基于单纯形重心设计优化气调包装冷鲜猪肉的气体比例

孔　萍,孙　杰,易　阳,2,侯温甫,2,闵　婷,2,王宏勋,2,*

(1.武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023;2.湖北省生鲜食品工程技术研究中心,湖北武汉 430023)



孔萍1,孙杰1,易阳1,2,侯温甫1,2,闵婷1,2,王宏勋1,2,*

(1.武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023;2.湖北省生鲜食品工程技术研究中心,湖北武汉 430023)

为优化冷鲜猪肉气调包装的气体比例,增强其保鲜效果,以菌落总数、挥发性盐基氮(TVB-N)值、pH和感官品质为指标,基于单纯形-重心设计考察O2、CO2和N2的不同配比对冷鲜猪肉的品质维持作用。通过与托盘包装的对照组比较发现,适宜的气体配比能有效抑制冷鲜猪肉中微生物的生长、减少TVB-N的生成、保持产品的感官品质,且各指标两两之间均存在极显著的相关性(p<0.01)。以三种气体各自所占体积百分比为因素,筛选产品贮藏至第8 d和第10 d的菌落总数、TVB-N值及二者加权值为响应值,建立6套回归模型并分别优化得到6组气体配比方案。通过验证确定冷鲜猪肉气调保鲜的最佳气体比例为22% O2和78% CO2,在此条件下贮藏至第8 d的菌落总数和TVB-N值分别为5.85 lg(cfu/g)和14.00 mg/100 g,相比对照组可延长产品货架期达5 d。

冷鲜猪肉,气调,单纯形-重心设计

气调包装(Modified atmosphere packaging,MAP)是一种高效、绿色、安全的保鲜技术,广泛应用于肉与肉制品的品质控制。O2、CO2和N2是肉制品气调包装中常用的三种气体,各自发挥不同的功能。O2能与冷鲜肉中紫色的肌红蛋白结合形成鲜红色的氧合肌红蛋白,维持肉的鲜红色。高氧气调包装能提供较好的护色效果且抑制厌氧微生物的生长,但易导致肉制品的脂质氧化和蛋白氧化,并有可能促进需氧微生物的生长和酶促反应的加速[1-2]。CO2通过降低产品的pH、增加细胞膜的离子通透性以及抑制酶的活性来达到抑菌作用。Nagel和King[3]的研究表明CO2能干扰假单胞菌等腐败菌的新陈代谢,同时还影响微生物的酶法脱羧,对大多数需氧微生物和霉菌表现出显著的抑制作用。N2作为填充气体能缓解CO2造成的包装塌陷,同时可以防止霉菌和寄生虫的生长、脂肪氧化酸败等[4]。

已有的研究关于冷鲜猪肉气调包装最佳气体比例的研究结果各不相同:成培芳等[5]认为气调包装混合气体比例为50% O2、40% CO2、10% N2时,可保持冷却猪肉良好的色泽和适宜的pH;王永刚等[6]优化冷鲜猪肉气调保鲜的最佳气体比例为CO275%、O210%、N215%,可使其在18 d内保持二级鲜度;章建浩等[7]研究发现O2和CO2显著影响冷鲜猪肉的pH、细菌总数和大肠杆菌MPN,适宜的气调气体配比为70% O2和30% CO2。研究结果的差异一方面在于评价指标的不同,另一方面受气体配比设计随机性强的影响。混料设计可通过较少的实验次数,利用回归分析得到较佳的配比[8]。其中单纯形-重心设计作为混料配方设计中最基本的设计方案,在产品配方优化研究方面应用广泛[9-11],但在冷鲜猪肉气调包装气体比例优化中的应用尚鲜见报道。

本文采用三因素单纯形-重心设计考察不同O2、CO2和N2比例对冷鲜猪肉贮藏过程中菌落总数、挥发性盐基氮、pH和感官品质的影响,进一步筛选响应值建立回归模型,优化并验证得到冷鲜猪肉气调保鲜的最佳气体比例。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

冷鲜猪里脊肉湖北武汉市中百仓储常青花园店;平板计数琼脂(PCA)山东青岛高科园海博科技生物技术有限公司;硼酸、氧化镁、氯化钠、乙醇、甲基红国药集团化学试剂有限公司;溴甲酚绿科密欧化学试剂有限公司。

BC-220SE型海尔电冰柜青岛海尔科技有限公司;SW-CJ-2FD型双人单面净化工作台苏州净化设备有限公司;DHP-9082型电热恒温培养箱上海一恒科学仪器有限公司;FSH-2A型可调高速匀浆机金坛市医疗仪器厂;手提式蒸汽不锈钢消毒器(灭菌锅)上海三申医疗器械有限公司;CP214(C)型电子天平奥豪斯仪器(上海)有限公司;FD-Z1型气调包装机上海福帝包装机械有限公司;YP2002型电子天平上海菁海仪器有限公司;臭氧发生器济南奥洋环保科技有限公司。

1.2实验方法

1.2.1混料实验设计采用软件SAS V8混料设计中的单纯形-重心设计方法,以O2、CO2和N2各自所占气体总体积百分比为实验因素,获得不同的气调配比组合,如表1所示。

1.2.2冷鲜猪肉的气调保鲜工艺提前清洗器具和操作台,并采用臭氧和紫外辐照对操作环境杀菌。将冷鲜猪里脊肉以约100 g/块分割置于气调包装盒内,随机分为8组,每组18盒。各实验组参考表1气体比例进行气调包装,对照组采用保鲜膜进行简易覆裹。将各组冷鲜肉立即置于4℃冷藏,并间隔2 d分析检测冷鲜肉初始(0 d)至贮藏第10 d的品质指标。

表1　单纯形-重心设计冷鲜猪肉气调包装的气体比例

1.2.3分析方法菌落总数测定:具体步骤参照GB 4789.2-2010 《食品微生物学检验菌落总数测定》进行[12],检验结果以lg cfu/g表示。评价标准:菌落总数≤104cfu/g,新鲜肉;104cfu/g<菌落总数≤106cfu/g,次鲜肉;菌落总数>106cfu/g,变质肉。

挥发性盐基氮(TVB-N值)的测定:按GB/T5009.44-2003《肉与肉制品卫生标准的分析方法》中的半微量定氮法进行测定[13]。评价标准:TVB-N值≤ 15 mg/100 g,一级鲜度;15 mg/100 g

pH的测定,具体步骤参照GB/T5009.44-2008《肉与肉制品pH测定》中方法进行[14]。评价标准:一级鲜度pH为5.8～6.2,二级鲜度pH为6.3～6.6,变质肉pH为6.7以上。

感官评价:参考GB2707-2005《鲜(冻)畜肉卫生标准》[15],评定人员以冷鲜猪肉的色泽、气味、弹性、组织形态为指标进行感官评分,如表2所示。评价标准:感官评分≥80,一级鲜度;60≤感官评分<80,二级鲜度;感官评分<60,变质肉。

表2　冷鲜猪肉的感官评分标准

表3　不同气体比例对冷鲜猪肉菌落总数变化的影响(lg cfu/g)

注:不同小写英文字母表示同一贮藏期时组间菌落总数存在显著性差异(p<0.05);*(p<0.05)和**(p<0.01)表示同组内不同贮藏时间的菌落总数显著高于初始值(0 d)。

表4　不同气体比例对冷鲜猪肉TVB-N值的影响(mg/100 g)

注:不同小写英文字母表示同一贮藏期时组间挥发性盐基氮值存在显著性差异(p<0.05);*(p<0.05)和**(p<0.01)表示同组内不同贮藏时间的挥发性盐基氮值显著高于初始值(0 d)。

气调比例的优化:以O2(X1)、CO2(X2)和N2(X3)的体积百分比为实验因素,分别建立以第8 d菌落总数(Y1)、第8 d TVB-N值(Y2)、第10 d菌落总数(Y3)、第10 d TVB-N值(Y4)、第8 d加权值(Y5)、第10 d加权值(Y6)为考察指标的回归模型,其中,Y5=(0.5Y1i/(Y1+0.5Y2j/(Y2)×100,Y6=(0.5Y3i/(Y3+0.5Y4j/(Y4)×100。

式中:0.5-为菌落总数值和TVB-N值的权重;Y1i-为i组第8 d的菌落总数;(Y1-为1～7组在第8 d的菌落总数总平均值;Y2j-为j组第8 d的TVB-N;(Y2-为1～7组在第8 d的TVB-N总平均值;Y3i-为i组第10 d的菌落总数;(Y3-为1～7组在第10 d时的菌落总数总平均值;Y4j-为j组第10 d时的TVB-N;(Y4-为1～7组在第10 d的TVB-N总平均值。

1.3数据处理与统计分析

采用SAS V8软件(SAS公司)进行单纯形-重心设计和数据分析,通过PROC NLP程序分析响应值取极小值时的因素水平。采用SPSS19软件(IBM公司)进行单因素方差分析和Pearson相关性检验,组间数据的显著性差异采用S-N-K检验,显著性水平为0.05。

2　结果与讨论

2.1不同气体比例对冷鲜猪肉菌落总数变化的影响

如表3所示,各组冷鲜猪肉的菌落总数随着时间的延长均呈上升趋势,但不同气体比例下的微生物生长表现明显不同。在2～10 d的贮藏期内,对照组的菌落总数明显高于其他组,其第6 d的菌落总数已超过107cfu/g,说明此时冷鲜猪肉已变质。各实验组在第2、6、8 d的菌落总数均显著低于对照组(p<0.05)。其中组3和组5的冷鲜猪肉在第8 d仍保持次鲜肉的菌落总数标准。组3和组5表现出较强的抑菌作用,其菌落总数在第10 d才发生显著增加(p<0.05)。高浓度的CO2对细菌具有较强的抑制作用,与段静芸[16]报道的CO2含量越高,对细菌的抑制作用越强的研究结果相似。适量O2可抑制厌氧菌的生长繁殖,但随着氧气的增加会降低CO2对微生物的抑制作用。

2.2不同气体比例对冷鲜猪肉挥发性盐基氮变化的影响

表5　不同气体比例对冷鲜猪肉pH变化的影响

注:不同小写英文字母表示同一贮藏期时组间pH存在显著性差异(p<0.05);*(p<0.05)和**(p<0.01)表示同组内不同贮藏时间的pH显著高于初始值(0 d)。

表6　不同气体比例条件下冷鲜猪肉感官评分

注:不同小写英文字母表示同一贮藏期时组间感官评分存在显著性差异(p<0.05);*(p<0.05)和**(p<0.01)表示感官评分显著高于同组第2 d的感官评分。

TVB-N值是反映冷鲜猪肉新鲜度的指标,随着贮藏期的延长其逐渐增大,如表4所示。对照组在贮藏期间始终保持较高的TVB-N值,并在第10 d时显著高于其他所有实验组(p<0.05),且根据TVB-N值界定为变质肉。贮藏至第4 d时,所有实验组的TVB-N均显著高于其初始值(p<0.05)。贮藏至第10 d时,组2、3、5的TVB-N值仍处于一级鲜度范围,而其余实验组为二级鲜度。高氧气浓度,会促进肉制品中假单胞菌和肠杆菌科菌的繁殖,从而分解蛋白质产生有异味的含硫化合物、胺类等,使TVB-N值升高[17]。而本研究中,高氧浓度贮藏初期表现出较强的TVB-N生成抑制作用。

2.3不同气体比例对冷鲜猪肉pH变化的影响

不同气体比例对冷鲜猪肉贮藏期间pH的影响由表5可见,对照组的pH在第4 d和第6 d均显著高于各实验组(p<0.05)。各实验组pH均随贮藏时间的延长而增加,且在第4 d时均显著高于初始值(p<0.05)。而各组之间的变化差异并无规律可循。冷鲜猪肉贮藏期间的pH变化可能主要受两方面因素的影响:产乳酸的微生物生长繁殖导致的pH降低,以及产生胺类物质的微生物生长繁殖导致的pH增大[18]。

2.4不同气体比例对冷鲜猪肉感官品质变化的影响

冷鲜猪肉的感官评价主要关注其颜色、气味、组织状态等方面的变化,如气味恶化和表面发粘,设定冷鲜猪肉初始感官评分为100。由表6可见,各组冷鲜肉的感官评分随着贮藏时间的延长逐渐下降,其中对照组的感官评分至第2 d起便显著低于其他实验组(p<0.05)。对照组在第4 d时有明显异臭气味,而组3在贮藏期间始终保持有良好的鲜红色泽,且其第8 d的感官评分显著高于其他实验组(p<0.05)。

2.5气调包装冷鲜猪肉品质指标的相关性

由气调包装冷鲜猪肉品质指标的Pearson相关性分析可见(表7),菌落总数、TVB-N值、pH和感官评分两两之间均存在极显著的相关性(p<0.01)。微生物的生长繁殖是致使冷鲜猪肉品质下降的重要诱因,造成TVB-N值和pH的增加及感官品质的降低。

表7　气调包装冷鲜猪肉品质指标的Pearson相关性

注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

2.6气调包装冷鲜猪肉气体比例的优化及验证

第8 d和第10 d的实验结果归纳如表8所示。通过对Y1至Y66组回归模型进行分析,并解析响应值为极小值时的因素水平,得到6组最佳的气体配比,如表9所示。按表9中优化气体比例进行比较验证,其结果见图1和图2。因前期组6的气体比例对冷鲜猪肉品质维持效果较好,故选作阳性对照。

表8　单纯形-重心设计实验结果

表9　回归模型及优化气体比例结果

由图1知,在贮藏期间,各组的菌落总数随着时间的延长呈上升趋势。对照组在第8 d与实验组3′、4′、5′组的菌落总数值差异不显著(p>0.05),但到第10 d时均显著高于各实验组(p<0.05)。实验组6′和6在冷藏期间菌落总数较低,第10d时菌落总数分别为6.08 lg cfu/g和5.79 lg cfu/g。

图1　不同气体比例对冷鲜猪肉菌落总数值的影响Fig.1　Effect of different gas mixture ratio on the change of total bacteriacount of chilled meat注:不同小写英文字母表示同一时间组间菌落总数存在显著性差异(p<0.05)。

由图2知,在贮藏期间,各组的TVB-N值随着时间的延长呈上升趋势。对照组在第8 d时与实验组4′、6′、6的TVB-N值差异不显著(p>0.05),但到第10 d时与各组的TVB-N值均呈显著差异(p<0.05)。实验组6′和2′在冷藏期间TVB-N值保持在较低范围内,第10 d的TVB-N值分别为15.12、17.45 mg/100 g。经过验证实验最终确定冷鲜猪肉气调包装的最优气体比例为22%O2和78%CO2(组6′)。

图2　不同气体比例对冷鲜猪肉TVB-N值的影响Fig.2　Effect of different gas mixture ratio on the change of TVB-N of chilled meat注:不同小写英文字母表示同一时间组间挥发性盐基氮值存在显著性差异(p<0.05)。

3　结论

采用单纯形-重心设计考察不同气体比例的气调保鲜对冷鲜猪肉品质的影响,通过与对照组比较发现,适宜的气体配比能有效抑制微生物的生长、减少挥发性盐基氮的生成、提高成品的感官品质。进一步筛选贮藏至第8 d和第10 d的菌落总数、TVB-N及二者加权值建立6个回归模型,优化并验证得到冷鲜猪肉的最优气调比例为22% O2和78% CO2,在此条件下,气调包装冷鲜猪肉贮藏至第8 d的菌落总数和TVB-N值分别为5.85 lg cfu/g和14.00 mg/100 g,相比对照组可延长产品货架期达5 d。

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Optimization of gas mixture ratio of modified atmosphere packaging for chilled meat by simplex-centroid design

KONG Ping1,Sun Jie1,YI Yang1,2,HOU Wen-fu1,2,MIN Ting1,2,WANG Hong-xun1,2,*

(1.College of Food Science &Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China; 2.Engineering Research Center for Fresh Food in Hubei Province,Wuhan 430023,China)

The gas mixture ratio of modified atmosphere packaging for chilled meat was optimized to strengthen preservation effects.Based on simplex-centriod design,total bacteria count,total volatile basic nitrogen(TVB-N)value,pH value and sensory score were used as indices to evaluate the effect of gas mixture ratio(O2,CO2and N2)on chilled meat.Compared with the control group of pallet packing,a fitting mixture of gas could obviously inhibit bacterial growth,reduce TVB-N production and maintain sensory quality.The indices showed significant correlations with each other(p<0.01).Total bacteria count,TVB-N value and their weighted value measured at the 8thday and the 10thday were selected to establish six regression mathematical models with three factors including O2percentage,CO2percentage and N2percentage,followed by optimizing the gas mixture ratio independently.The optimum gas ratio was confirmed to be 22% O2and 78% CO2after comparative investigation on the preservation effects on chilled meat.Under this condition,the total bacteria count and TVB-N value of chilled meat kept at the 8thday was respectively 5.85 lg(cfu/g)and 14.00 mg/100 g,and the shelf life comparing with that of pallet packing was extended for 5 days.

chilled meat;modified atmosphere packaging;simplex-centroid design

2015-09-17

孔萍(1991-),女,硕士研究生,研究方向:食品加工与安全,E-mail:pinkkp0808@163.com。

王宏勋(1977-),男,博士，教授,研究方向:食品加工与安全,E-mail:wanghongxunhust@163.com。

湖北省科技支撑计划项目(2014BBB012;2014BBA207)。

TS251.5+1

A

1002-0306(2016)07-0310-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.051