天然活性包装膜在冷冻肉贮藏中的应用研究进展

李波，李帆，陈明绘，赵电波，白艳红

（1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，郑州 450001；2.河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，郑州 450001）

低温冷冻是肉品广泛使用的保藏方式，可以有效减缓生化反应，降低微生物的生长速度[1]。然而，在冻结过程中会形成大且不规则的冰晶，破坏肌肉组织，降低其保水性，加剧脂肪和蛋白质的氧化分解。更为严重的是，在实际生产、贮藏和销售过程中，由于冷链物流体系的不完善和运输环境的复杂多变，易造成温度波动或冷链衔接间断，使得肉品经历反复冷冻–解冻（冻融）过程[2]。研究表明，反复冻融会造成冰晶大小形态变化，长大的冰晶对肉体系产生机械破坏作用，并且诱发脂肪和蛋白氧化变性连锁反应，进一步加剧冷冻肉感官品质、营养价值、功能性质及食用品质的下降[3]。

目前，研究者通过物理场辅助冷冻解冻技术（如高压、超声波和电磁）以及添加生物活性抗冻物质（如冰核蛋白、抗冻蛋白、碳水化合物、多酚等）调节冰晶形态，降低反复冻融对肉及肉制品的负面影响[4,5]。然而，快速冷冻解冻技术成本高、操作复杂；直接添加生物活性抗冻物质存在分布不均、与肉品基质反应等问题。近年来，搭载功能性物质的活性包装在食品保鲜领域得到了广泛的研究，利用抗菌抗氧化功能性成分的缓慢释放及包装的阻隔性，可有效提高肉品的食用品质和延长其货架期。本文首先简要总结反复冻融对冷冻肉品质的影响规律，然后归纳肉品包装中常用的天然活性物质、活性包装膜成膜工艺，以及活性包装膜在冷冻肉贮藏中的应用研究进展，并且对现有研究存在的局限和未来研究方向进行讨论，以期为天然活性包装在冷冻肉保鲜中的深入研究与应用提供参考。

1 反复冻融对肉品品质的影响

1.1 反复冻融对冰晶的影响

肉品冷冻过程中，当处于平衡温度以下时，水分子发生过冷沉淀，形成冰晶，冰晶会造成肉品汁液损失和脂肪蛋白质氧化[5]。反复冻融过程中，当温度升高时，肉品细胞内的冰晶融化，蒸汽压差促使水分子穿过细胞膜分布在细胞间隙中；肉品再次冻结后，由于热力学效应，少部分水分子相互组合生成晶核，随后晶核与周围水分子连续组合，肉品组织内小冰晶逐步变成大冰晶[6]。冰晶的重结晶和聚集会对肉品造成更大的质量损伤，加剧冷冻肉品质劣变。

1.2 反复冻融对肉品色泽的影响

反复冻融过程中的温度变化会促进肉品内部氧化物生成，加剧肉品色泽劣变[7]。Wang 等[8]研究表明，经过5 次冻融循环后，肉饼红度显著降低，亮度和黄度显著增加。通常红度值改变与肌红蛋白的氧化还原过程相关，反复冻融会增加肌红蛋白发生氧化还原反应的概率，导致肉品表面色泽的变化。冻融循环时温度波动引起的脂肪氧化也会使肉品黄度值增加。此外，肌肉组织内发生的生化反应和耐冷菌产生的色素也会导致肉品色泽恶化[9]。

1.3 反复冻融对肉品保水性的影响

反复冻融过程中形成的大冰晶会破坏肉品细胞结构，导致肉品组织内汁液流失严重，使其持水力下降[8]。反复冻融对肌原纤维蛋白的损害也会引起肉品持水能力下降[10]。Zhang 等[11]研究发现，随着反复冻融次数的增多，肌原纤维蛋白酶的活性逐渐下降，肉品持水性逐渐降低。

1.4 反复冻融对肉品质构特性的影响

质构特性直接反映肉品的食用品质。有研究发现，与新鲜肉相比，肉品在经历反复冻融后其嫩度无显著变化，但硬度、咀嚼性、弹性总体呈降低趋势，肉品黏附性增加[12]。反复冻融使肉品汁液流失加重，肌原纤维降解，由此造成肉品的硬度、弹性和其他质构特性下降[13]。与此同时，微生物的作用使肉品腐败速度加快，产生黏液，进而使肉品黏附性增强[14]。

1.5 反复冻融对肉品pH 的影响

反复冻融过程中肉品pH 值呈现先降低后逐渐升高的趋势。pH 值的降低可能是肉中的中性脂肪酸和磷脂酶解产生了游离脂肪酸，后期上升可能是由于肉品内部的蛋白质降解，产生大量的碱性氨基酸[15]。同时，微生物酶分解蛋白质生成的大量碱性化合物也会使pH 值升高[16]。

1.6 反复冻融对肉品氧化的影响

反复冻融能够引起肉品蛋白质和脂肪氧化。研究表明，在经历反复冻融后，肉品内部所形成的大冰晶破坏了细胞完整性，释放出过氧化物质，导致线粒体和溶酶体酶泄漏，促进了蛋白质氧化[17]。此外，随着反复冻融次数的增加，蛋白质内部巯基基团间产生相互作用，生成大量二硫键，造成蛋白质氧化降解[18]。高梦雪[19]研究发现，随着反复冻融次数的增加，肌原纤维蛋白构象的改变会促使蛋白质氧化，蛋白质表面疏水性也呈增强趋势。

反复冻融过程中形成的大冰晶能够损伤肌纤维，释放出氧化酶、自由基、血红素等促氧化剂，促进脂肪氧化。大冰晶也会直接破坏细胞膜，导致脂肪与氧接触面增大，加速脂肪氧化。脂质氧化生成的自由基及氢过氧化物，易分解成戊醛、己醛等二次氧化产物，使肉品出现酸败和色泽劣变[20]。

2 肉品天然活性包装膜的主要成分及制备

肉品活性包装膜常以生物聚合物为基材，添加增塑剂，并加入天然活性物质增加膜的功能特性。

2.1 肉品活性包装膜的主要成分

2.1.1 成膜基材

用于肉品活性包装基材的生物聚合物有多糖、蛋白质、脂质。多糖主要包括淀粉、果胶、羧甲基纤维素、海藻酸盐、壳聚糖、魔芋葡甘聚糖及其衍生物等。大多数多糖分子含有羟基、氨基等亲水基团，依靠氢键、范德华力等作用成膜[21]。多糖膜结构简单、力学性能良好，但是较强的亲水性使膜材的阻水性较差。蛋白类依其来源分为植物分离蛋白（如大豆蛋白、小麦蛋白、玉米醇溶蛋白等）和动物分离蛋白（如明胶、胶原蛋白、乳清蛋白）。蛋白膜的力学性能较差，需要通过热变性、化学处理、酶法改性等方法进行改良[22]。脂质膜常用基质有蜂蜡、石蜡、乙酰化单甘脂、有机脂肪酸、树脂等。脂类物质极性低、疏水性强，因此脂质膜阻湿性好，可延缓食品的水分散失，常应用于畜禽和海产品的包装[23]。但脂质膜的力学性能较差，也需要通过改性或共混扩大其应用范围。

2.1.2 增塑剂

生物聚合物通常脆且硬，限制了其在食品包装上的应用。加入增塑剂可以影响聚合物分子间相互作用、破坏氢键、减少膜内结晶区域，增强膜的柔韧性和强度，更有利于生物聚合物基质膜在食品包装上的应用。常用的增塑剂包括甘油及其衍生物、山梨糖醇、聚乙二醇等。

2.1.3 肉品包装中常用的天然活性物质

天然活性物质是活性包装发挥防腐保鲜效果的关键，主要有抗菌和抗氧化两大类功能性物质，按照来源可将其分为动物源、微生物源和植物源活性物质。

常用的动物源活性物质有壳聚糖、冰结构蛋白等。壳聚糖存在于甲壳动物外壳，具有良好的抗氧化和抗菌特性[24]，广泛用于果蔬及肉品保鲜。Vieira等[25]通过壳聚糖和丁香精油结合涂层处理冷冻鱼片，可有效延缓鱼片脂肪氧化，抑制细菌生长。冰结构蛋白具有热活性，其对冰晶的有效修饰有助于减少肉品组织损伤，延缓冷冻储存过程中再结晶的发生。Du 等[26]使用冰结构蛋白浸渍处理鱼肉，以−25 ℃冷冻7 d、4 ℃解冻12 h 为一次冻融过程，经历5 次冻融循环后，发现鱼肉的水分迁移和微观结构破坏得到有效抑制。

微生物源活性物质主要有乳酸链球菌素（Nisin）、ε–聚赖氨酸等。Nisin 提取自乳酸链球菌发酵产物，属于阳离子肽，可以通过疏水作用和静电相互作用与细胞壁上的阴离子成分相互作用，并且抑制细胞壁合成，从而达到抑菌效果[27]。磨佳琳等[28]使用Nisin 处理牛肉，发现Nisin 处理可以有效减缓牛肉氧化，降低微生物数量。ε–聚赖氨酸为白色链霉菌的代谢产物，对革兰氏阳性、阴性菌、霉菌和酵母菌均有良好的抑菌效果[29]。在我国，ε–聚赖氨酸被逐渐用于各种食品领域，同时也用于包装膜以提高膜的抗菌特性。

植物源活性物质主要包括精油和植物提取物。精油是从植物器官中提取出的复杂化合物[30]，含有高浓度的醛、酚类物质，可破坏微生物细胞膜、细胞质膜，起到高效抑菌和抗氧化作用[31]。Guerrero 等[32]使用百里香精油、大蒜精油及海藻酸钠制备涂层并处理羊肉，结果表明，精油涂层处理可有效改善冷冻羊肉色泽劣变及汁液流失。植物提取类活性物质主要包括植物多酚、花青素等[33]。α–生育酚是一种天然脂溶性抗氧化剂，通过提供氢原子和阻止氢过氧化的分解实现抗氧化效果[34]，已用于肉及肉制品的保鲜。谢菁等[35]研究发现添加质量分数为1%的α–生育酚的包装膜能显著延缓冷鲜猪肉硫代巴比妥酸反应物（Thiobarbituric Acid Reactive Substances，TBARS）和总挥发性盐基氮（Total Volatile Basic Nitrogen，TVB−N）值的升高，并能改善肉色。茶多酚是茶叶中多酚类物质的总称，通过结合自由基、螯合金属离子抑制脂质氧化，目前已广泛用于水产、畜禽的保鲜[36]。梁杰等[37]研究表明负载茶多酚的海藻酸钠–玉米淀粉薄膜可有效降低鸡肉在储存过程中的pH 值，复合膜展现出良好的抗氧化和保鲜能力。

2.2 活性包装膜的制备

目前，主要通过流延法、涂层、螺杆挤出、静电纺丝、3D 组装等技术制备负载天然活性物质的膜材，具体成膜工艺如图1 所示。

图1 天然活性包装膜材成膜工艺Fig.1 Film-forming technology of natural active packaging films

2.2.1 流延法

流延法是将成膜基材与活性物质溶解混合，加入适量增塑剂，经搅拌、均质、过滤、脱气等工序后将成膜液均匀地流延于平板，再经干燥制成薄膜的方法。该制膜法需通过加热来去除和回收溶剂，耗能较高[38]。

2.2.2 涂层法

涂层法可利用基材负载活性物质通过喷洒、浸渍等方式在食物表面形成透明的薄层，能有效阻隔空气，降低肉品干耗[39]，也可用于复合膜制备。将涂膜液覆盖于原有薄膜上进行二次复合，所得复合膜的力学性能和功能特性都优于原有薄膜。

2.2.3 螺杆挤出技术

螺杆挤出是一种干法加工技术，被广泛应用于聚合物工业中传统塑料包装的生产[40]。相比传统的流延法，螺杆挤出技术具有速度快、操作简单等优点。然而多数天然活性物质的热稳定性差，螺杆挤出过程中所施加的高温、高压易造成活性物质作用的减弱或丧失，因此该法在天然活性膜的制备中应用不广泛[41]。

2.2.4 静电纺丝技术

静电纺丝技术是利用静电作用力制备微/纳米纤维材料，其工作原理是在高压静电场作用下，利用电场力及表面张力使纺丝溶液在针头处形成“泰勒锥”；随着电场力的逐渐增大，液滴变成带电射流喷向接收板，射流飞行过程中在静电斥力的作用下进一步劈裂、细化；经过溶剂蒸发，最终在接收板上固化形成纳米纤维膜。相较于传统的活性包装材料制备技术，静电纺丝技术条件温和可控，制得的材料比表面积大、孔隙率高，且对活性物质的包埋率高[42]。

2.2.5 3D 打印技术

3D 打印技术是一种集计算机、精密驱动、数控和材料科学于一体的新型快速成型技术[43]。打印材料通过由形状设计模型控制的喷嘴喷出。3D 打印具有生产速度快、周期短、成本低、污染小、适应性强等优势，可通过对所提供的材料进行逐层沉积，构建复杂的3D 结构抗菌包装膜。然而，目前3D 打印活性包装膜的研究尚处于起步阶段。

3 天然活性包装膜在冷冻肉贮藏中的应用

天然活性包装膜的应用方式主要为干法或湿法。干法是将膜溶液在一定条件下干燥制成膜片直接用于肉品包装。湿法是将膜溶液以浸泡、喷洒、涂刷等方式作用于肉品表面，在肉品表面形成一层薄的涂层。本节综述天然活性包装膜在冷冻畜禽肉及水产品中的应用研究。

3.1 畜禽肉

近年来研究发现，使用天然活性包装膜包裹处理冷冻畜禽肉，可有效降低肉品干耗、抑制蛋白质和脂肪氧化。Santos 等[44]制备负载针叶樱桃甘蔗渣提取物的明胶复合薄膜来包裹牛肉饼，以聚氯乙烯塑料包裹作为对照，样品于−60 ℃下储存15 d，发现复合薄膜处理的样品较对照组样品干耗更少，并且有效延缓了牛肉饼氧化。Akcan 等[45]以乳清蛋白为基材，添加月桂草、鼠尾草提取物制成复合薄膜并包裹肉丸，于−18 ℃下储存60 d，结果表明复合膜具有优良的抗氧化性特，在冷冻储存过程中，处理组肉丸的TBARS 值和TVB–N 值显著低于对照组的。Song 等[46]将迷迭香油树脂和绿茶提取物分别涂覆于聚对苯二甲酸乙二醇酯制备复合薄膜，将复合薄膜制成小袋并密封包裹盛有猪肉的培养皿，随后将样品冷冻保藏。研究发现复合薄膜处理延缓了猪肉脂肪和蛋白质氧化，绿茶提取物中的儿茶素可以在没有迁移的情况下清除包装内的自由基，同时不影响猪肉的感官特性，与涂覆迷迭香油树脂的薄膜相比，绿茶提取物薄膜表现出更高的抗氧化能力。

3.2 水产品

与畜禽肉相比，水产品的水分含量更高，更易受微生物污染和环境影响而腐败变质[47]。目前研究较多的是使用活性物质涂层处理改善水产品在冷冻储存中的品质劣变。冯潇等[48]利用藜麦蛋白Pickering 乳液处理鱼糜，将其加热制备成蛋白凝胶进行冻融处理并检测，结果发现添加Pickering 乳液可抑制冻融引发的冰晶尺寸增大，降低鱼糜干耗，延缓鱼肉质构的变化速率，提高蛋白凝胶的稳定性。Du 等[26]研究了冬小麦蛋白对鱼肉在冻融循环过程中的品质影响，发现与对照组相比，经冬小麦蛋白处理的样品的离心损失、解冻损失和蒸煮损失都明显减少，样品的微观结构也有明显改善。于淑池等[49]将卵形鲳鲹鱼片浸泡于聚葡萄糖、茶多酚、低聚木糖和乳酸钠的混合液后进行冷冻处理，研究发现活性物质浸渍处理可延缓鱼肉蛋白质变性、降低鱼肉冻藏期间的干耗，具有良好的保鲜效果。

表1 天然活性包装膜在冷冻肉中的应用Tab.1 Application of natural active packaging films in frozen meat

4 结语

目前，天然活性包装膜在冷冻肉中的应用方式多为涂层处理。涂层处理能够在肉品表面形成一层阻隔，结合活性物质释放，有助于延缓冷冻肉脂肪和蛋白质氧化，保持肉品色泽。然而，对经历反复冻融过程的肉品而言，复杂的运输贮藏条件以及多变的肉品组织状态容易破坏涂层结构，降低其阻隔性，加大冷冻肉与空气的接触，并且影响其中天然活性物质的释放。基于此，开发负载天然功能性成分且具有良好机械性、疏水性、阻隔性、低温稳定性的活性包装膜材，有利于改善和提高冷冻肉，尤其是反复冻融肉的品质。

基于生物聚合物和天然活性成分的活性包装在提高冷冻肉品质方面具有明显优势，但其应用仍然存在一些问题。生物聚合物的机械性、稳定性、阻隔性较差，难以满足食品包装材料的特性要求。已发现的天然活性成分有限，且对高温、高压条件的敏感性较强，将其应用于工业化生产仍具有巨大挑战。今后应加强生物材料的技术研发，通过基材筛选和材料改性进一步构建功能特性优良的冷冻肉活性包装膜材；探索新的天然活性物质，综合运用微生物和组学方法研究其作用机理，加强天然活性包装膜制备工艺的研究，维持活性成分的长效稳定。为顺应人们对安全肉品的消费需求，有必要借助数学模型、计算机模拟等开展活性包装膜中功能性物质的释放动力学研究，并结合毒理学和食品感官科学系统评估活性成分的生物安全性、最大允许添加量及其对肉品营养和感官特性的影响。