脈沖光技術(shù)對(duì)肉制品保鮮的研究進(jìn)展

王志琦，趙 鐘，周 輝，徐寶才，王兆明

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，合肥 230601；2.安徽省尚康食品有限公司，安徽六安 237143）

0 引言

肉制品營(yíng)養(yǎng)豐富，在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中極易被微生物污染，導(dǎo)致腐敗變質(zhì)，從而喪失食用價(jià)值。熱殺菌技術(shù)在有效殺滅食品中腐敗微生物和病原菌的同時(shí)，也對(duì)食品熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分和感官品質(zhì)造成很大的影響。脈沖光（Pulsed light，PL）殺菌是一種新型非熱加工技術(shù)，具有快速、高效、處理溫度低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。1999年，PL已獲得美國(guó)藥品食品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)在食品加工、生產(chǎn)處理等方面的應(yīng)用［1］。PL技術(shù)具有高能量（35 MW）、瞬時(shí)殺菌（10-2～10-3ms）和廣光譜（200～1 100 nm）的特點(diǎn)［2］，與紫外系統(tǒng)相比，PL具有較大的輸入能量，可以在非常短的時(shí)間內(nèi)在食品表面產(chǎn)生大量的能量，但根據(jù)FDA法規(guī)，PL處理食品的能量密度不能超過(guò)12 J/cm2［3］。PL能夠有效殺滅食品在加工和儲(chǔ)存過(guò)程中所污染的有害微生物，從而達(dá)到食品延長(zhǎng)儲(chǔ)存和保鮮的目的［4］。本文綜述了PL技術(shù)已探明的殺菌機(jī)理，以及PL對(duì)肉制品表面微生物的滅菌效果和理化性質(zhì)及感官品質(zhì)等的影響，為PL技術(shù)在肉制品的保鮮研究提供理論參考。

1 脈沖光作用機(jī)理研究

脈沖光是一種廣譜光，其中的近紅外光能輻射能量，可使細(xì)胞表面局部升溫至50～150 ℃，破壞細(xì)菌細(xì)胞壁，使細(xì)胞液蒸發(fā)，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡［5］。有研究結(jié)果表明脈沖形式提供能量主要表現(xiàn)在脈沖次數(shù)和脈沖持續(xù)時(shí)間，在達(dá)到相等總能量的情況下，脈沖提供的功率較連續(xù)光輻照功率更大，每次脈沖的持續(xù)時(shí)間更短，峰值功率更大，具有更高的滲透能力［6］。

脈沖紫外光（PL-UV）的光化學(xué)效應(yīng)和光熱效應(yīng)在殺菌機(jī)理中起著關(guān)鍵作用［7］。微生物細(xì)胞中的核酸吸收大量紫外光，在PL-UV輻射條件下形成丙二嗪和甲基二嗪的同分異構(gòu)體。微生物代謝功能障礙遺傳和死亡。在光熱效應(yīng)快速、高能、強(qiáng)脈沖光輻射的條件下，細(xì)胞內(nèi)的水可以瞬間蒸發(fā)，導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂，微生物在幾秒鐘內(nèi)死亡，且PL照射通過(guò)改變細(xì)菌DNA結(jié)構(gòu)防止細(xì)菌細(xì)胞復(fù)制和分裂［8］。

2 脈沖光對(duì)肉制品的殺菌作用研究

2.1 影響脈沖光殺菌的因素

脈沖總能量是PL殺菌效果最重要的決定因素。脈沖閃光燈發(fā)出的能量與到達(dá)樣品表面的能量不同，受到脈沖次數(shù)、單次脈沖能量、脈沖頻率、閃照距離、傳播介質(zhì)的影響［9］。由于PL的光線穿透力有限，樣品厚度以及處理對(duì)象成分都會(huì)影響PL的殺菌效果。

PL試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)受到微生物的菌株年齡的影響［10］。FARRELL 等［11］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)14 h的白色念珠菌對(duì)PL的敏感性高于培養(yǎng)24 h的白色念珠菌，相同的趨勢(shì)也發(fā)生在生長(zhǎng)16 h和 24 h的大腸桿菌（E.coli O157：H7）培養(yǎng)物。CUDEMOS等［12］同樣發(fā)現(xiàn)熒光蠟狀芽孢桿菌和釀酒酵母在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)比在潛伏期或指數(shù)生長(zhǎng)期對(duì)PL的抗性更強(qiáng)。微生物的吸光性也是影響PL殺菌效果的一項(xiàng)重要因素。主要因?yàn)镻L處理過(guò)程中，一些液體中的光吸收溶質(zhì)（如蛋白質(zhì)等）作用，導(dǎo)致撞擊細(xì)胞的光子數(shù)量顯著減少，從而降低了 PL 殺傷微生物的效果［13］。ARTíGUEZ 等［14］研究了 β-乳球蛋白和 β-酪蛋白對(duì)PL滅活無(wú)害李斯特菌的影響。在低蛋白濃度下（ β-乳球蛋白和 β-酪蛋白最高10 mg/mL），施加的最低通量PL（0.2 J/cm2）可導(dǎo)致細(xì)胞計(jì)數(shù)減少超過(guò)7 log。但是，當(dāng)該菌懸浮在較高蛋白質(zhì)濃度的溶液中時(shí)，需要更高的PL通量才能致使無(wú)害李斯特菌產(chǎn)生類似的減少。

2.2 脈沖光對(duì)肉制品的殺菌效果

GANAN等［15］在2種即食干腌肉制品（salchichon and loin）的表面，測(cè)試了PL對(duì)降低李斯特菌和鼠傷寒沙門氏菌的效果。當(dāng)施加11.9 J/cm2的照射通量時(shí)，2種微生物的最大對(duì)數(shù)減少量在1.5到1.8 lg（cfu/cm2）之間，且在貯藏30 d（室溫）內(nèi)未出現(xiàn)色澤和感官上的變化。LIU等［16］采用PL-UV照射方法，對(duì)肉制品進(jìn)行如下脈沖光參數(shù)的處理：脈沖能量為8 J，進(jìn)行300次PL照射，有效照射距離為10 cm；紫外線照射功率6 W，有效照射距離為11 cm，照射時(shí)間為5 min。PL-UV照射后，干腌肉中細(xì)菌總數(shù)由6.89下降到4.53 lg（CFU/g），微球菌和葡萄球菌數(shù)量從6.49下降到4.10 lg（CFU/g），霉菌和酵母菌數(shù)量從5.45下降到4.28 lg（CFU/g），乳酸菌由3.97增加到4.55 lg（CFU/g），并且未檢出大腸桿菌。RAJKOVIC等［17］發(fā)現(xiàn)PL對(duì)肉制品中李斯特菌和大腸桿菌有殺滅作用，但隨著脈沖間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，滅菌效果變差。在對(duì)干發(fā)酵香腸表面的李斯特菌、大腸桿菌、鼠傷寒沙門菌和金黃色葡萄球菌采用3 J/cm2的PL-UV研究中，發(fā)現(xiàn)抑制作用分別為2.24，2.29，2.25，2.12 lg（CFU/g）。HIERRO 等［18］在真空包裝熟火腿和博洛尼亞香腸的切片表面接種李斯特菌，用 0.7，2.1，4.2，8.4 J/cm2PL 處理，經(jīng)過(guò)8.4 J/cm2PL的處理，使煮熟火腿中的李斯特菌減少了1.78 lg（cfu/cm2），博洛尼亞香腸切片中的單核增生李斯特菌減少了1.11 lg（cfu/cm2）。在作者的另一項(xiàng)研究中［19］，通過(guò)對(duì)牛肉和金槍魚切片表面接種約3 lg（cfu/cm2）的李斯特菌、大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌和副溶血性弧菌，用相同強(qiáng)度的PL對(duì)接種后的樣品進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)8.4，11.9 J/cm2PL的處理使選定的病原體滅活了約 1 lg（cfu/cm2），而經(jīng)過(guò) 2.1，4.2 J/cm2PL 處理的樣品中病原體的失活率低于1 lg（cfu/cm2）。KRAMER等［20］研究了PL對(duì)包裝好的法蘭克福香腸（2種不同的腸衣）、水煮火腿片和雞肉冷切片的滅菌效果，結(jié)果表明，PL處理可以使火腿切片和雞肉冷切塊表面的彎曲乳桿菌減少約1個(gè)log單位，而法蘭克福香腸切片表面減少約3～4個(gè)log單位，在貯藏過(guò)程中李斯特菌保持在減少量的水平。HAUGHTON等［21］研究了高強(qiáng)度光脈沖（HILP）技術(shù)（3 Hz，最大505 J/脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間360 μs）對(duì)雞肉及其包裝材料和表面材料的滅菌效果。經(jīng)30 s HILP處理后，液體中的空腸桿菌、大腸桿菌和腸炎沙門氏菌完全滅活。將空腸桿菌、大腸桿菌和腸炎沙門氏菌接種到包裝材料和接觸表面上5 s后，觀察到分別降低了3.56，4.69，4.60 lg（cfu/cm2）。HILP對(duì)空腸桿菌、大腸桿菌和腸炎沙門氏菌的抑制作用最大，分別為1.22，1.69，1.27 lg（cfu/g）。NICORESCU 等［22］以生烤豬肉（RPR）、烤豬肉（RP）和三文魚（RS）為研究對(duì)象，研究了PL對(duì)需氧菌群和熒光假單胞菌的影響。發(fā)現(xiàn)在RP樣品中，微生物滅活的最大值達(dá)到3.4 lg（CFU/g）。結(jié)果證明PL技術(shù)對(duì)需氧菌群和熒光假單胞菌都有滅活的潛力，但是為了達(dá)到滿意的滅菌水平和產(chǎn)品質(zhì)量，必須采用中等的PL強(qiáng)度。

OZER等［23］研究了PL-UV對(duì)大腸桿菌和李斯特菌對(duì)鮭魚魚片滅菌的效果。在輸入電壓為3 800 V時(shí)，滅菌系統(tǒng)在燈表面產(chǎn)生5.6 J/cm2的PL，將魚皮或魚肉側(cè)接種的鮭魚魚片（8 cm×1.5 cm）置于培養(yǎng)皿中。對(duì)于大腸桿菌經(jīng)過(guò)60 s PL照射后，魚肉側(cè)的菌落最大減少量為1.09 lg（CFU/g），而經(jīng)過(guò)30 s PL照射，魚皮側(cè)的菌落最大減少量為0.86 lg（CFU/g）。對(duì)于李斯特菌，魚皮側(cè)60 s PL照射且在8 cm處的最大減少量為1.02 lg（CFU/g），而魚肉側(cè)60 s PL照射在8 cm處的最大減少量為0.74 lg （CFU/g）。CHEIGH 等［24］研究了 IPL（強(qiáng)脈沖光）對(duì)接種于固體培養(yǎng)基表面上的李斯特菌和對(duì)比目魚、鮭魚、蝦片等海鮮產(chǎn)品的滅活作用。在固體培養(yǎng)基上，UV-C照射1 000 s使李斯特菌減少約4個(gè)log單位，而IPL以1.75 mJ/cm2的能量密度處理180 s（900次脈沖）使其降低了約6個(gè)log單位，處理過(guò)程中的溫升（< 2.0 ℃）可以忽略不計(jì)。在海鮮產(chǎn)品上，同樣使用1.75 J/cm2的IPL處理，分別使接種在蝦、鮭魚和比目魚魚片上的李斯特菌減少約2.2，1.9，1.7個(gè)log單位，透射電鏡觀察清楚地表明，與UV-C處理的細(xì)胞不同，IPL處理的李斯特菌的細(xì)胞壁被破壞、細(xì)胞質(zhì)收縮和胞質(zhì)內(nèi)物質(zhì)滲漏。

3 脈沖光處理對(duì)肉制品貯藏期間品質(zhì)影響研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究PL對(duì)肉制品殺菌作用的同時(shí)，也評(píng)價(jià)了PL處理對(duì)肉品感官品質(zhì)、脂肪氧化、pH值等品質(zhì)指標(biāo)的影響。

3.1 感官品質(zhì)的影響

評(píng)定食品感官品質(zhì)較為普遍的方法主要是感官評(píng)價(jià)，該方法能夠直接發(fā)現(xiàn)食品感官性狀的異常，甚至是食品品質(zhì)的微觀變化。在我國(guó)，食品感官品質(zhì)評(píng)價(jià)主要由評(píng)價(jià)員通過(guò)視覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)及觸覺(jué)等對(duì)食品進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

肉及肉制品會(huì)因腐敗而發(fā)生色澤及肌肉組織結(jié)構(gòu)的變化，而肌肉組織結(jié)構(gòu)的變化會(huì)最終改變產(chǎn)品的質(zhì)地。PL處理的肉制品的感官品質(zhì)與肉制品的種類、脈沖次數(shù)、單次脈沖能量、脈沖頻率、閃照距離和傳播介質(zhì)有關(guān)。FERNáNDEZ等［25］研究了在真空包裝的西班牙Serrano和伊比利亞2種干腌即食火腿切片表面接種無(wú)毒李斯特菌，使用 2.1，4.2，8.4 J/cm2PL-UV 照射。在 4 ℃和20 ℃貯藏期間，一些揮發(fā)性化合物的濃度增加，如甲氧基、二甲基二硫化物和1-辛-3-酮，這些化合物雖然在儲(chǔ)存過(guò)程中消失，但仍有少量的硫味和金屬味。KEKLIK等［26］將抗藥性鼠傷寒沙門氏菌菌株接種在未包裝和真空包裝無(wú)骨雞胸肉表面上，在距PL-UV室石英窗5，8，13 cm的距離處用 PL 處理 5，15，30，45，60 s。通過(guò)輕度（13 cm持續(xù)5 s）、中度（8 cm持續(xù)30 s）和極端（5 cm持續(xù)60 s）處理，發(fā)現(xiàn)輕度和中度處理后，顏色沒(méi)有顯著變化。

TOMASEVIC［27］對(duì) 4 種海鮮產(chǎn)品（金槍魚、鮭魚、比目魚和螃蟹）分別使用1～5個(gè)光脈沖（脈沖持續(xù)時(shí)間300 μs，脈沖強(qiáng)度 3.4 J/cm2），以每2秒1個(gè)脈沖的速率進(jìn)行處理。在采用各種IPL處理后，所有海鮮產(chǎn)品樣本均被評(píng)定為可接受，感官評(píng)價(jià)總分值等于或大于4.6（總分值5.0）。IPL處理后氣味變化最顯著。PL處理降低了金槍魚的L*（亮度值），但只有在較高強(qiáng)度的處理（17 J/cm2）后，a*（紅度值）和b*（黃度值）與對(duì)照組沒(méi)有顯著差異。低劑量的脈沖光（3.4 J/cm2）對(duì)金槍魚的顏色值沒(méi)有影響，但鮭魚樣品的L*值會(huì)顯著降低，而a*和b*值不受IPL處理的影響。比目魚和蟹肉樣品顯示，與L*值和a*值相比，其b*值對(duì)IPL更敏感。在對(duì)2種紅肉（牛肉和豬肉）、2種家禽（雞肉和火雞）和3種野味肉（鹿、兔和袋鼠）為樣品的研究中，采用相同的試驗(yàn)方法。PL處理后，所有肉、禽和野味樣品的氣味都發(fā)生了顯著變化，在研究的肉類中，只有火雞在處理后的得分低于良好質(zhì)量等級(jí)。FIGUEROA-GARCíA 等［28］研究結(jié)果表明，IPL可以影響海鮮產(chǎn)品的顏色，但變化不大，這與以前的一些結(jié)果相反。在0.5～2 J/cm2的通量范圍內(nèi)應(yīng)用IPL照射鯰魚魚片時(shí)，沒(méi)有觀察到儀器的顏色參數(shù)變化，因此認(rèn)為IPL處理不會(huì)導(dǎo)致海鮮產(chǎn)品的顏色發(fā)生明顯變化。

脈沖能否顯著影響色澤及感官性質(zhì)不僅與PL本身選擇的參數(shù)有關(guān)，一定程度上還由產(chǎn)品的類型及性質(zhì)決定。所以在保證較好殺菌效果的同時(shí)，應(yīng)減少PL的處理參數(shù)，以此來(lái)保持產(chǎn)品的感官品質(zhì)。

3.2 脂肪氧化的影響

隨著肉制品貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，脂肪在微生物和氧氣的作用下發(fā)生氧化分解，進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)，這是肉及肉制品品質(zhì)下降的一個(gè)重要原因。硫代巴比妥酸反應(yīng)物質(zhì)（thiobarbituric acid reactive substances，TBARs）的值與肉類的脂肪氧化程度呈正相關(guān)，TBARs值越大，脂肪的氧化程度越髙，酸敗也越嚴(yán)重，因此常把TBARs值作為肉及肉制品脂肪氧化的一個(gè)重要指標(biāo)［29］。

FERNáNDEZ等研究了PL對(duì)西班牙Serrano和伊比利亞2種干腌即食火腿的表面殺菌效果。在4 ℃和20 ℃貯藏期間，Serrano火腿中的過(guò)氧化物值與最初的過(guò)氧化物值相比增長(zhǎng)了2倍；在2種溫度下，發(fā)現(xiàn)PL未使干腌火腿的過(guò)氧化值高于正常水平。在伊比利亞火腿中，所有樣品在4 ℃下儲(chǔ)存30 d后，過(guò)氧化值仍接近初始水平。當(dāng)儲(chǔ)存在20 ℃時(shí)，對(duì)照樣品和經(jīng)2.1 J/cm2處理的切片也顯示出接近初始值的最終值。除了8.4 J/cm2處理并保存在20 ℃的樣品顯示最高值，第15 d的過(guò)氧化值比初始水平高出70%～80%，在儲(chǔ)存結(jié)束時(shí)呈輕微下降趨勢(shì)。WAMBURA等［30］研究了PL-UV光照對(duì)火腿色澤、質(zhì)地和脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性的影響。將100 g生火腿（厚度5 mm）樣品在紫外線系統(tǒng)中處理 60，90，120 s。另取 100 g 未處理樣品作為對(duì)照。離燈中心軸的距離分別為4.5，8.3，14.6 cm。結(jié)果表明，對(duì)照組，4.5 cm/60 s，4.5 cm/90 s，4.5 cm/120 s，8.3 cm/60 s，8.3 cm/90 s，8.3 cm/120 s，14.6 cm/60 s，14.6 cm/90 s，14.6 cm/120 s的脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性在貯藏14 d后分別下降了 21%，67%，53%，54%，39%，71%，75%，56%，58%，55%。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性降低的程度更高，但隨著離燈距離的增加而降低?？偟膩?lái)說(shuō)，樣品的顏色和質(zhì)地與處理時(shí)間和樣品離燈的距離成反比。NICORESCU等［22］以生烤豬肉（RPR）、烤豬肉（RP）和三文魚（RS）為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)暴露于3，10 J/cm2PL處理的樣品沒(méi)有引起脂質(zhì)過(guò)氧化。而暴露在30 J/cm2的RS和RP樣品中，MDA含量顯著增加，分別增加了39.3%和25.5%。PL處理的樣品氧化過(guò)程較快，可能是熱效應(yīng)促進(jìn)其氧化，并且氧化反應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)氧化物也使肉中脂質(zhì)的氧化穩(wěn)定性降低［31］。而在ELMNASSER等［32］研究PL處理對(duì)牛奶蛋白質(zhì)組分的影響過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了PL并不能引起脂質(zhì)的氧化，這也許是由于PL處理的對(duì)象是液體的緣故。

3.3 pH值變化

pH值是影響肉制品中細(xì)菌繁殖的一個(gè)較為重要的因素。在肉制品的貯藏過(guò)程中，食品的pH值主要變化發(fā)生在兩方面：（1）蛋白質(zhì)被分解成氨基酸，導(dǎo)致產(chǎn)品pH值下降；（2）碳水化合物被微生物分解，生成有機(jī)酸，導(dǎo)致產(chǎn)品pH值下降［33］。因此對(duì)pH值控制在預(yù)防肉制品腐敗變質(zhì)方面具有重要意義。

LIU等［16］采用PL-UV照射對(duì)干腌肉處理，在30 d貯藏期間，4組干腌肉樣品的pH值均呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)槿獾鞍追纸獬蓧A性氨和有機(jī)堿等胺類化合物，促進(jìn)了細(xì)菌的繁殖。PL-UV處理后的pH值為6.03±0.005，貯藏5 d后的pH值為6.10±0.01，但PL-UV照射抑制了肉制品的肉蛋白分解，最后測(cè)得的pH值低于對(duì)照組。董颯爽［34］以冷卻分割雞胸肉為研究對(duì)象進(jìn)行PL殺菌處理，以pH值作為技術(shù)指標(biāo)的一部分，發(fā)現(xiàn)在脈沖能量為300～500 J時(shí)，pH值無(wú)顯著變化，在脈沖距離為9～15 cm時(shí)，pH值隨著脈沖距離的增大而增大，且脈沖時(shí)間對(duì)pH值的影響很小。

4 展望

脈沖光技術(shù)作為一種綠色低溫殺菌技術(shù)，對(duì)肉制品品質(zhì)相比其他加工方式而言影響很小。PL技術(shù)比傳統(tǒng)的殺菌方法具有突出優(yōu)勢(shì)，但是要將其商業(yè)化仍然存在一些問(wèn)題需要研究和解決。PL技術(shù)對(duì)平整的固體表面及透明液體具有較好的殺菌效果；由于存在遮光效應(yīng)和光的折射、反射、散射等的作用，PL在凹凸不平的肉制品表面會(huì)降低殺菌效果；PL作為電磁波，滲透力有限，肉制品的厚度也會(huì)影響滅菌效果。

相信隨著研究的深入和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，脈沖光在肉制品工業(yè)中的應(yīng)用會(huì)得到更多的關(guān)注。未來(lái)可充分發(fā)揮PL與其他食品殺菌方式（如超高壓處理［35］、低溫等離子體處理［36］、熱處理［37］、聲熱處理［38］、超聲波處理等）的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，并且可以同食品包裝方法如使用納米包裝材料相結(jié)合［39］，開(kāi)發(fā)更為有效的肉制品殺菌方法，推動(dòng)對(duì)PL技術(shù)的深度開(kāi)發(fā)和廣泛利用。