肉制品加工中镁盐部分替代氯化钠的应用研究进展

丁习林,王桂瑛,*,王雪峰,程志斌,谷大海,徐志强,范江平,普岳红,廖国周,*

(1.云南农业大学食品科学技术学院,云南昆明 650201; 2.云南农业大学,云南省畜产品加工工程技术研究中心,云南昆明 650201)

氯化钠作为肉制品加工的重要调味料,除了赋予肉制品典型的咸味外,还具有防腐效果和抑菌特性,并通过影响一些产风味物质的酶活性来增强肉制品的风味[1]。钠是维持健康的基本营养素,它的主要来源是食盐。然而,有证据表明,氯化钠的摄入量与高血压及其他心血管疾病密切相关[2]。钠摄入量过高时由于人体的排钠功能有限,会导致钠滞留影响人体内渗透压,血容量增加,最终经过一系列的生理作用导致血压升高[3]。而饮食中的钠含量是总盐摄入量的40%[4]。有研究表明,钠摄入量减少15%,在10年内心血管疾病的死亡人数将减少85万人[5]。世界卫生组织建议成年人每天摄入少于2000 mg的钠(<5 g盐)[6]。膳食钠的摄入几乎20%来自肉类和肉类产品,随着人们对低钠食品需求的增长,特别是低钠肉制品需求的持续增长,有必要寻求并尝试新的低钠盐产品[7]。

不同的肉制品中食盐的含量有很大的差别,从2%～12%不等,特别是一些干腌肉制品,食盐的添加量相对较高[8]。控制钠摄入量的关键手段是从源头控制加工肉制品中的钠含量。然而,由于不同的饮食文化习惯和相关行业占有率的问题,完全消除高钠食品是非常困难的。食品行业及研究者门近年来一直在寻求降低食品中钠的策略,其中一个途径是用含有其他阳离子的盐(如镁)部分替代氯化钠。MgCl2与NaCl同属于氯化物,作为典型的二价盐,是低盐肉制品开发中研究较为广泛的钠替代盐。本文综述了镁盐对人体健康的影响以及在肉制品加工中的应用,旨在为低盐肉制品的研发与质量控制提供一定理论参考。

1 镁盐对人体健康的影响

镁是人体所必需的营养元素之一,是人体内第四大丰富的阳离子,正常人体含量约为24 g,主要存在于骨骼、肌肉、血液以及细胞中[9]。镁的缺乏会导致身体出现诸多不良健康状况,可能发生缺血性心脏病、高血压、糖尿病、粥样硬化、心律失常等心脏类疾病,必然会对人体健康造成危害[10]。镁的重要性并未引起人们的足够重视,现代人群的镁摄入不足已成为一种普遍现象。

1.1 人体镁的来源及现状

根据美国营养学会推荐的每日镁摄入量标准(RDA),正常成年人镁摄入量为 300～420 mg/d[11]。我国营养学会建议,镁的日推荐摄入量为:成年男性约350 mg,成年女性约300 mg,孕妇及哺乳期女性约450 mg,儿童为约200 mg,同时强调镁可耐受最高摄入量为700 mg/d。人体镁元素的主要来源为谷物、豆类、水果、蔬菜、坚果和一些肉类等,能够提供总镁量的40%左右。此前国内外曾进行过关于镁的膳食调查,结果显示,尽管镁广泛分布在食品之中,但许多国家和大多数地区由于生活方式和饮食习惯的不同,日均镁摄入量低于推荐摄入量的比例逐渐增高,居民的镁摄入量尚未达到标准[12]。Raquel Villegas等[13]对我国上海市女性镁摄入量进行调查,结果显示平均镁摄入量约为267 mg/d。我国最权威的“全国居民与营养状况调查”结果显示,60～70岁城乡居民镁的摄入量为男性323.4 mg/d,女性279.1 mg/d,均低于营养学会的推荐值[14]。据估计,10%的老年妇女镁的摄入量少于136 mg/d[15]。

1.2 镁在机体中的作用

镁是人体细胞的重要组成元素,可以说在人体中几乎所有重要的生化过程中镁均发挥重要作用,镁是生命细胞中300多种酶的催化剂,特别是那些用核苷酸作为辅助因子或基质的酶类,与碳水化合物、脂肪、蛋白质等的生理代谢循环密切相关[11]。镁几乎参与了人体所有的新陈代谢过程,虽然镁在细胞内的含量仅次于钾,但它却影响钾、钠、钙离子在细胞内外转移的“通道”,并具有维持生物膜电位的作用。已有研究证明,镁对治疗心肌梗塞、哮喘、抑制心律失常等有明显作用,镁还可以降低血脂、保护血管、对抗自由基、减少脂质过氧化物的产生等来降低粥样硬化的发生率[11,16],因此高镁饮食对于血管非常有益。此外,镁和钙具有拮抗作用,通过与细胞膜上钙的竞争并刺激肌织网上的钙吸收,从而有助于维持静息细胞内的游离钙离子浓度,这对许多细胞功能的正常运转起到了至关重要的作用[17]。

此外,Mg2+会影响肠胃、心血管的正常功能以及人体激素的分泌,当人体缺乏Mg2+时,血管内的收缩因子和紧张肽的含量均会升高,从而造成动脉突然收缩、血管腔变窄,最终引起血压升高[18]。同时,镁在骨骼生长中十分重要并且可能在运动中发挥作用。目前医学上在对心脑血管疾病、高血压、糖尿病、哮喘、偏头痛患者的治疗中进行补镁研究。一些实验性的结果显示,适当补充镁有助于改善机体的内分泌和物质代谢状态,预防代谢相关的疾病[19]。流行病学和临床研究已经确定了Mg2+在心血管疾病的发病机制中的作用,充足的Mg2+摄入量应该是心脏健康饮食的一部分[20-21]。

2 镁盐在肉制品中的应用

目前,减少食品和肉制品中钠含量的方法主要是直接减少加入到产品中的盐量,而另一种是使用其他盐如MgCl2部分替代所添加的NaCl,两种方案可结合使用。在肉制品加工中用镁替代钠盐较为可行,减少了钠摄入量的同时,补充了镁摄入量。表面来说,这项措施使这类食品变得更为健康,但还需考虑和研究是否可能存在安全隐患和对产品的影响,以避免对消费者造成可能的副作用。食品级MgCl2可以作为食品稳定剂、蛋白凝固剂、组织改良剂等,在肉制品中还可以充当营养强化剂,增强肉制品的营养成分[8]。

由于产品的类型或盐析过程的不同,需要考虑不同的技术问题。在肉制品加工过程中使用镁盐等混合盐的最简单方式是直接在产品中加入配制好的混合盐,同时根据产品的类型选择腌制方法,这能使产品中的盐分布均一。显然,当原料无特定结构时,如肉糜制品、酱料等,可以直接采用此方法,将低钠混合盐加入到原料组分中混合加工。但当原料有特定结构时,如干腌火腿、腊肉等,需要将混合盐(固体或配制盐溶液)均匀分散到原料表面或将其注射入原料中。

如上所述,盐析过程主要通过使用固体盐或盐水进行。除此之外,在使用固体盐混合物的情况下,要重点注意盐的溶解度。Alio等[22]使用NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2混合盐,研究干腌里脊肉中的阳离子渗透情况,发现与NaCl和KCl相比,CaCl2和MgCl2的溶解度较高,并在渗透出的盐水中观察到较高的Ca2+和Mg2+浓度。因此,二价阳离子在肌肉中的渗透能力小于一价阳离子。在使用其他盐替代氯化钠时,必须考虑到替代盐溶液对pH的影响,因为pH可会影响到蛋白质产品的持水能力。Alio等[23]对含有100% NaCl和不同配比盐(NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2)的混合物的盐水进行pH测定,pH变化的范围为5.4(100% NaCl)～7.11(其中一种混合盐)。

此外,魏朝贵[24]选用KCl和MgCl2部分替代NaCl来研究猪肉肌原纤维蛋白乳化特性,发现猪肉肌原纤维蛋白的乳化特性没有显著改变,但是凝胶黏弹性明显提高、汁液流失明显减少,说明KCl和MgCl2部分替代NaCl能改善低盐引起的肌原纤维蛋白乳化物黏弹性下降的问题。在肉制品中使用镁盐部分替代钠盐,需在在保证低钠肉制品的保水性及质构等品质特性的前提下来控制镁盐与钠盐的替代比例。因此,高镁含量的饮食可以在既不改变自身的饮食习惯,也不涉及其他高能量物质的多余摄入的情况下,实现机体镁的补充,是比较理想的途径。

3 镁盐对肉品品质的影响

尽管通过镁替代钠具有潜在好处和优势,但目前还不能把肉品中的钠完全替代。氯化钠不仅具有抑制微生物增殖、促进某些蛋白的降解、赋予肉制品特征咸味的作用,还具有调节质地、提高保水性、改善感官以及延长保质期等作用[25-26]。然而在目前已有的盐中,只有氯化钠主要呈现咸味,其他单价和二价盐可同时呈现多种味道,如苦味、咸味、酸味和涩味等。Lawless等[27]研究了镁盐(氯化盐和硫酸盐)对盐度和苦味的贡献,并证明两种盐的盐度和苦味随浓度升高而增加;同时该团队还研究了镁盐对甜味、鲜味和金属味的影响,发现镁盐和氯化钠之间不存在明显差异;此外他们还发现仅用氯化镁替代氯化钠可能会产生异味,然而,氯化钠与其他阳离子的存在可以抑制这些不愉快的味道,特别是苦味。

从技术角度来看,用其他盐部分替代氯化钠会对产品某些方面产生重要的影响。一种是盐的应用形式,另一种是盐在肉制品中的扩散速度,此外对产品的水分活度和微生物控制也会产生潜在影响。不难看出,如果想要获得安全和健康产品,则必须考虑所有这些方面。使用部分替代氯化钠的低钠混合盐可能会使产品某些过程发生变化。表1中列出了不同比例替代盐对肉制品的影响。可见,不同比例氯化镁替代盐会对盐肉制品中的扩散、微生物抑制作用、酶活性、挥发性物质及感官品质造成一定影响。

表1 不同比例替代盐对肉制品的影响Table 1 Effects of different ratios of salt substitutions on meat products

3.1 镁盐在肉制品中的扩散

国外一些研究者已经使用氯化镁部分替代氯化钠来腌制西班牙火腿,并在研究过程中观察到,含有氯化镁的火腿水分活度相对较高,因此镁在火腿中渗透难度高于钠[34]。这是因为镁具有比钠更高的电荷密度,从而增加了镁穿透肌肉的难度。根据电中性原理,Ca2+和Mg2+离子可以强烈结合蛋白质极性基团,增强蛋白质相互作用,从而阻碍盐的渗透。这些结果意味着,与传统仅使用氯化钠来腌制相比,使用氯化镁时需要适当延长腌制时间,以使盐能够均匀分布在产品内。Alio等[35]使用含有氯化镁的混合盐研究对火腿的物理化学性质的影响,发现火腿的品质差异不依赖所添加盐的类型,而是来自样品的盐浓度和水分。

3.2 镁盐对微生物的影响

在肉制品中添加氯化钠的主要作用之一是降低产品的水分活度,因为氯化钠在溶液中电离出的Na+和Cl-可以吸引水分子,导致水分子难以被微生物利用,使微生物脱水,从而抑制微生物的生长,减少微生物的数量[36]。因此,当使用氯化镁作为氯化钠的替代品时要特别注意水分活度的变化以及使用MgCl2对微生物生长是否具有其他影响。使用Pitzer-Bromley模型预测使用NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2时的水分活度,得到参数“B”值分别为0.0574、0.024、0.0948、和0.1129,表明与其他常见盐相比,氯化镁具有降低水分活度的潜力[15]。镁盐的存在会阻碍氯化物在肌肉中的渗透作用,从而对持水能力和蛋白质水解产生负面影响。

Lorenzo等[37]选用不同比例混合盐(NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2)来研究对干腌火腿微生物的影响,研究结果表明微生物数量在不同类型的替代盐间差异显著(P<0.05)。而Alio等[38]的研究结果表明,使用混合盐部分替代氯化钠似乎减少了耐盐菌群的数量,具体地说,用45% NaCl、25% KCl、20% CaCl2和10%的MgCl2处理中耐盐微生物数量最少,但差异并不显著(P>0.05)。同时低钠混合盐腌制的肉制品水分活度需要腌制更长时间才能达到与用100%氯化钠腌制的相同水平,尽管在使用混合盐的肉制品腌制后期时间延长,微生物种群数量下降,但在不同比例的替代混合盐中需氧微生物、耐盐菌群和乳酸菌数量并没有显著差异(P>0.05)。

3.3 镁盐对肌肉中酶活性的影响

低钠盐在肉制品中具有抑制肌肉中酶活性的作用,且随着盐浓度增加,抑制作用降低[39]。氯化钠可以影响蛋白酶和脂肪酶的活性,这对肉制品风味的形成有重要的作用。蛋白质水解作用是肉制品加工过程中重要的生化现象,是肉嫩度和风味形成的基础。蛋白质水解中参与反应的主要蛋白酶是组织蛋白酶、二肽基肽酶和氨基肽酶。蛋白质降解中的组织蛋白酶的活性会影响火腿的质地,其活性过高会导致过度降解,从而破坏肌肉结构,影响产品品质[40]。单价阳离子如Na+和K+对组织蛋白酶和其他蛋白酶如丙氨酰氨基肽酶(AAP)以及中性脂肪酶和酸酯酶具有强烈的抑制作用。通过这些单价阳离子的作用可以使肌肉结构较好地保留。另一方面,氯化钠可以使谷氨酰胺转胺酶活性增加,提高产品的肌肉硬度、内聚力和弹性。而当二价离子如Mg2+和Ca2+存在的情况下,氯化钠的这些作用不会受到明显的影响。

Armenteros等[41]测定了KCl、MgCl2和CaCl2等氯化盐对肌肉中酶的影响,并且与NaCl对酶活性的影响相比较,结果显示二价盐(MgCl2和CaCl2)可以在使用量比NaCl和KCl低很多的情况下,仍对肌肉中酶显示出强烈的抑制作用,并且在含有MgCl2的干腌里脊中,游离氨基酸总量显著增加。因此,镁的存在有利于产生更多有助于风味形成的游离氨基酸,并且还能通过美拉德反应产生新的挥发性化合物,这有助于干腌肉制品最终风味的形成。

同时,对于脂肪水解,脂肪酶和磷脂酶分别在三酰基甘油和磷脂的分解和游离脂肪酸的生成中起重要作用。根据Armenteros等[42]的报导,使用含有10% MgCl2腌制的干腌里脊中,生成挥发性化合物的游离单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的总量显著减少。这些研究均表明较高浓度的二价阳离子(如Mg2+)会使脂解作用降低,从而导致游离脂肪酸的总量减少。

3.4 镁盐对挥发性物质的影响

肉类产品,特别是发酵肉制品和干腌肉制品一般含有许多芳香化合物。对它们各自香味的感知可能会因挥发性化合物的浓度、各自的气味阈值以及与其他食物成分(主要是蛋白质)的相互作用而有所不同。当然,这些相互作用依赖于在加工中所使用的盐的类型,因为它们可能影响蛋白质结合能力或盐析效应。KCl和NaCl具有类似的盐析效应,当使用这两种盐时,挥发性化合物浓度增加5～10倍[43]。但是对于MgCl2和CaCl2来说,这类盐析效应未见报道。

此外,肌浆蛋白与挥发性化合物的结合能力也取决于盐的类型。实际上,NaCl和KCl显著降低了肌浆蛋白提取物对支链醛、己醛和甲醛的结合能力,而对辛醛和2-戊酮没有影响[44]。如果有MgCl2和CaCl2存在,即使是在极高离子强度的条件下,这种结合能力要低得多。但对支链醛是例外的,MgCl2在离子强度为1.0的条件下所产生的结合状态的挥发性化合物可以达到完全释放[44]。Armenteros等[45]研究发现,除了己醛和其他一些次要化合物以外,用55% NaCl、25% KCl、15% CaCl2和5% MgCl2替代钠盐,能产生更多的挥发性化合物。

3.5 镁盐对感官品质的影响

使用替代盐部分替代氯化钠可有效降低产品中的钠含量,但对产品的品质会产生一定的影响,因此,必须在保证产品品质的前提下使用替代盐。表2中比较了干腌肉制品加工过程中钠、镁的作用。

表2 肉制品加工过程中钠、镁的作用比较Table 2 Comparison of the effects of sodium and magnesium in meat processing

Morales等[48]为了降低干腌火腿的钠含量,减少了氯化钠添加量且不添加任何替代盐,使得火腿质地过度软化,而不被消费者所接受。造成这种过度软化的原因在于,降低食盐的含量可增强肽链内切酶和肽链端切酶的活性,相应地,蛋白质就会过度水解,从而导致产品质构出现过软和发黏等不良现象[49]。Andrésetal等[50]试图通过优化火腿总盐的百分比,来确定其对感官特征和蛋白质水解的影响。在此之后,有研究者选用KCl、CaCl2和MgCl2混合盐替代NaCl来腌制猪里脊,结果表明,NaCl可以减少40%～50%,而不会对最终产品的感官或安全性产生显著影响[51]。然而,当替代量超过40%～50%就会对感官质量有相应的负面影响,尤其是口感,会有明显的苦味和金属味。

3.6 风味增强剂和掩盖剂对肉制品品质的影响

使用KCl替代较低量的NaCl时,不会对肉制品的理化指标及品质造成影响,但当氯化钾的替代浓度超过50%,可能会产生苦味,当加入氯化镁或氯化钙时,甚至会产生金属味,会影响钠盐的进一步替代,通过使用掩蔽剂可以减少或消除这些不愉快风味[52]。中药和香辛料已广泛被使用,如胡椒、洋葱、大蒜、番茄、甜椒、百里香、芹菜、辣椒、迷迭香、烟熏风味物质、醋和柠檬等,可以有效降低由替代所产生的异味[53]。另一种掩盖苦味的方法是使用增味剂来增强肉制品的咸味,目前已经通过研究得出了大量的复合增味剂,例如羧甲基纤维素与含柠檬酸钠的卡拉胶;或者是一种可食用的核苷酸单磷酸盐与另一种物质(低有机酸、低有机酸盐、磷酸、磷酸盐、镁盐、糖或焦糖)组合等[15]。王仕钰等[54]研究发现,L-苹果酸、琥珀酸、柠檬酸、富马酸等有机酸味剂具有增咸和掩盖苦味的作用。Ketenoglu等[55]选用氯化钾、硫酸镁和L-赖氨酸制成的低钠盐混合物来研究对牛肉馅饼感官品质的影响,结果发现和用未替代的盐做成的馅饼在感官品质上并无显著差异。

4 结语

在肉制品加工中使用镁作为钠的部分替代盐已经被广泛应用。一般来说,镁的替代量在较低范围时,对于降低钠含量也是有效的,并且不会影响感官品质。使用某些类型的镁盐与其他风味增强剂组合也可以掩盖过量使用替代盐所带来的苦味。但需要注意的是,镁相对于钠来说不易渗透到肌肉中,也不易扩散,当使用镁替代盐时,要关注镁盐的溶解度及其对pH的影响。在具体的肉制品生产加工中,使用镁盐部分替代氯化钠,在避免生产成本显著增加的前提下控制盐析过程,并将镁浓度调整到推荐值以避免产品的感官品质发生改变。使用替代盐能够为降低肉制品中钠含量提供一种途径,但因其替代量的局限性和功能的片面性,应结合当前已有的技术进行综合优化,通过协同技术来达到预期效果。目前,低钠肉制品的研究还需进一步深入,其对肉制品的影响机制以及对肉类特性可能造成后果的评估还有待进一步完善。