水产品是人类重要的食物来源,2021年我国水产品总产量6 690.29万t[1]。我国地域辽阔,跨越了赤道带、热带、亚热带、暖温带、中温带和寒温带等6个温度带,其中亚热带、暖温带和中温带区域占全国面积的70%[1]。水产品因其自身高水分、高蛋白的特点,在储运、销售等过程中品质劣化比例较谷物和畜禽肉类高[2],约有20%～22%的初级农产品因水分变化、蛋白质水解、脂质氧化和微生物作用等原因造成品质劣化,失去商业价值。而低温保藏是目前初级农产品尤其是水产品贮藏应用最广泛的手段[3-5]。水产品拥有极其丰富的颜色,是反映其品质的最重要和最直接的标准[6-7]。在低温保藏过程中,水产品的色泽会随着保藏时间的延长发生显著劣化,从而影响其感官品质与商品价值。然而,目前国内外针对水产品低温保藏过程中颜色变化的综述还相对较少[8-11]。
水产品可食用部分中绝大部分是肌肉,水作为肌肉中含量最高的组分,同时也是最重要的化合物和溶剂,它的变化对水产品中其他组分的变化及整个产品在贮藏、加工过程中的品质变化有着重要影响[6,8]。而肌肉中除去水分后的最主要组分就是蛋白质。与陆地上的温血哺乳动物不同,绝大多数水产原料是冷血动物,它们的蛋白质结构较为柔软,能更好地在不同温度下发挥生理功能,这也是水产品的贮藏及流通相对畜禽肉更为困难,更需要在低温条件下进行的重要原因[8,11-13]。水产品特别是鱼贝类水产品脂肪中含有多不饱和脂肪酸,容易发生自动氧化,其过氧化物分解的产物和水产品低分子含氮物质共同作用,会产生异味、臭味[11,13-14]。动物性水产品体表携带有大量微生物,其死后在微生物作用下,体内的蛋白质、氨基酸及其他含氮物质被分解为氨、三甲胺、硫化氢、组胺等低级产物,产生具有腐败特征的臭味,严重影响水产品品质[8,11,15]。水产品肌肉中各组分的变化不仅会导致营养品质的变化,也会直接引起色泽品质的变化。本文重点针对水产品低温保藏过程中因水分变化、脂质、蛋白质变化和微生物变化等引起的水产品色泽劣化以及护色方法进行综述,旨在为水产品在低温保藏期间色泽品质维持提供理论参考。
1 低温技术在水产品中的应用
为了保持水产品品质和延长产品货架期,常用的保藏技术有低温保藏、干制加工、腌制加工、无菌包装和真空技术等,而低温保藏在水产品生产流通以及与产品加工相结合的领域中应用最为广泛[3,8,11]。新鲜水产品在常温下放置时很容易发生腐败变质,采用冰藏、冷海水和冷冻等低温保鲜技术,可使其体内酶和微生物的作用受到一定程度的抑制[3,8-12]。水产品低温贮藏根据物料中水分是否冻结,主要分为冷藏、微冻和冻藏[11]。
冷藏是利用冰或冷海水作为媒介,将温度降低到接近冰点,并且不会导致冻结的一种保鲜方法[13]。在冷藏温度下微生物和酶的活性受到轻微抑制,能在短时间内保持水产品的质量,但是微生物和酶活未完全抑制,水产品货架期短。王建辉等[14]研究草鱼肌肉脂肪在冷藏(2～4 ℃)条件下的水解和氧化规律,结果显示,在冷藏过程中草鱼肌肉脂肪的水解和氧化不断发生,脂肪酶和脂肪氧化酶加速了脂肪的水解和氧化降解。冷藏结合其他包装方式,如高体积分数 CO2 气调包装结合冷藏等也都可有效抑制酶活和微生物,达到抑菌、抑黑变的效果,满足贮藏流通要求[13]。
微冻是指通过将产品的温度降低到冰点以下的1～2 ℃来冷冻的过程[11]。对于微冻保存,冰晶的形成抑制了微生物的生长,与冻藏相比,它引起的蛋白质变性和结构损伤更少。但是温度波动产生冰晶,且微冻保藏对设备要求高。汪经邦等[9]研究暗纹东方鲀在微冻(-3 ℃)、冰温(-1 ℃)、冷藏(4 ℃)、10 ℃和15 ℃对肌肉组织中水分迁移、质构和外观颜色的变化,在低于冰点的微冻状态下,肌肉组织中形成的冰晶对对细胞的骨架结构造成了损害,导致解冻后鱼的硬度明显下降。微冻保鲜相比于冷藏保鲜,产品货架期增长,能有效保持水产品品质及其组织结构的完整性。
冻藏是利用低温来将水产品的中心温度降到-15 ℃以下,使水产品中的大部分水分冻结,然后在-18 ℃以下进行贮存[13]。在冻藏过程中,形成的冰晶严重破坏微生物细胞,抑制几乎所有微生物和内源酶的活性;保证水产品长期贮存和配送的安全,同时阻碍产品中的化学和微生物变化。冻藏中形成大而不规则的冰晶,严重降低水产品质量[8,11,16-17]。杨巨鹏等[16]比较了不同解冻方式对液氮冻结养殖大黄鱼品质特性的影响,发现一般冷冻(-18 ℃)和快速冷冻(-25 ℃和-35 ℃)后冷冻鱼的肌原纤维的超微结构变化。一般冷冻肌原纤维结构的恶化程度比快速冷冻更深,快速冷冻对大黄鱼肌纤维结构的破坏较小。
低温保藏可在一定程度上达到延长水产品品质的目的,但消费者在评价低温保藏的水产食品时,常常会与鲜品作对照,在价格、质量、营养和安全性等方面作综合比较。而水产品在低温保藏过程中色泽品质会因水分迁移、水冰相变、脂质氧化、蛋白质变性和微生物作用等因素而出现较大波动,影响其商品价值。
2 低温保藏过程中水产品色泽的劣化
2.1 水分变化对色泽的影响
2.1.1 水分迁移
水产品在捕捞、生产、加工、运输、贮藏等过程中其色泽品质会发生较大变化[18-22]。水产品肌肉中的水分类型根据其在低场核磁共振中的弛豫时间主要分为结合水、固定化水和自由水[18]。水产品在低温保藏过程中由于温度变化引起其肌肉中水分状态发生迁移,从而导致产品品质发生劣化。色泽是水产品重要的感官指标,通过检测其色差值,即L*(明亮度)、a*(红绿值)、b*(黄蓝值)等值来反映色泽变化,同时通过计算色差值来计算白度值也可以反映色泽的变化。WANG等[23]分析了冷冻条件下大眼金枪鱼水分动力学与蛋白质变化间的联系,并发现样品蛋白质劣化与保藏期间水分变化显著相关,从而导致肌肉颜色发生改变。YU等[18]在研究大西洋鲑鱼的研究中发现,颜色变化受贮存时间的影响,长期冻藏会导致大西洋鲑鱼肌肉的颜色由白色变向黄色。与较高的贮存温度相比,-60 ℃贮存减少了滴水损失(占总质量的2.0%),对肌肉颜色具有一定程度的保护作用[18]。郝淑贤等[19]研究表明,虾仁解冻后-80 ℃冷冻组的L*值低于-18 ℃冷冻组,可能是由于-18 ℃时冰晶的形成较多,导致持水性下降,溶解后组织表面的自由水的增加,增加光的反射率导致L*值增加。汪经邦等[9]对暗纹东方鲀在微冻、冰温、冷藏、10 ℃ 和15 ℃贮藏条件下的水分迁移和色泽的变化进行研究,不同温度组的白度值随着贮藏时间延长呈上升的趋势。贮藏过程中水分流失可能引起鱼肉白度值的变化。水分迁移不仅会会引起水产品肌肉表面光反射率的变化,还会导致肌肉中各组成含量的变化从而引发一系列的化学变化,如脂肪氧化、蛋白质变性、酶活性的改变等使水产品色泽发生改变。
2.1.2 水冰相变
水产品在低温保藏过程中水分达到冰点时,就会发生水冰相变产生冰结晶现象。由水到冰的相变过程主要包含了冰晶的形成和生长2个主要的连续过程,它决定了冰晶的大小、形态和分布等特性[6,11]。同时冰晶作为水组分在水产食品中的固态存在形式,也是反映低温保藏水产品品质的关键因素[8,13]。此外,冰晶的形成还会对水产品肌肉中其它组分如,蛋白质、脂质、微生物等的变化产生重要影响。当温度降到冰点以下时,水产品体内水分冻结成冰,造成不良的渗透条件,使微生物无法利用周围的食料,阻碍了其生命活动。同时,固态水也无法为内源酶发挥活性提供溶液环境[15,18]。
KONO等[24]在研究鲑鱼鱼片冻结速率、冰晶大小和表面颜色间的联系时发现,经快速冻结后的鱼片呈白色和较少的红色,这是由于食品表面形成大量细小的冰晶造成表层光的散射,使水产品的整体颜色变浅。ZHANG等[25]通过测定L*、a*和b*来判断冷冻贮存期间南美白对虾的颜色变化,与对照组和片状冰块处理组相比,冰浆处理组显示明显具更高的的L*值和较低的b*值。虾的L*值趋于下降,a*和b*值在贮存期间趋于增加,这意味着样品变得更黑、更红和更黄,从而失去商品价值。于丽霞等[26]对罗氏沼虾冻藏期间品质变化进行了研究,结果表明,低温冻藏能显著延长产品货架期超过100 d,但在冻藏30 d 后由于冰晶的形成和生长,导致肌肉组织结构遭到显著破坏,色泽品质严重下降。
水转化为冰后体积会增加约6%～9%,体积的膨胀会产生局部压力,使具有细胞结构的水产品受到机械性损伤,造成水产品色素流失[8,11,27];或者使得细胞内的酶与底物发生接触,导致蛋白质变性、脂肪氧化,影响产品色泽[28-30]。同时由于水产品在冻藏过程中细胞内、外冰结晶形成速率的不同,会造成水产品物料内水分的重新分布并产生渗透压差,导致胞内的水分向胞外转移引起细胞脱水,使蛋白质在高浓度溶液中暴露过长时间而造成损伤,引起水产食品体系的理化性质发生改变[31-34]。再者,由于冰晶的生成使得胞内残留溶液中其他物质的浓度增高,水产品中的蛋白质会在高浓度的盐或重金属离子的作用下发生变性,导致水产品色泽发生变化[35-37]。
2.2 肌肉中蛋白质和脂肪变化对色泽的影响
水产品肌肉中除去水分后的最主要组分是蛋白质,并含有脂肪、多种维生素和无机质,也含有少量的碳水化合物[11,18]。其中,蛋白及脂肪对水产品低温保藏过程中颜色的影响最为明显。研究表明,大眼金枪鱼在-25 ℃冻藏条件下,高铁肌红蛋白酶始终保持一定活性,可将高铁肌红蛋白还原为二价的肌红蛋白,从而保持了鱼肉色泽的稳定[38]。蓝鳍金枪鱼在-18 ℃条件下,由于脂肪氧化和肌红蛋白氧化作用生成高铁肌红蛋白,导致鱼肉在保藏过程色泽发生褐变[39]。金枪鱼肉色主要是由脱氧肌红蛋白、氧合肌红蛋白与高铁肌红蛋白等3种肌红蛋白的相对含量所决定,它们可以通过氧化还原反应相互转变,从而使鱼肉呈现出浅红、暗红和褐色等颜色[10,23,38-40]。暗纹东方鲀在不同低温保藏条件下其鱼肉白度值会出现显著上升趋势,这是由于不同贮藏温度下鱼肉中的水相变化显著,引起肌红蛋白发生氧化反应导致鱼肉色泽产生变化[9]。李学英等[41]以盐溶性蛋白含量、硫代巴比妥酸反应物为指标,研究了贮藏温度对南极磷虾品质变化的影响。结果显示,低温冻藏有利于提升磷虾货架期,但随贮藏时间的延长,磷虾肌肉的持水能力迅速下降,蛋白质变性和脂肪氧化的程度也逐渐升高,产品色泽发生劣化。作者团队前期研究发现,斑节对虾在冻藏条件下肌肉品质可在一定时间范围内得到较好的维持,但甲壳会出现较大面积的褪色现象(图1)。研究发现,虾类属于高蛋白低脂类水产品,其脂肪含量较低,脂肪氧化对产品色泽的影响较鱼类小[11]。斑节对虾中存在一类由脱辅基蛋白结合色素而形成的色素结合蛋白,它们在甲壳动物色泽变化中有着关键作用。低温保藏过程中,在低温和水分变化的共同作用下,蛋白质发生变性,导致甲壳类水产品色泽发生劣化[5,11-12]。
2.3 微生物对色泽变化的影响
微生物作用会促进水产品品质劣化,低温和冰晶的形成会在一定程度上抑制微生物作用[8,11,18,27]。但水产动物原料上附着的大多数是嗜冷微生物,如假单胞菌属、无色杆菌属、黄色杆菌属等,它们的生长最低温度可达-10 ℃,在低温环境中嗜冷微生物仍存在一定生物活性[42-45]。微生物是水产品生产、加工、运输过程中发生腐败的最重要因素之一。
陶飞燕等[42]曾借助高通量测序技术对微冻贮藏条件下南美白对虾体表微生物与色泽的变化进行了研究。研究结果显示,体表微生物的种类和比例随贮藏时间的延长差异显著。其中,在属水平上,新鲜对虾中的主要菌属表现为弧菌属,微冻贮藏4周后,假单胞菌属、希瓦氏菌属和嗜冷菌属取而代之,成为各组样品的优势菌属,导致对虾甲壳色泽变暗并产生难闻气味。部分特殊分布的微生物如红细菌目、弓形菌属等也与南美白对虾的色泽劣化有一定关系[25]。另有报道表明,经高压电场低温等离子体杀菌处理的远海梭子蟹在4 ℃保藏12 d后,蟹肉颜色较对照组变白,但整体品质无显著变化[26];斑节对虾4 ℃冷藏4 d 后肌肉品质出现劣化现象,但色泽未出现显著变化[27];南美白对虾在-25 ℃冻藏第4周后肌肉颜色呈现黑变现象[28]。微生物与水产品品质变化的研究多集中在保藏过程中对肌肉品质劣化方向,对水产品低温保藏过程中色泽的研究也多用于辅助解析肌肉品质的变化规律,对水产品色泽品质的研究还有待加强。
A-斑节对虾冻藏过程中表面疏水性与Ca2+-ATPase的变化;B-总巯基与羰基的变化;C-TCA溶解肽与肌原纤维小片化指数的变化; D-甲壳颜色的变化
图1 斑节对虾冻藏过程中甲壳颜色的变化
Fig.1 Shell color change of black tiger shrimp during frozen storage
2.4 酶对色泽变化的影响
虾类等甲壳类水产品在生产、加工及运输、保藏过程中容易发生黑变,严重影响了其感官品质。黑变过程主要起始于虾的头胸部,然后扩散至虾尾[3-4,8,11]。研究表明,酚氧化酶在有氧条件下催化生物体中的酪氨酸等色原物质转变成L-3,4-二羟基苯丙氨酸,而后其转变成醌类物质,醌类具有很高的活性,极易氧化为深棕色的黑色素或与蛋白质反应形成交联聚合物,最终导致虾体黑变[3,25,36]。黑变过程包括酶促褐变:酚氧化酶参与的L-3,4-二羟基苯丙氨酸的形成,以及自发的非酶促反应:苯醌类物质的聚合反应。参与酶促反应的酚氧化酶是黑变的限速酶,抑制其活性对虾类水产品色泽变化具有重要意义[36-37,41]。曹荣等[45]研究了一种不含亚硫酸盐的复合型鹰爪虾防黑变抑制剂,通过植酸和EDTA作为螯合剂,可有效抑制酚酶活性从而达到良好的防止黑变的效果,且对人体无毒副作用。ZHANG等[25]研究发现与片状冰相比,泥浆状的冰具有更好抑制对虾黑变的效果,主要是由于冰浆能更有效、快速地使虾体降温从而达到抑制酶活的效果。酶氧化酶与细胞中模式识别蛋白、丝氨酸蛋白酶等构成的级联反应激活机制仍不明确,此外,具有酚氧化酶活性的蛋白质,血蓝蛋白对虾类水产品色泽变化的影响机理也仍有待进一步研究。
3 护色方法
3.1 改善包装方式
将低温贮藏与改善包装方式相结合可以延缓水产品色泽变化。气调包装是一种在食品包装中填充一种或多种气体以延长食品的新鲜度的包装方式[11,18,27]。近年来,气调保鲜在水产品保鲜中的应用日益广泛,运用低温与气调包装技术相结合可有效抑制酶活性,是一种有效抑制水产品色泽劣化的方法。程智蓁等[46]在4 ℃下研究了气调包装和空气组包装的草鱼品质变化,结果表明在贮藏期间气调组的色差值低于空气组,说明高浓度的CO2可以在一定程度上抑制鱼的颜色变化,使草鱼保持较好的色泽品质。刘梦等[47]研究黄鳍金枪鱼在不同气体比例条件下解冻及后续贮藏期间的品质变化,结果显示气体比例对金枪鱼肌肉解冻后色泽的明亮程度有显著影响。这是由于高CO2含量的气调包装组pH值较低,导致鱼肉持水力下降,水分浮于鱼肉表面,光线反射增强,导致其明亮程度增大。
食用薄膜和涂层是活性包装中的技术之一,主要用于保存食品和延长其保质期[8,11,27]。当细胞无法调节色素产生并表现为黑点时,就会发生黑变,这种现象在甲壳类水产品尤其是虾类水产品的保藏过程中最为显著。聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(1,4-benzenedicarboxylic acid, PBAT)和聚乳酸(polylactic acid, PLA)是主要的商用生物塑料材料,具有生产可生物降解包装的潜力。ALPARSLAN等[48]研究了富含橙叶精油的食用明胶包衣溶液对冷藏贮存中深水粉红虾的质量和保质期的评估。含有橙叶油的明胶制备的食用涂层可使虾体表颜色保持较高明亮度,一定程度上延长了产品的色泽货架期。LAORENZA等[49]开发了一种含有香芹酚,柠檬醛和α松油醇精油的PBAT/PLA活性膜,以减缓南美白对虾在低温贮藏过程中黑变。
3.2 涂膜保鲜
水产品护色抑制措施也可以通过低温结合可食用涂层处理来达到延缓色泽劣化的目的。用于涂抹(涂层或包裹)食物以延长其保质期的可食用材料均被定义为可食用膜。可食用膜主要以生物大分子为基础,辅以增塑剂、抗菌剂或抗氧化剂,经过一定的工艺处理过程制成薄膜[8,27,50]。KHAZAEI等[51]研究在4 ℃南美白对虾的颜色变化,在贮存20 d后,使用罗勒籽胶涂层可以有效地延缓颜色变化,并且涂层溶液的浓度越高,越能带来更好的色泽保护。
单一的涂层效果因其局限性,且考虑水产品易腐败变质的特殊性,选择多种成膜基材可提高膜的护色保鲜效果。YUAN等[52]研究了壳聚糖(chitosan,Ch)包衣与石榴皮提取物(pomegranate peel extract, PPE)对冰藏南美白对虾色泽的影响,随着贮藏时间的延长,ΔE值总体呈逐渐增加趋势,但Ch包衣、PPE和Ch包衣+PPE处理虾的ΔE值显著低于对照虾(P<0.05)。ΔE值表示虾在贮藏开始时和贮藏期后的色差大小,结果表明Ch包衣与PPE联合使用可抑制南美白对虾的色差变化。李凯龙等[53]通过在草鱼片上添加含肉桂精油(cinnamon essential oil, CIN)的Ch涂层。结果显示,与对照组相比,随着冷藏时间的延长,Ch和Ch+CIN涂层草鱼片的质量明显改善(P<0.05),Ch和CIN的联合涂层效果更好。Ch+CIN涂层的草鱼片在冷藏第16天没有出现明显的颜色变化。通过对比单一涂层和联合涂层,联合涂层的协同作用能够达到更好的护色和保鲜效果。涂膜技术不仅可以直接调整水产品色泽品质,其采用的涂膜材料,如Ch、藻多糖等物质还有一定的抗氧化、抑菌能功能,从而实现水产品护色的目的。
3.3 新型食品保鲜技术
新型食品保鲜技术如高压静电场,在水产品保藏领域中的应用受到了广泛关注[54]。高压静电场(high-voltage electrostatic fields, HVEF)是由高压电源和两个平行板形成的人工静电场。电场强度可以通过改变输出电压或电极板之间的距离来调节[55]。LIU等[55]研究不同强度HVEF冷冻处理后大管鞭虾的质量变化,随着电场强度的增加,a*和b*增大并逐渐接近新鲜样品,用更强的HVEF处理的虾具有更高的L*和更明亮的颜色。在选择电场强度时要结合其他质量指标和能源消耗等因素进行选择。
纳米材料作为一种前沿性、交叉性的新兴材料,正在成为一个热门的研究领域。与普通材料相比,纳米材料具有耐热、抗菌、耐氧化、抗拉强度高等优点[56]。纳米级材料已通过抑制冰的形成或与水产品成分的相互作用而发展为冷冻保护剂,还可以通过其高渗透性实现对水产品的直接冷冻保存[57]。CHOULJENKO等[58]制备了Ch-三聚磷酸钠纳米颗粒溶液,并对其在对虾冷冻贮藏期间品质维持作用进行了评价。在初始贮藏期,处理间a*值无显著差异。在贮藏120 d时,Ch-三聚磷酸钠的a*值显著低于蒸馏水组和未处理组(P≤0.05)。对虾在低温长期保藏过程中a*值的变化主要是由于肌肉中脂质氧化所引起的,而Ch-三聚磷酸钠可有效隔绝空气降低脂质氧化程度,维持较好的肌肉色泽。刘善智等[59]探讨了迷迭香精油壳聚糖纳米粒对冷藏(4 ℃)草鱼鱼肉的保鲜效果。结果表明,迷迭香精油壳聚糖纳米粒处理组在贮藏7 d后较对照组仍可维持鱼肉有光泽。迷迭香精油壳聚糖纳米粒处理可有效改善鱼肉的外观色泽,延长产品色泽货架期时间。
4 结论
低温保藏可延长水产品的货架期,较好地维持水产品的营养价值和风味。但水产品在低温保藏过程中色泽品质会出现较大波动,影响其商品价值。因此,通过研究水分、蛋白质和脂肪变化以及酶、微生物作用等对鱼、虾、贝、藻等水产品在低温保藏过程中色泽劣化,对提高水产品加工行业具有重要意义,也可以为有针对性地采取护色方法提供技术支撑。目前护色技术多以低温结合气调包装、涂膜技术等形式应用于水产品保藏领域,高压静电场、超高压、高密度二氧化碳和纳米材料等技术由于成本较高、操作过于复杂、对场地和人员要求过高等原因应用较少。不同水产品因其原料特性不同、保藏手段不同、产品应用市场不同,其产品色泽变化的机理也存在一定的差异,明确不同水产品在低温保藏过程中共有及特有的色泽劣化机制,降低新技术应用成本与门槛,是水产品低温保藏护色领域的发展趋势。
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