由于水产品适口、营养丰富的特点,其受欢迎程度越来越高。据国家统计局发布《中华人民共和国2021年国民经济和社会发展统计公报》:2021年水产品产量6 693万t,比2020年增长2.2%[1]。然而水产品易受内源酶、微生物及外界环境的影响而腐败变质。随着人们消费水平提高及对营养需求增加,新鲜水产品的消费市场占比逐渐加大,因此近些年国内外学者对水产品贮藏与保鲜方面的研究也层出不穷。
低温贮藏是保持水产品新鲜度的常用方法之一。其原理是制造低温条件抑制微生物生长和内源性酶活性,延缓蛋白质和脂肪的氧化。常用的低温贮藏方法有冻藏、微冻、冰藏、冷藏等,其中,冷藏和冻藏在食品工业中已广泛应用,冻藏使水产品处于冻结状态,有效抑制了微生物生长繁殖和酶活性,减缓体内生化反应进程,使得水产品货架期可长达数月,并能长期保持水产品原有的色、香、味和营养价值。但经长期冻藏,冰晶的形成及生长使水产品组织结构遭到破坏、蛋白发生冷冻变性、脂质氧化、质地劣变等,从而导致其质量的损失和下降[2]。传统的冷藏保鲜(0～4 ℃),食品内部水分几乎不结晶,但食品的货架期较短[3]。冰藏保鲜是指将水产品贮藏在冰点附近温度,具有操作方便、冷却无需动力、不发生蛋白冷冻变性、能在短期内维持水产品新鲜度等优点,但是冰藏温度范围较窄,对温度控制较为严格,可通过添加糖、盐类物质扩大冰点范围,同时,增加了运输成本且货架期仅为冷藏的1.4倍左右[4]。
微冻是将产品贮藏温度控制在其冰点以下1～2 ℃的温度带内,约为-1～-4 ℃,因具体产品而异[5]。微冻只产生少部分冰晶,细胞受破坏程度小,汁液流失率低、鱼肉质构差异不大,能较好保持鱼肉独特的风味,且微冻保鲜耗能少,成本较低,可使产品的货架期延长至冷藏的1.5～4倍[6]。然而冷冻产品最大冰晶生成温度带与微冻温度范围稍有重叠,且贮藏温度的波动容易导致再结晶,大大加速鱼肌肉结构破坏和质量恶化。近年来研究者多采用微冻复合其他保鲜技术对水产品进行保鲜,充分发挥协同作用,达到综合保鲜的效果。笔者基于水产品腐败机理及冰晶产生引起品质变化进行探讨,阐述了微冻保鲜技术的应用及微冻复合保鲜方法的最新进展,并展望了微冻技术的不足及发展趋势,为微冻技术的进一步发展提供参考。
1 水产品腐败机理及品质变化
1.1 微生物腐败
微生物腐败是导致鱼品质下降主要因素,严重情况下可导致市售鱼损失25%～30%[7]。影响水产品微生物菌群的因素如图1所示。水产品在捕捞、加工、运输等过程中遭到各种细菌的污染,再加上其本身营养成分高、pH近中性,为微生物提供了很好的“培养基”,导致微生物在体内快速生长,在繁殖过程中会分泌酶类代谢物(如蛋白酶、脂肪酶),从而使鱼体内基本营养基质分解, 并生成三甲胺、生物胺、有机酸、醛醇及硫化物等不良风味物质,对消费者感官造成不良影响。
图1 鱼类微生物区系的影响因素
Fig.1 Influencing factors of microbiota composition in fish
然而并不是所有微生物都会引起鱼体腐败,往往只有小部分微生物会大量繁殖并产生腐败代谢产物,最终引起水产品腐败,这部分微生物被称为特定腐败微生物(specific spoilage organisms,SSO)。每种鱼类都有其特定的微生物菌群,因受到很多因素的影响而发生腐败(如贮藏时间、贮藏条件、质量控制方法及微生物的耐受性等)。如假单胞菌属是气调包装的大西洋鲑鱼和含2%盐的鳙鱼的SSO,而气单胞菌是无盐鳙鱼的SSO[8]。虽然不同条件下的SSO都不同,但有研究者发现一旦达到感官拒绝点之后,微生物群落能保持相对稳定,如当大口黑鲈鱼片感官上不可接受时,气单胞菌属其次是假单胞菌属为主要的腐败菌,贮藏后期,假单胞菌属占总菌群的58%[9],即在鱼体腐败后的微生物菌属是趋于稳定的。因此在鱼保鲜过程中区分腐败菌与非腐败菌是较为关键的。
1.2 内源酶作用
生物体死亡后,许多内源性酶在一定的温度和湿度环境中仍然活跃,并参与水产品腐败前后的生理变化[10]。首先是三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)及其相关产物的酶促降解,破坏了鱼体肌肉纤维结构,释放Ca2+进入血浆中,激活肌原纤维粗丝中的ATP酶即核苷酸分解酶,使得ATP降解为次黄嘌呤最后形成尿酸。鱼类死后,引起腐败的另一个内源酶是蛋白水解酶,主要的蛋白水解系统为细胞质钙蛋白酶 (在中性pH下) 和溶酶体组织蛋白酶(组织蛋白酶B、L、H和D)[11]。这些蛋白酶作用于鱼肉肌原纤维蛋白,导致其发生降解,硬度下降,质地软化,并伴随一些小分子物质的产生(如含氮化合物、小分子肽、游离氨基酸等)。内源性脂肪酶或磷脂酶能够水解鱼体内脂质,造成脂肪氧化;同时,鱼肉死后分解产生的游离脂肪酸,易被氧化产生多不饱和醛,引起鱼腥味产生,影响人的感官属性[12]。此外,存在于鱼鳃和皮肤中的脂氧合酶在鱼长时间贮藏过程中发挥氧化作用。如表1为水产品中的常见内源酶、作用底物及其产生影响。
表1 水产品中的内源酶作用[13]
Table 1 The role of endogenous enzyme in aquatic products
酶种类作用底物产生的影响糖酵解酶类糖原乳酸生成导致pH值下降核苷酸分解酶ATP、ADP、AMP、IMP次黄嘌呤产生组织蛋白酶蛋白质、肽组织软化糜蛋白酶、胰蛋白酶、羧肽酶蛋白质、肽蛋白裂解钙蛋白酶肌原纤维蛋白组织软化胶原蛋白酶结缔组织组织软化及裂解氧化三甲胺脱甲基酶氧化三甲胺产生甲醛基质金属蛋白酶结蛋白、肌球蛋白、肌钙蛋白胶原蛋白降解、硬度、弹性、咀嚼性下降
1.3 脂肪氧化
脂肪氧化通常是O2与脂肪酸双键发生反应。鱼体内通常包括光氧化、自动氧化、酶促氧化、热氧化等几种类型,而氧与脂质发生的自氧化是鱼腐败的最主要原因。自动氧化的途径如图2所示。鱼中的不饱和脂肪酸受到温度、光、金属离子等影响产生自由基,启动氧化的产生;在传播阶段,自由基与氧产生H2O2自由基和非自由基,H2O2自由基在于脂肪酸反应产生氢过氧化物和新的自由基;当大量的自由基形成时会终止反应进程。然而初级氧化产物不稳定,会分解产生次级氧化产物(如醛、酮、醇,环氧化合物等),这些次级产物可与蛋白质、糖等反应,影响鱼肉风味、造成不愉快的感官体验。同时,不可忽视生物体内存在的内源性脂肪酶和脂氧合酶也是造成水产品脂肪氧化的重要因素,脂肪酶在一定条件下催化甘油三脂分解为游离脂肪酸和甘油,脂氧合酶可将不饱和脂肪酸和酯氧化为氢过氧化物,进而加快自动氧化进程[15]。随着羰基化合物和酶促氧化产物游离脂肪酸含量的增加会进一步影响水产品的风味。
图2 脂质自动氧化示意图[14]
Fig.2 Schematic diagram of automatic lipid oxidation
脂肪氧化还影响鱼肉的色泽,色泽变化主要与高铁肌红蛋白产生有关,有研究表明蓝鳍金枪鱼在低温贮藏中,随时间延长,鱼肉发生褐变,且脂肪氧化越高的部位,褐变越快,高铁肌红蛋白与a*呈显著负相关,与TBA值呈显著正相关[16],这可能是因为脂肪氧化产物能够促进肌红蛋白的氧化,抑制线粒体酶和高铁肌红蛋白还原酶活性,造成高铁肌红蛋白的积累,导致色泽发生变化。另外,肌肉中含有的血红素氧化也会影响肉的色泽。
另外,脂肪氧化产生的丙二醛等次级产物与蛋白质的氨基酸残基交联,引起蛋白质结构变化,进而影响疏水性、溶解度、羰基等含量变化,造成蛋白质功能性的丧失[17]。与此同时,一些脂溶性维生素和其他化合物的损失也是脂肪氧化产生的结果[18]。
鱼死后发生的微生物代谢、生理生化反应是导致其腐败的复杂因素,鱼最初的腐败是由于本身的蛋白酶、脂肪酶引起的酶促降解,后期贮藏时微生物代谢是最终腐败的主要因素[19]。同时,鱼的养殖环境、加工及贮藏过程的卫生环境、工业设备等对鱼的质量及货架期也起到至关重要的作用。由于人们生活水平提高,对优质海产品的需求量增大,新鲜预制海产品的市场愈来愈广阔,因此,对于如何延长鱼的货架期及保持最优质量鱼产品的保鲜技术受到广泛关注。
2 微冻保鲜研究现状
微冻最早应用于贮藏海产品,包括鱼、虾以及鱼糜、鱼糕、鱼香肠等加工制品。由于水产品营养基质较为丰富,极易腐败,因此对于海产品进行微冻保鲜的研究较为广泛。目前主要通过测定总挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)、硫代巴比妥酸值(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)值、pH值、菌落总数、K值等鲜度指标的变化,探讨微冻对水产品保鲜的应用,如表2所示。
表2 不同水产品微冻保鲜的应用
Table 2 Application of superchilling preservation of different aquatic products
贮藏对象微冻温度/℃对照温度/℃保藏效果参考文献大鲵肌肉-20与对照组相比,微冻菌落总数较低,TVB-N增长缓慢,能够延长大鲵肌肉的货架期[20]红鳍东方鲀-3-贮藏第15天时TVB-N、TBARS仍为二级鲜度,但细胞内空隙逐渐增大,纤维束间隙逐渐增大,并出现断裂[21]带鱼-34、-18随着贮藏时间延长,电导率、TBARS值、TVB-N值增大,盐溶性蛋白含量、Ca2+-AT-Pase活性和感官评分降低,微冻在短期内使细胞完整[22]大西洋鳕鱼-11与对照相比,总活菌数较低,TVB-N水平在捕获后16 d仍低于国家限制,货架期延长2～4 d[23]罗非鱼-34-3 ℃贮藏时,气调包装组的货架期均达到43 d,明显保持产品的品质和延长货架期[24]黄鳍鲷-34微冻贮藏组,黄鳍鲷贮藏7 d后鱼肉菌落总数5.72 lg(CFU/g),TVB-N值11.40 mg/100 g,TBA值0.38 mg/100 g,各指标均低于对照组[25]白斑狗鱼-34微冻组有效减慢了pH值的变化速率,鱼肉持水力不断降低,溶酶体膜稳定性持续降低,但微冻会导致持水力下降[26]半滑舌鳎-30、4-3 ℃使其货架期延长至27 d,降低贮藏温度可明显延缓品质劣变速率[27]
注:-表示文献中无详述对照温度。
与传统的冷藏相比,微冻通过使产品部分冻结降低了微生物繁殖的能力,提高了水产品的总体质量,并延长了货架期。尽管微冻对水产品流通过程中鲜度保持有一定的积极作用,但微冻贮藏对鱼内部结构造成一定的破坏,BAHUAUD等[28]研究发现三文鱼在微冻贮藏时细胞内形成冰晶,造成溶酶体破裂,并释放出组织蛋白酶B和L,加速肌纤维之间的断裂。同时,有研究指出,微冻对鱼的持水力影响较大,很可能因为微冻过程产生的部分冰晶对细胞膜造成一定的破坏,影响蛋白结构,使得鱼中的自由水被释放,导致持水力下降。
3 微冻形成冰晶的机理及影响
由于微冻温度是在产品冰点以下,在贮藏过程中伴随着水的冻结,形成冰晶,需经历以下几个阶段:首先,样品经过快速预冷除去初始温度到初始凝固点的显热。随温度继续冷却,当温度低于相变温度并超过冰核形成温度时,成核过程开始,随后温度迅速升高到冰点,之后,样品潜热移除,晶体生长及新的成核同时发生。在最后及随后的储存阶段重结晶会发生[29]。冰晶形成主要通过成核和晶体生长两个主要过程,冷却速度快、成核驱动力大、成核速度大、晶核数多,形成越多的小冰晶。KONO等[30]用不同的冷却速率研究鲑的品质变化,发现快速冷却样品形成的冰晶比正常冷冻样品形成的冰晶小,因为快速冷却样品通过最大冰晶生成带的时间较为短暂。另外温度波动越大,小冰晶积累越多越易形成大冰晶,容易破坏细胞膜,使得产品汁液流失率增加。YANG等[31]研究比较内源性蛋白酶、冰晶、脂肪氧化对质地软化的影响,通过对比发现贮藏过程中对鱼肉质地软化贡献最大的是冰晶。因此通过控制温度影响冰晶形成及维持产品质地软化尤为重要。
色泽是影响消费者选购水产品最重要的视觉特性之一,是消费者购买产品直接的感官因素。SHI等[32]研究发现斑点叉尾鮰在微冻之后的白度值显著增加,这可能与冰晶的形成及解冻后自由水增加、鱼表面光反射增强有关。谭明堂[33]对大王乌贼-5 ℃的白度值研究发现,随着贮藏时间的延长,白度呈先上升后下降趋势。白度值下降一方面是微冻贮藏过程中含水量下降造成的,另一方面可能与脂质氧化有关。但是冰晶影响水产品色泽的机理有待进一步研究。
由于微冻过程中,自由水会形成冰晶,冰晶尺寸的增加可能会通过物理作用破坏细胞壁而造成机械损伤,这可能会导致液滴损失的增加、持水力的减弱以及与细胞壁结构损伤相关的其他质量参数的变化,随之细胞内的水分含量降低。由于水分子对维持蛋白质二级和三级结构的稳定性起着重要作用,参与结晶之后,导致蛋白质分子空间构象的改变,进而导致蛋白质变性[34],蛋白质分子易受到促氧化剂的攻击发生蛋白质氧化,使得特定氨基酸侧链发生化学修饰,表现为巯基减少、二硫键增加、羰基增加、Ca2+-ATPase活性降低、色氨酸荧光损失,还会引起蛋白质物理性质变化(包括断裂、聚集、溶解性降低、功能损失等)。如汪经邦等[35]分析低温对暗纹东方鲀的蛋白特性影响,发现-3 ℃会破坏肌原纤维结构,并使得鱼肉二硫键、羰基显著上升,巯基含量和Ca2+-ATPase活力呈下降趋势。此外,长时间的微冻贮藏及温度波动可能导致冰晶生长,重冰晶形成,对蛋白质结构造成更严重地破坏。
微冻保鲜虽然对保持水产品新鲜度及货架期延长有一定的效果,但是不可控制的温度波动产生的冰晶对水产品的品质影响很大,具体表现如上所述。因此近些年关于微冻及其复合保鲜技术的研究逐渐增加,以期减少微冻贮藏过程中冰晶对水产品品质的影响,比如微冻联合气调包装、涂膜保鲜、静电场、抗冻剂等应用于水产品保鲜,可以减少微冻产生冰晶对细胞的损失,同时,也能表现出较好的保鲜效果。
4 微冻复合保鲜方法在水产品的应用进展
4.1 微冻与抗冻剂的复合保鲜应用
为了更好地保持水产品捕捞后的品质,减少因微冻温度变化产生过多的冰晶,通常将微冻与抗冻保鲜剂联合应用于水产品保鲜中,目前应用的抗冻剂包括抗冻多糖、抗冻蛋白、抗冻肽等。
糖类物质是目前应用于水产品冷冻中的一类抗冻剂,有研究认为糖类通过氢键、疏水相互作用等与蛋白质周围的水结合,抑制冰晶的形成,降低对水产品组织结构的破坏,达到保鲜的目的。近年来,由于人们对低热、低糖的需求旺盛,越来越多的植物提取物多糖、低甜度的糖用于水产品的抗冻保鲜,如谢晨[36]研究金针菇多糖对微冻贮藏的三文鱼品质影响发现,0.15 mg/mL的金针菇多糖提取物对抑制微冻和冻藏贮藏中蛋白质变性和脂肪氧化有较好的效果,原因是金针菇多糖含有的羟基与水结合形成玻璃态固定自由水,抑制水分子迁移,减缓了冰晶重结晶,进而减少了对组织结构的破坏,保持了鱼肉品质。唐柏蛟等[37]还发现坛紫菜多糖可以抑制微冻南美白对虾肌原纤维蛋白的氧化与聚集,保持了虾肉组织结构的完整性,有望成为一种新型绿色抗冻剂。除了植物提取物多糖外,低聚木糖、卡拉胶寡糖等对冻虾有明显的抗冻效果,显著抑制解冻损失和蒸煮损失,抑制质构的劣化,延缓了肌原纤维蛋白的氧化[38],但在微冻保鲜中的应用还不多见。
抗冻蛋白因可以吸附在冰晶表面又称为冰结合蛋白和冰结构蛋白,抗冻机制分为3种:一是可以通过降低结合界面的冻结温度,而不改变溶液的熔点,减少冰晶的形成,即改变热滞活性;二是控制冰冻组织结构中的冰晶大小和形状来控制冰晶重结晶的过程,以形成较小且均匀的冰晶,称为重结晶抑制效应;三是改变冰晶生长习性,表现为加入抗冻蛋白的溶液,由于抗冻蛋白能与冰晶结合,导致滞后间隙内的冰晶向两方生长,形成双锥形结构,改变了冰晶形态。研究发现抗冻蛋白能够降低冻融循环中镜鲤的持水性、离心损失、蒸煮损失、剪切力,有效抑制水分迁移,同时降低TBA含量及羰基的增加,对脂肪氧化起到很好的抑制作用[39]。同时冰结构蛋白也能抑制冰晶生长,改变冰晶形态,维持冻融鲤鱼肌原纤维结构的稳定状态[40]。在微冻贮藏中,抗冻蛋白同样能够结合到冰晶表面,降低冰晶的凝固点,抑制冰晶生长,但是可能由于微冻的温度难以控制,形成的冰晶含量无法精确计算,所以关于微冻结合抗冻蛋白对水产品保鲜的应用较为缺乏,未来应该更深入的研究微冻贮藏中冰晶的结晶过程,通过结合冻结过程中的机械损失及低温浓缩对产品的物理损失现象,建立相关的传热传质模型,使之能精确预测冰晶的大小,比较添加抗冻蛋白前后形成的冰晶形态变化、数量及重结晶现象,更好地发挥微冻保鲜与抗冻蛋白结合对水产品保鲜的效果。
4.2 微冻与静电场复合保鲜应用
静电场作为一种非热加工技术,近年来在水产品保鲜方面有一定的应用,静电场发挥保鲜效果的机制主要有[41-42]:1)静电场的加入会改变细胞膜内外的电位差,膜两侧的电子产生定向的电荷运动,产生电流,从而影响细胞内的生理代谢反应;2)电场可以改变和降低冰成核所需要的自由能,导致冰的成核速率增加,生成的冰晶尺寸较小;3)电场的加入也会影响水与酶结合状态的变化,造成酶失活;4)当电场在0.4～2.0 V时,微生物细胞会被击穿死亡,且静电场环境下会释放臭氧等抑菌剂,使细胞膜破裂起到保鲜作用。
在微冻贮藏过程中加入电场,可以有效减少冰晶的生成,降低了冰晶对水产品组织结构造成的损伤。在微冻结合电场对梭子蟹的应用中发现,相比于普通微冻,电场微冻组对肌肉组织结构破坏性更小,脂肪氧化速度减慢,延长了梭子蟹的货架期[43]。梁瑞萍等[44]通过创造低温环境与低压静电场结合处理蓝点马鲛,发现低压静电场通过降低产品冰点,使结晶速率大大降低,增加了冰晶数目和减小了冰晶粒径,冰晶能够均匀分散在产品中,在贮藏3 d后电场组仅出现微小肌肉裂痕,未发现有严重的纤维变性,而对照组的肌纤维有明显断裂,冰晶粒径大幅增加,产生大量冰晶和孔洞,肌肉组织遭到严重破坏。同时静电场结合微冻对带鱼、脊腹褐虾、竹节虾等保鲜也出现类似的效果[45-47]。
除了研究某一固定电场对水产品的保鲜效果的影响外,还有学者研究变频电场结合微冻的保鲜应用情况,如对鲐鱼施加3 000、2 000 V/m,并在50 Hz的频率环境下贮藏,发现低压变频电场能降低TVB-N的产生,延缓pH的上升,菌落总数降低,电场处理组的肌肉组织较为完整,且2 000 V/m的处理组好于3 000 V/m组[48],这可能因为外界的电场中使得水分子发生定向移动,在不平行于电场方向上的冰晶形成受到一定的抑制,使得鱼肉组织纤维较为完整,但也发现随着电场强度的增加,鱼肉的水分迁移加快,会降低鱼的水分含量[49]。
关于高压静电场在水产品保鲜中也有部分应用,如熊宇飞[50]将高压静电场与制冷结合探究对刀额新对虾的品质变化及机理,发现高压静电场能有效抑制蛋白质变性与降解、脂肪氧化、微生物生长等反应,且压力越大,抑制效果越好,但是在实际应用中高压静电场(>2.5 kV)需要人陪同实验,安全性不高,且产生高额的成本,相比于低压静电场应用不太广泛。
4.3 微冻与气调包装复合保鲜应用
气调包装通常使用CO2、O2、N2,以不同比例的气体组分应用到水产品保鲜中,CO2溶于水,形成微酸性环境,对微生物生长造成抑制作用,尤其是需氧微生物和革兰氏阴性菌,一般情况下,体积分数25%～100%的CO2下均能有效抑制微生物繁殖;O2在气调比例中的占比应根据包装产品严格控制,过高会导致需氧微生物繁殖,过低会使肉品的颜色变暗褐色,影响消费者的感官[51];N2是一种惰性气体,主要用作充气包装,防止塌陷变性,同时,N2还能与O2交换,防止鱼肉脂肪过度氧化。
气调包装还具有控温作用,且能抑制水产品腐败菌的生长,随着CO2的比例增加,微冻结合气调包装对水产品的货架期越长,袁赖红[52]发现与空气包装对比,100%CO2包装下的微冻大黄鱼货架期延长了22 d;同时K值、TVB-N值及表面细菌总数均处于较低水平,贮藏末期,腐败菌的生长繁殖明显受到抑制,微生物丰度降低。综合发现75%CO2/25%N2气调包装方式结合微冻是大黄鱼最佳的贮藏方式。同时高CO2包装在大菱鲆微冻贮藏中也有应用,发现-1.3 ℃ 与60%CO2/10%O2/30%N2保持了较好的理化指标,且降低了贮藏过程中醇醛等异味物质的产生,更好地保持了大菱鲆品质[53]。与空气贮藏相比,大西洋鳕鱼在微冻-1.7 ℃下与气调包装(40%CO2/60%N2)贮藏下能将货架期从15 d延长至21 d[54]。
实验结果均证明了微冻结合气调尤其是高比例CO2的气调包装贮藏水产品时,获得了较好的保鲜效果,一方面可能是因为微冻贮藏下,形成部分冰晶营造出低温环境对微生物、酶活性产生一定的抑制作用,其次是,不同比例的气体组分扰乱了原有的空气组分,阻碍了水产品中特定腐败菌的生长繁殖,从而减缓了水产品内微生物代谢、体内生化反应的进程,延长了水产品的货架期,但是不同水产品的营养组分及贮藏特性有所不同,因此对于如何选择合适的气调比例应用于水产品保鲜且不改变其特有成分还需要进一步研究。其次,目前对微冻复合气调保鲜只停留在对水产品理化指标的变化的影响,未来还需要从微生物菌相变化、挥发性风味物质等方面进行深入探讨两者结合的效果。
4.4 微冻与可食用涂膜复合保鲜应用
可食用涂膜是由成膜基质材料(多糖、蛋白质、脂类及复合物)添加一些功能性活性成分(抗菌剂、抗氧化剂)及增塑剂通过浸渍、涂抹等方式包裹在食品表面小于0.3 mm的薄层,形成了一层“保护膜”,减少与外界环境接触,防止水分、风味物质成分挥发,抑制了微生物生长繁殖,达到保鲜效果;同时,微冻和涂膜复合使用,由于活性成分的存在,可以一定程度上抑制脂肪蛋白质氧化、避免微冻产生的冰晶对细胞造成损伤。成膜基质材料主要有多糖基、蛋白质基及脂质基,3种涂膜基质材料各有优缺点,成膜机理各有不同,具体见表3。
表3 不同可食用涂膜基质材料的特性[55-56]
Table 3 Attribute of different matrix of edible film
涂膜基质材料常用物质优缺点成膜机理多糖类淀粉、普鲁兰多糖、果胶衍生物、壳聚糖、纤维素、海藻提取物、树胶渗出物成膜性好,可降解,透明度高,阻气性好,但疏水性差,机械性能差,透氧性差通过分子间或分子内氢键相互作用蛋白质类玉米醇溶蛋白、胶原蛋白、大豆蛋白、明胶、乳清蛋白良好的力学性能和成膜性,阻气性好,透水性强,抗菌性差通过共价键(肽键、二硫键)、非共价键(离子键、氢键、范德华力)相互作用与肽链缔合形成脂质类蜡、脂肪酸、酰基甘油疏水性好,具有一定的硬度,但弹性差,有蜡质口感,机械性能差,不具有独立成膜能力通常不单独使用,结合蛋白质或多糖组合形成复合涂膜
单一的蛋白质涂膜具有疏水性强,对蒸汽、气体的渗透性低,抗菌性差的问题,而多糖类物质具有亲水性强,且部分多糖有抗菌性能,但也存在阻湿性、抗水性差的问题[57],多糖-蛋白质膜因在气体阻隔性、抗菌性、机械性能等方面具有互补的优势,因此研究者大多采用多糖/蛋白质复合涂膜对水产品进行涂膜保鲜,如表4所示。微冻结合多糖蛋白质涂膜在水产品保鲜应用方面主要体现在抑制脂肪蛋白质氧化等抗氧化膜、延长水产品货架期、减少微生物生长等抗菌膜以及用于监测水产品腐败变化的智能包装膜等。
表4 微冻复合可食用涂膜在水产品的应用
Table 4 Application of superchilling combined with edible film in aquatic products
贮藏方法活性物质/基质材料应用保鲜效果参考文献-3 ℃、抗氧化涂膜透明质酸/大豆β-伴球蛋白鲤鱼肉未处理组14 d后品质下降,而9 g/L透明质酸-20 g/L大豆β-伴球蛋白复合膜保鲜效果最好,有效延缓微冻鲤鱼品质劣变,延长了货架期[58]-3 ℃、抗氧化涂膜表没食子儿茶素没食子酸酯/黄芪胶/海藻酸钠大黄鱼抑制H2O2、丙二醛、羰基产生,延缓脂肪蛋白质氧化,维持了肌原纤维蛋白的二级、三级结构[59]-1.4 ℃、抗菌、抗氧化涂膜波斯酸橙皮精油/壳聚糖-明胶虹鳟鱼片抑制总嗜温菌、嗜冷菌、肠杆菌及乳酸菌的生长,延缓理化指标的劣变,有效提高了鱼片品质[60]-3 ℃、抗菌涂膜表没食子酸儿茶素没食子酸酯和溶菌酶/黄芪胶、海藻酸钠大黄鱼降低活菌总数、嗜冷菌和假单胞菌总数,抑制了丙二醛、TVB-N及异味氨基酸产生,延长货架期至少7 d[61]-2 ℃、抗菌膜鱼皮胶原蛋白、普鲁兰多糖/黄原胶、羧甲基壳聚糖大口黑鲈处理组10 d内鲈鱼的菌落总数、鲜度指标K值仍在一级鲜度,肌动球蛋白含量、巯基含量、Ca2+-ATPase活性均低于对照组[62]
微冻结合复合涂膜对水产品保鲜的应用主要通过低温环境及活性物质或基质本身发挥保鲜效果。首先微冻贮藏提供一个较低的环境,对微生物和鱼体内酶活性都有一定的抑制作用,另外,添加的膜基质如壳聚糖,表面带有正电荷及氨基,可以与细胞膜上的负电荷相互作用,在细胞膜表面形成一层致密的膜,阻碍细菌跨膜运输,干扰菌体的正常代谢,有研究发现也与其螯合金属离子、结合水分、破坏胞内遗传物质有关,从而实现对水产品的保鲜[63]。同时,加入的一些活性物质可以抑制内源酶活性,如多酚物质中的儿茶素可以影响胶原酶的构象进而降低酶活性;植物精油可以对细胞膜造成非特异性损伤,致使膜通透性增加,引起细胞内容物流出,同时其干扰细菌代谢,阻碍细菌呼吸作用,抑制细胞ATP形成;植物多酚可与细胞膜结合,改变膜通透性,破坏细胞完整性,同时还可以与蛋白质、核酸合成酶结合影响大分子合成,从而达到抑菌保鲜作用[64]。
除了微冻和可食性复合涂膜结合应用保鲜以外,有研究发现一种新型微冻-冰釉涂层应用于水产品中,既能最大限度的提高宰后鱼肉的品质,又能避免冷冻损伤。如HE等[65]研究(-1.5±0.2) ℃下,采用壳聚糖-儿茶素作为冰釉涂层贮藏罗非鱼片,结果显示微生物数量减少,减缓了氧化腐败,保持了较好的感官属性,且生物胺产生较少,有效提高了罗非鱼品质;同时,以丁香精油为冰釉涂层,对花鲈鱼进行微冻贮藏,此过程中分析新鲜度指标发现,涂层组能显著抑制鱼样在微生物、质构、感官等方面的腐败,达到较好的保鲜效果[66]。对比传统的冰釉物质——水来说,选择具有一定抑菌、抗氧化物质作为涂层,既可以在样品表明形成一种保护膜,防止水分流失,排出空气,并能减少温度波动对样品造成的品质劣变,同时可以向样品渗透一些抑菌物质,发挥抑菌功效,达到双倍的保鲜效果。
5 结语
微冻保鲜具有维持水产品新鲜度、保持质量和延长保质期等优点,但单一保鲜技术存放时间短、能耗高,且产生的冰晶及重结晶对水产品品质产生一定的影响,本文综述了关于冰晶对水产品各方面品质产生的影响,同时阐述了微冻与其他保鲜技术的结合应用及保鲜效果,未来对于微冻贮藏的研究中还应着重建立冰晶形成过程与品质之间的动态关系,来深层次地探讨微冻技术应用于水产品保鲜的机理。
未来微冻技术的发展面临如下的挑战:1)微冻是介于冷藏和冻藏之间,处于产品冰点±0.5 ℃的温度带,很可能与冰晶最大生成带接近重叠,因此对于怎样精准控制温度波动,减少冰晶的形成和冰晶熔融对于维持产品质量具有很大的挑战性;2)与此对应,想使得微冻贮藏如冷藏和冻藏一样能广泛应用,需要设计微冻设备及装置,如何集中各种产品的微冻特性及参数条件(温度、时间、湿度、气流、制冷负荷、消耗功率等)开发一种合适的微冻装置至关重要;3)随着现代信息及网络设施的完备,急需对微冻产品的内部环境变化实时监测,未来对产品在线监测及控制平台的应用做相应的研究与开发,以便于使消费者或家庭更好的监测产品新鲜度变化情况;4)为促进生鱼片食品的更好流通,仅仅采用微冻一种技术是远远不够的,应当充分发挥多个栅栏因子,未来应挖掘更多的的新技术(超高压、等离子体、电子束辐照、磁场等技术)与微冻相结合,以减少微冻产生的冰晶对水产品的影响,发挥栅栏保鲜效果,为水产品保鲜贮藏行业提供新思路。
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