冷等离子体技术替代肉制品中亚硝酸盐的研究进展

　　摘要：冷等离子体技术是一种新兴的非热加工技术，已在食品行业中的多个领域得到应用。冷等离子体技术产生的活性氮在处理肉制品后能够增大亚硝酸盐含量，从而替代生产过程中亚硝酸盐的直接添加。本文综述了冷等离子体技术作为亚硝酸盐替代品应用于肉制品的作用机理和研究进展，并将其和同类替代物进行对比分析，在此基础上对冷等离子技术的这一应用方向进行了展望。

　　关键词：亚硝酸盐；冷等离子体；肉制品

　　冷等离子体技术作为一种非热食品加工技术被广泛应用于食品加工。目前，冷等离子体技术在食品领域中有消毒灭菌、改变食品成分、去农药残留和食品包装加工等应用，近几年也有研究报道利用冷等离子体技术替代肉制品工业中亚硝酸盐的直接添加。亚硝酸盐是一种重要的食品添加剂，具有抑菌防腐、发色固色、抗氧化、增添风味等作用，被广泛运用于肉制品中。然而亚硝酸盐具有一定的毒性，正常人的中毒剂量是0.2～0.5g，致死量为1.0～2.0g。此外，亚硝酸盐还能在酸性条件下形成致癌的亚硝胺，人体长期摄入亚硝酸盐含量高的食物可增加患癌症的风险。因此，一直以来人们都在寻找亚硝酸盐的替代物以减少亚硝酸盐的使用量。本文主要介绍了冷等离子体技术在替代亚硝酸盐方面的作用机理和研究进展。

　　1  冷等离子体技术替代肉制品中亚硝酸盐的作用机理及安全性

　　亚硝酸盐是肉制品中常用的添加剂，其主要作用为：抑制微生物生长、发色固色、抗氧化、增添风味等。亚硝酸盐可显著抑制肉制品中多种微生物（尤其是肉毒杆菌）的繁殖生长，加大了肉制品的安全性。在感官风味上，亚硝酸盐能使得肉制品呈现出诱人的粉红色，显著延缓发酵肉制品产生酸败味，并有助改善肉制品风味。

　　虽然亚硝酸盐作为添加剂在肉制品应用中有许多优点，但是，亚硝酸盐的毒性使得它在实际应用上存在局限性。亚硝酸盐具有强氧化性，可将血液中正常的低铁血红蛋白氧转化为高铁血红蛋白，诱发高铁血红蛋白血症。亚硝酸盐还能与仲胺（例如衍生自蛋白质的氨基酸）反应形具有致癌性的亚硝胺，长期摄入亚硝酸盐含量高的食物将增加患癌症的风险。为保障食品安全，中国国标GB 2670-2014规定，腌腊肉制品中最大添加量为0.15g/kg，最大残留量限制为30 mg/kg（以亚硝酸钠计）。

　　目前，开发新手段来降低甚至消除亚硝酸盐的潜在危害是食品加工领域的一道难关。然而如今食品工业无法完全杜绝肉制品中亚硝酸盐的存在，因为亚硝酸盐广泛存在于自然界，肉制品含有一定量自身产生的亚硝酸盐。其次，事实证明，完全不添加任何形式亚硝酸盐的肉制品无法保障安全，外观口味也不尽如人意。而现有的技术水平下，研究者们尚未找到能完全取代亚硝酸盐的材料，目前较为可行的办法主要是在肉品腌制过程中添加低浓度的亚硝酸盐结合一些其他的化合物对肉品进行混合腌制。

　　1.2  冷等离子体技术的替代作用机理及安全性

　　等离子体是部分或完全电离的气体，是电子辐射（UV光子和可见光）的量子、无数亚原子和分子实体的集合体。等离子体可分为热等离子体和冷等离子体，其中后者的能量主要存储在自由电子中，并且总温度保持较低。组成冷等离子的物质种类及其浓度取决于许多因素，包括诱发等离子体的气体、等离子体源的配置、输入气体的功率、处理时间和湿度水平。冷等离子体的一大重要特征是它富含独特的生物活性物质而且接近环境温度，这使其能够安全地应用于包括食品中。

　　大气冷等离子体的含氮活性物可以作为受处理物的亚硝酸盐来源。大气冷等离子体以空气为原料，空气中的氧气和氮气在能量源的激发下可产生大量活性氧和活性氮，包括NO、NO2、N2O3、N2O4等氮氧化合物，而这些氮氧化合物遇到水分子后能发生一系列复杂的反应，参与硝酸根和亚硝酸根的生成，相关反应方程式举例如下：

　　e+N2→N+N（2D）+e

　　e+O2→O-+O

　　O-+N→NO+e

　　O-+NO→NO2+e

　　NO（aq）+NO2（aq)+H2O（l）?2NO2-+2H+

　　NO2( aq)+NO2(aq)+H2O（l）?NO2-+NO3-+2H+

　　因此冷等离子活化水具有亚硝酸根和硝酸根，在肉制品中能够以亚硝酸盐的形式起杀菌防腐和增色的作用 。

　　而Samooel Jung等利用大气冷等离子体处理紫苏提取物，随着处理时间的增加，原本不含亚硝酸盐的紫苏叶提取物产生一定的亚硝酸盐含量，进一步证实了冷等离子体处理可用于产生天然亚硝酸盐的论点。Samooel Jung还通过研究证实了当大气压等离子体直接处理肉浆时，同样可通过冷等离子体与肉浆中液体分子的相互作用而在肉浆中生成亚硝酸盐。

　　冷等离子体技术在肉制品中的运用也被证实是安全可靠的。Kim等以冷等离子活化水制得的乳化香肠为样品，通过Ames试验检测样品对鼠伤寒沙门氏菌菌株TA98和TA100的诱变程度，通过小鼠试验检测样品的免疫毒性。细胞实验和小鼠实验的结果表明，冷等离子体技术在乳化香肠中的运用不会引起致突变性和免疫毒性。

　　2  冷等离子体技术作亚硝酸盐替代物的研究进展

　　虽然等离子体在食品工业中还处于研究阶段，但其未来发展不可小觑。目前，等离子体技术在多种食品领域中广泛应用。从上世纪60年代至今，大量研究证明了等离子体在多种食品上良好的杀菌效果，例如受沙门氏菌污染的生鸡蛋和生牛乳，以及被大肠杆菌污染的鲜切芹菜。等离子技术可以用于豌豆等的干散货食品来调节其材料功能，降解新鲜农产品如草莓上的农药残留，以及处理薄膜外包装对鱼肉的保鲜起到辅助作用。但也有研究提出等离子体可能会加速加乳品中脂质氧化而产生负面影响。

　　已经开发用于食品加工的冷等离子体生成系统包括介质阻挡放电、滑动电弧放电、电晕放电和射频等离子体等。在冷等离子体技术的使用方式上，除了直接处理，国内外许多研究还运用水作为中介来运用这项技术。许多食品原料形状不规则，等离子活化水的使用可以改善处理结果的均匀性。

　　2.2  冷等离子体技术在肉制品中替代亚硝酸盐的应用

　　冷等离子体技术运用在肉制品中时，可分为等离子体活化水处理和直接处理两种方式。

表 1  冷等离子技术作亚硝酸盐替代物的应用研究

　　2.2.1  等离子体活化水在肉制品中替代亚硝酸盐

　　近几年，Jung等首次提出，把等离子体活水化作为肉制品中的亚硝酸盐源的可能性。他们以不同方法制得的乳化香肠为研究对象，对各项指标和感官评定的结果进行统计分析并得出结论，大气等离子活化水和亚硝酸钠的抑菌效果不存在显著性差异，且经两者处理后的产品颜色、过氧化值和感官品质也相似，但前者残留亚硝酸盐更低。

　　之后，Jung等进一步进行研究，探究等离子体活化水对肉类的显色能力。实验结果表明，肉糜经过常压等离子体活化水处理后，可以得到和常规亚硝酸钠处理结果近似的腌肉色。研究结果证实了等离子处理水对肉类的显色能力，且与前次Jung等的乳化香肠实验结果相吻合。

　　在毒理学方面，Kim等进行了研究来确认用等离子体活化水作为亚硝酸盐来源的肉制品是否安全。细胞实验和小鼠实验的实验结果表明，等离子处理水制得的乳化香肠不存在致突变性和免疫毒性。Kim 等的研究结果从安全的角度证明了等离子处理水作为肉制品加工中天然亚硝酸盐的可行性，增加了Jung等研究结果的实际应用可能性。

　　相似的，Yong等评估了等离子体处理水作为腰部火腿生产中亚硝酸钠替代品的潜力。他们的实验结果表明，与亚硝酸钠处理得到的腰部火腿相比，等离子活化水制得的腰部火腿鲜红度更高，残留亚硝酸盐含量更低，菌数和脂质氧化情况相接近。同时致突变实验结果表明，研究中使用的等离子活化水不具有遗传毒性。他们得出研究结论，等离子处理水可被视为腌肉（例如注射型肉制品）制造中亚硝酸盐的有效和创新替代品。

　　2.2.2  冷等离子体直接处理在肉制品中替代亚硝酸盐

　　Jung等首次提出了大气压等离子体处理直接作用于肉制品中以取代亚硝酸盐的可能性。他们在实验中分别用亚硝酸钠和常压等离子体直接处理肉糜，对比实验结果后，发现后者能够给产品成功增添腌制肉色且不影响脂质氧化，然而对于其中的好氧微生物的杀菌效果不佳。这和Jung在乳化香肠上实验结果相差较大，研究者分析这可能是因为寿命极短的活性物质丧失在传递过程中，而且等离子体处理与搅拌的同时进行使得肉制品表面的好氧微生物无法在等离子体中暴露足够时间，也就不难得到充分杀灭。因此，使用常压等离子体处理直接作用于肉制品中以取代亚硝酸盐的这一设想若要在实际上得到有益应用，尚需进一步研究来改善常压等离子体直接作用的杀菌效果。在之后，Lee等也探索了常压等离子体直接处理作为罐装碎火腿的亚硝酸盐替代物的潜在用途。研究发现，与添加常规亚硝酸盐的火腿肉糜相比，经常压等离子体处理后的火腿肉糜中的亚硝酸盐含量增加，脂质和蛋白质的氧化水平未受明显影响，颜色、肉质相接近，感官风味更好，但总需氧菌数没有相应减少。这一实验结果与Jung等人的结果相类似。

　　而Yong等研究了常压等离子体直接处理作为猪肉干生产中亚硝酸钠替代品的适用性。实验结果表明随着等离子体处理时间的增加，产物的腌制肉色指标变得更好，亚硝酸盐残留升高，脂质氧化程度降低。同时通过分析实验结果可知，经过40min处理的猪肉干与亚硝酸钠制成的产品在颜色、脂质氧化、肉质上无显著差异，但前者亚硝酸盐残留则更低，而且抑菌效果更好。这一研究中等离子在猪肉干上显著的杀菌效果，与Jung等人和Lee等人的研究结果所不同，但却进一步证实了Jung等当初的分析猜想。通过研究Yong等提出，在生产不添加亚硝酸盐的猪肉干时，常压等离子体将可能成为代替亚硝酸盐的安全方法。

　　2.2.3  冷等离子体和其他亚硝酸盐替代物的研究现状

　　目前食品加工的亚硝酸盐替代物可按照成分是否包含亚硝酸盐分为两类。

表2  亚硝酸盐替代物的研究 1

　　根据成分来源，不含亚硝酸盐的替代物可分为天然植物性产物、人造有机酸类以及微生物产物。天然植物性产物包括番茄制品、迷迭香、柑橘制品等具有抗氧化能力及生物活性的材料。食品工业也将醋酸盐、乳酸盐、山梨酸盐等有机酸盐作为抑菌剂和防腐剂，将微生物产物如曲霉乳杆菌细菌素、乳酸链球菌素、肠道菌素以及其他具有抗菌性的细菌素用作杀菌剂，因此这两类材料也出现在亚硝盐替代物的研究中。这类替代物因不含有亚硝酸盐而无法完全避免肉毒 杆菌污染，无法保证食品安全性。而且与这类亚硝酸盐替代物相比较，冷等离子体技术本身不含化学物质并且环保，无需额外添加亚硝酸盐，原料只需气体（或者还有水），使用方式更加简单。

表 3  亚硝酸盐替代物的研究 2

　　而含亚硝酸盐成分的替代物以蔬菜浓缩物为主，浓缩物由硝酸盐含量高的蔬菜适当处理而获得。这类替代物不仅含有足量的亚硝酸盐，还富含天然活性成分和色素来辅助抑菌并改善颜色风味。芹菜、甜菜、欧芹、菠菜都是硝酸盐较高的常见蔬菜，亚硝酸盐含量可高达2500mg/kg。美国弗罗里达食品公司已开始商业化生产芹菜浓缩物以用于肉制品的加工。和冷等离子体技术相同的是，这类替代物在使用过程中中无需另外添加亚硝酸盐。然而这类替代物的使用需要注意植物成分的风味影响、潜在过敏源等问题，例如有研究提出肉制品中的芹菜粉使用量过高会形成异味，以及世界上相当一部分人对芹菜过敏。而冷等离子体技术在肉制品中的使用不会带入额外的过敏原，产物风味也不会受植物成分的干扰。与这类替代相比，冷等离子体作为替代物在杀菌防腐方面更有重要优势。K. Oehmigen等在研究大气等离子体活化水的特性时，发现过氧根和亚硝酸根的协同作用使其具有极佳的杀菌消毒作用。

　　3  结语

　　作为一种新兴的食品非热加工技术，冷等离子技术具有清洁环保、应用范围广等特点，在食品领域展现出广阔的前景。目前，冷等离子体技术在肉制品方面的应用研究重点是杀菌，而国内外冷等离子体技术替代亚硝酸盐添加剂的相关研究仍较少。此外，冷等离子技术替代亚硝酸盐的相关研究还存在缺乏具体作用机制、应用工艺不明确等问题。同时冷等离子体技术能够影响肉制品的氧化程度，这关乎到最终的产品特性。现如今肉制品尤其是腌制肉制品工业对于亚硝酸盐替代物的需求仍未得到满足，在今后的研究中或许可增加冷等离子体技术与其他替代方法互补联用的研究。