超高壓對肉制品的殺菌效果及殺菌機(jī)制的研究進(jìn)展

奚秀秀

摘 要：超高壓殺菌是一種新型的非熱殺菌技術(shù)，通過總結(jié)國內(nèi)外采用超高壓技術(shù)延長肉制品貨架期的研究，分析超高壓技術(shù)對生鮮肉制品、腌制肉制品、熏制肉制品、鹵制肉制品以及燒烤類肉制品的殺菌效果，證明了超高壓技術(shù)能不同程度地提高這5 種肉制品貯藏期的安全性和感官特性。通過總結(jié)超高壓處理對微生物細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變，以及對不同微生物酶活性的影響，探究超高壓的殺菌機(jī)制，為超高壓技術(shù)在肉制品工業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論依據(jù)，也為下一步研究明確了方向。

關(guān)鍵詞：超高壓；肉制品；殺菌機(jī)制

Abstract： Ultra-high pressure processing （UHPP） has already been established as an alternative to thermal processing for the inactivation of foodborne microorganisms in different meat products for the extension of shelf-life such as fresh， cured， stewed， smoked and grilled meat products. However， the effects of UHPP on the inhibition of growth of various bacteria in these products vary. In this article， we review mechanisms of microbial inactivation during UHPP， which involve morphological properties of foodborne microorganisms in meat products， and the conformational changes of microbial enzymes that lead to their inactivation. These mechanisms may be regarded as a useful theory to promote the further application of UHPP in meat industries.

Key words： ultra-high pressure processing； meat products； microbial inactivation mechanisms

DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.08.008

中圖分類號：TS251.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2016）08-0039-05

優(yōu)質(zhì)的肉制品，具有風(fēng)味獨特、營養(yǎng)價值高、食用方便等特點，但易受到微生物感染發(fā)生腐敗變質(zhì)，影響其食用安全性。肉制品中的微生物能分泌蛋白酶、肽酶或脂肪酶等分解蛋白質(zhì)和脂肪，產(chǎn)生小分子物質(zhì)，使肉制品中蛋白質(zhì)和脂肪等發(fā)生一系列變化，導(dǎo)致肉制品的感官品質(zhì)下降，直至完全失去商品價值和營養(yǎng)價值[1]。因此，肉制品的生產(chǎn)加工只有不斷創(chuàng)新，才能滿足消費者對不含食品添加劑，如防腐劑和保濕劑的高安全性、高感官性和高品質(zhì)的便捷式肉制品的需求。

肉制品工業(yè)中的保鮮技術(shù)，如化學(xué)保鮮效果良好，但一些化學(xué)保鮮劑本身存在著致畸、致癌性，長期使用會對人體造成危害；高純度天然保鮮劑提取技術(shù)的局限以及單一保鮮劑不盡人意的抑菌效果，都影響天然保鮮劑，如殼聚糖、乳酸鏈球菌素等的廣泛應(yīng)用[2]。物理保鮮，如氣調(diào)保鮮，雖能有效保持肉制品的新鮮度且安全性較高，但氣調(diào)包裝易交叉污染，且在貯藏運輸中，肉制品流失的水分滯留在包裝袋內(nèi)，感官價值降低[3]。為克服這些保鮮技術(shù)的缺陷，新型冷殺菌技術(shù)，如超高壓加工技術(shù)、振蕩磁場（歐姆加熱、介電加熱和微波爐）、X射線和電子束的強(qiáng)光脈沖等技術(shù)被開發(fā)并逐漸投入了商業(yè)化使用。自2000年以來，應(yīng)用超高壓加工技術(shù)處理的肉制品數(shù)量在全球范圍內(nèi)呈指數(shù)增長，表現(xiàn)出巨大的潛能[4]。

食品超高壓技術(shù)（ultra high pressure processing，UHPP），是基于勒夏特列平衡原理的非熱加工處理，即在室溫下將食品置于流體介質(zhì)中施加100～900 MPa的靜高壓（商業(yè)中常用400～600 MPa的高壓），壓力瞬間均勻的傳輸?shù)绞称分?，滅活食品中微生物的同時，又不改變食品固有的感官特性，且保持食品的營養(yǎng)成分不流失[5-6]，

該技術(shù)在食品工業(yè)尤其是乳制品工業(yè)[7-9]、飲料工業(yè)[10-11]和肉制品工業(yè)[12-13]中被廣泛應(yīng)用。超高壓加工的肉制品逐漸被認(rèn)可，比如美國農(nóng)業(yè)部門的食品安全和檢驗服務(wù)部門在2003年允許美國公司使用超高壓來控制即食肉制品中的單增李斯特菌[14]。然而，由于超高壓對不同肉制品中各種致病性、腐敗性微生物抑菌效果以及關(guān)于這些微生物的抗壓性的報道不多，致使超高壓的應(yīng)用安全性需要更廣泛與深入地研究。本文就目前有關(guān)超高壓滅活不同肉制品中微生物的研究，分析了超高壓對肉制品中微生物的殺菌機(jī)制，為超高壓的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 超高壓對不同肉制品的殺菌效果

1.1 超高壓對生鮮肉制品中微生物的影響

王根才等[15]的研究發(fā)現(xiàn)超高壓處理對4 ℃冷藏的冷卻豬肉中霉菌、酵母、葡萄球菌與微球菌的抑制效果明顯，而對假單胞菌、乳酸菌、腸桿菌等耐壓性腐敗菌的抑制效果不明顯。超高壓（>250 MPa）處理冰鮮雞肉后冷藏至第8天，菌落總數(shù)和大腸菌群指數(shù)均在國標(biāo)要求范圍內(nèi)[16]。除了大腸桿菌外，沙門氏菌也是新鮮肉制品中常見的病源性微生物。在低溫（4～6 ℃）環(huán)境下，用550 MPa超高壓處理新鮮雞肉15 min后，無沙門氏菌被檢出[13]，肉制品安全性顯著提高。可見，超高壓是生鮮肉貯藏保鮮的一種有效方法。

1.2 超高壓對腌制肉制品中微生物的影響

腌制肉制品是傳統(tǒng)肉制品的代表，具有感官風(fēng)味獨特、耐貯藏等特點。相比于腌制的生牛肉和熟制的火腿，干腌火腿中金黃色葡萄球菌和乳酸菌的存活性最低[17]。陳小娥等[18]發(fā)現(xiàn)散裝腌制泥螺的平均初始菌落總數(shù)為（13 600±2 980）CFU/g，但經(jīng)超高壓（>300 MPa）處理后樣品菌落總數(shù)都低于100 CFU/g。可見，壓力對微生物具有極其顯著的殺菌效果（P<0.01）；而加壓時間（10 min和20 min）對微生物卻無顯著的殺菌和抑菌效果（P>0.05），這為經(jīng)濟(jì)型腌制泥螺的超高壓殺菌提供了有效的理論支持。張隱等[19]發(fā)現(xiàn)400 MPa/5 min的加工條件不僅能顯著降低泡椒鳳爪中的菌落總數(shù)、大腸菌群數(shù)和乳酸菌數(shù)，而且超高壓處理的泡椒鳳爪在貯藏過程中亞硝酸鹽含量顯著低于熱處理產(chǎn)品。由此可見，超高壓作為腌制肉制品的二次殺菌處理，能有效降低腌制肉制品中嗜鹽微生物的菌落數(shù)，提高產(chǎn)品的安全性，這為糖漬或糟漬肉制品的超高壓殺菌提供了參考。

1.3 超高壓對熏制肉制品中微生物的影響

超高壓處理對煙熏切片火腿腐敗微生物具有較強(qiáng)的抑制作用，并隨壓力的升高，抑制效應(yīng)增強(qiáng)。韓衍青等[20]的研究發(fā)現(xiàn)400 MPa和600 MPa超高壓能有效滅活煙熏火腿中的腸桿菌、熱殺索絲菌、假單胞菌以及霉菌和酵母，同時可較好地保持樣品原有的游離脂肪酸含量，不會引起煙熏火腿的脂肪氧化酸敗。韓衍青等[21]也報道煙熏切片火腿中乳酸菌中的部分菌屬較為耐壓，是低溫?zé)熝鹜荣A藏后期的優(yōu)勢腐敗菌，未經(jīng)超高壓處理的產(chǎn)品，在2 周后就會發(fā)生腐敗變質(zhì)，而400 MPa和600 MPa超高壓處理后，乳酸菌菌落數(shù)長時間處于低水平（<104 CFU/g），整個貯藏期內(nèi)腸桿菌數(shù)低于102 CFU/g，可能是由于耐冷菌和腸桿菌失去原有競爭能力，產(chǎn)品保質(zhì)期顯著延長。

1.4 超高壓對鹵制肉制品中微生物的影響

超高壓和熱處理2 種加工方式均能顯著降低鹵肉制品中的菌落數(shù)，抑制微生物的快速繁殖，減少貯藏期間的腐敗變質(zhì)。朱曉紅等[22]對真空包裝后的醬牛肉采用超高壓（600 MPa，5、10和15 min） 和加熱（85～90 ℃/10 min）2 種方式進(jìn)行二次殺菌處理，2 種方式均能夠顯著降低醬牛肉的初始菌數(shù)（P<0.05），但熱處理后的醬牛肉在貯藏末期出現(xiàn)明顯的褪色現(xiàn)象，而超高壓處理組卻未發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象。王志江等[23]發(fā)現(xiàn)白切雞在低溫貯藏過程中假單孢菌、腸桿菌屬和乳酸菌屬為優(yōu)勢腐敗菌屬，超高壓（487 MPa）處理后，白切雞的保質(zhì)期可延長40 d以上，說明高壓處理對于白切雞中的微生物具有極顯著的殺菌效果?？梢?，超高壓對鹵制肉制品中微生物有顯著的殺滅效果。

1.5 超高壓對燒烤類肉制品中微生物的影響

張建等[24]利用超高壓對烤乳豬進(jìn)行處理，有效控制了烤乳豬中的菌落總數(shù)。在經(jīng)過500 MPa、25 min的超高壓處理后，在常溫下存儲，烤乳豬中菌落總數(shù)10 d后才超標(biāo)，而在4 ℃條件下進(jìn)行貯藏，15 d后菌落總數(shù)才超標(biāo)，這一結(jié)果說明超高壓和低溫保藏具有協(xié)同效應(yīng)。雖然有關(guān)超高壓滅活燒烤類肉制品中微生物的報道較少，但隨著超高壓技術(shù)的不斷成熟，特別是對影響超高壓殺菌效果的動力學(xué)因素[25-26]的不斷探索，超高壓技術(shù)也有望在今后的燒烤類肉制品的生產(chǎn)實踐中得到廣泛應(yīng)用。

2 超高壓對肉制品中微生物的殺菌機(jī)制

2.1 超高壓對肉制品微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響

超高壓處理使微生物細(xì)胞體積和長度、細(xì)胞內(nèi)液泡、細(xì)胞壁和細(xì)胞膜等都產(chǎn)生一定程度的形態(tài)改變。Sheen等[27]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在超高壓處理前雞肉中的沙門氏菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整，細(xì)胞內(nèi)容物均勻排列，然而在超高壓處理后細(xì)胞內(nèi)容物排列紊亂，細(xì)胞結(jié)構(gòu)雖未完全解離，但細(xì)胞膜上出現(xiàn)大小不一的缺口，對細(xì)胞造成了不可逆的損傷，這可能的原因細(xì)胞膜上類脂和蛋白質(zhì)之間的壓縮率不同而造成的。微生物的細(xì)胞膜性質(zhì)不同，對壓力的敏感性也不同。其次，也有研究發(fā)現(xiàn)在超高壓作用后，大腸桿菌在超高壓作用下細(xì)胞膜的熒光偏振度和細(xì)胞膜微黏度增大，表明大腸桿菌細(xì)胞膜流動性明顯下降[28]。超高壓處理也造成單增李斯特菌細(xì)胞膜的通透性改變[29]，使細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)和無機(jī)鹽離子如Mg2+等內(nèi)容物外泄，而Mg2+對維持核糖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)揮重要作用[30]，可見，超高壓殺菌在一定程度上是通過降低微生物細(xì)胞膜的流動性和增加細(xì)胞膜的通透性來改變微生物核糖體構(gòu)象而實現(xiàn)的。

再次，微生物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)成分也會影響超高壓殺菌的效果。例如，經(jīng)過超高壓處理后的微生物，其細(xì)胞膜的類脂成分會發(fā)生相變，即從液晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)，從而影響蛋白質(zhì)的輸送，最終導(dǎo)致細(xì)菌的亞致死性[31]。然而，細(xì)菌細(xì)胞膜中多不飽和脂肪酸含量增加，對壓力的耐受性也會增加[32]，從而降低了超高壓殺菌的效果。

另外，肉制品在超高壓之前進(jìn)行冷藏處理，也會降低超高壓殺菌的效果，其原因可能是微生物為了適應(yīng)低溫的環(huán)境，通過改變細(xì)胞膜脂肪酸的支鏈結(jié)構(gòu)和長度，從而保持細(xì)胞膜的流動性，進(jìn)而在高壓處理時保持較高的存活率[32]。

由此可見，超高壓處理會引起微生物細(xì)胞形狀的改變，降低細(xì)胞膜的流動性，增加細(xì)胞膜的通透性，從而造成細(xì)胞內(nèi)容物的外泄、細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的改變和細(xì)胞膜成分狀態(tài)的改變，最終導(dǎo)致微生物細(xì)胞的死亡，但細(xì)胞膜中多不飽和脂肪酸的含量和低溫預(yù)處理會降低超高壓殺菌的效果。

超高壓殺菌的機(jī)制是通過對微生物細(xì)胞膜的破壞導(dǎo)致微生物滅活的，盡管大部分專家對這一說法的支持率較高，但微生物細(xì)胞膜的流動性和滲透性如何改變至今沒有定論，而且超高壓對微生物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的影響與超高壓的殺菌效果間也還沒有建立良好的聯(lián)系。故，還需要有更多的成果來支持這一觀點。

2.2 超高壓對肉制品中微生物酶活性的影響

微生物進(jìn)行的能量運輸和代謝、脂類代謝、氨基酸的合成與代謝以及核苷酸的合成與代謝等各種生物化學(xué)反應(yīng)中，都離不開酶的作用。一旦酶失活或變性，微生物的各種代謝將大受影響，甚至死亡。酶失活的主要原因是由于用水作為溶劑，致使構(gòu)成微生物體的蛋白氨基酸殘基之間的非共價鍵（氫鍵、離子鍵、疏水作用等）容易斷裂，而促使蛋白質(zhì)和水分子之間的相互作用，進(jìn)而破壞了蛋白質(zhì)的二級甚至高級結(jié)構(gòu)[33-34]，從而導(dǎo)致微生物高分子聚合物的分解和酶的失活，最終影響微生物的存活率。例如，Sliva等[35]的研究發(fā)現(xiàn)在140 MPa以上壓力條件下，蛋白質(zhì)解離成的亞基能形成無定形的聚集體，同時也喪失了某些功能性質(zhì)。蛋白質(zhì)從展開到再折疊的過程中，亞基還可以不斷地組裝，最后形成很穩(wěn)定的纖維聚集體。Ohmae等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在超高壓條件下，酶的輔助因子與酶的結(jié)合也會發(fā)生改變，輔助因子容易游離出來，從而導(dǎo)致酶失活。超高壓作用使低聚蛋白不可逆解離成相應(yīng)的亞基，酶活性位點構(gòu)象的改變，蛋白質(zhì)體積減小或者疏水分子的交聯(lián)使蛋白質(zhì)分子聚集或者凝膠化等現(xiàn)象可以利用核磁共振、紅外光譜、拉曼光譜、X射線衍射、動態(tài)光譜掃描、電子自旋共振等高精技術(shù)明顯觀察到或得到證明[37]。

關(guān)于酶的活性變化，可以通過體外實驗加以測定與分析。超高壓對微生物酶活性影響的結(jié)果參見表1。釀酒酵母中部分酶對壓力敏感性強(qiáng)，如脂肪酶、胱氨酸酶和胰凝乳蛋白酶在448 MPa高壓下失活率達(dá)100%[38]；埃希氏大腸桿菌中脂肪酶、葡萄糖苷酶、胱氨酸酶、胰蛋白和β-醛酸苷酶等多種酶在相同的條件下完全失活[38]，但是乳酸球桿菌和嗜酸乳桿菌屬于耐壓性微生物，600 MPa超高壓處理后2 種微生物細(xì)胞中乳酸脫氫酶仍保持較大活性[39]。由此可見，超高壓處理肉制品起到殺菌抑菌作用是通過對蛋白質(zhì)或酶結(jié)構(gòu)的改變，致使酶活性的降低或完全失活，導(dǎo)致微生物死亡，但由于不同食品基質(zhì)中微生物的分布狀況不同，微生物體內(nèi)酶種類的多樣性，導(dǎo)致微生物間的耐壓性表現(xiàn)出差異，影響超高壓的殺菌效果。埃希氏大腸桿菌和希瓦氏菌中RNA聚合酶在150 MPa條件下也就完全失活[40]，而RNA聚合酶是轉(zhuǎn)錄時最重要的寡聚酶，控制著啟動子基因序列的選擇性。RNA聚合酶的超高壓失活表明超高壓也可能通過影響微生物酶的轉(zhuǎn)錄活性來影響遺傳物質(zhì)的合成與代謝。

表1中也表明了超高壓技術(shù)能使天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶等多種酶的表達(dá)量顯著降低[41]。Niven等[42]認(rèn)為，這可能是超高壓對微生物細(xì)胞核糖體的損傷造成的，因為大多數(shù)蛋白質(zhì)是在核糖體上合成的。

雖然有學(xué)者[44-45]認(rèn)為超高壓處理也可能有效鈍化食品中的內(nèi)源酶，激活常壓下惰性的食品酶，提高其在食品加工過程中的活性和穩(wěn)定性，但關(guān)于食品中微生物酶的調(diào)節(jié)作用幾乎未見報道。綜上所述，超高壓殺菌的機(jī)制涉及到微生物細(xì)胞的形態(tài)、細(xì)胞膜的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與成分、亞細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)與酶的結(jié)構(gòu)以及基因等多種生理、生化指標(biāo)，是一個多因素而產(chǎn)生的綜合累積的效果，而不是抑制或破壞微生物一個特殊的結(jié)合位點或功能位點，正如Simpson等[46]研究結(jié)果：微生物細(xì)胞的失活是因為細(xì)胞的累積性損傷所致。

3 結(jié) 語

超高壓處理的肉制品受到越來越多消費者的歡迎，因為這些肉制品保持了原有的新鮮味感和優(yōu)良品質(zhì)，目前超高壓主要用來滅活肉制品中各種微生物，以期延長產(chǎn)品的貨架期和保質(zhì)期，但超高壓技術(shù)對設(shè)備要求較高，經(jīng)濟(jì)成本的增加，在一定程度上限制了超高壓的使用，故該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展是如何降低成本，這為下一步的研究指明了方向。

作者認(rèn)為今后的研究需要關(guān)注以下幾個方面：1）需要結(jié)合動力學(xué)模型與選擇性酶的失活來進(jìn)一步深入而又廣泛地闡述肉制品中微生物高壓失活的機(jī)制。當(dāng)前超高壓對肉制品中微生物酶滅活的研究成果不多，需要擴(kuò)大范圍，通過超高壓對肉制品中微生物酶活性的影響，提高對超高壓在肉制品中殺菌效果的共識。2）進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備的構(gòu)造以達(dá)到超高壓殺菌過程中對溫度和壓力的均一性要求，徹底殺滅傳染性病原微生物和病毒。雖然在2014年高壓巴氏殺菌產(chǎn)品已達(dá)到50 萬t，但是當(dāng)前的超高壓設(shè)備并不能提供均勻的殺菌溫度，大批量處理時殺菌效果欠佳，因此不能在肉制品工業(yè)中大規(guī)模、廣泛地應(yīng)用。3）以消費者對超高壓食品的可接受度和超高壓食品營養(yǎng)價值為指標(biāo)，改善消費者對超高壓食品存在安全風(fēng)險的認(rèn)同。超高壓可以改變一些酶的活性和部分蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，為此引發(fā)了一些關(guān)于超高壓有潛在安全風(fēng)險的擔(dān)憂，因此也有必要進(jìn)一步深入地研究來澄清超高壓食品對消費者的致毒性、致敏性以及消化率和營養(yǎng)質(zhì)量損失方面的影響。4）最后，要促進(jìn)超高壓在肉制品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用還要進(jìn)一步研究其相關(guān)方面，包括：優(yōu)化超高壓新技術(shù)滅活肉制品中目標(biāo)微生物的加工條件；研發(fā)新型的包裝系統(tǒng)；并結(jié)合天然抗菌物質(zhì)來最大限度的延長產(chǎn)品的貨架期。

綜上所述，如能解決好以上的問題，超高壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用將指日可待，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也不可估量。

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