非热物理技术、生物保鲜与智能包装协同驱动的肉类及肉制品现代保鲜策略：2016–2026系统综述

《Foods》：Modern Methods of Preserving Meat and Meat Products: A Comprehensive Literature Review

　　

摘要：面对日益增长的消费者需求、日趋严格的法律法规以及全球性的食物浪费问题，肉类产业正经历一场动态转型。传统基于合成添加剂的保鲜方法正被创新性的集成技术所取代。本综述分析了Scopus、PubMed、Web of Science和ScienceDirect数据库中收录的2016–2026年间关于肉类及肉制品现代保鲜方法的最新科学报告。文章详细讨论了先进非热技术的作用机制及其影响，包括超高静水压（HPP）、高强度超声（HIU）、常压冷等离子体（ACP）、脉冲光（PL）以及旋转和振荡磁场（RMF/OMF）。研究还从“清洁标签”趋势的背景下阐述了生物保鲜的作用，包括乳酸菌、细菌素、噬菌体以及纳米封装植物提取物的应用。此外，研究还分析了材料工程领域的创新——释放抗菌物质的活性包装以及基于天然变色染料的智能新鲜度指示剂。全文辅以对工业4.0解决方案影响的分析，包括人工智能（AI）、机器学习（ML）、高光谱成像（HSI）和物联网（IoT）在冷链优化和数字化质量管理中的应用。

1. 1.
   引言

肉类及肉制品是人类饮食的关键组成部分，提供优质蛋白质、必需氨基酸、B族维生素（尤其是B₁₂）以及高吸收率的血红素铁。然而，由于其高水分活度（aw > 0.98）、适宜微生物生长的pH值（5.5–6.5）以及丰富的营养成分，该原料是最易腐败的食品之一。肉类品质劣变涉及三种主要机制：微生物腐败，即嗜冷微生物群（如假单胞菌属、热杀索丝菌和乳酸杆菌属）及食源性致病菌（单核细胞增生李斯特菌、肠道沙门氏菌、大肠杆菌O157:H7和空肠弯曲杆菌）的失控生长；脂质和蛋白质氧化，多不饱和脂肪酸（PUFA）的自氧化和光氧化导致仲氧化产物（如丙二醛—MDA）的形成；酶促自溶，内源性蛋白酶（钙蛋白酶、组织蛋白酶）和脂肪酶导致肌肉组织水解。据联合国粮食及农业组织（FAO）数据，加工、流通和消费阶段的肉类损失和浪费高达全球产量的20%。数十年来，肉类保鲜主要依赖化学添加剂，如硝酸盐和亚硝酸盐、硫酸盐以及合成抗氧化剂（BHA、BHT、TBHQ）。然而，亚硝酸盐与仲胺和叔胺反应可形成致癌性N-亚硝胺。消费者意识正推动“清洁标签”趋势，要求天然、无人工防腐剂、最小化加工且具有长保质期和高微生物安全性的产品。栅栏技术概念通过协同组合多种温和的亚致死保鲜因子，形成对微生物不可逾越的屏障。

1. 2.
   综述文章方法论

本综述于2026年2月进行文献检索，并于2026年8月更新，使用Scopus、Web of Science、PubMed和ScienceDirect等国际数据库。检索涵盖2016–2026年间发表的文章，使用布尔运算符构建复杂逻辑查询。共识别出800余篇文章，经去重和初步摘要筛选后，146篇经同行评审的研究、综述和荟萃分析被选入全文分析。筛选过程多阶段进行：数据收集和去重（使用Zotero 9.0.5管理文献，通过DOI比对和标题文本规范化消除重复）；初步筛选（根据标题和摘要评估符合纳入标准）；全文分析（评估方法学完整性和实质性贡献）。检索限于英文发表的文章。纳入标准包括时间范围（2016–2026年，先进包装和工业4.0相关优先2019年后文献）、主题范围（新鲜肉类或加工肉制品研究、非热技术评估、生物保鲜、物联网传感器网络和机器学习算法）以及出版类型和质量（具有明确研究方法和可量化结果的同行评审原创文章、高影响因子期刊的综述和荟萃分析）。排除标准包括不适当的食品基质（仅鱼类、乳制品等）、无实际基质应用的体外研究、仅传统热保鲜方法的研究、2015年前发表的文章、非同行评审材料、来自可疑期刊的出版物、方法学缺陷严重的研究以及非英文发表或无法获取全文的文章。

1. 3.
   非热保鲜技术

非热保鲜方法通过直接向食品基质传递物理能量（机械、电磁和电），而不会将其温度升至导致热敏蛋白变性和营养损失的程度。

3.1. 超高静水压（HPP）

HPP涉及将包装产品置于300–600 MPa等静压液体介质中，持续数十秒至数分钟。微生物灭活的主要机制是破坏细胞膜、改变其通透性、膜脂结晶以及灭活DNA复制所需的关键胞内酶。对即食（RTE）肉制品施加600 MPa压力可使单核细胞增生李斯特菌减少>5 log₁₀ cfu/g。然而，对新鲜生红肉施加超过300 MPa的压力会诱导肌红蛋白变性并释放血红素基团，导致不利的颜色变化（“熟化效应”）并诱导脂质过氧化。新研究侧重于将压力降至200–250 MPa并结合天然抗氧化剂（如橄榄叶提取物）或真空包装。Kumar等人（2026）的研究分析了100–600 MPa范围HPP对牛肉、猪肉、禽肉及腌制加工肉制品的影响，发现超过200–400 MPa的处理导致新鲜红肉变亮（L值增加）和红色丧失（a值降低）。Chmiel等人（2025）对真空贴体包装的烹饪牛肉（半膜肌）在300、400和500 MPa下处理5分钟并冷藏储存56天，发现500 MPa虽有效稳定pH并抑制酸化微生物群，但导致肉色明显变亮且TBARS指数增加三倍以上。

3.2. 高强度超声（HIU）

功率密度>1 W/cm²、低频（20–100 kHz）的超声基于瞬态声空化原理。气泡内爆引起高度局域化的物理化学现象：微尺度温度跃升至5000 K和100 MPa压力、形成以数百米/秒速度穿透肌肉组织的微流束、水的声解产生自由基（H^•、OH^•）。HIU在肉品加工中具有多功能性：加速腌制过程中盐的扩散（处理时间减少30–50%）、表面微生物净化、影响蛋白质结构和氧化，以及通过破坏肌原纤维结构改善嫩度（剪切力降低10–20%）。然而，羟基自由基的生成会增加脂质氧化，可通过结合天然抗氧化剂缓解。Graciano等人（2025）分析了超声改善牛肉嫩度的应用，发现声空化导致肌纤维碎裂和钙蛋白酶系统激活相关的酶促蛋白水解增强。Son等人（2024）评估了HIU（2400 W，36.2 kHz，90分钟）结合湿-干成熟对猪里脊品质的影响，发现HIU显著改善嫩度但增加了TBARS值。

3.3. 常压冷等离子体（ACP）

ACP被认为是近十年来最有前景的创新之一。等离子体通过强电场中气体（空气、氩气、氦气或混合气）的电离产生。冷等离子体中电子温度高，而重分子温度接近环境温度，避免了对组织的热损伤。ACP净化机制基于活性氧和氮物种（RONS）的生成，如臭氧（O₃）、单线态氧（¹O₂）、羟基自由基（OH^•）、一氧化氮（NO^•）以及紫外辐射。在密封禽肉包装内直接进行介质阻挡放电（DBD）等离子体处理可在3分钟内使肠道沙门氏菌和空肠弯曲杆菌减少>3.5 log₁₀。主要技术挑战是RONS的强氧化性可能引发脂质和肌红蛋白氧化。Abdel-Naeem等人（2022）评估了氩气和氧气气氛下DBD等离子体对鸡胸肉片的净化效果，发现氩气气氛更有效且未对脂质稳定性、TVBN或烹饪损失产生负面影响。Csadek等人（2023）研究了CAP对即食肉制品的净化效果，对大肠杆菌减少达3 log CFU/g，对李斯特菌约1.5 log CFU/g。Hui等人（2023）发现CAP辅助腌制增强了牛肉红色强度并抑制了不良脂质氧化产物的形成。

3.4. 脉冲光（PL）和脉冲电场（PEF）

脉冲光技术使用短持续时间（100 μs–1 ms）、高能量、宽电磁谱（200–1100 nm）的光闪，富含UV-C辐射范围。PL的杀菌机制是光化学和光热效应。UV-C诱导微生物DNA/RNA中嘧啶二聚体的形成，而脉冲光能引起局部过热和细胞壁破坏。对火腿切片施加总能量3–5 J/cm²的数次PL闪照可在不将产品温度升至4°C以上的情况下减少单核细胞增生李斯特菌。PEF技术涉及用短高压脉冲（1–10 kV/cm）处理食品，诱导电穿孔现象。S?beli等人（2021）评估了脉冲UV-C对生牛肉牛排的影响，4.2 J/cm²剂量使总需氧嗜温菌减少约3.5 log CFU/g。Cassar等人（2021）评估了移动传送带上的脉冲紫外（PUV）光对禽肉切块的净化效果，30 J/cm²时大肠杆菌减少最大。McConnell等人（2025）评估了双面光子净化系统，结合全乙酸（PAA）溶液浸泡获得最佳效果。Baldi等人（2021）发现低能PEF处理鸡胸肉可将滴水损失减少达28.5%。Bolumar等人（2022）优化PEF参数改善牛半膜肌嫩度，低电场强度（0.25–0.50 kV/cm）在14天冷藏后剪切力降低5–10%。

3.5. 旋转和振荡磁场（RMF/OMF）

磁场强度从几毫特斯拉到几十特斯拉不等，影响细胞膜的电荷和水分子偶极子的取向。RMF和OMF的相互作用引起通过膜通道的离子转运紊乱（尤其是Ca²⁺和Na⁺离子），导致微生物膜电位改变和裂解。OMF在冷冻过程中诱导形成大量微小冰晶核，冰晶小且不损伤肌肉组织细胞膜，显著减少解冻时的汁液流失（滴水损失）。旋转磁场与脉冲光的协同效应（RMF-PL）使生猪肉保质期延长30%。Kang等人（2022）评估了PEF和OMF对牛肉过冷储存（?4°C）的影响，发现脂肪含量影响过冷效果，PEF和OMF的协同效应可有效抑制冰核形成，使肉保持过冷状态7天。

1. 4.
   生物保鲜与“清洁标签”趋势

生物保鲜定义为利用天然微生物、其代谢产物或植物来源的天然物质来抑制腐败和致病微生物群的发展。

4.1. 乳酸菌、细菌素和噬菌体疗法

保护性培养物由选定的乳酸菌（LAB）菌株组成，与病原体竞争营养物质和黏附位点，并产生有机酸降低环境pH。后生元（无细胞上清液—CFS）的应用完全消除了活菌细胞不受控发酵和过度酸化的风险。细菌素是LAB产生的高特异性抗菌肽（如乳链菌肽、片球菌素PA-1和肠球菌素），嵌入靶标革兰氏阳性菌细胞膜形成通透性孔道。Ying等人（2025）评估了细菌素XJS01对4°C储存牛肉的保鲜效果，有效抑制微生物生长并减缓腐败过程。Qi等人（2026）分离了植物乳杆菌BL25菌株及其细菌素混合物QBL25，表现出广谱抗菌活性和高稳定性。Rahman等人（2026）综述了LAB及其代谢产物在肉类生物保鲜中的应用，强调细菌素与栅栏技术结合的前景。噬菌体疗法使用特异性感染并破坏特定细菌的裂解性病毒。内溶素是噬菌体编码的裂解酶，从细胞外部攻击肽聚糖结构，绕过细菌防御机制（如CRISPR-Cas系统）。Cui等人（2026）分离了裂解性噬菌体vB_AbaP_P4，在鸡肉上使多重耐药鲍曼不动杆菌减少1.6 log CFU/g。Huang等人（2025）分离了噬菌体vB_EcoM_SD350，在鸡肉和牛肉上分别使大肠杆菌减少0.56–2.88和0.43–3.98 log CFU/g。

4.2. 植物提取物、精油和纳米封装

草药、香料以及果蔬加工业副产物（葡萄籽、柑橘皮、橄榄叶）的提取物富含酚类化合物（迷迭香酸、没食子酸、儿茶素）和单萜（百里香酚、香芹酚、丁香酚），具有强抗氧化和抗菌作用。植物化学物质（如肉桂醛）还表现出强抗群体感应（anti-QS）活性，破坏细菌间通讯的化学途径。精油直接用于肉类的主要技术问题是高挥发性、水溶性差、易氧化和光降解，以及强烈的草本香气。纳米封装通过将活性物质封装在纳米载体中（纳米脂质体、纳米乳剂、固体脂质颗粒、环糊精复合物）解决这些问题。Belloumi等人（2025）评估了六种植物精油的协同组合，头状百里香–黑胡椒组合将禽肉微生物保质期从6天延长至14天。Ghasemi等人（2024）开发了基于羧甲基纤维素（CMC）、秋葵黏液、氧化锌（ZnO）纳米颗粒和含薄荷精油的纳米结构脂质载体（NLCs）的活性可食涂层，精油封装效率>98%。Khalid等人（2024）开发了含石榴提取物纳米颗粒的CMC可降解包装材料，挑战试验中病原体减少达2.6–5.0 log CFU/g。Kutlu等人（2024）通过静电纺丝制备含亚麻籽油和没食子酸的玉米醇溶蛋白纳米纤维，对照样品3天后达微生物可接受性极限，处理样品保持可接受品质达10天。Wang等人（2025）开发了基于玉米秸秆纤维素纳米晶体（CSCNCs）和乙酰化淀粉（AS）的气凝胶活性吸水垫，含百里香酚纳米乳剂（TMO），吸水能力约2210%，封装效率90.35%，使牛肉保质期从约8天延长至12天。

1. 5.
   先进包装系统

5.1. 活性包装和可食涂层

活性包装（AP）以期望方式与包装内容物或内部气氛相互作用。清除系统（氧气和水分吸收剂）抑制需氧菌发育并降低脂质氧化速率；释放系统（膜和涂层）向肉表面直接释放抗菌和抗氧化物质。活性抗氧化包装用农食工业副产物来源的多酚替代合成抗氧化剂（BHT、BHA）。生物聚合物（壳聚糖、明胶、海藻酸盐、聚乳酸—PLA）制成的生物膜和可食涂层掺入天然生物活性剂或纳米材料（ZnO、银纳米颗粒AgNP）。壳聚糖除作为载体外，其聚阳离子结构本身具有杀菌特性。Chotprom等人（2026）开发了基于鱼明胶和海藻酸钠、富含柠檬草精油和蝶豆花花青素指示剂的可降解智能包装系统，用于禽肉。Luo等人（2026）开发了结合抗菌功能与新鲜度实时监测的牛肉包装系统，由含氧化单宁-铜复合物（CuTAQ）的聚乙烯醇/壳聚糖（PVA/CS）活性膜和含紫薯花青素的智能PCP指示剂组成，4°C下保质期延长至8天。Ahmad等人（2026）利用明胶、壳聚糖和海藻酸钠双层生物聚合物基质，掺入MIL-100(Fe)金属有机框架纳米颗粒和含甜菜红素的甜菜根提取物，将牛肉保质期延长约3天。

5.2. 智能新鲜度指示剂和比色系统

智能包装（IP）设计用于监测包装食品或其周围环境状况并向用户传达信息。肉类腐败过程中，蛋白质降解形成挥发性氮碱（TVB-N：氨、二甲胺、三甲胺）并改变pH。智能新鲜度指示剂通常是放置在包装内的比色标签，含有对pH和TVB-N敏感的变色染料。最新生态趋势是用富含花青素（紫薯、红甘蓝、黑莓）或姜黄素的天然植物提取物替代合成染料。Yong等人（2022）证明掺入壳聚糖膜的花青素对pH变化表现出从红色（酸性环境）经紫色到绿色和黄色（碱性环境）的多色响应。静电纺丝聚合物纳米纤维垫具有巨大表面积体积比，显著缩短指示剂响应时间。除TVB-N检测外，二氧化碳和硫化氢浓度指示剂也在开发中。最新创新是将比色系统与移动应用集成，通过智能手机摄像头扫描包装上的比色代码，算法分析颜色空间变化。Xu等人（2026）开发了基于PVDF膜含茜素和FITC的比色-荧光传感器阵列（CFA）结合深度学习模型，ResNet-152模型在自然光和紫外光下分类准确率分别达95.82%和97.88%，移动应用可在约130毫秒内评估肉新鲜度。Wang和Takai（2026）开发了基于PVA/壳聚糖水凝胶含共价键合pH指示剂酚红的智能气体传感器，XGBoost模型对TVB-N的R²达0.99，分类准确率高达90%。

1. 6.
   工业4.0：人工智能、机器学习和物联网

6.1. 物联网（IoT）和数字冷链

物联网架构能够从屠宰场经物流运输到商店柜台连续监测环境参数（温度、相对湿度、气体浓度）。IoT传感器与无线RFID标签和NFC配对记录每批货物的温度历史。区块链技术保证记录数据的完全透明和可追溯性。数字冷链（DCC）基于IoT架构，使用无线传感器网络（WSN）、有源和半有源RFID标签以及BLE信标。现代IoT传感器节点同时记录相对空气湿度（RH）、运输中的冲击和振动、光照水平以及货舱中的气体浓度（CO₂、O₂和氨）。肉品物流中无线电信号衰减问题通过低功耗广域网（LPWAN，如LoRaWAN和NB-IoT）结合边缘计算架构解决。数字孪生（DT）概念是物理肉类负载的虚拟产品模型，处理来自IoT传感器的实时遥测数据流并进行预测性微生物模型（Baranyi-Roberts模型或Arrhenius方程）和流体动力学（CFD）模拟，计算动态剩余保质期（RSL），基于FEFO策略实现资源分配。IoT传感器数据与分布式区块链账本集成，智能合约（SC）技术自动化接收和财务程序。

6.2. 人工智能（AI）、机器学习（ML）和高光谱成像（HSI）

高光谱成像（HSI）结合数字摄影与光谱学优势，为每个图像像素提供空间和光谱信息。HSI数据由机器学习算法（如卷积神经网络—CNN、偏最小二乘回归—PLSR）分析，可在数秒内完全非接触、非破坏性地测定水分含量、脂肪水平、TVB-N指数、肌红蛋白氧化程度并检测微生物污染。电子鼻（e-nose）和电子舌（e-tongue）是模仿人类感觉器官的气体和电化学传感器阵列，数据由ML算法（如支持向量机—SVM、随机森林）分析，可区分肉类新鲜度等级。