天然活性包裝膜在冷凍肉貯藏中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李波，李帆，陳明繪，趙電波，白艷紅

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，鄭州 450001；2.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)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(yīng)，降低微生物的生長速度[1]。然而，在凍結(jié)過程中會形成大且不規(guī)則的冰晶，破壞肌肉組織，降低其保水性，加劇脂肪和蛋白質(zhì)的氧化分解。更為嚴(yán)重的是，在實際生產(chǎn)、貯藏和銷售過程中，由于冷鏈物流體系的不完善和運輸環(huán)境的復(fù)雜多變，易造成溫度波動或冷鏈銜接間斷，使得肉品經(jīng)歷反復(fù)冷凍–解凍（凍融）過程[2]。研究表明，反復(fù)凍融會造成冰晶大小形態(tài)變化，長大的冰晶對肉體系產(chǎn)生機械破壞作用，并且誘發(fā)脂肪和蛋白氧化變性連鎖反應(yīng)，進(jìn)一步加劇冷凍肉感官品質(zhì)、營養(yǎng)價值、功能性質(zhì)及食用品質(zhì)的下降[3]。

目前，研究者通過物理場輔助冷凍解凍技術(shù)（如高壓、超聲波和電磁）以及添加生物活性抗凍物質(zhì)（如冰核蛋白、抗凍蛋白、碳水化合物、多酚等）調(diào)節(jié)冰晶形態(tài)，降低反復(fù)凍融對肉及肉制品的負(fù)面影響[4,5]。然而，快速冷凍解凍技術(shù)成本高、操作復(fù)雜；直接添加生物活性抗凍物質(zhì)存在分布不均、與肉品基質(zhì)反應(yīng)等問題。近年來，搭載功能性物質(zhì)的活性包裝在食品保鮮領(lǐng)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(zhì)和延長其貨架期。本文首先簡要總結(jié)反復(fù)凍融對冷凍肉品質(zhì)的影響規(guī)律，然后歸納肉品包裝中常用的天然活性物質(zhì)、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(yīng)用研究進(jìn)展，并且對現(xiàn)有研究存在的局限和未來研究方向進(jìn)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(yīng)用提供參考。

1 反復(fù)凍融對肉品品質(zhì)的影響

1.1 反復(fù)凍融對冰晶的影響

肉品冷凍過程中，當(dāng)處于平衡溫度以下時，水分子發(fā)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(zhì)氧化[5]。反復(fù)凍融過程中，當(dāng)溫度升高時，肉品細(xì)胞內(nèi)的冰晶融化，蒸汽壓差促使水分子穿過細(xì)胞膜分布在細(xì)胞間隙中；肉品再次凍結(jié)后，由于熱力學(xué)效應(yīng)，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(xù)組合，肉品組織內(nèi)小冰晶逐步變成大冰晶[6]。冰晶的重結(jié)晶和聚集會對肉品造成更大的質(zhì)量損傷，加劇冷凍肉品質(zhì)劣變。

1.2 反復(fù)凍融對肉品色澤的影響

反復(fù)凍融過程中的溫度變化會促進(jìn)肉品內(nèi)部氧化物生成，加劇肉品色澤劣變[7]。Wang 等[8]研究表明，經(jīng)過5 次凍融循環(huán)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(guān)，反復(fù)凍融會增加肌紅蛋白發(fā)生氧化還原反應(yīng)的概率，導(dǎo)致肉品表面色澤的變化。凍融循環(huán)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(nèi)發(fā)生的生化反應(yīng)和耐冷菌產(chǎn)生的色素也會導(dǎo)致肉品色澤惡化[9]。

1.3 反復(fù)凍融對肉品保水性的影響

反復(fù)凍融過程中形成的大冰晶會破壞肉品細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致肉品組織內(nèi)汁液流失嚴(yán)重，使其持水力下降[8]。反復(fù)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(fā)現(xiàn)，隨著反復(fù)凍融次數(shù)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(fù)凍融對肉品質(zhì)構(gòu)特性的影響

質(zhì)構(gòu)特性直接反映肉品的食用品質(zhì)。有研究發(fā)現(xiàn)，與新鮮肉相比，肉品在經(jīng)歷反復(fù)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(fù)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(zhì)構(gòu)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(chǎn)生黏液，進(jìn)而使肉品黏附性增強[14]。

1.5 反復(fù)凍融對肉品pH 的影響

反復(fù)凍融過程中肉品pH 值呈現(xiàn)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(chǎn)生了游離脂肪酸，后期上升可能是由于肉品內(nèi)部的蛋白質(zhì)降解，產(chǎn)生大量的堿性氨基酸[15]。同時，微生物酶分解蛋白質(zhì)生成的大量堿性化合物也會使pH 值升高[16]。

1.6 反復(fù)凍融對肉品氧化的影響

反復(fù)凍融能夠引起肉品蛋白質(zhì)和脂肪氧化。研究表明，在經(jīng)歷反復(fù)凍融后，肉品內(nèi)部所形成的大冰晶破壞了細(xì)胞完整性，釋放出過氧化物質(zhì)，導(dǎo)致線粒體和溶酶體酶泄漏，促進(jìn)了蛋白質(zhì)氧化[17]。此外，隨著反復(fù)凍融次數(shù)的增加，蛋白質(zhì)內(nèi)部巰基基團(tuán)間產(chǎn)生相互作用，生成大量二硫鍵，造成蛋白質(zhì)氧化降解[18]。高夢雪[19]研究發(fā)現(xiàn)，隨著反復(fù)凍融次數(shù)的增加，肌原纖維蛋白構(gòu)象的改變會促使蛋白質(zhì)氧化，蛋白質(zhì)表面疏水性也呈增強趨勢。

反復(fù)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(jìn)脂肪氧化。大冰晶也會直接破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致脂肪與氧接觸面增大，加速脂肪氧化。脂質(zhì)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(chǎn)物，使肉品出現(xiàn)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(zhì)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(zhì)、脂質(zhì)。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(shù)多糖分子含有羥基、氨基等親水基團(tuán)，依靠氫鍵、范德華力等作用成膜[21]。多糖膜結(jié)構(gòu)簡單、力學(xué)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(xué)性能較差，需要通過熱變性、化學(xué)處理、酶法改性等方法進(jìn)行改良[22]。脂質(zhì)膜常用基質(zhì)有蜂蠟、石蠟、乙酰化單甘脂、有機脂肪酸、樹脂等。脂類物質(zhì)極性低、疏水性強，因此脂質(zhì)膜阻濕性好，可延緩食品的水分散失，常應(yīng)用于畜禽和海產(chǎn)品的包裝[23]。但脂質(zhì)膜的力學(xué)性能較差，也需要通過改性或共混擴大其應(yīng)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(yīng)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(nèi)結(jié)晶區(qū)域，增強膜的柔韌性和強度，更有利于生物聚合物基質(zhì)膜在食品包裝上的應(yīng)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(zhì)

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

常用的動物源活性物質(zhì)有殼聚糖、冰結(jié)構(gòu)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(jié)合涂層處理冷凍魚片，可有效延緩魚片脂肪氧化，抑制細(xì)菌生長。冰結(jié)構(gòu)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(jié)晶的發(fā)生。Du 等[26]使用冰結(jié)構(gòu)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(jīng)歷5 次凍融循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)魚肉的水分遷移和微觀結(jié)構(gòu)破壞得到有效抑制。

微生物源活性物質(zhì)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(fā)酵產(chǎn)物，屬于陽離子肽，可以通過疏水作用和靜電相互作用與細(xì)胞壁上的陰離子成分相互作用，并且抑制細(xì)胞壁合成，從而達(dá)到抑菌效果[27]。磨佳琳等[28]使用Nisin 處理牛肉，發(fā)現(xiàn)Nisin 處理可以有效減緩牛肉氧化，降低微生物數(shù)量。ε–聚賴氨酸為白色鏈霉菌的代謝產(chǎn)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(lǐng)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(zhì)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(fù)雜化合物[30]，含有高濃度的醛、酚類物質(zhì)，可破壞微生物細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)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(jié)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(zhì)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(xiàn)抗氧化效果[34]，已用于肉及肉制品的保鮮。謝菁等[35]研究發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yīng)物（Thiobarbituric Acid Reactive Substances，TBARS）和總揮發(fā)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(zhì)的總稱，通過結(jié)合自由基、螯合金屬離子抑制脂質(zhì)氧化，目前已廣泛用于水產(chǎn)、畜禽的保鮮[36]。梁杰等[37]研究表明負(fù)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(fù)合膜展現(xiàn)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(shù)制備負(fù)載天然活性物質(zhì)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(zhì)溶解混合，加入適量增塑劑，經(jīng)攪拌、均質(zhì)、過濾、脫氣等工序后將成膜液均勻地流延于平板，再經(jīng)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(fù)載活性物質(zhì)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(fù)合膜制備。將涂膜液覆蓋于原有薄膜上進(jìn)行二次復(fù)合，所得復(fù)合膜的力學(xué)性能和功能特性都優(yōu)于原有薄膜。

2.2.3 螺桿擠出技術(shù)

螺桿擠出是一種干法加工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于聚合物工業(yè)中傳統(tǒng)塑料包裝的生產(chǎn)[40]。相比傳統(tǒng)的流延法，螺桿擠出技術(shù)具有速度快、操作簡單等優(yōu)點。然而多數(shù)天然活性物質(zhì)的熱穩(wěn)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(zhì)作用的減弱或喪失，因此該法在天然活性膜的制備中應(yīng)用不廣泛[41]。

2.2.4 靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲技術(shù)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(jìn)一步劈裂、細(xì)化；經(jīng)過溶劑蒸發(fā)，最終在接收板上固化形成納米纖維膜。相較于傳統(tǒng)的活性包裝材料制備技術(shù)，靜電紡絲技術(shù)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(zhì)的包埋率高[42]。

2.2.5 3D 打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)是一種集計算機、精密驅(qū)動、數(shù)控和材料科學(xué)于一體的新型快速成型技術(shù)[43]。打印材料通過由形狀設(shè)計模型控制的噴嘴噴出。3D 打印具有生產(chǎn)速度快、周期短、成本低、污染小、適應(yīng)性強等優(yōu)勢，可通過對所提供的材料進(jìn)行逐層沉積，構(gòu)建復(fù)雜的3D 結(jié)構(gòu)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(yīng)用

天然活性包裝膜的應(yīng)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(jié)綜述天然活性包裝膜在冷凍畜禽肉及水產(chǎn)品中的應(yīng)用研究。

3.1 畜禽肉

近年來研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)和脂肪氧化。Santos 等[44]制備負(fù)載針葉櫻桃甘蔗渣提取物的明膠復(fù)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(fā)現(xiàn)復(fù)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(fù)合薄膜并包裹肉丸，于?18 ℃下儲存60 d，結(jié)果表明復(fù)合膜具有優(yōu)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(fù)合薄膜，將復(fù)合薄膜制成小袋并密封包裹盛有豬肉的培養(yǎng)皿，隨后將樣品冷凍保藏。研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合薄膜處理延緩了豬肉脂肪和蛋白質(zhì)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(nèi)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(xiàn)出更高的抗氧化能力。

3.2 水產(chǎn)品

與畜禽肉相比，水產(chǎn)品的水分含量更高，更易受微生物污染和環(huán)境影響而腐敗變質(zhì)[47]。目前研究較多的是使用活性物質(zhì)涂層處理改善水產(chǎn)品在冷凍儲存中的品質(zhì)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(jìn)行凍融處理并檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加Pickering 乳液可抑制凍融引發(fā)的冰晶尺寸增大，降低魚糜干耗，延緩魚肉質(zhì)構(gòu)的變化速率，提高蛋白凝膠的穩(wěn)定性。Du 等[26]研究了冬小麥蛋白對魚肉在凍融循環(huán)過程中的品質(zhì)影響，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jìn)行冷凍處理，研究發(fā)現(xiàn)活性物質(zhì)浸漬處理可延緩魚肉蛋白質(zhì)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(yīng)用Tab.1 Application of natural active packaging films in frozen meat

4 結(jié)語

目前，天然活性包裝膜在冷凍肉中的應(yīng)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(jié)合活性物質(zhì)釋放，有助于延緩冷凍肉脂肪和蛋白質(zhì)氧化，保持肉品色澤。然而，對經(jīng)歷反復(fù)凍融過程的肉品而言，復(fù)雜的運輸貯藏條件以及多變的肉品組織狀態(tài)容易破壞涂層結(jié)構(gòu)，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(zhì)的釋放?；诖?，開發(fā)負(fù)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(wěn)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(fù)凍融肉的品質(zhì)。

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(zhì)方面具有明顯優(yōu)勢，但其應(yīng)用仍然存在一些問題。生物聚合物的機械性、穩(wěn)定性、阻隔性較差，難以滿足食品包裝材料的特性要求。已發(fā)現(xiàn)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(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)仍具有巨大挑戰(zhàn)。今后應(yīng)加強生物材料的技術(shù)研發(fā)，通過基材篩選和材料改性進(jìn)一步構(gòu)建功能特性優(yōu)良的冷凍肉活性包裝膜材；探索新的天然活性物質(zhì)，綜合運用微生物和組學(xué)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(wěn)定。為順應(yīng)人們對安全肉品的消費需求，有必要借助數(shù)學(xué)模型、計算機模擬等開展活性包裝膜中功能性物質(zhì)的釋放動力學(xué)研究，并結(jié)合毒理學(xué)和食品感官科學(xué)系統(tǒng)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(yǎng)和感官特性的影響。