水产品腐败机理及控制方法研究进展

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(1.上海海洋大学食品学院,上海 201306;2.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306;3.农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海),上海 201306)

水产品的腐败机制涉及生物、化学、物理等方面的复杂变化。在贮藏过程中,引起其腐败变质的主要因素是酶类的水解作用[1]。研究发现,贮藏前期阶段,内源性蛋白酶类通过水解肌原纤维蛋白,水产品组织结构发生劣化。贮藏后期阶段,随着微生物种类和数量的增加,微生物产生的胞外酶逐渐替代内源酶,在水产品腐败过程中占据主导地位。Bahuaud等[2]通过将大西洋鲑鱼在-1.5 ℃进行储藏,观察到储藏前期组织蛋白酶B和L的酶活性与肌肉中肌球蛋白重链(MHC)降解之间有显著的相关性。微生物产生的胞外酶类对水产品品质的影响具有双重作用。王航[3]等研究发现,氨基酸脱羧酶类通过脱羧作用将水产品体内的游离氨基酸转化成胺类等异味物质。陈坚等[4]发现,谷氨酰胺转胺酶通过催化蛋白质分子间氨基转移反应形成ε-(γ-谷胺酰)赖氨酸键,提高了水产品中蛋白质的营养价值,质地口感和货架期等。因此,研究水产品腐败机理及控制方法对延缓水产品腐败变质延长贮藏期,提高水产品营养价值等具有重要的现实意义。

本文综述了水产品在低温贮藏中的腐败机理及控制方法,分别对引起腐败的内源酶和胞外酶的作用机理进行了分析,讨论了控制冰点与气调包装结合法、腌制与低温贮藏法、冰温干燥法等延长水产品贮藏期的方法,并对提高水产品品质的方法做出了展望,以期为提高水产品营养价值、延长贮藏期提供指导。

1 内源酶的作用机理

在水产品中鱼类品质的变化过程分为僵直、解僵与自溶、腐败变质等阶段。在僵直阶段,鱼体内肌纤维网状结构被破坏,释放Ca2+进入血浆中,激活肌原纤维粗丝中的ATP酶。ATP经过一系列降解(ATP→ADP→AMP→IMP→HxR→Hx),促使Mg-ATP复合物解离,肌原纤维中的粗丝和细丝发生滑动,肌肉失去延伸能力,导致肌肉僵硬[5]。僵直阶段鱼类体内细菌微生物数量较少,分解作用尚不明显。当鱼体进入解僵与自溶期时,在鱼体内源蛋白酶作用下,肌体组织蛋白被水解,肌原纤维发生自溶,肌肉组织逐渐软化。Delbarre-Ladrat等[6]认为起关键作用的酶主要为两大类,分别为钙蛋白酶和溶酶体组织蛋白酶;其中钙蛋白酶降解高分子量的肌原纤维蛋白,组织蛋白酶降解低分子量的肌原纤维蛋白。

1.1 钙蛋白酶

钙蛋白酶属于半胱氨酸蛋白酶,由两个亚基组成,催化活性的大亚基(80 kDa)和调节作用的小亚基(30 kDa),其最佳活性pH为7.5。钙蛋白酶被肌肉肌浆中的中性Ca2+激活,μ-钙蛋白酶和m-钙蛋白酶在特定位点切割蛋白质导致蛋白质水解。水解后产生的大分子肽增加其他蛋白酶的敏感性,是水产品前期质地变化的重要因素之一。

钙蛋白酶(μ-钙蛋白酶和m-钙蛋白酶)通过降解高分子量肌原纤维蛋白,使得肌联蛋白断裂,引起Z盘崩解。Z盘崩解后肌联蛋白与α-辅肌蛋白之间的相互作用被弱化,α-辅肌蛋白从肌纤维结构中被释放出来鱼肉发生软化。研究发现[10],钙蛋白酶活性与贮藏温度显著相关。在微冻条件下,肌体被部分冻结产生冰晶,破坏了细胞膜结构,导致钙离子浓度增加,钙蛋白酶活性被激活。Gaarder[13]等通过研究不同贮藏温度对酶活性作用的实验中发现,大西洋鲑鱼在微冻条件下钙蛋白酶活性比冰藏条件高出40%。Delbarre-Ladrat等[14]研究钙蛋白酶和组织蛋白酶对海鲈肌肉蛋白质降解相对作用的实验中发现,钙蛋白酶前期对肌原纤维蛋白的水解作用不会促进组织蛋白酶的水解,二者之间的协同作用相对较弱。随着贮藏时间的延长,水产品逐渐产生乳酸,pH下降,钙蛋白酶的活性在酸性条件下被抑制,此时组织蛋白酶被释放到肌原纤维结构中发挥主要作用。

1.2 溶酶体组织蛋白酶

溶酶体组织蛋白酶种类较多,包括丝氨酸蛋白酶、天门冬氨酸蛋白酶和半胱氨酸组织蛋白酶等,其中组织蛋白酶(组织蛋白酶B、L)在水产品腐败过程中发挥主要作用。组织蛋白酶B和组织蛋白酶L被硫醇化合物活化后,通过协同作用水解肌原纤维和细胞外基质中的结构蛋白以及肌肉中的costamere(将肌原纤维连接至肌膜质的Z-盘相关结构)、中间丝蛋白(参与肌间纤维连接的蛋白质)释放多肽和寡肽等物质,引起鱼类的蛋白质分解代谢和自溶[16]。Bahuaud[17]等研究表明,组织蛋白酶B和组织蛋白酶L与鲑鱼组织自溶的相关性极为显著,分别在pH6.0和pH5.6显出最大活性。Ladrat等[18]通过对鲈鱼蛋白水解机制的实验研究中发现,组织蛋白酶B和组织蛋白酶L通过降肌球蛋白重链、α-辅肌动蛋白、肌间丝蛋白等使鲈鱼肌原纤维紊乱肉质自溶。内源酶对水产品腐败的作用机制较为复杂,目前研究表明[19],内源蛋白酶除了水解蛋白破坏肌肉组织结构外,还参与线粒体介导的细胞凋亡过程,间接导致了肌肉蛋白的降解。

2 胞外酶的作用机理

水产品贮藏后期,其腐败变质的原因主要是由微生物活动引起的。部分微生物(特定的腐败生物SSOs)利用产生的胞外酶对氨基酸的降解作用来影响水产品的品质。例如,水产品特定腐败菌产生的氨基酸脱羧酶类通过脱羧作用,将游离氨基酸转化成胺类等散发异味的腐败物质[3]。孔令红[21]在鳕鱼体表分离出的腐败希瓦氏菌Y0612产生氧化三甲胺还原酶,将氧化三甲胺(TMAO)还原为三甲胺(TMA),进而生成甲醛等腐败物质,加速了鳕鱼的腐败。此外,有些胞外酶对提高水产品的品质也具有积极作用。Streptoverticilliumsp. 菌株产生的谷氨酰胺转胺酶催化蛋白质分子间氨基转移,促使蛋白质分子间发生交联。限制性氨基酸通过交联作用被连接蛋白质上,提高了水产品中蛋白质的营养价值,质地、口感和贮藏期。Koppelmen[22]等通过添加谷氨酰胺转胺酶改变了在大马哈鱼体内干酪素的质构,促使其形成交联结构,大马哈鱼的致过敏性显著降低。因此,对于延长鱼类等水产品的贮藏期来说,采用适当的方法抑制内源酶和胞外酶的活性显得至关重要。

3 水产品腐败的控制方法

3.1 控制冰点与气调包装结合法

控制冰点(controlled freezing point storage,CFPS)即在零下或微冻条件下贮藏的方法,依靠渗透压力来降低肌肉组织的冰点,从而延缓水产品生物化学和微生物活性,在抑制酶活性的同时也不产生破坏细胞结构的冰晶。CFPS有以下主要特点:其一,通过较高的热交换能力产生较快的冷却速率;其二,与常规冷藏库(±2 ℃)相比,严格控制温度,温度波动范围较小(±0.5 ℃)。此外,气调包装通过提高CO2浓度调节微生物生长环境抑制,抑制氧化反应和产酶微生物的活动。相比传统保存方法,CFPS与MAP(modified atmosphere package)结合可以有效地保持水产品的质量。高温条件下CO2效应减弱,CO2在微生物细胞质的水相中溶解度降低,MAP效应被减弱。Noseda[24]等认为,气调包装与低温贮藏相结合效果更好,海鲷鱼在0、5 ℃条件下货架期优于15 ℃。Zhu[25]等研究发现,在-0.7 ℃下采用MAP(60%二氧化碳/40%氮气)比4 ℃冷藏更能明显提高鲶鱼的品质。Chong[26]等研究发现,水产品冷藏过程中,产生生物胺的量随着CO2浓度的升高而下降,CO2浓度能够较好抑制微生物的活动,30% CO2加快酪氨酸和组胺的生成量,最佳的贮藏条件为60%的CO2。

3.2 腌制与低温贮藏法

盐分子能够通过扩散渗入组织内部降低水产品的水分活度,从而提高其渗透压,控制腐败微生物的产酶活动。在鱼糜加工过程中,加盐还能够促进盐溶性蛋白的溶出,水产品自身的谷氨酰胺转胺酶作用于盐溶性蛋白,形成盐溶性凝胶,可以提高鱼糜的凝胶强度和凝聚性。但是过高的含盐量会对水产品的风味产生不良影响。盐分子与水产品接触后增强不饱和脂肪酸氧化,与水产品产生异味和蛋白质变性直接相关。研究发现,加盐与低温贮藏相结合能够更好地延长水产品的储藏期。李敏[28]等在腊鱼腌制过程中发现,温度和盐含量与钙蛋白酶活性之间呈现负相关趋势。当盐含量超过3%左右时,钙蛋白酶活性变化趋于稳定。Yanar等[29]研究罗非鱼在冷藏条件下,盐含量分别为5%、10%和15%时水产品的品质变化情况,结果表明,在21 d内,三个浓度条件下的水产品的品质与空白对照组相比质量较好。其中15%盐浓度的样品中过氧化值的含量均高于其它两组,且在第42 d达到5.14 mmol/kg。而4 ℃,5%的盐浓度是罗非鱼的最佳处理条件。Gallartjornet等[30]发现,经过25%的高浓度盐腌制的大西洋鲑鱼的蛋白质发生变性,并且持水能力降低。许艳顺[31]等通过低温贮藏与盐腌相结合的方式处理草鱼片,发现腌制对草鱼片的色差、TVB-N、质构、持水力等指标均有显著影响,且在冻藏条件下,腌制能够明显的抑制汁液流失,提高水产品的持水力。因此,采用低温贮藏与盐腌相结合的方式,在抑制微生物活动和酶活性的同时,也能够在一定程度上减少高浓度盐对水产品品质的破坏,从而更好地延长水产品的贮藏期。

3.3 冰温干燥法

冰温干燥法,是控制样品在零度至冰点内干燥脱水的技术。在冰温下,通过减少水产品中的水分,可以降低生化反应速率,从而达到抑制酶的活性和微生物活动的目的。冰温,即0 ℃至样品冰点的温度区间,冰温保鲜机理主要为:a.将冰温带控制在一定范围内,使肌体组织细胞保持在活体状态;b.冰温条件下,水产品体内水分子呈有序状态排列,导致微生物可利用的自由水含量减少,抑制微生物产酶活性。c.水产品接近冰点温度时,细胞的新陈代谢水平达到最低,能够有效延长水产品货架期。李佳[32]采用不同干燥方法对海鳗鱼进行干燥处理,实验结果表明,冰温干燥处理后的酶活力明显低于冷冻干燥的酶活力,海鳗鱼货架期增长。李鑫龙等[33]将南美白对虾进行冰温(-2 ℃)干燥和低温(22 ℃)干燥处理,研究后发现,冰温干燥处理后的南美白对虾明显抑制了多酚氧化酶的活性,南美白对虾的色度变化较小,为10.17,明显优于低温干燥,说明冰温干燥法能较好地延长南美白对虾的贮藏期。于鹏[34]将海珍品放置在-2～0 ℃的冰温带范围内进行干燥,明显抑制了产酶微生物的生长,更好地保存了海珍品的品质。然而单一的冰温干燥在节能方面尚存在些许不足,冰温和低温热泵干燥相结合,在最大限度保留海珍品品质的同时,又能缩短干燥时间。因此,冰温干燥在降低酶活、抑制微生物生长方面作用显著,既能延长贮藏期,又最大程度地保留水产品的品质。

4 总结与展望

水产品在低温贮藏期间发生腐败变质的原因主要分为两个时期。前期主要是内源酶类的作用,其中钙蛋白酶和组织蛋白酶等酶类占主导地位,这些酶类通过水解作用破坏肌体组织结构,导致水产品组织发生软化和自溶。后期主要是一些嗜冷的微生物(希瓦氏菌,单胞菌属和气单胞菌属)产生胞外酶(氨基酸脱羧酶和氧化三甲胺还原酶等酶类)作用于肌体生成腐胺和尸胺等腐败物质。对于造成水产品腐败的产酶微生物,应从采取有效的防腐方法来延长水产品的贮藏期。通过合适的方法如控制冰点与改良气调包装结合,腌制与低温贮藏结合,冰温干燥等方法来抑制酶的水解作用。未来应关注如下几个方面:通过提高有益酶类的活性如:谷氨酰胺转胺酶来改善水产品中蛋白质的营养价值,质地口感和贮藏期;低温贮藏的水产品时,适量蔗糖可以掩盖盐腌的不良味道,促进肌原纤维的稳定和提高凝胶强度,因此可以调制不同糖和盐比例来防止水产品腐败变质;低温干燥与其他技术(如真空、生物保鲜剂、防腐涂膜材料等)相结合共同作用延长水产品在低温条件下的贮藏期。此外,嗜冷菌产生的有益酶也有较好的应用前景,但在水产品贮藏过程中的作用尚有待研究。