基于脉冲光的冰鲜鸡保鲜技术研究

丁紫璇,王静文,胡海静,韩敏义,,邓绍林,徐幸莲,王虎虎*

(1.南京农业大学食品科学技术学院/江苏省肉类生产与加工质量安全控制协同创新中心,江苏 南京 210095;2.温氏食品集团股份有限公司,广东 云浮 527400)

我国是鸡肉生产和消费大国,据统计2021年鸡肉总产量和总消费量分别达到1 470和1 503万t,均居于世界第二位[1]。受禽流感和新冠疫情的影响,多地政府严格实施“集中屠宰、冰鲜上市”政策,冰鲜鸡取代活鸡已成为我国鸡肉消费的重要形式。冰鲜鸡具有安全卫生、营养丰富、肉嫩味美等优点,但其易受微生物污染,降低初始微生物数量、延长产品货架期是产业当前的迫切需求[2]。目前鸡肉减菌保鲜方法有辐照[[3]和高压[4]等物理技术和含氯减菌剂处理[5]等化学技术,但这些技术都有自身的缺陷,如减菌剂易残留,辐照对肉品的营养价值和感官品质有一定负面影响[6]等。因此,研发一种高效、环保的杀菌技术是抑制冰鲜鸡腐败变质和保障新鲜度的关键。

脉冲光技术是一种新型物理冷杀菌技术,它将惰性气体灯管和瞬时放电的脉冲工程技术相结合,利用高强度脉冲光能量灭活食品及其接触表面的微生物[7],其杀菌原理主要是利用光化学、光热和光物理效应,诱导微生物合成嘧啶二聚体,抑制DNA复制,从而破坏蛋白酶的空间结构,导致细胞结构损坏及内容物泄露,致使微生物死亡[8]。脉冲光技术具有高效、无残留等优势,可以最小程度改变或不改变肉品的感官品质和营养特性[9],避免了冰鲜鸡其他杀菌方式的缺陷。脉冲光对食源性致病菌如大肠杆菌[10]、沙门氏菌[11]、单核细胞增生李斯特菌[12]等都有显著的致死效应,同时已被尝试用于干腌肉[13]、发酵香肠[14]和鲑鱼[15]等食品的杀菌保鲜,如Liu等[13]用脉冲光处理干腌肉,发现可延长货架期至294 d。但脉冲光的杀菌作用仅限于表面,且该技术对冰鲜鸡等生鲜肉品的应用效果如何,尚不清楚。

脉冲光的杀菌效果主要与微生物所吸收的光谱能量相关[16-17],而微生物所吸收的脉冲总能量主要取决于施加于样品的脉冲剂量和时间,其主要由放电电压、样品与灯源之间的距离来控制调节[18]。冰鲜鸡肉中微生物的生长繁殖是引起腐败变质的主要因素,其中假单胞菌和肠杆菌是主要优势腐败菌[19-20]。微生物指标主要通过细菌总数、大肠菌群数和假单胞菌数来评估。因此,本研究以脉冲电压、脉冲距离和脉冲时间作为变量因素,结合企业实际生产销售情况,以冰鲜鸡微生物、颜色、脂肪氧化为响应值,采用单因素与响应面法相结合的方法优化杀菌工艺,并进行冰鲜贮藏试验,以期为延长冰鲜鸡货架期提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

冰鲜鸡由广东某大型肉鸡屠宰企业提供,品种为817肉杂鸡,日龄40～45 d,取样于屠宰分割线。

PetrifilmTM细菌总数测试片和大肠菌群测试片购于美国3M公司;CFC培养基购于青岛高科园海博生物技术有限公司;丙二醛检测试剂盒购于索莱宝科技有限公司;乙腈和丙酮均为色谱级,购于上海麦恪林生化科技有限公司;尸胺、腐胺标品购于美国Sigma公司;丹磺酰氯购于上海源叶生物科技有限公司。

ZWS-SY_x0002_D5 脉冲强光杀菌仪器购于宁波中物光电杀菌技术有限公司;FOSS Kjeltec8400 凯氏定氮仪购于瑞典福斯公司;CR 400 色差仪购于日本柯尼卡美能达公司;S2-Food Kit 型pH计购于瑞士梅特勒托得多公司;MS304TS/02 电子天平购于梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;INFINITE 200 PRO 酶标仪购于瑞士帝肯公司;Watwers 液相色谱系统购于美国沃特世公司。

1.2 试验方法

1.2.1 脉冲处理方法将冰鲜鸡置于脉冲强光杀菌仪器中的样品板上,按照试验设计进行不同脉冲参数杀菌处理,通过仪器的电子触摸屏调节脉冲电压、脉冲距离(冰鲜鸡与灯管之间的距离)、脉冲时间,控制脉冲间隔时间均为1 s,即脉冲频率均为1 Hz,而闪灯次数不同以调节脉冲时间,并设置未脉冲处理对照组。每组5个重复。

表1 响应面设计因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface design

1.2.2 单因素试验将冰鲜鸡置于样品板上,以脉冲电压、脉冲距离、脉冲时间为条件优化单因素变量。在固定脉冲时间为8 s、脉冲距离10 cm的条件下,分别选取脉冲电压为5.5、6.5、7.5 V对冰鲜鸡进行脉冲处理;在固定脉冲电压为6.5 V、脉冲时间8 s的条件下,分别设置脉冲距离为5、10、15 cm对冰鲜鸡进行脉冲处理;在固定脉冲电压为6.5 V、脉冲距离10 cm的条件下,分别设置脉冲时间为4、8、12 s对冰鲜鸡进行脉冲处理。每个处理设置5个重复。测定处理前、后冰鲜鸡的菌落总数、大肠菌群和假单胞菌的数量。

1.2.3 响应面优化试验以单因素试验数据为基础,选取脉冲电压(A)、脉冲距离(B)、脉冲时间(C)为试验因子,以菌落总数(Y1)、大肠菌群数(Y2)、假单胞菌数(Y3)、脂肪氧化值(Y4)、颜色(Y5)为响应值,利用 Box-Behnken 的中心组合试验设计原理,进行三因素三水平的响应曲面试验设计。因素与水平见表1。

1.2.4 脉冲光优化参数处理对冰鲜鸡货架期的影响以优化参数处理的冰鲜鸡为处理组,同样条件下未经脉冲处理的为对照组,将冰鲜鸡放置于4 ℃冷鲜库中,定期取样(0、2、4、5、6、7 d)测定菌落总数、大肠菌群数、挥发性盐基氮(TVB-N)含量、生物胺含量、pH值等指标,当冰鲜鸡出现感官明显腐败(气味和颜色)时停止试验。每组设置5个重复。

1.2.5 指标测定微生物检测:利用洗脱法[21]收集表面微生物,即将冰鲜鸡称重后放入无菌均质袋中,加入与冰鲜鸡质量相同的无菌生理盐水,充分振荡10 min。利用细菌总数测试片和大肠菌群测试片进行相关测定。采用Zhang等[21]的方法测定假单胞菌的数量。以微生物对数减少值表示杀菌效果,即杀菌前的微生物数量对数值减去杀菌后的微生物数量对数值。每组设置5个重复。

脂肪氧化值检测:以丙二醛表示,根据丙二醛检测试剂盒说明书进行检测。每组设置5个重复。

颜色检测:色差仪用标准白板校正后测定冰鲜鸡表面的L*值、a*值和b*值。E=(L*2+a*2+b*2)1/2。每组设置5个重复,3个平行。

TVB-N和生物胺的检测:采用凯氏定氮仪法[22]测定TVB-N含量。采用Zhang等[23]的方法测定生物胺的含量,采用高效液相色谱法测定尸胺和腐胺含量。每组设置5个重复。

pH值:采用张馨月等[24]的方法用便携式pH计测定鸡肉pH值。每组设置5个重复,3个平行。

1.3 数据统计分析

采用SAS 9.1.3软件进行方差分析,用Duncan’s进行差异显著性(P<0.05)检验。采用Origin 2018软件作图,采用Design-Expert 10软件进行响应曲面分析。

2 结果与分析

2.1 脉冲处理的单因素试验

由图1可知:随着脉冲电压和脉冲时间的增加,微生物数量减少效果明显增强且差异显著;而随着脉冲距离的增大,微生物数量减少效果明显降低且差异显著。当脉冲电压为5.5 V时,冰鲜鸡表面菌落总数、大肠菌群数、假单胞菌数分别减少0.42、0.38 和0.50 lg(CFU·g-1);而当脉冲电压上升到7.5 V时,冰鲜鸡表面菌落总数、大肠菌群数、假单胞菌数分别减少0.72、0.62和0.87 lg(CFU·g-1)。可见脉冲光杀菌效果随电压增加而增强,结合脉冲光杀菌仪器的电压参数范围(0～8 V可设),选择后续试验脉冲电压为 7～8 V。当脉冲距离为15 cm时,冰鲜鸡表面菌落总数、大肠菌群数、假单胞菌数分别减少0.41、0.45 和0.50 lg(CFU·g-1);而当脉冲距离缩短到5 cm时,冰鲜鸡表面菌落总数、大肠菌群数、假单胞菌数分别减少0.61、0.55和0.89 lg(CFU·g-1)。说明随着脉冲距离的缩短,脉冲光对冰鲜鸡的杀菌效果越好。结合脉冲光杀菌仪器的距离参数范围(0～20 cm),选择后续试验脉冲距离为3～7 cm。当脉冲时间为4 s时,冰鲜鸡表面菌落总数、大肠菌群数、假单胞菌数分别减少0.42、0.19和0.35 lg(CFU·g-1);而当脉冲时间增加到 12 s 时,冰鲜鸡表面菌落总数、大肠菌群数、假单胞菌数分别减少0.54、0.60和0.80 lg(CFU·g-1),说明脉冲光杀菌效果随时间的延长而增强。结合脉冲光杀菌仪器的参数范围(间隔时间≥10可设,10即为1 s,闪灯次数≤60可设),选择后续试验脉冲时间为9～15 s。

图1 脉冲参数对冰鲜鸡杀菌效果的影响Fig.1 Effect of pulse parameters on the sterilization effect of chilled chicken以杀菌前、后微生物对数的减少值表示杀菌效果。不同小写字母表示同一指标不同处理水平之间差异显著(P<0.05)。Microbial log reduction value is used to express the sterilization effect before and after sterilization. Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level among different treatment levels for the same index.

2.2 响应面回归模型

表2 Box-Behnken试验结果Table 2 The result of the Box-Behnken experiment

表3 二次多项回归方程Table 3 Quadratic polynomial regression equation

2.2.2 模型优化与验证二次回归方程的响应面见图2。根据二次多项回归方程得出脉冲电压8 V、脉冲距离3 cm、脉冲时间12 s 为最佳冷杀菌条件,在该条件下冰鲜鸡的菌落总数、大肠菌群数和假单胞菌数分别为3.27、1.43、2.46 lg(CFU·g-1),颜色为8.47,脂肪氧化值为102.43 nmol·g-1。为检验响应面的可靠性,在最佳杀菌条件下进行3次重复验证试验,结果见表4。菌落总数、大肠菌群数、假单胞菌数、脂肪氧化值和颜色的试验结果和预测结果的相对误差分别为 0.91%、0.70%、0.81%、1.24%、0.12%,误差较小,说明模型的准确性较高。因此,响应面法适用于脉冲光对冰鲜鸡的杀菌条件和品质的回归分析和参数优化。

图2 脉冲距离和脉冲电压对冰鲜鸡菌落总数、大肠菌群数、假单胞菌数、脂肪氧化值和颜色的影响Fig.2 Effect of pulse distance and pulse voltage on total viable counts,total coliforms counts,Pseudomonas counts,fat oxidation value and color of chilled chicken

表4 验证试验结果Table 4 Validation test results

2.3 脉冲光对冰鲜鸡货架期品质的影响

在响应面优化的最佳杀菌条件下,对照组和处理组冰鲜鸡在贮藏期内菌落总数、大肠菌群数、pH值以及TVB-N、尸胺、腐胺含量如图3所示。贮藏期间冰鲜鸡的菌落总数、大肠菌群数、TVB-N含量和生物胺含量均呈上升趋势,pH值呈先下降后上升趋势。贮藏期内处理组冰鲜鸡的菌落总数、pH值、TVB-N含量均显著低于对照组。贮藏0～5 d,处理组的大肠菌群数显著低于对照组。表明脉冲光处理对冰鲜鸡的菌落总数、大肠菌群数、pH值和TVB-N含量均具有较好的抑制作用。在贮藏前期,2组冰鲜鸡的尸胺含量无显著差异,但贮藏6 d,处理组显著低于对照组。贮藏0 d,2组检测到的腐胺含量无显著差异,但从贮藏2 d起,处理组显著低于对照组。表明脉冲光处理对贮藏过程中生物胺含量的增加具有一定的抑制作用,且对腐胺的抑制作用强于尸胺。《鲜、冻禽产品:GB 16869—2005》规定鲜禽产品的菌落总数≤6 lg(CFU·g-1),TVB-N含量≤15 mg·100 g-1。对照组贮藏2和4 d时菌落总数分别为4.91和6.17 lg(CFU·g-1),处理组贮藏6和7 d时菌落总数分别为5.97和6.38 lg(CFU·g-1),即对照组和处理组分别在贮藏4和7 d后超过菌落总数标准限量。此外,对照组和处理组的TVB-N含量分别在贮藏4 d(18.64 mg·100 g-1)和7 d(18.42 mg·100 g-1)时超过了15 mg·100 g-1。根据菌落总数和TVB-N含量的结果,对照组和处理组的货架期分别为3和6 d。可见脉冲光处理延长了冰鲜鸡的货架期。

图3 脉冲光处理对冰鲜鸡贮藏期内菌落总数、大肠菌群数、pH值以及TVB-N、尸胺和腐胺含量的影响Fig.3 Effects of pulsed light treatment on total viable counts,total coliforms counts,pH valueand contents of TVB-N,cadaverine and putrescine during storage of chilled chicken不同小写字母表示同一处理组不同时间差异显著(P<0.05);不同大写字母表示同一时间不同处理组差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level in the same treatmeat group at different times. Different capital letters indicate significant differences at 0.05 level between different treatment groups at the same time.

3 讨论与结论

本研究表明,脉冲电压、脉冲距离和脉冲时间均显著影响杀菌效果,这是由于脉冲光杀菌主要通过高频、高强度的脉冲光能量产生杀菌作用,电压的升高和时间的延长有利于产生更大的光谱辐射能量,距离的缩短又使冰鲜鸡表面微生物得到更充分的照射,造成细胞结构损伤及内容物泄露,最终导致微生物的死亡[16]。此外,脉冲氙灯中起主要杀菌作用的紫外波段能量的输出比例随电压的增大而升高[25]。因此,本研究中脉冲光对冰鲜鸡的杀菌效果随电压的增加而增强。脉冲光处理通常会造成肉类食品颜色和脂肪氧化值的变化,且变化程度主要受脉冲剂量、肉品种类等影响[26];大于7.36 J·cm-2的脉冲光可改变猪皮的颜色,超过9.66 J·cm-2的脉冲光能使猪里脊a*值降低[27]。但本研究所用脉冲累积剂量(0.09～0.69 J·cm-2)在美国食品药品监督管理局(FDA)法规规定范围之内(剂量不超过12 J·cm-2)[28],且均处于适宜范围,所以未引起冰鲜鸡颜色和脂肪氧化值的显著变化,这或许是因为所用的脉冲时间较短(9～15 s),阻碍了脂质与氧的有效偶联,进而限制了氧化反应[29]。本研究所用的技术参数适宜,既能起到杀菌作用,又能保障冰鲜鸡的品质优良。

微生物是引起鲜肉腐败变质的主要因素[30]。本研究发现脉冲光可显著降低冰鲜鸡的初始菌落总数、大肠菌群数和假单胞菌数,这与Keklik等[31]发现脉冲光可有效减少大肠杆菌K12负荷量的结果较为一致。然而,冰鲜鸡表面微生物的种类和数量会随贮藏时间的延长而增加,脉冲光处理对其表面微生物菌相多样性的影响仍需进一步深入研究。本研究中,不同贮藏期内处理组冰鲜鸡的菌落总数均显著低于对照组,处理组的大肠菌群数在贮藏前期和中期也显著低于对照组,这与McLeod等[32]研究发现脉冲光处理降低鸡肉的初始菌落值,进而延长货架期的结果一致。TVB-N是动物性食品在腐败过程中,其所含的蛋白质受酶和细菌的作用,被分解产生氨以及胺类等碱性含氮物质,是反映肉品腐败程度的主要指标,且其含量随其腐败程度的增加而上升[33]。本研究中,处理组的TVB-N含量显著低于对照组,这是因为在脉冲光的光化学作用下,微生物细胞内蛋白酶的化学和空间结构遭到破坏,进而丧失特定酶的活性;此外,在脉冲光其他杀菌机制下,微生物数量减少,使其分解蛋白质的能力下降。本研究表明,处理组冰鲜鸡的pH值均显著低于对照组,这是由于脉冲光对酶和微生物的抑制作用所致。鸡肉与牛肉等相比,具有较短的肌纤维,肉质更为细嫩,更利于腐败菌的生长和生物胺的形成,新鲜鸡肉中尸胺、腐胺的含量较低,但尸胺、腐胺的含量会随贮藏时间的延长而上升,因此也常把尸胺和腐胺含量作为鸡肉的新鲜度评价指标[34]。本研究表明,脉冲光对初始生物胺的抑制作用一般,可能与肉类腐败相关的生物胺的形成过程复杂,受到肉的种类、质地和贮藏环境条件等的影响相关[35-36]。研究表明,脉冲光处理可有效降低贮藏期间冰鲜鸡中微生物的生长速率,从而抑制微生物的生长繁殖,减缓TVB-N和生物胺的产生。

综上所述,本试验确定了冰鲜鸡的最佳脉冲光杀菌条件,即脉冲电压8 V、脉冲距离3 cm,脉冲时间 12 s;此时,冰鲜鸡初始菌落总数、大肠菌群数和假单胞菌数分别降低了0.91、0.86和1.05 lg(CFU·g-1),颜色为8.48,脂肪氧化值为102.13 nmol·g-1,在此条件下,冰鲜鸡保质期可从3 d延长到6 d。因此,脉冲光可作为一种具有应用潜力的高效保鲜方法,在冰鲜鸡产业中具有较大的应用潜力。