低溫等離子體殺菌對肉品食用品質(zhì)的影響規(guī)律與機制研究進展

邱月,王旭驊,謝雪華,丁玉庭,呂飛

(浙江工業(yè)大學 食品科學與工程學院,浙江 杭州,310014)

生鮮肉及其制品在加工貯藏過程中極易受微生物污染而腐敗變質(zhì),引起食品安全問題。有效殺滅或抑制肉品中腐敗微生物和致病微生物的生長,對于高質(zhì)量肉品生產(chǎn)至關重要。傳統(tǒng)熱殺菌技術能有效殺滅肉品中的微生物,但高溫處理會對肉品風味、色澤、質(zhì)地和營養(yǎng)價值產(chǎn)生不利影響。非熱殺菌技術的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化對于肉品工業(yè)發(fā)展具有重要意義。低溫等離子體技術作為一種新興非熱殺菌技術,具有工作溫度低、耗時短、效率高和無污染等優(yōu)點,引起了全球眾多研究者的關注。大量研究表明,低溫等離子體對牛肉、豬肉、雞肉及其制品中的微生物具有很好的殺滅作用。然而,研究人員發(fā)現(xiàn)低溫等離子體中的活性物質(zhì)在殺菌的同時會引起肉品脂質(zhì)氧化、蛋白質(zhì)變性及感官品質(zhì)的改變。鑒于圍繞這一問題尚未有系統(tǒng)的綜述報道,本文在總結了肉品殺菌常用低溫等離子體發(fā)生方式和殺菌效果的基礎上,著重綜述了低溫等離子體殺菌處理對肉品品質(zhì)的影響規(guī)律和作用機制,并深入探討了其在肉品微生物控制領域的應用前景與研發(fā)需求,以期為低溫等離子體在肉品加工、貯藏中的進一步研究與產(chǎn)業(yè)化提供參考。

1 低溫等離子體發(fā)生設備簡介

“等離子體”是指部分或完全電離的氣體,主要由光子、離子和自由電子以及具有凈中性電荷的基態(tài)或激發(fā)態(tài)原子組成[1]。根據(jù)產(chǎn)生等離子體的條件,可以將其分為兩類,即高溫等離子體和低溫等離子體。低溫等離子體放電過程中雖然電子溫度很高,但重粒子溫度較低,整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài),也稱非平衡態(tài)等離子體。低溫等離子體發(fā)生器有多種類型,常見的有介質(zhì)阻擋放電(dielectrical barrier discharge,DBD)、大氣壓等離子體射流(atmospheric pressure plasma jet,APPJ)、電暈放電、輝光放電等。其中DBD和APPJ等離子體發(fā)生系統(tǒng)由于設備結構簡單、操作方便等優(yōu)點,在食品研究領域應用較為廣泛。DBD低溫等離子體發(fā)生系統(tǒng)由2個金屬電極組成,至少一個電極上覆蓋有絕緣介質(zhì),其優(yōu)點是能在大氣壓下快速產(chǎn)生大體積的低溫等離子體(圖1-A)。APPJ低溫等離子體發(fā)生系統(tǒng)主要由高壓電極、環(huán)形接地電極和噴嘴組成,流動的工作氣體從同軸電極間通過,在高壓作用下被電離產(chǎn)生等離子體,并持續(xù)從噴嘴中噴出(圖1-B)。APPJ的優(yōu)勢是介質(zhì)層不易過熱,且放電更加均勻穩(wěn)定。

A-DBD;B-APPJ

目前,實驗室規(guī)模的各類等離子體發(fā)生器均有商品化的設備,然而,可用于大規(guī)模生產(chǎn)的等離子體殺菌裝備開發(fā)工作仍處于起步階段。適用于食品加工表面殺菌的裝備研發(fā)相對較早,如等離子體不銹鋼旋轉(zhuǎn)刀消毒系統(tǒng)可在340 s內(nèi)將刀具表面的無害李斯特菌降低5 lgCFU,進而減少不同批次食品間的交叉污染[2]。然而,對于食品殺菌,處理通量低是制約低溫等離子體殺菌技術產(chǎn)業(yè)化的一個關鍵問題。以目前報道最多的DBD系統(tǒng)為例,設備的處理通量與電極間距呈正相關,但增加電極間距則需要更高的擊穿電壓,會導致較高的能耗和殺菌效果的下降。MISRA等[3]提出了一種通過隧道輸送實現(xiàn)肉品高通量殺菌處理的DBD系統(tǒng)模型,但至今尚未見以該模型為原型的設備面世。歐盟資助開發(fā)了一款帶有1 m長電極的DBD輸送帶系統(tǒng)——SAFEBAG[4],然而其極板間隙也僅可在1～4.5 cm內(nèi)調(diào)節(jié),生產(chǎn)效率仍然較低,且該設備為開放式,僅適用于包裝產(chǎn)品的處理。我國南京農(nóng)業(yè)大學和南京蘇曼等離子體工程研究院也創(chuàng)制了一套基于DBD的低溫等離子體冷殺菌自動化生產(chǎn)線裝備,但目前也仍處于試驗階段,正在聯(lián)合國內(nèi)裝備優(yōu)勢企業(yè)進行應用推廣(http://news.njau.edu.cn/2021/0101/c18a111912/pagem.htm)。

2 低溫等離子體殺菌機制及在肉品中的應用

2.1 低溫等離子體殺菌機制

低溫等離子體處理過程中產(chǎn)生的電場和帶電粒子也具有殺菌作用。電場的影響和帶電粒子在細胞膜上的吸附會使細胞膜去極化,并使RONS更容易破壞細胞膜導致微生物死亡[10]。等離子體產(chǎn)生的電場能通過電荷積聚使細胞膜破壞并形成孔隙,這種現(xiàn)象被稱為細胞膜的電穿孔[8],將進一步促進細胞內(nèi)容物外泄和活性物質(zhì)入侵,從而引起微生物死亡。

低溫等離子體激發(fā)過程還會產(chǎn)生具有殺菌作用的紫外線,可誘導微生物細胞蛋白質(zhì)變性失活,使DNA鏈上相鄰嘧啶間形成胸腺嘧啶二聚物,進而導致微生物死亡。此外,紫外引發(fā)的固有光子解吸(intrinsic photodesorption)可對微生物產(chǎn)生侵蝕作用,導致微生物中的化學鍵斷裂,生成小分子揮發(fā)性化合物(CO、CHx等)[11]。然而,關于低溫等離子體處理過程中產(chǎn)生的紫外強度能否起到殺菌作用存在爭議。GUO等[12]發(fā)現(xiàn),造成這種爭議的主要原因是不同研究人員使用的工作氣體不同,認為紫外線能在低溫等離子體處理中起到滅菌作用的研究者通常使用N2/O2氣體混合物作為工作氣體,得出相反實驗結果的報道中則多使用純O2、He/O2混合氣體或空氣作為工作氣體,這可能和不同的氣體原子在激發(fā)過程中釋放的能量不同,從而引發(fā)的紫外輻照劑量不同有關。

2.2 低溫等離子體在肉品中的殺菌效果與影響因素

低溫等離子體處理被廣泛用于抑制肉品中微生物的生長繁殖。許多研究表明低溫等離子體處理對肉和肉制品中的李斯特菌、大腸桿菌、熒光假單胞菌、熱殺索絲菌等致病菌和腐敗菌均有較好的殺滅作用[13-14]。然而,不同微生物對低溫等離子體處理的敏感度存在差異。多數(shù)研究表明,革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌對等離子體處理有更高的耐受性[9],但也有研究者得到了相反的結論[15],原因可能有2個方面,一是不同的研究選用的等離子體發(fā)生裝置和處理條件不同,二是所用目標微生物的菌株和生長條件各異。

低溫等離子體殺菌效果除受微生物種類影響外,還與裝置功率、處理時間、工作氣體種類、工作溫度等因素密切相關。處理電壓和處理時間與殺菌效果通常呈正相關,這主要得益于高濃度活性物質(zhì)的產(chǎn)生及其與樣品的充分作用。ZHANG等[16]發(fā)現(xiàn),處理電壓為50、60、70 kV時,雞腿的貨架期分別為5、10、13 d。YONG等[17]研究表明,低溫等離子體處理5 min可使雞胸肉中的大腸桿菌數(shù)量降低1.14 lg CFU/g,而將處理時間延長到10 min,大腸桿菌數(shù)量可降低1.76 lg CFU/g。工作氣體組分和比例也是影響殺菌效果的重要因素。KIM等[15]發(fā)現(xiàn),與單一使用He作為工作氣體相比,使用He+0.3%(體積分數(shù))O2能產(chǎn)生ROS,從而分別使豬里脊中的李斯特菌和大腸桿菌的最大殺菌數(shù)量增加0.24、0.19 lg CFU/g。然而,另一項研究表明,在He中加入1%O2作為工作氣體,殺菌效果優(yōu)于添加4%或7%O2的處理組,即殺菌效果與O2濃度并非呈正相關,作者推測高濃度的He有利于促進電子碰撞,增加ROS生成量,從而提高抑菌效果[18]。就目前的研究結果,何種氣體組成和比例最適于肉品殺菌尚未有較為統(tǒng)一的結論。此外,工作溫度也是一個不可忽視的因素。等離子體處理過程中,環(huán)境溫度會不可避免地因放電產(chǎn)生的熱效應而升高。研究表明,過高的溫度不利于O3的產(chǎn)生,從而使殺菌效果下降[19],高溫還會對食品品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。因而,應盡量選擇發(fā)熱較低的電極材料,如不銹鋼[20],或為設備配置冷卻系統(tǒng)。

低溫等離子體的穿透性有限,難以有效消除食品內(nèi)部的微生物和酶,故通常被作為一種表面殺菌技術,因此,被處理食品的形狀會對殺菌保鮮效果產(chǎn)生較大影響。KIM等[21]研究了低溫等離子體聯(lián)合微波對紅辣椒的殺菌效果,結果發(fā)現(xiàn)當樣品表面積體積比從70 cm-1增加到76 cm-1,蠟樣芽孢桿菌滅活量從0.8 lg CFU/cm2提高到了1.4 lg CFU/cm2。然而,肉品中鮮有類似研究,推測這是由于一般認為鮮肉內(nèi)部為無菌狀態(tài),而表面積體積比增加雖有利于增加等離子體處理的接觸面積提高殺菌效果,但同時也增加了肉品與環(huán)境微生物污染的接觸程度。在檢索到的唯一一項相關研究中,對于面積體積比為2.7～4.0 cm-1的雞胸肉,低溫等離子體處理后的微生物滅活量并無顯著差異[22]。相比之下,翻面處理可能是更為有效的策略,研究發(fā)現(xiàn),將雞胸肉兩面分別用低溫等離子體處理2.5 min,相比單面處理5 min滅活菌量可提高0.3 lg CFU/g[17]。事實上,屠宰過程中微生物可經(jīng)血液、淋巴循環(huán)系統(tǒng)造成肉品內(nèi)部污染,且有研究證實肉品內(nèi)部的微生物數(shù)量較表面低但生長速度更快[23]。一些醫(yī)學領域的研究顯示,氣相等離子體對皮膚的穿透性僅為2 mm左右,但能夠在組織內(nèi)誘導ROS的生成[24],而液相等離子體(即等離子體活化水)中的活性粒子能夠通過細胞間隙穿透動物皮膚組織[25]。這些研究成果或許能為肉品殺菌保鮮中這一問題提供新的解決思路,但有限的穿透性仍然是等離子體產(chǎn)業(yè)化應用面臨的一大挑戰(zhàn)。

3 低溫等離子體殺菌處理對肉品食用品質(zhì)的影響

3.1 低溫等離子體殺菌處理對肉品色澤的影響

色澤是評價肉品品質(zhì)的重要指標,低溫等離子體殺菌處理對不同肉品色澤的影響已有較多報道。多數(shù)研究表明,低溫等離子體處理會使肉的a*值降低,但對L*值和b*值無顯著影響。JAYASENA等[26]發(fā)現(xiàn)低溫等離子氣體處理對豬背最長肌、豬臀肉和牛里脊肉的L*值和b*值無顯著影響,但必須合理控制處理時間,否則會導致肉品a*值顯著下降。HUANG等[27]和LUO等[28]也分別在豬背最長肌(第2肋骨到最后一個腰椎處)和豬背最長肌(第8胸椎處)內(nèi)得到了類似的結果。然而,也有不同的研究結論。一些報道表明低溫等離子體處理會使肉品的L*值和b*值發(fā)生顯著改變,如王晨等[29]發(fā)現(xiàn)不同條件低溫等離子體處理鹽水鴨后,L*值比對照組均有升高,最多增加了2.43;LEE等[30]在用不同條件等離子體處理雞胸肉時也發(fā)現(xiàn)了L*值的上升,最高為26.40;KIM等[31]發(fā)現(xiàn)使用低溫等離子體處理培根會使其L*值降低,最多為2.74;杜曼婷等[32]的報道顯示,低溫等離子體處理不同時間的羊肉b*值均小于未處理組。此外,還有研究表明低溫等離子體處理對牛肉、豬肉、羊肉和雞胸肉的色澤基本沒有影響[33]。

3.2 低溫等離子體殺菌處理對肉品嫩度的影響

嫩度也是消費者選擇肉品的關鍵指標之一,它反映了肉品食用的柔軟程度、易咀嚼性和多汁性。剪切力常被用于評價肉品嫩度。多數(shù)研究表明低溫等離子體處理可降低肉品剪切力,提高嫩度和口感,如章建浩等[37]、LUO等[28]與ABDEL-NAEEM等[38]分別使用牛肉、豬肉和雞肉得到的結果;但也有研究表明等離子體處理不影響羊肉的剪切力[32];一項使用等離子體活化水殺菌的報道顯示處理后牛肉的剪切力提高[39]。這種差異可能是樣品和處理條件不同造成的,但確切機制仍不明確。硬度也能較好地反映肉品嫩度,硬度高意味著肉品質(zhì)地硬、水分含量低,不易咀嚼。喬維維[40]發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理后的牛肉硬度顯著低于未處理組,但也有研究表明等離子體處理對肉品硬度無顯著影響[41],或是會提高肉品硬度[42]。

3.3 低溫等離子體殺菌處理對肉品風味的影響

肉品風味也是影響消費者選購的重要品質(zhì)指標。研究表明適當強度的低溫等離子體處理可改善肉品的風味,但處理強度過高則可能造成不利影響。低溫等離子體處理主要通過改變?nèi)馄分写碱悺⑷╊惡王ヮ惖葥]發(fā)性風味物質(zhì)的組成和濃度影響肉品風味。LI等[43]發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理6 min,肉丸中的醇類(3-甲基-1-戊醇)和醛類(壬醛、苯甲醛)濃度提高,使得肉丸產(chǎn)生良好風味;但當處理時間為9 min時,醛類(癸醛、反-2-壬烯醛、苯乙醛、苯甲醛)和酯類(異丁酸甲酯)含量相比6 min處理組大幅提高,此時肉丸出現(xiàn)明顯異味。羅輯[36]發(fā)現(xiàn)等離子體活化水處理的風干里脊肉中醇類(3-甲基丁醇)和醛類(癸醛)含量相比對照組顯著改變,感官評分明顯提升。王晨等[29]通過電子鼻發(fā)現(xiàn),隨著等離子體處理電壓的升高,鹽水鴨中烷烴、含硫化合物、芳香化合物含量的第一主成分與對照組差異逐漸增大,導致鹽水鴨感官評分降低。

4 低溫等離子體殺菌影響肉品品質(zhì)的作用機制解析

4.1 低溫等離子體對肉品蛋白質(zhì)的影響與作用機理

大量研究證實了低溫等離子體處理對蛋白質(zhì)結構的影響。低溫等離子體殺菌可造成蛋白質(zhì)一級結構的改變。例如,LUO等[44]用等離子體處理培根肌原纖維蛋白溶液發(fā)現(xiàn),電壓為50 kV時,各類游離氨基酸濃度下降,而60 kV或70 kV處理則會使各類游離氨基酸濃度上升。低溫等離子體處理對蛋白質(zhì)的二級結構也有影響,通常表現(xiàn)為α-螺旋展開,β-折疊生成,無規(guī)卷曲增加[44],以及蛋白質(zhì)側鏈的化學修飾[45]。EKEZIE等[46]和LUO等[44]的研究表明,等離子體處理時間和電壓與處理后蛋白質(zhì)二級結構變化呈正相關。TAKAI等[45]則發(fā)現(xiàn),等離子體中的活性物質(zhì)可以引起蛋白質(zhì)側鏈的化學修飾,從而導致蛋白質(zhì)二級結構被破壞。隨著蛋白質(zhì)一級和二級結構的變化,蛋白質(zhì)三級結構也會發(fā)生改變。CHENG等[47]的研究顯示,低溫等離子體處理使氧合肌紅蛋白內(nèi)部的酪氨酸和色氨酸暴露,三級結構幾乎完全被破壞。

RONS是低溫等離子體影響蛋白質(zhì)結構與性質(zhì)的主要因素,其作用方式主要有2個方面,一是通過鏈式反應促進蛋白質(zhì)氧化,導致蛋白質(zhì)碎片化、展開、構象變化或交聯(lián)聚集等[48],進而影響蛋白質(zhì)功能。二是與氨基酸反應,RONS與不同結構的氨基酸的反應可分為四類:a)酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸中芳香環(huán)的羥基化和硝化;b)半胱氨酸中巰基的磺化和二硫鍵的形成;c)蛋氨酸的亞砜化;d)組氨酸和脯氨酸五元環(huán)的酰胺化和開環(huán)。其中,ROS如1O2、O3等主要引起氨基酸中的芳基和側鏈羥基化,芳香族氨基酸殘基的硝化,巰基的亞硝基化,蛋氨酸殘基的亞砜化以及組氨酸的開環(huán);RNS如N、N2等則主要引起苯丙氨酸、酪氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸的硝化和氧化,生成如(TYR-H+2O+N)H+、(TYR-H+3O+N)H+、(PHE-H+3O+N)H+等含N的氧化產(chǎn)物。ZHOU等[49]報道,低溫等離子體活性物質(zhì)與不同氨基酸反應的順序為含硫氨基酸>芳香氨基酸>五元環(huán)氨基酸>堿性碳鏈氨基酸。研究者還發(fā)現(xiàn)蛋氨酸是最容易受到RONS影響的一種[50]。氨基酸不僅是蛋白質(zhì)一級結構的基礎,也參與二三級結構的構建,因此,氨基酸改變也會導致蛋白質(zhì)二、三級結構發(fā)生變化,進而影響蛋白質(zhì)的各項功能特性。此外,低溫等離子體處理產(chǎn)生的RNS可與肉品中水分反應生成酸性物質(zhì)造成pH下降,進而導致蛋白質(zhì)變性[39]。

低溫等離子體處理過程中的電場和紫外也會影響肉品中的蛋白質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)電場可為活性自由基提供電子從而降低自由基對肉品中蛋白質(zhì)電子的攻擊,進而降低肉品中蛋白質(zhì)的氧化速率[51]。研究者還發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理所激發(fā)出的波長小于250 nm的紫外光可以破壞蛋白質(zhì)的二級結構、酰胺鍵和側鏈[52]。

4.2 低溫等離子體對肉品脂質(zhì)的影響與作用機理

目前,普遍認為低溫等離子體處理會促進肉品脂質(zhì)氧化,這一點已在新鮮羊肉、豬里脊、干腌牛肉、牛肉餅、鹽水鴨等多種肉品中被證明[27,29,53],但也有研究者得到了相反的結論。MOUTIQ等[54]和LEE等[30]發(fā)現(xiàn),與處理豬肉的結果不同,低溫等離子體對雞肉脂質(zhì)氧程度無顯著影響,并認為主要原因是雞肉中脂質(zhì)含量較低。JAYASENA等[26]認為等離子體對肉品的脂質(zhì)氧化作用取決于處理時間,僅當處理時間超過10 min時,豬肉與牛肉的脂質(zhì)氧化程度顯著高于未處理組。KIM等[15]發(fā)現(xiàn),相比單獨使用He,以HE+O2作為等離子體工作氣體,豬里脊肉的硫代巴比妥酸反應物含量提高了25.80%。以上研究表明,等離子體處理對肉品脂質(zhì)的氧化作用受到許多因素影響,應選擇合適的處理條件平衡殺菌效果和肉品品質(zhì)。

與蛋白質(zhì)類似,等離子體處理產(chǎn)生的電場和紫外線也會影響肉品脂質(zhì)氧化。通過為自由基提供電子,電場可以降低脂質(zhì)氧化速率[51],而紫外會加快引發(fā)鏈式反應的自由基的生成,加速脂質(zhì)氧化[57]。

4.3 低溫等離子體誘導的肉品脂質(zhì)與蛋白氧化及相互促進作用

除了低溫等離子體處理的直接氧化作用外,脂質(zhì)和蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物之間還存在相互促氧化作用。研究發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理導致的蛋白質(zhì)氧化會促進脂質(zhì)的氧化,例如等離子體處理會加快金槍魚中的肌紅蛋白分解,而形成的分解產(chǎn)物會促進魚肉中脂質(zhì)的氧化[58],推測可能的原因是當肌紅蛋白被破壞時,鐵離子會從血紅素的卟啉環(huán)中脫落,進而對肉品中的脂質(zhì)氧化起到促進作用[59]。

低溫等離子體引起的脂質(zhì)氧化對蛋白質(zhì)氧化的促進作用也值得關注。雖尚未有研究報道等離子體處理過程中脂質(zhì)氧化對蛋白質(zhì)的影響,但肉品中脂質(zhì)氧化對蛋白氧化的促進作用已被廣泛證實。例如豬肉不飽和脂肪酸氧化產(chǎn)生的部分醛、酮和醇被發(fā)現(xiàn)可與蛋白質(zhì)中的特定氨基酸殘基以共價/非共價形式結合,進而促進蛋白質(zhì)分解[60]。作用機制包括2個方面,一是脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的自由基或氫過氧化物等攻擊蛋白質(zhì)的敏感氨基酸側鏈,誘發(fā)或加速蛋白氧化;二是脂質(zhì)氧化產(chǎn)物可直接與蛋白質(zhì)發(fā)生反應介導蛋白氧化[61]。

與低溫等離子體產(chǎn)生的短壽命RONS不同,蛋白質(zhì)與脂質(zhì)氧化之間的互相促進的作用可以在較長的貯藏期內(nèi)持續(xù)導致肉品的氧化劣變,因此,在實際應用中需關注這種相互作用。

4.4 低溫等離子體處理影響肉品色澤、嫩度和風味的作用機制

4.4.1 低溫等離子體處理影響肉品色澤的作用機制

肉品中蛋白質(zhì)結構改變導致的持水性變化可通過改變光反射對肉品的L*值產(chǎn)生影響[29]。低強度的等離子體處理引起的肉品蛋白質(zhì)三級結構改變會導致蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團暴露,增加蛋白質(zhì)疏水性,造成肉品持水力下降[28];但隨著處理時間延長或處理功率的提高,裸露的蛋白質(zhì)疏水基團數(shù)量持續(xù)增加,并在疏水相互作用下互相接近,進而促進蛋白質(zhì)之間氫鍵的形成,最終形成蛋白質(zhì)聚集體使其親水性提高[62],進而提升肉品持水力和L*值。LUO等[28]通過豬背最長肌肌原纖維蛋白粒徑隨等離子體處理功率的升高而變大的現(xiàn)象證實了等離子體處理的這種蛋白質(zhì)聚集效應。

肉品的b*值的變化則主要是由脂質(zhì)氧化引起的。低溫等離子體處理通常會引起肉品中的脂質(zhì)氧化,進而造成肉品b*值升高,使肉色泛黃[61]。

a*值的變化主要與肉品中肌紅蛋白在RONS作用下的變化有關[36]。通常認為ROS可以引起氧合肌紅蛋白(oxymyoglobin)(圖2-A)氧化,生成褐色的高鐵肌紅蛋白(metmyoglobin)(圖2-B),使肉品a*值降低[28];而低溫等離子體處理中產(chǎn)生的RNS可破壞肌紅蛋白內(nèi)部的卟啉環(huán)或與肌紅蛋白反應生成綠色的硝基肌紅蛋白(nitri-myoglobin)(圖2-C),從而加速肉品a*值降低[47]。然而,近年來越來越多的研究發(fā)現(xiàn),對于水分含量較高的肉品,或采用等離子體活化水間接處理,反而有助于肉品a*值的保持[34],其作用機制為RNS與H2O反應生成硝酸和亞硝酸根可氧化肌紅蛋白(myoglobin)生成高鐵肌紅蛋白(圖2-B)并將自身還原為NO,之后血紅素鐵可以與NO配位結合,并在亞硝酸的作用下發(fā)生還原反應重新變?yōu)槎r鐵生成粉紅色且穩(wěn)定性較高亞硝基肌紅蛋白(nitroso-myoglobin)(圖2-D)[36,63]使肉品在較長時間保持紅色[36],故低溫等離子體已被研究者嘗試作為一種亞硝酸鹽/硝酸鹽替代策略用于肉品的發(fā)色。

A-氧合肌紅蛋白;B-高鐵肌紅蛋白;C-硝基肌紅蛋白;D-亞硝基肌紅蛋白[47,64]

圖3 低溫等離子體對肉制品的影響

4.4.2 低溫等離子體處理影響肉品嫩度的作用機制

低溫等離子體處理對肉品中蛋白——尤其是肌原纖維蛋白結構的影響,被認為是造成肉制品嫩度變化的主要原因。通常認為低溫等離子體可以破壞肉品中的蛋白尤其是肌原纖維蛋白結構,從而降低肉品的剪切力,提高肉品的嫩度,增強肉品口感[40];但也有研究者認為低溫等離子體的氧化作用對酶活性的影響對肉品的嫩度起到重要作用[39];RONS造成的pH變化,也可通過影響蛋白質(zhì)的相互結合或酶的活性,對肉品的剪切力產(chǎn)生間接影響。此外,4.4.1節(jié)中提及的蛋白質(zhì)親水性改變引起的肉品持水力的變化也會影響肉品的嫩度[38]。

4.4.3 低溫等離子體處理影響肉品風味的作用機制

肉品的風味變化主要是肉品中脂質(zhì)氧化和蛋白質(zhì)分解所產(chǎn)生的醇、酮、醛等風味物質(zhì)的組成和含量變化造成的。蛋白質(zhì)中的氨基酸氧化分解會生成苯甲醛等風味物質(zhì)[43]。脂質(zhì)氧化產(chǎn)物如醛、酮等許多都變?yōu)榱孙L味化合物,部分脂質(zhì)的氧化產(chǎn)物會散發(fā)出肉品特有的香味如壬醛、苯甲醛等,但也有不少會散發(fā)出較為惡劣的氣味如己醛、戊醛和2,4-癸二烯醛等,這會影響肉品的品質(zhì)。

此外,肉品蛋白質(zhì)結構的改變也會造成其和風味物質(zhì)的結合能力發(fā)生變化,從而影響肉品的風味[28]。ZHANG等[60]發(fā)現(xiàn)不同的低溫等離子體處理造成的蛋白質(zhì)二、三級結構的變化會導致蛋白質(zhì)產(chǎn)生新的風味化合物的結合位點,或是使原本的結合位點消失,進而改變蛋白質(zhì)和風味化合物的結合能力。LUO等[28]認為這種結合能力的改變與蛋白質(zhì)展開和聚集造成的結構和表面積變化有關。

5 總結與展望

低溫等離子體作為一種高效、無殘留的新型冷殺菌處理技術,對于肉品保鮮(尤其是生鮮肉)極具應用潛力。然而,迄今為止該技術在產(chǎn)業(yè)化進程中仍面臨一些問題和局限性。首先,低溫等離子體殺菌處理后肉品品質(zhì)的變化受到包括肉品類型、等離子體發(fā)生裝置、工作氣體類型、處理功率和時間、處理方式(直接處理、等離子體活化水處理)等多種因素的影響,這些因素的差異甚至會導致截然不同的效果,實際應用時必須針對特定的設備和產(chǎn)品類型進行單獨的處理工藝優(yōu)化,并且影響品質(zhì)的作用機理也有待進一步明確。其次,肉品在流通過程中通常會采用不同的包裝形式,等離子體設備的優(yōu)勢使其能夠直接用于包裝內(nèi)肉品的處理,但必須充分考慮包裝材料的選擇和包裝內(nèi)氣體成分的組成對等離子體處理效果的影響,包裝材料應具備足夠的穩(wěn)定性,避免在處理后發(fā)生材料成分遷移或破損。此外,低溫等離子體商業(yè)化殺菌設備的研制和開發(fā)工作也亟待推進,尤其是能夠適應實際生產(chǎn)的高通量處理設備。

綜上所述,作為一種新興肉品殺菌保鮮技術,低溫等離子體極具應用潛力。然而,距離實際應用仍有許多問題有待解決。根據(jù)已有文獻報道總結,未來研究者可從以下幾個方面展開相關工作:a)系統(tǒng)研究等離子體處理條件對食品品質(zhì)的影響:包括電壓、功率、時間、方式、次數(shù)等處理因素,以及水分、蛋白質(zhì)含量、脂質(zhì)含量等產(chǎn)品因素。b)處理后的包裝、貯藏條件:由于脂肪氧化和蛋白質(zhì)是持續(xù)的鏈式反應,低溫等離子體處理結束后,由處理帶來的氧化仍會持續(xù)進行,因此有必要對處理后的包裝、貯藏條件進行優(yōu)化。c)具有較高處理通量的低溫等離子體的工業(yè)化設備開發(fā)。