植物精油結合非熱殺菌技術在肉品中 應用的研究進展

石冬雪，韓 格，劉 騫，陳 倩，孔保華*

（東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

肉中富含蛋白質、維生素、礦物質和微量元素，是很多營養素的重要來源，肉類的多樣化營養成分為腐敗細菌和常見食源性病原體的生長和繁殖提供了理想環境。因此，在肉及肉制品加工生產過程中通過物理或化學技術手段處理可以提高產品質量，延長其保質期[1-2]。植物精油是植物中天然存在的低分子質量活性物質的 混合物，廣泛分布在植物的莖、葉、花、芽、果實、種子等部位，具有很好的抑菌效果。植物精油“天然、綠色、有機”的特點受到消費者的青睞，同時具有高揮發性、可生物降解性等優點，通常用于在食品加工領域代替合成防腐劑[3]。然而，植物精油具有不耐熱性及低水溶性的缺點[4]，在食品基質中難以發揮其生物活性和抑菌效率。此外，在食品體系中為了達到抑菌效果，通常需要高出體外實驗時所需植物精油的10～100 倍。但當植物精油的濃度超過某個臨界值時，就會產生強烈氣味，過量加入可能會對食品的感官品質造成不良影響[5]。另外，植物精油的穩定性也會限制其在食品中的應用[6]。近年來，許多學者針對植物精油穩定性問題進行了大量研究，已經提出了幾種有前景的策略來提高植物精油的穩定性，降低其對食品體系的不良風味影響，包括顆粒封裝、納米乳液、Pickering乳液、多層技術及靜電紡絲技術等[7-12]。

與傳統熱處理相似，新興非熱殺菌技術可以影響細胞的很多組織，如破壞細胞膜和使蛋白質變性等，從而導致細胞的死亡。不同之處在于新興非熱殺菌技術在一定溫度下就可以抑制細菌生長，但是它們對細菌的抑制作用有限[13]。近年來，國內外許多學者都認為，植物精油與新興非熱殺菌技術相結合，可以減少單一處理時的植物精油用量，以及降低新興非熱殺菌技術的功率，從而進一步增強對細菌的抑制作用，并延長食品保 質期[14]。本文著重闡述植物精油的活性成分和抑菌機制，以及其與冷等離子體、高壓及輻照3 種物理技術聯合使用對肉品品質和細菌生長抑制程度的影響，為植物精油和非熱殺菌技術協同處理在肉制品中的應用和推廣提供理論參考。

1 植物精油的化學成分及抑菌機制

1.1 植物精油的化學成分

植物精油是由芳香植物的次級代謝物產生的含有多種生物活性物質的混合物，具有揮發性、天然合成的優點，廣泛存在于植物的葉、莖、芽、種子、果實、腺體和花中[15]。植物精油中的揮發性化合物具有多種功能，包括抗菌、殺蟲、抗病毒作用，還能夠吸引某些昆蟲為植物授粉[10]。植物精油化學成分比較復雜，由碳氫化合物和含氧化合物組成，其中萜烯含量最多，如單萜烯、倍半萜和二萜，而含氧化合物主要包括酚類、醇類、醛類、酮類、酯類和氧化物[16-17]。天然精油包括牛至精油、肉桂精油、丁香精油、百里香精油等，植物精油主要成分包括百里酚、香芹酚、丁香酚、肉桂醛等，這些成分在可接受的每日攝入量限制下都是安全的。其中，酚類物質，如百里酚、香芹酚、丁香酚等在抗菌及抗氧化方面發揮著重要作用[5]。

1.2 植物精油的抑菌機制

植物精油化學成分復雜多樣，在細菌細胞中沒有特定的作用機制。目前，報道最多的抑菌機制之一是植物精油可以增加細胞膜的通透性。植物精油的親脂性促進了細胞質內成分的擴散和相互作用，導致細胞內容物外滲，從而導致細胞死亡。

植物精油中化學成分不同，對不同的細菌抑菌機制也有差異。Zhang Yunbin等[18]研究肉桂中提取的精油對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌O157:H7的抗菌活性及作用機制，肉桂精油對大腸桿菌O157:H7的抑制效果低于金黃色葡萄球菌，推測革蘭氏陰性菌對植物精油的敏感性低于革蘭氏陽性菌。具體來說，植物精油的抗菌作用是一個多靶點作用機制。可以從以下四方面抑制細菌活性[19]： 1）植物精油的活性分子作用于細胞壁的主要成分和細胞壁相關的關鍵酶，從而抑制細胞壁的合成；2）植物精油通過與細胞膜磷脂分子相互作用，改變細胞膜上脂肪酸的組分和結構，從而增加細胞膜通透性；3）植物精油通過破壞細菌DNA的結構，抑制其基因表達；4）植物精油通過影響細菌的呼吸代謝而抑制能量的產生，導致細菌死亡。此外，植物精油還可以通過調節抗氧化酶抑制細胞脂質過氧化，植物精油自身存在的酚類物質也進一步促進自由基的清除、金屬離子的螯合及單線態氧 淬滅[20]。因此，植物精油在抗氧化方面也發揮關鍵作用，有效避免肉及肉制品在加工和貯藏期間由于氧化作用導致顏色和氣味的劣變。

2 植物精油結合非熱殺菌技術對肉制品品質和保質期的影響

2.1 植物精油與冷等離子體技術的協同作用

等離子體通常被稱為物質的第4種狀態，它可以由任何中性氣體在高電壓下電離產生具有正、負電荷的離子、自由電子、自由基、激發或未激發的分子和原子及紫外光子等，整體呈中性[21]。當電子與其他氣體物質處于熱力學平衡狀態時，等離子體被歸類為高溫等離子體；當電子與其他氣體物質處于非平衡態時，等離子體被歸類為低溫等離子體，即冷等離子體[22]。冷等離子體在大氣壓或低壓（真空）條件下獲得，它的一個重要特征是能夠在接近環境溫度（30～60 ℃）下產生大量化學活性物質，如活性氧和活性氮。其中活性氧是指化學性質活躍的含氧原子或原子團，活性氮是指以一氧化氮為中心的衍生物[21]。冷等離子體技術應用于肉及肉制品加工是一項創新。冷等離子體對細菌的抑制能力主要取決于工藝中的處理參數，如氣體成分、氣流、電輸入和時間[23]。然而，冷等離子體產生的活性物質可能會促進肉制品的脂質氧化[24]，植物精油與冷等離子體結合可以減少處理時間、降低對產品品質的不良影響。

2.1.1 植物精油結合冷等離子體技術的抑菌機制

González-González等[25]假設了植物精油與冷等離子體2 項技術結合的滅菌機制。冷等離子體形成的活性成分與細胞中的生物分子之間產生有害的相互作用，導致脂質氧化、蛋白質中氨基酸氧化及DNA結構損 傷等[26]。其次，細菌細胞易受到活性氧強烈攻擊，活性氧被吸收到細胞膜表面形成揮發性化合物，即“蝕刻”作用[22]。“蝕刻”破壞細菌細胞壁和細胞膜，這種破壞現象無法在有限時間內快速修復，最終導致細菌細胞死亡。Sun Yanzhou等[27]證明冷等離子體破壞了金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的細胞膜。與革蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌相比，革蘭氏陰性的大腸桿菌細胞膜更薄，其細菌活性更容易受到抑制。此外，在冷等離子體應用期間，細胞暴露于冷等離子體產生的電場中，高電荷產生的靜電張力會進一步破壞細胞結構。紫外線、光子和活性氧自由基對DNA的共同作用使DNA鏈斷裂形成胸腺嘧啶二聚體，抑制細菌的復制能力[26]。Yoo等[28]證明冷等離子體與植物精油協同處理能明顯提高抑菌效果，其原因并不是冷等離子體引起了植物精油成分的變化，他們認為植物精油和冷等離子體的聯合處理共同導致細菌結構變化，破壞其細胞膜，進一步增加細胞膜的通透性，從而加重細胞內DNA和蛋白質的滲漏。另外，植物精油與冷等離子體技術聯合使用時，由于冷等離子體具有“蝕刻”作用，導致細菌細胞膜表面形成電穿孔，使植物精油更容易滲透到細菌細胞中，從而提高對細菌的抑制率。總之，植物精油與冷等離子體協同處理有助于改變冷等離子體單獨處理時僅在食品表面發揮抑菌作用的局限性。

2.1.2 植物精油結合冷等離子體的應用及對肉品品質和微生物抑制程度的影響

在實際應用中，考慮到植物精油的不穩定性，常采用一些策略進行封裝。例如，Zhu Yulin等[29]將肉豆蔻中提取的精油用脂質體封裝，結合冷等離子體應用于豬肉糜中。此外，將植物精油與其他材料制成可食用復合膜，利用冷等離子體控制植物精油在可食用復合膜中的釋放也成為植物精油與冷等離子體聯合處理的一種方式上的創新[30-32]。Qian Jing等[30]將植物精油加入到肌原纖維蛋白制成可食用復合膜，用于包裝牛肉餅，然后將可食用復合膜包裝好的牛肉餅進行冷等離子體處理。結果證實冷等離子體的應用促進了植物精油從可食用復合膜中向肉中擴散。Ehsan等[31]用冷等離子體技術改良含有不同濃度植物精油的殼聚糖-低密度聚乙烯雙層膜的性質，并探究雙層膜對雞胸肉片感官品質的影響。Lin Lin等[32]利用絲素納米纖維蛋白包埋百里香精油制備活性抗菌包裝膜，通過冷等離子體技術改性，結果表明，冷等離子體處理后百里香精油釋放量明顯提高。

目前已有研究證明植物精油與冷等離子體聯合殺菌技術可以有效抑制肉制品中細菌生長。Yoo等[28]研究植物精油和冷等離子體單獨或聯合使用對大腸桿菌O157:H7和金黃色葡萄球菌的抑菌作用，結果表明，植物精油或冷等離子體單一處理時，2 種細菌減少量小于 3.0（lg（CFU/mL）），而植物精油與冷等離子體聯合處理時，2 種細菌的減少量超過7.5（lg（CFU/mL）），證實聯合處理具有良好抑菌性。植物精油與冷等離子體聯合處理可以降低植物精油濃度、冷等離子體功率，縮短聯合處理時間。Cui Haiying等[33]研究冷等離子體和植物精油對單核細胞增生李斯特菌的協同抗菌作用。結果表明，單獨使用植物精油或冷等離子體，達到相近的抗菌效果所需的植物精油濃度及冷等離子體功率更高，植物精油和冷等離子體聯合處理所需時間更短、單核細胞增生李斯特菌的失活率更高。此外，植物精油與冷等離子體聯合殺菌技術可以延長貯藏期，提高肉類產品品質。Zhu Yulin[29]、Sahebkar[34]等分別將植物精油與冷等離子體聯合應用到豬肉糜和雞胸肉的腌料中，產品的脂肪氧化、蛋白質的氧化和降解受到抑制，微觀結構、持水能力及黏彈性都得到很好的改善。聯合殺菌技術對產品的氣味、風味及整體可接受性沒有不良影響。因此，冷等離子體與植物精油聯合處理抑制了食品中食源性致病菌的生長，降低植物精油濃度和冷等離子體處理功率，縮短處理時間，使加工過程的處理條件更為溫和，有利于改善單獨處理時產品品質的下降。

2.2 植物精油與高壓技術的協同作用

高壓是一種常用的非熱處理技術，相比于傳統的熱殺菌方式，高壓技術能耗相對較低[35]，因此成為食品加工中的一項新興殺菌技術。一般來說，在100～800 MPa的壓力下能夠有效抑制食品中細菌生長，延長食品的保質期[36]。而對于肉及肉制品這一食品基質，300 MPa以上壓力會觸發肉的脂質氧化和蛋白質氧化，使肉類的顏色、滋氣味變差，從而喪失其營養價值[37-39]。同時，由于微生物對壓力的敏感性不同，部分細菌對壓力有很強的耐受性，在較低的壓力下可能會引起亞致死性損傷，環境條件適宜時損傷得以修復，這限制了高壓技術在食品中的應用[40]。因此，借助于柵欄效應將高壓與植物精油聯合，可以有效降低單一處理所需的高壓力，并能有效降低對產品品質的不良影響。

2.2.1 植物精油結合高壓技術的抑菌機制

細菌對高壓的耐受性取決于革蘭氏菌的類型、生長階段、菌株和種類。一般來說，革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌更耐高壓，遲緩期細菌細胞比指數生長期細菌細胞 更耐高壓[41-42]。高壓和植物精油均可破壞細菌細胞結 構[43-44]。與冷等離子體不同，高壓主要通過一系列物理化學反應破壞菌體細胞膜，致使內容物外泄，結構被破壞， 同時膜蛋白、核糖體和細胞代謝等均受到高壓的作用，從而抑制微生物的生物活性[45]。高壓促使微生物細胞內蛋白質變性，抑制細菌細胞中DNA、RNA或蛋白質合成，從而抑制細胞生長[46]。高壓也可能會改變細胞器，使細胞延長、形成毛孔、釋放細胞內成分[47-48]。徐永霞等[49]認為，植物精油中的疏水性成分可以使菌體細胞膜的通透性增強，某些醛基能夠與細菌中的蛋白質和酶作用，破壞細菌的正常生理代謝，從而達到抑菌效果。姜雪等[50]認為，超高壓與肉桂醛的抑菌機制主要為滅活細菌孢子，而這種結合作用可以提高滅活速率，增強滅菌效果，促進亞致死損傷菌群的過度增生。另外，有研究[51]表明，高壓誘導分子間相互作用的主要靶點是 非共價鍵，不會破壞蛋白質的一級結構，植物精油中具有共價結構的小分子質量物質在經過高壓處理后保留下來，并繼續發揮其抗菌作用。

2.2.2 植物精油結合高壓對肉品品質及微生物抑制程度的影響

高壓和植物精油聯合處理可應用于抑制生肉中的腐敗細菌生長，并縮短高壓處理時間、降低高壓強度等加工參數。高壓和植物精油對生肉中細菌病原體的聯合作用如表1所示。

Chien等[52]在350～400 MPa壓力下將幾種植物精油混合，并將其應用于新鮮碎牛肉中，使其大腸桿菌數量減少3～6（lg（CFU/g））。Sheen等[53]對比高壓和反式肉桂醛脅迫對碎雞肉中的大腸桿菌O157:H7和泌尿致病性大腸桿菌的抗性影響，結果表明，聯合處理對2 種細菌的抑制效果更佳。高壓和植物精油聯合處理也用于抑制水產品中細菌的生長。肉桂醛是一種廣泛存在于肉桂、藿香、桂皮等天然植物精油中的化合物，徐永霞等[49]研究肉桂醛、高壓及二者聯合處理對牙鲆魚片冷藏期間品質變化的影響，結果表明，植物精油與高壓聯合處理能顯著抑制牙鲆魚片貯藏過程中細菌生長，其貨架期延長約8 d，在貯藏期間對牙鲆魚片硬度、彈性、咀嚼度等特性無不良影響。Joaquín等[58]將新鮮三文魚生魚片用一種含有植物精油的明膠-殼聚糖可食用薄膜進行真空包裝，隨后進行高壓處理，該方法可以抑制魚肉中假單胞菌的增殖，降低魚肉的脂質氧化，從而延長三文魚生魚片的保質期。

2.3 植物精油與輻照技術的協同作用

輻照處理是將食品暴露于電離輻射中，達到抑制細菌生長目的的加工技術。目前食品輻照技術有3 種類型：γ射線、X射線和電子束，其中以放射性同位素60Co為輻照源的γ射線穿透力較強，對肉類殺菌效果更強[59]。輻照對肉類食品中致病微生物的生長起到了很好的抑制作用，但是同時也會降低肉類的感官質量。輻照會對肉類風味、色澤、營養及品質產生不利影響，加速脂肪氧化、變色、異味等[60-61]。為了避免輻照對產品感官品質的不良影響，在實際應用中添加植物精油作為抗氧化劑，可以有效抑制輻射對食品的不良影響。

2.3.1 植物精油結合輻照技術的抑菌機制

γ射線可以直接破壞微生物DNA中的化學鍵，也可以通過水分解產生活性氧間接破壞細菌細胞膜和染色 體[60]。植物精油和輻照能使細胞膜的完整性發生變化，將細菌細胞內主要成分釋放出來，細胞內部ATP含量和pH值降低，從而起到抑菌作用。2 項技術聯合促進了植物精油中發揮抗菌作用的活性成分與細胞膜之間接觸，增加了食品中的細菌失活率[62]。魏倩倩[63]對γ射線和肉桂精油聯合作用的抑菌機制展開研究，γ射線與植物精油聯合處理對菌體細胞外部形態有很大影響，不僅使表面粗糙，而且造成部分細胞外形受損；腐敗希瓦氏菌的細胞膜通透性發生變化，其生理活性發生紊亂，γ射線和肉桂精油聯合作用效果優于單獨使用γ射線或植物精油處理。此外，在聯合處理過程中，在腐敗希瓦氏菌的影響下，肉桂精油的主要組分肉桂醛被轉化成肉桂醇，肉桂醇又發生了進一步轉化，涉及到的機制相對復雜，還需深入研究。此外，由于植物精油的不穩定性，在食品中常制備成納米乳液或薄膜，而輻照可以顯著提高薄膜的拉伸強度和模量，并延長活性成分的控釋，提高抗菌效果[64]。

表 1 高壓和植物精油對生肉中細菌病原體的聯合作用Table 1 Combined effects of high pressure processing and essential oils on the reduction of bacterial pathogens in raw meat

2.3.2 植物精油結合輻照對肉制品品質及微生物抑制程度的影響

輻照與植物精油聯合，增強了對食源性病原菌的抑制程度，在不影響肉品品質的同時降低了輻照劑量。輻照與植物精油聯合處理可應用于生肉及加工肉制品中，延長肉及肉制品的保質期。Hu Ziyi等[65]將殼聚糖-丁香酚與輻照聯合使用，使鮮豬肉中金黃色葡萄球菌和沙門氏菌的減少量超過5（lg（CFU/g）），延緩了加工過程中的脂肪氧化。Shankar等[66]將柑橘精油和肉桂精油的混合物與輻照聯合使用，將新鮮魚片的保質期從7 d延長到28 d以上。Quattara等[67]通過大豆或乳清分離蛋白制備負載不同濃度植物精油的抗菌涂層，與輻照聯合處理預煮蝦，惡臭假單胞菌減少，保質期至少延長12 d，并且未觀察到輻照對感官參數（外觀、氣味和味道）的不利影響。Huq等[68]使用植物精油和乳酸鏈球菌素的微膠囊化抗菌制劑與輻照聯合處理即食火腿，在貯存過程中顯示出協同抗菌作用，抑制細菌生長的時間長達28 d。 Ji Jiali等[69]用海藻酸鹽或海藻酸鹽-纖維素納米晶體封裝植物精油，與輻照聯合作用于乳酸菌發酵風干腸，抑制了抗性大腸桿菌O157:H7在干燥和酸性條件下的生長，風干腸貯存時間長達20 周。

3 結 語

本文主要介紹了植物精油與冷等離子體、高壓、輻照3 種非熱處理技術結合在肉類產品中的實際應用，針對聯合處理在肉品中抑制細菌生長、品質改善等方面的影響展開論述。在單獨使用植物精油或新興非熱技術處理時，殺菌效果易受到植物精油濃度、非熱殺菌技術的工藝條件及處理時間等因素制約，肉及肉制品的微生物抑制程度不徹底，或產品出現蛋白質氧化、脂肪氧化等現象，影響產品質量。植物精油和非熱處理結合能有效抑制肉及肉制品中細菌生長，并減少植物精油的用量，降低非熱處理技術的工藝強度，從而降低非熱技術對肉類產品感官品質和理化特性的不良影響。植物精油與新興非熱技術結合具有廣闊的發展前景，以微米或納米封裝的植物精油和非熱技術結合的智能包裝，有望替代肉類加工貯藏過程中使用的傳統常規處理工藝。