超高压技术在虾类保鲜与加工中的应用

刘书成,郭明慧,黄万有,陈亚励,吉宏武,郝记明

(广东海洋大学食品科技学院,广东省水产品加工与安全重点实验室,广东普通高等学校水产品深加工重点实验室,广东湛江 524088)



超高压技术在虾类保鲜与加工中的应用

刘书成,郭明慧,黄万有,陈亚励,吉宏武,郝记明

(广东海洋大学食品科技学院,广东省水产品加工与安全重点实验室,广东普通高等学校水产品深加工重点实验室,广东湛江 524088)

本文通过对国内外利用超高压技术在虾类杀菌、钝化多酚氧化酶、消除过敏原、脱壳、提取虾青素以及对肌肉色泽、pH、水分含量、蛋白质、风味、质构和组织结构的影响等方面的研究进行阐述,深入分析其作用机制和应用前景,并提出今后研究的关键技术与发展方向,为超高压技术在虾类保鲜与加工中的产业化应用提供理论参考。

超高压,虾类，保鲜

超高压(Ultra high pressure,UHP)是食品非热加工技术之一,通过采用100MPa以上(100～1000MPa)的静水压力在常温下或较低温度下对食品物料进行处理,达到灭菌、钝酶、物料改性和改变食品的某些理化反应速度的效果。超高压加工食品的过程主要遵循帕斯卡原理和勒夏特列原理两个基本原理,属于物理过程[1]。超高压主要通过减少物质分子间、原子间的距离,使物质的电子结构和晶体结构发生变化[2]。超高压处理只对生物大分子立体结构有贡献的氢键、离子键和疏水键等非共价键有作用,而对共价键无明显影响,从而能够较好保持食品原有的营养、色泽和风味[2]。近年来,超高压技术在国际上备受研究者和商家的重视,主要是因为超高压技术具有瞬间压缩、作用均匀、操作安全、耗能低、对食品营养成分和功能因子以及风味的破坏少等特点[3],可较好的维持食品安全性与食品质量之间的平衡[4],同时它也可用来改善食品的组织结构或形成新型食品。目前,超高压技术在果蔬加工[5-6]、乳制品加工[7]、肉制品加工[8-9]和水产品加工[10-11]等方面都已有广泛应用,部分已经进行了工业化生产。

对虾肉嫩味美鲜甜,具有高蛋白质、低脂肪、富含镁、钙、磷、钾、碘矿物质和维生素等营养特征,营养价值非常高,深受消费者的喜爱。采用超高压加工对虾,一方面要解决杀菌的问题,另一方面要解决钝化对虾多酚氧化酶的问题,此外还要重视肌肉品质和安全性的问题等。本文重点对超高压在对虾杀菌、钝酶、对肌肉品质的影响、对蛋白质理化特性的影响、消减过敏源、对虾脱壳、辅助提取虾青素等方面的应用进行综述,为超高压技术在对虾保鲜与加工中的应用提供参考。

1 超高压技术在对虾保鲜中的应用

1.1 超高压对虾的杀菌效果

一般情况下,在200～600MPa的压力下能够杀灭对虾体内绝大多数微生物[12]。常耀光等[13]用200～700MPa处理南美白对虾,能使其菌落总数下降99%以上。宋吉昌等[14]用400MPa处理新鲜海虾(Fenneropenaeuschinensis),保压15min,加压3次,可杀灭99.3%的微生物。谢乐生等[15]用400MPa处理熟虾仁5min,能使熟虾仁的大肠杆菌数下降近4个对数值;用600MPa处理熟虾仁20min,菌落总数下降了6～7个对数值;200MPa处理时,枯草芽孢杆菌菌落总数下降了近3个对数值,但随压力增大,杀菌效果反而降低,这可能是100～300MPa促使芽孢杆菌芽孢发芽,而发芽的芽孢对高压敏感,当压力增大时,孢子发芽受到抑制,使杀菌效果反而下降。殷允旭等[16]用320MPa/38℃处理小龙虾仁9min,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、霉菌和酵母菌都具有较好的杀菌效果。欧仕益等[17]用500MPa处理虾仁,连续加压2次,每次处理15min,具有最佳的灭菌效果。Ginson等[18]采用100、270、435和600MPa在25℃下处理印度白对虾(Fenneropenaeusindicus)5min,细菌菌落总数由6.5log cfu/g分别下降为6.3、5.1、4.8、2.9log cfu/g,大肠杆菌总数由初始的5.38log cfu/g分别下降为4.55、3.82、2.30、2.03log cfu/g。Kaur等[19]用270和435MPa处理斑节对虾(Penaeusmonodon)5min,菌落总数分别下降了0.37和1.29个log cfu/g,金黄色葡萄球菌分别下降了0.98和1.16log cfu/g,大肠杆菌分别下降了1.2和1.53log cfu/g。

虾类经超高压处理后,在贮藏过程中,微生物的繁殖速度变慢[18,20],从而可延长货架期。Linton等[21]用500～600MPa处理挪威海螯虾(Nephropsnorvegicus)后置于2℃贮藏,15d内菌落总数无明显增加。Kaur等[19]用100、270、435MPa处理斑节对虾(Penaeusmonodon)5min后,在4℃贮藏35d,总菌落、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的增长速度比未处理组的慢。Ginson等[18]在100、270、435MPa和600MPa下处理印度白对虾(Fenneropenaeusindicus)5min后,在4℃贮藏28d,总菌数的增长速度比未处理组的慢。López Caballero等[22]以未处理的日本对虾(Penaeusjaponicus)为对照组,采用真空包装、200MPa/7℃/10min和400MPa/7℃/10min处理后在3℃贮藏,对照组仅贮藏14d,真空包装的贮藏21d,200MPa处理的贮藏21d,400MPa处理的贮藏35d,说明真空包装和超高压处理可延长虾的货架期。

超高压虽然对虾中常见的腐败菌和致病菌有显著的杀灭作用,但是对细菌芽孢的杀灭作用却不明显。Reineke等[23]采用高压高温(200～1000MPa和30～80℃)处理从枯草杆菌中分离出的FB114、FB115与PS832三种芽孢1s-24h,FB114和FB115芽孢在没有营养发芽受体的情况下,300MPa处理后能检测出芽孢发芽,700MPa/50℃处理对芽孢无明显伤害;在300MPa/40℃处理PS832芽孢30min,其芽孢总数下降了3个对数值以上,而在550MPa/37℃下处理120min,其芽孢未被杀灭。因为500MPa以上的压力不可能使芽孢在没有营养发芽受体的情况下发芽,因此难以被杀灭[24]。卢蓉蓉等[25]认为单纯依赖压力,难以实现对芽孢杀灭;要想达到理想的杀灭芽孢的效果,就必须将压力、时间与其他辅助因素如温度、酸度、抑菌剂等协同。

超高压杀菌的机理,目前普遍认为是压力破坏了细菌的细胞壁和膜,使菌体内成分泄漏,引起细胞形态的改变,影响细胞DNA的转录和复制,并破坏维持蛋白质高级结构的化学键如氢键、二硫键和离子键等,使蛋白质立体结构发生崩溃,蛋白质凝固变性、酶失活等,并且改变了微生物细胞膜上的代谢过程,甚至会改变细胞膜上的脂肪酸组成,最终导致微生物死亡[26]。在200MPa以上的压力下上述现象变化更加明显。

1.2 超高压对虾多酚氧化酶的影响

多酚氧化酶(Polyphenoloxidase,PPO)是引起虾类品质劣变的主要内源酶之一。该酶容易氧化产生黑色素,导致虾体黑变,影响虾类品质和经济价值。

一般情况下,100～300MPa的压力处理可激活PPO的活性;当压力超过300MPa时,可部分钝化PPO酶活性;当压力超过900MPa时,PPO酶活性则有可能完全被钝化。影响超高压对酶活变化的因素,首先是超高压操作条件,如压力大小、保压时间和加压方式(连续加压或间歇加压);其次是酶自身因素,酶的种类和来源;还有其他协同因素会影响超高压对其活性的影响,如被处理酶类所在的介质温度、介质成分及环境pH等。

Montero等[27]利用超高压(0.1～400MPa/7℃/10min)处理日本对虾(Penaeusjaponicus)的PPO酶液,300～400MPa可将PPO活性降低到20%,若添加抗坏血酸和柠檬酸等酶抑制剂,将pH调到3,PPO酶活则可被完全抑制。Montero等[20]还发现400MPa 7℃处理日本对虾,不仅不能抑制虾体黑变,反而出现严重的黑变现象,而在添加酶抑制剂(苯甲酸钠、曲酸、4-己基间苯二酚)的同时进行高压处理,在贮藏过程中可有效抑制黑变。Linton等[21]用300～500MPa处理挪威海螯虾(Nephropsnorvegicus)2min,贮藏过程中出现的黑变现象比未处理的严重,但600MPa处理的贮藏28d未发生黑变。López Caballero等[22]用200MPa/7℃和400MPa/7℃处理去头日本对虾(Penaeusjaponicus)10min,然后在3℃贮藏,贮藏过程中对虾仅出现了轻微黑变,这并不影响其经济价值。常耀光等[13]用200MPa处理凡纳滨对虾10min,在(4±2)℃贮藏到第2d时,与未处理对照组一样,出现了轻微黑变;400MPa和600MPa处理10min,贮藏12h内,出现严重的黑变现象;700MPa处理10min则完全抑制了贮藏过程中的黑变。

一般情况下,完整组织中的PPO与其所处的基质即底物被膜隔离,在较低的压力下,压力产生了酶活性中心的凝聚作用,细胞组织的破裂,这种隔离状态被破坏,使PPO与基质接触[29],加速酶促反应活性,从而PPO的活性被激活;而在较高压力下,高压作用致使PPO的三级结构发生崩溃。肽键伸展成不规则线状多肽,酶活性中心的氨基酸组成发生了变化或活性中心丧失,PPO的催化活性发生变化[30],从而PPO被钝化。

1.3 超高压对虾肌肉理化特性的影响

与传统的热加工相比,超高压由于在低温下处理,在保持食品品质方面也具有较大的优势,甚至能够改善提高食品品质。

1.3.1 超高压对虾肌肉色泽的影响 新鲜的虾仁表面呈青灰色,肌肉纹理清晰、呈透明状。虾仁经超高压处理,通常随处理压力的增加和处理时间的延长,色泽逐渐变白,呈不透明状,出现轻微的类似蒸煮熟制的外观特征[31]。虾仁色泽在压力处理过程中的变化,主要取决于施加压力的大小及保压的时间。

Ginson等[18]用超高压处理印度白对虾(Fenneropenaeusindicus)后,出现类似蒸煮、虾体变白的现象。Jantakoson等[32]用200～800MPa/28℃处理斑节对虾(PenaeusmonodonFabricius)20min,以100℃加热2min作对照,200MPa处理的虾变为青白色(a*=-3.20),稍呈不透明状;800MPa处理的虾体变为浅红(a*=3.26),呈不透明状,亮度L*值增加;但是超高压处理的亮度L*值、黄度b*值和红度a*值都较热处理组的低。Kaur等[19]用超高压处理斑节对虾(Penaeusmonodon)5min,随压力升高,虾仁L*值显著升高(p<0.05),虾体逐渐变白,变得不透明,而虾仁的a*值降低。López Caballero等[22]用400MPa处理日本对虾(Penaeusjaponicus)10min,肌肉的不透明程度和白度高于未处理组。Bindu等[33]采用100～600MPa处理印度白对虾(Fenneropenaeusindicus)5min,随压力升高,虾仁L*值和b*值显著升高,而a*值显著降低。谢乐生等[15]用200～600MPa处理熟虾仁5～20min,随压力和处理时间增加,虾仁亮度L*值显著减小(p<0.05),红度a*值无显著变化(p>0.05)。张蕾等[34]在25℃用100～500MPa处理凡纳滨对虾虾仁5～25min,虾仁L*值显著增加(p<0.05),a*和b*值变化不显著(p>0.05);与热处理相比,在高压区域L*值与热处理的相近,a*和b*值均低于热处理的。甘晓玲等[34]用100～600MPa处理凡纳滨对虾3～10min,随压力升高,虾仁体表及内部L*值均逐渐增大的,且内部L*值大于体表的;随压力升高,虾仁内部a*值稍有下降,体表a*值先减小后增大,但内部a*值小于体表的;保压时间对L*值及a*值的影响不明显。杨徽等[35]用100～400MPa处理凡纳滨对虾1～10min,压力超过250MPa,虾仁透明度降低,体表L*值和ΔE显著增加(p<0.05);压力低于200MPa,体表L*值与新鲜虾仁的无显著差异(p>0.05);压力超过300MPa,虾仁内部L*值显著增加(p<0.05);压力超过250MPa,虾仁内部ΔE显著增大(p<0.05);压力小于200MPa,虾仁内部和体表的L*值与ΔE值变化趋势一致;保压时间对虾仁内部和体表L*值影响都不显著(p>0.05),但会使a*值与b*值降低。

超高压导致对虾肌肉色泽变化的原因主要与蛋白质变性有关。虾仁亮度L*值增加可能是虾肌肉肌原纤维蛋白和肌浆蛋白变性导致[36-38];压力使虾肉蛋白质变性,导致蛋白质-虾青素复合体被分解[39],虾青素游离出来,红度a*值可能增加;另外压力使脂质过氧化分解,虾肌肉中铜离和铁离子被释放出来[40],也会改变虾仁表观色泽。

1.3.2 超高压对虾肌肉pH的影响 pH是衡量水产品新鲜度与蛋白变性的一个重要参考指标。一般情况,新鲜虾仁的pH在6～7之间。测定超高压处理过程中虾肉pH变化,可间接反映虾仁的蛋白质与鲜度等品质的变化。

常耀光等[13]用200～700MPa处理凡纳滨对虾10min,虾仁pH均显著升高,且升高的幅度随压力的增大而增大。易俊洁等[41]用200MPa处理3min和300MPa处理1min,凡纳滨对虾虾仁pH显著高于未处理的(p<0.05)。王国栋等[42]用100～300MPa处理凡纳滨对虾5min,虾仁pH随压力升高而增大,但总体变化不大。杨徽等[35]用100～400MPa处理凡纳滨对虾1～5min,随压力增加,虾仁pH先降低而后升高,在250～300MPa处有一个谷峰;压力对虾仁pH的影响要显著大于保压时间的影响。甘晓玲等[43]用100～600MPa处理凡纳滨对虾3～10min,与对照值相比,虾仁pH无显著变化;但随压力升高,虾仁pH先降低而后升高,600MPa处理3min时虾仁pH最高,达到7.10(初始pH为6.97)。Kaur等[19]用超高压处理斑节对虾5min,其pH随压力增加而增加,但是变化不显著(p>0.05)。López Caballero等[22]在7℃用200MPa和400MPa处理日本对虾10min,与未处理的相比,pH无明显变化。Yi等[44]采用550MPa处理醉虾仁5min,其pH无显著变化。Bindu等[33]在25℃采用超高压处理印度白对虾(Fenneropenaeusindicus)5min,与新鲜对虾相比,压力对虾肉pH有显著影响(p<0.05),pH从初始的6.58分别增加到100、270、435、600MPa的6.75、6.85、6.90、6.95;而pH在270MPa与435MPa之间和435MPa与600MPa之间无显著差异。

超高压处理虾肉,有时会使pH无显著变化,有时会使pH显著升高,这主要与压力的大小和保压时间有关。一般情况下,压力越大,保压时间越长,蛋白质变性程度增加,暴露的碱性基团就会增加,使肌肉pH上升;当处理压力较低和保压时间较短时,蛋白质变性程度较弱,pH变化可能就不明显。

1.3.3 超高压对虾肌肉水分的影响 水分对食品的质地口感和货架期具有较大的影响。测定超高压处理过程中食品中水分的变化,可以间接的反映食品口感及其相关品质的变化。

谢乐生等[15]用200～600MPa处理熟虾仁15min,随压力增大,虾仁含水率略微减少。张蕾等[34]用100～500MPa处理凡纳滨对虾20min,当压力低于300MPa时,虾仁含水率随压力升高而快速降低;当压力高于300MPa时,虾仁含水率降低速率减缓,并在300MPa时达到最小值;用300MPa处理5～25min,虾仁含水率在前5min下降最快,之后变化不明显;同时还发现,随着处理压力和保压时间的增大,虾仁水分活度下降,但是变化幅度较小;与热处理的相比,超高压处理虾仁的水分活度较低,说明超高压处理的虾仁更有利于贮藏。易俊杰等[41]用100～300MPa处理凡纳滨对虾1～10min,进行脱壳实验,发现超高压可使虾仁含水率显著增加(p<0.05),但是不同的超高压参数处理条件对其含水率无显著影响(p>0.05)。杨徽等[35]用100～400MPa处理凡纳滨对虾1～10min,进行脱壳实验,发现超高压处理可以有效提高虾仁含水率,在200MPa处理5min虾仁含水率达到了最高,提高了25.58%。王国栋等[42]用100～300MPa处理凡纳滨对虾5min,发现虾仁的汁液损失率显著降低,150～200MPa处理的汁液损失率最低,说明超高压可以增强虾仁的持水能力。甘晓玲等[43]利用低场核磁共振技术研究了100～600MPa处理凡纳滨对虾虾仁3～10min过程中水分的分布,结果表明:与未处理组相比,压力使虾仁中出现了一种束缚程度较高的结合水,而原有结合水、不易流动水和白由流动水的峰位置向左移动,说明高压下各类水分的弛豫时间缩短,自由水向结合水转化,可能是因为压力增强了蛋白质与水分子的相互作用,使水的自由度降低和流动性减弱,从而使虾仁持水力增强。Kaur等[19]用100、270和435MPa处理斑节对虾5min,虾仁含水率随压力升高而显著增加(p<0.05),从初始含水率78.56%分别增加到79.02%、79.17%和80.12%;压力对水分活度无显著影响(p>0.05)。Yi等[44]亦研究发现550MPa处理即食虾仁5min,其含水率从67.45%增加到68.98%。

超高压对虾肉中水分的影响,一方面由于压力使部分水分被挤出,表现出含水率下降;另一方面压力会促进蛋白质发生变性而凝胶化,增强了蛋白质与水分子之间的相互作用,提高了虾肉的持水力,从而表现出虾仁的含水率增加。在超高压处理过程中,关键是采用合适的处理压力和时间,以保证虾仁保持较高的含水率。虾仁保持较高的含水率,不仅可以提高虾仁的质构品质,而且还可以提高虾仁产率和经济效益。

1.3.4 超高压对虾肌肉蛋白质的影响 蛋白质是虾仁中除了水分之外含量最高的营养成分。超高压仅能破坏蛋白质高级结构的非共价键,而对共价键的影响较小。因此,超高压处理会造成蛋白质变性,但不能使其肽链发生断裂。一般在100～200MPa范围内,超高压对蛋白质的影响是可逆的;当压力超过300MPa时,蛋白质的非共价键(如氢键)会发生断裂,产生不可逆变性,使蛋白质高级结构发生变化。蛋白质的功能特性(溶解性、乳化性、起泡性、凝胶性等)主要由其高级结构所决定的,因此,当蛋白质高级结构发生变化后,其功能特性就可能发生变化。

张蕾等[34]用300MPa处理凡纳滨对虾20min,发现虾仁的粗蛋白含量损失5.5 %,而热处理的仅损失1.3%。王国栋等[42]采用100～300MPa处理凡纳滨对虾5min,发现蛋白质溶解度随压力的增加而增加。杨徽等[35]用200MPa处理虾仁3min,用DSC检测发现虾仁蛋白质并未发生变性。甘晓玲等[43]用100～600MPa处理虾仁10min,虾仁可溶性蛋白含量显著降低(p<0.05),压力越高,可溶性蛋白含量降低越多。这主要是由于高压造成部分蛋白变性或聚合转化为不溶性蛋白。甘晓玲等[43]同时采用SDS-PAGE技术分析了超高压对虾仁蛋白质组成的影响,与对照相比,超高压处理的虾仁蛋白条带明显减少,有些蛋白条件印迹变浅,压力越高,其变化越明显。这也再次说明超高压诱导部分蛋白变性转化为不溶性蛋白,导致蛋白条带印迹变浅或缺失。Jantakoson等[32]在28℃用200～800MPa处理从斑节对虾20min,虾肉的蛋白酶水解活性与未处理的没有显著性差异(p>0.05),说明其内源蛋白酶属于耐压性蛋白酶;蛋白质的非还原电泳图谱分析表明:随压力增加,肌球蛋白重链条带密度逐渐减少,而肌动蛋白和其他蛋白条带未发生明显变化;还原电泳图谱中,由于加入的β-巯基乙醇破坏了样品蛋白质的二硫键,使肌球蛋白重链条带变深变粗。这两种现象说明在高压作用下蛋白质体积缩小,促进蛋白质与蛋白质之间的相互作用力,使肌球蛋白巯基发生氧化而形成二硫键[45]。超高压还可以改善蛋白质的凝胶性能。与热诱导凝胶相比,超高压形成的凝胶更光滑、更均匀、凝胶强度更大。因此,超高压技术在虾肉糜制品开发方面也具有较好的应用前景。

1.3.5 超高压对虾肌肉风味的影响 风味物质包括挥发性(气味)和非挥发性(滋味)两大类。风味物质一方面与虾的新鲜度有关,另一方面还与消费者的接受性有关。

挥发性盐基氮(TVB-N)是水产品的鲜度指标之一。常耀光等[13]用200～700MPa处理凡纳滨对虾10min,超高压处理前后虾仁的TVB-N含量并无显著变化,但在贮藏期间,超高压处理虾仁的TVB-N值增长趋势要显著慢于对照组的(p<0.05),而且压力越高,TVB-N值增长速度越慢。王国栋等[42]用100～300MPa处理凡纳滨对虾5min,然后在4℃冷藏15d,超高压处理延缓了TVB-N值的增长,而且压力越高,TVB-N值增长越慢,300 MPa处理的虾仁冷藏15d,TVB-N值仍在30mgN/100g以内。张蕾等[34]用300MPa处理凡纳滨对虾20min后,发现超高压处理虾仁的TVB-N值高于热处理的,但低于未处理的。López Caballero等[22]在7℃用200和400MPa处理对虾10min,在3℃贮藏35d,其TVB-N值在25～50mg/100g之间,低于未处理的85mg/100g。Bindu等[33]分别采用100、270、435、600MPa处理印度白对虾5min,其TVB-N值稍有下降;在2℃贮藏20d时,TVB-N值分别达到了39.24、35.03、33.67、31.10mg/100g,而未处理组贮藏15d时即达到了38.50mg/100g。Kaur等[19]分别用100、270、435MPa处理斑节对虾(Penaeusmonodon)5min,其TVB-N值稍有下降;未经压力处理的斑节对虾(Penaeusmonodon)TVB-N在贮藏10d内就已超过标准限定值(30mg/100g),而经435MPa处理的可贮藏20d左右。

三甲胺(TMA-N)是水产品体内通过兼性厌氧菌的还原作用或内源酶作用使氧化三甲氨分解的产物,也是水产品的鲜度指标之一。Bindu等[33]用100、270、435和600MPa处理印度白对虾5min,TMA-N值从新鲜对虾的10.00mg/100g分别下降到6.99、7.12、7.24、7.36mg/100g;压力对TMA-N值无显著影响;在2℃贮藏,未处理组的贮藏15d TMA-N值即达到了16.23mg/100g(对虾TMA-N值可接受范围在5～15mg/100g之间),100MPa的贮藏20d时,270、435MPa和600MPa的贮藏30d时,TMA-N值分别达到了15.42、14.63、13.10、12.00mg/100g。Kaur等[19]用100、270、435MPa处理斑节对虾(Penaeusmonodon),TMA-N值从1.78mg/100g分别下降到1.55、1.52、1.34mg/100g;未处理虾的TMA-N值在2℃贮藏5d就已超过标准限定值(15 mg/100 g),而100MPa的贮藏15d、270MPa的贮藏20d和435MPa的贮藏35d,TMA值分别达到了19.04、18.33、20.50mg 100g。

ATP及其降解的关联化合物是水产品中非常重要的一类呈味物质。ATP的降解主要是由各种酶类所引起的。常耀光等[13]用200、400、600MPa处理凡纳滨对虾10min,ATP 含量都显著降低(p<0.05),这可能是ATP 降解酶(ATPase)在压力作用下被激活,加速了ATP的降解;200MPa时,ADP含量显著降低(p<0.05),说明ADP降解酶也被激活,而400和600MPa时,ADP含量有所增加,这可能是ATP 剧烈代谢导致ADP 积累的结果;200、400、600MPa 处理时,AMP和IMP含量均显著增加(p<0.05),HxR和Hx含量略有升高;200、400、600 MPa处理后,对虾ATP 降解产物主要是AMP和IMP,200MPa时AMP 含量小于IMP,400MPa时AMP与IMP的含量相当,600MPa时AMP含量高于IMP。这可能是由于不同压力对AMP 脱氨酶活力的影响有差异。利用700MPa处理虾10min,ATP和ADP含量下降较少,AMP稍有增加,IMP的量少,这可能是由于700MPa处理钝化了与ATP代谢的相关酶,使得ATP 相关物质的代谢缓慢。

ATP及其降解的关联产物之间的关系可用新鲜度K值表示。K值为HxR和Hx含量的和与ATP、ADP、AMP、IMP、HxR和Hx含量之和的比值。K值越低,虾的新鲜度越高。常耀光等[13]用超高压处理凡纳滨对虾后在4℃贮藏,与对照组相比,超高压处理组的K 值增加较为缓慢,尤其是700 MPa贮藏7d时K值仅为5.28%。Ginson等[18]在25℃用100、270、435和60MPa处理印度白对虾(Fenneropenaeusindicus)5min,随着压力升高,K值变小;在2℃温度下贮藏3d后,未处理组和100MPa处理之间的K值无显著差异,但270、435和600MPa处理的与未处理组之间有显著差异;最终未处理组的能贮藏到12d,超高压处理组的可贮藏18d。

对虾在贮藏过程中TVB-N、TMA-N以及ATP及其关联化合物的变化,主要是由微生物和酶的作用。超高压通过杀灭微生物和钝化酶类,抑制了虾仁贮藏过程中TVB-N和TMA-N的积累以及ATP及其关联化合物的降解,使得TVB-N、TMA-N值和K值增长速度较慢,从而延长其货架期。

1.3.6 超高压对虾肌肉质构的影响 质构是食品感官品质中非常重要的一个指标,在很大程度上决定着消费者的口感和接受性。食品加工方式对其质构具有重要的影响。

谢乐生等[15]用200～600MPa处理熟虾仁5～20min,随压力增加,虾仁硬度、弹性和咀嚼度增大;增加处理时间,虾仁硬度、弹性、咀嚼度增加不明显。张蕾[34]用100～500MPa处理凡纳滨对虾5～25min,发现压力对虾仁弹性有显著影响(p<0.05),而保压时间对弹性无显著影响(p>0.05);保压时间对虾仁硬度有显著影响(p<0.05),而压力对硬度无显著影响(p>0.05);100MPa处理虾仁的硬度与热处理的接近,超高压处理虾仁的弹性都高于热处理的样品。易俊杰等[41]用超高压(150MPa 5min200MPa 3min300MPa 1min)对虾脱壳,脱壳后的虾仁硬度显著下降(p<0.05);300MPa处理的虾仁弹性与新鲜虾仁相当,但其他两个处理的虾仁弹性有所下降;虾仁黏聚性与新鲜的无显著差异(p>0.05),而咀嚼性显著降低(p<0.05)。杨徽等[35]用100～400MPa处理凡纳滨对虾3min进行脱壳,与新鲜虾仁相比,超高压处理的硬度有所增加,弹性、咀嚼性稍有降低。甘晓玲等[43]用100～600MPa处理凡纳滨对虾虾仁3～10min,与未处理的相比,超高压均使虾仁硬度增加,且硬度随压力升高而增大,保压时间对硬度并无显著影响。王国栋等[42]用100～300MPa处理凡纳滨对虾虾仁5min,虾仁剪切力随压力增加而显著下降(p<0.05),虾仁硬度、弹性、内聚性、咀嚼性都上升,粘附性有所降低,但受压力影响较小。殷允旭等[16]用100～500MPa处理小龙虾仁15min,虾仁韧度随压力增大而降低,500MPa时虾仁韧度下降了13.9%;剪切力对压力增加先上升后下降再上升,在100MPa虾仁剪切力最大。Kaur等[19]用100、270和435MPa处理的虾仁硬度比未处理的分别高出1.13、1.2和1.6倍。Bindut等[33]用100、270、435和600MPa处理印度白对虾,其硬度随压力升高而显著升高(p<0.05)由初始硬度3.57N分别升高到3.77、3.87、4.11和4.26N。Jantakoson等[32]在28℃采用200～800MPa的压力处理斑节对虾(PenaeusmonodonFabricius)20min,显著增强了对虾肌肉的压缩力和剪切力。

超高压处理造成虾仁质构的变化(例如提高虾仁嫩度和硬度等),主要是因为压力使虾仁组织变性增加和韧性下降,而使嫩度增加;压力也诱导蛋白质变性、聚合、交联、凝胶化等使分子结构更加稳定,从而提高了虾仁肌肉组织的硬度。

1.3.7 超高压对虾肌肉组织结构的影响 肌肉组织结构也会影响肌肉的质构、持水力等品质特性,如肌节长短对肉的嫩度有影响,肌浆量对肉的多汁性有影响等。肌肉经超高压处理,肌肉纤维内肌动蛋白和肌球蛋白的结合会发生解离,肌纤维崩解和肌纤维蛋白解离成小片段,造成肌肉剪切力下降,即提高了肉的嫩度。不同的加工方式对肌肉组织结构的影响是有差异的。

张蕾等[34]用500MPa处理凡纳滨对虾25min,然后用扫描电子显微镜观察其肌肉组织结构,未处理的虾仁肌肉纤维组织疏松,网状结构均匀,而超高压与热加工虾仁的肌肉纤维明显变粗,变致密;与热加工的相比,超高压处理虾仁的结构空间间隙明显因受压而挤在一起,基本框架也更粗。超高压或热加工都会引起肌肉蛋白质的变性,使得虾肉中的肌肉纤维聚集在一起,而超高压过程又会促进蛋白质的交联,形成网络结构。殷允旭等[16]用100～500MPa处理小龙虾仁15min后,用透射电镜观察小龙虾仁的组织结构,发现超高压使虾仁的肌肉纤维组织变松散,纤维间隔膜变粗,Z带和M带变清晰,髓鞘结构被破坏。

2 超高压技术在对虾加工中的应用

2.1 超高压对虾过敏原的影响

虾类及其制品中存在的过敏源,主要来源于肌肉组织中的原肌球蛋白,对特定人群的健康造成一定的威胁。因此,在虾类加工中如何消除过敏源是一个期待解决的问题。目前,国内外消除过敏源的方法主要有物理法(加热、辐照、微波等)、化学法和生物法(酶解法、基因改良法)等。

近年有研究报道,超高压或者超高压与酶法联合可以在一定程度上消减虾肉中的过敏原。谢丹丹等[46]用超高压处理(150MPa/45℃/35min)南美白对虾的水溶性蛋白,过敏原性降低了66.2%;用超高压联合酶法处理,超高压(300MPa/45℃/35min)下直接用木瓜蛋白酶处理南美白对虾水溶性蛋白,过敏原性降低了91.5%;用超高压处理(200MPa/40℃/35min)虾肉,过敏原性降低了66.1%;用超高压(300MPa/40℃/35min)下直接用木瓜蛋白酶处理虾肉,过敏原性降低了91.2%。这表明超高压或者超高压结合酶法处理,均能有效降低虾的过敏原性。董晓颖等[47]用100～500MPa的压力处理虾过敏蛋白,发现分子质量并没有发生变化,说明原肌球蛋白的四级结构在压力作用下没有被解聚交联或裂解;但是在100～400MPa之间,随着压力增大,虾过敏蛋白抑制率降低,说明高压处理对虾过敏蛋白的致敏性有降低作用。Kim等[48]用间接性竞争酶联免疫吸附实验来评价虾经超高压、超声波、高压灭菌和微波等处理后的致敏性,结果表明:与其他方法相比,超高压更容易降低虾过敏原的致敏,400MPa处理,虾过敏蛋白的致敏性下降率超过50%。

过敏原的二级和三级结构对其致敏作用起着重要的作用,而超高压能够消减对虾过敏源的主要原因就是通过对氢键、离子键、疏水键等的作用,破坏了过敏源的二级和三级结构等空间结构,使过敏源的表位被掩盖或者被破坏,从而减弱虾肉的致敏性,降低过敏反应;但超高压并不能破坏过敏原的一级结构[46,49]。因此,单独使用超高压处理,只是对虾过敏原的组分或空间结构产生影响,但还不能较好地消减虾仁内部的过敏原,而超高压结合蛋白酶水解方法,可以通过酶解作用增加过敏源的可消化性,从而进一步降低过敏反应[46]。

2.2 超高压对虾的脱壳效果

虾类的脱壳是虾仁生产中非常重要的工序,脱壳质量的高低决定了虾仁的完整性和出品率。目前,虾的脱壳主要有两种方法:一是手工脱壳,该方法脱壳困难,虾尾易断裂,严重影响虾仁的外观品质,而且虾壳易刺伤人体皮肤,污染虾仁;另一方法是机械脱壳,目前该方法还存在虾仁易碎、脱壳效率低、产虾仁率低等缺点。无论是人工脱壳还是机械脱壳,其预处理都是将虾速冻之后再进行解冻剥壳,但是这种预处理方法耗时长、能耗高,且影响脱壳后虾仁的品质[41]。因此,急需寻求一种既容易脱壳,又不影响虾仁品质的机械化预处理脱壳方法。

近年有研究表明:超高压可以用于对虾脱壳的预处理,使超高压有可能成为一种较好的虾辅助脱壳方法,具有工业化应用前景。杨徽等[35]人用200MPa处理南美白对虾3min,脱壳效果最好;与速冻解冻脱壳相比,超高压脱壳有利于提高虾仁含水率,更好的保持虾仁的全质构,咀嚼度高,虾仁内部品质无明显改变。易俊洁等[41]用热烫、速冻、超高压三种方法对南美白对虾脱壳,速冻和超高压(150～300MPa)对脱壳时间、虾仁得率和虾仁完整性的影响无显著差异(p>0.05);150MPa/5min、200MPa/3min和300MPa/1min时,脱壳效果较好;热烫对虾仁品质破坏严重,而速冻和超高压脱壳均能有效降低对虾仁品质的破坏,但速冻脱壳会破坏仁的色泽,超高压脱壳虾仁品质略优于速冻脱壳;超高压脱壳参数为200MPa/3min或300MPa/1min,虾仁的品质相对较好;超高压脱壳的能耗(200MPa/3min)较低,为热烫处理的4.4%,速冻处理的32.8%。王国栋等[42]认为超高压脱壳可有效避免速冻脱壳过程中的断尾现象,提高虾仁产率6%～8%,更好地保持了虾仁的完整性,并且节省了劳动强度。

杨徽等人推断了虾的超高压脱壳机理:一是由于虾仁和虾壳的收缩率存在差异,超高压处理虾壳与虾仁脱离;二是超高压造成虾仁和虾壳之间的粘连组织蛋白发生变性,使得虾壳与虾仁分离[35]。这两种超高压脱壳机理仅仅是推断而已,因此,对于超高压脱壳机理还需要进一步的深入研究。

2.3 超高压辅助提取虾青素

超高压辅助提取活性物质是利用100～1000MPa的流体静压力作用于物料和提取溶剂,在预定压力保持一段时间,一方面物料细胞内外压力在达到平衡(有效成分达到溶解平衡)后迅速卸压,使细胞内外渗透压差增大,细胞内的有效成分穿过细胞膜(细胞膜的结构在超高压下发生变化),转移到细胞外的提取液中;另一方面,超高压也会改变萃取剂的浓度梯度和扩散系数,提高传质速率,同时,超高压会使物料细胞膜损伤,增加其渗透率,从而增强萃取溶剂进入细胞的渗透能力[50]。与传统的提取技术相比,超高压辅助提取技术不仅安全、节能、提取效率高,而且可改善提取物的品质和提高所提取活性成分的纯度[51]。

虾青素是甲壳类动物甲壳中非常重要的一种色素物质,通常与蛋白质结合而呈现出深蓝、灰色或者绿色等,在加工过程中由于蛋白质变性,虾青素与蛋白质分离,虾青素显现出红色的本质。虾青素具有很强的抗氧化、防癌、促进抗体产生、改善视力和维护中枢神经系统等生理活性。虾壳中含有丰富的虾青素,如何高效提取是一个亟待解决的问题。目前,虾壳中虾青素的提取方法主要是有机溶剂法、碱提法、油溶法、酶解法、超临界CO2萃取法及超声波辅助萃取法等,这些提取方法各有优缺点。王菁等[52]利用超高压辅助提取虾壳中的虾青素,研究了提取压力、溶剂、料液比、保压时间等因素对提取率的影响,比较了超高压与超声波和常压提取规律,建立了超高压提取虾壳虾青素的数学模型,并探讨了超高压辅助提取虾青素的机理,研究结果表明:压力小于200MPa时,随压力升高,虾青素提取率也升高;压力超过400MPa时,虾青素提取率反而下降;在200～300MPa之间加压5min,虾青素提取率较高;超高压提取虾青素的抗氧化能力高于超声波和常规化学提取的;并且认为超高压能够使虾壳表面微孔扩大,提高微孔面积占有率,扩大溶剂进入和虾青素溶出的通道;不同压力的作用对虾壳组织影响不同,压力过高反而会降低微孔面积比例,造成通道阻塞。

因此,超高压提取虾青素比传统的提取方法具有较大的优势,压力增强了溶剂的溶解能力,从而提高虾青素溶解性,使更多的虾青素被溶出,提高虾青素产率[53]。

3 前景与展望

虾类的保鲜方法可分为三大类:物理保鲜、化学保鲜和生物保鲜。物理保鲜又可分为低温保鲜、气调保鲜、辐照保鲜、超高压保鲜等。化学保鲜法又可分为抗生素保鲜、添加剂保鲜、臭氧保鲜等。生物保鲜又可分为生物活性物质保鲜、酶类保鲜和微生物保鲜等。物理保鲜中的低温保鲜能耗高、气调保鲜对贮藏条件控制严格、辐照保鲜存在安全隐患,化学保鲜存在安全性隐患,使得这些保鲜方法在使用中受到一定的限制。因此,开发安全性好、易操作的虾类保鲜方法将是未来发展的主要趋势。

超高压是一种物理保鲜和加工方法,它可以在室温乃至低温下完成食品杀菌、灭酶、风味与质构改善等,特别适合对热敏性食品、活性成分高的食品和高附加值海产品等进行处理,还可用于开发新型食品,改善食品质构,延长食品保存期限等。超高压加工技术是目前食品非热加工技术中商业化较为成功的一种。针对目前国内外的研究成果,采用超高压加工对虾未来将有以下几个趋势:研究超高压与协同因子联合对虾PPO的钝化,完善钝化PPO的机理;研究超高压对虾肌肉品质的影响,优化处理条件或协调因子延长虾类产品的贮藏期;利用超高压加工技术开发即食虾类风味休闲食品等。随着国内超高压技术的研究与应用的深入,超高压技术的应用会更加广泛,推进食品非热加工技术的发展,满足消费者对高品质食品的需求。

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Application of ultra high pressure in preservation and processing of shrimp

LIU Shu-cheng,GUO Ming-hui,HUANG Wan-you,CHEN Ya-li,JI Hong-wu,HAO Ji-ming

(College of Food Science and Technology,Guangdong Ocean University,Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety,Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Product of Guangdong Higher Education Institution,Zhanjiang 524088,China)

In this paper,preservation and processing of shrimp by ultra high pressure were analyzed,such as sterilization,inactivation of polyphenol oxidase,removing allergen,shucking,extraction of astaxanthin and the effect on meat color,pH value,moisture content,protein,flavor,texture and structure. The mechanism and application of preservation and processing by ultra high pressure were introduced and discussed. The key technologies of ultra high pressure were presented in the future. It will provide theoretical and practical basis for industrial application of ultra high pressure in preservation and processing of shrimp.

ultra high pressure;shrimp;preservation

2014-08-01

刘书成(1977-)，男，博士，教授，研究方向：水产品加工新技术基础理论和应用。

国家自然科学基金资助项目(31371801)；现代农业产业技术体系专项基金(CARS-47)；广东省水产蛋白改性技术研究团队专项经费(2011A020102005)。

TS254.1

A

:1002-0306(2015)09-0376-09

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.074