南美白对虾(Litopenaeus vannamei)又名凡纳滨对虾、太平洋白虾、白虾，为对虾科对虾属甲壳类水产品。其原产于美国西部太平洋沿岸热带水域，在墨西哥湾至秘鲁中部、厄瓜多尔附近海域分布更为集中。因南美白对虾壳薄肉嫩，虾肉高蛋白、低脂肪，且富含人体必需氨基酸、维生素与矿物质等而深受消费者喜爱，在我国养殖规模不断扩大[1]。据2018中国渔业统计年鉴[2]显示，我国淡水养殖虾类产量216.76万t，其中南美白对虾产量达59.15万t，已成为我国养殖产量最高的虾种。
捕获后的南美白对虾，头、胸部、尾部与关节等部位产生黑色素沉着或形成黑斑称为黑变。虾体上的黑斑首先出现在头胸部，主要分布在角质层区域，以头部最明显[3]。多酚氧化酶(polyphenol oxidases，PPO)氧化酪氨酸是导致虾体黑变的主因，PPO催化无色多酚生成醌类物质，而后非酶促自发聚合或与氨基酸、蛋白质反应形成黑色物质。此外，微生物、pH值与挥发性盐基氮含量变化都会激活PPO酶原，启动酶促反应，间接导致虾体黑变[4]。南美白对虾黑色素的出现会降低消费者的可接受性，影响其保鲜效果，因此采取相应方法避免或延缓这一现象的发生具有重要意义[5]。如何控制南美白对虾的黑变速率、延缓其腐败，现已成为科研工作者普遍关注的热点问题。本文在对南美白对虾黑变机制进行介绍的基础上，就物理保鲜(低温、气调、超高压和臭氧处理)与化学保鲜(化学保鲜剂和生物保鲜剂)等技术予以说明，提出存在的问题与解决办法，也对南美白对虾防黑变保鲜技术的发展趋势进行展望，以期为虾类防黑变保鲜技术的应用研究提供理论依据。
1 南美白对虾防黑变保鲜技术研究进展
南美白对虾的防黑变保鲜技术按其作用原理可分为物理保鲜与化学保鲜2类。其中前者主要通过改变贮藏温度、气体组成与比例、压力等方式来达到钝酶、杀菌与保鲜效果；后者则通过添加抑制剂，改变其PPO构象、降低酶活力与抑制微生物生长实现其防黑变与保鲜作用。
1.1 物理保鲜
1.1.1 低温贮藏
低温贮藏是将虾体置于低温环境中，通过温度传递使其体表温度下降，降低其体内的PPO活性，抑制微生物生长繁殖，减缓其黑变与腐败速率，其在虾类保鲜中应用最广泛[6]。根据温度条件不同，主要分为冷藏、冰温、微冻与冻藏等。其中，方艺达等[7]研究指出有冰冷藏处理(4 ℃)虾时，在延缓色泽变化与鲜度指标上优于无冰冷藏对照组。段伟文等[8]研究得出冰温贮藏(-2.2～-1 ℃)对南美白对虾外观色泽的保持效果优于冷藏对照组(4 ℃)。李立杰等[9]研究发现微冻贮藏(-3 ℃)能延缓南美白对虾虾体色泽的改变，其在贮藏12 d后亮度变化的较缓。
常规冰藏虽具有一定保鲜效果，但由于南美白对虾在贮藏期间PPO未失活，仍可催化多酚物质生成黑色素，适当改变冰的形态或成分则可增强其防黑变保鲜效果。目前，常见保鲜冰的主要优缺点如表1所示。其中，流化冰主要由海水或混合液(水、乙醇或丙二醇溶液)在冻结点温度以下产生的细小球形冰晶与液态溶液组成[11]。王强等[14]以碎冰和冷藏处理为对照组，研究流化冰对-4 ℃贮藏条件下冰鲜南美白对虾的感官品质、质构与微生物指标等影响，发现流化冰的快速降温作用能钝化或抑制其PPO活性，填充至虾体缝隙内的流化冰细小冰晶可有效阻隔外界氧气，使虾体黑变速率明显下降，其保鲜效果显著优于碎冰与冷藏处理组样品。
表1 常见保鲜冰的主要优缺点
Table 1 Main advantages and disadvantages of common fresh-keeping ice
冰的种类优点缺点传统冰制备简单,使用方便快捷易造成样品机械性损伤[10]流化冰传热速率快,流动性良好制备工艺不成熟[11]酸性电解水冰杀菌效果显著,有抗氧化酶活性挥发性物质影响风味[12]臭氧冰无毒无残留,杀菌能力强高浓度臭氧强氧化性影响虾体品质[13]
酸性电解水可通过电解HCl和NaCl溶液获得，其可制成酸性电解水冰应用于水产品中[12]。PPO的最适pH值与温度分别为6.0与55 ℃，在极酸或碱性条件下，静电作用可使PPO结构发生改变，使其空间结构展开[15]。SUN等[16]用酸性电解水冰(pH值2.35±0.01，氧化还原电位(1 153.2±1.5) mV，有效氯质量浓度(86±1) mg/L)处理南美白对虾，发现与自来水冰相比，酸性电解水冰处理组样品的黑变数明显减少，圆二色谱法分析表明PPO结构中α-螺旋减少且不规则卷曲增加，表明其原有构象已发生改变。
1.1.2 气调保鲜
气调保鲜是通过调节水产品所处环境的气体组成与比例，抑制水产品中微生物生长与酶促反应，达到贮藏保鲜效果。虽然100% N2或50% N2+50% CO2的气调包装不含O2，该包装能有效抑制PPO活性和延缓酶促反应，但虾体外骨骼间隙中存在氧气，且包装材料存在一定透氧率，因此黑变在-18 ℃贮藏期间仍可发生[17]。谢晶等[18]以空气包装为对照，研究不同气体比例包装对南美白对虾冷藏条件下品质变化的影响，结果得出高体积分数CO2气调包装能够抑制微生物生长与PPO活性，其中以80% CO2+20% N2处理组样品的保鲜效果最佳，能有效延长其冷藏货架期至8 d。高浓度O2会加速南美白对虾黑变，低浓度O2可延缓其黑变。低浓度O2能抑制Cu2+的氧化，使PPO活性降低。QIAN等[19]研究接种腐败希瓦氏菌、杀鲑气单胞菌等对南美白对虾黑变影响时，发现接种腐败希瓦氏菌样品中的PPO活性较接种其他菌的样品高出一倍，使用80% CO2+10% O2+10% N2气调贮藏可抑制腐败希瓦氏菌生长，减轻其黑变。
1.1.3 超高压处理
超高压技术(ultra-high pressure，UHP)属非热加工技术，对虾的营养价值和感官特性影响较小，能破坏虾体内源性组织蛋白酶活性，杀灭食品中的微生物，减缓其品质劣变，还能使虾体可溶性蛋白增加，是目前发展前景较广阔的处理技术之一[20-21]。LIU等[22]研究发现在5 ℃环境下，当压力低于300 MPa时，南美白对虾的PPO活性不敏感，当压力在400～600 MPa时，PPO活性受到影响，当压力为600 MPa时虾体的黑变值最低。G
MEZ-ESTACA等[23]将南美白对虾头胸部在18 ℃下分别置于200、400与600 MPa压力下处理15 min或连续5 min的3次循环，发现其血蓝蛋白在400 MPa时部分变性，在600 MPa时完全变性，影响其转化为有活性的PPO，从而抑制黑变。在25 ℃、400～600 MPa下，从南美白对虾提取出的PPO被灭活，但虾体内的PPO却被激活，导致其黑变速率加快，如要使虾中的PPO完全失活，超高压技术还应与其他技术结合使用[24]。
1.1.4 臭氧处理
臭氧是一种强氧化性气体，具有广谱抗菌作用，但其易被还原分解成O2，若臭氧溶于水则其稳定性能增强。因此，臭氧处理的保鲜效果受使用方式、接触时间、食物pH值与温度等影响[25]。OKPALA等[26]在第1、3、5、8和11天连续使用100 mg/h臭氧水处理冰藏南美白对虾60 s，其色泽变化相对于未处理组样品较小。至今臭氧应用于鲜虾防黑变保鲜研究尚少，臭氧处理与其他保鲜技术相结合才能更好地延长虾类的贮藏货架期。
1.2 化学保鲜技术
化学保鲜技术是指在贮藏过程中适量添加安全无毒副作用的化学物质，抑制酶促反应与微生物生长，并延长产品贮藏货架期[27]。通常可分为化学保鲜剂与生物保鲜剂，近年来国内外学者开展的部分南美白对虾防黑变保鲜技术研究如表2所示。
表2 添加物质抑制或预防南美白对虾黑变保鲜相关研究
Table 2 Researches concerning the use of substances to inhibit or prevent melanosis in Litopenaeus vannamei
分类处理方式防黑变保鲜机制研究人员发表年度化学保鲜剂0.25mg/mL4-己基间苯二酚与PPO酶双铜活性中心结合、抑菌性好钱韻芳等[28]201720mg/L固载二氧化氯杀菌性、抗氧化性好罗自生等[29]20173.2mg/mLL-半胱氨酸结合或取代铜离子刘蒙娜等[30]2018生物保鲜剂10g/L腰果叶提取物结合铜离子SAE-LEAWT[31]201910g/L石榴皮提取物抗氧化性、抑菌性好BASIRIS[32]201510g/L云树叶提取物螯合铜离子、抑菌性好SHIEKHKA[33]20185g/L麦角硫因抗氧化性好ENCARNACIONAB[34]201230g/L蒲公英多糖抗菌、抗氧化性好WANGHB[35]201410g/L壳聚糖杀菌、抗氧化性好潘承慧[36]201812.5U/mL葡萄糖氧化酶抑菌性、除氧性好XUDF[37]2018
1.2.1 化学保鲜剂
化学保鲜剂价格低廉，保鲜效果相对较好。其中，4-己基间苯二酚(4-hexyl resorcinol solution, 4-HR)能与PPO酶中Cu2+结合，生成高稳定的PPO络合物，能有效阻止PPO酶与底物反应。钱韻芳等[28]将0.25 mg/mL的4-HR溶液涂膜南美白对虾，发现南美白对虾在4 ℃冷藏期间的黑变程度较低，而白度值较高。罗自生等[29]分别采用10 mg/L与20 mg/L的固载二氧化氯处理南美白对虾，以未处理组样品为对照，结果表明，处理组PPO活性和黑变指数在8 d后低于对照组，较高浓度的固载二氧化氯处理对黑变抑制效果更佳。
1.2.2 生物保鲜剂
生物保鲜剂具有抑菌效果好、无污染、无害等优点，根据来源不同可分为植物源、动物源、微生物源保鲜剂。
植物多酚和底物的结构相似，能与PPO的活性位点相互作用或与PPO酶竞争，发挥抑制其活性与抗黑变保鲜作用[38]。SAE-LEAW等[31]将南美白对虾在10 g/L腰果叶提取物溶液中浸泡30 min，发现其在4 ℃贮藏12 d时黑变减缓。BASIRI等[32]研究得出，经10 g/L石榴皮提取物浸渍15 min后的南美白对虾在4 ℃冷藏6 d后黑变分数值较低，可能由于石榴提取物中的多酚物质含量较高，表现出较强的抗氧化活性。THANASAK等[39]发现表没食子儿茶素或没食子酸酯可与酶和酶-底物复合物结合，能够抑制南美白对虾头胸部的PPO酶活性，且其抑制作用优于儿茶素、表儿茶素、表儿茶素没食子酸酯。
植物提取物中除多酚外，其他天然成分也具有防黑变保鲜效果。如ANGEL等[34]将南美白对虾样品浸入5 g/L麦角硫因溶液中，多酚氧化酶原的基因表达受到抑制，其螯合作用使PPO活性降低。WANG[35]研究发现经30 g/L蒲公英多糖处理南美白对虾并于4 ℃贮藏，因蒲公英多糖的抗菌和抗氧化特性，其黑变速率减缓，其保质期延至10 d。
此外，动物源保鲜剂和微生物源保鲜剂的防黑变保鲜效果也被证实。潘承慧等[36]研究发现10 g/L壳聚糖对南美白对虾中的PPO有一定抑制作用，能减少黑斑形成，减缓TVB-N值升高。XU等[37]研究得出4 ℃下芽孢杆菌葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，GOD)对南美白对虾黑变具有缓解作用，其与亚硫酸钠、植酸、维生素C相比，对黑色素形成的干预作用更强。
2 存在问题与解决办法
2.1 复合生物保鲜剂
单一保鲜剂的作用效果往往有限，如能利用栅栏技术，将多种保鲜剂复配使用，则可减少单一保鲜剂的使用量，还能发挥其综合作用，起到增强防黑变与保鲜效果的目的[40]。目前，国内外研究人员主要开展复合保鲜剂对南美白对虾防黑变保鲜工作如表3所示。
使用成膜性佳的保鲜剂涂膜于南美白对虾表面，可减少水分散失，抑制与氧气的接触，延缓南美白对虾黑变和品质下降。成膜剂还可作为黑变抑制剂、抗菌剂等载体，协同作用来保持虾的品质。壳聚糖因其无毒性、抗菌性、可生物降解性、生物相容性与成膜性等特点，被广泛应用于水产品中。YUAN等[41]将10 g/L壳聚糖涂层结合15 g/L石榴提取物复合处理南美白对虾，这2种物质能发挥协同保鲜与抗黑变作用，还能改善其色泽。ARANCIBIA等[42]从南美白对虾处理废弃物中提取2 g/100 g壳聚糖与1 g/100 g蛋白质-脂质浓缩物，将2种物质复配组成活性涂层液，用于5 ℃条件下南美白对虾的冷藏保鲜，结果发现复配处理组样品在第5天的黑变抑制效果较壳聚糖涂层明显。表明脂质浓缩物可提高涂层的总酚含量与抗氧化性，延缓南美白对虾黑斑的形成。HSU等[45]将黄原胶、瓜尔胶、异抗坏血酸、抗菌多肽复合用于南美白对虾冷藏保鲜，发现4种物质的添加量分别为5、5、5、2.5 g/L时，防黑变保鲜效果最好。ALOTAIBI等[46]将4 g/100 g 百里香精油与4 g/100 g 甘薯淀粉基复合涂层用于南美白对虾冷藏保鲜中，发现其在第8天时黑变程度较轻，且可食用涂层的营养物质能够渗入虾体中，在一定程度上提高其附加值。
表3 复合生物保鲜剂对南美白对虾防黑变保鲜效果研究
Table 3 Melanosis inhibition and preservation in Litopenaeus vannamei by composite biological preservatives
保鲜剂名称及浓度处理条件使用效果研究人员10g/L壳聚糖涂层+15g/L石榴提取物分别浸渍30min、虾比冰为1∶2贮藏抑制黑变、贮藏10d品质较好YUANG[41]2g/100g壳聚糖+1g/100g虾蛋白质-脂质浓缩物分别浸渍1min、5℃贮藏抑制产生黑斑和微生物生长ARANCIBIA[42]15g/L壳聚糖+20g/L藻酸盐+5g/L葡萄籽提取物分别浸渍2min、4℃贮藏贮藏15d后无明显黑斑KIM[43]10g/L壳聚糖+5g/L香芹酚涂层+10g/L辛酸复配浸渍1min、虾比冰为1∶2贮藏贮藏10d黑变较轻WANG[44]5g/L黄原胶+5g/L瓜尔胶+5g/L异抗坏血酸+2.5g/L抗菌多肽浸渍30min、4℃贮藏贮藏15d低于30%黑变HSU[45]4g/100g百里香精油+2g/100g甘薯淀粉基涂层浸渍15min、4℃贮藏贮藏8d较未涂层组黑斑较少ALOTAIBI[46]
2.2 复合保鲜技术
单一保鲜技术的作用效果相对有限，如低温冻藏解冻后易引起虾肉质构变化使口感下降[47]。超高压与气调包装对设备要求较高，且操作复杂。化学保鲜剂使用残留，过量使用易造成环境与食品安全问题。生物保鲜剂来源广泛，但其含量低、提取难度大与纯化技术要求较高，加工工艺与提取成本等问题限制了其推广使用。如能将物理保鲜与化学保鲜技术有机结合，可优势互补增强其抗黑变保鲜效果[48]。冯家敏等[49]将流化冰与0.03 g/L 4-HR与0.05 g/L过氧化氯保鲜复合处理南美白对虾，发现在-4 ℃时16 d贮藏期内能使南美白对虾的感官品质、色差保持最佳，且PPO活性均显著低于流化冰处理组；邓倩琳等[50]从南美白对虾头胸部制备粗酶液后，对其进行超高压与高密度CO2联合处理，发现其经500 MPa处理后在4 ℃贮藏6 d，样品PPO发生不可逆的变性失活。ZHANG等[51]采用气调保鲜(40% CO2+10% O2+50% N2)和酸性电解水处理冻藏(-18 ℃)南美白对虾，发现其对虾体色泽稳定性具有积极作用。UDAYASOORIAN等[52]研究了葡萄柚籽提取物、葡萄籽提取物、石榴籽提取物、石榴皮提取物分别与气调包装(40% CO2+60% N2与30% CO2+10% O2+60% N2)结合对3 ℃贮藏下南美白对虾色泽可接受度影响，研究发现经10 g/L石榴皮提取物结合40% CO2+60% N2气调保鲜处理时可接受度最佳。QIAN等[53]研究发现将鲜南美白对虾浸入含有0.05 g/L槲皮素、0.025 g/L肉桂酸与0.025 g/L 4-己基间苯二酚基质中时，发现白度值增加；若加以80% CO2+15% N2+5% O2气调保鲜，则可协同减轻虾体黑变。ALEX等[54]用1 mg/L臭氧水浸渍10 min后采用100% CO2包装，结果发现，12 d后其黑变值比未处理组样品降低约50%。
3 结语
随着国内外研究人员对南美白对虾黑变机理研究的深入与保鲜技术的发展，科研人员已采用低温等离子体等新型理化处理方式，通过抑制酶催化反应与微生物生长等来延缓其黑变。近年来，生物保鲜剂成为虾类黑变抑制剂的研究热点。首先，安全性是开发新型保鲜方式的第一要素，研究人员应在有效剂量与安全值间寻求平衡；其次，开发高效经济的天然生物保鲜剂，并促进其产业化应用，且防黑变保鲜机制仍需进一步剖析。研究人员已开始对如上防黑变保鲜技术进行深度挖掘，采用静电压、超声波等技术手段来预防其黑变。未来技术的发展将更趋于综合性，即多种处理技术的优化组合，进一步延长其货架期，促进虾类防黑变保鲜及其相关产业的发展。
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