Flash heating process for efficient meat preservation

高效肉类保鲜的闪热过程

Yimin Mao^1,2,6, Peihua Ma^3,6, Tangyuan Li^1,6, He Liu^1,6 et al.

通讯作者: Liangbing Hu¹ (binghu@umd.edu)

DOI: 10.1038/s41467-024-47967-1 | Nature Communications | 2024

论文亮点

        开发了一种超高温闪热(UFH)处理方法，可在不影响牛肉内部质地和营养的情况下，有效灭活表面微生物
经UFH处理的牛肉在室温下可保存5天，微生物水平保持在检测限以下，而未经处理的牛肉则迅速腐败

研究背景

肉类是蛋白质、脂肪酸、维生素以及铁和锌等矿物质的重要来源，全球肉类消费量持续增长，自2018年以来已超过3亿吨
肉类富含营养成分，易为微生物（包括食源性人类病原体和腐败微生物）提供良好的生长介质，因此容易腐败
传统的低温保存方法需要能源来维持冷链，长距离运输可能中断，存在腐败和有害微生物污染的风险

研究方法

本研究采用超高温闪热(UFH)技术处理牛肉样品：

使用碳毡作为加热元件，连接直流电源
在<1秒的时间内施加高电功率(~1800 W)，使碳毡温度瞬间升高至>2000 K
将牛肉样品与加热的碳毡直接接触，使牛肉表面经历超高温闪热处理
表面快速脱水并灭活微生物，形成约100μm厚的保护层
处理后的牛肉在室温下储存，定期进行微生物检测和质量评估
使用高速相机记录加热过程，并通过颜色比色高温测量法测定温度
进行数值模拟分析牛肉样品在UFH过程中的瞬态温度分布和水分含量变化

主要结论

UFH处理在牛肉表面形成了微生物灭活和脱水的薄层(~100μm)，有效抑制了微生物生长
处理后的牛肉在室温下储存5天，好氧中温菌、肠杆菌科、酵母和霉菌均保持在检测限以下
UFH处理保持了牛肉的视觉外观、质地和营养水平，而未经处理的样品则迅速腐败

图1：UFH肉类保鲜过程示意图

a) 加热过程演示。碳毡因其高电阻而被用作加热元件，箭头标记电流方向。
b) 传统食品加热方法与UFH方法的操作温度和时间比较。
c-e) 牛肉立方体在加热前(c)和加热处理后(d,e)的示意图外观。

分析与结果：

UFH处理过程中，碳毡温度在不到1秒内升高至>2000K，使直接接触的牛肉表面经历超快速脱水和微生物灭活。与传统加热方法相比，UFH温度高一个数量级，速度快3-4个数量级。处理后牛肉表面形成浅色外观的薄脱水层，而内部肉质保持新鲜。

图2：UFH处理肉类的分析

a) 夹在两片碳毡之间的1cm³牛肉立方体照片。
b) UFH处理操作中，碳毡因高温发光。
c) UFH处理过程中碳毡的温度曲线。
d,e) UFH处理10秒内牛肉温度(d)和水分含量(质量分数)(e)演化的热分析结果。
f,g) 新鲜(f)和UFH处理(6个表面)的牛肉立方体(g)照片。
h) UFH处理牛肉横截面的光学显微图。
i) UFH处理牛肉表面的组织学显微图(红线指示碳化层轮廓)。
j,k) UFH处理牛肉表面的扫描电子显微镜(SEM)图像(j)和相应的能量色散谱(EDS)分析(k)。
l) UFH处理牛肉表面和中央部分的拉曼光谱。

分析与结果：

实验显示碳毡在UFH过程中温度可达2091K，高温持续约0.2秒。数值模拟表明牛肉表面温度在1秒内升至约900K，然后迅速下降。组织学分析显示表面层厚度约为100μm。SEM和EDS分析表明暗色区域主要由碳组成，拉曼光谱显示表面存在石墨的D带和G带，表明存在无序形式的碳物种。

图3：未经处理和UFH处理牛肉的安全评估

a) 储存期间UFH处理(上行)和未经处理牛肉(下行)的照片。
b,c) 短期(24小时)微生物检测：b) APC和c) EB。
d-f) 长期(100小时)微生物检测：d) APC, e) EB, 和f) YM。实线使用Baranyi-Roberts模型拟合。
g) 用UFH处理牛肉表面取样在不同浓度下培养的3T3-L1(小鼠胚胎成纤维细胞)和CCD18co(人结肠组织细胞)的细胞活力。

分析与结果：

微生物测试表明，UFH处理牛肉的APC和EB计数在最初24小时内保持在检测限以下，而未经处理的牛肉则迅速增加。长期测试显示，未经处理的牛肉中APC、EB和YM种群快速增加，100小时后YM达到约10⁶/g，而UFH处理牛肉在整个100小时期间未检测到YM。细胞毒性评估表明UFH处理表面未显示细胞毒性。

图4：未经处理和UFH处理牛肉的质量评估

a) 储存100小时后未经处理和UFH处理牛肉的流变学表征，基于储能模量G′和损耗模量G″随振荡应变的变化。
b) 储存期间的质地变化。
c) 使用欧几里得距离量化储存期间牛肉颜色变化。
d-f) 测量储存期间未经处理和UFH处理牛肉的d)非蛋白氮浓度, e) pH值, 和f) TVB-N浓度。

分析与结果：

流变学实验表明UFH处理对牛肉质地影响可忽略不计。颜色分析显示UFH处理牛肉的欧几里得距离在80小时内保持相同水平，而未经处理牛肉显著增加。化学标记物(NPN含量、pH值和TVB-N含量)在UFH处理牛肉储存期间基本保持不变，而未经处理牛肉这些指标显著增加，表明肉质恶化。