水产品非热杀菌技术研究进展

赵永强,张红杰,2,李来好,*,杨贤庆,郝淑贤,魏 涯,岑剑伟

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,农业部水产品加工重点实验室,国家水产品加工技术研发中心,广东广州 510300;2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

水产品非热杀菌技术研究进展

赵永强1,张红杰1,2,李来好1,*,杨贤庆1,郝淑贤1,魏 涯1,岑剑伟1

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,农业部水产品加工重点实验室,国家水产品加工技术研发中心,广东广州 510300;2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

本文综述了国内外水产品非热杀菌技术研究进展,介绍了超高压杀菌、臭氧杀菌、酸性电解水杀菌、辐照杀菌、高密度CO2杀菌和生物杀菌等非热杀菌技术的作用原理、特点及其在水产品加工中的应用进展,并分析了非热杀菌技术的发展趋势,为其在水产品加工贮藏中的应用推广提供参考。

非热杀菌,水产,应用,进展

水产品味道鲜美,营养价值高,是人类动物蛋白质的重要来源之一。水产品的腐败变质通常是由微生物引起的,微生物在适宜的环境条件下快速生长繁殖,分解利用水产品的蛋白质、氨基酸及一些含氮物产生氨和三甲胺等一系列腐败产物。传统的热杀菌方式虽可杀灭微生物,但是在杀菌过程中也会导致水产品中营养成分的流失,并且会使其风味、色泽和口感等特性发生变化。与传统的杀菌方式比较,超高压杀菌等非热杀菌技术不仅可以杀死微生物,而且较好保持了水产品原有的营养成分、风味、色泽、口感和新鲜度,具有明显优势。

国外对非热杀菌技术的应用研究由来已久,如超高压在食品工业上的应用是由日本京都大学林立丸教授于1986年提出的[1]。许多国家也都对一些非热杀菌技术的原理、方法、技术细节及应用前景进行了广泛的研究,并且研究的深度和广度正在不断扩大。我国对非热杀菌技术的研究起步较晚,但凭借着科技的进步以及非热杀菌处理食品的显著优点,近年来非热杀菌技术在水产品领域的应用得到了迅速发展。非热杀菌技术在水产品加工中的应用越来越受到我国科研工作者的重视。

本文主要介绍了超高压杀菌、臭氧杀菌、酸性电解水杀菌、辐照杀菌、高密度CO2杀菌和生物杀菌等非热杀菌技术的作用原理和特点及研究进展,旨在为其在水产品加工贮藏中的应用推广提供参考。

1 超高压杀菌技术

超高压杀菌技术(ultra-high pressure processing,UHP)是指将食品物料经软包装后放入液体介质(如水等)中,使用100～1000MPa压力在常温或低温条件下作用一段时间,从而达到杀菌的目的[2]。超高压杀菌技术的杀菌机理是高压会影响细胞形态,导致菌体细胞壁和细胞膜的破裂,进而造成菌体内成分泄露[2]。同时,超高压会使微生物内部蛋白质非共价键断裂,从而导致蛋白质变性,致使微生物内部组织被破坏[3]。此外,超高压还会导致酶全部或部分失活[2]。这些因素综合作用导致了微生物的死亡。

超高压杀菌技术对几乎所有的细菌、霉菌和酵母菌均具有杀灭作用。近年来,超高压杀菌技术在水产品加工方面的应用已成为国内外的研究热点。Erkan等[4]研究了超高压杀菌处理对大西洋鲷(Sparusaurata)品质和货架期的影响,结果表明3℃下,经250MPa压力处理5min的大西洋鲷在4℃下贮藏,其货架期与未经处理的对照组相比延长了3～5d,且保持了良好的风味和质构。Kaur等[5]在室温(25±2)℃条件下,采用不同压力处理黑虎虾(Penaeusmonodon)5min后于(2±0.5)℃条件下贮藏,研究处理后黑虎虾的品质及货架期变化。结果表明:最佳处理压力为435MPa,该压力下室温处理黑虎虾5min,其鲜度、质构及色差等品质保持较好,货架期由对照组的5d延长至15d。Leon等[6]研究了超高压对牡蛎(Crassostreagigas)中诺如病毒(Norovirus)的影响,结果表明高压可以显著的使对人有致命危害的诺如病毒失活。宋吉昌等[7]研究了超高压对新鲜海虾(Fenneropenaeuschinensis)的灭菌效果,结果表明,在压力为400MPa,处理时间为15min的条件下,对海虾重复加压3次可杀灭海虾中99.3%的微生物。张晓敏等[8]对新鲜牡蛎的超高压加工技术进行了研究,结果表明,超高压处理对牡蛎具有明显的杀菌效果,处理压力400MPa,处理时间20min,加压2次时灭菌效果最好,且该条件下牡蛎原有品质得到了较好的保持。

大量研究结果表明超高压杀菌技术可显著延长水产品货架期,保持并改善水产品品质,具有广阔的开发利用前景。超高压处理液体介质时是个瞬间过程且仅针对性破坏分子中的非共价键,在此过程中高压对肽段和蛋白质等高分子物质以及维生素、色素和风味物质等低分子物质的共价键无任何影响,可较好保持水产品原有的营养价值、色泽和风味[9]。此外,超高压杀菌还具有高效、无污染和灭菌均匀等优点;而过高的压力使得能耗增加,且对设备要求过高,导致该技术成本提高,一定程度上影响了其推广。

2 臭氧杀菌技术

臭氧可以在短时间内杀死绝大多数微生物,并且杀菌后多余的臭氧最终会被还原为氧气,不会造成残留及污染,相比于其他化学消毒剂(如次氯酸钠水等)优势显著。早在20世纪初期,国外学者就开始了臭氧在食品杀菌和保鲜中的应用研究工作。Crowe等[13]用1.5mg/L的臭氧对新鲜的大西洋鲑鱼(Salmosalar)片进行喷雾处理后,储藏在5℃的温度下,结果表明,与对照组相比臭氧处理后鲑鱼片中英诺克李斯特氏菌(Listeriainnocua)的数量明显减少,且鲑鱼片的货架期得到了显著延长。Chawla等[14]将新鲜去皮虾分别在1、2、3mg/L的臭氧水中各浸泡20、40、60s,结果表明浸泡在3mg/L臭氧水中60s时杀菌效果最好,在此条件下去皮虾的总好氧菌数下降显著,其中假单胞菌(Pseudomonas)的数量下降最多。Chen等[15]对经臭氧水处理的牡蛎的质量、货架期和微生物数量进行了研究,结果表明经臭氧处理过的牡蛎货架期可以达到20～25d,而对照组只有5～10d,且经臭氧处理过的牡蛎的总挥发性盐基氮(TVB-N)和硫代巴比妥酸(TBA)等质量指标均优于对照组,这说明臭氧水可有效延长货架期和保持牡蛎原有品质。由于臭氧杀菌技术的优越性,国内对其的研究也相对较多。刁石强等[16]使用冰温臭氧水对新鲜鳀(Engraulisjaponius)的保鲜效果进行了研究,结果表明-1.1～0℃冰温条件下,2～3mg/L的臭氧水可有效地抑制细菌生长繁殖,延缓鳀的腐败变质,与普通冰藏对照组相比,货架期可延长1～2d。孙继英等[17]在鱿鱼分割过程中分别使用了壳聚糖、固体二氧化氯(ClO2)、次氯酸钠(NaClO)、食品级过氧化氢(H2O2)、柠檬酸和臭氧水(O3)6种减菌剂对鱿鱼进行减菌化处理,并研究了这些减菌化处理方式对产品质量的影响,结果表明:经4mg/L的臭氧水浸泡8min的鱿鱼减菌效果最为显著,且臭氧水对产品感官品质和色泽影响最小。

大量前期研究表明,臭氧处理可显著降低食品中微生物菌群的种类及数量,延长产品货架期。由于臭氧水处理通常采用喷雾和浸泡的方式进行,便于加工过程中的连续化操作,因此臭氧作为一种安全和有效的抗菌剂已广泛应用于水产品工业中。此外,臭氧在水产品加工应用中除了具有杀菌作用外,还具有漂白和去异味等辅助功能[18]。

3 酸性电解水杀菌技术

酸性电解离子水(Acidic electrolyzed water)是一种新型机能水,它是通过电解水生成装置电解含HCl或HC1和NaC1混合液的电解质而生成的具有杀菌功效的功能水[19-20]。目前,对于酸性电解水的杀菌机理方面的研究较多,有关酸性电解水的主导杀菌因素主要包括pH、氧化还原电位(Oxidation reduction potential,ORP)、活性氧和有效氯杀菌等。近年来人们普遍认为其杀菌能力是以有效氯杀菌为主,其它各个杀菌因素(pH、ORP及活性氧)协同作用的结果[21]。另外,一些学者认为微生物的细胞壁和细胞膜被破坏也是酸性电解水杀菌的主要机理之一,有关电解水杀菌的具体机理尚无定论,有待于进一步研究与探讨[22-23]。

酸性电解水作为新型的安全环保消毒剂,适合用于生鲜水产品的杀菌保鲜。Phuvasate等[24]研究了酸性电解水对大西洋鲑鱼和金枪鱼(Thunnusalbacares)鱼皮组胺产生菌的杀菌效果,使用酸性电解水浸泡大西洋鲑鱼120min能分别减少大西洋鲑鱼鱼皮表面产气肠杆菌(Enterobacteraerogenes)和摩氏摩根菌(Morganellamorganii)1.3、2.2lg(CFU/cm2);使用酸性电解水冰处理金枪鱼24h能分别减少金枪鱼鱼皮表面产气肠杆菌和摩氏摩根菌2.4、3.5lg(CFU/cm2),酸性电解水可作为鱼捕捞后的一种有效杀菌方式。Wang等[25]使用酸性电解水冰在黑暗条件下处理南美白对虾(Litopenaeusvannamei)24h,总菌数减少了1.5lg(CFU/g),且有效的抑制了总挥发性盐基氮的形成和减小了pH的变化,取得了很好的杀菌保鲜效果。周然等[26]研究了冷藏条件下(4℃)电解水对河豚鱼(Takifuguobscurus)的保鲜效果,结果表明电解水能够显著的减少细菌总数,且贮藏过程中挥发性盐基氮(TVB-N)、pH和硫代巴比妥酸值(TBA)等指标均有所下降,河豚鱼货架期由原来的4d延长到6d。高萌等[27]研究表明-18℃冻藏条件下,pH4.5酸性电解水镀冰衣可显著降低金枪鱼肉中的细菌总数和大肠杆菌(Escherichiacoli)数量。谢军等[28]应用PCR-DGGE技术监测了20℃及50℃温度条件下酸性电解水对虾的杀菌效果,结果显示50℃下酸性电解水对虾具有较好的杀菌效果,虾总菌数减少了1.44lg(CFU/g)。

酸性电解水杀菌技术具有广谱高效、安全环保、电解水生成装置结构比较简单及生产成本相对较低的优点。酸性电解水作为一种新型杀菌剂,具有广阔的应用前景。目前,酸性电解水在国内正在得到推广和使用,但主要还是处于实验研究阶段,全面推广和使用尚需时日。

4 辐照杀菌技术

辐照杀菌通常是指利用一定剂量波长极短的电离射线对食品进行照射杀菌[29]。在食品杀菌中常用的射线有χ-射线、γ-射线和电子射线。其中,γ-射线的穿透力很强,适合于完整食品及各种包装食品的内部杀菌处理[30],水产品的加工中通常采用γ-射线进行辐照处理。辐照杀菌机理主要有辐照产生的直接和间接效应两个方面。直接效应是指微生物细胞的细胞质受到高能射线照射后发生了电离和化学作用,使细胞内的物质形成了离子、激发态或分子碎片。间接效应是水分在受到高能射线辐射后,电离产生了各种游离基和过氧化氢,这些物质再与细胞内其它物质相互反应,生成了与细胞内原始物质不同的化合物。这两种效应共同作用阻碍了微生物细胞内的一切生命活动,导致细胞死亡,从而达到杀菌目的[30]。

目前,国内外对水产品的辐照杀菌均开展了大量的研究工作。Lee等[31]使用了不同剂量的γ-射线(0、3、5、7、10kGy)对半干秋刀鱼(Cololabisseira)进行辐照杀菌处理,结果表明,随着辐照剂量的加大,秋刀鱼总的菌落数逐渐减少,当辐照剂量在7～10kGy时,杀菌效果最佳,并且感官评价的结果并没有因进行辐照杀菌而变差。Abreu等[32]研究了不同辐照剂量的γ-射线(0、2、4、6kGy)对南美白对虾上O1型霍乱弧菌(VibriocholeraeO1)和沙门氏菌(Salmonellaenteridis)的杀菌效果,研究结果表明6kGy剂量的辐照可以非常有效的杀灭虾上携带的O1型霍乱弧菌和沙门氏菌。Suklim等[33]将蓝蟹(Portunaspelagicus)肉块分别进行2、4、6kGy剂量的γ-射线辐照处理,结果显示采用2、4、6kGy辐照剂量对应的蓝蟹肉块上携带的单细胞增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes)数分别减少了5.35、6.65、7.56个对数级,低剂量的辐照杀菌可以在不影响蓝蟹质量和安全的同时达到较好的杀菌效果。崔生辉等[34]利用0～10kGy的辐照剂量分别对真空包装的鲫鱼、针鱼和皮虾的杀菌效果和货架期进行了研究,研究结果表明在4℃的冷藏条件下,以上三种水产品的货架期与辐照剂量呈正相关。刘春泉等[35]以微生物指标研究了出口冷冻虾仁的辐照杀菌效果,结果表明3～5kGy的辐照剂量可以杀灭冷冻虾仁所携带的99%以上的微生物,经辐照处理的虾仁在-7℃的温度下货架期可以延长6个月。

对水产品进行辐照杀菌的杀菌剂量要在安全剂量范围内,否则会对消费者的身体健康造成威胁。我国冷冻水产品辐照杀菌工艺的农业行业标准(NY-T1256-2006)规定了冷冻水产品的辐照工艺剂量为4～7kGy[36]。辐照杀菌技术具有穿透力强、杀菌效果好、无残留和易操控等特点,但放射线同样对人体有害,这就要求操作人员在杀菌处理过程中做好防护措施。

5 高密度CO2杀菌技术

高密度CO2技术(dense phase carbon dioxide,DPCD)是指在压力小于50MPa的条件下,利用高密度CO2的分子效应达到杀菌和钝化酶的作用,该技术是一种新型的非热杀菌技术[37]。目前DPCD杀菌技术的作用机理尚未明确,现有研究认为高密度CO2产生的分子效应会导致以下几个方面的影响:降低食物的pH[38-39];CO2分子和碳酸氢盐离子对微生物细胞具有抑制作用[40];对细胞膜的物理性破坏[39];改变细胞膜通透性[40-41];钝化酶和孢子活性[42]等,这些因素的综合作用达到杀菌的效果。

基于DPCD技术的以上特点,目前其主要应用于牛奶、果蔬汁和全蛋液等液态食品的杀菌。DPCD技术应用于水产品的研究仍然相对较少,目前主要集中在对于贝类和虾的杀菌研究。Meujo等[43]在10.0MPa,37℃的条件下对新鲜牡蛎进行高密度CO2杀菌处理30min,总的菌落数下降了2个对数级;在17.2MPa,60℃的条件下对新鲜牡蛎处理60min,总的菌落数下降了3个对数级,结果表明DPCD对新鲜牡蛎杀菌效果显著。国内的张良等[44]也采用高密度CO2技术对牡蛎的杀菌效果进行了研究,并利用神经网络对DPCD杀菌工艺参数进行了优化,研究结果表明:在45或55℃和15MPa条件下,直接对牡蛎肉进行高密度CO2处理30min,其杀菌效果与100℃沸水煮2min相当,菌落总数下降了3.0个对数以上。刘书成等[45]研究了高密度CO2处理对凡纳滨对虾优势腐败菌(Chryseobacteriumsp.LV1)的杀菌效果,结果表明DPCD在30～55℃、5～25MPa和5～60min的条件范围内,温度越高、压力越大、时间越长,对优势腐败菌的杀菌效果越好,在45℃和15MPa条件下高密度CO2处理30min菌落总数下降5个对数级,达到了理想的杀菌效果。吕妙兄等[46]对高密度CO2处理皱纹盘鲍(Haliotisdiscushannai)的杀菌效果进行了研究,在5～25MPa、40～50℃、10～50min的条件范围内对皱纹盘鲍进行高密度CO2处理,均可达到理想的杀菌效果,在20MPa和45℃条件下DPCD处理40min的杀菌效果(对数下降3.46)与沸水煮2min的杀菌效果(对数下降3.59)相当。

DPCD技术具有可以保持食品原有品质、无污染和杀菌效果好等优点。但该技术在固态食品中的应用还存在较多问题,如持续化操作受限、CO2的扩散率较差和处理后的包装问题等[37]。

6 生物杀菌技术

生物杀菌技术是指利用生物保鲜剂的抗菌作用来延长食品货架期的杀菌保鲜技术。生物保鲜剂是指从动植物、微生物中提取的天然的或利用生物工程技术改造而获得的对人体安全的保鲜剂[47]。

不同特性的生物保鲜剂对水产品作用时的杀菌保鲜机理也并不是完全相同的。总结起来可以概括为以下几类:茶多酚和鱼精蛋白等生物保鲜剂含有抗菌活性物质,具有抗菌作用[48-49];有些生物保鲜剂如乳酸链球菌素(Nisin)和葡萄糖氧化酶等具有抗氧化作用[50];茶多酚和植酸等生物保鲜剂具有抑制酶活的功效[51];还有一类生物保鲜剂比如蜂胶和壳聚糖等可以在食品的表面形成一层保护膜,阻碍腐败微生物的侵入,达到保鲜目的[52-53]。生物保鲜剂通常是多种杀菌机理同时作用达到保鲜目的。

目前,生物杀菌技术在水产品上的应用已经得到了广泛研究。在水产品杀菌中应用较多的生物保鲜剂有茶多酚、溶菌酶、乳酸链球菌素和壳聚糖等。Feng等[54]研究了茶多酚结合臭氧水对黑鲷(Sparusmacrocephalus)的保鲜作用,将茶多酚溶液(0.2%,w/v)涂抹在黑鲷表面,用1mg/L的臭氧水清洗后置于4℃的温度下贮藏,结果发现茶多酚可以显著的减少微生物总菌数,与对照组相比,经茶多酚涂抹的黑鲷的货架期延长了6d。一般情况下,溶菌酶涂抹在水产品表面,就可起到防腐保鲜的效果。Enrique等[55]研究了溶菌酶对南美白对虾的杀菌作用,结果发现溶菌酶对溶藻弧菌(Vibrioalginolyticus),副溶血性弧菌(Vibrioparahemolyticus)和霍乱弧菌(Vibriocholerae)三种革兰氏阴性弧菌具有明显的杀菌效果。对于虾病原菌溶藻弧菌和副溶血性弧菌的杀菌效果尤为显著。焦云鹏[56]对Nisin在鱼丸中的应用进行了研究,结果表明在鱼丸中添加0.15、0.20g/kg Nisin时,可有效的减少细菌总数,对大肠杆菌的杀菌效果非常明显,并且在延长货架期的同时,保持了鱼丸原有的感官品质,起到了很好的杀菌保鲜效果。Gómez-Estaca等[57]对壳聚糖结合香精油对鳕鱼(Gadusmorhua)表面的抗菌效果进行了研究,结果起到了明显的杀菌抑菌作用,鳕鱼的货架期得到了延长。

为解决单一生物保鲜剂不能够达到预期保鲜效果的问题,可将不同功能特性生物保鲜剂按一定比例混合成复合型生物保鲜剂,通过相互之间的协同作用提高水产品的保鲜效果。Li等[58]将0.2%茶多酚和1.5%壳聚糖复合涂抹在大黄鱼(Pseudosciaenacrocea)的表面后在4℃进行冷藏,与对照组相比,经复合保鲜处理的大黄鱼保持了良好的质量并且货架期延长了8～10d。单独使用溶菌酶时,由于其具有专一性使微生物的芽孢不能被杀死,而Nisin与溶菌酶的复合使用可以使这一问题得到解决。顾仁勇[59]使用Nisin与溶菌酶复合保鲜剂对斑点叉尾鲴(Ictaluruspunctatus)鱼片进行了实验,将鱼片浸泡在0.5% Nisin、0.3%溶菌酶和3.0%维生素C复合液中30s后,在0℃的温度下冷藏,其货架期达到21d,与对照组相比延长了12d。

生物杀菌具有低剂量、强杀菌、安全无毒和药效持久等优点,生物保鲜剂的使用,消除了使用化学防腐剂带来的安全隐患。随着人们对食品安全意识的不断增强,使用生物保鲜剂代替传统化学防腐剂将是发展的趋势。生物保鲜剂的开发成本较高,这在一定程度上影响了其推广应用。

7 总结与展望

除上述杀菌技术之外,还有一些其他的非热杀菌技术应用于水产品加工工业,如高压脉冲电场杀菌技术、微波杀菌技术、脉冲强光杀菌技术、紫外线杀菌技术和栅栏技术等。综合比较以上几种非热杀菌技术,臭氧杀菌技术凭借其便于连续化操作和广谱高效的特点在水产品加工中应用较为广泛;超高压杀菌技术可以瞬间杀菌且灭菌均匀,较为广谱高效;生物杀菌技术采用生物保鲜剂代替了传统的化学防腐剂,较为安全。

与传统的热杀菌方式相比较,上述非热杀菌技术优势明显。不仅克服了传统热杀菌无法保持水产品原有品质的不足,而且杀菌处理过后无化学物质残留,安全卫生,更好地满足了消费者对于水产品的需求。非热杀菌技术在水产品加工贮藏领域展现出了非常广阔的前景。

虽然非热杀菌技术优势明显,但在应用推广过程中存在着诸多问题。首先,就我国当前的研究现状而言,多数研究尚处于实验研究阶段,大规模的推广应用极少,有些技术(如:酸性电解水杀菌和高密度CO2技术等)杀菌机理尚不明确,这些都限制了它们的推广应用;其次,有些非热杀菌技术成本高、对设备要求高,限制了该技术的推广。因此,为解决非热杀菌技术在推广过程中遇到的困难,笔者认为今后研究应注重以下几点:要加强基础理论研究,特别是杀菌机理、适用条件和影响因素的研究;合理运用基础理论,研发新设备,尽可能地降低生产成本;进行多种技术复合杀菌研究,提高杀菌效果;探索研究更多的非热杀菌技术,开拓非热杀菌技术在水产品加工贮藏领域的应用。随着科学技术的不断发展,非热杀菌技术将在水产品加工过程中得到越来越多的应用。

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Non-thermal sterilization technologies and its application in processing of aquatic products

ZHAO Yong-qiang1,ZHANG Hong-jie1,2,LI Lai-hao1,*,YANG Xian-qing1,HAO Shu-xian1,WEI Ya1,CEN Jian-wei1

(1.Key Laboratory of Aquatic Product Processing,Ministry of Agriculture;National R&D Center for Aquatic Product Processing;South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Science,Guangzhou 510300,China;2.College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The research progress in non-thermal sterilization technologies in the processing of aquatic products was reviewed in this paper. The essay mainly introduced the principles,features and application of several non-thermal sterilization technologies in the processing of aquatic products,such as ultra-high pressure technology,ozone sterilization,acidic electrolyzed water sterilization,irradiation sterilization,dense phase carbon dioxide sterilization and biology sterilization. Finally,the prospects of non-thermal sterilization technologies were briefly discussed. The article is hoped to offer beneficial reference for the future application research and the wider application of non-thermal sterilization technologies in the processing of aquatic products.

non-thermal sterilization;aquatic products;application;progress

2014-09-03

赵永强(1985-)，男，博士，助理研究员，从事水产品加工及质量安全研究。

*通讯作者:李来好(1963-)，男，博士，研究员，从事水产品加工与质量安全研究。

国家自然科学基金(31401563，31271957)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2014TS06)；国家现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-49)；国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD28B00)；广东省教育部产学研结合示范基地项目(2011B090500015)；广东省渔业科技推广专项(B201300C03)。

TS254.4

A

1002-0306(2015)11-0394-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.11.071