天然保鲜剂的作用机理及其在调理肉制品中的应用研究进展

王春幸,张东,贺稚非,2,李芳,陈茹,李洪军,2*

1(西南大学 食品科学学院,重庆,400715)2(重庆市特色食品工程技术研究中心,重庆,400715)

现代社会快节奏的都市生活使人们没有更多的时间消耗在厨房,简单、方便、美味的调理肉制品应运而生。数据表明,调理肉制品年均增长率达24% 以上[1],成为新时代更多家庭和餐馆的选择。调理肉制品是以畜禽肉为主要原料,绞制或切制后添加调味料、蔬菜等辅料,经滚揉、搅拌、调味或预加热等工艺加工而成。并在冷藏或冻藏条件下贮藏、运输及销售,食用前需经二次加工的非即食类肉制品[2]。按加热工艺可分为预制调理肉制品和预加热调理肉制品；按贮藏方式可分为冷藏调理肉制品和冷冻调理肉制品。

随着消费者对调理肉制品的需求量不断增长,由调理肉制品引发的安全性问题也日益突出。调理肉制品在加工过程中不能彻底杀灭微生物,并且在贮藏、运输和销售中也容易滋生细菌,从而影响消费者的饮食安全。其中最易污染调理肉制品的微生物有单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌、乳酸菌、沙门氏菌等[3]。此外,调理肉制品在低温贮藏中,蛋白质和脂肪也会发生氧化反应,影响感官风味、降低产品质量。针对这些安全性问题,国内外研究学者开发出多种保鲜技术,旨在延长调理肉制品的货架期。常见的保鲜技术有物理保鲜、化学保鲜和天然保鲜等。物理保鲜包括高压、超声波、微波辐照、脉冲电场、等离子体处理、气调包装等[4],能有效改善肉品质,延长货架期,但操作复杂,需要特定设备,成本较高。常见的化学保鲜剂包括有机酸及其盐类、丁基羟基茴香醚、二丁基羟基甲苯、乙二胺四乙酸等,操作容易,效果明显,成本低,但随着研究的深入,其安全性受到争议,对健康具有负面影响[5]。天然保鲜包括壳聚糖、溶菌酶、茶多酚、植物精油、香辛料提取物、乳酸链球菌素、ε-聚赖氨酸等,在自然界中来源丰富,无毒无害,广谱高效,因此消费者更倾向于选择天然保鲜剂[6]。

天然保鲜剂主要通过控制调理肉制品的微生物繁殖[7-8]、脂质氧化[9-10]、色泽变化[11-12],以及改善感官品质[9,12]等达到防腐保鲜的效果。国内外关于天然保鲜剂在调理肉制品中的应用研究颇多,主要集中于天然保鲜剂的组成(单一或混合)[13-14]和应用形式(直接添加[15]、涂层[16]、浸渍[17]、纳米复合膜[18]等)等对调理肉制品保鲜效果的影响。目前,国内还缺乏对天然保鲜剂在调理肉制品中应用的系统分析,特别是天然保鲜剂作用机理的系统归纳总结。本文综述了天然保鲜剂的作用机制以及近年来国内外关于天然保鲜技术在调理肉制品中应用的研究进展,旨在为调理肉制品天然保鲜剂的选择提供一定理论参考,促进我国调理肉制品产业更快更好地发展,使得国民饮食更加安全、健康、营养。

1 天然保鲜剂的概述

1.1 天然保鲜剂的定义

天然保鲜剂是指从动物、植物、微生物中提取或利用生物工程技术获得能够对食品进行保鲜、对人体安全的天然有效成分[19]。其在自然界中来源广泛、成本相对较低,越来越多地应用在肉制品中。在调理肉制品中使用天然保鲜剂的原因主要有3个：抑制微生物生长、蛋白和脂质氧化以及延长产品货架期。

1.2 天然保鲜剂的分类

天然保鲜剂按来源可分为动物源、植物源、微生物源保鲜剂。动物源保鲜剂是指从动物本身或其分泌物中提取出来的天然物质,品种较多,目前广泛应用于调理肉制品中的有壳聚糖、溶菌酶、蜂胶、鱼精蛋白、乳铁蛋白等,主要起到抑菌防腐的作用。特点是高效、安全健康、无毒副作用,但提取工艺复杂,在一定程度上限制了推广应用。

植物源保鲜剂是指从植物中草药或香辛料中提取,除了调味增香、抑菌防腐之外,也具有抗氧化除臭的作用。目前广泛应用于调理肉制品中的有茶多酚(tea polyphenols,TP)、儿茶素、迷迭香提取物(rosemary extract,RE)、牛至精油(oregano essential oil,OEO)、香辛料提取物、葡萄籽提取物(grape seed extract,GSE)、蔓越莓提取物等。特点是安全、来源丰富和价格低廉,还能赋予特殊风味和保健功能,但也存在气味强烈、影响食品风味等缺点。

微生物源保鲜剂按成分可分为微生物菌体、微生物代谢物和微生物发酵液等。目前广泛应用于调理肉制品中的有乳酸链球菌素、纳他霉素、ε-聚赖氨酸等。特点是专一性强,针对特定微生物,抑菌效果好。然而,单一的保鲜剂并不能满足需求,因此,常采用多种保鲜剂的协同作用以提高保鲜效果。表1列举了11种常见天然保鲜剂的特性。

表1 常见天然保鲜剂的特性[19-21]Table 1 Characteristics of common natural preservatives

2 天然保鲜剂的作用机理

2.1 天然保鲜剂的抑菌机理

2.1.1 破坏细菌的细胞壁和细胞膜

微生物的细胞壁可以维持细胞稳定的形态,起到保护细胞的作用。微生物的细胞膜可以控制物质进出细胞及细胞间的信息交流,保持细胞内部环境的相对稳定。壳聚糖带正电,与带有负电荷的细菌细胞膜结合,从而破坏细菌的细胞壁和细胞膜[22],影响细菌正常的生理功能,导致微生物的死亡。溶菌酶会裂解细胞壁中肽聚糖骨架的β-1,4糖苷键,使不溶性粘多糖分解成可溶性糖肽,导致细胞壁破裂内容物溶出而使细菌溶解[23]。蜂胶的抑菌机理是,蜂胶提取物表面带正电的基团与细菌表面阴离子位点之间发生静电相互作用,从而使细菌细胞发生破裂和裂解[24]。牛至精油具有高度疏水性,会造成细胞壁松弛,细胞膜通透性增大,从而破坏细菌细胞膜和细胞壁来达到抑菌效果[25]。麦角固醇是微生物细胞质膜的重要组成部分,是发芽孢子和营养菌丝的生长尖端。研究表明,纳他霉素能与麦角固醇结合,从而干扰细胞活动,例如细胞膜的运输和融合[26],还会以可逆的方式抑制氨基酸和糖类向细胞内的转运[27],最终引起细胞死亡。

2.1.2 影响细胞能量代谢

细胞壁和细胞膜的破坏会影响其能量代谢系统,导致微生物生长受阻。琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase,SDH)是线粒体内膜结合的多亚基连接酶,是细胞能量代谢的关键酶,其活性可作为评价三羧酸循环运行程度的指标。苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase,MDH)是三羧酸循环中的关键酶,对于细胞生长、代谢和增殖至关重要。CUI等[28]研究发现五味子提取物作用于大肠杆菌的细胞膜,可导致其通透性改变,并影响细胞能量代谢,降低SDH、MDH和总ATP酶的活性,进而抑制细胞膜吸收养分和代谢产物,导致微生物死亡。LIN等[29]研究发现ε-聚赖氨酸通过影响葡萄糖代谢的EMP途径,从而抑制单核细胞增生李斯特菌的呼吸代谢作用。研究表明,鱼精蛋白破坏细胞膜的通透性,导致K+、ATP和其他细胞成分的泄漏,从而影响能量转移和细菌细胞中营养物质的积累[30]。

2.1.3 对蛋白质和DNA的影响

保鲜剂通过破坏细菌能量代谢系统,会造成DNA复制和蛋白质合成受阻,从而引起细胞凋亡。壳聚糖能够改变细胞膜通透性,使得小分子壳聚糖进入细菌内部,与细胞内的DNA和蛋白质结合[31],造成细菌死亡。溶菌酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用,溶菌酶与病毒中RNA结合使病毒失活[32]。迷迭香提取物会影响细菌细胞膜通透性,进而干扰DNA复制和蛋白质代谢,使细菌代谢发生紊乱,从而发挥一定的抑菌作用[33]。研究发现,ε-聚赖氨酸与DNA之间存在强相互作用,可以阻碍DNA的复制,导致DNA片段化[34],还会干扰大肠杆菌中的蛋白质合成,蛋白质发生部分或全部降解[35],从而导致细胞快速死亡。

2.2 天然保鲜剂的抗氧化机理

2.2.1 清除自由基

肉制品在加工贮藏中受到外界影响会产生大量自由基,自由基具有极强的氧化能力,会引起脂质和蛋白质发生氧化反应。研究发现,植物中含有大量的酚类物质,能和自由基结合从而起到抗氧化的作用。茶多酚的酚羟基可以与活性氧结合,形成相对稳定的酚氧自由基,从而终止了自由基的自氧化反应[11]。研究表明,鼠尾草叶的水提物和醇提物的主要活性物质是黄酮类和酚类,具有清除自由基和抗氧化作用[36]。GANTNER等[37]研究发现添加到肉丸中的鼠尾草提取物由于含有丰富的酚类化合物而具有较高的抗氧化能力,从而延迟了脂质氧化产物的形成。SHARMA等[38]将植物精油添加到乳化鸡肉香肠中,结果显示总酚含量和DPPH自由基清除率显著高于对照组,能有效提高产品贮藏稳定性。

2.2.2 调节酶活力

天然保鲜剂可以调节某些氧化酶和抗氧化酶的活性,从而延缓或抑制肉制品的氧化程度。LI等[39]研究发现儿茶素可以抑制黄嘌呤氧化酶,还能增强某些抗氧化酶的表达,如过氧化氢酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)[40]。谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)可以消除机体内的过氧化氢及脂质过氧化物,阻断活性氧自由基对机体的进一步损伤,是生物机体内重要的抗氧化酶之一。研究发现,葡萄籽提取物可以通过提高CAT、SOD、GSH-Px和总抗氧化能力,并降低血清丙二醛含量以抑制氧化作用。这表明葡萄籽提取物是一种有效的抗氧化剂,可以通过激活抗氧化剂酶系统来降低反应性自由基和氧化应激[12]。蔓越莓提取物中的类黄酮含量丰富,表现出强大的抗氧化活性,能够对内源性抗氧化酶(如CAT、SOD、GSH-Px、谷胱甘肽还原酶等)起到保护作用[41]。

2.2.3 螯合金属离子

金属离子极易催化脂质、蛋白质和其他细胞组分发生氧化,天然保鲜剂可与金属离子形成螯合物,降低金属离子对氧化作用的催化活性。Fe2+从血红素色素和亚铁蛋白中释放出,是脂质和蛋白质氧化的重要催化剂。天然酚类物质能够与Fe2+、Ca2+、Mg2+、Cu2+等螯合,阻止金属离子的催化氧化作用[42]。SHARMA等[43]通过研究认为,红茶中的茶黄素与儿茶素相比具有更高的Cu2+螯合能力,这归因于茶黄素的稠合环和侧链上含有更多的OH基团。XU等[44]研究发现L-赖氨酸(Lys)和L-精氨酸(Arg)具有很强的Fe2+螯合能力,螯合速率随着Lys和Arg水平的升高而显着增加。这种螯合作用降低了游离Fe2+的浓度,有效防止脂质和蛋白质氧化。

3 天然保鲜剂在调理肉制品中的应用

3.1 天然保鲜剂在预制调理肉制品中的应用

预制调理肉制品是指在原料肉中加入食盐、香辛料等辅料,经过腌制、滚揉、成型等加工过程而制成的一类肉制品[2]。常见的预制调理肉制品有骨肉相连、鸡柳、肉饼、汉堡、重组牛排等。这类肉制品不经加热,在加工环节易带入微生物,在冷藏或冻藏期间引起细菌滋生、蛋白分解,造成品质的下降。因此选择适宜的保鲜剂,对于保证预制调理肉制品安全具有重要意义。保鲜剂的作用效果主要是由其所含的活性物质所决定。殷燕等[45]研究分析迷迭香提取物中的迷迭香酸和鼠尾草酸通过改变细胞膜通透性达到抑菌的效果,同时迷迭香酸、鼠尾草酸和迷迭香酚可以取代自由基作用于不饱和脂肪酸,达到抑制脂肪氧化的效果，结果表明,与对照组相比,迷迭香提取物添加量为0.06% 时对冷藏调理猪肉饼抑菌、抗氧化能力均有显著提高,且对肉饼的感官质量没有造成不良影响。VARGAS-SANCHEZ等[46]研究了蜂胶提取物对冷藏过程中牛肉馅饼脂质氧化和微生物生长的影响。结果表明添加2% 蜂胶,处理8 d后与对照组相比,冷藏牛肉馅饼的硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)值降低了78.54%,嗜冷微生物菌落总数降低了27.03%。这是因为蜂胶提取物中的多酚和黄酮类物质可以充当还原剂,通过螯合金属离子和清除单线态氧,抑制牛肉馅饼的氧化。同时蜂胶提取物含有的有机酸类和萜烯类能破坏菌体结构,从而抑制微生物生长。

研究表明,壳聚糖具有较高的成膜性和安全性,目前研究较多的是将壳聚糖与其他保鲜剂复合使用,或者制成包装材料薄膜,可通过喷涂、浸泡、涂膜或包装来应用,减少对产品本身造成影响。GIATRAKOU等[7]研究表明,壳聚糖和百里香精油添加比例为1.5%∶0.2% 时,能有效抑制麻辣鸡肉串中假单胞菌、嗜热芽孢杆菌、乳酸菌等的生长,并改善感官特性。李鑫玲等[13]对比壳聚糖以及壳聚糖和丁香精油复合涂膜对调理猪排贮藏品质的影响,结果表明复合涂膜能更好抑制调理猪排的脂质和蛋白氧化程度,降低菌落总数,有效延长猪排冷藏期间的货架期。QIN等[12]研究了茶多酚和壳聚糖包装膜对调理猪肉馅饼的品质影响,结果表示复合膜能阻止TBA值和高铁肌红蛋白的增加,且能保持较好的感官接受度,与对照组相比,货架期有效延长6 d。AMJADI等[18]研究发现壳聚糖纳米颗粒和明胶复合薄膜能显著降低鸡柳中食源性致病菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌)的生长,并有效控制pH值和色泽变化,延长产品保质期。主要是因为明胶和壳聚糖能够通过静电作用和氢键相互反应,从而改善复合膜理化性质,增强保鲜效果[47]。

3.2 天然保鲜剂在预加热调理肉制品中的应用

预加热调理肉制品是指原料预制后,经蒸煮或油炸等工艺,使之成型或部分熟化的肉制品[2]。常见的预加热调理肉制品有肉丸、火腿、香肠、午餐肉、肉饼等。这类肉制品经过加热,因此在贮运过程中防止发生氧化和微生物污染,保持产品品质至关重要。CHINPRAHAST等[15]研究表明将3.2%的迷迭香叶添加到调理猪肉馅饼中,可以改善猪肉馅饼的风味,并改善其氧化稳定性,且理化指标、感官和微生物质量方面没有产生不利影响。SUMONSIRI等[48]研究乳酸链球菌素添加量对冷藏猪肉丸品质的影响程度,结果表明,乳酸链球菌素主要破坏嗜温需氧微生物的细胞质膜,其中25.0 mg/kg的乳酸链球菌素在微生物生长抑制方面最有效,在贮藏期15 d内可保持肉丸的品质。ANTONIADOU等[8]探究了壳聚糖涂层对调理牛肉丸保质期的影响以及冷藏过程中微生物的控制,结果表明,可食性壳聚糖涂层能够破坏有氧活菌、李斯特菌、乳酸菌和肠杆菌科等微生物的细胞膜,与对照组相比,可将调理肉丸保质期延长14 d。

单一保鲜剂在防腐保鲜效果上存在局限性,多种天然保鲜剂的联合使用正逐渐成为调理肉制品品质保鲜研究的趋势。姚永杰等[17]针对水晶肴肉中特定腐败菌,复配抑菌液最优组合为468 mg/kg 乳酸链球菌素、39 mg/kg ε-聚赖氨酸、312.5 mg/kg 茶多酚和234.25 mg/kg肉桂醛,在贮藏15 d时细菌总数抑制率可达到74%,能有效控制肴肉中微生物生长。香辛料提取物在防腐保鲜的同时,能改善产品风味,且成本较低,在调理肉制品保鲜中最为常见。DIAO等[16]研究了大蒜水提取物-羧甲基壳聚糖涂层对即食五香鸡肉货架期的影响,结果表明,涂层有效抑制了微生物的生长,并且可以延迟冷藏中鸡肉蛋白质分解和脂质氧化的速率,且对感官品质没有负面影响,货架期为6 d。ARAUJO等[49]研究证实大蒜精油和乳酸链球菌素能显著降低大肠杆菌和乳酸菌的菌落总数,并保持香肠的红色和pH值,感官评估表明与对照组相比虽有显著差异(P<0.05),但2种含有天然抗菌剂的香肠都能被专家接受,具有商业开发潜力。精油的抗氧化作用可以归因于其螯合自由基以及抑制水解和氧化酶的能力。蔡华珍等[14]研究香辛料复配精油最佳组合是：0.1%八角精油、0.08%花椒精油、0.04%桂皮精油,能使调理鸡肉串在4 ℃下保鲜20 d,同时能使产品保持复合香味浓郁、略带麻辣香味,风味最佳。

4 展望

当下调理肉制品行业发展迅速,能否实现规模化、商业化加工,取决于技术的成熟和品质的把控。目前,天然保鲜剂的开发与应用是研究的热点,也逐渐应用到调理肉制品的生产加工中,但还未得到广泛推广,主要原因有作用效果单一、影响感官质量等,针对天然保鲜剂存在的这些问题,提出其未来研究应用趋势如下：

(1)某些天然保鲜剂直接从生物体内分离提取得到,而对于其发挥作用的单体物质以及成分结构尚不明确。因此,需要重点研究保鲜机理,从更深层面解释保鲜效果。同时,新型天然保鲜剂必须无毒无害,经过大量的实验验证及毒理学检验,保证天然保鲜剂的安全性。

(2)天然保鲜剂的传统提取技术复杂,成本相对较高,且提取得到的保鲜剂存在气味强烈、作用效果单一、与食物成分发生反应等缺点,限制了某些保鲜剂的应用。因此,采用生物工程技术进行制备,根据保鲜剂的特性,与其他类型保鲜剂复配使用,选择合适的应用形式,扬长避短,更好发挥保鲜剂的作用。

(3)某些天然保鲜剂可作为饲料添加剂应用于畜禽生产,明显提高畜禽生长性能和饲料利用率,降低发病率和死亡率,提高肉制品品质。因此,今后应当开发出更多可添加于畜禽日粮中的天然抗菌剂或抗氧化剂,增强免疫功能,从源头改善调理肉制品原料肉品质。

(4)在对天然保鲜剂各方面进行广泛深入研究的同时,有关部门需不断制定完善天然保鲜剂的使用范围、方法、剂量等标准规定,使我国天然保鲜剂的研究工作更趋深入和完善。