水產(chǎn)品腐敗機理及控制方法研究進展

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(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306;2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術研究中心,上海 201306;3.農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風險評估實驗室(上海),上海 201306)

水產(chǎn)品的腐敗機制涉及生物、化學、物理等方面的復雜變化。在貯藏過程中,引起其腐敗變質(zhì)的主要因素是酶類的水解作用[1]。研究發(fā)現(xiàn),貯藏前期階段,內(nèi)源性蛋白酶類通過水解肌原纖維蛋白,水產(chǎn)品組織結構發(fā)生劣化。貯藏后期階段,隨著微生物種類和數(shù)量的增加,微生物產(chǎn)生的胞外酶逐漸替代內(nèi)源酶,在水產(chǎn)品腐敗過程中占據(jù)主導地位。Bahuaud等[2]通過將大西洋鮭魚在-1.5 ℃進行儲藏,觀察到儲藏前期組織蛋白酶B和L的酶活性與肌肉中肌球蛋白重鏈(MHC)降解之間有顯著的相關性。微生物產(chǎn)生的胞外酶類對水產(chǎn)品品質(zhì)的影響具有雙重作用。王航[3]等研究發(fā)現(xiàn),氨基酸脫羧酶類通過脫羧作用將水產(chǎn)品體內(nèi)的游離氨基酸轉(zhuǎn)化成胺類等異味物質(zhì)。陳堅等[4]發(fā)現(xiàn),谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶通過催化蛋白質(zhì)分子間氨基轉(zhuǎn)移反應形成ε-(γ-谷胺酰)賴氨酸鍵,提高了水產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值,質(zhì)地口感和貨架期等。因此,研究水產(chǎn)品腐敗機理及控制方法對延緩水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)延長貯藏期,提高水產(chǎn)品營養(yǎng)價值等具有重要的現(xiàn)實意義。

本文綜述了水產(chǎn)品在低溫貯藏中的腐敗機理及控制方法,分別對引起腐敗的內(nèi)源酶和胞外酶的作用機理進行了分析,討論了控制冰點與氣調(diào)包裝結合法、腌制與低溫貯藏法、冰溫干燥法等延長水產(chǎn)品貯藏期的方法,并對提高水產(chǎn)品品質(zhì)的方法做出了展望,以期為提高水產(chǎn)品營養(yǎng)價值、延長貯藏期提供指導。

1 內(nèi)源酶的作用機理

在水產(chǎn)品中魚類品質(zhì)的變化過程分為僵直、解僵與自溶、腐敗變質(zhì)等階段。在僵直階段,魚體內(nèi)肌纖維網(wǎng)狀結構被破壞,釋放Ca2+進入血漿中,激活肌原纖維粗絲中的ATP酶。ATP經(jīng)過一系列降解(ATP→ADP→AMP→IMP→HxR→Hx),促使Mg-ATP復合物解離,肌原纖維中的粗絲和細絲發(fā)生滑動,肌肉失去延伸能力,導致肌肉僵硬[5]。僵直階段魚類體內(nèi)細菌微生物數(shù)量較少,分解作用尚不明顯。當魚體進入解僵與自溶期時,在魚體內(nèi)源蛋白酶作用下,肌體組織蛋白被水解,肌原纖維發(fā)生自溶,肌肉組織逐漸軟化。Delbarre-Ladrat等[6]認為起關鍵作用的酶主要為兩大類,分別為鈣蛋白酶和溶酶體組織蛋白酶;其中鈣蛋白酶降解高分子量的肌原纖維蛋白,組織蛋白酶降解低分子量的肌原纖維蛋白。

1.1 鈣蛋白酶

鈣蛋白酶屬于半胱氨酸蛋白酶,由兩個亞基組成,催化活性的大亞基(80 kDa)和調(diào)節(jié)作用的小亞基(30 kDa),其最佳活性pH為7.5。鈣蛋白酶被肌肉肌漿中的中性Ca2+激活,μ-鈣蛋白酶和m-鈣蛋白酶在特定位點切割蛋白質(zhì)導致蛋白質(zhì)水解。水解后產(chǎn)生的大分子肽增加其他蛋白酶的敏感性,是水產(chǎn)品前期質(zhì)地變化的重要因素之一。

鈣蛋白酶(μ-鈣蛋白酶和m-鈣蛋白酶)通過降解高分子量肌原纖維蛋白,使得肌聯(lián)蛋白斷裂,引起Z盤崩解。Z盤崩解后肌聯(lián)蛋白與α-輔肌蛋白之間的相互作用被弱化,α-輔肌蛋白從肌纖維結構中被釋放出來魚肉發(fā)生軟化。研究發(fā)現(xiàn)[10],鈣蛋白酶活性與貯藏溫度顯著相關。在微凍條件下,肌體被部分凍結產(chǎn)生冰晶,破壞了細胞膜結構,導致鈣離子濃度增加,鈣蛋白酶活性被激活。Gaarder[13]等通過研究不同貯藏溫度對酶活性作用的實驗中發(fā)現(xiàn),大西洋鮭魚在微凍條件下鈣蛋白酶活性比冰藏條件高出40%。Delbarre-Ladrat等[14]研究鈣蛋白酶和組織蛋白酶對海鱸肌肉蛋白質(zhì)降解相對作用的實驗中發(fā)現(xiàn),鈣蛋白酶前期對肌原纖維蛋白的水解作用不會促進組織蛋白酶的水解,二者之間的協(xié)同作用相對較弱。隨著貯藏時間的延長,水產(chǎn)品逐漸產(chǎn)生乳酸,pH下降,鈣蛋白酶的活性在酸性條件下被抑制,此時組織蛋白酶被釋放到肌原纖維結構中發(fā)揮主要作用。

1.2 溶酶體組織蛋白酶

溶酶體組織蛋白酶種類較多,包括絲氨酸蛋白酶、天門冬氨酸蛋白酶和半胱氨酸組織蛋白酶等,其中組織蛋白酶(組織蛋白酶B、L)在水產(chǎn)品腐敗過程中發(fā)揮主要作用。組織蛋白酶B和組織蛋白酶L被硫醇化合物活化后,通過協(xié)同作用水解肌原纖維和細胞外基質(zhì)中的結構蛋白以及肌肉中的costamere(將肌原纖維連接至肌膜質(zhì)的Z-盤相關結構)、中間絲蛋白(參與肌間纖維連接的蛋白質(zhì))釋放多肽和寡肽等物質(zhì),引起魚類的蛋白質(zhì)分解代謝和自溶[16]。Bahuaud[17]等研究表明,組織蛋白酶B和組織蛋白酶L與鮭魚組織自溶的相關性極為顯著,分別在pH6.0和pH5.6顯出最大活性。Ladrat等[18]通過對鱸魚蛋白水解機制的實驗研究中發(fā)現(xiàn),組織蛋白酶B和組織蛋白酶L通過降肌球蛋白重鏈、α-輔肌動蛋白、肌間絲蛋白等使鱸魚肌原纖維紊亂肉質(zhì)自溶。內(nèi)源酶對水產(chǎn)品腐敗的作用機制較為復雜,目前研究表明[19],內(nèi)源蛋白酶除了水解蛋白破壞肌肉組織結構外,還參與線粒體介導的細胞凋亡過程,間接導致了肌肉蛋白的降解。

2 胞外酶的作用機理

水產(chǎn)品貯藏后期,其腐敗變質(zhì)的原因主要是由微生物活動引起的。部分微生物(特定的腐敗生物SSOs)利用產(chǎn)生的胞外酶對氨基酸的降解作用來影響水產(chǎn)品的品質(zhì)。例如,水產(chǎn)品特定腐敗菌產(chǎn)生的氨基酸脫羧酶類通過脫羧作用,將游離氨基酸轉(zhuǎn)化成胺類等散發(fā)異味的腐敗物質(zhì)[3]。孔令紅[21]在鱈魚體表分離出的腐敗希瓦氏菌Y0612產(chǎn)生氧化三甲胺還原酶,將氧化三甲胺(TMAO)還原為三甲胺(TMA),進而生成甲醛等腐敗物質(zhì),加速了鱈魚的腐敗。此外,有些胞外酶對提高水產(chǎn)品的品質(zhì)也具有積極作用。Streptoverticilliumsp. 菌株產(chǎn)生的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶催化蛋白質(zhì)分子間氨基轉(zhuǎn)移,促使蛋白質(zhì)分子間發(fā)生交聯(lián)。限制性氨基酸通過交聯(lián)作用被連接蛋白質(zhì)上,提高了水產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值,質(zhì)地、口感和貯藏期。Koppelmen[22]等通過添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶改變了在大馬哈魚體內(nèi)干酪素的質(zhì)構,促使其形成交聯(lián)結構,大馬哈魚的致過敏性顯著降低。因此,對于延長魚類等水產(chǎn)品的貯藏期來說,采用適當?shù)姆椒ㄒ种苾?nèi)源酶和胞外酶的活性顯得至關重要。

3 水產(chǎn)品腐敗的控制方法

3.1 控制冰點與氣調(diào)包裝結合法

控制冰點(controlled freezing point storage,CFPS)即在零下或微凍條件下貯藏的方法,依靠滲透壓力來降低肌肉組織的冰點,從而延緩水產(chǎn)品生物化學和微生物活性,在抑制酶活性的同時也不產(chǎn)生破壞細胞結構的冰晶。CFPS有以下主要特點:其一,通過較高的熱交換能力產(chǎn)生較快的冷卻速率;其二,與常規(guī)冷藏庫(±2 ℃)相比,嚴格控制溫度,溫度波動范圍較小(±0.5 ℃)。此外,氣調(diào)包裝通過提高CO2濃度調(diào)節(jié)微生物生長環(huán)境抑制,抑制氧化反應和產(chǎn)酶微生物的活動。相比傳統(tǒng)保存方法,CFPS與MAP(modified atmosphere package)結合可以有效地保持水產(chǎn)品的質(zhì)量。高溫條件下CO2效應減弱,CO2在微生物細胞質(zhì)的水相中溶解度降低,MAP效應被減弱。Noseda[24]等認為,氣調(diào)包裝與低溫貯藏相結合效果更好,海鯛魚在0、5 ℃條件下貨架期優(yōu)于15 ℃。Zhu[25]等研究發(fā)現(xiàn),在-0.7 ℃下采用MAP(60%二氧化碳/40%氮氣)比4 ℃冷藏更能明顯提高鯰魚的品質(zhì)。Chong[26]等研究發(fā)現(xiàn),水產(chǎn)品冷藏過程中,產(chǎn)生生物胺的量隨著CO2濃度的升高而下降,CO2濃度能夠較好抑制微生物的活動,30% CO2加快酪氨酸和組胺的生成量,最佳的貯藏條件為60%的CO2。

3.2 腌制與低溫貯藏法

鹽分子能夠通過擴散滲入組織內(nèi)部降低水產(chǎn)品的水分活度,從而提高其滲透壓,控制腐敗微生物的產(chǎn)酶活動。在魚糜加工過程中,加鹽還能夠促進鹽溶性蛋白的溶出,水產(chǎn)品自身的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶作用于鹽溶性蛋白,形成鹽溶性凝膠,可以提高魚糜的凝膠強度和凝聚性。但是過高的含鹽量會對水產(chǎn)品的風味產(chǎn)生不良影響。鹽分子與水產(chǎn)品接觸后增強不飽和脂肪酸氧化,與水產(chǎn)品產(chǎn)生異味和蛋白質(zhì)變性直接相關。研究發(fā)現(xiàn),加鹽與低溫貯藏相結合能夠更好地延長水產(chǎn)品的儲藏期。李敏[28]等在臘魚腌制過程中發(fā)現(xiàn),溫度和鹽含量與鈣蛋白酶活性之間呈現(xiàn)負相關趨勢。當鹽含量超過3%左右時,鈣蛋白酶活性變化趨于穩(wěn)定。Yanar等[29]研究羅非魚在冷藏條件下,鹽含量分別為5%、10%和15%時水產(chǎn)品的品質(zhì)變化情況,結果表明,在21 d內(nèi),三個濃度條件下的水產(chǎn)品的品質(zhì)與空白對照組相比質(zhì)量較好。其中15%鹽濃度的樣品中過氧化值的含量均高于其它兩組,且在第42 d達到5.14 mmol/kg。而4 ℃,5%的鹽濃度是羅非魚的最佳處理條件。Gallartjornet等[30]發(fā)現(xiàn),經(jīng)過25%的高濃度鹽腌制的大西洋鮭魚的蛋白質(zhì)發(fā)生變性,并且持水能力降低。許艷順[31]等通過低溫貯藏與鹽腌相結合的方式處理草魚片,發(fā)現(xiàn)腌制對草魚片的色差、TVB-N、質(zhì)構、持水力等指標均有顯著影響,且在凍藏條件下,腌制能夠明顯的抑制汁液流失,提高水產(chǎn)品的持水力。因此,采用低溫貯藏與鹽腌相結合的方式,在抑制微生物活動和酶活性的同時,也能夠在一定程度上減少高濃度鹽對水產(chǎn)品品質(zhì)的破壞,從而更好地延長水產(chǎn)品的貯藏期。

3.3 冰溫干燥法

冰溫干燥法,是控制樣品在零度至冰點內(nèi)干燥脫水的技術。在冰溫下,通過減少水產(chǎn)品中的水分,可以降低生化反應速率,從而達到抑制酶的活性和微生物活動的目的。冰溫,即0 ℃至樣品冰點的溫度區(qū)間,冰溫保鮮機理主要為:a.將冰溫帶控制在一定范圍內(nèi),使肌體組織細胞保持在活體狀態(tài);b.冰溫條件下,水產(chǎn)品體內(nèi)水分子呈有序狀態(tài)排列,導致微生物可利用的自由水含量減少,抑制微生物產(chǎn)酶活性。c.水產(chǎn)品接近冰點溫度時,細胞的新陳代謝水平達到最低,能夠有效延長水產(chǎn)品貨架期。李佳[32]采用不同干燥方法對海鰻魚進行干燥處理,實驗結果表明,冰溫干燥處理后的酶活力明顯低于冷凍干燥的酶活力,海鰻魚貨架期增長。李鑫龍等[33]將南美白對蝦進行冰溫(-2 ℃)干燥和低溫(22 ℃)干燥處理,研究后發(fā)現(xiàn),冰溫干燥處理后的南美白對蝦明顯抑制了多酚氧化酶的活性,南美白對蝦的色度變化較小,為10.17,明顯優(yōu)于低溫干燥,說明冰溫干燥法能較好地延長南美白對蝦的貯藏期。于鵬[34]將海珍品放置在-2～0 ℃的冰溫帶范圍內(nèi)進行干燥,明顯抑制了產(chǎn)酶微生物的生長,更好地保存了海珍品的品質(zhì)。然而單一的冰溫干燥在節(jié)能方面尚存在些許不足,冰溫和低溫熱泵干燥相結合,在最大限度保留海珍品品質(zhì)的同時,又能縮短干燥時間。因此,冰溫干燥在降低酶活、抑制微生物生長方面作用顯著,既能延長貯藏期,又最大程度地保留水產(chǎn)品的品質(zhì)。

4 總結與展望

水產(chǎn)品在低溫貯藏期間發(fā)生腐敗變質(zhì)的原因主要分為兩個時期。前期主要是內(nèi)源酶類的作用,其中鈣蛋白酶和組織蛋白酶等酶類占主導地位,這些酶類通過水解作用破壞肌體組織結構,導致水產(chǎn)品組織發(fā)生軟化和自溶。后期主要是一些嗜冷的微生物(希瓦氏菌,單胞菌屬和氣單胞菌屬)產(chǎn)生胞外酶(氨基酸脫羧酶和氧化三甲胺還原酶等酶類)作用于肌體生成腐胺和尸胺等腐敗物質(zhì)。對于造成水產(chǎn)品腐敗的產(chǎn)酶微生物,應從采取有效的防腐方法來延長水產(chǎn)品的貯藏期。通過合適的方法如控制冰點與改良氣調(diào)包裝結合,腌制與低溫貯藏結合,冰溫干燥等方法來抑制酶的水解作用。未來應關注如下幾個方面:通過提高有益酶類的活性如:谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶來改善水產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值,質(zhì)地口感和貯藏期;低溫貯藏的水產(chǎn)品時,適量蔗糖可以掩蓋鹽腌的不良味道,促進肌原纖維的穩(wěn)定和提高凝膠強度,因此可以調(diào)制不同糖和鹽比例來防止水產(chǎn)品腐敗變質(zhì);低溫干燥與其他技術(如真空、生物保鮮劑、防腐涂膜材料等)相結合共同作用延長水產(chǎn)品在低溫條件下的貯藏期。此外,嗜冷菌產(chǎn)生的有益酶也有較好的應用前景,但在水產(chǎn)品貯藏過程中的作用尚有待研究。