超高压技术在水产品杀菌保鲜中的研究进展

赵宏强,蓝蔚青,张皖君,肖 蕾,谢 晶

(上海海洋大学食品学院 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306)



超高压技术在水产品杀菌保鲜中的研究进展

赵宏强,蓝蔚青*,张皖君,肖 蕾,谢 晶*

(上海海洋大学食品学院 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306)

超高压作为冷处理加工技术之一,在水产品杀菌保鲜方面作用效果显著。本文主要介绍了超高压技术的工作原理与杀菌保鲜特点,详细阐述了该处理技术在水产品加工过程中的应用和对微生物的作用机制,并提出改进意见,还对其在水产品中的应用前景进行展望。

超高压,水产品保鲜,作用机制

水产品由于其营养丰富,味道鲜美,因而深受广大消费者喜爱。然而其自身水分与可溶性蛋白含量高,易在流通运输与贮藏期间发生变质腐败,损失严重。因此,采取相应措施进行水产品的前处理,延长其流通货架期至关重要[1]。

超高压(Ultra High Pressure,UHP)是冷处理技术中的一种,该技术从1899年发展至今已有一百多年的历史,其主要通过把食品物料放入100～1000 MPa高压下处理,达到杀菌保鲜的目的[2]。Bridgman研究发现,超高压处理能使微生物体内的蛋白质凝固及相关酶失活,导致菌体死亡[3]。近年来,超高压技术在食品尤其是水产品领域中发展迅速,其处理方式也受到业界人士的重视。相较于传统的热加工处理方法,超高压技术具有灭菌均匀﹑瞬时高效等优点。同时,其处理食品等物料的过程属物理变化,对环境等无不良影响,为环保无污染的加工过程。经超高压处理后的食品,能最大限度保持食品原有的营养成分,易被人体吸收[4]。相关研究显示,不同的保压温度、保压时间及压力大小都会对其作用效果有直接影响。温度越高,杀菌作用越明显,超高压处理无论任何温度条件下,都可改善微生物对压力的敏感性,即便在较低的压力下都能取得较好效果[5]。在合适的压力条件,超高压处理对食品物料的加压大小与杀菌保鲜效果成正比,压力越高,杀菌保鲜效果越显著,在一定的保压温度与压力条件下,适当延长保压时间有助于杀菌[6]。

超高压技术在国外发展较早,也有部分涉及水产品研究领域。其中,Fidalgo等[7]对大西洋鲭鱼进行不同压力与保压时间处理,发现其能使鱼体中的酸性磷酸酶,脂肪酶和组织蛋白酶等关键酶的活性受到不同程度抑制。同时,也有超高压对细菌作用的报道。如Alexandros等[8]利用超高压技术开展对单增李斯特菌的作用研究。近年来,我国逐渐开始进行超高压技术应用于水产品杀菌保鲜方面研究。付强等[9]研究超高压处理对鲢鱼糜品质变化的影响。此外,还有学者将栅栏技术与其它保鲜方式相结合应用于水产品。蔡路昀等[10]研究了6-姜酚协同超高压处理对花鲈挥发性成分的影响,并对鱼肉的挥发性物质中的醇、醛、酮、酸、酯、烃、芳香族和含氮化合物等进行分析。本文在介绍超高压技术工作原理的基础上,主要通过对技术在水产品杀菌保鲜领域中的应用进行阐述,提出相应改进建议,并对其发展前景进行展望,以期为水产品保鲜应用研究提供理论参考。

1 超高压技术工作原理

超高压处理主要以水或油类等物质作为流体媒介进行加压处理,其通过高压处理影响微生物细胞膜、核糖体与酶的生物活性,对微生物的机理功能造成阻碍,继而导致菌体死亡[11]。现有研究通过压力阻力与膜流动性关系证实,超高压能使菌体细胞膜中可流动的磷脂双分子层变成紧密的凝胶状态,使细胞膜产生不可逆破坏,继而导致菌体死亡[12]。还有研究指出,在压力作用下,细胞膜的磷脂双分子层结构因压力的影响而收缩,使其细胞膜的通透性改变及阻碍其氨基酸的摄入。20～40 MPa的高压处理,能使菌体细胞壁造成机械性断裂而变得松懈,当压力达200 MPa时,可能会因细胞壁遭到破坏而导致微生物死亡[13]。由于超高压仅对高分子共价键中的氢键、离子键与盐键等非共价键产生破坏,对共价键影响很小,因而能较好保持食品原有的营养与风味[4]。

2 超高压技术在水产品杀菌保鲜中的应用

超高压处理能影响微生物的内部结构,对其内源酶活性产生抑制,从而有效杀灭水产品中对消费者安全不利的微生物,使其货架期得到相应延长。

2.1 超高压技术在水产品保鲜加工中的应用

2.1.1 对水产品加工过程品质影响研究 相关研究显示,适当的超高压处理能抑制水产品中挥发性盐基氮等含氮类物质的升高,延缓其品质劣变。Nurul等[14]对鳕鱼分别进行200、250与300 MPa的1 min与3 min的超高压处理,发现其TVB-N值明显低于对照组。Bindu等[15]研究得出随着压力的增加,印度白对虾的TVB-N值增长缓慢,尤其以600 MPa最显著。杨茜等[16]结果发现290 MPa处理9 min的带鱼段,其TVB-N值低于对照组,能使其冷藏货架期达12 d。马海建等[17]研究超高压对草鱼鱼肉品质影响时发现,样品的色差值与压力大小成正比。当压力高于200 MPa时,L*值和白度显著升高。秦影等[18]超高压处理大黄鱼的研究中发现,处理后样品的内聚性、弹性与咀嚼性呈下降趋势。Bárbara等[19]将鲈鱼置于250～400 MPa的压力与0～30 min的处理时间,结果表明高压处理可使鱼片发白,持水能力下降。徐永霞等[20]研究表明,超高压处理后的鲈鱼,其肉质硬度与咀嚼度明显增加,鱼肉白度也同步增长。这都表明超高压技术已对水产品的品质改善产生明显效果。

对鲍鱼、牡蛎等贝类甲壳水产品而言,由于其外层具有保护壳,因此对超高压的敏感度低于鱼类。超高压处理除对微生物及病毒侵染有一定杀菌效果外,还具有辅助去壳的作用[21]。其中,袁超等[22]在对去壳鲍鱼进行超高压处理后发现,鲍鱼经400 MPa与500 MPa超高压处理10 min后,鲍鱼体内的菌落总数未超过腐败限值,在贮藏2 d后仍符合生食标准。易俊洁等[23]研究得出,100 MPa处理3 min与200～300 MPa处理0～3 min,能使鲍鱼的脱壳率达100%。Hsu等[24]研究表明,250 MPa处理2 min或300 MPa 处理0 min条件下,可使牡蛎脱壳率达100%。孟辉辉等[25]通过超高压技术对毛蚶脱壳与减菌化作用研究中分析得出毛蚶在350～400 MPa的超高压条件下,其细菌总数与压力大小成正相关。杨绮云等[26]研究得出当压力超过300 MPa时,蚬贝的闭壳肌与壳完全脱离,继而达到脱壳目的。因此,超高压技术应用在水产品领域,不仅能达到杀菌保鲜的效果,在处理甲壳类水产品方面效果同样显著,有助于产品的脱壳处理。

2.1.2 对水产品贮藏过程货架期影响研究 经超高压处理后的水产品,能通过杀菌与钝酶作用,延长其贮藏货架期。其中,Nuray等[27]研究发现,3 ℃条件下,250 MPa处理5 min与25 ℃下250 MPa处理10 min,能使鲑鱼在2 ℃下的贮藏货架期达8周,而对照组的货架期仅为6周。Ma等[28]研究得出,经293 MPa压力下处理120 s的太平洋牡蛎,其在5 ℃条件下货架期可延长至6～8 d,冰藏货架期则达16～18 d。Ramirez-Suarez等[29]研究表明,长鳍金枪鱼经310 MPa处理6 min,4 ℃条件下的货架期可延长至22 d。Brianna等[30]研究超高压处理红鲍鱼,结果显示300 MPa处理10 min的条件下,可有效延长产品货架期,且产品的生化感官品质不受影响。Paarup等[31]研究发现400 MPa的处理条件下,可有效延长鱿鱼货架期至28 d。Zahra等[32]研究发现220 MPa压力下处理30 min,能有效抑制金枪鱼体内的蛋白质水解与脂肪氧化,使其冷藏货架期延长至9 d。

2.2 超高压技术在水产品减菌钝酶处理中的应用

2.2.1 对水产品加工过程减菌作用研究 超高压技术杀菌的基本原理就是通过高压对微生物细胞膜的破坏,抑制酶的活性与DNA等遗传物质的复制等方法,使微生物失活或致死[33]。由于微生物种类与生长环境的不同,对压力的敏感程度也存在差异。革兰氏阴性菌的细胞壁结构要比阳性菌松散,其肽聚糖的质量分数也较少,易在压力作用下造成细胞壁的机械损伤,导致细菌死亡。因此,革兰氏阳性菌的压力耐受性优于阴性菌[34]。同时,压力还会影响菌体细胞的内部结构,0.6 MPa的压力会使菌体细胞内的气体空泡发生破裂。超高压处理的压力大小、保压时间与处理温度都会对其杀菌作用产生影响。大丘森[35]研究发现在25 ℃条件下进行超高压处理,大肠杆菌在200 MPa时菌数并未减少,而300 MPa以上超高压处理后的菌数与压力大小正相关。Chiao-Ping等[36]研究得出在一定保藏时间内,压力值越大,其抑菌效果越显著。当细胞处于低压环境时,其形态结构只发生部分改变,不会导致细胞死亡,但当压力超过一定限值时,将会造成细胞形态的不可逆变化[37]。此外,Gou等[38]研究发现,400 MPa,20 min超高压处理组能使半干鱿鱼片中的嗜冷菌数至少降低了4.7个对数值。Juan E等[39]研究得出,4 ℃条件下,超高压处理能较好抑制嗜冷菌、常温菌与产硫菌,尤其是希瓦氏菌的生长。450 MPa处理3 min,能使产品的货架期由6 d延至29 d。Sureerat等[40]在研究超高压对微生物影响时发现,将牡蛎匀浆液在5 ℃条件下250 MPa处理5 min后,副溶血性弧菌数有所降低。Ye等[41]研究得出,经250 MPa以上压力处理后,能使低温冻藏15 d的牡蛎中副溶血性弧菌数明显下降。Calik等[42]研究发现,345 MPa处理90 s对牡蛎中副溶血性弧菌作用最明显,其菌数达到未检出水平。还有研究在不同超高压之下处理章鱼,经检测其嗜冷菌数相对于对照组分别减少了0.1、0.5、1.3和2.8个对数值[36]。

2.2.2 对水产品加工过程钝酶作用研究 超高压处理过程中,其对蛋白质的影响主要是体现在酶活性与凝胶变性方面。Aimei等[43]研究超高压处理对金线鱼肉中蛋白质的影响发现,超高压处理能使组织样品发生蛋白质聚合与肌球蛋白重链降解。Liliana[44]对冻藏大西洋鲭鱼进行超高压前处理,结果得出其组织蛋白酶B与脂肪酶活性随压力的增加而降低。Zhu等[45]研究发现,超高压处理后的金线鱼鱼糜蛋白质结合能力下降,还对其二硫键的形成产生影响,随着压力增大,鱼肉更易出现凝胶现象。仪淑敏等[46]在对金线鱼鱼肉肠超高压处理的研究中发现,25 ℃条件下,当保压时间低于15 min时,凝胶强度会随着压力的增加而增大,而在15～20 min时,随着压力的升高,凝胶强度呈先增后减的变化趋势,且均在300 MPa时达到最大值。郑捷等[47]研究发现海鲈鱼经超高压处理后,鱼肉组织结构发生明显变化,300～400 MPa的压力条件有利于鱼肉组织形成良好的三维网状凝胶。在300 MPa、10 min的超高压处理条件下,海鲈鱼鱼肉的肌原纤维蛋白活性巯基及表面疏水基团的含量分别增加了61.7%和51.1%。因此,超高压处理能通过杀菌钝酶等方式延长水产品的货架期,从而带来更大的经济效益,具有良好的发展前景。

3 问题与改进意见

3.1 存在问题

超高压技术发挥其杀菌作用实现延长水产品货架期的同时,也存在着不足之处。由于其处理后可能会使食品的外观形态发生改变,加上消费者对超高压技术了解甚少,可能会给其带来困扰。Truong等[48]研究发现,250与300 MPa压力处理后,澳洲肺鱼鱼肉的色泽发生明显改变,透明度降低,鱼肉颜色呈现乳白色,呈现出被煮过的状态,对水产品感官有一定的不良影响。同时,由于不同食品物料的处理要求不同,超高压杀菌处理具有一定局限性,400 MPa的超高压条件可杀灭革兰氏阴性菌与酵母菌,革兰氏阳性菌的杀灭压力需达到600 MPa,而一定的保压时间结合600 MPa以上压力条件才能对细菌孢子发挥作用,且对设备的稳定性与安全性也有一定要求。此外,超高压技术的前期设备投入较高也影响了该技术的应用推广。随着压力的增大,其对设备的稳定性与安全性也会造成影响。因此,确定适宜的压力条件又能达到同样效果的处理方式现已成为科研工作者亟需解决的关键问题。

3.2 改进意见

根据栅栏技术原理,把不同处理方式综合利用,将充分发挥各自的协同效应,不仅能增强其作用效果,还能降低使用成本,因此,如果将超高压与其他保鲜技术协同处理水产品,能更大程度发挥其各自优势,实现节能降耗的目的,还可以降低压力,消除高压力带来的产品外观等影响。其中,谢晶等[49]研究了超高压技术协同气调包装对4 ℃冷藏带鱼品质的影响,结果表明,290 MPa处理6 min,结合60% CO2+15% O2+25% N2与50% CO2+15% O2+35% N2气调包装组可延长带鱼货架期至21 d。Rode等[50]研究超高压与气调包装对5 ℃冷藏鱼汤中李斯特菌的抑制效果,以超高压后真空包装作为对照,结果显示超高压协同气调包装较对照组对李斯特菌的抑制效果显著。Gao等[51]研究了超高压与Nisin协同对梭状芽孢杆菌的抑制作用。结果得出,协同作用可使梭状芽孢杆菌减少约6个对数值,而Nisin处理组仅减少0.71个对数值。陈淑花等[52]研究发现,超高压协同低温处理能明显提高黄花鱼的品质,使鱼肉质地与微观组织得到改善,杀菌效果也很显著。Everdilekt等[53]研究得出超高压协同薄荷精油处理,能使单增李斯特菌的初始菌数降至未检出水平。超高压与其他保鲜方式的协同作用,能为水产品的贮藏保鲜与品质改善带来显著影响,也为超高压技术的应用推广提供了理论依据。

4 结论

随着人们生活水平的提高,消费者更加关注食品安全与饮食健康。超高压处理作为非热杀菌技术应用于食品领域,以其特有的加工方式且能保持食品原有的营养风味,而逐渐受到推崇。同时,超高压杀菌技术处理食品属物理过程,不涉及化学变化,也不会对人体产生不良影响。然而,超高压技术在其优越性日益凸显的同时,也伴有一些技术问题。只有将超高压技术与其他处理方式相结合,才能更好发挥其综合作用,从而弥补单一使用带来的一系列问题。相信随着科研人员对超高压研究工作的不断深入,其未来的商业化用途将会愈益广泛。

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Research progress on the application of ultra high pressure for the preservation and sterilization of aquatic products

ZHAO Hong-qiang,LAN Wei-qing*,ZHANG Wan-jun,XIAO Lei,XIE Jing*

(College of Food Science & Technology Shanghai Ocean University,Shanghai Engineering Research Center of Aquatic Product Processing and Preservation,Shanghai 201306,China)

Ultra high pressure(UHP)is one of the processing technologies in cold treatment and has the obvious effects for sterilization and fresh-keeping in the field of aquatic products. Based on the introduction of characteristics and principle for preservation,the application of UHP in aquatic products processing and its antibacterial mechanism were described. Moreover,the suggestion for improvement was put forward to and the prospects of its development for aquatic products were also outlooked.

ultra high pressure;aquatic products preservation;mechanism

2016-04-29

赵宏强(1990- )，男，硕士研究生，研究方向：水产品保鲜技术，E-mail:374990969@qq.com。

*通讯作者:蓝蔚青(1977-)，男，工学博士，研究方向：水产品低温保鲜技术,E-mail：wqlan@shou.edu.cn。 谢晶(1968-)，女，工学博士，研究方向：水产品低温保鲜技术,E-mail：jxie@shou.edu.cn。

2014年国家农业成果转化资金项目(2014GB2C000081)；广东海洋大学广东省水产品加工与安全重点实验室开放课题(GDPKLAPPS1504)；上海市科委工程中心能力提升项目(16DZ2280300)。

TS254.4

A

1002-0306(2016)22-0369-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.064