基于猪后腿肉的绿色减菌方法组合与配方优化

白晶,朱秋劲*,黄小艳,陈秀莉,李仲佰,杨睿颖,陈玉芹

1(贵州大学 酿酒与食品工程学院,贵州 贵阳,550025) 2(贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室(贵州大学),贵州 贵阳,550025) 3(盘州市农业农村局,贵州 盘州,561601)

随着社会的发展和消费者消费观念的不断转变,安全、绿色、健康的减菌剂已成为研究热点。肉类的减菌和保鲜方法有涂膜液抑菌[1]、天然提取物抑菌[2]、微酸性电解水减菌[3-4]、乳酸减菌[5]等。常见的70%～75%的酒精杀菌效果最好[6],但其闪点低,在空气中弥漫易造成火灾等安全隐患。食品级甘油能够与乙醇互溶,在避免酒精挥发的同时不影响酒精的杀菌作用[7],同时具有吸湿润肤的功能[8];乳酸可抑制大肠杆菌、单核增生李斯特菌[9]、沙门氏菌等的生长,达到抑菌和延长货架期的作用[10-11],因其较高的安全性和有效的抑菌保鲜作用在食品中被广泛应用。

减菌技术在不断发展,但无法忽视存在的实际问题,如企业成本控制、专业技术人员的缺乏;同时,中小型企业在安全措施保障方面还存在不足[12-13]。本研究在传统工艺基础上与现代减菌技术相结合,优化减菌工艺,为冷鲜肉的保鲜提供技术支持,并为肉制品加工前处理提供切实可行的减菌方法。

1 材料和方法

1.1 原料与试剂

原料:猪后腿肉,均购买于六盘水市盘州红果区合力超市,在低温条件下1 h内运回实验室置于4 ℃冰箱中冷藏,用于当日试验。

试剂:食品级酒精,河南鑫河阳酒精有限公司;食品级乳酸,河南金丹乳酸科技有限公司;平板计数琼脂培养基,上海博微生物科技有限公司;NaCl,成都金山化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

SW-CJ-2D双人单面净化工作台,上海豫明仪器有限公司;DHP-600BS电热恒温培养箱,北京市永光明医疗仪器有限公司;Vortex-genie涡旋振荡,美国Scientific Industries公司;Super-T-20超纯水机,深圳市莱克智能精密仪器有限公司;NR110便携式色差仪,深圳3nh有限公司;3H16R1智能高速冷冻离心机,湖南赫西仪器装备有限公司;Testo 205便携式pH计,深圳德图仪表有限公司;GYW-1 W冠亚水分活度仪,深圳冠亚水分仪科技公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品处理

购买的样品置于无菌实验室中,用无菌的剪刀去掉皮和筋膜后进行分割。每组样品30.00 g,在无菌超净台中对样品进行相应的减菌方法处理。每组试验进行3次重复,同时设置空白组(K组)。

1.3.2 水分活度

使用水分活度仪进行测定。取3.00 g绞碎的猪肉样品,均匀平铺于器皿中,测试时间为10 min。

1.3.3 pH值

每个样品随机选取3个不同部位,每个部位进行5次重复测定。校准后将pH计的探针插入样品中,并与样品紧密接触,待数字稳定并发出提示音后读取数值。

1.3.4 色差

便携式色差仪使用前用白板调零后进行样品测定,得到样品的L*(亮度)值、a*(红色度)值和b*(黄色度)值。

1.3.5 离心损失率

称取5.00 g块状样品,初始肉样质量为m1,用滤纸将样品包好,放置于离心管中,14 ℃条件下 4 000 r/min离心25 min,取出样品,称量肉样质量为m2,按公式(1)计算:

(1)

1.3.6 减菌率

参照 GB 4789.2—2016的倾注平板法[14],选择合适的稀释度,每个梯度做3个平行。在37 ℃恒温培养箱中恒温培养48 h后计数。

以减菌率直观表现出实验组的减菌效果。按公式(2)计算:

(2)

1.4 减菌工艺单因素试验

减菌工艺单因素试验如表1所示:

表1 减菌工艺单因素试验表Table 1 Single factor test design for bacteria reduction technique

1.5 减菌工艺联合使用顺序的确定

紫外不仅仅具杀菌功能,还有成本低、无污染等优点[15],优先使用紫外杀菌,一方面,可在处理样品的过程中杀死样品表面的微生物;另一方面,利于创造无菌的操作环境。因此,在减菌工艺顺序中将其设为第一道处理工序,比较其余的减菌顺序对减菌率的影响。

1.6 减菌工艺响应面优化试验

根据Box-Behnken试验设计原理,在单因素试验的基础上,以减菌率为响应值,选取对减菌率影响较为显著的紫外照射时长30 min、EG使用量、乳酸使用量3个因素,通过响应面分析法对工艺条件进行三因素三水平试验。试验因素水平见表2。

表2 试验因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface test

1.7 数据处理与统计

每个处理进行3次平行试验。采用Design-Expert 10.0软件进行响应面试验设计与分析,使用SPSS 20.0软件进行数理统计和采用Duncan法进行平均数之间的差异显著性分析(P<0.05),采用Origin 2018软件绘图,结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 减菌工艺单因素试验

2.1.1 紫外照射时长对减菌率影响

由图1 可知,随着照射时间的延长,减菌率不断上升,但在30 min后减菌率变化并不明显。

图1 紫外照射时长对减菌率的影响Fig.1 Effect of UV irradiation time on microbe-reducing rate

在20 min出现下降的趋势,造成这一现象的原因可能是原料肉表面微生物分布不均匀[16-17]。研究表明,适当的紫外照射不仅会提高原料卫生学品质,对生产环境还有一定的净化作用[18],且与其他杀菌方式相组合使用要优于单一紫外照射杀菌效果。因此,结合实际生产,考虑时间成本和经济成本,选择30 min为适宜的紫外照射杀菌时间。

2.1.2 食用酒精体积分数和使用量对减菌率的影响

乙醇是消毒剂的有效成分之一,是日常生活中皮肤消毒液中的主要有效成分,乙醇常与甘油、植物提取物、壳聚糖、海藻酸钠等制备成混合消毒液[19]。由图2可知,与空白对照组相比随着食用酒精体积分数的升高,减菌率不断上升,但当食用酒精的体积分数达到80%时的减菌率与体积分数为75%食用酒精减菌效果无显著性差异,这与傅松哲等[20]的研究结果一致。因此,采用体积分数为75%的食用酒精对原料肉进行处理,可以达到有效的减菌效果。

图2 酒精体积分数对减菌率的影响Fig.2 Effect of alcohol concentration on microbe-reducing rate

以体积分数75%的食用酒精为减菌剂对原料肉进行处理,由图3可知,当体积分数为75%的食用酒精使用量为1～2 mL/100 g时,已达到较高的减菌率且无显著性差异。前期调研发现大多数食品企业高粮食酒的使用量为2 mL/100 g左右,初步将体积分数为75%食用酒精的使用量设为2 mL/100 g。

图3 酒精使用量对减菌率的影响Fig.3 Effect of alcohol dosage on microbe-reducing rate

混合溶液EG,不仅有抑菌的作用,且酒有去腥增加原料肉风味的功能[21],而甘油具有保湿性、吸水性,微甜,且能够与乙醇互溶,在肉制品中有着广泛的应用[22]。由图4可知,用高体积分数的食用酒精和粮食酒配制的体积分数为75%的EB溶液,与体积分数为75%的食用酒精能够达到基本相同的杀菌作用,其中食用酒精的减菌率达到91.36%,复配的EB溶液减菌率达到90.98%,两者无显著性差异。EB溶液与食品级甘油混合使用减菌效果同EB溶液相比没有显著差异。因此,可将甘油与EB溶液混和制成的减菌溶液EG溶液应用于实际生产。

A-75%的食用酒精;B-食用酒精与包谷酒复配的75%EB溶液;C-EB与食品级甘油分别使用;D-EB与甘油混合后制成的EG溶液图4 食用酒精及配制后的溶液对减菌率的影响Fig.4 Effect of edible alcohol and mixed solution on microbe-reducing rate

2.1.3 乳酸体积分数和使用量对减菌率的影响

乳酸具有抑菌保鲜的作用,并具有提高样品品质的特性。目前,大型屠宰厂会应用喷淋设施对分割后的胴体进行乳酸喷淋,以减少因为分割胴体等操作而造成的污染,达到提高原料肉初始品质的目的[5]。由图5可知,随着乳酸体积分数变大,减菌率不断上升,在乳酸体积分数达到2%时,减菌率达到100%,这与牛淑慧等[23]研究结果一致。

图5 乳酸体积分数对减菌率的影响Fig.5 Effect of lactic acid concentration on microbe-reducing rate

目前,对原料肉减菌效果的研究大多数集中于乳酸体积分数的确定,对于乳酸使用量确定研究相对较少,而这种现象既不利于研究成果的转化,更不利于企业实际生产中的参考应用。由图6可知,使用量与减菌率呈正相关,在乳酸使用量为5 mL/100 g时,减菌率发生显著性变化并达到97.63%。因此,乳酸的体积分数为2%,使用量为5 mL/100 g。

图6 乳酸使用量对减菌率的影响Fig.6 Effect of lactic acid dosage on microbe-reducing rate

2.1.4 乳酸与EG溶液联合使用对减菌效果的影响

由图7可知,EG溶液虽可以有效的杀死样品表面的细菌,但是后期随着时间的延长,乙醇的有效体积分数降低,抑菌效率也将会下降。而乳酸本身的抑菌效果较为突出,且乳酸在后续贮藏过程中的代谢产物,如苯乳酸、乳酸链球菌素等均有抑菌保鲜的功能[24]。试验中联合使用可显著提高减菌效果,从单独使用2 mL/100 g体积分数为75% EG溶液的减菌率(75%)到联用91.29%的减菌效果。因此,综合考虑,可将联合使用方法应用于减菌工艺中。

K-空白组；A-2 mL/100 g EG溶液；B-用量5 mL/100 g的2%乳酸溶液；C-A与B联用图7 EG溶液与乳酸溶液联合使用对减菌率的影响Fig.7 Effect of EG solution combined with lactic acid solution on microbe-reducing rate

2.1.5 减菌工艺单因素结合顺序的确定

由图8可知,紫外与2种减菌剂相结合都能够提高减菌率效果,紫外与乳酸相结合的减菌率比紫外与EG溶液相结合的减菌率高,这与图7单因素结果趋势相同。通过对乳酸抑菌液、EG溶液与紫外结合的顺序相比较,如图8所示,紫外+乳酸+EG溶液的(D组)减菌率要优于紫外+EG溶液+乳酸(C组)。因此,在实际生产应用中,可采用D组联合减菌模式的顺序。

K-空白组；A-紫外+EG;B-紫外+乳酸；C-紫外+EG +乳酸;D-紫外+乳酸+EG图8 减菌工艺顺序对减菌率的影响Fig.8 Effect of treatment process on microbe-reducing rate

2.1.6 减菌工艺对原料肉品质的影响

原料肉的初始品质往往是影响销售的主要因素[25]。颜色不仅仅能够反映所购买肉在胴体的部位,也能在一定程度上增强消费者购买意识[26];pH值的变化反映了原料肉的新鲜度,还与肉色度变化程度有关;肉的嫩度与肉的保水性(包括水分含量、离心损失率等)成正相关[27]。通过测定原料肉的品质指标直观反映出减菌工艺对原料肉品质的影响,结果见表3。该方法总体上不会对原料肉初始品质造成影响,L*和a*值有显著性变化,一方面酒精的使用会影响肉的颜色[28],另一方面甘油本身具有亮度,会提高肉的亮度和红度。总体来说,该减菌方法对于原料肉的初始品质影响较小。

表3 减菌工艺对原料肉品质的影响Table 3 Effect of microbe-reducing technique on quality of raw meat

2.2 响应面优化实验结果

在上述单因素最佳条件的基础上,应用Box-Behnken试验,分别考察影响减菌率(%)的3个主要因素:紫外照射时长(min)、EG溶液体积分数(%)、乳酸使用量(mL/100 g),设计三因素三水平的响应面优化实验。以抑菌率为响应值,采用Design-Expert 8.06进行优化分析。

2.2.1 试验方案及结果

由表4结果可知,利用Design Expert 10.0软件对数据进行分析,得出减菌率对紫外照射时长、EG溶液体积分数、乳酸使用量的二次多项回归方程为:

R=93.28+0.050A-1.32B-1.99C-1.12AB+1.02AC+3.11BC-3.86A2-16.15C2

表4 Box-Behnken试验方案及减菌率Table 4 Response surface test (Box-Behnken) design and microbe-reducing rate

2.2.2 回归方差分析

表5 回归方差分析表Table 5 Regression analysis of variance

2.3 验证实验结果

考虑到实际生产中的可操作性,将经响应面优化得到的工艺参数修正为紫外照射时长30 min、EG溶液体积分数为75%、体积分数为2%的乳酸使用量是5 mL/100 g进行验证实验,进行3次重复试验,减菌率达到94.82%,与理论值的相对误差为2.64%,且重复性较好,证明该减菌工艺模型具有可靠性。

3 结论

本实验以猪后腿肉为原料,利用Box-Behnken试验对影响减菌率的单因素进行回归分析和优化,根据实际情况进行修整,绿色减菌工艺最佳工艺参数为紫外照射时长30 min、EG溶液体积分数为75%、体积分数为2%的乳酸使用量5 mL/100 g。该绿色减菌工艺可在较低资金投入的前提下,较大程度上保持原料肉本身的品质、感官等特性,因此,该技术在实际生产中具有一定的推广价值,可满足中小企业提高产品质量的需求。但该技术目前仍处于初期探讨阶段,有待利用现代分子学等技术研究其减菌机理,从而进行更深层次地剖析。