天然活性包裝膜在冷凍肉貯藏中的應用研究進展

李波，李帆，陳明繪，趙電波，白艷紅

（1.鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院，鄭州 450001；2.河南省冷鏈食品質量安全控制重點實驗室，鄭州 450001）

低溫冷凍是肉品廣泛使用的保藏方式，可以有效減緩生化反應，降低微生物的生長速度[1]。然而，在凍結過程中會形成大且不規則的冰晶，破壞肌肉組織，降低其保水性，加劇脂肪和蛋白質的氧化分解。更為嚴重的是，在實際生產、貯藏和銷售過程中，由于冷鏈物流體系的不完善和運輸環境的復雜多變，易造成溫度波動或冷鏈銜接間斷，使得肉品經歷反復冷凍–解凍（凍融）過程[2]。研究表明，反復凍融會造成冰晶大小形態變化，長大的冰晶對肉體系產生機械破壞作用，并且誘發脂肪和蛋白氧化變性連鎖反應，進一步加劇冷凍肉感官品質、營養價值、功能性質及食用品質的下降[3]。

目前，研究者通過物理場輔助冷凍解凍技術（如高壓、超聲波和電磁）以及添加生物活性抗凍物質（如冰核蛋白、抗凍蛋白、碳水化合物、多酚等）調節冰晶形態，降低反復凍融對肉及肉制品的負面影響[4,5]。然而，快速冷凍解凍技術成本高、操作復雜；直接添加生物活性抗凍物質存在分布不均、與肉品基質反應等問題。近年來，搭載功能性物質的活性包裝在食品保鮮領域得到了廣泛的研究，利用抗菌抗氧化功能性成分的緩慢釋放及包裝的阻隔性，可有效提高肉品的食用品質和延長其貨架期。本文首先簡要總結反復凍融對冷凍肉品質的影響規律，然后歸納肉品包裝中常用的天然活性物質、活性包裝膜成膜工藝，以及活性包裝膜在冷凍肉貯藏中的應用研究進展，并且對現有研究存在的局限和未來研究方向進行討論，以期為天然活性包裝在冷凍肉保鮮中的深入研究與應用提供參考。

1 反復凍融對肉品品質的影響

1.1 反復凍融對冰晶的影響

肉品冷凍過程中，當處于平衡溫度以下時，水分子發生過冷沉淀，形成冰晶，冰晶會造成肉品汁液損失和脂肪蛋白質氧化[5]。反復凍融過程中，當溫度升高時，肉品細胞內的冰晶融化，蒸汽壓差促使水分子穿過細胞膜分布在細胞間隙中；肉品再次凍結后，由于熱力學效應，少部分水分子相互組合生成晶核，隨后晶核與周圍水分子連續組合，肉品組織內小冰晶逐步變成大冰晶[6]。冰晶的重結晶和聚集會對肉品造成更大的質量損傷，加劇冷凍肉品質劣變。

1.2 反復凍融對肉品色澤的影響

反復凍融過程中的溫度變化會促進肉品內部氧化物生成，加劇肉品色澤劣變[7]。Wang 等[8]研究表明，經過5 次凍融循環后，肉餅紅度顯著降低，亮度和黃度顯著增加。通常紅度值改變與肌紅蛋白的氧化還原過程相關，反復凍融會增加肌紅蛋白發生氧化還原反應的概率，導致肉品表面色澤的變化。凍融循環時溫度波動引起的脂肪氧化也會使肉品黃度值增加。此外，肌肉組織內發生的生化反應和耐冷菌產生的色素也會導致肉品色澤惡化[9]。

1.3 反復凍融對肉品保水性的影響

反復凍融過程中形成的大冰晶會破壞肉品細胞結構，導致肉品組織內汁液流失嚴重，使其持水力下降[8]。反復凍融對肌原纖維蛋白的損害也會引起肉品持水能力下降[10]。Zhang 等[11]研究發現，隨著反復凍融次數的增多，肌原纖維蛋白酶的活性逐漸下降，肉品持水性逐漸降低。

1.4 反復凍融對肉品質構特性的影響

質構特性直接反映肉品的食用品質。有研究發現，與新鮮肉相比，肉品在經歷反復凍融后其嫩度無顯著變化，但硬度、咀嚼性、彈性總體呈降低趨勢，肉品黏附性增加[12]。反復凍融使肉品汁液流失加重，肌原纖維降解，由此造成肉品的硬度、彈性和其他質構特性下降[13]。與此同時，微生物的作用使肉品腐敗速度加快，產生黏液，進而使肉品黏附性增強[14]。

1.5 反復凍融對肉品pH 的影響

反復凍融過程中肉品pH 值呈現先降低后逐漸升高的趨勢。pH 值的降低可能是肉中的中性脂肪酸和磷脂酶解產生了游離脂肪酸，后期上升可能是由于肉品內部的蛋白質降解，產生大量的堿性氨基酸[15]。同時，微生物酶分解蛋白質生成的大量堿性化合物也會使pH 值升高[16]。

1.6 反復凍融對肉品氧化的影響

反復凍融能夠引起肉品蛋白質和脂肪氧化。研究表明，在經歷反復凍融后，肉品內部所形成的大冰晶破壞了細胞完整性，釋放出過氧化物質，導致線粒體和溶酶體酶泄漏，促進了蛋白質氧化[17]。此外，隨著反復凍融次數的增加，蛋白質內部巰基基團間產生相互作用，生成大量二硫鍵，造成蛋白質氧化降解[18]。高夢雪[19]研究發現，隨著反復凍融次數的增加，肌原纖維蛋白構象的改變會促使蛋白質氧化，蛋白質表面疏水性也呈增強趨勢。

反復凍融過程中形成的大冰晶能夠損傷肌纖維，釋放出氧化酶、自由基、血紅素等促氧化劑，促進脂肪氧化。大冰晶也會直接破壞細胞膜，導致脂肪與氧接觸面增大，加速脂肪氧化。脂質氧化生成的自由基及氫過氧化物，易分解成戊醛、己醛等二次氧化產物，使肉品出現酸敗和色澤劣變[20]。

2 肉品天然活性包裝膜的主要成分及制備

肉品活性包裝膜常以生物聚合物為基材，添加增塑劑，并加入天然活性物質增加膜的功能特性。

2.1 肉品活性包裝膜的主要成分

2.1.1 成膜基材

用于肉品活性包裝基材的生物聚合物有多糖、蛋白質、脂質。多糖主要包括淀粉、果膠、羧甲基纖維素、海藻酸鹽、殼聚糖、魔芋葡甘聚糖及其衍生物等。大多數多糖分子含有羥基、氨基等親水基團，依靠氫鍵、范德華力等作用成膜[21]。多糖膜結構簡單、力學性能良好，但是較強的親水性使膜材的阻水性較差。蛋白類依其來源分為植物分離蛋白（如大豆蛋白、小麥蛋白、玉米醇溶蛋白等）和動物分離蛋白（如明膠、膠原蛋白、乳清蛋白）。蛋白膜的力學性能較差，需要通過熱變性、化學處理、酶法改性等方法進行改良[22]。脂質膜常用基質有蜂蠟、石蠟、乙酰化單甘脂、有機脂肪酸、樹脂等。脂類物質極性低、疏水性強，因此脂質膜阻濕性好，可延緩食品的水分散失，常應用于畜禽和海產品的包裝[23]。但脂質膜的力學性能較差，也需要通過改性或共混擴大其應用范圍。

2.1.2 增塑劑

生物聚合物通常脆且硬，限制了其在食品包裝上的應用。加入增塑劑可以影響聚合物分子間相互作用、破壞氫鍵、減少膜內結晶區域，增強膜的柔韌性和強度，更有利于生物聚合物基質膜在食品包裝上的應用。常用的增塑劑包括甘油及其衍生物、山梨糖醇、聚乙二醇等。

2.1.3 肉品包裝中常用的天然活性物質

天然活性物質是活性包裝發揮防腐保鮮效果的關鍵，主要有抗菌和抗氧化兩大類功能性物質，按照來源可將其分為動物源、微生物源和植物源活性物質。

常用的動物源活性物質有殼聚糖、冰結構蛋白等。殼聚糖存在于甲殼動物外殼，具有良好的抗氧化和抗菌特性[24]，廣泛用于果蔬及肉品保鮮。Vieira等[25]通過殼聚糖和丁香精油結合涂層處理冷凍魚片，可有效延緩魚片脂肪氧化，抑制細菌生長。冰結構蛋白具有熱活性，其對冰晶的有效修飾有助于減少肉品組織損傷，延緩冷凍儲存過程中再結晶的發生。Du 等[26]使用冰結構蛋白浸漬處理魚肉，以?25 ℃冷凍7 d、4 ℃解凍12 h 為一次凍融過程，經歷5 次凍融循環后，發現魚肉的水分遷移和微觀結構破壞得到有效抑制。

微生物源活性物質主要有乳酸鏈球菌素（Nisin）、ε–聚賴氨酸等。Nisin 提取自乳酸鏈球菌發酵產物，屬于陽離子肽，可以通過疏水作用和靜電相互作用與細胞壁上的陰離子成分相互作用，并且抑制細胞壁合成，從而達到抑菌效果[27]。磨佳琳等[28]使用Nisin 處理牛肉，發現Nisin 處理可以有效減緩牛肉氧化，降低微生物數量。ε–聚賴氨酸為白色鏈霉菌的代謝產物，對革蘭氏陽性、陰性菌、霉菌和酵母菌均有良好的抑菌效果[29]。在我國，ε–聚賴氨酸被逐漸用于各種食品領域，同時也用于包裝膜以提高膜的抗菌特性。

植物源活性物質主要包括精油和植物提取物。精油是從植物器官中提取出的復雜化合物[30]，含有高濃度的醛、酚類物質，可破壞微生物細胞膜、細胞質膜，起到高效抑菌和抗氧化作用[31]。Guerrero 等[32]使用百里香精油、大蒜精油及海藻酸鈉制備涂層并處理羊肉，結果表明，精油涂層處理可有效改善冷凍羊肉色澤劣變及汁液流失。植物提取類活性物質主要包括植物多酚、花青素等[33]。α–生育酚是一種天然脂溶性抗氧化劑，通過提供氫原子和阻止氫過氧化的分解實現抗氧化效果[34]，已用于肉及肉制品的保鮮。謝菁等[35]研究發現添加質量分數為1%的α–生育酚的包裝膜能顯著延緩冷鮮豬肉硫代巴比妥酸反應物（Thiobarbituric Acid Reactive Substances，TBARS）和總揮發性鹽基氮（Total Volatile Basic Nitrogen，TVB?N）值的升高，并能改善肉色。茶多酚是茶葉中多酚類物質的總稱，通過結合自由基、螯合金屬離子抑制脂質氧化，目前已廣泛用于水產、畜禽的保鮮[36]。梁杰等[37]研究表明負載茶多酚的海藻酸鈉–玉米淀粉薄膜可有效降低雞肉在儲存過程中的pH 值，復合膜展現出良好的抗氧化和保鮮能力。

2.2 活性包裝膜的制備

目前，主要通過流延法、涂層、螺桿擠出、靜電紡絲、3D 組裝等技術制備負載天然活性物質的膜材，具體成膜工藝如圖1 所示。

圖1 天然活性包裝膜材成膜工藝Fig.1 Film-forming technology of natural active packaging films

2.2.1 流延法

流延法是將成膜基材與活性物質溶解混合，加入適量增塑劑，經攪拌、均質、過濾、脫氣等工序后將成膜液均勻地流延于平板，再經干燥制成薄膜的方法。該制膜法需通過加熱來去除和回收溶劑，耗能較高[38]。

2.2.2 涂層法

涂層法可利用基材負載活性物質通過噴灑、浸漬等方式在食物表面形成透明的薄層，能有效阻隔空氣，降低肉品干耗[39]，也可用于復合膜制備。將涂膜液覆蓋于原有薄膜上進行二次復合，所得復合膜的力學性能和功能特性都優于原有薄膜。

2.2.3 螺桿擠出技術

螺桿擠出是一種干法加工技術，被廣泛應用于聚合物工業中傳統塑料包裝的生產[40]。相比傳統的流延法，螺桿擠出技術具有速度快、操作簡單等優點。然而多數天然活性物質的熱穩定性差，螺桿擠出過程中所施加的高溫、高壓易造成活性物質作用的減弱或喪失，因此該法在天然活性膜的制備中應用不廣泛[41]。

2.2.4 靜電紡絲技術

靜電紡絲技術是利用靜電作用力制備微/納米纖維材料，其工作原理是在高壓靜電場作用下，利用電場力及表面張力使紡絲溶液在針頭處形成“泰勒錐”；隨著電場力的逐漸增大，液滴變成帶電射流噴向接收板，射流飛行過程中在靜電斥力的作用下進一步劈裂、細化；經過溶劑蒸發，最終在接收板上固化形成納米纖維膜。相較于傳統的活性包裝材料制備技術，靜電紡絲技術條件溫和可控，制得的材料比表面積大、孔隙率高，且對活性物質的包埋率高[42]。

2.2.5 3D 打印技術

3D 打印技術是一種集計算機、精密驅動、數控和材料科學于一體的新型快速成型技術[43]。打印材料通過由形狀設計模型控制的噴嘴噴出。3D 打印具有生產速度快、周期短、成本低、污染小、適應性強等優勢，可通過對所提供的材料進行逐層沉積，構建復雜的3D 結構抗菌包裝膜。然而，目前3D 打印活性包裝膜的研究尚處于起步階段。

3 天然活性包裝膜在冷凍肉貯藏中的應用

天然活性包裝膜的應用方式主要為干法或濕法。干法是將膜溶液在一定條件下干燥制成膜片直接用于肉品包裝。濕法是將膜溶液以浸泡、噴灑、涂刷等方式作用于肉品表面，在肉品表面形成一層薄的涂層。本節綜述天然活性包裝膜在冷凍畜禽肉及水產品中的應用研究。

3.1 畜禽肉

近年來研究發現，使用天然活性包裝膜包裹處理冷凍畜禽肉，可有效降低肉品干耗、抑制蛋白質和脂肪氧化。Santos 等[44]制備負載針葉櫻桃甘蔗渣提取物的明膠復合薄膜來包裹牛肉餅，以聚氯乙烯塑料包裹作為對照，樣品于?60 ℃下儲存15 d，發現復合薄膜處理的樣品較對照組樣品干耗更少，并且有效延緩了牛肉餅氧化。Akcan 等[45]以乳清蛋白為基材，添加月桂草、鼠尾草提取物制成復合薄膜并包裹肉丸，于?18 ℃下儲存60 d，結果表明復合膜具有優良的抗氧化性特，在冷凍儲存過程中，處理組肉丸的TBARS 值和TVB–N 值顯著低于對照組的。Song 等[46]將迷迭香油樹脂和綠茶提取物分別涂覆于聚對苯二甲酸乙二醇酯制備復合薄膜，將復合薄膜制成小袋并密封包裹盛有豬肉的培養皿，隨后將樣品冷凍保藏。研究發現復合薄膜處理延緩了豬肉脂肪和蛋白質氧化，綠茶提取物中的兒茶素可以在沒有遷移的情況下清除包裝內的自由基，同時不影響豬肉的感官特性，與涂覆迷迭香油樹脂的薄膜相比，綠茶提取物薄膜表現出更高的抗氧化能力。

3.2 水產品

與畜禽肉相比，水產品的水分含量更高，更易受微生物污染和環境影響而腐敗變質[47]。目前研究較多的是使用活性物質涂層處理改善水產品在冷凍儲存中的品質劣變。馮瀟等[48]利用藜麥蛋白Pickering 乳液處理魚糜，將其加熱制備成蛋白凝膠進行凍融處理并檢測，結果發現添加Pickering 乳液可抑制凍融引發的冰晶尺寸增大，降低魚糜干耗，延緩魚肉質構的變化速率，提高蛋白凝膠的穩定性。Du 等[26]研究了冬小麥蛋白對魚肉在凍融循環過程中的品質影響，發現與對照組相比，經冬小麥蛋白處理的樣品的離心損失、解凍損失和蒸煮損失都明顯減少，樣品的微觀結構也有明顯改善。于淑池等[49]將卵形鯧鲹魚片浸泡于聚葡萄糖、茶多酚、低聚木糖和乳酸鈉的混合液后進行冷凍處理，研究發現活性物質浸漬處理可延緩魚肉蛋白質變性、降低魚肉凍藏期間的干耗，具有良好的保鮮效果。

表1 天然活性包裝膜在冷凍肉中的應用Tab.1 Application of natural active packaging films in frozen meat

4 結語

目前，天然活性包裝膜在冷凍肉中的應用方式多為涂層處理。涂層處理能夠在肉品表面形成一層阻隔，結合活性物質釋放，有助于延緩冷凍肉脂肪和蛋白質氧化，保持肉品色澤。然而，對經歷反復凍融過程的肉品而言，復雜的運輸貯藏條件以及多變的肉品組織狀態容易破壞涂層結構，降低其阻隔性，加大冷凍肉與空氣的接觸，并且影響其中天然活性物質的釋放。基于此，開發負載天然功能性成分且具有良好機械性、疏水性、阻隔性、低溫穩定性的活性包裝膜材，有利于改善和提高冷凍肉，尤其是反復凍融肉的品質。

基于生物聚合物和天然活性成分的活性包裝在提高冷凍肉品質方面具有明顯優勢，但其應用仍然存在一些問題。生物聚合物的機械性、穩定性、阻隔性較差，難以滿足食品包裝材料的特性要求。已發現的天然活性成分有限，且對高溫、高壓條件的敏感性較強，將其應用于工業化生產仍具有巨大挑戰。今后應加強生物材料的技術研發，通過基材篩選和材料改性進一步構建功能特性優良的冷凍肉活性包裝膜材；探索新的天然活性物質，綜合運用微生物和組學方法研究其作用機理，加強天然活性包裝膜制備工藝的研究，維持活性成分的長效穩定。為順應人們對安全肉品的消費需求，有必要借助數學模型、計算機模擬等開展活性包裝膜中功能性物質的釋放動力學研究，并結合毒理學和食品感官科學系統評估活性成分的生物安全性、最大允許添加量及其對肉品營養和感官特性的影響。