肉品氧化是指在氧气、光照、温度等条件影响下,肉类及相关制品含有的脂质、蛋白质等成分所发生的一系列氧化反应,是影响肉品质量的关键因素[1]。氧化过程包含了复杂的生物化学反应网络,其中有自由基链式反应、酶促反应、非酶褐变等众多反应途径,这些反应彼此作用与推动构成了复杂的反应架构。其中氧化反应会导致肉品色泽下降、风味流失及营养价值降低,甚至会生成对人体有害的物质,给消费者健康带来潜在风险[2]。而脂质氧化所生成的醛类、酮类等二级产物不但会引发肉的哈败味,而且会和蛋白质产生交联反应,导致肉品质量进一步变差。此外,蛋白质发生氧化作用可导致肌肉蛋白功能特性发生改变,影响肉品的保水性能、嫩度及凝胶特性,致使蛋白质的生物利用度降低[3]。每年全球因肉品发生氧化而遭受的经济损失达数百亿美元,因此合理控制肉品氧化不仅可以延长肉品货架期、降低经济损失,而且能够保障消费者安全,符合现代食品工业对于绿色、健康产品的需求[4]。
为控制肉品氧化,传统技术如低温贮藏、真空包装及合成抗氧化剂等虽已广泛应用,却存在耗能高、色泽劣变、包装易损及安全性争议等局限。近年来,伴随食品科学技术的迅速发展,肉品氧化调控技术展现出多样化、绿色的发展态势,使用天然抗氧化剂、非热加工技术、智能包装等新兴加工技术正逐步成为热门研究方向[5]。“清洁标签”产品在消费者群体中的需求持续攀升,绿色、天然抗氧化技术得到了进一步拓展,冷等离子体、超声波、高压处理等新型非热加工方式在保持肉品营养品质的同时还能够有效抑制氧化反应。这些技术均为肉品氧化控制提供了全新的解决途径[6]。
鉴于肉品氧化机制的复杂性及控制技术的快速演进,本文旨在系统综述脂质与蛋白质氧化的分子途径与相互作用,总结评估现有新兴调控技术的优势与适用瓶颈,并探讨多种技术协同应用的潜力。此外,本文还将分析当前研究中存在的肉品氧化机制不清、技术转化难等问题,提出未来重点研究方向,为深化肉品氧化理论研究、开发经济高效的绿色控制策略提供参考依据,对保障肉品安全及提升产品质量具有重要的理论价值与现实意义。
肉品发生氧化时,主要涉及脂质氧化和蛋白质氧化这两方面,这2 个过程彼此关联、相互促进。脂质氧化是指肉品中的不饱和脂肪酸在氧气、光照、温度等因素的作用下发生自由基链式反应,该反应由引发、传播和终止3 个阶段构成[6]。在起始阶段,脂质分子会因金属离子、光照或热的影响而失去氢原子,进而形成脂质自由基;在传播环节,氧气与脂质自由基相结合,形成过氧自由基,随后其会从其他脂质分子夺取氢原子,进而产生氢过氧化物以及新的脂质自由基,实现链式传递;在终止进程中,2 个自由基彼此结合,生成稳定的非自由基化合物。脂质氧化生成的次级产物包括丙二醛、4-羟基-2-壬烯醛等物质,具备很强的反应活性,能够与蛋白质、DNA等生物大分子进行交联反应[7]。
蛋白质氧化主要依靠羰基化反应、氨基酸侧链的修饰及交联反应达成,羰基化反应作为蛋白质氧化的关键标志,主要对精氨酸、赖氨酸、苏氨酸、脯氨酸等氨基酸残基产生影响,最终形成醛基和酮基等羰基化合物[8]。氨基酸侧链修饰包括半胱氨酸和蛋氨酸被氧化、酪氨酸被硝化、色氨酸被氧化等情形,此类修饰会使蛋白质的物理化学性质和生物学活性发生改变。交联反应包括二硫键的形成、酪氨酸二聚体的形成、醛醇缩合等现象,会造成蛋白质分子间或分子内发生交联,影响蛋白质的溶解性、凝胶性及消化性等理化性质[9]。蛋白质羰基化程度和肉品的嫩度、保水性、色泽稳定性等方面的品质指标有密切关联[10]。
致使肉品发生氧化的因素可以分为内部因素和外在因素2 类,内部因素主要涵盖肉品本身的成分构成,如不饱和脂肪酸含量、血红素铁浓度、抗氧化酶活性、pH值等[11]。多不饱和脂肪酸(如亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等)因其分子结构中存在双键,易出现氧化现象,不饱和度越高,氧化反应的速率提升越明显。血红素铁和非血红素铁充当催化剂,可通过Fenton反应产生羟自由基,推动脂质氧化的起始与扩散。此外,肉品的氧化稳定性受动物种类、品种、年龄、性别及饲养环境等因素影响,氧化程度及发生过程更为复杂[12]。
外在因素包括宰后处理办法、加工过程、贮藏环境等,当前,针对肉品杀菌处理,主要运用电子束辐照、高温处理等加工手段,然而,此类处理方式会对肉品的抗氧化防御体系造成破坏,致使内源性抗氧化酶丧失活性,进而引发氧化反应[13]。在贮藏过程中,温度的上下波动、光照的长时间暴露以及和氧气接触等因素均可加速肉品氧化进程。温度每提升10 ℃,氧化反应速率会增加2~3 倍,包装形式对氧化作用的影响同样非常明显,高氧气调包装虽可保持肉品呈现鲜红色泽,但会显著加快脂质和蛋白质的氧化[14],绞肉、切片等加工的机械动作会破坏细胞结构,使氧气的接触面积增大,从而为氧化反应创造更多的反应位置。
肉品氧化过程产生多种复杂的氧化产物,根据其化学性质和生成途径可分为不同类别,主要为脂质氧化产物、蛋白质氧化产物及交联产物。脂质氧化产物主要包括初级产物和次级产物两大类。初级产物以氢过氧化物为主,它们虽然相对稳定但易进一步分解;次级产物种类繁多,包括丙二醛、己醛、庚醛、辛醛等挥发性醛类化合物,以及4-羟基-2-壬烯醛、丙烯醛等高活性醛类物质[15]。这些醛类化合物不仅会引起哈败味,还具有强烈的细胞毒性,能与蛋白质、DNA等生物大分子发生交联反应。蛋白质氧化产物主要表现为羰基化合物的形成和氨基酸侧链的修饰产物。羰基化产物包括醛基化合物和酮基化合物等,其中一些活性分子,如α-氨基己二酸半醛和γ-谷氨酸半醛是构成腌肉制品特殊风味的成分[16]。氨基酸侧链修饰产物涵盖半胱氨酸和蛋氨酸的氧化产物、酪氨酸硝化产物、色氨酸氧化产物等,这些修饰会显著改变蛋白质的结构和功能特性。交联产物是脂质氧化与蛋白质氧化相互作用的共同结果,包括脂质-蛋白质复合物、蛋白质分子间或分子内交联产物(如二硫键、酪氨酸二聚体等),这些产物的形成严重影响肉品的质构特性和消化性。
传统检测方法在肉品氧化研究中仍占重要地位。硫代巴比妥酸反应物(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)测定法通过检测丙二醛等醛类化合物评估脂质氧化程度,是应用最广泛的方法,但存在特异性不足、易受干扰等局限性。蛋白质羰基含量测定采用2,4-二硝基苯肼法,操作简便、重现性好,是蛋白质氧化研究的标准方法。过氧化值测定采用碘量法检测氢过氧化物含量,反映脂质氧化初级产物水平;共轭二烯测定则通过紫外吸收评估脂质氧化早期阶段。
现代仪器分析技术为氧化产物的精确分析提供了强有力的工具。气相色谱-质谱联用和液相色谱-质谱联用技术能够对特定氧化产物进行定性及定量分析,特别适合检测挥发性醛类和活性醛类化合物[16]。核磁共振技术可提供氧化产物的结构信息,有助于阐明氧化机制。荧光光谱技术则可检测蛋白质氧化引起的荧光变化,为蛋白质氧化程度提供快速评估手段。
新兴检测技术展现出巨大的应用潜力。纳米酶检测技术凭借高灵敏度、快速检测等优势,在肉品新鲜度实时监测方面表现突出[17]。电子鼻和电子舌等仿生传感技术 能够快速评估肉品整体氧化程度,为工业化应用提供了便捷的检测手段。这些新技术的应用不仅提高了检测精度和效率,更为深入理解氧化机制和开发精准调控策略提供了关键技术支撑。
如图1所示,常用的肉品氧化控制手段主要包括低温贮藏、真空包装处理、气调包装处理、添加合成抗氧化剂等。其中,低温保存作为最基础和最常用的保鲜手段,通过减缓分子运动速率和降低酶活性减慢氧化反应进程,然而低温保鲜所需设备投入大,运转成本高,而且当冷链出现断裂时,氧化反应会快速加剧[18]。真空包装借助隔绝氧气的方式抑制氧化反应,然而真空条件下肉品会出现色泽变暗的可能,降低消费者的购买意愿,且包装出现破损的可能性较高[19]。气调包装借助调节包装内的气体成分抑制氧化,较高的二氧化碳浓度虽可抑制微生物生长,但会对肉品风味产生影响,同时高浓度的氧气能维持肉品的鲜红色泽,但会推动氧化的发生。
图1 肉品氧化传统调控技术
Fig.1 Traditional control techniques for meat oxidation
传统调控技术还包括使用BHA、BHT、叔丁基对苯二酚(tertiary butylhydroquinone,TBHQ)等合成抗氧化剂,其抗氧化机理主要基于酚类化合物的供氢能力,通过向自由基提供氢原子形成相对稳定的酚氧自由基,从而中断自由基链式反应。虽然这些合成抗氧化剂的抗氧化作用明显且成本低廉,但是其安全性存在争议,BHA和BHT在动物实验中显示出潜在的致癌性和内分泌干扰作用,TBHQ则可能引起DNA损伤和免疫系统异常,并且长时间摄入可能会给人体健康带来不良后果[20]。此外,合成抗氧化剂在高温条件下可能产生有毒分解产物,进一步加剧了安全性担忧。伴随消费者健康观念的提升以及对“清洁标签”产品需求的增长,传统调控方法的局限愈发明显。亟需开发新型加工技术满足现代肉品工业在品质、安全、营养、感官等多方面的要求。
当前,新型绿色肉品氧化调控技术主要包括使用天然抗氧化剂、非热加工技术及新型包装技术创新三方面,如图2所示。天然抗氧化剂因其安全、高效、来源广泛的特点,逐渐成为肉品抗氧化研究的热点。非热加工技术作为另一类绿色调控手段,通过物理或化学方法在不破坏肉品营养成分的前提下抑制氧化反应。新型包装技术的革新不仅为肉品氧化控制提供了全新的解决途径,还具备实时监测肉品氧化状态、降低包装废弃物对环境造成的污染等优势。这些新型调控技术不但提升了抗氧化成效,还更好地契合了当代消费者对安全、天然、高品质食品的要求。
图2 肉品氧化新型绿色调控技术
Fig.2 Novel green control technology for meat oxidation
2.2.1 天然抗氧化剂
天然抗氧化剂因其安全性高、来源广泛及显著的生物活性而备受关注,已成为替代合成抗氧化剂的关键抉择。其中,植物提取物作为关键来源,通常富含多种具有抗氧化功效的成分,如多酚类、黄酮类、多糖类、有机酸类、萜类及生物碱类等,其抗氧化作用主要通过清除自由基、螯合金属离子及调节酶活性等途径达成[21]。如将0.03%和0.05%的金银花提取物直接添加至猪肉丸中,可明显降低TBARS值,使羰基含量明显减少,而巯基含量明显增加,咀嚼性也显著提高,有效延缓猪肉丸在冷藏过程中的氧化变质现象并提升猪肉丸的感官质量,且效果均优于BHT[22];将人参粉末直接添加到猪肉香肠中,其与鼠李糖乳杆菌的组合作用使1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基和2,2’-联氮-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)阳离子自由基清除率分别为(88.83±2.02)%和(65.51±1.04)%,在贮藏30 d后,TBARS值下降0.10 mg/100 g,巯基含量增加0.15 μmol/g,还具有抑制有害菌(即不动杆菌、嗜盐杆菌和碱杆菌)生长、促进 乳酸菌丰度增加的作用[23]。植物提取物中富含的多酚类物质常被用作肉制品的抗氧化添加剂,如具有独特多酚结构和较强抗氧化活性的单宁类化合物。但由于单宁来源不同,其抗氧化效果有明显差别,有关含羞草单宁、栗子单宁和塔拉单宁在羊肉抗氧化方面的应用研究表明,含羞草单宁抗氧化成效最为突出,能显著延长肉品的可销售时间[23]。橙皮苷、柚皮苷等柑橘类黄酮除具备抗氧化活性外,亦能显著提升肉品的感官特性,如茶多酚、迷迭香提取物和人参提取物之类的物质,在肉品抗氧化方面的应用也呈现出不错的成效[24],这些天然抗氧化剂不仅能高效抑制脂质与蛋白质的氧化,还具备抗菌、抗炎等多样的生物活性,为提升肉品品质提供了全面的解决办法。
2.2.2 非热加工技术
冷等离子体技术通过电离气体产生活性氧(O3、·OH、O-2等)、活性氮(NO、NO2、ONOO-等)和带电粒子等活性微粒实现杀菌功效[25]。其抗氧化调控机理具有双重性:低功率密度处理能够激活肉品中的超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等内源性抗氧化酶系统,同时促进谷胱甘肽等小分子抗氧化物质的生成,从而增强肉品的抗氧化能力[25]。在肉品应用中,冷等离子体处理可有效降低表面微生物负荷,延长货架期,同时保持肉品的色泽和质构特性[26]。然而,该技术存在明显的剂量效应:处理强度过高会导致活性氧过度积累,反而加速脂质和蛋白质氧化,引起肉品品质劣化。此外,等离子体产生的臭氧等物质可能在肉品表面残留,需要严格控制处理参数。超声波技术在肉品加工中主要通过机械振动和空化效应发挥作用[27]。机械振动能够破坏细胞壁结构,促进内源性抗氧化物质(如VE、谷胱甘肽、抗坏血酸等)的释放,改善肉品质构。空化效应产生的微射流和冲击波可实现物理杀菌,但同时在空化泡破裂瞬间形成的局部高温高压环境可能生成羟自由基等活性物质。适当的超声波处理(功率密度20~40 W/cm2、处理时间5~15 min)能够在实现嫩化和杀菌效果的同时,通过释放内源抗氧化物质增强肉品的氧化稳定性。但过度处理会导致蛋白质变性、脂质氧化加剧,影响肉品的感官品质和营养价值。
此外,高压二氧化碳技术作为一项全新的绿色杀菌手段,能在维持肉品营养质量的同时抑制氧化反应[28]。在高压环境下,CO2具备出色的渗透能力和溶解特性,可对需氧菌的生长起到抑制作用,使环境中的氧气含量降低,进而使氧化过程的速率变慢[29]。诸如脉冲电场、高静压、紫外-C处理之类的非热技术,在控制肉品氧化方面也展现出了潜力,这些技术共同具备的特征为其处理条件相对温和,既能够实现特定的功能性效果,又能在最大程度上保持肉类产品的原始品质,符合现代食品加工绿色化的发展趋势。
2.2.3 新型包装技术创新
智能包装技术用于肉品保鲜的应用已成为研究热点,其关键在于利用包装材料与食品的相互作用,对食品品质的变化进行监测和控制。智能新鲜度指示标签借助氧化产物和指示剂间的化学反应,凭借颜色、荧光强度这类可视化的信号,呈现出肉品的氧化情况和新鲜程度[30],这类标签一般涵盖pH值指示剂、氧化还原指示剂、酶反应系统等内容,可实时监控肉品质量的改变,为消费者与商家提供直观的质量信息,运用纳米技术的智能标签具备更高的灵敏性和特异性,可探测到极微量的氧化产物。如应用姜黄素对pH值的敏感性[31],添加姜黄素的智能薄膜包装随着内容物牛肉的变质,颜色会逐渐变红[32],Liu Yaowen等[33]开发的基于明胶/姜黄素/壳聚糖微胶囊的羧甲基纤维素薄膜,随着猪肉的变质,其颜色由浅黄色变为深黄色。
活性包装技术借助向包装材料中添加具有功能性的成分,对食品品质的变化进行主动调控[34]。抗氧化活性包装作为一个关键类别,需要向包装材料中添加天然抗氧化剂的方式达成抗氧化剂的逐步释放,为肉品提供长久的抗氧化保护。植物精油纳米包埋方法把挥发性的天然抗氧化物质包裹进纳米载体中,不仅能提升其稳定性,还可达成控制释放[35]。除氧剂包装借助化学或物理手段把包装内部的氧气除去,遏制氧化反应的进行。纳米复合包装材料借助添加纳米颗粒,提升包装材料的阻隔能力,减少氧气与水蒸气的透过率,而且部分纳米颗粒还具备抗菌、抗氧化作用。
联合运用多种抗氧化技术,是提升肉品氧化控制成效的关键发展趋势[36]。天然抗氧化剂彼此的协同功能已得到普遍验证,相较于单独使用某一种抗氧化剂,α-生育酚与甜栗木提取物联合使用能更高效地增强肉鸡的氧化稳定性[37]。这种协同效应的内在机制主要是不同抗氧化剂作用机制实现互补,例如,α-生育酚主要借助断链的方式清除自由基,而植物多酚除了具备清除自由基的能力外,还可以螯合金属离子、使α-生育酚再生等;VC与VE的相互配合同样是个经典范例,VC可使被氧化的VE恢复原状,构建起抗氧化循环体系。
饲料营养调控和加工技术相互结合,呈现出较好的协同效应。动物饲料中添加天然抗氧化剂可从根源上增强肉品的抗氧化性能,提高内源性抗氧化物质的含量,增强抗氧化酶的活性,把内源性抗氧化能力的提高与后续的加工包装手段相互结合,可取得更优的保鲜成效。在饲料中添加亚麻籽提升肉品中n-3脂肪酸含量,与此同时搭配使用VE,既可以提高肉品的营养价值,又能够防止高度不饱和脂肪酸发生氧化[38],非热加工技术与天然抗氧化剂相结合同样展现出协同功效,超声波处理可提升天然抗氧化剂的提取效率及生物利用度,而抗氧化剂的存在能够缓解超声波处理可能会造成的氧化损伤。
肉品氧化过程包含多种化学反应路径和繁杂的分子机理,脂质氧化与蛋白质氧化存在着密切的相互关联。到目前为止,这些交叉作用的分子机理还没有被彻底阐明,脂质氧化生成的活性醛类物质可与蛋白质产生交联作用,生成脂质-蛋白质复合物,这既改变了蛋白质原本的结构和功能,而且或许会产生新的氧化反应位点[39]。由蛋白质氧化而产生的羰基化合物同样可以与脂质分子进行反应,构建出复杂的氧化网络,血红素蛋白氧化状态的改变会给脂质氧化造成重大影响,高铁肌红蛋白生成会推动脂质氧化进程,而脂质氧化所生成的产物又会加快血红素蛋白的氧化速率,形成不断恶化的循环局面[40]。
新型调节控制技术在实际生产中的运用依旧面临众多技术与经济方面的难题,技术推广面临的首要限制因素是成本效益,众多新技术虽成效突出但成本较高[41],无法在大规模工业化生产中运用,天然抗氧化剂在提取与纯化方面的成本往往比合成抗氧化剂高几倍到几十倍,而且天然抗氧化剂的抗氧化效果常常不如合成抗氧化剂稳定。非热加工技术设备所需的投资金额巨大,操作也十分复杂,需要技术能力较强的人员来把控,中小型企业无力承担。虽然包装技术创新应用前景广阔,但在实际应用中,多因子协同控制、复杂基质条件下的品质评估与标准化管理方面仍存在不足。
3.3.1 研究靶向调控氧化关键靶点的分子作用机制
未来的研究工作要深度探究氧化反应的分子原理,明确关键的氧化作用靶点与调控关键点,研制精确、有效的靶向调控方案,采用组学技术(包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学)的系统生物学办法,将为氧化机制探究提供全新的工具与思路[42],通过比对不同氧化状况下肉品分子表达谱的变动,可以找出关键的氧化相关的基因、蛋白质及代谢产物,搭建氧化反应的分子网络图形,应用CRISPR-Cas9等基因编辑技术,有望实现对特定氧化途径的靶向调控[43]。
3.3.2 基于人工智能的氧化预警模型构建
人工智能与大数据技术的进步,为构建智能化的肉品氧化预警及调控体系带来了新契机,通过整合多种不同类型的数据源,能够构建基于机器学习与深度学习的氧化预测模型,这些模型可实时剖析肉品氧化状态的变化走向,提早发出品质恶化风险的预警[44],为精准管控提供决策方面的支撑,借助物联网技术的应用,肉品供应链得以实现全程监控,从养殖环节开始,历经屠宰、加工,到最后的销售阶段,都可以实时监测影响氧化的关键参数[45]。
3.3.3 开展可持续、低成本绿色调控技术的研发工作
研发以副产物为来源的天然抗氧化剂是实现可持续性绿色调控技术的重要方法,各类农业废弃物和食品加工产生的副产物等都有成为天然抗氧化剂来源的可能性,如水果皮、蔬菜叶、谷物麸皮这类经常被废弃掉的部分,往往含有大量的酚类、类黄酮等抗氧化活性成分[46]。利用绿色提取手段(如超临界流体萃取、微波辅助提取、酶辅助提取等)能够高效地回收这些有价值的化合物,既实现了废物的合理利用,又使抗氧化剂的成本有所降低,需要对现有技术的工艺参数加以优化,增强设备的利用效能,让新技术在经济层面更具可操作性[47]。
3.3.4 多学科交叉融合研究
肉品氧化的控制关联到食品化学、材料科学、工程技术、生物技术等多个学科范畴,今后需加大多学科之间的交叉融合力度,开发一体化的解决方案[48],食品化学与材料科学的融合将助力新型包装材料的研发,例如具备pH值响应特性、温度响应特性的智能包装材料,可依据环境改变自动调整抗氧化性能,纳米技术和食品工程相互融合,使纳米递送系统、纳米传感器等的开发成为现实,达成抗氧化剂的精确输送及氧化状态的即时监测[49]。
肉品的氧化现象是一个复杂的、由多因素引发且存在多途径的过程,涵盖了脂质氧化、蛋白质氧化等多种反应机制,以往的氧化管控技术尽管在一定程度上可以延缓氧化的推进,但是在安全性、成本效益及消费者认可度等方面有着明显不足,近年来研发的天然抗氧化剂、非热加工技术、智能包装这类新型绿色调控手段,为肉品氧化的控制给出了新办法,不但提升了抗氧化成效,还更好地契合了当代消费者对安全、天然、高品质食品的要求。
肉品氧化研究目前仍面临着机制繁杂、应用受限、消费者接受度不高等一系列难题,需持续开展深入研究并推进技术创新,以攻克这些难关。这将推动肉品氧化预警及调控系统向智能化方向演进,践行可持续发展理念有助于推动基于副产物资源的绿色抗氧化技术研发。未来在肉品氧化研究中,需更深入地探寻氧化的分子机制,研发针对性强、成效显著的精准控制技术。应用新兴的人工智能、大数据、物联网等信息技术,将多种技术协同应用,以发挥卓越的增效作用,凭借不同作用机理的相互补充与优势叠加,可实现更全面、高效的氧化控制成效。多学科融合在应对复杂氧化问题时将发挥关键作用,通过整合食品化学、材料学、工程学、生物技术等领域的前沿技术,有望研制出更高效、安全且经济的氧化控制综合方案。
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Research Progress on the Mechanism and Novel Control Technologies for Meat Products Oxidation