肉類和水產(chǎn)制品脂質(zhì)光氧化機制及其影響因素

顧賽麒，鮑嶸斌，馮媛，張月婷，周振毅，黎君鴻，朱士臣，丁玉庭，周緒霞*

1(寧海縣浙工大科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 寧海，315600)2(浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州，310014) 3(國家遠洋水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)分中心 (杭州)，浙江 杭州，310014)

肉類和水產(chǎn)品在我國居民餐桌上占據(jù)重要地位，2019年全國消費總量分別達到9 420.3萬t和3 285.5萬t。除直接烹飪外，還可以通過腌臘、熏制、風(fēng)干等手段加工成相關(guān)制品(如臘肉、臘腸、風(fēng)鴨、臘魚、鲞等)，其風(fēng)味獨特、易于貯藏，廣受消費者青睞。日曬法是上述制品常用的傳統(tǒng)干制工藝，產(chǎn)品被報道擁有令人愉悅的特殊香氣。

香氣是食品的重要感官特征之一，產(chǎn)生途徑較為復(fù)雜，脂質(zhì)氧化降解被認為是肉類和水產(chǎn)制品香氣生成的關(guān)鍵途徑。甘油三酯、磷脂和游離脂肪酸是肉品中主要的脂質(zhì)成分，不飽和脂肪酸(unsaturated fatty acids，UFA)是最典型的脂質(zhì)氧化底物。按照反應(yīng)類型分類，脂質(zhì)氧化反應(yīng)主要有3種：自動氧化、酶促氧化和光敏氧化。自動氧化是指活化的含烯底物與空氣中的氧分子在室溫下進行的氧化反應(yīng)，前期反應(yīng)速率較慢。酶促氧化是脂肪氧化酶(lipoxygenase，LOX)催化UFA發(fā)生的氧化反應(yīng)。光敏氧化是指UFA雙鍵與單線態(tài)氧(1O2)發(fā)生的氧化反應(yīng)，需要有光敏劑(肌紅蛋白等)的介導(dǎo)才可進行，反應(yīng)速率是自動氧化的上千倍[1]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者較多關(guān)注酶促氧化反應(yīng)，對脂質(zhì)光氧化反應(yīng)的研究報道較少，但后者可能對傳統(tǒng)肉類和水產(chǎn)制品的香氣形成貢獻顯著。張進杰[2]通過試驗證實，經(jīng)熱風(fēng)干制而成的腌臘魚其香氣感官得分均低于傳統(tǒng)日曬品。傳統(tǒng)肉類和水產(chǎn)制品一般選擇在冬季晴日制作，環(huán)境溫度較低且日照充足，該條件下LOX活性受到較大抑制，推測肌紅蛋白等介導(dǎo)的脂質(zhì)光氧化反應(yīng)可能起主導(dǎo)作用。鑒于此，本文主要對脂質(zhì)光氧化的基本原理、影響因素和常用測定指標進行綜述，旨在為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)進行風(fēng)味改良提供理論參考。

1 脂質(zhì)光氧化反應(yīng)的一般原理

圖1 脂質(zhì)光氧化的一般原理Fig.1 General principle of lipid photooxidation

兩類光敏反應(yīng)相互競爭，Ⅰ型取決于系統(tǒng)中氧溶解性和濃度；Ⅱ型取決于光敏劑和底物類型與濃度[4]。根據(jù)反應(yīng)機制，光敏劑也可分為兩類，第一類(底物光敏劑)對應(yīng)于Ⅰ型途徑；第二類光敏劑誘發(fā)的Ⅱ型反應(yīng)為單線態(tài)氧和底物的協(xié)同反應(yīng)，其氫過氧化位置異構(gòu)體不同于自動氧化的產(chǎn)物，有幾個不飽和碳原子便會產(chǎn)生幾個位置異構(gòu)體[4]。

圖2 單線態(tài)氧在脂質(zhì)光氧化中的作用機制Fig.2 Mechanism of singlet oxygen in lipid photooxidation

2 脂質(zhì)光氧化反應(yīng)的影響因素

脂質(zhì)光氧化反應(yīng)的影響因素可以分為直接因素和間接因素兩大類，前者包括：光敏劑類型、光照條件和脂質(zhì)構(gòu)成等；后者包括：包裝材料和方式、溫度、水分、酶、鹽度等。兩類因素之間相互影響，在脂質(zhì)光氧化反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

2.1 直接因素

光敏劑是影響脂質(zhì)光氧化反應(yīng)的最重要的直接因素，其種類有：血紅素類(肌紅蛋白、血紅蛋白、血紅素、過氧化物酶、細胞色素)、葉綠素、膽紅素、色氨酸以及維生素B族(核黃素、煙酸、鈷胺素)[6]。除葉綠素外，光敏劑大多數(shù)存在于動物體內(nèi)。肌紅蛋白和血紅蛋白是肉類和水產(chǎn)品中含量最高的光敏劑，對于屠宰放血后的動物而言，前者含量占80%以上。

2.1.1 肌紅蛋白

Mb因動物種類、運動程度及肌肉部位的不同，其含量可能存在顯著差異。牛羊肉中Mb含量(3.98 mg/g)顯著高于豬肉(1.26 mg/g)，雞鴨等禽類肌肉中Mb含量較低(1.01 mg/g)[9]。水產(chǎn)動物中，洄游性魚類Mb含量較高，如黃鰭金槍魚肌肉中高達24.4 mg/g。高溫、高壓作用及食品添加劑均會影響Mb穩(wěn)定性。Mb為外圓中空的分子結(jié)構(gòu)，極性氨基酸幾乎分布在分子表面，非極性氨基酸多分布在分子內(nèi)部。血紅素輔基位于疏水腔內(nèi)，由位于中心的鐵離子和卟啉環(huán)組成。60～70 ℃加熱使中心鐵原子和遠端組氨之間的結(jié)合減弱，Mb三級結(jié)構(gòu)發(fā)生局部變化，70～80 ℃加熱嚴重擾亂Mb二、三級結(jié)構(gòu)，發(fā)生不可逆變性，溫度達80 ℃將導(dǎo)致鐵卟啉結(jié)構(gòu)被破壞[10]。高壓作用破壞分子平衡力，使α-螺旋結(jié)構(gòu)喪失，隨機結(jié)構(gòu)增加，Mb從高自旋(開放縫隙)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥孕?閉合縫隙)結(jié)構(gòu)。同時，高壓離解離子對，破壞靜電相互作用，引起珠蛋白變性和/或血紅素移位及釋放，促使血紅素氧化為三價態(tài)[11]。據(jù)報道，金槍魚肉經(jīng)400 MPa處理后MetMb增加36%[12]。

為改善產(chǎn)品感官品質(zhì)，肉類和水產(chǎn)制品加工過程中通常都會加入食品添加劑，這可能對光敏劑自身特性產(chǎn)生影響。如亞硝酸鹽中的亞硝基能夠置換OxyMb中的O2，生成穩(wěn)定的亞硝基肌紅蛋白[13]。煙酰胺可與Mb結(jié)合生成穩(wěn)定的煙酰胺肌紅蛋白。琥珀酸在琥珀酸脫氫酶的作用下被氧化成延胡索酸，產(chǎn)生的電子傳遞到MetMb使其被還原。在牛肉糜中添加6 mmol/L琥珀酸鈉可有效抑制MetMb形成，貯存5 d后與對照組相比其含量降低了4.16%[14]。

2.1.2 核黃素(riboflavin，RF)

圖3 核黃素的光化學(xué)反應(yīng)機制Fig.3 Photochemical reaction mechanism of riboflavin

RF在不同動物種類和組織中含量差異較大。畜肉中RF含量約為水產(chǎn)品中的2倍，畜肉和淡水魚中核黃素平均含量分別為0.17 mg/100g和0.09 mg/100g。值得注意的是，泥鰍和河蟹等水產(chǎn)品中RF含量較高，分別為0.33 mg/100g和0.71 mg/100g。動物內(nèi)臟中RF含量尤為豐富，新鮮畜肉肝臟中含量平均達 0.45 mg/100g，豬心為0.32 mg/100g[17]。

加工過程中，光照及酸堿度對RF穩(wěn)定性影響顯著，溫度對其穩(wěn)定性影響較小。RF在陽光下會吸收紫外線反應(yīng)形成CDRF[18]。RF在酸性及中性條件下較為穩(wěn)定，堿性條件對其影響較大。研究發(fā)現(xiàn)pH=1和pH=7條件下將10 mg/L RF溶液黑暗密封5 h后保存率分別達94%～96.4%，而pH=13條件下其保存率僅為77.9%。RF光解速率在pH為5～6時最慢(一級速率反應(yīng)常數(shù)為9.8～12.0 min-1)，在pH=10時達到最大值(776.2 min-1)[18]。短時間高溫處理可使結(jié)合態(tài)的RF釋放，其含量略微增加，而長時間加熱會導(dǎo)致RF自身結(jié)構(gòu)發(fā)生熱降解，其含量顯著降低。新鮮豬肉糜在100 ℃處理15 min后，RF含量由0.14 mg/100g增加至0.18 mg/100g[19]；10 mg/L核黃素溶液在100、120和150 ℃加熱40 min其損失率分別為4%、7%和20%[15]。

2.1.3 金屬離子

金屬離子多以螯合物的形式存在于肉類和水產(chǎn)制品中，其一方面作為光敏劑結(jié)構(gòu)組分影響光敏劑催化活性，也可以向氧分子轉(zhuǎn)移能量和電子使其成為激發(fā)態(tài)，因而廣義上可視為一類特殊的光敏劑。對于血紅素類光敏劑而言，其基態(tài)或激發(fā)態(tài)性質(zhì)較大程度受中心鐵離子狀態(tài)的影響。當鐵離子游離出來后，剩余的原卟啉結(jié)構(gòu)的促單線態(tài)氧生成能力反而強于血紅素，推測原因是：鐵離子與原卟啉的聯(lián)結(jié)降低了血紅素自身光敏性。此外，金屬配合物如CrⅢ、PtⅡ、OSⅡ、IrⅡ、PdⅡ在光照條件下也可生成單線態(tài)氧，加速脂質(zhì)氫過氧化物的形成[20]。此外，金屬離子能夠直接與未氧化脂質(zhì)底物發(fā)生反應(yīng)，縮短其氧化誘導(dǎo)期，加快氧化鏈式反應(yīng)速率。

2.1.4 光照條件

光照條件對于脂質(zhì)光氧化反應(yīng)至關(guān)重要，一方面光照可使氧分子活化，促進自由基的生成，加速脂肪氧化；另一方面光敏劑經(jīng)過光照后，可將基態(tài)氧(3O2)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)氧(1O2)，進攻脂肪不飽和雙鍵，生成氫過氧化物。光源波長和光照強度對脂質(zhì)氧化程度均有顯著影響。

光源類型分為單一光源和復(fù)合光源，前者包括：紫外光(10～380 nm)、藍光(446～464 nm)、綠光(500～578 nm)、紅光(620～760 nm)等；后者包括：太陽光、日光燈、白熾燈、LED等。短波長光(如紫外光、藍光)是激活光敏劑發(fā)生光氧化反應(yīng)的重要條件，不同光敏劑對各個波長光的敏感度不同。254和280 nm波長的紫外線能量較高，使擁有卟啉結(jié)構(gòu)的血紅素產(chǎn)生1O2和·OH；50 nm波長紫外線對RF破壞作用最大。光源波長越短，光的能量越高，誘發(fā)單線態(tài)氧和自由基生成能力越強。不同波長光連續(xù)照射4 d，其促進脂質(zhì)氧化能力排序如下：藍光>綠光>紅光>黃光[22]。光照強度對脂質(zhì)氧化也有重要影響，光照強度低于750 lx對豬肉脂肪氧化影響較小，高于750 lx脂肪氧化程度顯著加深?；魰阅鹊萚23]發(fā)現(xiàn)，冷卻豬肉 350～450 lx 貯存5 d后硫代巴比妥酸值與避光條件無顯著差異，750～1 150 lx貯存5 d后，硫代巴比妥酸值由0.49 mg/kg增加至0.52 mg/kg。

2.1.5 脂質(zhì)底物

脂質(zhì)氧化底物主要有三類：甘油三酯、磷脂和游離脂肪酸。相對而言，游離脂肪酸最易發(fā)生氧化降解，其數(shù)值高低可以酸價表示。與甘油三酯相比，磷脂中長鏈多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFA)含量更高且穩(wěn)定性更低，較易發(fā)生脂質(zhì)光氧化反應(yīng)。不飽和度、雙鍵位置、順反構(gòu)型、結(jié)合度均與脂肪酸氧化特性密切相關(guān)，不飽和程度越高越易氧化，共軛雙鍵比非共軛雙鍵易氧化，順式比反式構(gòu)型易氧化，游離脂肪酸比結(jié)合型脂肪酸易氧化[24]。

肉類和水產(chǎn)制品因其種類和部位不同，脂肪酸組成存在較大差異。魚肉中不飽和脂肪酸(unsaturated fatty acid，UFA)含量(草魚89.4%、鯉魚76.09%)顯著高于畜肉(豬肉54.9%、牛肉49.1%)，其更易發(fā)生氧化降解[25]。在肝臟中，脂肪酸合成酶可將乙酰輔酶A合成棕櫚酸和硬脂酸，因此肝臟中飽和脂肪酸(saturated fatty acid, SFA)含量較高。據(jù)報道，黃牛肝臟中SFA含量(88.09%)顯著高于肌肉(61.06%)[26]。

高溫、超高壓、腌漬、超聲等加工條件均會影響肉類與水產(chǎn)制品中脂肪酸組成。溫度越高，PUFA被氧化程度越深。腌臘魚在10 ℃和50 ℃干制時，PUFA含量分別為43.94%和40.98%[26]。超高壓處理可使PUFA 氧化降解生成SFA，兩者比值隨著壓力的增大而減少。壓力從200 MPa升至600 MPa時，雞肉早餐腸中的UFA/SFA比值從6.459降至5.627[27]。高濃度、長時間食鹽腌漬可使肌內(nèi)脂肪SFA增加，單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acid，MUFA)和PUFA降低，這可能與食鹽增強金屬離子活性進而促進脂肪酸氧化有關(guān)。劉永峰等[28]等發(fā)現(xiàn)用10%食鹽腌漬牛肉，SFA含量增加7.39%，MUFA和PUFA分別減少6.98%和0.63%。超聲波的空化及熱效應(yīng)可以將脂肪顆粒從與肌肉組織致密結(jié)合狀態(tài)中游離出來，使部分脂肪酸大分子產(chǎn)生聚合或解聚作用，從而改變脂肪酸組成。陳銀基[29]報道，采用2%NaCl結(jié)合0.68 W/cm2超聲波處理，其提升PUFA/SFA效果與6% NaCl處理基本相同。

2.2 間接因素

間接因素通過影響脂質(zhì)光氧化反應(yīng)直接因素，促進或抑制脂質(zhì)光氧化反應(yīng)速率，主要包括以下因素：包裝材料和方式、溫度、酶、水分活度、食鹽等。

2.2.1 包裝工藝

選擇適宜的包裝工藝(如包裝材料、包裝方式等)可以通過控制透光率和殘氧量的方式影響脂質(zhì)光氧化作用。不同包裝材料對光的遮擋、反射和散射性能存在差異，使用透光率較低的包裝材料，可有效抑制脂肪氧化反應(yīng)。采用聚酯薄膜(polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(polyethylene，PE)和鋁箔作為原料，經(jīng)過單一或者復(fù)合工藝制備得到的包裝材料具有良好阻光性，如PET/PE在波長200～260 nm范圍內(nèi)光透過率為1%，而鋁箔在波長200～900 nm波長范圍內(nèi)透光率小于0.9%[30]。

真空包裝和氣調(diào)包裝是肉類和水產(chǎn)制品常用的包裝方式，可以通過控制殘氧量的方式抑制脂質(zhì)氧化反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，在殘氧量大于0.5%的條件下，光照下會加速肉制品與水產(chǎn)制品脂質(zhì)光氧化反應(yīng)[31]。氣調(diào)包裝使用過程中采用特定比例的混合氣體(CO2、O2、N2等)代替原包裝中的氣體環(huán)境，可起到抑制脂肪氧化的作用。CACHALDORA等[32]報道，西班牙血腸采用氣調(diào)包裝(40%N2-60%CO2)貯存8周后，硫代巴比妥酸值比真空包裝處理樣品降低0.51 mg/kg，表明氣調(diào)包裝可有效抑制脂肪氧化反應(yīng)。

2.2.2 溫度

溫度對脂質(zhì)構(gòu)成、光敏劑結(jié)構(gòu)和酶活性均有一定影響，高溫可以降低形成過氧自由基(ROO·)所需活化能，有利于脂質(zhì)氧化發(fā)生[33]。熱加工階段，PUFA最先被氧化降解，MUFA次之，SFA相對穩(wěn)定。油酸酯、亞油酸酯、亞麻酸酯在24 ℃時氧化速率之比為1∶12.5∶25，在37 ℃時三者氧化速率之比為 1∶27∶77[34]。牛肉在55℃熱風(fēng)干燥至水分含量為50%過程中，UFA含量下降21.70%(MUFA和PUFA分別下降41.49%和11.81%)，而SFA含量從40%顯著增加至58%[35]。此外，熱加工可以改變肌紅蛋白等光敏劑結(jié)構(gòu)：100 ℃高溫加熱，Mb自身二、三級結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，結(jié)構(gòu)完整性被破壞，釋放出鐵離子促進脂質(zhì)氧化[10]。高溫也可造成高鐵肌紅蛋白還原酶全部或部分失活，導(dǎo)致MetMb無法及時被還原而大量積累，間接促進脂質(zhì)氧化[10]。

2.2.3 酶

某些酶類可以作用脂質(zhì)底物和肌紅蛋白，間接影響脂質(zhì)氧化。具體而言，脂肪酶可以催化甘油酯水解為游離脂肪酸、甘油及其他不完全降解產(chǎn)物[3]。添加0.02%脂肪酶，烤腸中游離脂肪酸含量增加，PUFA含量降低28.74%。添加0.02%～0.08%脂肪酶，烤腸脂質(zhì)氧化程度相當于貯藏30 d的廣式臘腸，添加0.10%脂肪酶相當于貯藏90 d的廣式臘腸[36]。LOX屬于非血紅素鐵雙加氧蛋白酶，專一催化含有順, 順-1,4-戊二烯結(jié)構(gòu)的多不飽和脂肪酸。當加工溫度達到其最適溫度(25～30 ℃)時，LOX具有較高的催化活性，迅速氧化PUFA使之生成含共軛雙鍵的ROOH。高鐵肌紅蛋白還原酶是MetMb還原系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶，在消耗ATP條件下可使MetMb還原為DeoMb，若該酶失活會使MetMb大量積累，促進脂質(zhì)氧化反應(yīng)。

2.2.4 水分活度(water activity,Aw)

Aw通過影響金屬離子催化特性，間接影響脂質(zhì)氧化。Aw在0.33時脂質(zhì)氧化速率最慢；0～0.33范圍內(nèi)，隨著Aw升高，脂質(zhì)氧化速率降低，分析原因是：高度干燥樣品中添加微量水分子，既能與金屬離子水合降低其催化能力，又能與氫過氧化物結(jié)合阻止其降解。0.33～0.73范圍內(nèi)，隨著Aw升高，金屬離子流動性提高，水中溶解氧增多，分子溶脹且暴露出更多催化位點，最終導(dǎo)致脂質(zhì)氧化速率提高。水分含量可能對脂肪氧化有一定促進作用，與干腌臘肉相比，濕腌法加工臘肉其酸價和過氧化值分別提高29.92%和7.14%[37]。當Aw>0.73時，含水量大幅增加，金屬離子濃度被稀釋，脂質(zhì)氧化速率降低。Aw對酶活性也有顯著影響，當Aw<0.8時，大多數(shù)酶活被抑制；Aw在0.35～0.30時，酸性脂酶活力提高，其他酶活力降低。

2.2.5 食鹽

食鹽是食品加工中最常用的添加劑之一，腌干制品中食鹽含量甚至高達15%以上。高濃度食鹽可以破壞細胞膜結(jié)構(gòu)，促進UFA與各類氧化因子間發(fā)生相互作用。此外，高濃度食鹽能夠促進Mb向MetMb發(fā)生轉(zhuǎn)變，加速鐵離子從肌紅蛋白中釋放，也可以抑制肌肉中抗氧化酶活性，間接起到促進脂質(zhì)氧化的作用。食鹽對中性脂酶活性具有促進作用，而對酸性脂酶和磷脂酶活性具有抑制作用。食鹽對LOX活性具有雙重作用：低鹽濃度下輕微促進LOX活性，高濃度下顯著抑制LOX活性。此外，在高濃度條件下，食鹽可以通過提高滲透壓使細胞脫水，降低Aw，間接影響脂質(zhì)光氧化。JIN等[38]報道，添加0.5%和4.0% NaCl的豬肉糜貯存6 d后，后者樣品中硫代巴比妥酸值比前者提高近50%。

3 脂質(zhì)光氧化反應(yīng)的常用檢測指標

根據(jù)光氧化反應(yīng)的基本原理，本文從光敏劑、活性氧、脂質(zhì)底物、氧化指標等方面，歸納總結(jié)了脂質(zhì)光氧化反應(yīng)的常用檢測指標(表1)，以期為脂質(zhì)光氧化反應(yīng)機制解析提供方法借鑒。

表1 脂質(zhì)光氧化反應(yīng)常用檢測指標Table 1 Common detection indexes of lipid photooxidation reaction

4 展望

脂質(zhì)光氧化反應(yīng)對傳統(tǒng)日曬品的優(yōu)良風(fēng)味貢獻顯著，本文對脂質(zhì)光氧化反應(yīng)的基本原理、影響因素及常用測定指標進行了綜述。肉類和水產(chǎn)制品在實際加工過程中，除了光氧化反應(yīng)，同時還會發(fā)生脂質(zhì)的自動氧化和酶促氧化等反應(yīng)。此外，肉類和水產(chǎn)制品中往往存在多種光敏劑(如肌紅蛋白、血紅蛋白、核黃素等)，脂類底物構(gòu)成十分復(fù)雜，不同脂類成分氧化特性存在差異，以上因素均可能對制品的最終香氣產(chǎn)生影響。

對此，可以采用去繁從簡的思路，構(gòu)建樣品模擬反應(yīng)體系來解析脂質(zhì)光氧化反應(yīng)機制：基于嗅辨儀和電子鼻等分子感官技術(shù)探明特征日曬風(fēng)味物身份，選擇抑酶后的白色肉(不含肌紅蛋白)作為空白樣品，添加不同種類、不同濃度的光敏劑構(gòu)建樣品模擬反應(yīng)體系，設(shè)置不同光強、光照溫度和光照時間等光照條件，分析上述過程中光敏劑自身含量與結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，結(jié)合1O2等指標評估其促脂質(zhì)氧化能力，探究脂質(zhì)成分降解與優(yōu)良風(fēng)味物生成的關(guān)聯(lián)性，最終解析脂質(zhì)光氧化的具體作用機制。

對于產(chǎn)業(yè)化而言，在確認特征性日曬風(fēng)味物身份并探明其風(fēng)味形成機制基礎(chǔ)上，可以集成光譜、頻譜和溫度、濕度、風(fēng)速等多因素的動態(tài)調(diào)控法來模擬現(xiàn)實日曬條件，研發(fā)出一種可控模擬日曬風(fēng)味的新型干制加工技術(shù)。將該項新技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代化肉制品和水產(chǎn)品加工企業(yè)的工業(yè)化生產(chǎn)，其產(chǎn)品可最大程度上保持傳統(tǒng)日曬制品的典型優(yōu)良風(fēng)味，且較傳統(tǒng)日曬制品相比質(zhì)量穩(wěn)定性更好、食用安全性更高，具有良好的應(yīng)用推廣前景。