水产品加工方式对蛋白特性影响的研究进展

2021-03-17齐筱莹逄昕雨叶张靖赵志康肖长辉胡建恩

农产品加工 2021年3期

齐筱莹，宫璇，逄昕雨，叶张靖，赵志康，肖长辉，胡建恩，赵慧

（大连海洋大学食品科学与工程学院，辽宁大连 116600）

0 引言

20 世纪90 年代起，中国的水产品产量丰富，至今仍稳居于世界首位，并且渔业发展在近些年来收获颇丰。水产品相较一般的动物组织品质更容易劣变，酶促自溶、氧化、微生物生长都会致使水产品在打捞、输送、加工及销售等全链过程中发生腐败变质[1-3]。水产品经过适当的加工，在防止腐败变质、延长保质期的同时，亦可保持其营养价值、质地和风味[4]。随着科学技术的进步，在水产品的腌制加工、传统热加工等传统技术的基础上，开发了高压、超声波等新型加工方法。

食品营养学中对于蛋白质的生理价值及净利用率的研究表明，水产动物蛋白营养价值优于陆生动物蛋白。水产品与畜牧肉质比较，兼备高蛋白、低脂肪、低热量三大优点。鱼类与虾、蟹类粗蛋白含量基本相同约为20%，贝类粗蛋白含量略低约为12%，由于季节和品种影响会略有不同。水产动物蛋白可以简单地分为2 类，细胞内蛋白（肌原纤维蛋白与肌浆蛋白组成）和细胞外蛋白（肌基质蛋白）[5]。不同的加工方式会使蛋白质发生不同程度的变化，从而影响人们膳食营养需求，因此研究加工方式对蛋白特性的影响，对选择最优的方法及新型加工方法的发展与应用有重要意义。根据国内外文献报道，对热加工、腌制、高压、超声波等加工方式及其对水产动物蛋白特性的影响进行总结归纳，以期为水产品加工方式的应用提供参考，为我国水产品加工行业新型技术的研发提供思路。

1 水产品加工方式

1.1 热加工

加热是水产品加工中最常见的方式，容易改变食品滋味、口感及营养物质等[6-7]。传统的加热方法是利用辐射加热物体表面，然后经过传导及对流逐渐加热物体内部[8]。传统的直接加热方法加热效率低，加工时会出现局部加热时间长、内部加热时间短、加热不均匀等问题，使水产品营养成分流失，味道劣变，口感干燥粗糙。射频加热与微波加热都是新兴的加热技术，将两者应用于食品加工是近些年研究的重点[9]。

射频加热是交变电场引起的分子和离子的振荡造成分子相互摩擦在食品内部产生热量[10-11]。射频加热速率快，不用依靠热传导就可以直达食品内部；加热时食品整体受热，内外均匀，但容易出现边角加热过度现象[12]。

微波加热中高频电磁场极性改变，导致极性分子转动发生摩擦，在食品内部产生热量[13-14]。微波加热中加热速率快、穿透性强；解冻食物时效率高、能耗少，并且大大减少食物营养成分的损失。然而，食品在微波加热时，仍然存在温度不均等问题[15]。Koray P 等人[16]对2 种加热方式进行了比较，通过红外成像可得，微波加热过程中，功率为500 W 和1 kW 时均发现表面出现部分过热；相反，射频加热整体受热会随着电极板与样品距离的增加而更均匀。该结果可以说明射频加热相较于微波加热均匀性更好。

1.2 腌制加工

部分水产品除了生鲜食用外，还有一种从古至今备受人们喜爱的加工方式——腌制。腌制加工不仅可以抑制微生物的滋生，还可以延长腌制品保存时间[17]。腌制加工方法有以下3 种。

（1）湿腌法。将水产品放入盛有配置好浓度的食盐水中，扩散和水分转移使其内部盐浓度与外部盐水浓度相同[18]。这种加工方式腌制均匀且不易被氧化。湿腌法与干腌法相比较，加工时间均较长。湿腌法加工制品质地较软，但色泽和风味较差，并且由于加工制品的含水量大导致保存期较短。

（2）干腌法。将水产品表面撒上食盐，放置于腌制架或腌制器皿，在每层中间平均撒盐并按顺序固化，依靠外渗液形成食盐溶液，该食盐溶液扩散并渗透至腌制品[19]。该方法操作简便、含水量低，易于保存，但腌制过程耗时长、腌制时食盐渗透不均匀，容易与空气接触发生氧化现象，导致腌制品色泽和风味较差[20]。

（3）混合腌制法。首先依靠干腌法产生的渗出液将食盐溶解成食盐溶液，然后采用湿腌法防止食盐溶液浓度被稀释。混合腌制法一方面由于食盐溶解于外渗液中，防止湿腌法因水产品内部水分渗出导致食盐浓度下降；另一方面由于食盐水的加入使腌制品表面不会发生脱水现象。该方法既保证了食盐渗透的均匀性，又避免了氧化，提高了腌制品的色泽和风味[21]。虽然腌制加工简便易操作，但是长期食用腌制品易对肝脏、肾脏造成负担，严重时会引起中毒，甚至带来癌症的风险。

1.3 超高压加工

高压这一加工方法是19 世纪末在材料化学领域首次引入的。Hite 在1899 年率先提出将高压加工方法运用在食品工业中，对牛奶和水果制品进行巴氏杀菌[22]。超高压加工是指在常温或低温条件下，将食品柔性包装并置于装有传压液体（水或其他液体）的容器中，压力加至100 MPa 以上并保持一定时间，从而延长食品贮藏时间[23]。这种方法基于2 个原理，这2 个原理决定了食品在压力下的行为。首先是影响反应均衡的重要原理，即勒夏特列原理，其次是均衡原理，即帕斯卡定律[24]。超高压处理是一种非热处理工艺，但可以替代热处理[25]。超高压加工并不受食品大小、形状的影响，这是由于在其加工过程中压力是均匀的[26]。超高压加工可以在较低温度下使微生物失活，保障食品的安全性并延长其保质期[27]。对牡蛎进行超高压加工，可以灭活特定的致病微生物，防止消费者患上某种疾病[28]。与热加工不同的是，超高压加工会使蛋白质中的非共价键断裂，使其受到挤压，分子构象改变，但对于氨基酸等小分子物质的共价键没有影响，因此可以在很大程度上保持食物的风味及营养[29]。但是，超高压加工设备所需购置和后期维修费用高昂，能耗也高，不能在实际生产生活中得到广泛的应用。

1.4 超声波加工

超声波是利用电致伸缩变压器原理，基于铁电材料在高频电场中的弹性变形，电场中极化分子相互吸引，高频交流电通过2 个电极传输到铁电材料，转换成机械振荡后，声波将传输到放大器、声辐射声控器，最后再到介质[30]。超声波的振动频率大于20 000 Hz，一般会超出人类听觉的上限[31]。

超声波在传播过程的效应有4 种：机械效应、空化效应、热效应、化学效应[32-34]。超声波作为先进的食品加工技术，在食品加工和保鲜方面具有广阔的前景，是一种温和但有针对性的加工形式，可以提高加工品的质量和安全性[35]。虽然仅依靠超声处理不足以灭活食物中各种有害酶，但超声与温和的热处理相比已显示出高效的灭活酶和病原体的潜力[36]。超声波能在传播时，不仅具有定向传播的能力，而且具有强反射性，可以获取更多更集中的声能[37]。

水产品加工方式及优缺点比较见表1。

表1 水产品加工方式及优缺点比较

2 加工方式对蛋白特性的影响

天然蛋白质的空间结构由二级键（如氢键）保持，这些二级键在某些物理和化学因素的影响下从其原始的有序空间结构变为无序的空间结构[38]。蛋白结构的改变会影响蛋白的性质：①某些理化性质：由原本紧密的结构变得松散，使疏水基团显现出来，蛋白质不对称性上升并导致溶解度等理化指标变化。②生物活性：生物学作用及功能改变。③生物化学性质：引起蛋白质变性，无法形成晶体，可被蛋白酶轻易水解[39-42]。

2.1 加工方式对蛋白二级结构的影响

蛋白质分子的二级结构通常是指蛋白质多肽链沿主链的空间取向、规则的环状陈列或特定肽链的部分空间结构[43]。蛋白质二级结构是否稳定，主要受氢键影响，加热、紫外线、超声波、机械运动等会破坏氢键，从而改变蛋白结构，引起二级结构的破坏[44]。α - 螺旋、β - 折叠、β - 转角和无规则卷曲的含量变化均可以体现蛋白质二级结构破坏程度，李慧兰等人[45]在鱼肉腌制中证实了上述观点。Zhang L等人[46]在鱼糜热杀菌中发现加工温度超过水产品热变性温度时其二级结构被破坏，当温度达到100 ℃时，主要是无规则卷曲变化，随着温度的上升，无规则卷曲结构含量下降，蛋白空间结构的形成网络空隙变大，支撑结构更加脆弱，从而导致水产品的质地遭到破坏。Qiu C 等人[47]运用高压处理诱导的肌原纤维蛋白的修饰，结果发现α - 螺旋在400 MPa 处理10 min 后被破坏，并且加压和压力释放期间会促进共价和非共价相互作用，从而诱导蛋白质中二级结构变化，在一定程度上破坏细胞结构，导致膜蛋白和脂质构象失活，高压加工可作为改善鱼类产品功能特性手段。Fan D 等人[48]在超声波加工对鱼糜制品影响中发现由于空化作用形成的剪切力、冲击波，改变蛋白质的结构引起凝胶强度的增加。虽然每种加工方式引起蛋白质变性的原理不同，但对蛋白质二级结构的影响相似，傅立叶变换红外光谱结果均表现为α - 螺旋和无规则卷曲结构含量降低，并且β - 折叠结构含量增加[49-50]。

2.2 加工方式对巯基和二硫键含量的影响

蛋白质巯基基团分为嵌入蛋白质分子内的巯基基团和表面活性巯基基团[51]。二硫键是由巯基氧化而形成，其形成动力学影响着蛋白质自组装的效率。马海霞等人[52]研究发现总巯基含量会随着加热温度提高而下降，这可能是由于加热中巯基暴露并被氧化成二硫键，从而含量减少，使蛋白质结构更为松散。超声波加工中蛋白质表面的巯基是会由于空化现象产生剪切力，导致聚集物的展开和折叠而被掩埋，并且空化现象会使过氧化氢分解并产生氢原子和高活性羟基自由基，氧化自由巯基，甚至迫使巯基转化为二硫化物，导致自由巯基减少[53]。Liang Y 等人[54]探讨了鱼糜凝胶特性及形成机理中发现压力高于300 MPa，凝胶强度增加，这是由于巯基氧化或二硫键交换形成二硫键可降低总巯基含量，增加表面活性巯基含量。腌制加工对巯基和二硫键影响与之相似，一般为巯基氧化或二硫键的交换，导致总巯基含量的减少和表面反应性巯基含量的增加，这在一定程度上反映了蛋白变性程度[18]。

2.3 加工方式对蛋白溶解度的影响

由于蛋白质是一种在水溶液中呈离散形式的有机大分子化合物，因此对蛋白质溶解度并无明确定义，通常蛋白质溶解度是指蛋白质与水通过肽键或氨基酸侧链相互作用，其离散程度的大小[55-56]。蛋白质溶解度表征数据可用于分离和提纯蛋白质，故其广泛地应用于实际中[57]。蛋白质溶解度受到酸碱及温度等外界条件的影响，其大小可以判断蛋白质的变性水平[58]。当蛋白质处于高度可溶状态时，肉制品能表现出优良的胶凝、乳化、保水等功能性质[59]。超高压处理作用于蛋白质的非共价键，导致蛋白质的延伸和集聚发生变化，降低蛋白质与水的结合能力，从而引起其溶解度下降[60]。Yong J 等人[61]研究肌动球蛋白随着加热温度的增加的变化发现，温度超过40 ℃时丝线鱼肌动球蛋白形成不溶性聚集体，溶解度下降。蔡路昀等人[62]通过超声辅助解冻发现蛋白质因疏水相互作用产生聚集体，导致蛋白溶解度下降。腌制加工结果与其他加工方式相反，由于肌原纤维蛋白为盐溶性蛋白，当食盐溶液增加一定浓度时，其溶解度增加[63]。

2.4 加工方式对Ca2+-ATPase 活性的影响

肌原纤维蛋白具有ATPase（三磷酸腺苷酶）活性，ATPase 活性可分为 Ca2+-ATPase 活性、Mg2+-ATPase 活性、Ca2+-Mg2+-ATPase 活性和 Mg2+-EGTA-ATPase 活性[64]。蛋白质的变性程度可以用Ca2+-ATPase 活性进行评价，这是由于Ca2+与肌球蛋白息息相关，不仅可以激活其活性，还可以判断其完整性[65]。刘庆[66]在鲢鱼糜超声处理时发现，肌球蛋白头部结构会被破坏，使肌动球蛋白构象改变，Ca2+-ATPase 活性随之减弱。Mao W 等人[67]研究整个虾肉在加热过程中Ca2+-ATPase 活性变化，结果发现在51 ℃或85 ℃下Ca2+-ATPase 活性随加热时间的增加而降低。吴林洁等人[18]在大黄鱼腌制加工中发现Ca2+-ATPase 活性显著下降，由（1.20±0.07） μmol/min/mg pro 下降至（0.50±0.04） μmol/min/mg pro。周果等人[68]对三疣梭子蟹超高压加工中发现，随着压力的增加，Ca2+-ATPase 活性随之下降，但Ca2+-ATPase 在过高的压力下会失活, 压力在300～350 MPa时，Ca2+-ATPase 活性降为 0.004～0.005 μmol/(mg·min）。

2.5 加工方式对蛋白表面疏水性的影响

蛋白质溶于水，其表面极性基团与水联合的数量为蛋白表面疏水性。在天然肌原纤维蛋白质中，疏水性残基尤其是非极性芳香族氨基酸埋藏在天然折叠结构中，而蛋白质表面具有高密度的带电基团，疏水性基团稀少[69]。表面疏水性是评估蛋白质在加工过程中细微的结构改变的工具。郭子璇等人[70]研究了热加工对牡蛎蛋白的影响，发现随着温度增加牡蛎蛋白的疏水系数增加，由17.5 变为21.16。Arzeni C等人[71]的研究表明超声波加工会使蛋白分子展开，分子内疏水基团和区域暴露在表面，表面疏水性增加。闫春子等人[72]研究中发现，草鱼在200～600 MPa 的超高压加工下其疏水性由11%增加至82%，这是由于疏水基团会随着压力的增加而变多，增加疏水相互作用，并且疏水性残基排布发生变化，表面疏水性随之增加。水产品腌制加工后会出现不同结果，这是由于肌原纤维蛋白溶于盐溶液中，溶解性增加，导致其表面疏水性下降[63]。

2.6 加工方式对蛋白聚集的影响

蛋白质的结构通过化学力来维持，在加工过程中，原有的化学作用力被破坏，蛋白质之间形成新的作用力，从而引起蛋白质结构的改变，造成聚集[73]。分子间相互作用使蛋白质经热加工后产生蛋白聚集和变性，水浴加热引起的肌动球蛋白的变性和聚集程度更高，微波加热可能是由于微波辐射产生的非热效应在抑制水产品肌动球蛋白构象变化方面非常有效[74-75]。腌制加工中食盐的添加会使蛋白发生聚合，在鱼糜凝胶化过程中加入食盐，肌球蛋白重链会发生聚合，凝胶化后形成稳定的蛋白网络[76]。Ko W C 等人[77]对罗非鱼的超高压处理中发现当压力由50 MPa 增至200 MPa 时，随压力的增加会引起肌球蛋白浊度及蛋白质的溶解度的降低，并引起蛋白质聚集。反之，超声波加工中通过增加超声处理的时间和功率能影响蛋白质的理化特性，可以促进蛋白质的断裂、展开和解聚[71]。