超高压技术在水产品保鲜加工中的应用

叶 锐，时 瑞，吴曼铃，胡锦鹏，陈丽娇，梁 鹏，程文健

(福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002)

超高压处理又称高静水压处理(High hydrostatic pressure，HHP)，是指在室温或较温和的条件(<40℃)下，以水或其他液体(食用油、甘油、油与水的乳液)为传压介质，将100～1 000 MPa 静态液压力均等的作用于食品物料，以提高食品保藏性的一种技术[1]。超高压处理以帕斯卡原理和勒夏特列原理为理论基础，通过减少物质分子间或原子间的距离，使物质的电子结构和晶体结构发生变化，从而使处理过程中化学反应平衡趋于紧凑，大分子的分子构象改变朝着体积减小的方向进行[2]。超高压处理一般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破坏作用，而对维生素、色素和风味物质中的共价键无明显影响，从而能够较好保持食品原有的营养、色泽和风味[3]。

近年来，超高压技术在水产品保鲜与加工领域中的应用成为该技术在食品中应用的一个重要方向。已有众多的国内外研究人员将该技术广泛用于贝壳类、甲壳类和鱼类及其制成品的保鲜加工中，以达到杀菌、灭酶、成型、嫩化等作用，在延长水产品贮藏期，改善品质和提高安全性等方面展示出独特的优势和发展潜力[4- 6]。

结合近年来国内外的研究动态，对超高压处理技术在水产品杀菌、灭酶的作用以及对品质变化的影响进行综述，为超高压技术在水产品加工和保鲜中推广应用提供一定的参考。

1 超高压技术对水产品中微生物的影响

1.1 超高压杀菌机理

微生物细胞结构简单，在一般的压力作用下形态结构只会发生一定的改变而不会导致死亡。当压力达到超高压处理的压力范围后，会降解微生物细胞壁，破坏细胞膜，增加通透性造成细胞质流失，也会引起微生物细胞内部的变化，如核糖体裂解、细胞骨架解聚，导致不可逆的变化。这种不可逆的变化直接导致微生物的死亡[7]。也有研究表明超高压处理可以使微生物体内蛋白质凝固，从而抑制其酶的活性和DNA等遗传物质的复制来实现抑菌[8]。

食品中不同微生物对超高压的承受范围也不相同，大多数的细菌、霉菌、酵母菌等营养体经300～600 MPa加压处理后可以失活。其中革兰氏阴性细菌和酵母菌细胞壁较厚，肽聚糖含量较高，网络结构紧密，含脂量低，在400 MPa 左右的压力下基本上能被杀死；而革兰氏阳性细菌细胞壁的肽聚糖层较薄，含量较少，脂类含量高，被杀死的压力则需要600 MPa ；对于细菌孢子则需要更高压力并结合适当加热与延长保压时间来使其失活[9]。

1.2 超高压杀菌在水产品中的应用

早期超高压在水产品保鲜加工中的应用主要是用于杀菌，以提高水产品的安全性，延长冷鲜产品的货架期。超高压用于水产品杀菌最早应用于牡蛎的保鲜。牡蛎是双壳类软体动物，通过过滤大量的水来获取食物和氧气，牡蛎容易受水体中存在病原菌的污染，食用牡蛎，特别是生食存在潜在的由副溶血性弧菌、创伤弧菌等革兰氏阴性杆菌引起的食源性安全问题[10]。因此，在不破坏鲜食牡蛎食用品质的前提下，消除病原菌引起的安全风险，对于牡蛎产业的发展具有重要意义。Kural等[11]发现在40℃、150 MPa条件下作用4 min，牡蛎中的创伤弧菌未检出，在相同的温度下，当压力达到250 MPa以上时，作用时间少于4 min。由此可见，在一定范围内，压力越大，杀菌的时间越短。Cruz等[12]研究发现，在20 ℃、260 MPa 条件下作用5 min，可达到杀死大肠杆菌和副溶血性弧菌，能够使菌落总数降低至未检出水平。表明较低压力的超高压处理即可杀死牡蛎中存在的革兰氏阴性病原菌。研究表明升高温度，提高处理压力和延长处理时间，超高压处理也能杀死大部分的革兰氏阳性病原菌，如谢慧明等[13]建立淡水小龙虾中的金黄色葡萄球菌超高压杀菌模型，表明压力343 MPa以上，处理温度55 ℃以上，处理时间10 min以上，金黄色葡萄球菌的数量可降低至小于50 CFU/g的水平，符合相关标准要求。Amanatidou等[14]结合气调包装技术，将大西洋鲑鱼于5 ℃、150 MPa 条件下保压10 min，可显著抑制李斯特菌的生长。表明常规的保鲜技术与超高压处理结合有着协同杀菌效果，可降低超高压杀菌条件。

随后，研究者也将该技术应用于甲壳类、贝类和鱼类的贮藏保鲜和轻度加工制品上以延长货架期。众多的研究表明在200～600 MPa的压力下能够杀灭虾体内绝大多数微生物[15]。Ginson等[16]采用100、270、435和600 MPa在25 ℃下处理印度白对虾(Fenneropenaeusindicus) 5 min，细菌菌落总数由6.5 log cfu/g 分别下降为6.3、5.1、4.8、2.9 log cfu/g，大肠杆菌总数由初始的5.38 log cfu/g 分别下降为4.55、3.82、2.30、2.03 log cfu/g。彭静等[17]探讨超高压应用于熟制太湖白虾灭菌的可行性，并分析其杀菌动力学。有研究者以高值贝类太平洋牡蛎和皱纹盘鲍为材料建立一种基于超高压技术的新型贝类物理冷杀菌技术，结果显示超高压能有效消减牡蛎和鲍鱼体内细菌,当处理压力达到500 MPa和400 MPa,保压时间达到10 min以上时,牡蛎和鲍鱼体内菌落总数达到未检出水平。4 ℃冷藏条件下,经300 MPa处理15 min、400 MPa处理10 min和500 MPa处理5 min的牡蛎生食货架期延长至15 d,经400 MPa和500 MPa处理10 min的鲍鱼生食货架期分别达到20 d和25 d。超高压处理可以改变导致牡蛎、鲍鱼腐败变质的腐败菌种类,牡蛎经超高压处理后,腐败菌由假单胞菌和希瓦氏菌变为希瓦氏菌和葡萄球菌,鲍鱼经超高压处理后,腐败菌由肠杆菌和乳杆菌变为乳杆菌和葡萄球菌[18]。Ramirez- Suarez等[19]利用超高压处理长鳍金枪鱼，发现275 MPa 高压处理之后4 ℃保藏前5 d菌落数保持不变，而310 MPa保压6 min可以将货架期延长至22 d ( 4 ℃贮藏) 和93 d(-20 ℃)以上。杭瑜瑜[20]研究发现400 MPa、保压5 min，协同温度30 ℃处理鱼丸，鱼丸中的菌落总数和大肠菌群均低于国标，霉菌和酵母全部致死，致病菌未检出。郑明静等[21]发现采用500 MPa处理后，海参于37 ℃保持无菌的贮藏期可达5周，随着超高压处理压力的升高，海参产品的微生物残存量变少。

综合以上研究表明，超高压对水产品中的微生物具有良好的杀灭效果，特别是对水产品中的革兰氏阴性病原菌和腐败菌具有显著的效果，可以大大提高水产原料及其制品的安全性，延长货架期。通过提高处理温度、延长保压时间，在较高的处理压力下也可以有效抑制耐压病原菌和腐败菌的生长。

2 超高压对水产品中酶活性的影响

2.1 超高压对酶活性的影响机制

酶是具有催化活性的一类特殊蛋白质，超高压会破坏其氢键，导致蛋白质一级、二级、三级结构发生不同程度的改变[22]。其中，高压处理对蛋白质的一级结构影响较小，蛋白质的二级结构由氢键维持在较低的压力可保持相对稳定[23]。蛋白质的三级和四级空间结构主要由离子键和疏水键等非共价键维持，当压力超过200 MPa时，酶的空间结构将会发生明显变化，肽键分子伸展成不规则的线状多肽，活性部位不复存在，酶也就失去活力[24]。但也有研究发现，较低强度的超高压处理可以导致酶的构象发生限制性改变，以及酶的部分活性部位裸露，增加酶与底物的接触，反而可以提高酶活性[25]。

2.2 超高压对水产品中酶的活性影响及其应用

超高压处理会使其蛋白质构象发生变化，从而影响酶的活性。超高压主要用于灭活多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)、脂肪氧合酶(LOX)和蛋白酶等大部分内源性酶，从而延缓水产品品质劣变[26]。Fidalgo等[27]通过对大西洋鲭鱼进行超高压处理，发现影响冷冻鲭鱼关键酶的活性在不同的压力条件下处理2.5～5 min均可受到抑制。其中脂酶的活性经300 MPa处理，活性降低，但是在450 MPa处理条件下处理反而没有效果。要抑制组织蛋白酶的活性处理压力要提高到450 MPa，而在此压力条件下，对鱼体中的酸性磷酸酶活只有轻微的抑制效果。甲壳类的壳中含有较为丰富的多酚氧化酶，可以催化酪氨酸等底物的氧化，导致变黑，严重影响品质。Montero等[28]在7 ℃下采用400 MPa高压、保压10 min处理日本对虾的PPO酶液，PPO活性降低至20%，若添加抗坏血酸和柠檬酸等酶抑制剂，降低pH，PPO 酶活则可被完全抑制。赵伟等[29]发现超高压可提高牡蛎中蛋白质水解酶的活性，从而增加蛋白质的水解程度。从这些研究中可以发现，酶的活性与压力的大小有关，一般压力低于300 MPa 会产生激酶效应，压力高于300 MPa 可使酶失活[30]。利用超高压对酶的双重作用进行压力调节，可激活有利的酶，抑制不利的酶。

3 超高压对水产品品质的影响

3.1 超高压对水产品色泽的影响

在色泽方面，马海建[31]等研究发现200 MPa以上的压力会使草鱼鱼肉的色泽显著变化，鱼肉表面逐渐变白呈不透明状，产生熟化外观，各组样品的L*值和白度均显著增大，且处理压力越大，其增幅越大。郑明静[21]等也发现处理压力越大，海参的色泽越浅，表现为亮度和黄度上升，红度下降。这可能是由于超高压破坏了肌红蛋白结构，加快了其氧化速度，致使产品色泽变浅[32]。超高压也会使水产品色泽不良，如虾类超高压处理后会变黑。

3.2 超高压对水产品风味的影响

在气味方面，超高压处理一般不会破坏风味物质和维生素的共价键，从而保留氨基酸、核苷酸等小分子风味物质，但超高压可以通过影响食品原料内部的化学和酶促反应进程，从而对食品的风味有一定的影响[33]。有研究者使用电子鼻和电子舌分析表明，100和200 MPa 处理对草鱼鱼肉气味无明显影响，300 MPa及以上压力使气味有所改变，200、400和500 MPa处理后鱼肉的滋味和对照组有所差异，但区别不大[31]。刘剑侠等[34]也发现经高压处理后鱼肉的挥发性成分基本保留。有研究显示，超高压加工可杀灭或大大减少水产品中的乳酸菌，保藏期间由乳酸菌引起的腐败气味比一般加工方法少很多[35]。

3.3 超高压对水产品质地的影响

在质地方面，付强[36]研究发现鱼糜经过超高压处理后，凝胶品质能够得到显著提高，当压力达到400 MPa时凝胶强度达到最大值，之后又显著减小，保压时间在10 min 后凝胶强度变化不明显，其微观结构的均匀致密程度最高。雷亚君等[37]发现超高压处理对条斑紫菜硬度的影响不显著，紫菜硬度随着处理压力的升高先下降后升高，保压时间15 min、压力600 MPa时，紫菜硬度与未处理的相比变化较小，利于开发出新鲜高值的紫菜新产品。Pérez[38]发现采用200和400 MPa保压10 min处理海湾扇贝，通过电镜扫描微观结构，其肌原纤维的微观结构致密均匀，蜂窝状结构消失，硬度也显著降低，能够保持鱼肉良好的弹性和凝聚性。然而，超高压对水产品质地的影响是双面的，Angsupanich 等[39]对鳕的研究发现，在0～300 MPa范围内，随着压力的升高，鱼肉弹性增强，200 MPa时黏度急剧下降，在400 MPa和600 MPa时，黏度提高，而且400 MPa和600 MPa 处理后鱼肉的硬度和咀嚼度都比200 MPa和未经高压处理的强，但800 MPa处理后反而使其下降了。

从以上研究可以看出，超高压对水产品色泽、气味、质地既有有利的影响，也存在不利的影响。不同食品对高压的耐受性与敏感性差异也较大。超高压在一定范围内有利于维持水产品色泽、改善硬度、增加凝胶特性等，随着压力增高水产品硬度过高、凝胶特性被破坏等不利影响逐渐出现。这可能是由于不同的压力处理对蛋白凝胶特性的影响不同。

4 结语

超高压处理可以有效杀灭水产品中的病原菌和腐败微生物，也可以较好地保持或改善产品的感官品质。随着消费者对食品品质与安全的重视，超高压处理技术以其冷杀菌、耗能少，能保持食品的营养价值与食用品质等优点，在水产品保鲜和轻度加工品领域有着广阔的应用前景。超高压处理也可能使水产品产生色变、蛋白质变性、熟化等不良后果，影响水产品品质。因此，如何针对特定水产品原料特性、菌相特征、化学组成与结构特点，优化超高压处理的工艺条件(处理压力、保压时间、加压方式等)，是充分发挥超高压处理优势，避免处理过程中品质不良变化亟须解决的关键问题，也是该技术在水产品保鲜加工中应用的主要研究热点和主要方向。