鱼类冻藏工艺研究进展

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(1.上海海洋大学食品学院,上海 201306; 2.上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台,上海 201306; 3.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306; 4.食品科学与工程国家级实验教学示范中心(上海海洋大学),上海 201306)

鱼类体内富含高营养价值的物质,如人体必需的氨基酸、蛋白质、不饱和脂肪酸等[1]。鲜度是判断鱼类品质好坏的重要指标之一,在很大程度上鱼类的价值是由鲜度来决定的[2]。然而,鱼类由于受到地域性的影响和贮藏、运输条件的限制,再加上鱼类自身酶的作用和微生物繁殖,造成其捕捞后鲜度下降,甚至发生变质。因此鱼类的贮藏保鲜技术始终是研究热点[3]。鱼类的长期贮藏保鲜主要依赖冻藏技术[4],但是传统冻藏的保鲜效果与人们所期望的有一定差距,传统的镀冰衣易脱落,且抗氧化性差,商业抗冻剂不能满足冻藏的需要,因而冻藏工艺的优化一直受到关注。为了优化鱼类冻藏工艺,提高鱼类的贮藏性能和品质,本文将从影响冻藏鱼肉品质的主要因素、镀冰衣工艺和抗冻剂这三方面进行综述。

1 影响冻藏鱼肉品质的主要因素

冻藏是利用冷冻的技术把鱼体的中心温度降低到-18 ℃以下,使鱼体内的绝大部分水分被冻结起来,再在-18 ℃以下进行贮藏、流通的保鲜贮运方法[5]。鱼体在冷冻过程中会产生冰晶,冰晶的位置、大小和数量均会对鱼体细胞造成不同程度的影响。比如鱼肉中的肌球蛋白会因冷冻变性导致其结构发生变化,从而使活性巯基暴露在外面被氧化成二硫键[6]。

1.1 冻结速率

由通过冻品的最大冰晶生成带的时间长短来衡量冻品的冻结速率。速冻是指冻品通过最大冰晶生成带(-5～ -1 ℃)的时间在30 min或者更短时间内[7]。其中鱼冻结的速度越快,对鱼的蛋白质变性影响程度越低[8-9]。董佳等[10]通过对比传统空气冷冻与液体浸渍冷冻对鲟鱼贮藏品质的影响,发现经过液体浸渍冷冻后鲟鱼的肌纤维受到的损伤更小,较好地保持了鲟鱼原有的质量,是因为液体浸渍冷冻对鲟鱼的冻结速率是传统空气冷冻速率的12.47 倍,达到3.917 cm/h。钱攀[11]研究了液体快速冻结与气体冻结对鳙鱼鱼肉品质的影响,发现当冻结温度为-50 ℃时,两种冻结方式下通过鳙鱼鱼肉的最大冰晶生成带的时间分别为9、48 min。经过液氮冷冻的鱼形成的冰晶更细小,解冻后的水分流失也更少,同时也降低了气味挥发,保证了食品的质量[12]。鲁珺等[13]发现,与平板速冻、冰柜冻结相比,银鲳鱼在液氮速冻后贮藏150 d后,其肌纤维间隙是最小的,与新鲜样品的品质最为接近,具有最佳的冻藏质量。Kono等[14]为了探索冻结速率、冰晶大小和颜色之间的关系,探究冻结过程中鲑鱼鱼片表面发生的颜色变化,发现随着冷冻鲑鱼制品表层冰晶尺寸的减小,其表面呈现的颜色变浅。因此可知,鱼类的冻结速率越快,通过鱼类的最大冰晶生成带的时间越短,冻鱼的品质就越好。

1.2 冻藏温度

不同冻藏温度对鱼肉品质变化的影响差异明显。邹聪聪等[15]研究了海鲈鱼鱼糜在-14、-24和-70 ℃三种冻藏温度下的品质变化,对比鱼糜的TVBN值、盐溶蛋白含量、Ca2+-ATPase 活性、总巯基含量等指标的变化,发现冻藏温度越低,对海鲈鱼的保鲜效果越好。同样地,郭学骞等[16]研究了-35、-38、-41 ℃这三种温度对罗非鱼片冻藏质量的影响,结果发现罗非鱼片的冻藏温度越低,罗非鱼片品质下降越慢。Romotowska等[17]研究了冷冻的鲭鱼在运输贮藏过程中因温度波动而受到的影响,结果发现与在稳定温度环境下贮藏相比,温度波动对鱼体裂隙和腹膜状况的劣化明显,脂质氧化和酶促增强;温度波动会导致冻鱼发生冻融循环,促使鱼肌内冰晶的再结晶和进一步生长[18]。Tolstorebrov等[19]在低温、超低温冷冻贮藏对大西洋鳕鱼品质影响的综述中,指出若要完全抑制大西洋鳕鱼劣变反应,贮藏温度应低于玻璃化转变温度(-86.0 ℃),但是贮藏温度低于-40 ℃时,脂质氧化产物与蛋白质相互作用会增强鱼体中脂质的氧化,造成冻鱼品质下降,因此最佳的贮藏温度应在鱼体蛋白质的玻璃化转变温度和脂质的玻璃化转变温度之间,综合考虑食品工业过程能耗后,推荐大西洋鳕鱼长期贮藏的温度为-35.0 ℃。在鱼冻藏时要根据种类选择最佳的贮藏温度,而且在冻藏过程中要尽量减少温度波动。

1.3 冻藏时间

冻藏时间在优化鱼类冻藏工艺上起着重要的作用。岳开华等[20]研究了在冻藏过程中海鲈鱼鱼糜品质发生的变化,发现随着冻藏温度的升高和冻藏时间的延长,海鲈鱼鱼糜的弹性模量(G′)和损耗模量(G″)会呈现逐渐减少的趋势,黏弹性下降,损耗角正切增大,流动性增加。随着冻藏温度的升高和冻藏时间的延长,鱼肉纤维基质的损伤增大,形成凝胶的性能越差。崔旭海等[21]研究发现,草鱼鱼糜中的羰基含量、TBARS值和TVBN值随冻藏时间的延长均呈现增加的趋势,草鱼鱼糜中盐溶蛋白含量和凝胶强度则显著下降。于亚文等[22]研究了冻藏对高白鲑肌肉蛋白质的影响,发现高白鲑蛋白质中的肌原纤维蛋白、肌浆蛋白及肌基质蛋白的含量随着冻藏时间的延长均逐渐降低,碱溶性蛋白含量呈现增加的趋势。而Ca2+-ATPase活性和总巯基含量呈现两段式下降,冻藏前期下降迅速,冻藏后期下降缓慢。可见,冻藏时间对鱼肉蛋白质变性程度和凝胶结构有很大的影响,建议根据鱼类和贮藏需求的不同,选择合适的冻藏时间。

1.4 贮藏环境的相对湿度

在冻藏过程中食品表面的水分不断地升华,由于冻藏过程中内部水分迁移能力较弱,因而不能及时向表面补充,食品的表面会出现多孔层现象。这样多孔层结构使食品与空气的接触面积增加,使脂肪、色素等物质的氧化速度加快,产生冻结烧现象,加速食品品质的降低[23]。为了减少鱼类在冻藏期间发生冻结烧现象,除了控制贮藏温度之外,(相对湿度)也是很重要的一个因素。

贮藏环境的相对湿度与食品中水分的蒸发量成反比,当贮藏环境的相对湿度较小时,食品中的水分会蒸发到空气中,导致冻品的干耗增加[24]。对于鱼类而言,贮藏环境的相对湿度应大于90%[23]。一般可以通过在鱼体表面镀冰衣的方式,防止鱼体与贮藏环境的空气发生水分迁移,从而降低冻品的干耗,进而防止冻结烧的发生。

1.5 冻藏前处理

在冻藏之前对鱼的预处理可以提高其贮藏效果。Binh等[25]对欧洲肺鱼肌肉在冻结前进行了超高压处理,结果发现150～200 MPa的超高压处理抑制了次级脂质氧化物的生成,有效提升了冻肺鱼肌肉的硬度;而冻结前高于250 MPa的超高压处理,不仅影响肺鱼肌肉的质构,而且会增加鱼肌肉解冻后的汁液流失率。Majumdar等[26]发现在冻藏之前对鲶鱼鱼糜增加洗涤工艺,与无洗涤相比,鱼糜水分减少较缓慢,TVBN值、游离脂肪酸和TBARS值显著降低,洗涤工艺有助于保持鲶鱼鱼糜的品质。李艳青等[27]研究了漂洗对冻藏鲤鱼的肌原纤维蛋白的影响,发现鲤鱼在冻藏前用传统漂洗处理会促进其在冻藏过程中氧化,但是用传统漂洗之后再用没食子酸丙酯漂洗,则可有效抑制蛋白质氧化。郭学骞等[28]在冻藏罗非鱼片前中加入预冷工序,与对照组比较,经过预冷后的罗非鱼片红度值a*和色差亮度L*值降低较慢,pH变化速度和失水率的增加减缓,而且TVBN值的含量也较低。因此鱼类及其制品在冻藏之前可以先对其进行漂洗,或对鱼进行加压或预冷处理,然后再进行冻藏保鲜,可以有效提升鱼类冻藏的品质。

2 镀冰衣工艺

给鱼体镀冰衣可以有效减缓鱼体内水分的蒸发和升华,降低温度波动对鱼体的影响等[29]。赵启蒙等[30]将鲶鱼分为镀冰衣组和无冰衣组,经过TVBN值、pH、持水力和质构指标检测后发现,相同的冻藏温度下,镀冰衣组各指标的变化幅度小于无冰衣组,鲶鱼镀冰衣能够起到延缓变质的作用。

不同冰衣液对冻品镀冰衣后质量的保鲜效果也有很大差别。张越杨等[31]研究了酸性电解水冰衣对冻结金枪鱼质量的影响,与镀传统蒸馏水冰衣的金枪鱼相比,镀酸性电解水冰衣的金枪鱼经过320 d的冻藏后TVBN值更低。酸性电解水冰衣保鲜效果更佳,这是因为酸性电解水冰衣释放出的有效氯具有抗氧化效果。镀冰衣对鱼类的抑菌作用也有明显的效果。高萌等[32]研究了酸性电解水镀冰衣对金枪鱼抑菌能力,发现pH4.5酸性电解水制作的冰衣在抑制鱼肉中的微生物繁殖与生长上效果显著。Soares等[33]研究了冰水冰衣和壳聚糖冰衣对鲑鱼冻藏品质的影响,发现,6个月后镀壳聚糖冰衣的鲑鱼具有更低的菌落总数,对鲑鱼的冷冻保鲜效果更佳,同时发现冰衣的种类与样品的风味之间没有关系。谢超[34]为了灭杀金黄色葡萄球菌等有害细菌,抑制微生物的生长,在冰衣液里加入弱酸性电解水、抗坏血酸钠、海藻酸钠等成分,发现制成的冰衣附着性好,成膜性优良,抗氧化性强。可见,含有抑菌剂、抗氧化剂等不同组成成分的冰衣液对鱼类的冻藏保鲜效果作用明显,酸性电解水、壳聚糖和明胶复合冰衣液对鱼类冻藏的保鲜效果都有一定程度的提升。因此今后可以关注更多安全高效的冰衣液配方的研究。

3 抗冻剂

在冻结的过程中,鱼会因冷冻变性使肌原蛋白的空间结构发生变化,从而导致蛋白质发生变性,造成鱼肉品质下降[35]。刘琴[36]研究了金枪鱼在-18、-30 ℃冻结环境下的品质影响,发现在冻藏过程中金枪鱼的肌原纤维蛋白中的总巯基含量出现逐渐下降的趋势。而在冻藏过程中为了防止水产品中肌原纤维蛋白变性最常用的方法是加入抗冻剂[37]。根据化学性质的不同,抗冻剂可分为糖类物质、蛋白质水解物类和抗冻蛋白三种。

3.1 糖类物质

糖类物质抗冻剂中的羟基与蛋白质分子里某些基团结合后使得蛋白质分子之间无法出现聚集变性现象,达到抗冻的效果[38]。同时糖类物质中的游离羟基能够固定水分子,从而有效抑制冰晶的生成量,形成一个不冻区,明显抑制了蛋白质分子的聚集[38]。虽然传统的商用抗冻剂(蔗糖、山梨糖醇)能够有效减缓鱼肉蛋白质的变性,但往往会给鱼糜及其制品带来不希望的甜味[39]。因此新型糖类抗冻剂的研发有着重要的现实意义。

壳聚糖和海藻糖可以延缓鱼肉肌原蛋白的冷冻变性。Morachis等[40]测定了1.5%壳聚糖为添加剂的食用涂层(Edible Coating,EC)的前处理对鲤鱼鱼片在-18 ℃冻结的影响,与对照组相比,EC样品组的水分损失、细菌生长、脂质和蛋白质氧化的速度较慢,壳聚糖对鲤鱼的冻藏工艺有明显的提升作用。Wang等[41]研究抗冻剂对大黄花鱼肌原蛋白抗冷冻变性的影响,结果发现海藻糖、柠檬酸钠和山梨糖醇这三种抗冻剂均对大黄花鱼肌原蛋白的冷冻变性起到抑制作用,并且三种抗冻剂的混合相对单一的或其中任意两种的组合对抑制大黄花鱼肌原蛋白抗冷冻变性效果更佳,鱼肉品质保持得更好。

为研究魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan,KGM)的降解产物对冻藏鱼肉的品质的影响,汪兰等[42]研究了草鱼在冻藏过程中KGM的降解产物对其肌原纤维蛋白结构的作用,结果显示辐照降解的KGM和酶解的KGM都能够减缓草鱼肌原纤维蛋白含量的降低,有效抑制草鱼的肌原纤维蛋白出现多孔结构。Liu等[43]研究了魔芋葡甘低聚糖(Konjac oligo-glucomannan,KOG)对鲢鱼肌球蛋白(Myosin,MS)进行糖化后的理化性质、构象性质和功能性质的影响,结果显示MS-KOG结合物的形成降低了鲢鱼总巯基含量和疏水性,糖化12 h后使MS的粘度提高35倍,构象的灵活性更强,并且增强MS的空间位阻,这种特殊的结构最终改善了MS的乳化性能。Clara[44]发现400 MPa的超高压能够提高长期冷冻贮藏的葡甘露聚糖(Glucomannan,GM)凝胶的结构稳定性和构象灵活性。

3.2 蛋白质水解物类

蛋白质水解产物能够有效抑制鱼肉因冷冻发生变性,减缓鱼糜凝胶强度的下降[45]。Kittiphattanabawon等[46]发现,10%的黑鳍鲨皮水解明胶可防止冻融诱导的肌肉纤维蛋白的变性。在食物蛋白质水解之后衍生的肽,同样可以有效地抑制冷冻诱导的肌肉蛋白变性,与商品化的冷冻保护剂相比,具有作为海产品中较低甜度的替代性防冻剂的潜力[47]。Nikoo等[48]从鲟鱼皮明胶中分离得到PAGT(Pro-Ala-Gly-Tyr)肽,并对其抗氧化活性及对日本鲈鱼肉的低温保护作用进行了研究,结果表明,在25 ppm的浓度下,PAGT可以防止鲈鱼肉的脂质氧化,但在较高浓度下则无效,PAGT还能使日本鲈鱼中肌球蛋白和肌动蛋白变性程度降低。

此外,有研究发现,在鱼类的冻藏过程中加入骨蛋白水解液和魔芋复配物能够抑制脂肪的氧化。黄莉等[49]研究了魔芋与骨蛋白水解液两者复配对冷冻鱼糜的抗冻性影响,把最佳配比为4%骨蛋白水解液和0.5%魔芋复配添加入鲤鱼鱼糜中去,在-18 ℃下贮藏180 d后,与商业抗冻剂比较,加入骨蛋白水解物和魔芋复配后的样品的汁液流失、蒸煮损失、TBRAS值、羰基含量降低得较缓慢,质构特性更好,凝胶特性更佳。

为了研究在加工和贮藏过程中鱼鳔胶原肽抗氧化稳定性的影响,郑婷婷等[50]分别用温度、pH、金属离子、防腐剂以及体外模拟胃、肠道消化进行探究,结果发现在酸性环境下鱼鳔胶原肽的抗氧化更佳,Zn2+和Cu2+会对鱼鳔胶原肽影响较大,且高浓度的食盐也不利于维持其抗氧化性。在应用蛋白质类水解物抗冻剂时需要综合考虑温度、pH、金属离子等因素,以维持蛋白质水解物类抗氧化活性的稳定性。

3.3 抗冻蛋白

某些生物体分泌出的抗冻蛋白(Antifreeze proteins,AFPs)吸附在冰晶上,能够控制冰晶的数量,并且阻止冰晶进一步生长,从而降低对其自身造成伤害[51]。谭昭仪[52]研究了新型蛋白抗冻剂(主要成分为山梨醇、蔗糖、三聚磷酸钠等)、商业抗冻剂以及它们两者的复合抗冻剂对在-18 ℃下冻藏6个月的鲢鱼和鳙鱼鱼糜蛋白质冷冻变性的影响,发现虽然相对于商业抗冻剂,新型蛋白抗冻更能够降低鱼糜蛋白质冷冻变性的程度,但是两者的复合抗冻剂可以更好地维持鱼糜盐溶性蛋白的稳定。Deller[53]研究了化学阳离子化对抗冻蛋白Ⅲ(Antifreeze protein III,AFPⅢ)在极端温度(-40～90 ℃)下结构和功能的影响,结果发现AFPⅢ能在生理pH下通过化学阳离子化产生一种具有净阳离子电荷修饰的AFPⅢ,提高了其耐高温能力。此外,阳离子化的AFPIII保留了类似于原AFPIII的再结晶抑制(Ice recrystallization inhibition,IRI)活性。因此,化学阳离子化可能提供了一种发展更高效的抗冻蛋白作为冷冻保护剂的途径。

AFPs抗冻活性受到加热温度、表面电荷、温度、压力和pH等因素的影响。Leiter等[54]研究了加热温度、压力和pH对冰晶再结晶抑制(IRI)活性的影响,以及对鱼类抗冻蛋白Ⅲ(AFPⅢ)结构的影响,结果发现在80 ℃时,热处理1 min对AFP III的IRI活性无影响,80 ℃时热处理1 h,对AFP III的IRI活性有轻度影响。NaCl盐浓度在0.02～0.03 mol/L时,会使IRI活性达到极限值,IRI活性的变化可能是由于冰晶表面AFP浓度的增加所致;在400 MPa的压力下处理1 min,对AFPⅢ的IRI活性无影响,在pH为在1～11范围内变化,压力上升为400 MPa,AFPⅢ都具有较高的稳定性。由此可见,在实验的范围中,鱼类抗冻蛋白AFPⅢ的IRI活性不受PH、温度和压力等典型工艺参数的影响。因此抗冻蛋白AFPⅢ具有广阔的工业应用前景[54]。

4 结论与展望

对冻藏工艺的优化有助于提升鱼类冻藏的保鲜质量。鱼类在冻结时的冻结速率越快,其最大冰晶生成带的时间就越短。液体速冻的冻结速率比气体速冻快,保鲜效果更佳。冻藏温度越低,对鱼保鲜效果越佳。应根据鱼类和工艺需求的不同,来确定最佳的冻藏温度和冻藏时间。贮藏环境的相对湿度应大于90%,同时鱼类在冻藏之前漂洗、加压或者预冷对冻藏工艺的优化均有帮助。镀冰衣可以减少鱼类在冻藏期间的干耗,其中酸性电解水或者壳聚糖和明胶的复合冰衣液对冻藏效果更佳。抗冻剂的使用有助于防止水产品冻藏过程中肌原纤维蛋白的变性。相对传统糖类物质,壳聚糖、魔芋葡甘聚糖降解产物、海藻糖对鱼类冻藏保鲜效果更好;从鱼类中提取的蛋白质水解物抗冻剂对脂肪的氧化和蛋白的变性也有很好的抑制作用,而且适用范围非常广;复合蛋白抗冻剂对鱼类冻藏的效果更佳。

今后可以从以下几个方面开展对鱼类冻结和贮藏工艺的优化:冻藏前不同的处理方式的研究;冻结工艺与解冻工艺的结合应用;研制新型安全高效的新型抗冻剂并研究温度、pH、压力等因素对抗冻剂的影响以及抗冻剂的作用机理;研发新型冰衣液;镀冰衣和抗冻剂结合应用冻藏保鲜的优化。针对不同鱼的冻藏需求,结合这五个方面优化冻结前处理、冻结过程、镀冰衣、冻藏过程、解冻过程等工艺,从而更好地实现鱼类冻藏保鲜。