Газофазное озонирование охлаждённого мяса: кинетика инактивации микрофлоры и окислительная стабильность липидов

Аннотация

Газофазное озонирование представляет собой перспективную не-термическую технологию продления срока хранения охлаждённого мяса за счёт снижения поверхностной микробной нагрузки. В настоящем исследовании проанализированы кинетика инактивации психротрофной микрофлоры и окислительная стабильность липидов и миоглобина при обработке говядины (m. longissimus dorsi) озоном в диапазоне концентраций 0,5–20 мг/м³ при 2 ± 1 °C и относительной влажности 85–90%. Установлено, что оптимальный баланс между микробиологической эффективностью и минимизацией окислительного стресса достигается при дозах 5–10 мг·ч/м³. При этих условиях наблюдается снижение КМАФАнМ на 0,7–2,0 log₁₀, удлинение срока хранения на 25–40%, без значимого увеличения TBARS (<0,2 мг MDA/кг) или доли метмиоглобина (<15%). Концентрации ≥15 мг/м³ приводят к ускоренному перекисному окислению липидов и деградации цвета, что ограничивает их практическое применение. Результаты подтверждают необходимость комплексной оптимизации параметра Ct (концентрация × время), влажности и режима экспозиции для промышленного внедрения технологии.

Ключевые слова: озонирование; охлаждённое мясо; микробная кинетика; перекисное окисление липидов; метмиоглобин; Ct-доза; окислительная стабильность.

1. Введение

Охлаждённое мясо остаётся высокочувствительным продуктом к микробной порче даже при соблюдении холодовой цепи (0–4 °C). Основными агентами порчи выступают психротрофные микроорганизмы, преимущественно Pseudomonas spp. и Acinetobacter spp., способные размножаться при низких температурах и вызывать изменения запаха, цвета и текстуры [1]. Одновременно происходят неферментативные реакции, окисление полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) и окисление миоглобина до метмиоглобина (MetMb), что снижает потребительскую привлекательность [2].

Газофазное озонирование (GO) рассматривается как альтернатива химическим консервантам благодаря высокому окислительно-восстановительному потенциалу озона (E° = 2,07 В) и его способности распадаться до молекулярного кислорода без токсичных остатков [3]. Однако двойственная природа озона, как мощного антимикробного агента и сильного окислителя, требует точной балансировки параметров обработки.

Настоящее исследование направлено на количественную оценку зависимости между дозой озона (Ct), микробной кинетикой и окислительной стабильностью липидов и пигментов в модельных условиях, приближенных к промышленным. Особое внимание уделено роли активности воды (a_w), диффузионных ограничений и периодичности обработки.

2. Материалы и методы

2.1. Объект исследования

Использовали свежую говядину (m. longissimus dorsi) от бычков категории «Choice» (USDA). Параметры: pH 5,5–5,7, a_w = 0,985 ± 0,005, возраст после убоя 48 ч. Начальная микробная нагрузка: КМАФАнМ = 10³–10⁴ КОЕ/г. Образцы хранили при 2 ± 1 °C и относительной влажности (φ) 85–90% в течение 21 суток.

2.2. Газофазное озонирование

Озон генерировали методом коронного разряда (Ozonia Labozone, Switzerland). Концентрации: 0,5; 5; 10; 20 мг/м³ (контроль — 0 мг/м³). Экспозиция: 2 ч/сут в герметичной камере объёмом 0,5 м³ с принудительной циркуляцией. Доза рассчитывалась как Ct = C × t (мг·ч/м³). Температура и влажность контролировались цифровыми датчиками (±0,2 °C, ±2% φ).

2.3. Аналитические методы

• Микробиология: КМАФАнМ по ISO 4833-1:2013; Pseudomonas spp. — на псевдомонадном агаре (Oxoid).
• Липидное окисление: TBARS по методу Buege & Aust (1978); перекисное число — по AOCS Cd 8-53.
• Цвет и пигменты: MetMb спектрофотометрически (Krzywicki, 1979); цвет — колориметр Minolta CR-400 (L*, a*, b*).
• Белковая стабильность: TVB-N по Conway microdiffusion (ISO 1442:1997).
• Статистика: однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA), post-hoc Tukey HSD, p < 0,05 (Statistica 13.0).

3. Результаты

3.1. Кинетика микробной инактивации

Снижение КМАФАнМ зависело от Ct (R² = 0,93). При 5 мг/м³ снижение на 0,7–1,2 log₁₀; при 10 мг/м³ на 1,5–2,0 log₁₀; при 20 мг/м³ до 2,5 log₁₀, но с высокой вариабельностью (CV > 18%) при φ > 90%. Кинетика соответствовала модифицированной модели Chick-Watson:
log10​(N/N0​)=−k⋅Ct
где k — коэффициент инактивации (для Pseudomonas: k = 0,18 мг⁻¹·ч⁻¹·м³). Срок хранения (до 10⁷ КОЕ/г) увеличился на 25–40% при Ct = 10–20 мг·ч/м³.

3.2. Окисление липидов

TBARS в контроле достигал 0,8 мг MDA/кг к 21-м суткам. При 5 мг/м³ — прирост ≤0,2 мг/кг (p > 0,05); при 10 мг/м³ — +0,4 мг/кг (p < 0,05); при 20 мг/м³ — +0,9 мг/кг (p < 0,01). Перекисное число коррелировало с TBARS (r = 0,87). Наибольшие изменения наблюдались в поверхностном слое (0–2 мм), что указывает на диффузионный характер проникновения O₃.

3.3. Окисление миоглобина

Доля MetMb в контроле 12–15%. При 5 мг/м³ — 14–18% (p > 0,05); при ≥10 мг/м³ — 40–55% (p < 0,001), сопровождалось снижением a* (краснота) на 30–50%. Это согласуется с механизмом окисления Fe²⁺ → Fe³⁺ как напрямую, так и через •OH-радикалы [4].

3.4. Белковая стабильность

TVB-N в контроле 18 мг N/100 г к 21-м суткам. При 5–10 мг/м³ — 13–15 мг N/100 г (снижение на 20–30%, p < 0,05). SDS-PAGE не выявил денатурации миофибриллярных белков при Ct ≤ 20 мг·ч/м³.

4. Обсуждение

4.1. Компромисс между безопасностью и качеством

Результаты подтверждают, что 5–10 мг/м³ оптимальный диапазон для GO. Он обеспечивает значимое снижение микробной нагрузки без критического ущерба для липидов и пигментов. Это согласуется с данными Kim et al. (2021) и Zhao et al. (2023), где аналогичные дозы продлевали срок хранения говядины на 5–7 дней [5,6].

4.2. Роль параметра Ct и режима экспозиции

Периодическая обработка (2 ч/сут) оказалась менее окислительной, чем непрерывная при том же Ct, вероятно, за счёт времени восстановления антиоксидантной системы мяса (глутатион, токоферолы). Это подтверждает гипотезу о «окислительном окне», временном интервале, в котором клеточные антиоксиданты могут компенсировать повреждения [7].

4.3. Влияние влажности

При φ > 90% озон быстро гидролизуется:
O3​+H2​O→•OH+HO2​•+O2​
Образующиеся радикалы менее селективны и усиливают побочные реакции. Оптимальный диапазон φ = 80–90% совпадает с рекомендациями Codex Alimentarius для хранения мяса.

4.4. Ограничения исследования

Не учитывалась вариабельность состава жира (соотношение ПНЖК/НЖК), которая влияет на чувствительность к ПОЛ. Также не исследовалось влияние на патогены (Listeria monocytogenes, E. coli O157:H7), что важно для пищевой безопасности.

5. Технологические рекомендации

Оптимизация параметров газофазного озонирования (GO)

На основе полученных данных предложен промышленный протокол:

• Концентрация озона: 5–8 мг/м³
• Режим: периодический (1,5–2 ч/сут)
• Температура: 0–2 °C
• Относительная влажность: 80–90%
• Начало обработки: в течение первых 24 ч после упаковки (лаг-фаза)
• Мониторинг качества: TBARS и MetMb каждые 7 суток

6. Заключение

Газофазное озонирование при Ct = 10–20 мг·ч/м³ эффективно снижает микробную нагрузку на поверхности охлаждённой говядины и продлевает срок хранения на 25–40%. Однако превышение 15 мг/м³ вызывает неприемлемый уровень окислительного стресса. Оптимизация технологии требует учёта не только Ct, но и влажности, частоты обработки и антиоксидантного статуса продукта. Дальнейшие исследования должны быть направлены на масштабирование процесса и оценку влияния на патогены.

Источники:

1. Doulgeraki, A. I., et al. (2022). Psychrotrophic spoilage microbiota in beef under modified atmosphere packaging. Meat Science, 183, 108652.
2. Faustman, C., et al. (2010). Biochemical basis for discolouration in fresh meat. Meat Science, 86(1), 171–185.
3. Guo, Y., et al. (2023). Gaseous ozone treatment for microbial decontamination of meat: Mechanisms and applications. Food Control, 145, 109456.
4. Lund, M. N., et al. (2007). Oxidation processes in muscle foods. LWT – Food Science and Technology, 40(5), 755–765.
5. Kim, J. H., et al. (2021). Effect of gaseous ozone on shelf life of beef steaks. Journal of Food Engineering, 292, 110345.
6. Zhao, Y., et al. (2023). Ozone-induced lipid oxidation in chilled meat: Role of fatty acid composition. Food Chemistry, 405, 134876.
7. Estévez, M. (2011). Protein carbonyls in meat systems. Meat Science, 89(3), 259–279.