冷等離子體技術(shù)替代肉制品中亞硝酸鹽的研究進(jìn)展

倪思思，樊麗華，廖新浴，沈默斐，劉東紅，丁 甜*

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，智能食品加工技術(shù)與裝備國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)馥莉食品研究院，浙江 杭州 310058；3.浙江大學(xué)寧波研究院，浙江 寧波 315100）

冷等離子體技術(shù)作為一種非熱食品加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品加工。目前，冷等離子體技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用有消毒滅菌、改變食品成分、去除農(nóng)藥殘留和食品包裝加工等[1]。近幾年也有研究報道利用冷等離子體技術(shù)替代肉制品工業(yè)中亞硝酸鹽的直接添加。亞硝酸鹽是一種重要的食品添加劑，具有抑菌防腐、發(fā)色固色、抗氧化、增添風(fēng)味等作用，被廣泛運(yùn)用于肉制品中。然而亞硝酸鹽具有一定的毒性，正常人的中毒劑量是0.2～0.5 g，致死量為1.0～2.0 g[2]。此外，亞硝酸鹽還能在酸性條件下形成致癌的亞硝胺，人體長期攝入亞硝酸鹽含量高的食物可增加罹患癌癥的風(fēng)險。因此，一直以來研究人員都在尋找亞硝酸鹽的替代物以減少亞硝酸鹽的使用量。本文主要介紹了冷等離子體技術(shù)在替代肉制品中亞硝酸鹽方面的作用機(jī)理和研究進(jìn)展。

1 冷等離子體技術(shù)替代肉制品中亞硝酸鹽的作用機(jī)理及安全性

1.1 肉制品中的亞硝酸鹽

亞硝酸鹽是肉制品中常用的添加劑，其主要作用為抑制微生物生長、發(fā)色固色、抗氧化、增添風(fēng)味等。亞硝酸鹽可顯著抑制肉制品中多種微生物（尤其是肉毒桿菌）的繁殖生長，增加了肉制品的安全性。在感官風(fēng)味上，亞硝酸鹽能使肉制品呈現(xiàn)出誘人的粉紅色，顯著延緩發(fā)酵肉制品產(chǎn)生酸敗味，并有助改善肉制品風(fēng)味。

雖然亞硝酸鹽作為添加劑在肉制品應(yīng)用中有許多優(yōu)點(diǎn)，但是，亞硝酸鹽的毒性使其在實(shí)際應(yīng)用中存在局限性。亞硝酸鹽具有強(qiáng)氧化性，可將血液中正常的低鐵血紅蛋白氧轉(zhuǎn)化為高鐵血紅蛋白，誘發(fā)高鐵血紅蛋白血癥[3]。亞硝酸鹽還能與仲胺（例如衍生自蛋白質(zhì)的氨基酸）反應(yīng)生成具有致癌性的亞硝胺[4]。為保障食品安全，GB 2760—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，腌臘肉制品中亞硝酸鹽最大添加量為0.15 g/kg，最大殘留量限制為30 mg/kg（以亞硝酸鈉計(jì)）[5]。

目前，開發(fā)新技術(shù)以降低甚至消除亞硝酸鹽的潛在危害是食品加工領(lǐng)域面臨的難題。然而如今食品工業(yè)無法完全杜絕肉制品中的亞硝酸鹽，因?yàn)閬喯跛猁}廣泛存在于自然界，肉制品本身含有一定量的亞硝酸鹽[6]。此外，事實(shí)證明，完全不添加任何形式亞硝酸鹽的肉制品無法保障安全，外觀口味也不盡如人意[7]。而現(xiàn)有的技術(shù)水平下，研究者們尚未找到能完全取代亞硝酸鹽的材料[8]，目前較為可行的方法是在肉品腌制過程中添加低濃度的亞硝酸鹽結(jié)合一些其他的化合物對肉品進(jìn)行混合腌制[9]。

1.2 冷等離子體技術(shù)的替代作用機(jī)理及安全性

等離子體是部分或完全電離的氣體，是電子輻射（紫外光子和可見光）的量子、無數(shù)亞原子和分子實(shí)體的集合體[10]。等離子體可分為熱等離子體和冷等離子體，其中后者的能量主要存儲在自由電子中，并且總溫度較低[11]。組成冷等離子體的物質(zhì)種類及其濃度取決于許多因素，包括誘發(fā)等離子體的氣體、等離子體源的配置、輸入氣體的功率、處理時間和濕度水平[12]。冷等離子體的一大重要特征是其富含獨(dú)特的生物活性物質(zhì)而且接近環(huán)境溫度，這使其能夠安全地應(yīng)用于食品中。

大氣冷等離子體的含氮活性物可以作為受處理物的亞硝酸鹽來源。大氣冷等離子體以空氣為原料，空氣中的氧氣和氮?dú)庠谀芰吭吹募ぐl(fā)下可產(chǎn)生大量活性氧和活性氮，包括NO、NO2、N2O3、N2O4等氮氧化合物，而這些氮氧化合物遇到水分子后能發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)，參與硝酸根和亞硝酸根的生成，相關(guān)反應(yīng)方程式如式（1）～（6）[13-14]。因此冷等離子體活化水具有亞硝酸根和硝酸根，在肉制品中能夠以亞硝酸鹽的形式起殺菌防腐和增色的作用。

而Jung等[15]利用大氣冷等離子體處理紫蘇提取物，隨著處理時間的延長，原本不含亞硝酸鹽的紫蘇葉提取物產(chǎn)生一定含量的亞硝酸鹽，進(jìn)一步證實(shí)了冷等離子體處理可用于生產(chǎn)天然亞硝酸鹽的論點(diǎn)。Jung等[16]還通過研究證實(shí)了當(dāng)大氣壓等離子體直接處理肉漿時，同樣可通過冷等離子體與肉漿中液體分子的相互作用而在肉漿中生成亞硝酸鹽。

冷等離子體技術(shù)在肉制品中的運(yùn)用也被證實(shí)是安全可靠的。Kim等[17]以冷等離子活化水制得的乳化香腸為樣品，通過Ames實(shí)驗(yàn)檢測樣品對鼠傷寒沙門氏菌菌株TA98和TA100的誘變程度，通過小鼠實(shí)驗(yàn)檢測樣品的免疫毒性。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和小鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷等離子體技術(shù)在乳化香腸中的運(yùn)用沒有致突變性和免疫毒性。

2 冷等離子體技術(shù)作亞硝酸鹽替代物的研究現(xiàn)狀

2.1 冷等離子體技術(shù)在食品中的應(yīng)用現(xiàn)狀

雖然等離子體在食品工業(yè)中還處于研究階段，但其未來發(fā)展不可小覷。目前，等離子體技術(shù)已在多種食品領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。從20世紀(jì)60年代至今，大量研究證明等離子體在多種食品中具有良好的殺菌效果，例如在受沙門氏菌污染的生雞蛋[18]和生牛乳[19]，以及被大腸桿菌污染的鮮切芹菜中[20]。等離子技術(shù)還可以用于豌豆等干散貨食品從而調(diào)節(jié)其材料功能[21]，降解新鮮農(nóng)產(chǎn)品如草莓上的殘留農(nóng)藥[22]，以及處理薄膜外包裝從而對魚肉的保鮮起到輔助作用[23]。但也有研究提出等離子體可能會加速乳品中脂質(zhì)氧化而產(chǎn)生負(fù)面影響[24]。

已經(jīng)開發(fā)用于食品加工的冷等離子體生成系統(tǒng)包括介質(zhì)阻擋放電、滑動電弧放電、電暈放電和射頻等離子體等[1]。在冷等離子體技術(shù)的使用方式上，除了直接處理，國內(nèi)外許多研究還通過水作為中介來運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)。食品原料的不規(guī)則形狀能夠影響冷等離子體技術(shù)處理結(jié)果的均勻性，而等離子體活化水可以改善這一點(diǎn)[14]。

2.2 冷等離子體技術(shù)在肉制品中替代亞硝酸鹽的應(yīng)用

冷等離子體技術(shù)運(yùn)用在肉制品中時可分為等離子體活化水處理和直接處理兩種方式（表1）。

表1 冷等離子體技術(shù)在肉制品中作亞硝酸鹽替代物的應(yīng)用研究Table 1 Previous studies on application of cold plasma application of cold plasma as a nitrite substitute in meat products

2.2.1 等離子體活化水在肉制品中替代亞硝酸鹽

Jung等[25]首次提出把等離子體活水化作為肉制品中的亞硝酸鹽源的可能性，他們以不同方法制得的乳化香腸為研究對象，對各項(xiàng)指標(biāo)和感官評定的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大氣等離子體活化水和亞硝酸鈉的抑菌效果不存在顯著性差異，且經(jīng)兩者處理后的產(chǎn)品顏色、過氧化值和感官品質(zhì)也相似，但前者亞硝酸鹽殘留量更低。之后，Jung等[26]研究了等離子體活化水對肉類的顯色能力，結(jié)果表明，肉糜經(jīng)過常壓等離子體活化水處理后，可以得到和常規(guī)亞硝酸鈉處理近似的腌肉色。研究結(jié)果證實(shí)了等離子體處理水對肉類的顯色能力，且與其前期的乳化香腸實(shí)驗(yàn)結(jié)果[25]相吻合。在毒理學(xué)方面，Kim等[17]通過研究確認(rèn)了等離子體活化水作為亞硝酸鹽來源肉制品的安全性。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和小鼠實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等離子體處理水制得的乳化香腸不存在致突變性和免疫毒性。該結(jié)果從安全的角度證明了等離子體處理水作為肉制品加工中天然亞硝酸鹽的可行性，增加了Jung等[25]研究結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用可能性。相似地，Yong等[28]評估了等離子體處理水作為里脊肉火腿生產(chǎn)中亞硝酸鈉替代品的潛力。結(jié)果表明，與亞硝酸鈉處理得到的里脊肉火腿相比，等離子體活化水制得的里脊肉火腿鮮紅度更高，亞硝酸鹽殘留量更低，菌數(shù)和脂質(zhì)氧化情況相接近。同時致突變實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究中使用的等離子體活化水不具有遺傳毒性。上述結(jié)果表明等離子體處理水可被視為腌肉（例如注射型肉制品）制造中亞硝酸鹽的有效和創(chuàng)新替代品。

2.2.2 冷等離子體直接處理在肉制品中替代亞硝酸鹽

Jung等[16]首次提出了大氣壓等離子體處理直接作用于肉制品中以取代亞硝酸鹽的可能性。他們在實(shí)驗(yàn)中分別用亞硝酸鈉和常壓等離子體直接處理肉糜，發(fā)現(xiàn)后者能夠給產(chǎn)品成功增添腌制肉色且不影響脂質(zhì)氧化，然而對于其中好氧微生物的殺菌效果不佳。這與其前期在乳化香腸中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[25]相差較大，研究者分析這可能是因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)因壽命極短而喪失在傳遞過程中，而且等離子體處理與攪拌的同時進(jìn)行使得肉制品表面的好氧微生物無法在等離子體中暴露足夠時間，也就難以得到充分的殺滅。因此，使用常壓等離子體處理直接作用于肉制品中以取代亞硝酸鹽的這一設(shè)想若要在實(shí)際上得到妥善應(yīng)用，尚需進(jìn)一步研究來改善常壓等離子體直接作用的殺菌效果。之后，Lee等[29]也探索了常壓等離子體直接處理作為罐裝碎火腿的亞硝酸鹽替代物的潛在可能性。研究發(fā)現(xiàn)，與添加常規(guī)亞硝酸鹽的火腿肉糜相比，經(jīng)常壓等離子體處理后的火腿肉糜中的亞硝酸鹽含量增加，脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化水平未受明顯影響，顏色、肉質(zhì)相接近，感官風(fēng)味更好，但總需氧菌數(shù)沒有相應(yīng)減少。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Jung等[16]的結(jié)果類似。而Yong等[28]研究了常壓等離子體直接處理作為豬肉干生產(chǎn)中亞硝酸鈉替代品的適用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著等離子體處理時間的延長，產(chǎn)物的腌制肉色指標(biāo)變得更好，亞硝酸鹽殘留量升高，脂質(zhì)氧化程度降低。同時通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過40 min等離子體處理的豬肉干與亞硝酸鈉制成的產(chǎn)品在顏色、脂質(zhì)氧化、肉質(zhì)上無顯著差異，但前者亞硝酸鹽殘留量更低，而且抑菌效果更好。這一研究中等離子體在豬肉干上具有顯著的殺菌效果，與Jung[16]和Lee[29]等的研究結(jié)果有所不同，但卻進(jìn)一步證實(shí)了Jung等[16]當(dāng)初的分析猜想，即大氣壓等離子體直接作用于肉制品時，若想得到較好的殺菌效果，肉制品表面的微生物需要在等離子體中得到充分的暴露。通過研究后Yong等[28]提出，大氣壓等離子體將可能成為一種安全的替代方法用于生產(chǎn)不添加亞硝酸鹽的豬肉干。

2.2.3 冷等離子體和其他亞硝酸鹽替代物的研究現(xiàn)狀

目前食品加工的亞硝酸鹽替代物可按照成分中是否包含亞硝酸鹽分為兩類（表2、3）。

根據(jù)成分來源，不含亞硝酸鹽的替代物可分為天然植物性產(chǎn)物、人造有機(jī)酸類以及微生物產(chǎn)物。天然植物性產(chǎn)物包括番茄制品[30-31]、迷迭香[32]、柑橘制品[33]等具有抗菌成分[34]、抗氧化能力及生物活性的材料。食品工業(yè)也將醋酸鹽、乳酸鹽[35-36]、山梨酸鹽[37]等有機(jī)酸鹽作為抑菌劑和防腐劑，將微生物產(chǎn)物如曲霉乳桿菌細(xì)菌素[38]、乳酸鏈球菌素（Nisin）[39-40]、腸菌素[41]以及其他具有抗菌性的細(xì)菌素用作殺菌劑，因此這兩類材料也出現(xiàn)在亞硝鹽替代物的研究中。這類替代物因不含有亞硝酸鹽而無法完全避免肉毒桿菌污染，無法保證食品安全性。而且與這類亞硝酸鹽替代物相比較，冷等離子體技術(shù)本身不含化學(xué)物質(zhì)并且環(huán)保[42]，無需額外添加亞硝酸鹽，原料只需氣體（或者水），使用方式更加簡單。

表2 肉制品中不含亞硝酸鹽的替代物的研究Table 2 Previous studies on substitutes without nitrite in meat products

含亞硝酸鹽成分的替代物以蔬菜濃縮物為主，濃縮物由硝酸鹽含量高的蔬菜適當(dāng)處理而獲得。這類替代物不僅含有足量的亞硝酸鹽，還富含天然活性成分和色素來輔助抑菌并改善顏色風(fēng)味。芹菜[43-45]、甜菜[46-47]、歐芹[48]、菠菜[49]都是硝酸鹽含量較高的常見蔬菜，硝酸鹽含量可高達(dá)2 500 mg/kg[50]。美國弗羅里達(dá)食品公司已開始商業(yè)化生產(chǎn)芹菜濃縮物以用于肉制品的加工[51]。和冷等離子體技術(shù)相同的是，這類替代物在使用過程中無需另外添加亞硝酸鹽。然而植物性產(chǎn)物的使用都需要注意植物成分對產(chǎn)品原風(fēng)味的影響[52]以及潛在過敏源等問題，例如有研究提出肉制品中的芹菜粉使用量過高會形成異味[44]，以及世界上相當(dāng)一部分人對芹菜過敏[53]。而冷等離子體技術(shù)在肉制品中的使用不會帶入額外的過敏原，產(chǎn)物風(fēng)味也不會受植物成分的干擾。與這類替代物相比，冷等離子體作為替代物在殺菌防腐方面具有重要優(yōu)勢。Oehmigen等[54]在研究大氣等離子體活化水的特性時，發(fā)現(xiàn)過氧根和亞硝酸根的協(xié)同作用使其具有極佳的殺菌消毒作用。

表3 肉制品中含有亞硝酸鹽的替代物的研究Table 3 Previous studies on substitutes in meat products with nitrite

3 結(jié) 語

作為一種新興的食品非熱加工技術(shù)，冷等離子體技術(shù)具有清潔環(huán)保、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，在食品領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景。目前，冷等離子體技術(shù)在肉制品方面的應(yīng)用研究重點(diǎn)是殺菌，而國內(nèi)外冷等離子體技術(shù)替代亞硝酸鹽添加劑的相關(guān)研究仍較少。此外，冷等離子體技術(shù)替代亞硝酸鹽的相關(guān)研究還存在缺乏具體作用機(jī)制、應(yīng)用工藝不明確等問題。同時冷等離子體技術(shù)能夠影響肉制品的氧化程度，這關(guān)乎到最終的產(chǎn)品特性?，F(xiàn)如今肉制品尤其是腌制肉制品工業(yè)對于亞硝酸鹽替代物的需求仍未得到滿足，今后可增強(qiáng)冷等離子體技術(shù)與其他替代方法互補(bǔ)聯(lián)用的研究。