二氧化碳注入和改良气氛包装对碎牛肉表面色素及保质期的影响

《Meat Science》：Effects of carbon dioxide injection and modified atmosphere packaging on surface pigments and shelf life of ground beef

研究采用CO?注入肉糜研磨机，对比不同包装方式对冷藏牛肉颜色和微生物的影响。结果显示CO?包装（尤其是100% CO?）显著延长红色外观并抑制细菌增殖，同时CO?研磨降低包装塌陷，表明其优化了CO?吸收与空间稳定性。

　　

Sofiane Ghris | Inyee Han | James C. Acton | Ahmet Buyukyavuz | Julie K. Northcutt | Paul Dawson

克莱姆森大学食品、营养与包装科学系，美国南卡罗来纳州克莱姆森市，邮编29634-0316

摘要

开发了一种改良型大气环境肉馅机，可以在操作过程中向研磨腔内泵入气体。使用这种改良型机器，进行了四种处理方式，以确定它们对绞肉表面颜色、总需氧菌群以及冷藏储存期间（先在黑暗中储存2天，然后在有光照条件下储存7天）肉表面色素的影响。这四种处理方式分别为：1）在空气中研磨后真空包装（AV）；2）在空气中研磨后用100%二氧化碳包装（AC）；3）在100%二氧化碳中研磨后真空包装（CV）；4）在100%二氧化碳中研磨后再次用100%二氧化碳包装（CC）。无论采用哪种研磨方式，二氧化碳包装都能更长时间地保持肉的颜色红色并抑制细菌生长；然而，当肉在二氧化碳环境中研磨时，包装袋要么不会破裂，要么在储存过程中破裂的情况减少，这表明二氧化碳环境改变了二氧化碳的吸收并提高了包装袋的稳定性。真空包装的肉在储存第0天后的氧合肌红蛋白含量较低，而二氧化碳包装的肉在整个展示期间氧合肌红蛋白含量较高，因此外观更红。

引言

根据美国全国牛肉协会的数据，新鲜绞肉占美国牛肉产品总消费量的最大比例（47%），并且占牛肉销售额的36%（美国全国牛肉协会，2025年）。美国农业部指出，2024年新鲜牛肉的销售额超过了400亿美元（美国农业部，2025年）。该协会还报告称，近三分之二的美国消费者每周至少会食用一次牛肉（美国全国牛肉协会，2025年）。由于绞肉的受欢迎程度，肉类行业越来越关注保持其颜色质量的方法，因为颜色是消费者判断肉类新鲜度的重要因素。Smith、Belk、Sofos、Tatum和Williams（2000年）的研究表明，由于肉表面变色导致15%的零售牛肉被丢弃或打折，肉类行业每年因此损失了10亿美元的收入。最近，Ramanathan等人（2022年）发现，大约2.55%的牛肉因变色而被丢弃，这给美国牛肉行业造成了约37.3亿美元的年度损失。通过稳定肉的颜色，肉类行业可以满足消费者对产品外观的期望，同时减少收入损失，并可能降低消费者的成本。因此，人们研究了多种包装技术来提高肉的颜色稳定性。 新鲜肉中的色素主要负责肉的颜色，存在三种形式：脱氧肌红蛋白（Fe⁺²）、氧合肌红蛋白（Fe⁺²）和甲基肌红蛋白（Fe⁺³）（Fernández-López、Sayas-Barberá、Pérez-Alvarez和Aranda-Catalá，2004年）。血红素部分的共价键使肌红蛋白具有吸收可见光的能力。肌红蛋白血红素中心亚铁离子（Fe⁺²）外层轨道的六个电子可以形成六个键，其中四个与血红素卟啉环结合，一个与球蛋白的末端氨基酸组氨酸结合，第六个键与氧气或其他小分子配体（如二氧化碳）结合。亚铁离子氧化为铁离子（Fe⁺³）时会形成棕色的甲基肌红蛋白，后者无法结合氧气（Giddings，1977年；Ledward，1985年；Shikama，1990年；Suman等人，2010年）。肉中甲基肌红蛋白的形成通常与细菌腐败有关，但在低氧条件下也会自发发生（Denzer、Piao、Pfeiffer、Mafi和Ramanatha，2024年）。当新鲜肉暴露在空气中时，肌红蛋白会在30分钟内氧化为氧合肌红蛋白，氧化程度取决于氧气张力和温度（Pirko和Ayres，1957年）。Ledward（1970年）证明，当氧气浓度超过5%（38毫米汞柱）时，肌红蛋白不会转化为甲基肌红蛋白。接种了假单胞菌（Pseudomonas）的牛排比未接种的牛排腐败更快，且在1°C储存条件下，接种了假单胞菌的牛排在6天内就变色了，而未接种的牛排直到13天才变色（Butler、Bratzler和Mallman，1953年）。 改良气氛包装（MAP）和真空包装通过保持可接受的外观并抑制如假单胞菌等需氧腐败菌的生长，同时有利于乳酸菌等兼性厌氧菌的生长（Bao、Puolanne和Ertbjerg，2016年；Esmer、Irkin、Degirmencioglu和Degirmencioglu，2011年；Fu、Liu、Zhou和Zhang，2017年；Kartika、Candogan、Grimes和Acton，2003年；Liang等人，2024年；Moreira、Oliveira、Silva和Saraiva，2019年）。特别是二氧化碳（CO₂，在浓度为10%到100%的范围内已被证明可以抑制微生物的生长（Pierson、Collins-Thompson和Ordal，1970年；Farber，1991年；Zhao和Wells，1995年；Jeremiah和Gibson，2001年）。加工后的肉（如绞肉）由于颗粒大小减小、多孔结构和研磨过程中的混合，比完整的肉块更容易受到细菌生长、滴汁和变色的影响（Esmer等人，2011年）。鉴于二氧化碳在肌肉和脂肪组织中高度溶解（Gill和Penny，1988年；Jakobsen和Bertelsen，2004年），在受控储存条件下使用高浓度二氧化碳可以有效地延缓肌红蛋白中铁的氧化。通过适当的包装头部空间与肉体积比例和低温储存条件，可以在包装和储存过程中实现高浓度的二氧化碳（Jakobsen和Bertelsen，2002年；Zhao等人，1995年；Marcinkowska-Lesiak、Po?awska、Pó?torak和Wierzbicka，2017年）。高浓度二氧化碳包装的抗菌效果归因于多种机制：二氧化碳溶解在肉的水相中，形成碳酸，降低细胞内外pH值，破坏细菌细胞膜功能，并抑制细菌代谢所需的酶促脱羧反应（Dittoe、O'Bryan、Legako、Olson和Ricke，2025年；Mortazavi、Kaur、Farahnaky、Torley和Osborn，2023年）。二氧化碳在肉中的溶解速率受头部空间二氧化碳浓度、产品pH值、储存温度和气体与产品比例的影响（Mortazavi等人，2023年）。二氧化碳对需氧革兰氏阴性腐败菌（如假单胞菌）具有特别强的抑制作用，这些细菌是导致肉变色、异味产生和黏液形成的主要原因（Dittoe等人，2025年；Mortazavi等人，2023年）。在需氧条件下，假单胞菌是主要的腐败微生物；而在真空或高浓度二氧化碳的厌氧条件下，乳酸菌（LAB）如乳杆菌（Lactobacillus）、明串珠菌（Leuconostoc）和肉杆菌（Carnobacterium）成为优势菌群（Dittoe等人，2025年；Kalchayanand、Koohmaraie和Wheeler，2025年）。然而，乳酸菌引起的腐败通常不会导致与假单胞菌相同程度的质量下降。值得注意的是，异型发酵乳酸菌（如Leuconostoc mesenteroides）会在真空包装中产生气体积聚（Kalchayanand等人，2025年；Mortazavi等人，2023年）。 Conte-Junior等人（2020年）发现，不同的氧气与二氧化碳比例（从50:50到90:10）可以将绞肉的保质期延长3-5天，其中较高的二氧化碳浓度（40-50%）具有更好的抗菌效果。然而，在我们实验室之前的研究中，二氧化碳对绞肉的抗菌效果在超过1厘米深的部位不如在表层1厘米内的效果显著（Dhananjayan、Han、Acton和Dawson，2006年）。因此，MAP对绞肉内表面的潜在污染和细菌生长抑制作用不如对外层明显。实际上，Eisel、Linton和Muriana（1997年）报告称，同一肉加工厂的绞肉总需氧菌数量比完整零售肉块高1.6 log₁₀ cfu/g。此外，细菌生长已被证明会缩短肉的保质期（在四天内缩短两倍，在六天内缩短三十倍），并导致明显的变色（Smith、Geornaras和Nair，2024年）。虽然其他研究探讨了不同浓度二氧化碳MAP对肉保质期的影响，但此前尚未报道在研磨过程中注入二氧化碳的效果。因此，在研磨和包装过程中注入二氧化碳可能有助于增加二氧化碳在肉内部的吸收，抑制细菌生长，从而保持肉的质量特性。本研究的目的是确定在研磨过程中使用改良型机器注入100%二氧化碳，并结合100%二氧化碳MAP或真空包装，对冷藏储存期间绞肉的颜色稳定性和保质期的影响。

部分内容摘录

肉样制备

新鲜牛里脊肉来自一家经过美国农业部检验的加工厂，切割后立即（在10分钟内）用带可重复使用冰块的保温冷却箱运输到大学，以保持温度（大约7±1°C）。肉是96%的瘦肉，未冷冻且去骨，死后4-5天。样品制备和过程的流程图如图1所示。 去除外部脂肪和剩余的肌外结缔组织（银皮）后...

CIE L*颜色值（亮度）

观察到研磨条件、包装类型和储存天数之间存在显著交互作用（表1，P < 0.001）。在空气中研磨的肉在初始（第0天）的L*值高于在二氧化碳中研磨的肉。总体而言，当肉在空气中研磨（AC和AV）时，不同包装处理之间的L*值没有差异（P > 0.05）；而在二氧化碳中研磨并用真空包装的肉与用MAP包装的肉在3天后的L*值存在差异（P < 0.05）（表2）。在第3天时...

行业现状与实际意义

从行业角度来看，当前的绞肉市场越来越依赖于集中研磨、即装即用的包装和延长的分销链。许多商业系统使用混合气体MAP（例如二氧化碳/氮气混合物）或先进的真空膜，而不是100%的二氧化碳。评估多种薄膜、替代气体混合物和不同包装格式的研究表明，高阻隔结构和适当配比的气体混合物可以显著延长肉的颜色和...

感官评估

本实验未进行正式的感官评估（无论是训练有素的评估小组还是消费者）。虽然我们使用了Lybarger等人（2023年）和Frink等人（2025年）提供的基于消费者的颜色和微生物阈值来进行解释，但这些具体样本的实际感官接受度（气味、风味、质地和异味产生）并未进行测量。因此，仪器测量结果与消费者实际接受度之间的联系仍然是推断性的，而非直接验证的。

仪器颜色测量

颜色评估...

结论

本研究表明，控制研磨环境和包装环境可以显著提高绞肉的视觉质量、微生物状态和包装完整性。在四种处理方式中——在空气中研磨后真空包装（AV）；在空气中研磨后用100%二氧化碳MAP包装（AC）；在100%二氧化碳中研磨后真空包装（CV）；以及在100%二氧化碳中研磨后再次用100%二氧化碳MAP包装（CC）——100%二氧化碳包装的处理方式（AC，尤其是CC）保持了更高的红色度和色度...

同意书

所有作者均同意发表此论文，并声明没有任何财务或个人关系影响本研究。

CRediT作者贡献声明

Sofiane Ghris：撰写——初稿、研究、数据管理。 Inyee Han：方法学、正式分析、数据管理、概念构思。 James C. Acton：撰写——初稿、方法学、研究、概念构思。 Ahmet Buyukyavuz：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化。 Julie K. Northcutt：撰写——审稿与编辑、验证。 Paul Dawson：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、资源管理、项目协调。

伦理批准

本研究的数据收集过程中未使用人类受试者或动物。

资金

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。

未引用的参考文献

Enfors和Molin，1980年 McKenna，2003年 Nielson，2023年 Robach和Costilow，1961年 美国农业部（USDA），2000年 Viana、Gomide和Vanetti，2005年 Zhao、Wells和McMillan，1994年

利益冲突声明

作者声明没有影响本研究的财务或个人关系。

致谢

克莱姆森大学实验站的技术贡献编号7473。