留量更低，菌数和脂质氧化情况相接近。同时致突变实验结果表明，研究中使用的等离子体活化水不具有遗传毒性。上述结果表明等离子体处理水可被视为腌肉（例如注射型肉制品）制造中亚硝酸盐的有效和创新替代品。

2.2.2 冷等离子体直接处理在肉制品中替代亚硝酸盐

Jung等[16]首次提出了大气压等离子体处理直接作用于肉制品中以取代亚硝酸盐的可能性。他们在实验中分别用亚硝酸钠和常压等离子体直接处理肉糜，发现后者能够给产品成功增添腌制肉色且不影响脂质氧化，然而对于其中好氧微生物的杀菌效果不佳。这与其前期在乳化香肠中的实验结果[25]相差较大，研究者分析这可能是因为活性物质因寿命极短而丧失在传递过程中，而且等离子体处理与搅拌的同时进行使得肉制品表面的好氧微生物无法在等离子体中暴露足够时间，也就难以得到充分的杀灭。因此，使用常压等离子体处理直接作用于肉制品中以取代亚硝酸盐的这一设想若要在实际上得到妥善应用，尚需进一步研究来改善常压等离子体直接作用的杀菌效果。之后，Lee等[29]也探索了常压等离子体直接处理作为罐装碎火腿的亚硝酸盐替代物的潜在可能性。研究发现，与添加常规亚硝酸盐的火腿肉糜相比，经常压等离子体处理后的火腿肉糜中的亚硝酸盐含量增加，脂质和蛋白质的氧化水平未受明显影响，颜色、肉质相接近，感官风味更好，但总需氧菌数没有相应减少。这一实验结果与Jung等[16]的结果类似。而Yong等[28]研究了常压等离子体直接处理作为猪肉干生产中亚硝酸钠替代品的适用性。实验结果表明随着等离子体处理时间的延长，产物的腌制肉色指标变得更好，亚硝酸盐残留量升高，脂质氧化程度降低。同时通过分析实验结果可知，经过40 min等离子体处理的猪肉干与亚硝酸钠制成的产品在颜色、脂质氧化、肉质上无显著差异，但前者亚硝酸盐残留量更低，而且抑菌效果更好。这一研究中等离子体在猪肉干上具有显著的杀菌效果，与Jung[16]和Lee[29]等的研究结果有所不同，但却进一步证实了Jung等[16]当初的分析猜想，即大气压等离子体直接作用于肉制品时，若想得到较好的杀菌效果，肉制品表面的微生物需要在等离子体中得到充分的暴露。通过研究后Yong等[28]提出，大气压等离子体将可能成为一种安全的替代方法用于生产不添加亚硝酸盐的猪肉干。

2.2.3 冷等离子体和其他亚硝酸盐替代物的研究现状

目前食品加工的亚硝酸盐替代物可按照成分中是否包含亚硝酸盐分为两类（表2、3）。

根据成分来源，不含亚硝酸盐的替代物可分为天然植物性产物、人造有机酸类以及微生物产物。天然植物性产物包括番茄制品[30-31]、迷迭香[32]、柑橘制品[33]等具有抗菌成分[34]、抗氧化能力及生物活性的材料。食品工业也将醋酸盐、乳酸盐[35-36]、山梨酸盐[37]等有机酸盐作为抑菌剂和防腐剂，将微生物产物如曲霉乳杆菌细菌素[38]、乳酸链球菌素（Nisin）[39-40]、肠菌素[41]以及其他具有抗菌性的细菌素用作杀菌剂，因此这两类材料也出现在亚硝盐替代物的研究中。这类替代物因不含有亚硝酸盐而无法完全避免肉毒杆菌污染，无法保证食品安全性。而且与这类亚硝酸盐替代物相比较，冷等离子体技术本身不含化学物质并且环保[42]，无需额外添加亚硝酸盐，原料只需气体（或者水），使用方式更加简单。

表2 肉制品中不含亚硝酸盐的替代物的研究Table 2 Previous studies on substitutes without nitrite in meat products

含亚硝酸盐成分的替代物以蔬菜浓缩物为主，浓缩物由硝酸盐含量高的蔬菜适当处理而获得。这类替代物不仅含有足量的亚硝酸盐，还富含天然活性成分和色素来辅助抑菌并改善颜色风味。芹菜[43-45]、甜菜[46-47]、欧芹[48]、菠菜[49]都是硝酸盐含量较高的常见蔬菜，硝酸盐含量可高达2 500 mg/kg[50]。美国弗罗里达食品公司已开始商业化生产芹菜浓缩物以用于肉制品的加工[51]。和冷等离子体技术相同的是，这类替代物在使用过程中无需另外添加亚硝酸盐。然而植物性产物的使用都需要注意植物成分对产品原风味的影响[52]以及潜在过敏源等问题，例如有研究提出肉制品中的芹菜粉使用量过高会形成异味[44]，以及世界上相当一部分人对芹菜过敏[53]。而冷等离子体技术在肉制品中的使用不会带入额外的过敏原，产物风味也不会受植物成分的干扰。与这类替代物相比，冷等离子体作为替代物在杀菌防腐方面具有重要优势。Oehmigen等[54]在研究大气等离子体活化水的特性时，发现过氧根和亚硝酸根的协同作用使其具有极佳的杀菌消毒作用。

表3 肉制品中含有亚硝酸盐的替代物的研究Table 3 Previous studies on substitutes in meat products with nitrite

3 结 语

作为一种新兴的食品非热加工技术，冷等离子体技术具有清洁环保、应用范围广等特点，在食品领域展现出广阔的前景。目前，冷等离子体技术在肉制品方面的应用研究重点是杀菌，而国内外冷等离子体技术替代亚硝酸盐添加剂的相关研究仍较少。此外，冷等离子体技术替代亚硝酸盐的相关研究还存在缺乏具体作用机制、应用工艺不明确等问题。同时冷等离子体技术能够影响肉制品的氧化程度，这关乎到最终的产品特性。现如今肉制品尤其是腌制肉制品工业对于亚硝酸盐替代物的需求仍未得到满足，今后可增强冷等离子体技术与其他替代方法互补联用的研究。