Innovative strategies to enhance the red colour of nitrite-free meat products

The thesis aimed to investigate various natural strategies as an alternative to the use of synthetic nitrites, primarily with the intention of improving and maintaining the red colour of meat products. The research project first investigated whether several coagulase negative staphylococci (CNS) could use L-arginine – the initial amino acid involved in the nitric oxide synthase (NOS) pathway, whose degradation produces L-citrulline and nitric oxide – as an alternative energy source in meat. The study therefore emphasised the importance of the staphylococcal NOS pathway as a potential technological solution for enhancing the redness of nitrite-free meat products. In addition to evaluating the impact of staphylococcal cultures on the colour of fermented beef, a targeted metabolomics-based approach was employed to further investigate the NOS pathway. Additionally, this research work aimed to explore the potential of using the NOS-positive CNS strains that showed promise in the initial trial, a ZnPP-rich porcine liver extract, and NATPRE T-10 CUR HT (a commercially available polyphenol-rich plant ingredient) – either individually or in combination – to produce red nitrite-free dry-fermented pork sausages. Nine different model sausage treatments were prepared and ripened, and their colour attributes were investigated alongside technological microbiota counts, water activity, pH, moisture content, hemin and nitrosyl-heme amounts, ZnPP content, aqueous extract analyses, and urea-PAGE electrophoresis. Previously evaluated colour and technological quality parameters were combined with untargeted metabolomics and lipid peroxidation, and integrated with sensory odour evaluation. The aim of these analyses was to gain a deeper insight into the aroma characteristics of dry-fermented sausages and to identify the most promising formulation in terms of not only redness retention, but also chemical and sensory perspectives. Specifically, meat inoculated with NOS-positive staphylococci exhibited a colour similar to that of traditional nitrite-cured products. Interestingly, these selected bacteria imparted a red colour regardless of the initial meat source (pork or beef) or the ripening conditions (22 °C and 85% relative humidity for 10 days, or 8 °C and 60–75% relative humidity for 21 days). Furthermore, incorporating staphylococci into the sausage recipe had no negative impact on the metabolomic profile or sensory attributes of the final products; rather, it contributed to the development of the typical dry-curing odour. Therefore, these NOS-positive strains appear to be the most promising alternative to nitrites. In addition, dry-fermented pork sausages formulated with the polyphenol-rich ingredient showed comparable chemical and olfactory characteristics to nitrite-cured products, representing a suitable alternative to synthetic additives. Conversely, ZnPP-containing treatments exhibited a colour similar to that of traditionally cured products, despite their significantly different chemical, metabolomic, and olfactory profiles. Therefore, in order to improve the impact of the ZnPP-rich extract on the final product, the extraction method needs to be optimised. In conclusion, the results of all the analyses and tests conducted during this study suggest that the proposed innovative strategies could allow meat processors to replace synthetic additives in their products without compromising quality.

L'obiettivo della ricerca era quello di indagare diverse strategie naturali come alternative all'uso dei nitriti di sintesi, principalmente con l'intento di migliorare e preservare il colore rosso dei prodotti a base di carne. Le prime analisi sono state effettuate con l'obiettivo di valutare la capacità di diversi stafilococchi coagulasi-negativi (CNS) di utilizzare l'aminoacido L-arginina, coinvolto nella via dell'ossido nitrico sintasi (NOS), la cui degradazione produce L-citrullina e ossido nitrico, come fonte energetica alternativa nella carne. Lo studio ha quindi evidenziato l'importanza dell'attività NOS degli stafilococchi come potenziale soluzione tecnologica per migliorare il colore rosso dei prodotti a base di carne privi di nitriti. Per indagare ulteriormente l'attività NOS e valutare l'impatto delle colture stafilococciche sul colore della carne bovina, è stato impiegato un approccio metabolomico mirato. Oltre a esplorare il potenziale dell'utilizzo dei ceppi NOS-positivi, il progetto ha anche esaminato l'uso di un estratto di fegato suino ricco di zinco protoporfinina (ZnPP) e di NATPRE T-10 CUR HT (un ingrediente vegetale ricco di polifenoli), sia singolarmente che in combinazione, per produrre salsicce di suino di colore rosso e prive di nitriti. Sono state preparate nove formulazioni diverse e l’analisi degli attributi di colore è stata abbinata alle conte microbiologiche, all'analisi dell'attività dell'acqua, al pH, al tenore di umidità, ai livelli di emina, nitrosil-eme e ZnPP. Questi parametri sono stati poi combinati con analisi metabolomiche untargeted e di perossidazione lipidica, e successivamente integrati con la valutazione sensoriale olfattiva. Lo scopo di queste analisi era acquisire una comprensione più approfondita delle caratteristiche aromatiche dei prodotti finiti e identificare la formulazione più promettente, non solo in termini di colore rosso, ma anche dal punto di vista chimico e sensoriale. In particolare, la carne inoculata con stafilococchi NOS-positivi ha mostrato un colore simile a quello dei tradizionali prodotti addizionati con nitriti. Inoltre, questi batteri selezionati hanno conferito un colore rosso indipendentemente dalla matrice iniziale (carne bovina o suina) e dalle condizioni di stagionatura (22 °C e 85% di umidità relativa per 10 giorni o 8 °C e 60-75% di umidità relativa per 21 giorni). Inoltre, l’aggiunta di stafilococchi non ha avuto alcun impatto negativo sul profilo metabolomico o sulle caratteristiche sensoriali dei prodotti finiti, contribuendo invece a sviluppare il tipico odore di prodotto correttamente stagionato. Questi ceppi NOS-positivi sembrano quindi rappresentare l'alternativa più promettente ai nitriti. Inoltre, le salsicce formulate con l'ingrediente ricco di polifenoli hanno mostrato caratteristiche chimiche e olfattive paragonabili a quelle dei prodotti stagionati con i nitriti, rappresentando una potenziale alternativa agli additivi di sintesi. Invece, sebbene i trattamenti contenenti ZnPP abbiano mostrato un colore simile a quello dei prodotti tradizionali, i loro profili chimici, metabolomici e sensoriali erano significativamente diversi. Pertanto, al fine di migliorare l'impatto dell'estratto ricco di ZnPP sul prodotto finito, si rende necessario ottimizzare il metodo di estrazione. In conclusione, i risultati di tutte le analisi e dei test condotti nel corso di questo studio suggeriscono che le strategie innovative proposte potrebbero rappresentare valide alternative per sostituire i nitriti nei prodotti a base di carne, senza comprometterne la qualità.