等离子体处理对生鲜牛肉杀菌效果及营养品质的影响

仇俊　翟国臻　孙运金

采用大气等离子体技术对生鲜牛肉进行处理，研究该处理对牛肉杀菌效果和品质特性的影响，包括水分含量、pH值、菌落总数、硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substance，TBARs）值、总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量、色差值、游离氨基酸含量及脂肪酸含量等品質指标。结果表明：经过30 s等离子体处理可有效降低牛肉的菌落总数，减缓脂质氧化和TVB-N含量增加的趋势，有效增加牛肉部分游离氨基酸含量并减少部分脂肪酸含量;此外，等离子体处理后牛肉的亮度值不变，红度值和黄度值均小幅度降低。综上，等离子处理可以有效抑制生鲜牛肉的菌落生长和脂质氧化，有助于延长货架期，且对生鲜牛肉营养品质没有明显影响。

大气等离子体;生鲜牛肉;菌落总数;挥发性盐基氮;营养品质

Effects of Plasma Treatment on the Sterilization and Nutritional Quality of Fresh Beef

QIU Jun ZHAI Guozhen SUN Yunjin

In this study， the effect of atmospheric plasma treatment on the sterilization and quality characteristics of fresh beef was addressed. The parameters investigated included water content， pH value， total bacterial count （TBC）， thiobarbituric acid reactive substance （TBARs） value， total volatile base nitrogen （TVB-N） content， color parameters， free amino acid content and fatty acid content. The results indicated that plasma treatment for up to 30 s could effectively decrease the TBC， and retard lipid oxidation and the increase in TVB-N content， and significantly increase the content of some free amino acids and decrease the content of some fatty acids. Additionally， after the treatment， the color parameter * remained unchanged while * and * decreased slightly. In conclusion， plasma treatment could effectively inhibit bacterial growth and lipid oxidation of fresh beef， consequently helping in prolonging the shelf life， while having no obvious effect on the nutritional quality of fresh beef.

 atmospheric plasma; fresh beef; total bacterial count; volatile base nitrogen; nutritional quality

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20220125-005

中图分类号：TS251.1                     文献标志码：A               文章编号：

肉类在加工、包装、贮藏和运输过程中易受到微生物的侵染，引发食源性疾病，给贮藏保鲜技术带来挑战。目前，常用的肉类保鲜技术有低温冷冻、气调包装、电离辐射、超高压技术等。这些技术各有优势，但也存在一些缺点。譬如：低温冷冻可延长肉类的贮藏期，但需要配套相应的冷链运输设备，增加了保鲜成本。而气调包装技术应用时，过高的O含量会使肉品的嫩度下降，且二者具有一定的线性关系。Zhu Meijun等研究发现，辐照处理可减少鸡胸肉的菌落总数，但促进了鸡胸肉的脂质氧化，并产生一些有毒物质和不良气味。王晶研究发现，超高压技术处理猪肉后可延长猪肉的贮藏期，但由于压力较大使得肉的组织结构松散，对感官品质产生了负面影响。

大气等离子体作为一种非热、环保的新兴冷杀菌技术，已经成功应用于生物组织治疗和医疗设备消毒，目前在食品领域也受到越来越多的关注。等离子体中的活性粒子可使微生物细胞膜表面的蛋白质失活，导致磷脂双分子层功能受损、细胞膜通透性增加，细胞内外正常的物质进出循环受损。同时，等离子体激发产生的紫外线也能诱导细胞膜损伤并诱发DNA链的断裂，从而导致微生物细胞凋亡，且细胞膜受损会导致胞内物质的流出以及菌体鞭毛的脱落，对微生物细胞的功能造成不可逆损伤。现有研究发现，等离子体处理可有效杀灭肉中李斯特菌、沙门氏菌、大肠杆菌及葡萄球菌属，有利于降低安全风险并延长保鲜周期。朱莉华等研究发现，等离子体处理可有效灭活新鲜鸡蛋表面的沙门氏菌，起到杀菌和保鲜的作用。Albertos等研究发现，通过介质阻挡放电的方式产生等离子体处理鲱鱼，可以减少鲱鱼的好氧菌属、假单胞菌属和肠杆菌属数量，并且在70 kV、5 min的处理条件下对脂质氧化无影响。Kim等研究发现，射频放电处理方式产生等离子体并处理牛肉干，其产生的活性氧能有效灭活牛肉干中的金黄葡萄球菌，同时对牛肉干的颜色、剪切力、脂肪酸含量没有明显影響。Wang Xiaoting等研究发现，介质阻挡放电方式产生等离子体并处理牛肉饼，处理后样品的硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substance，TBARs）值升高。目前，大多等离子体技术在肉类保鲜方面的应用围绕介质阻挡放电和辉光放电2 种形式进行研究，实际上，这2 种放电方式由于处理面积较小，较难实现大面积、大规模应用。

滑动电弧放电也是一种常见的大气等离子体放电模式，相对于其他的等离子体放电模式，该模式产生的活力粒子浓度较大，处理面积大、样品种类多，具有重要的市场应用价值。本研究基于之前滑动电弧等离子体在生鲜猪肉、羊肉和鸡肉的处理效果，以现有生鲜牛肉的生产流水线为应用背景，搭建大气滑动电弧放电对生鲜牛肉的处理设备，分析等离子体处理不同时间对牛肉杀菌效果以及色值、营养品质和风味的影响，为等离子体在生鲜肉保鲜领域的应用提供指导。

1.1   材料与试剂

牛肉购于北京市永辉超市，在0.5 h内用冰袋运回实验室。

2-硫代巴比妥酸（生化试剂）、三氯乙烷、盐酸、无水乙醚、无水乙醇、氢氧化钠   国药集团化学试剂有限公司;磺基水杨酸   上海阿拉丁生化科技股份有限公司;十一碳酸甘油三酯、混合脂肪酸甲酯（色谱纯）   美国Sigma公司;氨基酸混合标品（色谱纯）   日本日立公司;平板计数琼脂   北京奥博星生物技术有限责任公司。

1.2   仪器与设备

UV-2800紫外-可见分光光度计   上海尤尼柯仪器有限公司;大气等离子体放电设备   实验室自制（装置示意图见图1）;L-8900自动氨基酸分析仪   日本日立公司;CM-700d1分光测色计   日本Konica Minolta公司;Testo 205便携式pH计   德图仪表（深圳）有限公司;7890B气相色谱仪   美国Agilent Technologies公司。

1. 空气压缩机;2. 气体流量计;3. 陶瓷反应器;4. 等离子体;5. 基台;6. 等离子体电源。

1.3   方法

1.3.1   样品前处理

将购买的牛里脊肉去掉筋膜与多余的脂肪组织，切成约5 cm×5 cm×1 cm的厚片并放入无菌培养皿中，共20 片。把切好的牛肉片在无菌环境中分别用等离子体处理10、30、50 s，并取1 组未处理样品作为对照，每组5 片。将处理组与对照组分别放入保鲜盒中并加盖保鲜膜，于4 ℃冰箱保存。处理当天记为第0天，每2 d从各组取相应质量的样品测定一次相关指标，实验共进行8 d。各指标重复测定3 次后取平均值。

1.3.2   水分含量测定

按照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》进行测定。

1.3.3   pH值测定

将20 g肉样剁碎，铺平在大烧杯底部，用便携式pH计直接插入肉样中，五点法测定肉样的pH值。

1.3.4   菌落总数测定

按照GB 4789.2—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》进行测定。

1.3.5   TBARs值测定

参考Salish等的方法。称取5 g待测样品，加入25 mL体积分数20%的三氯乙酸，再加入20 mL蒸馏水;肉样在室温（20 ℃）下均质10 min（8 次/s）后静置30 min并过滤，上清液用蒸馏水定容至50 mL。移取5 mL制备所得溶液，并加入5 mL 0.02 mol/L 2-硫代巴比妥酸溶液。将混合液沸水浴20 min，待混合液温度降至室温，在532 nm波长处测定吸光度，同时在该波长处测定蒸馏水吸光度作为空白对照。TBARs值按下式计算。

TBARs值/（mg/100 g）=（-）×7.8

式中：7.8为换算系数/（mg/100 g）。

1.3.6   总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量测定

按照GB 5009.228—2.16《食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》中的第一法，采用半微量定氮法进行测定。

1.3.7   色值测定

以标准白板校正后，同1.3.3节，用五点法测定测定牛肉的亮度值（*）、红度值（*）和黄度值（*）。

1.3.8   游离氨基酸测定

参考张苏平等的方法。准确称取1.00 g牛肉，加入25 mL 0.02 mol/L稀盐酸溶液，4 ℃、8 000 r/min离心5 min，取上清液过滤并定容至50 mL;取4 mL样品加入4 mL体积分数为5%的磺基水杨酸，混匀后依次过0.45、0.22 µm的微孔滤膜，转移至氨基酸分析仪进样机。

1.3.9   脂肪酸的測定

按照GB 5009.168—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》进行测定。

1.4   数据处理

采用SPSS 25.0软件对数据进行方差分析，并采用Duncan’s法进行多重比较，差异显著性标准为<0.05。

2.1   等离子体处理对牛肉水分含量和pH值的影响

水分含量是反映牛肉品质的重要指标，可以实时反映牛肉的品质。由表1可知，在等离子体处理30 s以内，等离子体处理牛肉水分含量与对照组没有显著差异。超过30 s后，水分散失，水分含量出现显著下降（<0.05），这可能是由于等离子体处理时间延长，等离子体中的部分热量传导至牛肉表面，加速水分蒸发。同时，滑动弧放电等离子体中还有大量的活性成分，这些活性离子容易与水分子发生电离反应，生成易于挥发的各类自由基和活性成分，进一步加剧了水分在牛肉表面的解离。空气放电后会产生氮氧化物，进而与水反应生成亚硝酸，而Rayson等的研究表明，在水中亚硝酸可以不断分解产生硝酸盐与一氧化氮。

pH值是牛肉的重要参考指标，牛乐宝研究发现，当牛肉的极限pH值大于5.6将可能发生变黑、变硬、变干现象，使牛肉的感官特性降低。经过等离子体处理后，牛肉的pH值显著降低（<0.05）。该变化可能与脂质和蛋白质降解产生的脂肪酸和氨基酸有关。

2.2   等离子体处理对牛肉表面菌落总数的影响

菌落总数是衡量肉洁净程度的重要指标，与肉的受污染程度密切相关，菌落总数越高，其中含有致病菌及毒素的可能性也就越大。微生物在繁殖和产生有毒物质的同时还会分解肉中的蛋白质等营养物质，使肉的营养价值降低，同时产生硫化物等具有不良气味的物质，破坏肉的感官价值。由图2可知，贮藏过程中等离子体处理组的菌落总数均小于对照组，说明等离子体处理可以减缓牛肉贮藏过程中杂菌的生长进程。牛肉表面的菌落总数与处理时间呈负相关，原因是等离子体对肉表面的初始菌落有灭杀作用，且处理时间越长效果越好，可以较好地抑制贮藏后期微生物的生长。Yong等探究介质阻挡放电模式对牛肉表面致病微生物的杀菌效果，结果表明，等离子体处理10 min可使大肠杆菌、沙门氏菌、单增李斯特氏菌及黄曲霉菌的菌落数下降2～3（lg（CFU/g）），表明等离子体处理对牛肉中常见的致病微生物均具有显著杀菌效果。贮藏期间，从第2天开始，处理50 s的实验组曲线斜率明显减小，相比其他实验组表现出更好的抑菌效果。贮藏8 d后，等离子体处理50 s的实验组菌落总数较对照组降低0.5（lg（CFU/g））。与已有研究相比，本实验证明等离子体处理对贮藏后期牛肉表面菌落的生长也具有较为显著的限制作用，而不仅限于杀灭贮藏开始前牛肉表面存在的微生物。另外，相较于介质阻挡的放电方式，滑动弧放电设备更为简易，便于使用与维护。

2.3   等离子体处理对牛肉TBARs值的影响

TBARs值用于表示脂质二次氧化产生醛类物质的含量，可反映牛肉脂质氧化程度。由图3可知，4 组样品的TBARs值均随贮藏期的延长而增大，说明在贮藏期内牛肉的脂质氧化程度不断加深。等离子体处理后的样品TBARs值大都低于未处理组，说明经过等离子体处理可延缓牛肉的脂质氧化进程。相比未处理组，30 s处理可明显降低牛肉的TBARs值。原因可能是等离子体处理减少了牛肉表面的微生物，减少了因微生物分解导致的脂质氧化过程。而Jung等研究发现，等离子体处理后的猪肉糜脂质氧化未发生显著性变化。等离子体处理时间达到50 s后，牛肉的TBARs值均高于同期对照组，这可能是由于高浓度的活性自由基加速了牛肉脂质的氧化。活性自由基可以与不饱和脂肪酸的侧链发生过氧化反应，产生醇、醛、酮等化学物质并影响牛肉的风味及营养价值。因此在进行等离子体保鲜应用时，应采用合适的处理时间。

2.4   等离子体处理对牛肉TVB-N含量的影响

TVB-N含量是肉品新鲜程度的重要衡量指标，动物性食品由酶和细菌造成腐败，使蛋白质分解从而产生氨及胺类等碱性含氮物质。由图4可知，等离子体处理组的TVB-N含量均小于对照组，表明等离子体处理可以有效降低TVB-N的生成量，延长牛肉的货架期。等离子体处理可以使TVB-N含量增加曲线的斜率放缓，降低TVB-N生成的速率，这与牛肉表面微生物数量的下降有直接关联。GB 2707—2016《食品安全国家标准 鲜（冻）畜、禽产品》规定，生鲜牛肉的TVB-N含量应小于15 mg/100 g。图中横线为限定标准，对比实验数据可以发现，对照组TVB-N含量达到15 mg/100 g用时4 d，而等离子体处理组在4 d时均未超过国家限定标准，处理50 s组的效果最好，贮藏6 d时TVB-N含量为14.0 mg/100 g，与对照组相比货架期延长2 d。TVB-N含量与菌落总数紧密相关，当微生物的活动强度下降时，肉品TVB-N含量的增加速率也就对应减缓。黄明明等研究发现，介质阻挡放电处理85 s且与气调保鲜联用时，生鲜牛肉的TVB-N含量在贮藏第10天达到限值。气调保鲜能通过向包装内通入惰性气体来限制微生物的繁殖，但气调保鲜的应用通常需要使用较为复杂的包装装置，本实验表明，简单的滑动弧等离子体处理也能达到保鲜效果。

2.5   等离子体处理对牛肉色值的影响

由表2可知：随贮藏时间的延长，在贮藏前期，处理组牛肉的*与对照组没有显著性差异;处理30 s和50 s组样品，*显著增大（<0.05）而*有下降的趋势。*受肉表面水分含量的影响，当肉表面水分较多时，*增大。*受氧合肌红蛋白和高铁肌红蛋白含量影响，当血红蛋白氧化为高铁肌红蛋白时，肉的*降低。在贮藏期内，*增大的原因可能是等离子体产生的氧化物质，如O、HO等使得氧化氧合肌红蛋白的相关酶失活，抑制了高铁血红蛋白的生成。随处理时间的延长，牛肉*显著减小（<0.05），原因是等离子体处理促进了牛肉中氧合肌红蛋白的氧化。此外，牛肉的显著减小（<0.05），原因可能是经过等离子处理后导致的血红蛋白变性。等离子体处理能通过破坏酶的二级结构来降低酶的活性。经过介质阻挡放电处理180 s后，多酚氧化酶的-螺旋占比显著下降，而-折叠的占比显著上升，这种现象的发生主要是等离子体处理通过诱导多酚氧化酶分子的聚集再解聚实现的。有研究表明，等离子体处理也能预防苹果汁的褐变。

2.6   等离子体处理对牛肉游离氨基酸含量的影响

由表3可知，经等离子体处理达到50 s后，游离氨基酸的总量增加。等离子体处理后，牛肉中必需氨基酸含量显著增大（<0.05），提高了牛肉的营养价值，利于人体吸收，更适合一些特定人群。其中，在等离子体处理30 s后，呈鲜味游离氨基酸中天冬氨酸含量显著增大（&lt;0.05），人体必需氨基酸甲硫氨酸含量显著增大（<0.05）。等离子体处理50 s后，呈鲜味游离氨基酸天冬氨酸、谷氨酸含量显著增大（<0.05），呈甜味游离氨基酸中丝氨酸、苏氨酸、丙氨酸含量显著增大（<0.05），但呈苦味游离氨基酸中亮氨酸、赖氨酸、精氨酸含量均显著增大（<0.05）会导致牛肉的风味劣化。因此选择30 s处理时间较佳，在鲜味物质产生的前提下又不会产生苦味等负面影响。这可能与组成牛肉中蛋白质的氨基酸序列有关，随着等离子体处理时间的延长，氨基酸序列中含量较高的氨基酸，其游离氨基酸的含量也就增加的越多。同时，不同氨基酸所含的官能团不同，其反应活性也不尽相同。例如，羧基、磺酸基与酯基通常最先参与反应。

2.7   等离子体处理对牛肉脂肪酸含量的影响

由表4可知，牛肉经过等离子体处理后饱和脂肪酸总含量显著降低（<0.05），单不饱和脂肪酸总含量没有显著变化。经过等离子体处理10 s后，多不饱和脂肪酸含量未发生显著变化，而与对照组相比，经过等离子体处理30、50 s后，多不饱和脂肪酸含量显著减小（<0.05）。牛肉经过等离子体处理后，饱和脂肪酸中葵酸、十五烷酸、十七烷酸、硬脂酸、二十三酸含量均明显降低，单不饱和脂肪酸中顺-10-十五烯酸、反油酸含量均明显降低，多不饱和脂肪酸中亚油酸、亚麻酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸含量均明显降低。游离脂肪酸的产生主要是由于脂肪酶的作用以及外源因素导致的脂质分解，因此游离脂肪酸含量的降低主要是由于等离子体处理减缓牛肉中脂肪氧化，这也与等离子体处理可降低牛肉TBARs值相符。

采用滑动弧放电产生等离子体并对生鲜牛肉进行处理，比较不同处理时间下水分含量、pH值、菌落总数、TBARs值、TVB-N含量、色差值、氨基酸含量及脂肪酸含量各项指标。实验结果证明：经过等离子体处理后，可减缓贮藏期菌落总数、TVB-N含量和TBARs值的增加;等离子体处理对不产生影响，在刚处理后显著降低，、随着贮藏时间的延长而增大并高于空白组，其中30 s是牛肉最合适的等离子体处理时间，经过处理后对牛肉表面细菌的灭活效果好，同时能保持牛肉的营养品质，使其不发生显著变化。

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9078.2016.6.032.

收稿日期：2022-01-25

基金项目：北京市教育委员会科技计划一般项目（KM201610020014）

第一作者简介：仇俊（1997—）（ORCID： 0000-0002-0761-1977），男，硕士研究生，研究方向为等离子体杀菌与牛肉保鲜。E-mail： qiujun1997109@126.com

*通信作者简介：孙运金（1978—）（ORCID： 0000-0002-6859-5368），男，副教授，博士，研究方向为为食品加工与贮运。E-mail： aosdf2@163.com