不同辐照工艺对牛肉糜杀菌效果及感官品质的影响

孔秋莲,郑 琦,颜伟强,王海宏,岳 玲,田文慧,陈志军,2*,戚文元,2

(1 上海市农业科学院作物育种栽培研究所,上海 201403;2 上海束能辐照技术有限公司,上海 201403)

我国既是牛肉生产大国,又是牛肉进口大国。 《2019 中国牛羊产业发展报告》数据显示,我国牛肉产量居世界第三,进口量居世界第一[1]。 随着居民生活水平提高,牛肉消费量也不断增大,2019 年我国人均年消费量5.95 kg[2],但相比美国、巴西、阿根廷等人均年消费量超过20 kg 的国家仍有很大增长空间[3]。2020 年我国牛肉消费量951.5 万t,人均约6.74 kg,其中275 万t 是进口牛肉,进口量位居全球首位[4],预测2025 年我国牛肉需求量可达1 200 万t[5]。 牛肉富含蛋白质,是微生物生长的良好介质,极易腐败变质,4 ℃冷藏货架期只有3—5 d,且随着贮藏时间延长,食用品质及安全性逐渐降低[6]。 微生物污染是牛肉绿色安全消费的主要问题之一,腐败微生物和病原微生物是影响牛肉货架期和食用安全的重要因素,即使严格控制屠宰条件,加工过程中也可能受到微生物污染[7-9]。 为保证牛肉品质和食用安全,牛肉贮运多采用冷冻方式,但冷冻并不能杀灭病原微生物,贮运中仍有微生物缓慢生长,微生物尤其是病原微生物控制是当前牛肉产品食用安全和质量控制的关键因素。

辐照是一种可用于食品及农产品杀菌、除虫、保鲜的非热加工型技术,相比传统食品保鲜技术,在保持肉类产品食用安全方面更加方便高效,可满足消费者对肉类高品质和食用安全的要求[10]。 研究表明牛肉中沙门菌和大肠杆菌等病原微生物对辐照敏感,中国、美国、俄罗斯、南非等许多国家都允许辐照用于冷冻牛肉微生物控制[11]。 目前用于食品加工的电离能形式包括γ 射线、电子束和X射线,其中γ 射线最早应用于食品商业辐照,在肉类、家禽和鱼类等动物性食品保鲜中一直占据主要地位[12]。 近年来随着电子加速器制造技术和产业化能力的提高,电子束在食品辐照上的应用越来越多,同时因钴源价格飞涨和放射性废物污染的潜在风险问题,经济高效、安全卫生的电子束辐照技术已逐渐成为食品辐照的主流[13-14]。

尽管电子束与γ 射线辐照在技术原理层面是相似的,但因电子束射线能量高、剂量率大、穿透能力较弱,二者在辐照效应方面存在差异,对技术参数和应用工艺的要求也显著不同,目前有关两种辐照方式对食品品质影响的研究鲜见报道。 前期研究表明[14-15],相比γ 射线,电子束辐照可以更好保持意式风干火腿、鸡肉调味粉的风味,降低辐照异味程度。 本研究考察和比较电子束和γ 射线及其不同剂量率和辐照剂量对牛肉糜的杀菌效果和感官品质的影响,为牛肉辐照加工的工艺设定提供技术参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 牛里脊肉

牛里脊肉材料为阿根廷进口冷冻牛里脊肉,购自某进口经销商。 产品于-18 ℃冻藏,使用前提前取出,按NY∕T 3524—2019《冷冻肉解冻技术规范》方法[16]空气解冻。

1.1.2 食品病原微生物菌株

大肠杆菌(ATCC25922)、鼠伤寒沙门氏菌(ATCC 14028)、金黄色葡萄球菌(ATCC6538)均购自广东环凯微生物科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 牛肉糜制备

将解冻后的牛里脊肉,修整剔除表面筋腱和脂肪,用绞肉机绞成肉糜,分装于封口袋中,每袋100 g。为保证单个包装内牛肉糜吸收剂量均匀,将袋内牛肉糜轻拍后铺成厚度＜1 cm 的均匀薄层。 所有牛肉糜材料均于4 ℃冰箱保存,整个流程保证牛肉糜制备后2 h 内完成后续处理。

1.2.2 食品病原微生物增菌液制备

将冷冻甘油保藏的病原微生物标准菌株复苏,接种于胰酪大豆胨液体培养基(TSB)中,(35 ±1) ℃培养过夜,培养液划线胰酪大豆胨琼脂培养基(TSA)平板,(35 ±1) ℃培养48 h 制备单菌落,从TSA 平板上挑取单菌落接种于TSB 中,(35 ±1) ℃,150 r∕min 培养过夜,得到含菌量108—109CFU∕mL 的增菌液。

1.2.3 辐照

辐照源为电子加速器和钴源,其中电子加速器为10 MeV & 20 kW 直线电子加速器,钴源为静态源,源强50 000 Ci。 电子加速器辐照方式为电子束,钴源辐照方式为γ 射线。 辐照中使用重铬酸银液体化学剂量计对实际辐照剂量进行监测[17],保证实际剂量范围符合设定剂量±10%的要求,剂量计校准按照GB∕T 16640—2008 进行[18]。

1.2.3.1 病原菌D10值测定用牛肉糜样品的辐照

病原菌D10值是评价微生物辐照耐受性的指标,指将微生物总数降低1 个数量级所需要的辐照剂量,利用辐照剂量(y)及辐照后的病原微生物可培养数量的对数值(x)建立线性拟合方程y=ax+b,a值绝对值的倒数即为D10值。[19]。

为消除牛肉糜中原始微生物对病原菌D10值的影响,将1.2.1 制备的牛肉糜材料首先进行10 kGy 电子束辐照,杀灭初始微生物。

将1.2.2 制备的食品病原微生物增菌液添加至预灭菌后的牛肉糜中,每袋(100 g)的添加量为1 mL,拍打均匀后辐照测定D10值。 用电子束和γ 射线两种不同辐照方式辐照,每种辐照方式分别设置2 个剂量率,电子束为2.11 kGy∕s 和8.44 kGy∕s,γ 射线为0.25 kGy∕h 和6.00 kGy∕h,分别记为EB-2.11、EB-8.44、γ-0.25、γ-6.00。 每个剂量率处理在0—3.5 kGy 剂量范围内分别设定5 个剂量水平,每个剂量水平设置3 次重复。辐照后牛肉糜按GB∕T 4789.2—2016[20]《食品微生物学检验菌落总数测定》测定含菌量。

1.2.3.2 杀菌效果及感官品质分析用牛肉糜样品的辐照

取1.2.1 制备的牛肉糜样品,分别用不同剂量率和不同剂量的电子束和γ 射线辐照。

1)不同剂量率辐照。 剂量4 kGy,以未辐照处理为对照,共5 个处理,分别为CK(未辐照处理)、4KEB-2.11(电子束,剂量率2.11 kGy∕s)、4K-EB-8.44(电子束,剂量率8.44 kGy∕s)、4K-γ-0.25(γ 射线,剂量率0.25 kGy∕h)、4K-γ-6.00(γ 射线,剂量率6.00 kGy∕h),每个处理设置6 次重复。

2)不同剂量辐照。 电子束剂量率水平8.44 kGy∕s,γ 射线剂量率水平6.00 kGy∕h,分别设定2kGy、4 kGy 2 个剂量水平,以未辐照处理为对照,共5 个处理,分别为CK(未辐照处理)、2K-EB-8.44(电子束2 kGy)、4K-EB-8.44(电子束4 kGy)、2K-γ-6.00(γ 射线2 kGy)、4K-γ-6.00(γ 射线4 kGy),每个处理设置6 次重复。

1.2.4 微生物学检验

微生物学检验检测菌落总数、大肠菌群,分别按照GB∕T 4789.2—2016《食品微生物学检验菌落总数测定》[20]、GB∕T 4789.3—2016《食品微生物学检验大肠菌群计数》[21]测定。

1.2.5 色差测定

Chroma Meter CR-400 色差仪检测,每袋肉糜测试3 个部位,每个处理3 个重复,记录L*、a*、b*值[3-4]。 L*、a*、b*是三维矩形颜色空间参数,L*为黑白明度轴参数,0 表示黑,100 表示白;a*为红/绿轴参数,a*( +)表示红色程度,a*( -)表示绿色程度;b*为蓝/黄轴参数,b*( +)表示黄色程度,b*( -)表示蓝色程度。

1.2.6 牛肉糜熟化处理

不同处理牛肉糜分别评价生牛肉糜和熟牛肉糜。 熟牛肉糜的熟化方法为生牛肉糜在90 ℃水浴锅30 min 至中心温度达75 ℃[22]。

1.2.7 牛肉糜的嗅感风味评价

对生、熟牛肉糜分别进行嗅感风味评价。 嗅感风味评价采用10 点制评分法,参考SOHN 等[23]方法稍有改动,评价人员10 人,分别对生、熟牛肉糜嗅闻评分。 不可接受0—1 分,可接受2—4 分,喜欢5—7 分,非常喜欢8—9 分。

1.2.8 牛肉糜的电子鼻风味检测

对生、熟牛肉糜分别进行电子鼻风味检测。 电子鼻为PEN3,气敏传感器探头为W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W 和W3S。 取2.0 g 牛肉糜于20 mL 顶空瓶中,静置20 min 后检测。 检测条件:测定间隔1 s,清洗时间120 s,归零时间5 s,准备时间5 s,测定时间100 s,载气流量400 mL∕min,进样流量400 mL∕min,采集信号时间为80 s。 每个样品重复测定3 次,测定时保持室温25 ℃。 测定结果利用Winmuster 进行响应值分析和主成分分析(Principal component analysis,PCA)。

1.2.9 牛肉糜的电子舌滋味检测

对熟牛肉糜进行电子舌滋味检测。 使用INSENT 公司SA402B 味觉分析系统,传感器阵列包括酸味、苦味、涩味、鲜味和咸味5 根味觉传感器和2 个参比电极。 传感器及参比电极使用前按要求浸泡于参比溶液中活化24 h。

熟牛肉糜25 g,按1∶5(W∶V)加超纯水125 mL 匀浆处理1 min,匀浆液于4 ℃、3 000 r∕min 离心10 min,取上清液过滤,取滤液4 ℃保存备用。

电子舌数据采集前,使用参比溶液、正极清洗液、负极清洗液对味觉传感器进行检测,确保数据可靠、稳定。 检测时室温控制在25 ℃左右,样品预先放置于25 ℃环境自然升温至室温后开始测定。 参照孔放置参比溶液,样品采集时间为30 s,每个样品重复检测4 次,选取较稳定的后3 次响应信号的平均值作为样品滋味信号。

1.3 数据统计与分析

采用SPSS 17.0 统计分析软件进行显著性差异分析,Origin 2018 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同辐照方式对微生物辐照杀灭效应的影响

D10值是评价微生物辐照杀灭效应的指标,为将微生物总数降低一个数量级所需要的辐照剂量,反映微生物对辐照的耐受程度,D10值越大,耐受程度越强,在初始含量相同的条件下,杀灭需要的剂量越高[19]。

大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌的D10值有所不同,沙门氏菌最高,对辐照的耐受性最强,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌相近。 不同辐照源及其不同剂量率间比较,4 种辐照方式下3 种病原微生物的D10值无显著差异(表1)。

表1 不同辐照方式对病原微生物的D10值Table 1 D10 values of pathogenic microorganisms under different irradiation methods kGy

以4 kGy 剂量不同辐照方式处理后,牛肉糜中自然污染微生物的存留情况与病原微生物D10值结果相同(表2)。 说明辐照方式不影响辐照对微生物的杀灭效果,不同辐照源、不同剂量率对微生物的杀灭效应相同。

表2 不同辐照方式对牛肉糜中微生物存活的影响Table 2 Effects of different irradiation methods on microbial survival in minced beef CFU·g -1

2.2 不同辐照方式对牛肉糜色泽的影响

色泽是影响消费者产品选择的基本食品物性[24]。 辐照对牛肉糜色泽影响较大,辐照导致红色消退。为清晰表达不同处理间的差异,L*值绘制在主坐标轴,与L*值数值差别较大的a*和b*值绘制在次坐标轴。 辐照牛肉糜a*值较未辐照处理明显降低。 剂量率对a*值的影响因辐照源不同而有所差异,电子束辐照剂量率越小,a*值下降幅度越大,γ 射线辐照不同剂量率处理的a*值差异不大(图1)。 剂量同样影响a*值,剂量越高,a*值下降幅度越大,2 kGy 剂量处理即导致a*值明显下降;电子束处理a*值降低幅度大于同样剂量γ 射线处理(图2)。 辐照还导致蓝绿参数b*值下降,其变化趋势与a*值相同;亮度参数L*值也在辐照后有所降低。

图1 不同剂量率的电子束、γ 射线辐照对色泽参数L*、a*、b*值的影响Fig.1 Effects of irradiation at different dose rates of e-beam and γ-ray on color parameters L*,a*,b*

图2 不同剂量的电子束、γ 射线辐照对色泽参数L*、a*、b*值的影响Fig.2 Effects of irradiation at different doses of e-beam and γ-ray on color parameters L*,a*,b*

显著性分析结果表明,亮度方面,除4K-γ-0.25 处理显著低于未辐照处理,其他辐照处理与未辐照处理无显著差异,不同辐照源、剂量率、剂量的辐照处理间也无显著差异。 a*值方面,除2K-γ-6.00 处理与未辐照处理无显著差异外,其他辐照处理均显著低于未辐照处理;电子束处理显著低于γ 射线处理,但同样剂量下,电子束、γ 射线的2 个不同剂量率处理间均未表现显著差异,而相同辐照源的不同剂量处理均表现显著差异。 b*值虽然辐照后变化趋势与a*值相同,但其显著性差异有所不同,不同剂量率处理时,4K-EB-8.44 对b*值的影响程度小于a*值,与4K-γ-0.25-R 的差异未达到显著水平。

2.3 不同辐照方式对牛肉糜嗅感评价的影响

嗅感评价结果表明,辐照后生牛肉糜评分降低,风味可接受程度下降,但电子束处理与未辐照处理差异不显著。 γ 射线处理的生牛肉糜嗅感评分低于同剂量电子束处理。 不同剂量率处理时,辐照处理均显著低于未辐照处理;同一剂量率条件下,剂量越高,评分越低,4 kGy 的γ 射线处理显著低于未辐照处理,2 kGy 的γ 射线处理与未辐照处理及其他辐照处理均无显著差异。 辐照对牛肉糜感官评分的影响在熟制后降低,熟制后所有处理的感官评分均有所增加,辐照处理的增加幅度大于未辐照处理,其感官评分均高于未辐照处理,但统计分析表明,所有处理的差异均未达显著水平(表3)。

表3 不同辐照方式对牛肉糜嗅感评分的影响Table 3 Effects of different irradiation methods on olfactory score of minced beef

2.4 不同辐照方式对牛肉糜电子鼻风味分析的影响

将电子鼻风味测定得到的数据进行主成分分析(PCA),数据点越分散,表明各样本电子鼻风味特征差异越大。 由图3、图4 看出,4 个图中主成分PC1 和PC2 的累积贡献率均大于90%(超过70%),能够反映样品的整体信息,不同处理方式的牛肉糜样本具有明显的聚类,未辐照样本与辐照样本距离明显。 未辐照处理生牛肉糜与辐照处理生牛肉糜的分布区域的距离相对熟牛肉糜较小,辐照对生牛肉糜的电子鼻嗅感风味影响小于熟牛肉糜。 电子束不同剂量率处理间、不同剂量处理间的距离大于γ 射线,说明本试验条件下,电子束辐照的剂量率和剂量因素对风味的影响大于γ 射线辐照。

图3 不同剂量率的电子束、γ 射线辐照牛肉糜风味变化的PCA 分析Fig.3 PCA analysis of flavor changes of minced beef irradiated at different dose rates of e-beam and γ-ray

图4 不同剂量的电子束、γ 射线辐照牛肉糜风味的PCA 分析Fig.4 PCA analysis of flavor changes of minced beef irradiated at different doses of e-beam and γ-ray

2.5 不同辐照方式对牛肉糜滋味的影响

电子舌的酸、苦、涩、鲜、咸5 种不同传感器得到8 种滋味响应值,分别为酸味(Sourness)、苦味(Bitterness)、涩味(Astringency)、苦的回味(Aftertaste-B)、涩的回味(Aftertaste-A)、 鲜味(Umami)、 丰富度(鲜的回味,Richness)、咸味(Saltiness),不同滋味响应值的最低阈值分别为咸味(Saltiness)-6,酸味(Sourness)-13,其他为0。不同处理牛肉糜熟化后,其滋味的响应信号值如图5 所示,鲜味、丰富度和苦味传感器对不处理牛肉糜有较强的响应,其中鲜味信号强度最强,其次是苦味,其他滋味传感器响应值均小于或接近最低阈值。

图5 不同辐照方式辐照牛肉糜熟化后的电子舌滋味雷达图Fig.5 Radar chart of the taste of minced beef irradiated by different irradiation methods after cooked

对不同辐照方式处理牛肉糜苦味、鲜味、丰富度进行显著性分析,由表4 可以看出,辐照后苦味值有所下降,γ 射线低剂量率处理的下降幅度更大,2K-EB-8.44 处理显著低于未辐照处理,其他辐照处理与未辐照处理无显著差异。 不同剂量率处理时,4K-γ-0.25 处理的苦味显著低于电子束处理,相同辐照源的不同剂量率处理间无显著差异。 不同剂量处理时,所有辐照处理间均无显著差异。 鲜味方面,除4K-γ-0.25处理显著低于未辐照处理外,其他辐照处理的鲜味均较未辐照处理有所上升,辐照后鲜味有所增加,其中2K-γ-6.00 处理显著高于未辐照处理。 不同剂量率处理时,4K-γ-0.25 处理的鲜味显著低于4K-EB-8.44处理,相同辐照源的不同剂量率处理间同样无显著差异。 不同剂量处理时,2K-γ-6.00 显著高于4K-γ-6.00 处理,电子束不同剂量处理间无显著差异。 丰富度也是鲜味相关指标,但其变化趋势与鲜味不同,辐照后总体上有所下降,其中4K-γ-6.00 处理显著低于未辐照处理,其他辐照处理与未辐照处理无显著差异。 不同剂量率处理时,4K-γ-6.00 处理显著低于电子束处理,相同辐照源的不同剂量率处理间无显著差异。 不同剂量处理时,4K-γ-6.00 处理显著低于2K-EB-8.44 处理,相同辐照源的不同剂量率处理间无显著差异。

表4 不同辐照方式对牛肉糜苦味、鲜味和丰富度的影响Table 4 Effects of different irradiation methods on bitterness,umami and richness of minced beef

3 结论与讨论

利用辐照技术杀灭微生物提高食品安全已广泛应用[24],了解不同微生物的辐照耐受性及其影响因素,可在提高食品安全的同时,最大限度实现辐照成本和辐照加工时间的优化[25]。 目前生产中普遍应用的辐照源电子加速器和钴源装置,分别利用电子束和γ 射线对产品进行辐照,通过能量传递引发一系列理化反应,达到杀菌保鲜目的。 电子束为电子加速形成的高能电子束束流,允许用于食品辐照的电子束最高能量限值是10 MeV;γ 射线是放射性同位素钴-60 产生的高能射线,射线能量范围是1.17—1.33 MeV。 生产上用于工业辐照的钴源源强一般为几万至几百万居里,电子加速器的功率则一般在10 kW 及以上各有不同,不同辐照装置在能量谱、剂量率上有很大差异[26-27]。 本研究发现,辐照源及剂量率不影响微生物的辐照杀灭效应,电子束和γ 射线及其不同剂量率处理的D10值无显著差异。 本试验条件下,常见食品病原微生物大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌在牛肉糜中的D10值为0.41—0.63 kGy,说明低剂量2 kGy 辐照即可降低病原微生物3—4 个数量级,具有良好的杀灭效应。

辐照对食品的不良影响主要表现在可能影响食品香气、风味和色泽,从而影响消费者的接受度。 色泽变化是影响食品辐照质量的一个重要因素,牛肉、火腿、三文鱼等红肉类对辐照更敏感,主要原因是肌红蛋白的氧化[28]。 本研究也发现,辐照对牛肉糜色泽影响较大,辐照导致红色消退,红黄参数a*值下降,剂量越高,下降辐照越大,2 kGy 剂量辐照处理即导致牛肉糜a*值明显下降。 辐照源种类也对a*值降低幅度产生显著影响,电子束处理a*值降低幅度大于同剂量γ 射线处理。 因此,为控制牛肉糜辐照中色泽劣变,应在满足微生物控制的要求下,尽可能降低辐照剂量,可考虑综合利用其他微生物控制措施或护色措施,保障产品色泽稳定。 有报道表明,碳酸钠等食品添加剂与γ 射线结合使用,可提高婴儿配方奶粉中病原微生物的辐照敏感性,鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌的D10值分别为未添加处理的76.9%、50%、24.4%,通过添加剂和辐照综合应用保障产品的安全和质量[25]。

辐照对风味的不良影响一直是食品辐照加工的主要问题之一,部分食品,尤其是肉类食品,辐照后易产生类似“臭鸡蛋、烧焦、醋酸”等的不良风味[29]。 有研究报道牛肉辐照后产生异味,使用木炭包装结合α-生育酚添加[30]、添加0.5%洋葱或少于0.1%大蒜[22]都可有效降低牛肉辐照异味的产生。 本研究也发现,辐照后生牛肉糜嗅感评分降低,风味可接受程度下降。 辐照源种类、剂量是影响牛肉糜嗅感评分的主要因素,嗅感评分随剂量增加而降低,电子束处理对嗅感评分的影响小于γ 射线辐照处理,γ 射线处理的嗅感评分低于同剂量电子束处理,其中γ 射线4 kGy 处理的嗅感评分显著低于未辐照处理和电子束2 kGy处理。 另外,辐照牛肉糜加热熟制后,嗅感评分反而优于未辐照处理,且不同辐照源、不同剂量率、不同剂量间无显著差异。 因此,电子束在牛肉风味保持上优于γ 射线,生产中应注意控制剂量,防止剂量过高导致风味劣变。 本试验条件下,电子束4 kGy 及以下剂量处理的嗅感评分与未辐照处理差异不显著,可用于剂量设定的参考。 电子鼻分析是使用传感器阵列模拟人类嗅觉,形成样本所有成分的“指纹”,已有报道用于食品风味变化快速监测[31]。 本研究发现,未辐照牛肉糜和辐照牛肉糜可以通过电子鼻明显区分,而不同辐照方式处理间的分布区域互有交叉,差异不明显。 电子鼻分析结果与嗅感评分的结果并未完全吻合,这可能因为辐照异味是由特定的物质组分形成,而电子鼻传感器检测的是一类物质。 因此,电子鼻检测可用于区分未辐照与辐照牛肉糜,但如何确立辐照异味程度与电子鼻响应值的相关性还有待深入研究。

电子舌与电子鼻同为仿生感官评价技术,是模拟人的舌头及神经系统信息处理过程的智能味觉仿生系统,通过传感器阵列与样品接触,收集样品特征电信号,利用数据分析处理技术,获得样品感官特性,可用于构建客观的味觉评价体系[32-33]。 黄珏等[34]在进口牛肉产地溯源的应用研究中,发现不同进口产地的牛肉样本电子舌滋味特征信号在酸味、咸味、甜味和复合味传感器上响应值差异显著。 本研究发现,牛肉糜电子舌滋味特征信号主要在苦味、鲜味和丰富度3 个方面。 辐照后牛肉糜苦味特征信号有所减弱,其中γ 射线0.25 kGy∕h 剂量率4 kGy 处理、电子束8.44 kGy∕h 剂量率2 kGy 处理的苦味显著低于未辐照处理。 鲜味特征信号除γ 射线0.25 kGy∕h 剂量率4 kGy 处理稍低于未辐照处理外,其他辐照处理的鲜味特征信号均高于未辐照处理,γ 射线6.00 kGy∕h 剂量率2 kGy 处理的鲜味还显著高于未辐照处理。 鲜味相关的丰富度特征信号与鲜味变化不一致,辐照后有所减弱,其中γ 射线6.00 kGy∕h 剂量率4 kGy 处理的丰富度显著低于未辐照处理。 因此,辐照导致苦味减弱、鲜味增强,同时导致丰富度降低,但辐照对牛肉糜滋味特征信号的影响较为复杂,不同辐照方式间各有优劣。