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超高壓處理技術(shù)在水產(chǎn)品保鮮中的研究進展

2015-04-07 04:28陳揚易鐘小凡藍蔚青朱婉瑜劉嘉璇上海海洋大學(xué)食品學(xué)院上海201306上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心上海201306
食品與機械 2015年4期
關(guān)鍵詞:殺菌水產(chǎn)品保鮮

陳揚易 謝 晶 鐘小凡 藍蔚青 朱婉瑜 劉嘉璇(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306;2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海 201306)

超高壓技術(shù)(ultra-h(huán)igh pressure processing,UHP)是一種新型的冷處理技術(shù),主要利用壓媒(食用油、甘油、油與水的乳液等)使食品在高壓(100~1 000MPa)條件下產(chǎn)生酶失活、蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化和微生物滅活等效應(yīng),從而達到滅菌和改性的物理過程[1,2]。1899年 Hite[3]開展了超高壓應(yīng)用于食品的系統(tǒng)研究,通過對不同肉類進行超高壓處理后,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可明顯延長肉類的保藏期。

水產(chǎn)品作為低脂食品,其蛋白質(zhì)含量豐富,經(jīng)濟價值高,但由于其水分含量高、細菌易繁殖而導(dǎo)致其腐敗,從而影響了其進一步開發(fā)利用[4]。因此,開展水產(chǎn)品的殺菌保鮮是重要的研究內(nèi)容之一。傳統(tǒng)熱殺菌是目前食品加工過程中廣泛應(yīng)用的殺菌技術(shù)之一。其雖可達到殺死微生物、鈍化酶、改善食品品質(zhì)和特性等優(yōu)點,但亦會對一些熱敏性物料,如食品的營養(yǎng)成分和特性(口感、色澤等)產(chǎn)生不同程度的破壞,從而導(dǎo)致食品品質(zhì)的劣變和營養(yǎng)損失,這與人們對食品營養(yǎng)安全的消費理念相悖[5,6]。與傳統(tǒng)熱處理相比,冷殺菌可較完整保持食品加工前的營養(yǎng)成分、風(fēng)味與色澤等。超高壓處理作為冷殺菌技術(shù)之一,其具有壓力傳遞均勻、耗能少與殺菌滅酶徹底等優(yōu)點,能較大程度保持產(chǎn)品原有的色澤與風(fēng)味,抑制某些有毒有害物質(zhì)的生成或轉(zhuǎn)變,使處理后的食品擁有更長的保藏期,還能獲得新的口感。文章將從國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā),通過超高壓處理對水產(chǎn)品的殺菌滅酶作用及對水產(chǎn)食品理化性質(zhì)等方面影響進行闡述,以進一步探討超高壓處理技術(shù)在水產(chǎn)品保鮮加工中的研究動態(tài)。

1 超高壓技術(shù)作用原理

超高壓處理主要以Le Chatelier原理[7]與Pascal原理[8]為理論基礎(chǔ),該處理能有效破壞食品中高分子物質(zhì)的離子鍵、氫鍵等非共價鍵,而對共價鍵幾乎不產(chǎn)生影響[9,10]。其對食品中的小分子色素、氨基酸、多肽、維生素、呈味物質(zhì)、果酸、果糖和果蔬中抗誘變活性成分的破壞作用較小[1]。

1.1 超高壓作用對蛋白質(zhì)變性的機理分析

蛋白質(zhì)是微生物主要成分之一,超高壓處理能使其蛋白質(zhì)變性,繼而細胞膜受到破壞,最終導(dǎo)致微生物死亡[11]。該處理會對氫鍵造成破壞,使蛋白質(zhì)的二、三、四級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而對微生物中的蛋白質(zhì)產(chǎn)生影響,但對蛋白質(zhì)大分子的一級結(jié)構(gòu)影響較小[12,13]。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是由肽鏈內(nèi)和肽鏈間的氫鍵等維持,其在較低的壓力下則相對穩(wěn)定。維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要作用力是靜電和疏水相互作用力,這些作用力的變化伴隨著大量水合反應(yīng),使其蛋白質(zhì)體積變小。當(dāng)壓力超過200MPa時,蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)將會發(fā)生明顯變化。

1.2 超高壓作用對細菌的殺菌機理分析

當(dāng)細胞處于低壓環(huán)境時,其形態(tài)結(jié)構(gòu)只發(fā)生部分改變,不會導(dǎo)致細胞死亡,但當(dāng)壓力超過一定限值時,將會造成細胞形態(tài)的不可逆變化[14]。微生物種類不同,其對超高壓的承受能力也各不相同,有些微生物在高壓作用下還能發(fā)生可逆反應(yīng),再次恢復(fù)到正常形態(tài)和運動特性。其中,革蘭氏陰性細菌和酵母菌在400MPa左右的壓力下基本上能被殺死,而革蘭氏陽性細菌被殺死的壓力則需要600MPa,對于孢子類細菌則需要更高壓力并結(jié)合適當(dāng)加熱與延長保壓時間[15]。

超高壓主要通過對微生物的細胞膜、核糖體與酶造成巨大損傷來抑制酶的活性和DNA復(fù)制,繼而影響微生物的正常生理功能,產(chǎn)生致死作用[16]。在超高壓的作用下,細菌細胞的超微結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞,細胞變形,細胞壁局部出現(xiàn)缺口,細胞膜完整性被破壞,細胞內(nèi)物質(zhì)皺縮,蛋白質(zhì)變性[17,18]。Ritz等[19]通過電鏡觀察到壓力導(dǎo)致孢子的膜壁分離,表明超高壓會引起其細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化,這類不可逆變化將導(dǎo)致微生物的活性降低。超高壓還會對微生物細胞膜的滲透性造成破壞,使其通透性增大,導(dǎo)致大分子物質(zhì)、無機鹽離子流出細胞外,并對其營養(yǎng)吸收和廢物排出造成干擾[18,20]。Shimada等[21]研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)成細胞膜結(jié)構(gòu)的磷脂雙分子層在超高壓處理過程中,由于壓力作用使其向凝膠態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變;卸壓過程中,細胞膜單面雙層的結(jié)構(gòu)消失,導(dǎo)致細胞膜上出現(xiàn)孔洞,從而造成胞液外流。

2 超高壓技術(shù)在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)用

2.1 對水產(chǎn)品殺菌滅酶效果的影響

2.1.1 對水產(chǎn)品的微生物殺滅作用 超高壓處理技術(shù)主要應(yīng)用于食品的殺菌處理,現(xiàn)已在水產(chǎn)品殺菌保鮮中得到廣泛應(yīng)用。Fletche等[22]研究發(fā)現(xiàn),貽貝在400MPa,10~40℃條件下,能使單增李斯特菌數(shù)降至食品安全指數(shù)以下。王瑞等[23]研究結(jié)果得出在500MPa,40℃條件下處理5min,能使毛蚶中的微生物(細菌、霉菌、桿菌與酵母菌)存活率明顯下降,使其貨架期得到有效延長。在貝類水產(chǎn)品中的脫殼工藝中進行超高壓處理,也能減少其細菌污染。郝夢甄等[24]通過Dssign-Expert軟件分析得出超高壓殺滅海參中細菌的最優(yōu)條件為:300.72MPa,30.7min,55.16 ℃,經(jīng)驗證其細菌滅活率為100%。部分學(xué)者[25,26]研究發(fā)現(xiàn),通過不同超高壓工藝處理牡蠣,能對其中的S形霍亂菌、副溶血性弧菌與創(chuàng)傷弧菌等有顯著影響,其微生物數(shù)量與活性均能得到有效抑制。鄧記松[27]對牡蠣、海參進行超高壓處理后,發(fā)現(xiàn)在350MPa處理20min,牡蠣中的微生物滅活率高達89.5%;在500MPa、10min下,對海參的滅菌率達92.4%。其中,處理壓力和保壓時間對滅菌效果影響顯著。400MPa以上的處理壓力,能使牡蠣和海參中殘留細菌的再生能力得到明顯抑制,使貨架期相應(yīng)延長。夏遠景等[28]研究發(fā)現(xiàn),在溫度和保壓時間一定的情況下,微生物的滅活率與壓力大小呈正相關(guān)。楊華等[29]對養(yǎng)殖大黃魚進行超高壓處理,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超高壓處理后的大黃魚魚肉組織中的酶活力降低,微生物也得到較好抑制。Gou Jing-yu等[30]在400MPa、20min的條件下對魷魚片進行處理,發(fā)現(xiàn)其可使嗜冷菌數(shù)下降4.7lgCFU/g以上。通過對真空包裝的半干魷魚進行處理,發(fā)現(xiàn)處理后魷魚的嗜冷菌與嗜中溫菌數(shù)分別下降約1.99和0.93個對數(shù)值。同時,也有研究[31]發(fā)現(xiàn),超高壓可有效抑制鯡魚 中 微 生 物 的 生 長。Gòmez Estaca等[32]研 究 得 出300MPa、20℃條件下處理15min,能使沙丁魚中腸桿菌科微生物的菌落數(shù)明顯下降,使沙丁魚至少在15d內(nèi)仍可達到商業(yè)無菌的要求。

研究[33]證明,將生魚片進行超高壓處理,能起到殺滅致病菌和寄生蟲的雙重目的,保持新鮮和優(yōu)良口感。Teixeira等[34]對海鱸魚生魚片進行超高壓處理,得出最佳工藝條件為400MPa、30min,將其與加熱處理工藝相結(jié)合,可代替單獨高溫加熱處理的魚腸殺菌工藝。超高壓對海鱸魚魚腸中的細菌也具有較強的抑制作用[35]。通過對金槍魚片的超高壓處理研究,相關(guān)人員[14]還發(fā)現(xiàn),壓力越高,抑菌效果越明顯。但在一定保壓時間的處理條件下,其殺菌效果也較有限。

2.1.2 對水產(chǎn)品的滅酶作用 多數(shù)酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì),超高壓處理會使其蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化,從而影響酶的活性[11]。其中,超高壓處理可使海產(chǎn)品中的內(nèi)源酶失活,從而延緩海產(chǎn)品貯藏過程中的腐敗變質(zhì)[13]。Fidalgo等[36]通過對大西洋鯖魚進行超高壓處理,發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵酶的活性受到抑制。楊華等[29]發(fā)現(xiàn),超高壓可降低大黃魚魚肉組織中酶的活力。夏遠景等[28]發(fā)現(xiàn)壓力對食品中酶的影響具有雙重性,在較低壓力條件下,酶活力與壓力大小呈正相關(guān),在較高的壓力下,酶活力與壓力大小則表現(xiàn)為負相關(guān)。利用超高壓對酶的雙重作用進行壓力調(diào)節(jié),可對有利的酶進行激活,對不利的酶進行抑制。趙偉等[37]發(fā)現(xiàn)超高壓可提高牡蠣中蛋白質(zhì)水解酶的活性,從而使其蛋白質(zhì)的水解程度增加。部分學(xué)者[27]發(fā)現(xiàn),鈍酶效果與溫度存在一定關(guān)聯(lián)。海參自溶酶在40℃左右活力最大,此時即使在400MPa的高壓下依然表現(xiàn)出較高活力。但在室溫或60℃以上的溫度條件,其鈍酶效果較好。

2.2 對水產(chǎn)品品質(zhì)變化的影響分析

隨著對超高壓研究的深入,其逐漸應(yīng)用于水產(chǎn)品加工處理與貯藏保鮮過程中,對水產(chǎn)品的理化特性會產(chǎn)生一定影響。

2.2.1 對水產(chǎn)品加工過程品質(zhì)變化的影響 Zhu Shu等[38]研究了三文魚在超高壓處理后的解凍時間,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在200MPa的條件下,三文魚的解凍時間為17min,解凍的汁液損失能從6.52g/100g降至3.44g/100g。超高壓處理后的水產(chǎn)品具有易去殼與外觀好等優(yōu)點[39]。易俊潔等[40]將超高壓應(yīng)用于鮑魚的脫殼處理中,其脫殼效率較傳統(tǒng)手工脫殼的時間最快可縮短72%,而鮑魚肉得率也較手工處理得率提高了18%;王國棟等[11]將蝦經(jīng)過超高壓處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可有效避免蝦仔脫殼過程中的斷尾現(xiàn)象,蝦仁產(chǎn)率提高6%~8%。

此外,超高壓技術(shù)還廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品的其他處理中。王成忠等[41]將超高壓技術(shù)應(yīng)用于刺參泡發(fā),結(jié)果得出刺參的最佳超高壓泡發(fā)條件為:300MPa、60℃、10min,此時產(chǎn)品的持水率最大,并能使刺參質(zhì)構(gòu)明顯改善,超高壓泡發(fā)的刺參膠原蛋白與多糖含量均比水發(fā)刺參含量高。王菁[42]將超高壓技術(shù)拓展至水產(chǎn)動物組織中的活性成分提取,發(fā)現(xiàn)該處理能明顯提高單位時間內(nèi)的蝦青素得率。同時,水產(chǎn)品的色澤、彈性、硬度與內(nèi)聚性等參數(shù)對消費者的選擇有直接影響。王國棟等[11]發(fā)現(xiàn)超高壓作用于蝦仁,會使其質(zhì)構(gòu)發(fā)生明顯變化,其嫩度、硬度、內(nèi)聚性和咀嚼度隨著壓力的升高而增加。羅曉玲等[43]以馬鮫魚魚糜為研究對象,分別添加不同濃度的番茄濃縮汁,在100~500MPa的超高壓下進行處理,研究復(fù)合馬鮫魚魚糜的凝膠特性和色澤。結(jié)果得出200~500MPa的超高壓處理可顯著提高復(fù)合馬鮫魚魚糜的凝膠強度,有利于其白度值的升高。Ramirez-Suarez等[44]發(fā)現(xiàn)超高壓處理可使金槍魚的魚肉硬度提高。Chéret等[45]得出壓力超過200MPa,水產(chǎn)品的硬度值與壓力值正相關(guān)。劉劍俠等[46]對大菱鲆進行超高壓處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)大菱鲆的肌肉硬度呈下降趨勢。隨著壓力的升高,其質(zhì)構(gòu)特性表現(xiàn)為凝聚上升趨勢,膠黏性持續(xù)上升,黏附性不斷下降,硬度先降后升。楊華等[47]對螠蟶的研究發(fā)現(xiàn),其最佳超高壓工藝條件為500MPa、20℃、15min,螠蟶的感官變化在處理前后基本保持一致,但彈性略有下降。劉安軍等[35]對海鱸魚魚腸進行超高壓處理,發(fā)現(xiàn)海鱸魚魚腸的硬度隨著壓力的升高呈現(xiàn)先升后降再升高的特點,而彈性則為持續(xù)升高,400MPa為超高壓處理的最佳工藝條件。王敏等[48]發(fā)現(xiàn)超高壓對貽貝肉的質(zhì)構(gòu)影響較大,可顯著提高貝肉的硬度、咀嚼性、內(nèi)聚性與彈性,對其質(zhì)構(gòu)改善有明顯影響。鄧記松等[27]研究發(fā)現(xiàn),牡蠣經(jīng)500MPa、20min處理后,20d仍能保持其形態(tài)飽滿。經(jīng)過150MPa超高壓處理后的冷凍竹莢魚,其色差、紋理、風(fēng)味與口感等都與鮮肉接近,具有較高的可接受性和營養(yǎng)價值[48]。

部分學(xué)者[49]研究還發(fā)現(xiàn),超高壓處理會導(dǎo)致蝦仁通透性降低,300MPa以上的超高壓將使蝦仁變白。與對照組相比,其L*值增大,a*值減小。王琎等[14]對金槍魚進行超高壓處理,結(jié)果得出處理后的生鮮金槍魚片,其硬度與壓力、保壓時間正相關(guān),彈性高于對照組。超高壓處理組隨著貯藏時間和壓力值的上升,其L*值隨之升高,魚片的透明度降低。易俊潔等[40]發(fā)現(xiàn)處理后的鮑魚,水分含量顯著升高,pH值變化不明顯,亮度L*值明顯增加。大菱鲆經(jīng)過超高壓處理后,其L*值上升,a*值下降,pH值隨壓力增大而升高,且揮發(fā)性氣味較對照組明顯下降[46];超高壓處理冷凍的生章魚可有效抑制其異味混合物的產(chǎn)生[50]。

2.2.2 對水產(chǎn)品貯藏期間品質(zhì)變化的影響 超高壓除對水產(chǎn)品具有較好的殺菌效果外,還能延緩貯藏期間水產(chǎn)品的品質(zhì)劣變,延長其貯藏貨架期。Kríek等[51]采用超高壓處理梭子魚片,發(fā)現(xiàn)其可使魚片在3.5~12.0℃條件下的貯藏保鮮期延長至70d。楊華等[29]對養(yǎng)殖大黃魚進行超高壓處理,發(fā)現(xiàn)處理后的大黃魚在貯藏12d后,其三甲胺與吲哚含量明顯降低。此外,超高壓處理還可降低太平洋牡蠣的pH值,增加其水分含量和感官分值。王國棟等[11]發(fā)現(xiàn)蝦仁經(jīng)超高壓處理后,可有效抑制其在冷藏期間pH值和TVB-N值的升高,其中300MPa處理的蝦仁,在經(jīng)過15d的冷藏后,其TVB-N值仍可維持在低于30mg/100g的水平。金槍魚經(jīng)超高壓處理后,其在12d內(nèi)的TVB-N值始終未超過生食標(biāo)準(zhǔn)[14]。王敏[48]研究發(fā)現(xiàn),超高壓處理可使貽貝肉的保質(zhì)期延長至10d以上。朱兆娜[52]研究得出,超高壓可抑制凍藏魚凍含水量的下降與TVB-N值的升高,使魚凍凍藏期間持水性的下降速度明顯延緩。楊華等[53]發(fā)現(xiàn)螠蟶經(jīng)超高壓處理后的水分含量由83.42%升至85.59%,蛋白質(zhì)從9.9%降至7.2%,脂肪和氨基態(tài)氮未發(fā)生變化,其基本營養(yǎng)成分也無較大改變。

同時,也有學(xué)者[54]發(fā)現(xiàn)超高壓處理可提高魚肉的理化性質(zhì),抑制其腐敗,風(fēng)味優(yōu)于未經(jīng)處理的對照組。鄧記松等[27]分別對牡蠣與海參進行超高壓處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)超高壓可有效抑制牡蠣與海參TVB-N值的升高。其中,牡蠣在450MPa、10min的處理條件下貨架期達20d,海參經(jīng)500MPa、20min處理后的保鮮期為38d,且對其含水量、灰分、蛋白質(zhì)與多糖等營養(yǎng)物質(zhì)的影響不大。

2.3 超高壓協(xié)同加工處理技術(shù)對水產(chǎn)品品質(zhì)變化的影響

隨著水產(chǎn)品保鮮技術(shù)水平的提高,部分學(xué)者還開展了超高壓協(xié)同其他處理方式對水產(chǎn)品進行復(fù)合加工處理的研究。將其與熱處理、冷凍、添加保鮮劑等方式相結(jié)合,使超高壓技術(shù)更好地應(yīng)用于水產(chǎn)品的殺菌保鮮當(dāng)中[55],起到減少能耗,提高效益的目的[56]。童立上等[57]將超高壓與漂燙處理相結(jié)合,研究得出新鮮魷魚的最佳處理工藝條件為:90℃漂燙10min,超高壓400MPa,保壓時間10min。此法比單一處理對食品的殺菌效果好,且感官品質(zhì)更優(yōu)。雒莎莎等[58]將超高壓處理與冰溫貯藏相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)其對鳙魚的品質(zhì)有明顯改善。陳淑花等[59]發(fā)現(xiàn)超高壓與低溫協(xié)同處理,可保護魚肉的微觀組織,提高魚肉的凍結(jié)質(zhì)量。將超高壓輔助解凍處理,能明顯降低魚肉在解凍時的汁液損失。黃小鳴等[17]將超高壓協(xié)同溶菌酶、Nisin對蝦仁進行殺菌保鮮處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn),該處理能完全殺滅蝦仁中的單增李斯特菌,延緩其質(zhì)構(gòu)、pH值、TVB-N值與TBA值的改變,使蝦仁的冷藏貨架期延長至18~20d。胡飛華等[60]將超高壓與多種凝膠增強劑結(jié)合處理發(fā)現(xiàn),超高壓處理能使梅魚魚糜的凝結(jié)強度明顯改善。

3 總結(jié)與展望

超高壓技術(shù)誕生至今已有100多年,雖在部分食品研究領(lǐng)域中得到應(yīng)用,但與國外相比,中國尚處于起步階段,國內(nèi)的研究機構(gòu)和企業(yè)也正對超高壓設(shè)備和技術(shù)進行研究和開發(fā),但還存在一些不足[61]。由于超高壓處理裝置需要較高投入,短期內(nèi)不利于市場推廣。同時,其對食品的外觀形態(tài)也會產(chǎn)生影響,加之消費者對超高壓技術(shù)處理后的食品形態(tài)不熟悉,在面對超高壓處理后產(chǎn)品的生食時,常會對其能否達到生食標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生困惑。此外,超高壓處理后的食物易出現(xiàn)輕微熟食的狀態(tài),也會對消費者產(chǎn)生一定的困擾[13];采用室溫和400MPa的靜水高壓處理,不能殺滅芽孢。壓力過高,還會對食品造成不同程度的破壞;不同食品對高壓的耐受性與敏感性差異也較大[1]。但是,與傳統(tǒng)的熱處理工藝相比,超高壓為環(huán)境友好型的加工技術(shù),要達到相同的品質(zhì)改變,加工所需能量只是熱加工處理的1/10[49]。

盡管超高壓處理技術(shù)存在著一定的局限性,但其在水產(chǎn)品中的發(fā)展前景仍十分廣闊。隨著消費者對食品品質(zhì)與安全的重視,超高壓處理技術(shù)以其冷殺菌,耗能少,能保持食品的營養(yǎng)價值與食用品質(zhì)等優(yōu)點而得到日益廣泛的應(yīng)用。如能將其與相關(guān)冷處理技術(shù)(食品添加劑、臭氧滅菌、超聲波、pH、輻照處理等)相結(jié)合,將能彌補其單一使用帶來的不足。作為冷處理技術(shù)之一,超高壓技術(shù)必將成為水產(chǎn)品加工的基礎(chǔ)加工工序,由超高壓處理生產(chǎn)的水產(chǎn)品也將逐漸走進普通消費者的餐桌。

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