冷等离子体技术对肉品品质的影响研究进展

豆红艳,贺稚非,2,韩薇,谢兆华,郭荧辉,李洪军,2*

1(西南大学 食品科学学院,重庆,400715)2(川渝共建特色食品重庆市重点实验室,重庆,400715)

肉和肉制品是人类获取优质蛋白质和微量营养素(碘、微生素A、铁、锌)的重要来源[1]。肉类及其产品在运输、储藏等过程中常常受到微生物的污染而导致食用价值的降低和食源性疾病的发生,为了尽可能避免微生物的污染和提高肉品食用品质及安全性出现了很多杀菌技术。传统的杀菌方法有热处理,使用防腐剂、抑菌剂等,但传统的杀菌方式存在破环热敏性食品的营养、防腐剂滥用等缺点,随着科学技术的发展,出现了脉冲电场、冷等离子体(cold plasma,CP)技术、超声波、超临界CO2等非热杀菌技术[2]。非热杀菌技术在尽可能保留食品原有感官性状和营养状况下对食品进行杀菌,具有高效、绿色、经济的特点[3]。其中,CP技术作为一种新型非热杀菌技术在食品工业中得到了广泛的应用。

CP中含有的带电粒子和活性物质可以有效杀灭多种腐败微生物,达到肉品杀菌保藏的目的,但当CP激发气体中含有O2和N2时, 能够激发形成具有高氧化活性的含氧和含氮自由基,对肉品品质产生一定程度的影响,且影响程度与处理样品种类、处理条件等相关[4]。现多数研究都集中在CP对微生物的灭活效果,而忽视了对肉品品质的影响。因此本文综述了CP技术的基本原理,从肉品脂质氧化、色泽、嫩度、风味、pH值5个方面详细阐述了CP对肉品品质的影响,同时探讨了其在肉品杀菌保藏中的应用,以期为CP技术在肉和肉制品中的应用和推广提供理论参考。

1 CP技术的概述

1.1 CP的概念

CP是一类温度接近室温(30～60 ℃)的等离子体。在各种激发能的作用下,通过增加气态原子和分子中电子的动能,将气态原子和分子从较低的能态激发到较高的能态而产生等离子体[5]。等离子体中含有大量的带电粒子、活性氧物质(reactive oxygen species,ROS)、活性氮物质(reactive nitrogen specie,RNS)、激发分子、紫外线光子以及正负离子[6]。

1.2 CP的分类

根据等离子体中活性粒子的相对温度,将等离子体分为两大类,如图1所示。高温等离子体是在高温的环境下电离气体产生的,其各粒子之间处于热力学平衡,因此也称作热平衡等离子体[7];低温等离子体又分为准平衡等离子体(100～150 ℃)和非平衡等离子体(<60 ℃),非平衡等离子体因具有较低的温度称为CP[8]。

图1 等离子体的分类Fig.1 Classification of plasmas

1.3 CP的产生方式

CP的放电系统有介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)、大气压等离子体射流(atmospheric pressure plasma jet, APPJ)、电晕放电、辉光放电、高频放电等[9], 在肉类加工中最常见的CP放电系统是DBD和APPJ[10]。

如图2所示,DBD放电是在两个电极之间的电压达到击穿气体的阈值时,导致介质间隙内的气体电离而产生等离子体[11],其主要由高压电极、绝缘介质、接地电极3部分组成,绝缘介质主要由玻璃、塑料、硅或陶瓷等绝缘材料制成,其主要作用是防止电流通过和热等离子体的产生[12]。DBD放电的主要优势是设计简单,可以根据不同的样品进行灵活更改、作用时间短、均匀放电以及使用不同的电极形状等[13]。

图2 介质阻挡放电示意图Fig.2 Schematic diagram of dielectric discharge barrier

1.4 影响CP工作效果的因素

CP对微生物的杀菌效果和对肉品品质的影响程度与CP设备的载气类型、输入电压,处理样品的物理存在状态、水分含量等相关。

与CP产生设备有关的因素主要是载气类型,输入电压、功率,CP流速等。常用的载气有空气、O2、N2、惰性气体或几种气体的不同组合,空气是最常用和成本最低的载气[14]。空气在放电过程中会产生大量的ROS和RNS,其在肉品杀菌过程中发挥着重要作用。由于惰性气体的良好稳定性,与食品分子相互作用时对食品成分的影响较小,此外研究发现,惰性气体与O2混合作为CP的载气可以降低对食品成分的氧化降解作用[15]。对于气体流速而言,在低流速下一些半衰期短的活性物质可能无法到达食品内部,从而对食品的杀菌效果较弱,而增加气体流速可以增大活性物质与食品成分碰撞和相互作用的可能性。但也有研究发现,随着气体流速的增大会导致活性物质在食品中停留时间的缩短,从而减弱CP的作用效果[16-17]。因此在实际应用中要综合考虑多种因素确定CP的气体流速,以达到最佳的处理效果。

食品本身就是一个多组分的复杂基质,食品的物理存在状态、水分含量、表面粗糙程度等都会影响CP处理的效果。食品的物理存在状态会影响活性物质的穿透深度。对液体食品而言,其食品成分可以与活性物质充分接触,穿透深度不成问题,而固体食品的成分、孔隙率、水分含量都会影响活性物质的穿透深度进而影响CP的处理效果[18]。食品中水分含量不同时会导致CP产生不同的活性物质,比如以O2为载气时,食品水分含量较高会产生H2O2、过氧化氢自由基、超氧阴离子和其他ROS,从而提高杀菌效果,但也会导致CP对食品成分的氧化作用加强[18]。食品表面的粗糙程度可以作为物理屏障保护微生物免受CP中活性物质的攻击而降低CP的杀菌效果。研究发现,由于鸡肉和鸡皮的表面粗糙程度不同,当用CP进行灭菌时,鸡肉表面的无核李斯特菌在4 min后减少了3 lg CFU/g,而鸡皮中的无核李斯特菌在8 min后只减少了1 lg CFU/g[19]。

2 CP技术对肉品品质的影响

2.1 CP对肉品脂质氧化的影响

脂质以三酰基甘油酯、磷脂和固醇的形式广泛分布在肉的细胞内外[20]。脂质的存在使肉变得鲜嫩多汁,但脂质中存在的不饱和键很容易在外界条件的刺激下发生氧化,形成一系列的氧化产物致使肉的营养价值下降。

研究发现CP中的ROS会导致肉品表面的脂质氧化,而脂质氧化程度与处理电压、处理时间、肉品本身的脂质含量等有关[21]。WANG等[22]用DBD-CP处理牛肉饼时,发现随着处理电压的升高(50、60、70 kV)硫代巴比妥酸反应物(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)值也升高。同样,孟婧怡等[23]采用DBD-CP处理猪肉,也发现 TBARS含量随处理电压的增加和处理时间的延长而呈上升趋势,同时发现,在处理时间不变的情况下,电压强度对脂质氧化的影响较大。与此不同的是,MOUTIQ等[24]用100 kV CP处理1～5 min鸡肉,发现处理组和对照组之间的TBARS值无显著差异。综上,升高电压、延长处理时间会增加CP中ROS的含量进而加速肉品中脂质氧化,但相对于处理时间而言,电压强度对脂质氧化影响更大,可能是因为电压的升高对激发活性氧的作用更大。相对于猪肉、牛肉而言,鸡肉经CP处理后脂质氧化程度变化较小,可能与鸡肉中脂质含量低有关,故 CP处理可以更好地保持鸡肉等低脂质含量的肉品品质。

基于CP处理对肉品脂质氧化带来的负面影响,研究发现可以通过天然抗氧化剂复合薄膜涂抹的方式和控制CP激发气体中O2的含量来改善肉品的脂质氧化[4]。QIAN等[25]研究发现精油-蛋白质复合薄膜涂抹能显著降低CP诱导的脂质氧化,WANG等[26]也发现,在CP处理前用壳聚糖-黄皮籽精油复合薄膜涂抹的黄鱼片与未涂抹样品相比,其TBARS值较低。由于惰性气体本身很稳定,当惰性气体与O2混合作为CP的载气时可以减少ROS的产生进而缓解CP处理对食品成分的氧化降解作用[15]。KIM 等[27]采用纯He、He加0.3% O2作为CP载气处理猪腰肉, 发现纯He处理组样品脂质氧化程度减弱, 但伴随着杀菌效果降低。因此,当以惰性气体和O2混合作为CP的激发气体时,应综合考虑多种因素确定混合气体的比例以达到最好的效果。

2.2 CP对肉品色泽的影响

肉的颜色是肉品新鲜度的一个重要标志,也是决定消费者是否购买肉品的一个重要决定因素。肉颜色的变化与肌肉中肌红蛋白(myoglobin, Mb)的含量密切相关,Mb通常以3种形式存在:氧合肌红蛋白(oxy-myoglobin, Oxy-Mb)、脱氧肌红蛋白(deoxy-myoglobin, Deoxy-Mb)和高铁肌红蛋白(met-myoglobin, Met-Mb),肉品颜色的变化主要与肌红蛋白氧化还原形式有关[22]。

有研究表明,CP中形成的活性粒子会导致Mb蛋白氧化为Met-Mb,从而导致肉品的a*值下降。LUO等[28]用DBD-CP处理鲜猪里脊,发现对照组和不同处理组之间的肉类样品L*值稳定,随着处理电压的升高(50、60、70 kV),处理组的a*值呈下降趋势。WANG等[22]用DBD-CP处理牛肉饼,也发现随着处理电压的升高,a*值呈下降趋势,通过分析Oxy-Mb、Met-Mb的相对含量发现,随着处理电压的升高,Oxy-Mb含量下降而Met-Mb的相对含量增加,也就是用DBD-CP处理加速了Mb向Met-Mb红蛋白的氧化,从而导致a*值下降。CP产生的活性物质可能通过氧化Mb和破坏其化学结构而使Oxy-Mb含量降低[29]。此外,有学者研究表明脂质氧化会加速Mb的氧化,BEKHIT等[30]也发现脂质氧化产生的自由基可以氧化Mb,基于此有学者推断DBD-CP产生的自由基首先加速了脂质的氧化产生过氧化物,过氧化物又进一步氧化Mb从而改变肉品的颜色[22],也就是在CP处理肉品过程中Mb的氧化还原和脂质的氧化以一定的方式相互交织、互相影响。

在肉制品加工中,亚硝酸盐常用作发色剂,使肉制品呈现令人愉悦的色泽但人体摄入过多的亚硝酸盐会对人体健康产生不良影响。研究发现CP中的RNS可以作为肉制品中亚硝酸盐的替代物,使肉制品呈现独特的颜色。YONG等[31]将经盐水腌制过的猪肉干用CP分别处理0、20、40、60 min,并于用亚硝酸盐腌制过的猪肉干进行对比,发现用CP处理40 min的猪肉干其颜色与用亚硝酸盐腌制的猪肉干颜色相当,且两者的亚硝基血红素含量差异不显著,也就是说CP处理增加了猪肉中亚硝基血红素的含量。之前的研究表明CP中含有的RNS与Mb结合形成亚硝酸肌红蛋白,亚硝酸肌红蛋白受热后分解为球蛋白和亚硝酸肌色原,使肉品呈现稳定的红色[32-33]。

2.3 CP对肉品嫩度的影响

肉的嫩度是评价肉品品质的一个重要指标,其与肌原纤维蛋白(myofibrillar protein,MP)的含量密切相关,肉类宰后MP的降解直接影响肉的嫩度[34]。一般用剪切力和肌原纤维断裂指数(myofibril breakage index,MFI)来评价肉的嫩度,剪切力越低或者MFI值越高说明肉的嫩度越好[35]。研究表明,用DBD-CP处理肉品能使MP的结构发生改变,增加肉的嫩度。ABDEL-NAEEM等[36]研究不同载气(O2和Ar)DBD-CP处理3、5 min鸡胸肉,发现与未处理的样品相比,所有经DBD等离子体样品的剪切力值都显著降低。同时发现以Ar为载气的DBD-CP处理样品其剪切力值低于以O2为载气的样品。LUO等[28]也发现,用DBD-CP处理猪里脊肉会增加MFI值,降低剪切力值,改善其嫩度。综上,CP中含有的活性粒子(OH-、O3、H2O2)会和样品中的水发生反应造成样品的pH值降低,由于低的pH值导致MP的肌节和胶原结构发生变化而导致肉品的嫩度增加[37]。

2.4 CP对肉品风味的影响

CP除了能改善肉制品的嫩度之外,研究发现还可以增加MP与风味物质的结合能力进而改善肉品的风味。MP与风味化合物的结合能力与氨基酸侧链结构的变化有关,特别是与疏水键、分子间作用力、离子键、氢键和二硫键有关[38]。LUO等[39]用不同电压(0、50、60、70 kV)下的DBD-CP处理腊肉肌原纤维蛋白研究其对MP与风味物质结合能力的影响。研究发现随着处理电压的增加,MP与正丁醛、庚醛和辛醛等醛类化合物的结合能力也增加。罗辑[40]用DBD-CP处理蒸馏水制备了一种新型腌制液,以风干猪里脊肉为实验材料研究DBD处理对MP蛋白结构功能及产品风味变化的影响,结果表明高强度处理能促进蛋白质表面疏水性的增加,从而促进MP与风味物质的结合。已有研究证明,随着DBD-CP处理电压的增加MP的α螺旋含量减少而β折叠和无规则卷曲增加,也就是说DBD-CP处理会导致MP蛋白质结构逐渐展开,诱导MP中疏水基团的暴露从而使MP多褶皱表面积上与风味物质的结合位点增大,进而提升MP与风味物质的结合能力[41-42]。

2.5 CP对肉品pH的影响

pH值是评估肉和肉制品质量及新鲜度的关键指标。杜曼婷等[43]用不同强度DBD-CP处理宰后羊双侧背最长肌,结果发现,处理组和对照组的pH值均在贮藏3 d内下降,在5 d内显著上升,不管是上升还是下降CP处理的样品 pH 值均比未处理过的样品低。陈家盛等[44]研究DBD-CP在处理条件为50 kV、30 s时对鱿鱼冷藏过程中的品质影响,其研究结果与上述杜曼婷[43]的结果一致,即在冷藏过程中实验组的pH值均比对照组的低。在贮藏前期,一方面肌肉在宰后僵直过程中会发生糖酵解产生乳酸从而导致肌肉的pH值下降[45],另一方面CP产生的活性粒子会和样品及环境中的水发生反应产生酸性物质使样品的pH值降低[46];在贮藏后期,肌肉处于自溶和腐败阶段,微生物大量繁殖,蛋白被逐渐分解产生一些碱性物质从而导致pH值的升高。从以上分析可以看出,CP处理能使样品在贮藏过程中更好的保持样品品质。

综上,CP处理对肉品品质的影响详见表1。

表1 CP处理对肉品品质的影响Table 1 Effect of CP treatment on meat quality

3 CP在肉品杀菌保藏中的应用

肉和肉制品由于丰富的营养成分成为促进各种腐败微生物极易生长的媒介。虽然等离子体灭活微生物的机制还尚不明确,但先前有研究表明,活性物质、带电粒子、静电破坏和电穿孔都参与其中[47]。WANG 等[48]用 DBD-CP在处理电压70 kV,处理时间60、120、180、240、300 s条件下处理罗非鱼,结果发现,肠炎链球菌和单核细胞增多性乳杆菌分别减少2.34 lg CFU/g和1.69 lg CFU/g。ZHAO等[49]采用不同载气(空气和N2)等离子体处理(处理0～10 min)鸡胸肉,发现经CP处理后鸡胸肉表面微生物明显减少,且空气CP处理的灭菌效果比N2等离子体好。此外,ZHAO等[50]研究空气和N2CP对铜绿假单胞菌的灭活效果时也得出同样的结论。当用CP灭活微生物时,细胞膜的完整性被破坏,CP产生的活性物质引起微生物细胞膜的脂质过氧化进而导致细胞膜的通透性增加,细胞内溶物流失最终使微生物细胞死亡[50-51]。而空气CP产生的ROS氧化能力高于N2等离子体产生的RNS,因此空气CP的灭活效果比N2等离子体好[52]。

用CP直接对肉品进行杀菌,由于肉品的成分复杂、形状各异等因素存在灭菌不均匀的问题,随着科学技术的发展出现了CP活化水(plasma-activited water,PAW)、CP活化冰等形式。PAW是指水被CP处理后,水分子离解的产物与等离子体中的活性物质反应产生富含更多种类活性成分的水溶液。PAW作为一种新型杀菌液,具有更好的渗透性和流动性[53]。BARRALES等[54]用PAW浸泡牛肉240 s和300 s,发现鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌分别减少了5.9 lg CFU/g和4 lg CFU/g,并可以较好的保持牛肉品质。但SAMMANEE等[55]用PAW浸泡猪肉15 min,结果发现猪肉表面的肠炎沙门氏菌、鼠伤寒沙门氏菌均有所减少,但效果并不显著。此外,有研究表明,超声波技术与PAW联合处理可以增强其灭菌效果。ROYINTARAT等[56]对鸡肉使用超声波与PAW联合处理60 min,发现抑菌效果优于单独使用PAW,可能是超声波的机械效应和空化效应使鸡肉表面变得更加多孔,使得PAW可以更好的渗透,从而提高对微生物的灭活效率。

综上,CP在肉类杀菌中的应用如表2所示。

表2 CP在肉类杀菌中的应用Table 2 Application of CP in meat sterilization

4 展望

CP技术因其高效、绿色无残留、经济的特点在肉品杀菌中得到广泛的应用,但在杀菌时CP产生的ROS和RNS会造成肉品的脂质氧化、a*值下降等不利影响,但在改善肉品嫩度和风味方面具有很大研究潜力。在后面的研究中仍需对以下几个方面进行深入研究:

1)CP的工艺条件不同对肉品的脂质氧化程度不同,因此在后续的研究中应严格控制CP的工艺条件,此外,由于鸡肉的脂质含量较低,CP作用对其脂质氧化程度并不显著,有利于维持鸡肉的品质,因此CP处理在低脂质含量的肉产品中可能具有更广阔的空间。

2)对于CP处理对肉品脂质氧化带来的负面影响,现有研究发现可以通过天然抗氧化剂复合薄膜涂抹的方式和控制CP激发气体中O2的含量来改善肉品的脂质氧化程度,以后的研究中应寻找更多的方式来减缓CP诱导的脂质氧化。

3)现有研究表明,CP处理在改善肉品嫩度和风味方面具有很大的潜力,这为改善肉品品质提供了一个新的研究思路,需要对其作用机理进行深入研究,形成一套成熟的理论来指导实际应用。

4)CP直接对肉品杀菌存在杀菌不均匀的问题,而现在出现的CP活化水、活化冰等新的作用方式,因具有较好的流动性和渗透性不存在这样的问题,未来可以联合其他新型技术比如纳米技术等创新更多的CP作用方式。