天然保鮮劑的作用機理及其在調理肉制品中的應用研究進展

王春幸,張東,賀稚非,2,李芳,陳茹,李洪軍,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶,400715)

現代社會快節奏的都市生活使人們沒有更多的時間消耗在廚房,簡單、方便、美味的調理肉制品應運而生。數據表明,調理肉制品年均增長率達24% 以上[1],成為新時代更多家庭和餐館的選擇。調理肉制品是以畜禽肉為主要原料,絞制或切制后添加調味料、蔬菜等輔料,經滾揉、攪拌、調味或預加熱等工藝加工而成。并在冷藏或凍藏條件下貯藏、運輸及銷售,食用前需經二次加工的非即食類肉制品[2]。按加熱工藝可分為預制調理肉制品和預加熱調理肉制品；按貯藏方式可分為冷藏調理肉制品和冷凍調理肉制品。

隨著消費者對調理肉制品的需求量不斷增長,由調理肉制品引發的安全性問題也日益突出。調理肉制品在加工過程中不能徹底殺滅微生物,并且在貯藏、運輸和銷售中也容易滋生細菌,從而影響消費者的飲食安全。其中最易污染調理肉制品的微生物有單核細胞增生李斯特菌、金黃色葡萄球菌、乳酸菌、沙門氏菌等[3]。此外,調理肉制品在低溫貯藏中,蛋白質和脂肪也會發生氧化反應,影響感官風味、降低產品質量。針對這些安全性問題,國內外研究學者開發出多種保鮮技術,旨在延長調理肉制品的貨架期。常見的保鮮技術有物理保鮮、化學保鮮和天然保鮮等。物理保鮮包括高壓、超聲波、微波輻照、脈沖電場、等離子體處理、氣調包裝等[4],能有效改善肉品質,延長貨架期,但操作復雜,需要特定設備,成本較高。常見的化學保鮮劑包括有機酸及其鹽類、丁基羥基茴香醚、二丁基羥基甲苯、乙二胺四乙酸等,操作容易,效果明顯,成本低,但隨著研究的深入,其安全性受到爭議,對健康具有負面影響[5]。天然保鮮包括殼聚糖、溶菌酶、茶多酚、植物精油、香辛料提取物、乳酸鏈球菌素、ε-聚賴氨酸等,在自然界中來源豐富,無毒無害,廣譜高效,因此消費者更傾向于選擇天然保鮮劑[6]。

天然保鮮劑主要通過控制調理肉制品的微生物繁殖[7-8]、脂質氧化[9-10]、色澤變化[11-12],以及改善感官品質[9,12]等達到防腐保鮮的效果。國內外關于天然保鮮劑在調理肉制品中的應用研究頗多,主要集中于天然保鮮劑的組成(單一或混合)[13-14]和應用形式(直接添加[15]、涂層[16]、浸漬[17]、納米復合膜[18]等)等對調理肉制品保鮮效果的影響。目前,國內還缺乏對天然保鮮劑在調理肉制品中應用的系統分析,特別是天然保鮮劑作用機理的系統歸納總結。本文綜述了天然保鮮劑的作用機制以及近年來國內外關于天然保鮮技術在調理肉制品中應用的研究進展,旨在為調理肉制品天然保鮮劑的選擇提供一定理論參考,促進我國調理肉制品產業更快更好地發展,使得國民飲食更加安全、健康、營養。

1 天然保鮮劑的概述

1.1 天然保鮮劑的定義

天然保鮮劑是指從動物、植物、微生物中提取或利用生物工程技術獲得能夠對食品進行保鮮、對人體安全的天然有效成分[19]。其在自然界中來源廣泛、成本相對較低,越來越多地應用在肉制品中。在調理肉制品中使用天然保鮮劑的原因主要有3個：抑制微生物生長、蛋白和脂質氧化以及延長產品貨架期。

1.2 天然保鮮劑的分類

天然保鮮劑按來源可分為動物源、植物源、微生物源保鮮劑。動物源保鮮劑是指從動物本身或其分泌物中提取出來的天然物質,品種較多,目前廣泛應用于調理肉制品中的有殼聚糖、溶菌酶、蜂膠、魚精蛋白、乳鐵蛋白等,主要起到抑菌防腐的作用。特點是高效、安全健康、無毒副作用,但提取工藝復雜,在一定程度上限制了推廣應用。

植物源保鮮劑是指從植物中草藥或香辛料中提取,除了調味增香、抑菌防腐之外,也具有抗氧化除臭的作用。目前廣泛應用于調理肉制品中的有茶多酚(tea polyphenols,TP)、兒茶素、迷迭香提取物(rosemary extract,RE)、牛至精油(oregano essential oil,OEO)、香辛料提取物、葡萄籽提取物(grape seed extract,GSE)、蔓越莓提取物等。特點是安全、來源豐富和價格低廉,還能賦予特殊風味和保健功能,但也存在氣味強烈、影響食品風味等缺點。

微生物源保鮮劑按成分可分為微生物菌體、微生物代謝物和微生物發酵液等。目前廣泛應用于調理肉制品中的有乳酸鏈球菌素、納他霉素、ε-聚賴氨酸等。特點是專一性強,針對特定微生物,抑菌效果好。然而,單一的保鮮劑并不能滿足需求,因此,常采用多種保鮮劑的協同作用以提高保鮮效果。表1列舉了11種常見天然保鮮劑的特性。

表1 常見天然保鮮劑的特性[19-21]Table 1 Characteristics of common natural preservatives

2 天然保鮮劑的作用機理

2.1 天然保鮮劑的抑菌機理

2.1.1 破壞細菌的細胞壁和細胞膜

微生物的細胞壁可以維持細胞穩定的形態,起到保護細胞的作用。微生物的細胞膜可以控制物質進出細胞及細胞間的信息交流,保持細胞內部環境的相對穩定。殼聚糖帶正電,與帶有負電荷的細菌細胞膜結合,從而破壞細菌的細胞壁和細胞膜[22],影響細菌正常的生理功能,導致微生物的死亡。溶菌酶會裂解細胞壁中肽聚糖骨架的β-1,4糖苷鍵,使不溶性粘多糖分解成可溶性糖肽,導致細胞壁破裂內容物溶出而使細菌溶解[23]。蜂膠的抑菌機理是,蜂膠提取物表面帶正電的基團與細菌表面陰離子位點之間發生靜電相互作用,從而使細菌細胞發生破裂和裂解[24]。牛至精油具有高度疏水性,會造成細胞壁松弛,細胞膜通透性增大,從而破壞細菌細胞膜和細胞壁來達到抑菌效果[25]。麥角固醇是微生物細胞質膜的重要組成部分,是發芽孢子和營養菌絲的生長尖端。研究表明,納他霉素能與麥角固醇結合,從而干擾細胞活動,例如細胞膜的運輸和融合[26],還會以可逆的方式抑制氨基酸和糖類向細胞內的轉運[27],最終引起細胞死亡。

2.1.2 影響細胞能量代謝

細胞壁和細胞膜的破壞會影響其能量代謝系統,導致微生物生長受阻。琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase,SDH)是線粒體內膜結合的多亞基連接酶,是細胞能量代謝的關鍵酶,其活性可作為評價三羧酸循環運行程度的指標。蘋果酸脫氫酶(malate dehydrogenase,MDH)是三羧酸循環中的關鍵酶,對于細胞生長、代謝和增殖至關重要。CUI等[28]研究發現五味子提取物作用于大腸桿菌的細胞膜,可導致其通透性改變,并影響細胞能量代謝,降低SDH、MDH和總ATP酶的活性,進而抑制細胞膜吸收養分和代謝產物,導致微生物死亡。LIN等[29]研究發現ε-聚賴氨酸通過影響葡萄糖代謝的EMP途徑,從而抑制單核細胞增生李斯特菌的呼吸代謝作用。研究表明,魚精蛋白破壞細胞膜的通透性,導致K+、ATP和其他細胞成分的泄漏,從而影響能量轉移和細菌細胞中營養物質的積累[30]。

2.1.3 對蛋白質和DNA的影響

保鮮劑通過破壞細菌能量代謝系統,會造成DNA復制和蛋白質合成受阻,從而引起細胞凋亡。殼聚糖能夠改變細胞膜通透性,使得小分子殼聚糖進入細菌內部,與細胞內的DNA和蛋白質結合[31],造成細菌死亡。溶菌酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用,溶菌酶與病毒中RNA結合使病毒失活[32]。迷迭香提取物會影響細菌細胞膜通透性,進而干擾DNA復制和蛋白質代謝,使細菌代謝發生紊亂,從而發揮一定的抑菌作用[33]。研究發現,ε-聚賴氨酸與DNA之間存在強相互作用,可以阻礙DNA的復制,導致DNA片段化[34],還會干擾大腸桿菌中的蛋白質合成,蛋白質發生部分或全部降解[35],從而導致細胞快速死亡。

2.2 天然保鮮劑的抗氧化機理

2.2.1 清除自由基

肉制品在加工貯藏中受到外界影響會產生大量自由基,自由基具有極強的氧化能力,會引起脂質和蛋白質發生氧化反應。研究發現,植物中含有大量的酚類物質,能和自由基結合從而起到抗氧化的作用。茶多酚的酚羥基可以與活性氧結合,形成相對穩定的酚氧自由基,從而終止了自由基的自氧化反應[11]。研究表明,鼠尾草葉的水提物和醇提物的主要活性物質是黃酮類和酚類,具有清除自由基和抗氧化作用[36]。GANTNER等[37]研究發現添加到肉丸中的鼠尾草提取物由于含有豐富的酚類化合物而具有較高的抗氧化能力,從而延遲了脂質氧化產物的形成。SHARMA等[38]將植物精油添加到乳化雞肉香腸中,結果顯示總酚含量和DPPH自由基清除率顯著高于對照組,能有效提高產品貯藏穩定性。

2.2.2 調節酶活力

天然保鮮劑可以調節某些氧化酶和抗氧化酶的活性,從而延緩或抑制肉制品的氧化程度。LI等[39]研究發現兒茶素可以抑制黃嘌呤氧化酶,還能增強某些抗氧化酶的表達,如過氧化氫酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)[40]。谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)可以消除機體內的過氧化氫及脂質過氧化物,阻斷活性氧自由基對機體的進一步損傷,是生物機體內重要的抗氧化酶之一。研究發現,葡萄籽提取物可以通過提高CAT、SOD、GSH-Px和總抗氧化能力,并降低血清丙二醛含量以抑制氧化作用。這表明葡萄籽提取物是一種有效的抗氧化劑,可以通過激活抗氧化劑酶系統來降低反應性自由基和氧化應激[12]。蔓越莓提取物中的類黃酮含量豐富,表現出強大的抗氧化活性,能夠對內源性抗氧化酶(如CAT、SOD、GSH-Px、谷胱甘肽還原酶等)起到保護作用[41]。

2.2.3 螯合金屬離子

金屬離子極易催化脂質、蛋白質和其他細胞組分發生氧化,天然保鮮劑可與金屬離子形成螯合物,降低金屬離子對氧化作用的催化活性。Fe2+從血紅素色素和亞鐵蛋白中釋放出,是脂質和蛋白質氧化的重要催化劑。天然酚類物質能夠與Fe2+、Ca2+、Mg2+、Cu2+等螯合,阻止金屬離子的催化氧化作用[42]。SHARMA等[43]通過研究認為,紅茶中的茶黃素與兒茶素相比具有更高的Cu2+螯合能力,這歸因于茶黃素的稠合環和側鏈上含有更多的OH基團。XU等[44]研究發現L-賴氨酸(Lys)和L-精氨酸(Arg)具有很強的Fe2+螯合能力,螯合速率隨著Lys和Arg水平的升高而顯著增加。這種螯合作用降低了游離Fe2+的濃度,有效防止脂質和蛋白質氧化。

3 天然保鮮劑在調理肉制品中的應用

3.1 天然保鮮劑在預制調理肉制品中的應用

預制調理肉制品是指在原料肉中加入食鹽、香辛料等輔料,經過腌制、滾揉、成型等加工過程而制成的一類肉制品[2]。常見的預制調理肉制品有骨肉相連、雞柳、肉餅、漢堡、重組牛排等。這類肉制品不經加熱,在加工環節易帶入微生物,在冷藏或凍藏期間引起細菌滋生、蛋白分解,造成品質的下降。因此選擇適宜的保鮮劑,對于保證預制調理肉制品安全具有重要意義。保鮮劑的作用效果主要是由其所含的活性物質所決定。殷燕等[45]研究分析迷迭香提取物中的迷迭香酸和鼠尾草酸通過改變細胞膜通透性達到抑菌的效果,同時迷迭香酸、鼠尾草酸和迷迭香酚可以取代自由基作用于不飽和脂肪酸,達到抑制脂肪氧化的效果，結果表明,與對照組相比,迷迭香提取物添加量為0.06% 時對冷藏調理豬肉餅抑菌、抗氧化能力均有顯著提高,且對肉餅的感官質量沒有造成不良影響。VARGAS-SANCHEZ等[46]研究了蜂膠提取物對冷藏過程中牛肉餡餅脂質氧化和微生物生長的影響。結果表明添加2% 蜂膠,處理8 d后與對照組相比,冷藏牛肉餡餅的硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)值降低了78.54%,嗜冷微生物菌落總數降低了27.03%。這是因為蜂膠提取物中的多酚和黃酮類物質可以充當還原劑,通過螯合金屬離子和清除單線態氧,抑制牛肉餡餅的氧化。同時蜂膠提取物含有的有機酸類和萜烯類能破壞菌體結構,從而抑制微生物生長。

研究表明,殼聚糖具有較高的成膜性和安全性,目前研究較多的是將殼聚糖與其他保鮮劑復合使用,或者制成包裝材料薄膜,可通過噴涂、浸泡、涂膜或包裝來應用,減少對產品本身造成影響。GIATRAKOU等[7]研究表明,殼聚糖和百里香精油添加比例為1.5%∶0.2% 時,能有效抑制麻辣雞肉串中假單胞菌、嗜熱芽孢桿菌、乳酸菌等的生長,并改善感官特性。李鑫玲等[13]對比殼聚糖以及殼聚糖和丁香精油復合涂膜對調理豬排貯藏品質的影響,結果表明復合涂膜能更好抑制調理豬排的脂質和蛋白氧化程度,降低菌落總數,有效延長豬排冷藏期間的貨架期。QIN等[12]研究了茶多酚和殼聚糖包裝膜對調理豬肉餡餅的品質影響,結果表示復合膜能阻止TBA值和高鐵肌紅蛋白的增加,且能保持較好的感官接受度,與對照組相比,貨架期有效延長6 d。AMJADI等[18]研究發現殼聚糖納米顆粒和明膠復合薄膜能顯著降低雞柳中食源性致病菌(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌)的生長,并有效控制pH值和色澤變化,延長產品保質期。主要是因為明膠和殼聚糖能夠通過靜電作用和氫鍵相互反應,從而改善復合膜理化性質,增強保鮮效果[47]。

3.2 天然保鮮劑在預加熱調理肉制品中的應用

預加熱調理肉制品是指原料預制后,經蒸煮或油炸等工藝,使之成型或部分熟化的肉制品[2]。常見的預加熱調理肉制品有肉丸、火腿、香腸、午餐肉、肉餅等。這類肉制品經過加熱,因此在貯運過程中防止發生氧化和微生物污染,保持產品品質至關重要。CHINPRAHAST等[15]研究表明將3.2%的迷迭香葉添加到調理豬肉餡餅中,可以改善豬肉餡餅的風味,并改善其氧化穩定性,且理化指標、感官和微生物質量方面沒有產生不利影響。SUMONSIRI等[48]研究乳酸鏈球菌素添加量對冷藏豬肉丸品質的影響程度,結果表明,乳酸鏈球菌素主要破壞嗜溫需氧微生物的細胞質膜,其中25.0 mg/kg的乳酸鏈球菌素在微生物生長抑制方面最有效,在貯藏期15 d內可保持肉丸的品質。ANTONIADOU等[8]探究了殼聚糖涂層對調理牛肉丸保質期的影響以及冷藏過程中微生物的控制,結果表明,可食性殼聚糖涂層能夠破壞有氧活菌、李斯特菌、乳酸菌和腸桿菌科等微生物的細胞膜,與對照組相比,可將調理肉丸保質期延長14 d。

單一保鮮劑在防腐保鮮效果上存在局限性,多種天然保鮮劑的聯合使用正逐漸成為調理肉制品品質保鮮研究的趨勢。姚永杰等[17]針對水晶肴肉中特定腐敗菌,復配抑菌液最優組合為468 mg/kg 乳酸鏈球菌素、39 mg/kg ε-聚賴氨酸、312.5 mg/kg 茶多酚和234.25 mg/kg肉桂醛,在貯藏15 d時細菌總數抑制率可達到74%,能有效控制肴肉中微生物生長。香辛料提取物在防腐保鮮的同時,能改善產品風味,且成本較低,在調理肉制品保鮮中最為常見。DIAO等[16]研究了大蒜水提取物-羧甲基殼聚糖涂層對即食五香雞肉貨架期的影響,結果表明,涂層有效抑制了微生物的生長,并且可以延遲冷藏中雞肉蛋白質分解和脂質氧化的速率,且對感官品質沒有負面影響,貨架期為6 d。ARAUJO等[49]研究證實大蒜精油和乳酸鏈球菌素能顯著降低大腸桿菌和乳酸菌的菌落總數,并保持香腸的紅色和pH值,感官評估表明與對照組相比雖有顯著差異(P<0.05),但2種含有天然抗菌劑的香腸都能被專家接受,具有商業開發潛力。精油的抗氧化作用可以歸因于其螯合自由基以及抑制水解和氧化酶的能力。蔡華珍等[14]研究香辛料復配精油最佳組合是：0.1%八角精油、0.08%花椒精油、0.04%桂皮精油,能使調理雞肉串在4 ℃下保鮮20 d,同時能使產品保持復合香味濃郁、略帶麻辣香味,風味最佳。

4 展望

當下調理肉制品行業發展迅速,能否實現規?；?、商業化加工,取決于技術的成熟和品質的把控。目前,天然保鮮劑的開發與應用是研究的熱點,也逐漸應用到調理肉制品的生產加工中,但還未得到廣泛推廣,主要原因有作用效果單一、影響感官質量等,針對天然保鮮劑存在的這些問題,提出其未來研究應用趨勢如下：

(1)某些天然保鮮劑直接從生物體內分離提取得到,而對于其發揮作用的單體物質以及成分結構尚不明確。因此,需要重點研究保鮮機理,從更深層面解釋保鮮效果。同時,新型天然保鮮劑必須無毒無害,經過大量的實驗驗證及毒理學檢驗,保證天然保鮮劑的安全性。

(2)天然保鮮劑的傳統提取技術復雜,成本相對較高,且提取得到的保鮮劑存在氣味強烈、作用效果單一、與食物成分發生反應等缺點,限制了某些保鮮劑的應用。因此,采用生物工程技術進行制備,根據保鮮劑的特性,與其他類型保鮮劑復配使用,選擇合適的應用形式,揚長避短,更好發揮保鮮劑的作用。

(3)某些天然保鮮劑可作為飼料添加劑應用于畜禽生產,明顯提高畜禽生長性能和飼料利用率,降低發病率和死亡率,提高肉制品品質。因此,今后應當開發出更多可添加于畜禽日糧中的天然抗菌劑或抗氧化劑,增強免疫功能,從源頭改善調理肉制品原料肉品質。

(4)在對天然保鮮劑各方面進行廣泛深入研究的同時,有關部門需不斷制定完善天然保鮮劑的使用范圍、方法、劑量等標準規定,使我國天然保鮮劑的研究工作更趨深入和完善。