生鲜肉及其制品在加工贮藏过程中极易受微生物污染而腐败变质,引起食品安全问题。有效杀灭或抑制肉品中腐败微生物和致病微生物的生长,对于高质量肉品生产至关重要。传统热杀菌技术能有效杀灭肉品中的微生物,但高温处理会对肉品风味、色泽、质地和营养价值产生不利影响。非热杀菌技术的开发与产业化对于肉品工业发展具有重要意义。低温等离子体技术作为一种新兴非热杀菌技术,具有工作温度低、耗时短、效率高和无污染等优点,引起了全球众多研究者的关注。大量研究表明,低温等离子体对牛肉、猪肉、鸡肉及其制品中的微生物具有很好的杀灭作用。然而,研究人员发现低温等离子体中的活性物质在杀菌的同时会引起肉品脂质氧化、蛋白质变性及感官品质的改变。鉴于围绕这一问题尚未有系统的综述报道,本文在总结了肉品杀菌常用低温等离子体发生方式和杀菌效果的基础上,着重综述了低温等离子体杀菌处理对肉品品质的影响规律和作用机制,并深入探讨了其在肉品微生物控制领域的应用前景与研发需求,以期为低温等离子体在肉品加工、贮藏中的进一步研究与产业化提供参考。
1 低温等离子体发生设备简介
“等离子体”是指部分或完全电离的气体,主要由光子、离子和自由电子以及具有净中性电荷的基态或激发态原子组成[1]。根据产生等离子体的条件,可以将其分为两类,即高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体放电过程中虽然电子温度很高,但重粒子温度较低,整个体系呈现低温状态,也称非平衡态等离子体。低温等离子体发生器有多种类型,常见的有介质阻挡放电(dielectrical barrier discharge,DBD)、大气压等离子体射流(atmospheric pressure plasma jet,APPJ)、电晕放电、辉光放电等。其中DBD和APPJ等离子体发生系统由于设备结构简单、操作方便等优点,在食品研究领域应用较为广泛。DBD低温等离子体发生系统由2个金属电极组成,至少一个电极上覆盖有绝缘介质,其优点是能在大气压下快速产生大体积的低温等离子体(图1-A)。APPJ低温等离子体发生系统主要由高压电极、环形接地电极和喷嘴组成,流动的工作气体从同轴电极间通过,在高压作用下被电离产生等离子体,并持续从喷嘴中喷出(图1-B)。APPJ的优势是介质层不易过热,且放电更加均匀稳定。
A-DBD;B-APPJ
图1 DBD、APPJ示意图
Fig.1 Schematic diagram of DBD and APPJ
目前,实验室规模的各类等离子体发生器均有商品化的设备,然而,可用于大规模生产的等离子体杀菌装备开发工作仍处于起步阶段。适用于食品加工表面杀菌的装备研发相对较早,如等离子体不锈钢旋转刀消毒系统可在340 s内将刀具表面的无害李斯特菌降低5 lgCFU,进而减少不同批次食品间的交叉污染[2]。然而,对于食品杀菌,处理通量低是制约低温等离子体杀菌技术产业化的一个关键问题。以目前报道最多的DBD系统为例,设备的处理通量与电极间距呈正相关,但增加电极间距则需要更高的击穿电压,会导致较高的能耗和杀菌效果的下降。MISRA等[3]提出了一种通过隧道输送实现肉品高通量杀菌处理的DBD系统模型,但至今尚未见以该模型为原型的设备面世。欧盟资助开发了一款带有1 m长电极的DBD输送带系统——SAFEBAG[4],然而其极板间隙也仅可在1～4.5 cm内调节,生产效率仍然较低,且该设备为开放式,仅适用于包装产品的处理。我国南京农业大学和南京苏曼等离子体工程研究院也创制了一套基于DBD的低温等离子体冷杀菌自动化生产线装备,但目前也仍处于试验阶段,正在联合国内装备优势企业进行应用推广(http://news.njau.edu.cn/2021/0101/c18a111912/pagem.htm)。
2 低温等离子体杀菌机制及在肉品中的应用
2.1 低温等离子体杀菌机制
低温等离子体能有效灭活食品中常见的各类真菌、细菌及其芽孢,这依赖于处理过程中产生的活性物质、电场和紫外线的协同作用。其中,活性物质被认为是低温等离子体杀菌的主要作用因素。根据载气的不同,低温等离子体中的活性物质也不完全相同。空气是最常见的载气,其产生的等离子体活性物质主要为活性氧氮化物(reactive oxygen nitrogen species,RONS),包括活性氧(reactive oxygen species,ROS,主要有氧原子O、单线态氧1O2、超氧阴离子
臭氧O3等)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS主要有氮原子N、激发态氮N2、一氧化氮自由基NO·等)。如果载气中混入He气体,活性物质还会有He+等,它的存在有助于ROS等的生成[5]。在应用于食品处理时,这些活性物质还会与食品中的水分反应进而产生H2O+、羟自由基(OH·、OOH·)、H2O2、HNO3、N2O-等活性物质[6]。等离子体活性物质主要通过破坏细胞壁与细胞膜完整性、分解细胞内部大分子物质、引起代谢相关酶失活起到杀菌作用。活性物质对细胞壁肽聚糖[7]、细胞膜蛋白和磷脂[8]等成分的氧化作用可引起微生物细胞壁与细胞膜结构完整性破坏、通透性改变,甚至导致微生物裂解死亡;活性物质还可穿过细胞膜造成DNA碎片化和泄漏,干扰细胞遗传[9];同时,引起胞内蛋白质裂解及酶的变性失活,使细胞正常生理代谢难以为继,例如等离子体处理产生的H2O2等可造成Na/K-ATP酶和苹果酸脱氢酶的结构改变、活性丧失,从而杀灭李斯特菌和沙门氏菌[9]。
低温等离子体处理过程中产生的电场和带电粒子也具有杀菌作用。电场的影响和带电粒子在细胞膜上的吸附会使细胞膜去极化,并使RONS更容易破坏细胞膜导致微生物死亡[10]。等离子体产生的电场能通过电荷积聚使细胞膜破坏并形成孔隙,这种现象被称为细胞膜的电穿孔[8],将进一步促进细胞内容物外泄和活性物质入侵,从而引起微生物死亡。
低温等离子体激发过程还会产生具有杀菌作用的紫外线,可诱导微生物细胞蛋白质变性失活,使DNA链上相邻嘧啶间形成胸腺嘧啶二聚物,进而导致微生物死亡。此外,紫外引发的固有光子解吸(intrinsic photodesorption)可对微生物产生侵蚀作用,导致微生物中的化学键断裂,生成小分子挥发性化合物(CO、CHx等)[11]。然而,关于低温等离子体处理过程中产生的紫外强度能否起到杀菌作用存在争议。GUO等[12]发现,造成这种争议的主要原因是不同研究人员使用的工作气体不同,认为紫外线能在低温等离子体处理中起到灭菌作用的研究者通常使用N2/O2气体混合物作为工作气体,得出相反实验结果的报道中则多使用纯O2、He/O2混合气体或空气作为工作气体,这可能和不同的气体原子在激发过程中释放的能量不同,从而引发的紫外辐照剂量不同有关。
2.2 低温等离子体在肉品中的杀菌效果与影响因素
低温等离子体处理被广泛用于抑制肉品中微生物的生长繁殖。许多研究表明低温等离子体处理对肉和肉制品中的李斯特菌、大肠杆菌、荧光假单胞菌、热杀索丝菌等致病菌和腐败菌均有较好的杀灭作用[13-14]。然而,不同微生物对低温等离子体处理的敏感度存在差异。多数研究表明,革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对等离子体处理有更高的耐受性[9],但也有研究者得到了相反的结论[15],原因可能有2个方面,一是不同的研究选用的等离子体发生装置和处理条件不同,二是所用目标微生物的菌株和生长条件各异。
低温等离子体杀菌效果除受微生物种类影响外,还与装置功率、处理时间、工作气体种类、工作温度等因素密切相关。处理电压和处理时间与杀菌效果通常呈正相关,这主要得益于高浓度活性物质的产生及其与样品的充分作用。ZHANG等[16]发现,处理电压为50、60、70 kV时,鸡腿的货架期分别为5、10、13 d。YONG等[17]研究表明,低温等离子体处理5 min可使鸡胸肉中的大肠杆菌数量降低1.14 lg CFU/g,而将处理时间延长到10 min,大肠杆菌数量可降低1.76 lg CFU/g。工作气体组分和比例也是影响杀菌效果的重要因素。KIM等[15]发现,与单一使用He作为工作气体相比,使用He+0.3%(体积分数)O2能产生ROS,从而分别使猪里脊中的李斯特菌和大肠杆菌的最大杀菌数量增加0.24、0.19 lg CFU/g。然而,另一项研究表明,在He中加入1%O2作为工作气体,杀菌效果优于添加4%或7%O2的处理组,即杀菌效果与O2浓度并非呈正相关,作者推测高浓度的He有利于促进电子碰撞,增加ROS生成量,从而提高抑菌效果[18]。就目前的研究结果,何种气体组成和比例最适于肉品杀菌尚未有较为统一的结论。此外,工作温度也是一个不可忽视的因素。等离子体处理过程中,环境温度会不可避免地因放电产生的热效应而升高。研究表明,过高的温度不利于O3的产生,从而使杀菌效果下降[19],高温还会对食品品质产生不利影响。因而,应尽量选择发热较低的电极材料,如不锈钢[20],或为设备配置冷却系统。
低温等离子体的穿透性有限,难以有效消除食品内部的微生物和酶,故通常被作为一种表面杀菌技术,因此,被处理食品的形状会对杀菌保鲜效果产生较大影响。KIM等[21]研究了低温等离子体联合微波对红辣椒的杀菌效果,结果发现当样品表面积体积比从70 cm-1增加到76 cm-1,蜡样芽孢杆菌灭活量从0.8 lg CFU/cm2提高到了1.4 lg CFU/cm2。然而,肉品中鲜有类似研究,推测这是由于一般认为鲜肉内部为无菌状态,而表面积体积比增加虽有利于增加等离子体处理的接触面积提高杀菌效果,但同时也增加了肉品与环境微生物污染的接触程度。在检索到的唯一一项相关研究中,对于面积体积比为2.7～4.0 cm-1的鸡胸肉,低温等离子体处理后的微生物灭活量并无显著差异[22]。相比之下,翻面处理可能是更为有效的策略,研究发现,将鸡胸肉两面分别用低温等离子体处理2.5 min,相比单面处理5 min灭活菌量可提高0.3 lg CFU/g[17]。事实上,屠宰过程中微生物可经血液、淋巴循环系统造成肉品内部污染,且有研究证实肉品内部的微生物数量较表面低但生长速度更快[23]。一些医学领域的研究显示,气相等离子体对皮肤的穿透性仅为2 mm左右,但能够在组织内诱导ROS的生成[24],而液相等离子体(即等离子体活化水)中的活性粒子能够通过细胞间隙穿透动物皮肤组织[25]。这些研究成果或许能为肉品杀菌保鲜中这一问题提供新的解决思路,但有限的穿透性仍然是等离子体产业化应用面临的一大挑战。
3 低温等离子体杀菌处理对肉品食用品质的影响
3.1 低温等离子体杀菌处理对肉品色泽的影响
色泽是评价肉品品质的重要指标,低温等离子体杀菌处理对不同肉品色泽的影响已有较多报道。多数研究表明,低温等离子体处理会使肉的a*值降低,但对L*值和b*值无显著影响。JAYASENA等[26]发现低温等离子气体处理对猪背最长肌、猪臀肉和牛里脊肉的L*值和b*值无显著影响,但必须合理控制处理时间,否则会导致肉品a*值显著下降。HUANG等[27]和LUO等[28]也分别在猪背最长肌(第2肋骨到最后一个腰椎处)和猪背最长肌(第8胸椎处)内得到了类似的结果。然而,也有不同的研究结论。一些报道表明低温等离子体处理会使肉品的L*值和b*值发生显著改变,如王晨等[29]发现不同条件低温等离子体处理盐水鸭后,L*值比对照组均有升高,最多增加了2.43;LEE等[30]在用不同条件等离子体处理鸡胸肉时也发现了L*值的上升,最高为26.40;KIM等[31]发现使用低温等离子体处理培根会使其L*值降低,最多为2.74;杜曼婷等[32]的报道显示,低温等离子体处理不同时间的羊肉b*值均小于未处理组。此外,还有研究表明低温等离子体处理对牛肉、猪肉、羊肉和鸡胸肉的色泽基本没有影响[33]。
有趣的是,一些研究者观察到等离子体处理后红肉a*值的上升,对比发现这些研究中被处理的肉品通常具有较高的含水量,如JO等[34]和JUNG等[35]的研究中,低温等离子处理的猪肉肠和肉糜a*值显著上升,作者认为这与2种肉制品加工过程中水的添加有关。此外,使用等离子体活化水对肉品进行杀菌处理也能观察到肉品a*值的提升。罗辑[36]发现,低温等离子活化水处理后,风干猪里脊a*值增加。等离子体产生的RNS被证实是其产生发色作用的关键物质,尤其是NO以及溶解于水中后生成的长寿命
和
这也是样品水分含量会对处理后a*值变化产生决定性作用的原因。由于
和
能起到与硝酸盐或亚硝酸盐添加剂类似的效果,因而,近年来低温等离子体已被作为亚硝酸盐替代策略用于肉制品发色[34]。然而,这方面的研究尚处于起步阶段,如何平衡等离子体发色作用及其对肉品中脂质等成分的氧化作用,以及等离子体处理是否会造成食品安全隐患等问题,都需要更为深入的探索。
3.2 低温等离子体杀菌处理对肉品嫩度的影响
嫩度也是消费者选择肉品的关键指标之一,它反映了肉品食用的柔软程度、易咀嚼性和多汁性。剪切力常被用于评价肉品嫩度。多数研究表明低温等离子体处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]与ABDEL-NAEEM等[38]分别使用牛肉、猪肉和鸡肉得到的结果;但也有研究表明等离子体处理不影响羊肉的剪切力[32];一项使用等离子体活化水杀菌的报道显示处理后牛肉的剪切力提高[39]。这种差异可能是样品和处理条件不同造成的,但确切机制仍不明确。硬度也能较好地反映肉品嫩度,硬度高意味着肉品质地硬、水分含量低,不易咀嚼。乔维维[40]发现低温等离子体处理后的牛肉硬度显著低于未处理组,但也有研究表明等离子体处理对肉品硬度无显著影响[41],或是会提高肉品硬度[42]。
3.3 低温等离子体杀菌处理对肉品风味的影响
肉品风味也是影响消费者选购的重要品质指标。研究表明适当强度的低温等离子体处理可改善肉品的风味,但处理强度过高则可能造成不利影响。低温等离子体处理主要通过改变肉品中醇类、醛类和酯类等挥发性风味物质的组成和浓度影响肉品风味。LI等[43]发现低温等离子体处理6 min,肉丸中的醇类(3-甲基-1-戊醇)和醛类(壬醛、苯甲醛)浓度提高,使得肉丸产生良好风味;但当处理时间为9 min时,醛类(癸醛、反-2-壬烯醛、苯乙醛、苯甲醛)和酯类(异丁酸甲酯)含量相比6 min处理组大幅提高,此时肉丸出现明显异味。罗辑[36]发现等离子体活化水处理的风干里脊肉中醇类(3-甲基丁醇)和醛类(癸醛)含量相比对照组显著改变,感官评分明显提升。王晨等[29]通过电子鼻发现,随着等离子体处理电压的升高,盐水鸭中烷烃、含硫化合物、芳香化合物含量的第一主成分与对照组差异逐渐增大,导致盐水鸭感官评分降低。
4 低温等离子体杀菌影响肉品品质的作用机制解析
4.1 低温等离子体对肉品蛋白质的影响与作用机理
大量研究证实了低温等离子体处理对蛋白质结构的影响。低温等离子体杀菌可造成蛋白质一级结构的改变。例如,LUO等[44]用等离子体处理培根肌原纤维蛋白溶液发现,电压为50 kV时,各类游离氨基酸浓度下降,而60 kV或70 kV处理则会使各类游离氨基酸浓度上升。低温等离子体处理对蛋白质的二级结构也有影响,通常表现为α-螺旋展开,β-折叠生成,无规卷曲增加[44],以及蛋白质侧链的化学修饰[45]。EKEZIE等[46]和LUO等[44]的研究表明,等离子体处理时间和电压与处理后蛋白质二级结构变化呈正相关。TAKAI等[45]则发现,等离子体中的活性物质可以引起蛋白质侧链的化学修饰,从而导致蛋白质二级结构被破坏。随着蛋白质一级和二级结构的变化,蛋白质三级结构也会发生改变。CHENG等[47]的研究显示,低温等离子体处理使氧合肌红蛋白内部的酪氨酸和色氨酸暴露,三级结构几乎完全被破坏。
RONS是低温等离子体影响蛋白质结构与性质的主要因素,其作用方式主要有2个方面,一是通过链式反应促进蛋白质氧化,导致蛋白质碎片化、展开、构象变化或交联聚集等[48],进而影响蛋白质功能。二是与氨基酸反应,RONS与不同结构的氨基酸的反应可分为四类:a)酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸中芳香环的羟基化和硝化;b)半胱氨酸中巯基的磺化和二硫键的形成;c)蛋氨酸的亚砜化;d)组氨酸和脯氨酸五元环的酰胺化和开环。其中,ROS如1O2、O3等主要引起氨基酸中的芳基和侧链羟基化,芳香族氨基酸残基的硝化,巯基的亚硝基化,蛋氨酸残基的亚砜化以及组氨酸的开环;RNS如N、N2等则主要引起苯丙氨酸、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的氧化产物。ZHOU等[49]报道,低温等离子体活性物质与不同氨基酸反应的顺序为含硫氨基酸>芳香氨基酸>五元环氨基酸>碱性碳链氨基酸。研究者还发现蛋氨酸是最容易受到RONS影响的一种[50]。氨基酸不仅是蛋白质一级结构的基础,也参与二三级结构的构建,因此,氨基酸改变也会导致蛋白质二、三级结构发生变化,进而影响蛋白质的各项功能特性。此外,低温等离子体处理产生的RNS可与肉品中水分反应生成酸性物质造成pH下降,进而导致蛋白质变性[39]。
低温等离子体处理过程中的电场和紫外也会影响肉品中的蛋白质。研究发现电场可为活性自由基提供电子从而降低自由基对肉品中蛋白质电子的攻击,进而降低肉品中蛋白质的氧化速率[51]。研究者还发现低温等离子体处理所激发出的波长小于250 nm的紫外光可以破坏蛋白质的二级结构、酰胺键和侧链[52]。
4.2 低温等离子体对肉品脂质的影响与作用机理
目前,普遍认为低温等离子体处理会促进肉品脂质氧化,这一点已在新鲜羊肉、猪里脊、干腌牛肉、牛肉饼、盐水鸭等多种肉品中被证明[27,29,53],但也有研究者得到了相反的结论。MOUTIQ等[54]和LEE等[30]发现,与处理猪肉的结果不同,低温等离子体对鸡肉脂质氧程度无显著影响,并认为主要原因是鸡肉中脂质含量较低。JAYASENA等[26]认为等离子体对肉品的脂质氧化作用取决于处理时间,仅当处理时间超过10 min时,猪肉与牛肉的脂质氧化程度显著高于未处理组。KIM等[15]发现,相比单独使用He,以HE+O2作为等离子体工作气体,猪里脊肉的硫代巴比妥酸反应物含量提高了25.80%。以上研究表明,等离子体处理对肉品脂质的氧化作用受到许多因素影响,应选择合适的处理条件平衡杀菌效果和肉品品质。
RONS是低温等离子体影响肉品脂质氧化的主要因素。RONS通过攻击脂质中的C—H键和不饱和双键形成氢过氧化物,氢过氧化物可进一步转化为醛、酮等小分子物质或参与肉品中的其他反应[55]。有研究认为O3引发的Criegee反应是肉品脂质氧化的关键反应。O3可与不饱和脂肪酸的C
C双键反应形成不稳定的环状中间体,并进一步形成稳定环状化合物、醛和氢过氧化物[56]。此外,还有研究发现,在低温等离子体载气中添加He时,活性自由基He+的存在会加速ROS的生成从而加快肉品脂质的氧化。目前,关于RNS对脂质氧化效果的相关研究较少,尚未有报道详细描述RNS对脂质氧化的独特影响。
与蛋白质类似,等离子体处理产生的电场和紫外线也会影响肉品脂质氧化。通过为自由基提供电子,电场可以降低脂质氧化速率[51],而紫外会加快引发链式反应的自由基的生成,加速脂质氧化[57]。
4.3 低温等离子体诱导的肉品脂质与蛋白氧化及相互促进作用
除了低温等离子体处理的直接氧化作用外,脂质和蛋白质氧化产物之间还存在相互促氧化作用。研究发现低温等离子体处理导致的蛋白质氧化会促进脂质的氧化,例如等离子体处理会加快金枪鱼中的肌红蛋白分解,而形成的分解产物会促进鱼肉中脂质的氧化[58],推测可能的原因是当肌红蛋白被破坏时,铁离子会从血红素的卟啉环中脱落,进而对肉品中的脂质氧化起到促进作用[59]。
低温等离子体引起的脂质氧化对蛋白质氧化的促进作用也值得关注。虽尚未有研究报道等离子体处理过程中脂质氧化对蛋白质的影响,但肉品中脂质氧化对蛋白氧化的促进作用已被广泛证实。例如猪肉不饱和脂肪酸氧化产生的部分醛、酮和醇被发现可与蛋白质中的特定氨基酸残基以共价/非共价形式结合,进而促进蛋白质分解[60]。作用机制包括2个方面,一是脂质氧化产生的自由基或氢过氧化物等攻击蛋白质的敏感氨基酸侧链,诱发或加速蛋白氧化;二是脂质氧化产物可直接与蛋白质发生反应介导蛋白氧化[61]。
与低温等离子体产生的短寿命RONS不同,蛋白质与脂质氧化之间的互相促进的作用可以在较长的贮藏期内持续导致肉品的氧化劣变,因此,在实际应用中需关注这种相互作用。
4.4 低温等离子体处理影响肉品色泽、嫩度和风味的作用机制
4.4.1 低温等离子体处理影响肉品色泽的作用机制
肉品中蛋白质结构改变导致的持水性变化可通过改变光反射对肉品的L*值产生影响[29]。低强度的等离子体处理引起的肉品蛋白质三级结构改变会导致蛋白质内部的疏水基团暴露,增加蛋白质疏水性,造成肉品持水力下降[28];但随着处理时间延长或处理功率的提高,裸露的蛋白质疏水基团数量持续增加,并在疏水相互作用下互相接近,进而促进蛋白质之间氢键的形成,最终形成蛋白质聚集体使其亲水性提高[62],进而提升肉品持水力和L*值。LUO等[28]通过猪背最长肌肌原纤维蛋白粒径随等离子体处理功率的升高而变大的现象证实了等离子体处理的这种蛋白质聚集效应。
肉品的b*值的变化则主要是由脂质氧化引起的。低温等离子体处理通常会引起肉品中的脂质氧化,进而造成肉品b*值升高,使肉色泛黄[61]。
a*值的变化主要与肉品中肌红蛋白在RONS作用下的变化有关[36]。通常认为ROS可以引起氧合肌红蛋白(oxymyoglobin)(图2-A)氧化,生成褐色的高铁肌红蛋白(metmyoglobin)(图2-B),使肉品a*值降低[28];而低温等离子体处理中产生的RNS可破坏肌红蛋白内部的卟啉环或与肌红蛋白反应生成绿色的硝基肌红蛋白(nitri-myoglobin)(图2-C),从而加速肉品a*值降低[47]。然而,近年来越来越多的研究发现,对于水分含量较高的肉品,或采用等离子体活化水间接处理,反而有助于肉品a*值的保持[34],其作用机制为RNS与H2O反应生成硝酸和亚硝酸根可氧化肌红蛋白(myoglobin)生成高铁肌红蛋白(图2-B)并将自身还原为NO,之后血红素铁可以与NO配位结合,并在亚硝酸的作用下发生还原反应重新变为二价铁生成粉红色且稳定性较高亚硝基肌红蛋白(nitroso-myoglobin)(图2-D)[36,63]使肉品在较长时间保持红色[36],故低温等离子体已被研究者尝试作为一种亚硝酸盐/硝酸盐替代策略用于肉品的发色。
A-氧合肌红蛋白;B-高铁肌红蛋白;C-硝基肌红蛋白;D-亚硝基肌红蛋白[47,64]
图2 不同状态肌红蛋白卟啉环平面结构图
Fig.2 Planar structure diagram of porphyrin ring of myoglobin in different states
图3 低温等离子体对肉制品的影响
Fig.3 Effect of low-temperature plasma on meat products
4.4.2 低温等离子体处理影响肉品嫩度的作用机制
低温等离子体处理对肉品中蛋白——尤其是肌原纤维蛋白结构的影响,被认为是造成肉制品嫩度变化的主要原因。通常认为低温等离子体可以破坏肉品中的蛋白尤其是肌原纤维蛋白结构,从而降低肉品的剪切力,提高肉品的嫩度,增强肉品口感[40];但也有研究者认为低温等离子体的氧化作用对酶活性的影响对肉品的嫩度起到重要作用[39];RONS造成的pH变化,也可通过影响蛋白质的相互结合或酶的活性,对肉品的剪切力产生间接影响。此外,4.4.1节中提及的蛋白质亲水性改变引起的肉品持水力的变化也会影响肉品的嫩度[38]。
4.4.3 低温等离子体处理影响肉品风味的作用机制
肉品的风味变化主要是肉品中脂质氧化和蛋白质分解所产生的醇、酮、醛等风味物质的组成和含量变化造成的。蛋白质中的氨基酸氧化分解会生成苯甲醛等风味物质[43]。脂质氧化产物如醛、酮等许多都变为了风味化合物,部分脂质的氧化产物会散发出肉品特有的香味如壬醛、苯甲醛等,但也有不少会散发出较为恶劣的气味如己醛、戊醛和2,4-癸二烯醛等,这会影响肉品的品质。
此外,肉品蛋白质结构的改变也会造成其和风味物质的结合能力发生变化,从而影响肉品的风味[28]。ZHANG等[60]发现不同的低温等离子体处理造成的蛋白质二、三级结构的变化会导致蛋白质产生新的风味化合物的结合位点,或是使原本的结合位点消失,进而改变蛋白质和风味化合物的结合能力。LUO等[28]认为这种结合能力的改变与蛋白质展开和聚集造成的结构和表面积变化有关。
5 总结与展望
低温等离子体作为一种高效、无残留的新型冷杀菌处理技术,对于肉品保鲜(尤其是生鲜肉)极具应用潜力。然而,迄今为止该技术在产业化进程中仍面临一些问题和局限性。首先,低温等离子体杀菌处理后肉品品质的变化受到包括肉品类型、等离子体发生装置、工作气体类型、处理功率和时间、处理方式(直接处理、等离子体活化水处理)等多种因素的影响,这些因素的差异甚至会导致截然不同的效果,实际应用时必须针对特定的设备和产品类型进行单独的处理工艺优化,并且影响品质的作用机理也有待进一步明确。其次,肉品在流通过程中通常会采用不同的包装形式,等离子体设备的优势使其能够直接用于包装内肉品的处理,但必须充分考虑包装材料的选择和包装内气体成分的组成对等离子体处理效果的影响,包装材料应具备足够的稳定性,避免在处理后发生材料成分迁移或破损。此外,低温等离子体商业化杀菌设备的研制和开发工作也亟待推进,尤其是能够适应实际生产的高通量处理设备。
综上所述,作为一种新兴肉品杀菌保鲜技术,低温等离子体极具应用潜力。然而,距离实际应用仍有许多问题有待解决。根据已有文献报道总结,未来研究者可从以下几个方面展开相关工作:a)系统研究等离子体处理条件对食品品质的影响:包括电压、功率、时间、方式、次数等处理因素,以及水分、蛋白质含量、脂质含量等产品因素。b)处理后的包装、贮藏条件:由于脂肪氧化和蛋白质是持续的链式反应,低温等离子体处理结束后,由处理带来的氧化仍会持续进行,因此有必要对处理后的包装、贮藏条件进行优化。c)具有较高处理通量的低温等离子体的工业化设备开发。
[1] MISRA N N,TIWARI B K,RAGHAVARAO K S M S,et al.Nonthermal plasma inactivation of food-borne pathogens[J].Food Engineering Reviews,2011,3(3):159-170.
[2] LEIPOLD F,KUSANO Y,HANSEN F,et al.Decontamination of a rotating cutting tool during operation by means of atmospheric pressure plasmas[J].Food Control,2010,21(8):1194-1198.
[3] MISRA N N,JO C.Applications of cold plasma technology for microbiological safety in meat industry[J].Trends in Food Science &Technology,2017,64:74-86.
[4] ZIUZINA D,MISRA N N,HAN L,et al.Investigation of a large gap cold plasma reactor for continuous in-package decontamination of fresh strawberries and spinach[J].Innovative Food Science &Emerging Technologies,2020,59:102229.
[5] 宋树桐.大气压等离子体与蛋白质相互作用机理的反应分子动力学模拟研究[D].济南:山东大学,2020.
SONG S T.Molecular dynamics simulation of the interaction mechanism between atmospheric pressure plasma and protein[D].Jinan:Shandong University,2020.
[6] SCHOLTZ V,PAZLAROVA J,SOUSKOVA H,et al.Nonthermal plasma—a tool for decontamination and disinfection[J].Biotechnology Advances,2015,33(6):1108-1119.
[7] YUSUPOV M,BOGAERTS A,HUYGH S,et al.Plasma-induced destruction of bacterial cell wall components:A reactive molecular dynamics simulation[J].The Journal of Physical Chemistry C,2013,117(11):5993-5998.
[8] ZHAO Y J,SHAO L L,JIA L H,et al.Inactivation effects,kinetics and mechanisms of air-and nitrogen-based cold atmospheric plasma on Pseudomonas aeruginosa[J].Innovative Food Science &Emerging Technologies,2022,79:103051.
[9] QIAN J,MA L J,YAN W J,et al.Inactivation kinetics and cell envelope damages of foodborne pathogens Listeria monocytogenes and Salmonella Enteritidis treated with cold plasma[J].Food Microbiology,2022,101:103891.
[10] GAN Z L,FENG X R,HOU Y N,et al.Cold plasma jet with dielectric barrier configuration:Investigating its effect on the cell membrane of E.coli and S. cerevisiae and its impact on the quality of chokeberry juice[J].LWT,2021,136:110223.
[11] COUTINHO N M,SILVEIRA M R,ROCHA R S,et al.Cold plasma processing of milk and dairy products[J].Trends in Food Science &Technology,2018,74:56-68.
[12] GUO J,HUANG K,WANG J P.Bactericidal effect of various non-thermal plasma agents and the influence of experimental conditions in microbial inactivation:A review[J].Food Control,2015,50:482-490.
[13] WANG J M,ZHUANG H,ZHANG J H.Inactivation of spoilage bacteria in package by dielectric barrier discharge atmospheric cold plasma—Treatment time effects[J].Food and Bioprocess Technology,2016,9(10):1648-1652.
[14] PATANGE A,BOEHM D,BUENO-FERRER C,et al.Controlling Brochothrix thermosphacta as a spoilage risk using in-package atmospheric cold plasma[J].Food Microbiology,2017,66:48-54.
[15] KIM H J,YONG H I,PARK S,et al.Effects of dielectric barrier discharge plasma on pathogen inactivation and the physicochemical and sensory characteristics of pork loin[J].Current Applied Physics,2013,13(7):1420-1425.
[16] ZHANG Y L,LEI Y,HUANG S H,et al.In-package cold plasma treatment of braised chicken:Voltage effect[J].Food Science and Human Wellness,2022,11(4):845-853.
[17] YONG H I,KIM H J,PARK S,et al.Evaluation of the treatment of both sides of raw chicken breasts with an atmospheric pressure plasma jet for the inactivation of Escherichia coli[J].Foodborne Pathogens and Disease,2014,11(8):652-657.
[18] SONG Y,LIU D P,JI L F,et al.The inactivation of resistant Candida albicans in a sealed package by cold atmospheric pressure plasmas[J].Plasma Processes and Polymers,2012,9(1):17-21.
[19] YADAV B,SPINELLI A C,GOVINDAN B N,et al.Cold plasma treatment of ready-to-eat ham:Influence of process conditions and storage on inactivation of Listeria innocua[J].Food Research International,2019,123:276-285.
[20] JAHANMIRI A,RAHIMPOUR M R,MOHAMADZADEH SHIRAZI M,et al.Naphtha cracking through a pulsed DBD plasma reactor:Effect of applied voltage,pulse repetition frequency and electrode material[J].Chemical Engineering Journal,2012,191:416-425.
[21] KIM J E,CHOI H S,LEE D U,et al.Effects of processing parameters on the inactivation of Bacillus cereus spores on red pepper (Capsicum annum L.) flakes by microwave-combined cold plasma treatment[J].International Journal of Food Microbiology,2017,263:61-66.
[22] ROH S H,LEE S Y,PARK H H,et al.Effects of the treatment parameters on the efficacy of the inactivation of Salmonella contaminating boiled chicken breast by in-package atmospheric cold plasma treatment[J].International Journal of Food Microbiology,2019,293:24-33.
[23] 刘超群.冷鲜猪肉中微生物预测模型的建立及控制工艺研究[D].武汉:武汉工业学院,2011.
LIU C Q.Develop predict model of microbes on cold fresh pork and method for antimicrobial be researched[D].Wuhan:Wuhan Polytechnic University,2011.
[24] LI W T,YU H L,DING D J,et al.Cold atmospheric plasma and iron oxide-based magnetic nanoparticles for synergetic lung cancer therapy[J].Free Radical Biology and Medicine,2019,130:71-81.
[25] 刘鑫.气相和液相等离子体活性成分透皮效应研究[D].武汉:华中科技大学,2018.
LIU X.Study on transdermal effect of active components in gas and liquid plasma[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2018.
[26] JAYASENA D D,KIM H J,YONG H I,et al.Flexible thin-layer dielectric barrier discharge plasma treatment of pork butt and beef loin:Effects on pathogen inactivation and meat-quality attributes[J].Food Microbiology,2015,46:51-57.
[27] HUANG M M,WANG J M,ZHUANG H,et al.Effect of in-package high voltage dielectric barrier discharge on microbiological,color and oxidation properties of pork in modified atmosphere packaging during storage[J].Meat Science,2019,149:107-113.
[28] LUO J,XU W M,LIU Q,et al.Dielectric barrier discharge cold plasma treatment of pork loin:Effects on muscle physicochemical properties and emulsifying properties of pork myofibrillar protein[J].LWT,2022,162:113484.
[29] 王晨,钱婧,盛孝维,等.低温等离子体冷杀菌对盐水鸭货架期及风味品质的影响[J].食品工业科技,2021,42(17):70-77.
WANG C,QIAN J,SHENG X W,et al.Effects of cold plasma sterilization on shelf life and flavor quality of salted duck[J].Science and Technology of Food Industry,2021,42(17):70-77.
[30] LEE H,YONG H I,KIM H J,et al.Evaluation of the microbiological safety,quality changes,and genotoxicity of chicken breast treated with flexible thin-layer dielectric barrier discharge plasma[J].Food Science and Biotechnology,2016,25(4):1189-1195.
[31] KIM B,YUN H,JUNG S,et al.Effect of atmospheric pressure plasma on inactivation of pathogens inoculated onto bacon using two different gas compositions[J].Food Microbiology,2011,28(1):9-13.
[32] 杜曼婷,黄俐,高梦丽,等.介质阻挡放电低温等离子体处理对宰后羊肉品质的影响[J].食品科学,2022,43(21):87-92.
DU M T,HUANG L,GAO M L,et al.Effect of dielectric barrier discharge low temperature plasma treatment on lamb meat quality[J].Food Science,2022,43(21):87-92.
[33] PÉREZ-ANDRÉS J M,CROPOTOVA J,HARRISON S M,et al.Effect of cold plasma on meat cholesterol and lipid oxidation[J].Foods,2020,9(12):1786.
[34] JO K,LEE J R,LEE S,et al.Curing of ground ham by remote infusion of atmospheric non-thermal plasma[J].Food Chemistry,2020,309:125643.
[35] JUNG S,LEE J R,LIM Y,et al.Direct infusion of nitrite into meat batter by atmospheric pressure plasma treatment[J].Innovative Food Science &Emerging Technologies,2017,39:113-118.
[36] 罗辑.低温等离子体处理对风干肉制品风味品质的影响机制[D].南京:南京农业大学,2019.
LUO J.Effect mechanism of low temperature plasma treatment on flavor quality of air-4dried meat products[D].Nanjing:Nanjing Agricultural University,2019.
[37] 章建浩,乔维维,黄明明,等.低温等离子体处理对牛肉品质的影响[J].现代食品科技,2018,34(11):194-199; 150.
ZHANG J H,QIAO W W,HUANG M M,et al.Effects of cold plasma treatment on quality of beef[J].Modern Food Science and Technology,2018,34(11):194-199; 150.
[38] ABDEL-NAEEM H H S,EBAID E M S M,KHALEL K H M,et al.Decontamination of chicken meat using dielectric barrier discharge cold plasma technology:The effect on microbial quality,physicochemical properties,topographical structure,and sensory attributes[J].LWT,2022,165:113739.
[39] 张婉玉.等离子体活性水处理生鲜牛肉工艺优化及其品质控制研究[D].扬州:扬州大学,2021.
ZHANG W Y.Study on process optimization and quality control of fresh beef treated by plasma activated water[D].Yangzhou:Yangzhou University,2021.
[40] 乔维维.低温等离子体对牛肉杀菌效能特性及品质的影响研究[D].南京:南京农业大学,2017.
QIAO W W.Influence of cold plasma on sterilization and quality of fresh beef[D].Nanjing:Nanjing Agricultural University,2017.
[42] JIN S K,CHOI J S,KIM G D.Effect of porcine plasma hydrolysate on physicochemical,antioxidant,and antimicrobial properties of emulsion-type pork sausage during cold storage[J].Meat Science,2021,171:108293.
[43] LI R,ZHU H Y,CHEN Y F,et al.Cold plasmas combined with Ar-based MAP for meatball products:Influence on microbiological shelflife and quality attributes[J].LWT,2022,159:113137.
[44] LUO J,MUHAMMAD NASIRU M,YAN W J,et al.Effects of dielectric barrier discharge cold plasma treatment on the structure and binding capacity of aroma compounds of myofibrillar proteins from dry-cured bacon[J].LWT,2020,117:108606.
[45] TAKAI E,KITANO K,KUWABARA J,et al.Protein inactivation by low-temperature atmospheric pressure plasma in aqueous solution[J].Plasma Processes and Polymers,2012,9(1):77-82.
[46] EKEZIE F G C,CHENG J H,SUN D W.Effects of atmospheric pressure plasma jet on the conformation and physicochemical properties of myofibrillar proteins from king prawn (Litopenaeus vannamei)[J].Food Chemistry,2019,276:147-156.
[47] CHENG J H,CHEN Y Q,SUN D W.Effects of plasma activated solution on the colour and structure of metmyoglobin and oxymyoglobin[J].Food Chemistry,2021,353:129433.
[48] SEGAT A,MISRA N N,CULLEN P J,et al.Atmospheric pressure cold plasma (ACP) treatment of whey protein isolate model solution[J].Innovative Food Science &Emerging Technologies,2015,29:247-254.
[49] ZHOU R W,ZHOU R S,ZHUANG J X,et al.Interaction of atmospheric-pressure air microplasmas with amino acids as fundamental processes in aqueous solution[J].PLoS One,2016,11(5):e0155584.
[50] KOPUK B,GUNES R,PALABIYIK I.Cold plasma modification of food macromolecules and effects on related products[J].Food Chemistry,2022,382:132356.
[51] 张薇薇.高压电场和抗氧化剂处理对油脂抗氧化作用效果研究[D].太谷:山西农业大学,2013.
ZHANG W W.Research on the antioxidant effect of high-voltage electric field and antioxidant on oil[D].Taigu:Shanxi Agricultural University,2013.
[52] WAMBURA P,VERGHESE M.Effect of pulsed ultraviolet light on quality of sliced ham[J].LWT-Food Science and Technology,2011,44(10):2173-2179.
[53] 岑南香,刘宸成,陈姑,等.低温等离子体处理对羊肉脂质与蛋白质氧化性质的影响[J].食品工业科技,2022,43(14):85-93.
CEN N X,LIU C C,CHEN G,et al.Effects of cold plasma treatments on lipids and protein oxidation properties of mutton[J].Science and Technology of Food Industry,2022,43(14):85-93.
[54] MOUTIQ R,MISRA N N,MENDONÇA A,et al.In-package decontamination of chicken breast using cold plasma technology:Microbial,quality and storage studies[J].Meat Science,2020,159:107942.
[55] SAREMNEZHAD S,SOLTANI M,FARAJI A,et al.Chemical changes of food constituents during cold plasma processing:A review[J].Food Research International,2021,147:110552.
[56] SARANGAPANI C,RYAN KEOGH D,DUNNE J,et al.Characterisation of cold plasma treated beef and dairy lipids using spectroscopic and chromatographic methods[J].Food Chemistry,2017,235:324-333.
[57] 刘品华,冯亚娟,谢景文,等.紫外光下4种抗氧化剂在猪油中的抗氧化效果[J].食品工业科技,2018,39(24):51-56; 61.
LIU P H,FENG Y J,XIE J W,et al.Antioxidation effect of 4 antioxidants in lard under UV light[J].Science and Technology of Food Industry,2018,39(24):51-56; 61.
[58] KE Z G,BAI Y W,ZHU H,et al.Characteristics of myoglobin degradation by cold plasma and its pro-oxidative activity on lipid in washed fish muscle[J].Food Chemistry,2022,389:132972.
[59] ZHANG Y F,TIAN X J,JIAO Y Z,et al.Free iron rather than heme iron mainly induces oxidation of lipids and proteins in meat cooking[J].Food Chemistry,2022,382:132345.
[60] ZHANG J,KANG D C,ZHANG W G,et al.Recent advantage of interactions of protein-flavor in foods:Perspective of theoretical models,protein properties and extrinsic factors[J].Trends in Food Science &Technology,2021,111:405-425.
[61] 王兆明,贺稚非,李洪军.脂质和蛋白质氧化对肉品品质影响及交互氧化机制研究进展[J].食品科学,2018,39(11):295-301.
WANG Z M,HE Z F,LI H J.A review of the effect of lipid and protein oxidation on meat quality and their interrelationship[J].Food Science,2018,39(11):295-301.
[62] PÉREZ-ANDRÉS J M,
LVAREZ C,CULLEN P J,et al.Effect of cold plasma on the techno-functional properties of animal protein food ingredients[J].Innovative Food Science &Emerging Technologies,2019,58:102205.
[63] 应可沁,李子言,程序,等.等离子体活化水作为解冻介质对牛肉杀菌效能及品质的影响[J].食品工业科技,2022,43(2):338-345.
YING K Q,LI Z Y,CHENG X,et al.Effect of plasma-activated water as thawing media on the sterilization and quality of beef[J].Science and Technology of Food Industry,2022,43(2):338-345.
[64] 王甜甜,朱逸宸,谢勇,等.肌红蛋白在加工贮藏过程中结构与功能特性的变化及其对肉制品色泽的影响研究进展[J].食品科学,2023,44(3):393-399.
WANG T T,ZHU Y C,XIE Y,et al.Progress in the study of the changes in structure and functional properties of myoglobin during processing and storage and its effect on the quality of meat products[J].Food Science,2023,44(3):393-399.