牛肉是低脂肪、高蛋白食品,还富含矿物质、脂肪酸以及维生素等关键营养元素且味道鲜美,深受人们喜爱,是人类主要消费的肉食之一。然而,在贮藏过程中,牛肉容易受到脂质氧化和微生物增殖等因素的多重影响,使其在营养和品质等多方面出现不同程度的下降。鉴于此,研发有效的保鲜技术以延长牛肉的贮藏期,已成为研究者关注的焦点[1-2]。
气调保鲜技术的发展可追溯至19世纪初,自1821年法国科学家首次系统研究气体成分对苹果成熟的调控作用以来,该领域经历了从理论探索到工程应用的跨越。1929年全球首座气调贮藏库于英国建成,标志着气调保鲜技术进入实际应用阶段。我国相关研究始于20世纪30～40年代,李沛文[3]通过系统研究不同气体环境对柑橘贮藏品质的影响,不仅开创了我国果蔬气调保鲜研究的先河,更构建了具有本土特色的理论研究框架,为后续气调保鲜技术的发展奠定了重要基础。
现阶段,对新鲜牛肉的储存手段通常采用的是普通包装、真空包装以及气调包装等包装方式[4-5]。普通包装通常指传统的,以满足基本功能需求(如保护商品、便于运输和储存)为主的简单包装形式。这种包装不涉及包装内气体成分的调整,也不使用特定的气体混合物,仅对食品提供基本的保护,防止食品受到物理损伤、污染或氧化,不具备保鲜功能。其成本低,操作方便,但贮存时间较短。真空包装通常是将食品在密闭之前使用真空泵等设备抽出包装内的空气,使包装内达到预定的真空度,然后进行密封的一种包装方法。这种包装方式通过降低O2浓度,减缓微生物的繁殖速度,从而延长食品的保质期。虽然真空包装在一定程度上可以延长食品的贮藏期,但会造成比较严重的汁液损耗。气调保鲜技术作为一种主动调控贮藏环境的技术手段,通过调控贮藏环境中气体组成比例,可有效抑制微生物增殖及蛋白质、脂肪氧化,同时维持食品原有色泽、质构及营养成分,从而延长食品的货架期[6]。该技术通过建立不同于自然空气环境的气体氛围,从生物代谢、化学反应等多维度延缓食品品质劣变,目前已发展成为保鲜领域的主流技术之一[7]。
气调包装中通常使用的是O2、N2、CO2以及CO等气体[8-9]。其中,高氧包装虽然可以保持生鲜食品的稳定,但长时间处在高氧的环境下生鲜食品会发生不同程度的氧化[10]。CO2在保鲜过程中具有一定的抑菌作用,能够有效抑制细菌的滋生。然而,由于生鲜食品通常含有较高的水分,CO2又具有较强的溶解性,这会导致CO2的溶解,不仅削弱了CO2对食品的保护效果,还可能引起包装的塌陷,进而对食品的品质和外观产生不利影响[11]。而CO在气调包装中不仅可以有效保持生鲜食品的含水量,还可以降低了微生物的数量,有效延长了食品的保存期限[12]。周立等[13]的研究成果表明,采用CO组对羊肉的保鲜效果明显优于CO2组和O2组。王洪江等[14]的研究指出在低温条件下,使用特定的气体混合比例同时结合吸水衬垫对牛肉保鲜效果最好。张福生等[15]综合分析安徽地区优良猪种-圩猪的贮藏期内的硫代巴比妥酸反应物(thiobarbituric acid reactive substance,TBARS)、菌落总数和挥发性盐基氮(total volatile basicnitrogen,TVB-N)含量及其他各项指标,实验发现在高氧浓度条件下(72%O2+28%CO2、82%O2+18%CO2)圩猪肉样的品质损失较小。童光森等[16]比较了托盘、真空、CO及高氧4种包装在冷藏销售期间对牦牛肉理化性质与烹饪效果的影响。结果显示,气调包装对延长牦牛肉保质期效果显著。目前,在混合气体中通过调控CO比例来对生鲜食品进行保鲜的研究较少。因此,本研究选取新鲜的牛肉(西冷)作为试验材料,探讨不同气体比例条件下对牛肉品质的影响,具体包括真空包装(Vac)组、氮气(N2组)、Low CO 组(10% CO+90% CO2)和High CO组(50% CO+50%CO2),分析其对牛肉品质、汁液流失率、pH值、微生物总数、TVB-N、TBARS等关键指标的影响。通过开展本研究旨在解决我国肉类保鲜技术面临的挑战,致力于提升肉类产品的储运性能,延长其市场贮藏期,为我国肉类产业的高质量发展提供坚实的科学支撑。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
西冷牛肉,广东温氏食品集团股份有限公司;DTBA-100硫代巴比妥酸反应物测试盒,广州太玮生物科技有限公司;ZKBZD1520真空包装袋,青岛海智达生物科技有限公司;高纯N2、CO、CO2,百奥基(北京)生物科技有限公司;无菌培养皿,广州威佳科技有限公司;Mg2O3、H3BO3、HCl、甲基红指示剂、溴甲酚绿指示剂、95%乙醇,均为分析纯,广州仪风生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
AlRplus充气包装机,德国STOROPACK;XPR56C/AC电子天平,瑞士METTLER TOLEDO;BBS-V1800超净工作台,上海一恒科学有限公司;LHS-150SC恒温恒湿培养箱,上海捷呈实验仪器有限公司;AZ8694pH计,台湾衡欣股份有限公司。
1.3 样品处理
在无菌操作台上剔除牛肉(西冷)表面的油脂及筋膜,随后对牛肉进行称量,每块肉约50 g,随机分配4组,每组设置3个重复。各组分别采用不同包装方式,即真空包装(Vac)组、N2(N2)组、Low CO(10% CO+90% CO2)组和High CO(50% CO+50% CO2)组。全部试样在0～4 ℃条件下贮存,分别在第0、3、6、9、12、15 d对试样汁液流失率、菌落总数、pH、TVB-N和TBARS进行测定。
1.4 指标测定
1.4.1 汁液损失率的测定
在肉块包装前称其质量(m1)。在规定的采样时刻取出肉块,将肉块表面的汁液用无菌滤纸擦干后称其质量(m2)[17],汁液损失率按公式(1)计算:
汁液损失
(1)
1.4.2 pH值的测定
参考马惠敏等[18]的方法,校正pH计,将手持式pH计插入牛肉块中,避开筋膜,在样品大约2 cm深的地方进行pH值测定,并对结果进行分析。
1.4.3 菌落总数的测定
参照GB 4789.2—2022《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》对菌落总数进行测定,并对结果进行分析。
1.4.4 TVB-N含量的测定
参照GB 5009.228—2016《食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》中关于半痕量氮含量的方法对样品中TVB-N进行测定,并对结果进行分析。
1.4.5 TBARS含量的测定
采用博士生物TBARS反应物测试盒(DTBA-100)对样品中TBARS含量进行测定,并对结果进行分析。
1.5 数据处理
每组实验重复3次,实验数据采用Excel进行统计,采用Origin 2019作图,用SPSS 20软件的Duncan法进行显著性和方差分析,P<0.05表示差异显著。
2 结果与分析
2.1 不同气体包装对牛肉汁液损失率的影响
汁液损失率是评价牛肉在贮藏期内水分保持能力的一个重要指标,它能直接反映贮藏期间的水分损失情况[19]。汁液损失率与微生物的繁殖速率具有正相关性,随着微生物对蛋白质和脂质分解加速,牛肉组织中的结合水不断游离出来,使得牛肉样品表面的黏稠感愈发明显[20-21]。从表1中可以看出,汁液损失率存在明显的差别(P<0.05)。
表1 不同包装方式下牛肉贮藏期间的汁液流失率 单位:%
Table 1 Juice loss rates of beef during storage under different packing methods
包装方式贮藏时间/d3691215Vac组2.23±0.06Ae3.63±0.06Ad4.60±0.10Ac5.20±0.10Ab5.53±0.06AaN2组1.93±0.06Be2.17±0.06Bd2.83±0.06Bc3.50±0.10Bb3.73±0.06BaLowCO组1.43±0.06Ce1.80±0.10Cd2.50±0.00Cc2.97±0.06Cb3.13±0.06CaHighCO组1.17±0.06De1.53±0.06Dd2.07±0.06Dc2.37±0.06Db2.53±0.06Da
注:上标字母不同表示差异显著(P<0.05),大写字母表示同一贮藏时间不同包装之间比较,小写字母表示同一包装不同贮藏时间之间比较(下同)。
在整个实验时间内(0～15 d),4组牛肉的汁液损失率均逐渐增加(图1),[Vac组样品在不同气调包装下的汁液损失率变化幅度最大(5.5%)],这是因为在真空压力作用下,牛肉汁液更易流失。N2组、Low CO组、High CO组的汁液损失率分别为3.7%、3.1%、2.5%。其中,N2组的汁液损失率较CO组严重,这是由于CO可以形成稳定肌红蛋白结构,维持蛋白质的天然构象,保留更多水分[22]、也可以通过抑制氧化与微生物活动[23]、调节细胞代谢[24]等途径减少牛肉汁液损失。而在相同的贮藏时间条件下,N2则主要通过物理隔绝O2来发挥保鲜作用,无法直接参与抗氧化反应,且N2可以抑制需氧菌的生长,但对厌氧菌无明显抑制效果。此外,N2条件下牛肉中肌球蛋白容易出现不同程度的降解,从而导致其储存水分的网状结构减小,使其持水力降低,汁液损失增多[25-27]。N2缺乏对蛋白质结构和细胞代谢的主动调控能力。上述差异导致在CO条件下牛肉的保水性显著优于N2。
图1 牛肉贮藏过程中汁液流失率的变化
Fig.1 Changes in the rate of juice loss during beef storage
2.2 不同气体包装对牛肉pH值的影响
pH的改变对牛肉的新鲜度有很大影响,因此pH是衡量牛肉品质的一个重要因素[28]。RUIZ-CAPILLAS等[29]认为牛肉pH值的可接受限为7,从表2可以看出,4组样品的pH值都在7以下,所以这些牛肉都在可接受范围内,并且在不同气体条件下的pH存在明显的差别(P<0.05)。
表2 不同包装方式下牛肉贮藏期间的pH值
Table 2 pH values of beef during storage under different packaging methods
包装方式贮藏时间/d3691215Vac组6.00±0.00Ca6.03±0.06Ba5.53±0.06Db5.13±0.06Dd5.40±0.00DcN2组6.17±0.06Aa6.20±0.00Aa5.77±0.06Cb5.43±0.06Cc5.70±0.00CbLowCO组6.23±0.06Aa6.23±0.12Aa5.86±0.06Bb5.57±0.06Bc5.80±0.00BbHighCO组6.10±0.00Bb6.27±0.06Aa6.00±0.00Ac5.80±0.00Ad6.04±0.06Ac
0～3 d,4组牛肉的pH下降;3～6 d,各实验组的pH基本保持稳定;6～12 d,pH继续下降,在第12天,pH值达到最低;12～15 d,4组牛肉的pH值均缓慢上升。总体来看,4组牛肉的pH值均呈先下降后升高的趋势(图2)。其中,High CO组的pH值最高,Low CO组和N2组次之,Vac组最低,但都低于腐败肉pH值的下限(pH=6.7,见图中虚线)。0～12 d,pH值下降可能是由于牛肉中含有大量的蛋白质,蛋白质会在微生物的作用下分解产生H2S等酸性气体,使牛肉的pH值下降;同时,4个实验组包装内均不含O2,由于肌肉糖原受到厌氧糖酵解酶的作用,产生大量的乳酸和丙酮酸也会造成体系pH降低,也引起了pH值降低。随着贮藏时间推移,12 d以后,4组牛肉的pH值有所提高,这可能与牛肉中蛋白质的分解形成碱性的胺类物质有一定的关系。在内部酶及其他微生物的共同参与下,牛肉中的蛋白质发生水解(蛋白质→多肽→氨基酸),氨基酸通过脱氨酶脱去氨基,生成游离氨(NH3)以及氮类碱性物质,从而使牛肉的酸碱度发生变化。在这个实验过程中,内源酶活性以及微生物活性可能与pH值的变化幅度相关。0～15 d,pH值变化幅度的顺序是:High CO组
图2 牛肉贮藏过程中pH值的变化
Fig.2 Changes in pH value during beef storage
2.3 不同气体包装对牛肉菌落总数的影响
肉品在贮藏期间,其内部的细菌增殖可能会引起肉品的劣变。细菌数量是衡量肉品受细菌感染程度的一个重要标志[30]。如表3可知,牛肉在4种不同气调包装下的菌落总数存在明显的差别(P<0.05)。
表3 不同包装方式下牛肉贮藏期间的菌落总数 单位:lg CFU/g
Table 3 The total number of colonies of beef during storage under different packing methods
包装方式贮藏时间/d3691215Vac组3.72±0.02Ae4.13±0.03Ad5.33±0.12Ac6.33±0.02Ab7.11±0.03AaN2组2.91±0.02Be3.06±0.03Bd3.42±0.01Bc3.89±0.01Bb4.55±0.01BaLowCO组2.69±0.02Ce2.99±0.02Cd3.35±0.02Bc3.68±0.01Cb4.16±0.04CaHighCO组2.67±0.02Ce2.85±0.03Dd3.03±0.02Cc3.47±0.02Db3.93±0.02Da
如图3所示,Vac组的菌落总数整体较高。在贮藏第6天,Vac和N2组的菌落总数分别是4.13、3.06 lg CFU/g,Low CO组和High CO组的分别是2.99、2.85 lg CFU/g,其中Vac组已超过新鲜肉的菌落标准(4 lg CFU/g),其余3组均符合新鲜肉的菌落标准。第12天,Vac组、N2组、Low CO组、High CO组的菌落总数分别为6.33、3.89、3.68、3.47 lg CFU/g,Vac组达到了次鲜肉的菌群指标(4～6 lg CFU/g),而另外3个组依然符合新鲜肉的菌落标准。第15天,Vac组、N2组、Low CO组、High CO组的菌落总数分别为7.11、4.55、4.16、3.93 lg CFU/g。Vac组菌群的生长速率最高,已经属于变质肉(>6 lg CFU/g),N2组和CO组对微生物的增殖具有抑制作用,在贮藏第15天后菌落总数明显低于Vac组,符合次鲜肉的菌落标准(4～6 lg CFU/g),而High CO组仍符合新鲜肉标准(<4 lg CFU/g)。由此可以看出,气调包装对抑制肉品中的微生物滋生有较好的效果,并且CO比N2具有更好的抑菌作用。
图3 牛肉贮藏过程中菌落总数的变化
Fig.3 Changes in the total number of colonies during beef storage
2.4 不同气体包装对牛肉TVB-N含量的影响
TVB-N是评价肉类新鲜程度的一个主要参数[31]。TVB-N的浓度较高时,其营养成分较少。根据我国相关标准,I类新鲜肉中TVB-N的含量上限为15 mg/100 g,而Ⅱ类新鲜肉的TVB-N上限则为20 mg/100 g。如表4所示,在不同环境下,牛肉的TVB-N含量存在明显的差别(P<0.05)且TVB-N的数值会随着贮藏时间的延长而逐渐上升(图4),这一现象与微生物酶对蛋白质进行分解进而持续生成氨及胺类碱性物质密切相关。
图4 牛肉贮藏过程中TVB-N含量的变化
Fig.4 Changes of TVB-N content during beef storage
表4 不同包装方式下牛肉贮藏期间的TVB-N含量 单位:mg/100 g
Table 4 TVB-N content of beef during storage under different packaging methods
包装方式贮藏时间/d3691215Vac组7.20±0.10Ae9.53±0.06Ad15.2±0.10Ac22.5±0.06Ab30.3±0.20AaN2组6.50±0.00Be7.57±0.12Bd12.3±0.10Bc18.8±0.10Bb25.9±0.15BaLowCO组6.27±0.06Ce7.37±0.06Cd11.7±0.10Cc16.6±0.10Cb22.5±0.20CaHighCO组6.10±0.00De7.07±0.06Dd11.1±0.15Dc16.1±0.15Db19.7±0.10Da
在4个实验组中,Vac组在实验时间段内的TVB-N值增长幅度最为显著。在第9天时,Vac组的TVB-N值已超过I类鲜肉标准,其余3组的TVB-N值仍都处于I级。在第12天时,Vac组的TVB-N值已超过了Ⅱ级鲜肉类的界限,其余3组的TVB-N值均处于Ⅱ级鲜肉类的水平。这主要是由于真空包装中的牛肉会产生大量渗出液,为微生物的繁殖创造了适宜的环境。在厌氧环境中,好氧腐菌(例如假单胞菌)的数量减少,蛋白降解速度减慢,生成的氮碱化合物也减少,所以N2组和CO组的TVB-N值均维持在一个较低水平。第15天时,Vac组、N2组、Low CO组、High CO组的TVB-N值分别为30.3、25.9、22.5、19.7 mg/100 g。此时,仅有High CO组的TVB-N值还处于Ⅱ级鲜肉范围内(表4)。CO包装通过多种机制协同作用,有效延缓牛肉腐败变质。一方面,CO能够显著降低腐败菌(如假单胞菌、乳酸菌)的增殖速度,减少其对蛋白质的分解。这是由于CO可以干扰微生物的呼吸链,阻碍其能量代谢过程,进而抑制需氧菌和部分兼性厌氧菌的活性。另一方面,CO与肌红蛋白结合形成碳氧肌红蛋白,这一过程有助于减少脂质和蛋白质的氧化链式反应。此外,CO还能间接抑制活性氧的积累,从而减缓蛋白质氧化交联或断裂,维持肌肉细胞的完整性,降低内源性蛋白酶的释放。综上所述,CO通过抑制微生物代谢、延缓蛋白质氧化、调控内源性酶活性等多途径协同作用[32-33],显著减少牛肉中蛋白质降解及含氮挥发性物质的生成。
2.5 不同气体包装对牛肉TBARS含量的影响
TBARS指的是牛肉内不饱和脂肪酸经过氧化分解生成丙二醛(malondialdehyde,MDA),MDA与2-硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)发生反应后产生的特定红色化合物。因此,TBARS可作为评估脂肪氧化程度的间接指标[34]。随着TBARS升高,其氧化水平也随之升高,牛肉的酸败度较高。由表5可知,不同气调包装下的TBARS值牛肉的TBARS含量存在明显的差别(P<0.05)。
表5 不同包装方式下牛肉贮藏期间的TBARS含量 单位:mg/100 g
Table 5 TBARS content of beef during storage under different packing methods
包装方式贮藏时间/d3691215Vac组0.12±0.00Ad0.15±0.01Ad0.27±0.02Ac0.44±0.03Ab0.66±0.01AaN2组0.04±0.01Be0.07±0.01Bd0.12±0.01Bc0.19±0.01Bb0.45±0.02BaLowCO组0.03±0.00Ce0.05±0.01Cd0.10±0.01Bc0.16±0.01Bb0.37±0.01CaHighCO组0.01±0.01De0.04±0.01Dd0.08±0.01Cc0.16±0.02Bb0.29±0.02Da
随着贮藏时间的延长,各组的TBARS均呈上升趋势(图5)。在贮藏前6 d,4组牛肉的脂肪氧化速度均较慢。从第9天开始各组脂肪氧化速率加快,Vac组、N2组、Low CO组、High CO组的TBARS值分别为0.27、0.12、0.10、0.08 mg/100 g,Vac组显著高于N2组、Low CO组和High CO组。至第9天,TBARS的上升速率显著提升,推测是实验持续进行中,细菌产生更多的脂肪酶,加速了肌肉内脂肪的分解,进而推动脂肪氧化的速率。而在整个贮藏过程中,不同气体对油脂氧化酶和相关微生物的生长都有一定的抑制作用,其中CO对这些物质的影响最为显著。这是由于脂肪氧合酶通常依赖铁离子(Fe2+/Fe3+),CO可与牛肉中这些金属离子结合,改变酶的空间构象,直接抑制其催化活性,从而减缓脂肪氧化反应。此外,CO可能通过清除自由基或与氧分子竞争结合位点,减少氧化链式反应的启动,进一步延缓脂质氧化。而对于N2来说,N2作为惰性气体,主要通过置换O2延缓氧化和好氧菌生长,但对厌氧菌无直接抑制作用,也无法干预酶活性。真空环境虽能抑制好氧菌,但可能导致厌氧菌(如乳酸菌、梭菌)增殖,且对内源性酶(如脂肪氧化酶)的活性无直接影响。因此,CO展现出更优异的保鲜功能,尤其在富含脂肪的食品(如牛肉)中效果显著[35]。
图5 牛肉贮藏过程中TBARS含量的变化
Fig.5 Changes of TBARS content during beef storage
3 结论
本实验研究了真空包装以及3种气调包装(N2、10% CO + 90% CO2、50% CO + 50% CO2)对15 d储存期内牛肉(西冷)保鲜效果。真空包装的牛肉汁液损失较为严重,且抑菌效果欠佳。N2包装保鲜效果上优于真空包装,但高脂肪食品保鲜过程中容易引发脂质和蛋白质氧化。相比之下,CO包装贮藏过程中表现出显著的抑菌效果,有效降低了牛肉中蛋白质和脂肪的氧化速率,并且还减少了汁液渗漏,提高肉质的保水率。综上所述,CO气体包装的牛肉品质更佳,保鲜性能方面表现突出,是一种较为理想的防腐保鲜方法。该研究为开发高效防腐贮藏技术奠定了理论基础,并为实际应用提供了可行性技术路径。
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