微凍技術在水產(chǎn)品保鮮中的研究進展

胡 玥,吳春華,姜晴晴,陳士國,胡亞芹

(浙江大學食品與營養(yǎng)系浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術研究重點實驗室馥莉食品研究院,浙江杭州 310058)

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微凍技術在水產(chǎn)品保鮮中的研究進展

胡 玥,吳春華,姜晴晴,陳士國,胡亞芹*

(浙江大學食品與營養(yǎng)系浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術研究重點實驗室馥莉食品研究院,浙江杭州 310058)

本文概括介紹了微凍保鮮技術的原理與發(fā)展現(xiàn)狀,從反映鮮度的K值、TVB-N值、pH、微生物指標、汁液損失與質(zhì)構等指標著手,結合水產(chǎn)品肌肉組織結構的微觀觀察,分析微凍貯藏期間冰晶的形成機理,闡述微凍保鮮對水產(chǎn)品貯藏期間品質(zhì)影響的應用研究進展與存在的問題。

微凍技術,水產(chǎn)品,腐敗變質(zhì),組織結構,冰晶形成機理

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織在2014年5月最新發(fā)布的《世界漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖狀況》,隨著人口的不斷增加,世界人均年消費水產(chǎn)品量從1960年不足10kg增長到2012年19kg以上,2012年全球水產(chǎn)品總量達到1.58億噸,比2010年提高約1000萬噸[1]。水產(chǎn)品中因富含蛋白質(zhì)、活性肽、不飽和脂肪酸與其他礦物質(zhì)等,且本身含有的內(nèi)源性自溶酶活性遠大于哺乳動物,因而極易腐敗變質(zhì)。因此,如何延長水產(chǎn)品貨架期,保持水產(chǎn)品原有的營養(yǎng)價值、口感和風味,已成為食品科學領域研究的焦點之一[2]。

部分研究結果顯示,造成水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)的主要因素包括水產(chǎn)品中含有的高活性內(nèi)源酶、腐敗微生物的生長、脂肪類物質(zhì)的水解及氧化等。大部分水產(chǎn)品最初品質(zhì)變化主要由內(nèi)源性自溶酶引起,尤其是自溶酶導致核苷酸降解產(chǎn)生的ATP關聯(lián)產(chǎn)物,這個過程與微生物活動關系尚不明顯[3]。但隨著水產(chǎn)品解僵后自溶現(xiàn)象的發(fā)生,會為微生物的生長提供充足的營養(yǎng)物質(zhì),使其快速繁殖,從而加劇水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計,全球大概有30%的水產(chǎn)品因微生物腐敗變質(zhì)而浪費,而化學降解和其他腐敗則僅占每年總初級農(nóng)業(yè)和漁業(yè)產(chǎn)品的25%[3]。新鮮的魚肉類,自身含有多種營養(yǎng)成分,在加工、貯藏、包裝、運輸和銷售等過程中,極易遭受到微生物的污染而腐敗變質(zhì),即使是冷凍貯藏魚肉制品,其保質(zhì)期也受微生物活動的影響[4-6]。因此,在食品加工、運輸和貯藏過程中,控制微生物的生長是延長食品貨架期的關鍵因素[7-8]。此外,在低溫貯藏下的脂肪氧化(化學酶促)亦可導致酸敗[9]。相比其他肉制品如家禽、牛肉、豬肉和羊肉,魚肉中由于富含高不飽和脂肪酸,更易發(fā)生脂肪氧化[10]。脂質(zhì)氧化產(chǎn)物能與含氮物質(zhì)(包括氨基酸、蛋白質(zhì)、磷脂和DNA)反應形成色素與熒光化合物,對人體健康產(chǎn)生不利影響。

食品腐敗變質(zhì)過程的速度取決于溫度,貯藏溫度直接影響水產(chǎn)品中微生物的種類、活性、自身肌體內(nèi)源酶的活性與各種營養(yǎng)成分(蛋白質(zhì)、脂類、糖類等)的狀態(tài)。為減少腐敗和生化降解而開發(fā)的各種低溫水產(chǎn)品保鮮技術已經(jīng)在水產(chǎn)品貯藏體系中得到不同程度的應用。

目前全球水產(chǎn)領域常用的低溫保鮮技術有冷藏保鮮、冰溫保鮮、微凍保鮮以及凍結等保鮮技術[11]。其中,微凍保鮮技術是公認的低溫條件下可較好維持食物品質(zhì)的方法[12]。微凍保鮮所需溫度區(qū)域介于冷藏和凍結之間。在這一溫度區(qū)域內(nèi)微生物活性受到抑制,大多數(shù)細菌無法正常生長[12-13],同時內(nèi)源酶的活力也受到抑制。與冷藏保鮮和冰溫保鮮方法相比,微凍保鮮所需溫度更低,不僅更能抑制細菌的生理生化反應及酶的活性,還會導致水產(chǎn)品蛋白質(zhì)發(fā)生冷凍變性[14],并降低其自溶階段的脂肪氧化速率,從而使水產(chǎn)品在較長時間內(nèi)保持鮮度而不腐敗變質(zhì)。相對于凍結點以上的冷藏水產(chǎn)品,微凍產(chǎn)品在品質(zhì)和貨架期等方面均擁有較大優(yōu)勢[2]。雖然微凍保鮮的水產(chǎn)品貨架期比冷凍產(chǎn)品短,一般在20～30d左右;但比起冷凍產(chǎn)品,微凍條件下水產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生的冰晶少,對細胞損傷小、解凍后的汁液流失率低、魚肉質(zhì)構變化不大,能較好保持水產(chǎn)品獨特的風味,且微凍保鮮法能量消耗較少,生產(chǎn)成本相對較低。本文主要介紹微凍保鮮技術的原理及發(fā)展現(xiàn)狀,重點闡述微凍保鮮技術在生鮮水產(chǎn)品中的應用研究進展以及存在問題,旨在為微凍保鮮技術改進及工業(yè)化等方面提供理論參考。

1 微凍保鮮原理及發(fā)展現(xiàn)狀

微凍(superchilling),又稱部分凍結(partial freezing)或過冷卻冷藏(deep chilling),是20世紀60年代中期開始發(fā)展起來的在漁船上貯藏海產(chǎn)品的一種低溫保鮮技術;相對于傳統(tǒng)冷藏,此技術能明顯延長水產(chǎn)品貨架期(1.4～5倍),因而日益受到人們重視[12]。微凍保鮮的基本原理是將水產(chǎn)品溫度降低至初始凍結點以下,通常是在其初始凍結點以下的1～2℃[16]。此時水產(chǎn)品中5%～30%的水分凍結成冰,未凍結部分溶液的細胞液汁濃度、滲透壓增加,可有效抑制微生物生長,同時低溫亦可抑制水產(chǎn)品中酶的活性,減少酶對體內(nèi)有機物質(zhì)的分解,使產(chǎn)品在較長的時間內(nèi)保持原有的品質(zhì)及鮮度[15]。此外,在這一溫度范圍內(nèi),水產(chǎn)品表面能形成1～3mm厚的薄冰層,維持水產(chǎn)品在貯藏和運輸期間溫度的穩(wěn)定;同時水產(chǎn)品內(nèi)部形成顆粒微細均勻的小冰晶,對肌肉組織造成的機械損傷小,不會導致細胞破裂潰解;水產(chǎn)品解凍后汁液流失少,表面色澤好,最大可能保持水產(chǎn)品原有的鮮度[17-19]。

微凍保鮮的方法最早在1920年由Le Danois提出,但當時沒得到實際應用[12]。1935年英國捕魚雜志上介紹了用冷鹽水微凍魚的方法,因為當時人們一直認為微凍保鮮溫度剛好在最大冰晶生成區(qū)域溫度范圍(-1～-5℃),應盡快通過這一溫度區(qū)域,以免影響產(chǎn)品質(zhì)量,所以微凍保鮮技術的發(fā)展一直受到限制。直到1963年,葡萄牙深海捕魚者在漁船上發(fā)明海水微凍保鮮系統(tǒng),通過循環(huán)海水將魚保存在-2～-5℃,并取得較好的保鮮效果之后,英國、德國、日本等國相繼開始重視微凍保鮮技術的研究。我國的微凍保鮮研究起步較晚,但發(fā)展速度非常迅速。1978年,中國南海水產(chǎn)研究所首次在船上對漁獲物采用低溫鹽水微凍保鮮獲得成功,微凍魚的保藏期可達20d以上。

目前常用的微凍方法有冰鹽混合物微凍、低溫鹽微凍和吹冷風微凍三種,根據(jù)不同的魚種和消費者的需要選用不同的微凍方式[20]。微凍保鮮技術已廣泛應用于羅非魚(Tilapia)、大西洋鮭(Atlanticsalmon)、鱸魚(Lateolabraxjaponicus)、石斑魚(Epinephelusawoara)、鰱魚(Silvercarp)、南美白對蝦(Penaeusvannamei)、草魚(Ctenopharyngodonidellus)、大黃魚(Pseudosciaenacrocea)等以及各種魚糜(surimi)加工產(chǎn)品等的研究,并取得較好的保鮮效果[24-36]。此外,近年來也有報道微凍保鮮技術與其他保鮮技術聯(lián)合使用,如氣調(diào)包裝、涂膜保鮮與真空包裝等,可顯著提高水產(chǎn)品質(zhì)量或延長其貨架期[21-22]。

2 微凍保鮮對水產(chǎn)品貯藏期間品質(zhì)的影響

2.1 對產(chǎn)品新鮮度的影響

新鮮度是水產(chǎn)品質(zhì)量評價的主要指標之一。新鮮度的變化是一個包括物理、生化變化復雜的過程。許多因素會影響水產(chǎn)品的鮮度,如捕獲方法、貯藏時間、貯藏溫度、pH和保鮮劑的使用等。常用來判斷水產(chǎn)品鮮度的非感官指標有總揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)、K值、pH和菌落總數(shù)等[23]。然而由于水產(chǎn)品種類繁多,個體成分復雜,僅用一個指標或特性評定水產(chǎn)品鮮度仍顯不夠,一般都需要同時考察2～3個指標對產(chǎn)品進行綜合判定。

2.1.1 對K值的影響 K值是基于ATP及其分解產(chǎn)物進行定量而求得的相對值,反映魚體死后ATP降解反應進行的程度,是評價魚類新鮮度的一項質(zhì)量指標,也是目前全球范圍內(nèi)公認的一種鮮度測定指標。一般而言,活殺魚的K值低于10%,K值在20%以下被認為是極新鮮,在20%～60%為新鮮,60%～80%為魚體的初期腐敗階段。

在草魚冷藏和微凍保鮮研究中發(fā)現(xiàn),K值均隨著貯藏時間的延長而增大,但相對于冷藏(4℃)條件下貯藏到第4d和第10d的K值分別為41.22%,74.37%,微凍條件下草魚片貯藏到第25d和第50d時的K值分別僅為37.05%和73.38%,微凍保鮮明顯延長草魚片的貨架期[24]。對羅非魚、大黃魚、鱸魚、鯉魚、南美對蝦[25]等魚貝類進行微凍保鮮處理后,在30d內(nèi)貯藏期間K值均在60%左右,處于二級鮮度水平,表明微凍保鮮可有效地抑制K值的增加。

此外,在微凍狀態(tài)下,不同品種的水產(chǎn)品在貯藏期間K值變化存在較大差異,如鱸魚、大黃魚等的K值在貯藏初期迅速上升,然后增長速率趨于平緩,而羅非魚、南美白對蝦、鯉魚等的K值則一直呈線性增長。魚的種類不同,ATP關聯(lián)化合物變化的速率不同,因為ATP的降解活動與酶相關,而溫度會影響酶活性。不同魚種生活水域溫度不同,它們體內(nèi)各種酶的最適溫度是不同的,在不同的儲存溫度下,分解速率是不同的,因此,微凍條件下不同品種的水產(chǎn)品在貯藏期間K值變化存在差異。

2.1.2 對TVB-N值的影響 總揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)一般是指水產(chǎn)品在貯藏期間,由于肌肉中自身酶和細菌的共同作用,蛋白質(zhì)分解而產(chǎn)生的氨以及胺類等堿性含氮物質(zhì)。此類物質(zhì)具有揮發(fā)性,含量越高表明氨基酸被破壞越嚴重,特別是蛋氨酸和酪氨酸,水產(chǎn)品的營養(yǎng)價值因此而下降。TVB-N現(xiàn)已被多國作為檢測水產(chǎn)品腐敗的標準,一般用來評定魚類的初期腐敗程度,其中TVB-N≤15mg/100g為一級鮮度標準,≤25mg/100g為二級鮮度標準。

李衛(wèi)東等對南美對蝦進行微凍(-3℃)保鮮,發(fā)現(xiàn)微凍保藏至第30d,對蝦的TVB-N值為17.8mg/100g,仍達二級鮮度[34]。Mugica等對背棘鰩(Raja clavata)微凍(-0.5～-1.0℃)期間的TVB-N值變化研究發(fā)現(xiàn),微凍保鮮的TVB-N值變化幅度明顯低于冰藏保鮮(0.5～1.0℃)處理[35]。Liu等[36]對草魚肉在微凍(-3±0.2℃)和冰藏(0℃)保鮮中的TVB-N值變化發(fā)現(xiàn),與冰藏保鮮相比,微凍處理的保鮮期可延長至21d,TVB-N 值(15.52mg/100g)遠低于草魚肉二級鮮度的界限值;而冰藏保鮮到15d,TVB-N值(19.25mg/100g)已接近草魚肉二級鮮度的界限值。微凍條件下,魚體內(nèi)的部分水分發(fā)生凍結,內(nèi)源酶活性受到抑制,同時附著在魚體上微生物體內(nèi)的部分水分也發(fā)生凍結,抑制了微生物生長繁殖,甚至導致其死亡,使魚體在較長時間內(nèi)保持其鮮度。

此外,熊光權等[37]還研究微凍貯藏期間溫度波動對淡水魚TVB-N值的影響,結果發(fā)現(xiàn)在(-3±0.1)℃貯藏30d草魚和鯽魚TVB-N含量分別為18.3mg/100g和19.1mg/100g,遠低于魚肉二級鮮度限值;而(-3±2)℃貯藏第15d時草魚和鯽魚TVB-N含量分別為24.7mg/100g和25.6mg/100g,已超過其二級鮮度,可見溫度波動對微凍保鮮中TVB-N值影響顯著。溫度波動會造成小冰晶的融化并因重結晶從內(nèi)部刺破細胞結構,導致魚肉解凍后汁液流失,魚品質(zhì)降低。因此,在微凍保鮮過程中要注意保持溫度穩(wěn)定。

2.1.3 對微生物數(shù)量的影響 一般來說,水產(chǎn)品所含原始菌落微生物數(shù)量越少,產(chǎn)品的鮮度越易保持。在微凍條件下,由于水產(chǎn)品中部分水分凍結,微生物體內(nèi)的部分水分也發(fā)生凍結,微生物細胞液汁濃度增加,改變其細胞的生理生化反應,從而抑制微生物的生長甚至導致其死亡;只有一些具有較強耐凍能力的低溫菌仍可存活并緩慢生長,從而使水產(chǎn)品在較長時間內(nèi)保持新鮮而不發(fā)生微生物導致的腐敗變質(zhì)。相對冰藏和傳統(tǒng)冷藏,微凍處理能明顯抑制微生物的生長繁殖[12]。

但不同種類的魚貝類在同一微凍條件下,細菌總數(shù)的變化不盡相同。總體可歸納為增長、下降和先下降后增長這三個發(fā)展趨勢;如在微凍貯藏期間,鱸魚的細菌菌落總數(shù)一直呈下降趨勢,鯽魚則一直呈增長趨勢,造成這種現(xiàn)象的原因可能跟魚貝類自身的組成成分及生長環(huán)境有關。此外,同一水產(chǎn)品在不同微凍方式下,水產(chǎn)品中冰晶含量的不同,微生物繁殖速率也會存在差異。如北極甜蝦(Pandalus borealis)采用冰鹽微凍時細菌菌落總數(shù)第1d上升很快,之后的保質(zhì)期內(nèi)細菌菌落總數(shù)上升速率緩慢;而采用冰水微凍時,細菌菌落總數(shù)在第1d內(nèi)略有下降,然后緩慢上升,但冰水微凍處理的蝦菌落總數(shù)一直低于冰鹽微凍保鮮蝦的菌落總數(shù)。研究人員認為,由于冰水自由流動并包裹北極甜蝦,能達到迅速降溫且對蝦的傷害更小,能更好抑制微生物的生長繁殖[38]。

2.1.4 對肌肉pH變化的影響 魚體死后,體內(nèi)仍進行著各種復雜的生理生化反應,體內(nèi)的糖原和磷酸肌酸等物質(zhì)分解產(chǎn)生酸性物質(zhì),使得pH下降,水產(chǎn)品鮮度下降;而后隨著貯藏時間的延長魚肉表面細菌的作用使魚肉中蛋白質(zhì)分解,產(chǎn)生堿性物質(zhì),使其pH逐漸回升[39]。水產(chǎn)品肌肉pH的變化與其鮮度密切相關,因此水產(chǎn)品貯藏期間肌體的pH也可以作為評價其新鮮度的一項指標。

對微凍貯藏的鰱魚、鯽魚、羅非魚、草魚、鱸魚等肌肉pH的研究發(fā)現(xiàn),其pH在整個貯藏過程中的變化均呈“V”字形,且變化速率明顯低于冷藏時pH變化速率。但也有例外,如石斑魚在-3℃的低溫鹽水中微凍保藏,肌體的pH變化不明顯,始終維持在6.8～7.1之間[40];大西洋鮭魚在-1.5℃微凍貯藏下肌體pH一直下降,但下降速率低于冰藏處理[41]。在微凍貯藏初期,魚體肌肉中糖原酵解與ATP分解都受到抑制,減慢了pH的下降速率;同時魚體內(nèi)外微生物以及魚體內(nèi)源酶的活動也受到抑制,影響了貯藏期內(nèi)pH的上升速率。

2.2 對肌肉汁液損失的影響

汁液損失反映魚體貯藏期間肌肉組織結構受到冰晶的機械損傷程度。肉汁滲出液含有多種營養(yǎng)物質(zhì),會導致產(chǎn)品的商業(yè)價值降低,同時滲出的汁液也易成為微生物的優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)基,加速產(chǎn)品的腐敗變質(zhì)。目前國內(nèi)外對于微凍保鮮是否可以改善肉汁滲出量尚未有統(tǒng)一定論。

Sivertsvik等[42]對鮭魚微凍(-2℃)保鮮發(fā)現(xiàn),微凍保鮮對汁液流失量影響較小,這與闕婷婷[43]對比烏鱧在凍藏和微凍保鮮效果的研究結果相一致,且Duun和Rustad對大西洋鱈魚(Gadus morhua)(-2.2℃)和大西洋鮭魚塊(-3.6℃)微凍保鮮研究發(fā)現(xiàn)微凍處理的大西洋鱈魚和鮭魚塊汁液損失低于冷藏和凍藏(-21℃),其認為這與鱈魚塊中鹽溶蛋白的損失量有關[16]。然而Liu等[36]對草魚的微凍保鮮后魚肉解凍后汁液損失明顯高于冰藏保鮮。Bahuaud等[44]對大西洋鮭魚塊的微凍保鮮也得到相類似的結果,同時通過光學顯微鏡對保鮮處理后的魚塊觀察發(fā)現(xiàn),微凍會加速肌原纖維-肌原纖維蛋白的分離和肌原纖維的斷裂,進而導致解凍后魚塊的汁液損失增加。

此外,微凍保鮮貯藏過程中應盡可能避免溫度的變化,細微的溫度變化亦會導致水產(chǎn)品中小冰晶融化后再結晶,肉中冰晶的大小和分布均有變化,進而加劇肌肉組織纖維和細胞的破壞,導致解凍后肌肉的汁液流失量上升[6]。此外,由于水產(chǎn)品中肌體細胞部分凍結,使細胞相鄰未凍結區(qū)域的溶液濃度升高,單位體積內(nèi)酶濃度增加,加速肌體內(nèi)有機物質(zhì)的分解,導致汁液流失率的升高。

2.3 對肌肉質(zhì)構的影響

質(zhì)構尤其是硬度,為評價水產(chǎn)品品質(zhì)的重要參數(shù)之一,它取決于產(chǎn)品種類、肌肉部位、保藏與加工的方法。Gallart-Jornet等研究發(fā)現(xiàn)微凍保鮮結合氣調(diào)貯藏處理對鮭魚的質(zhì)構起負作用[11],這與Duun和Rustad[6]對大西洋鮭魚片(-1.4℃)微凍保鮮的研究結果相一致。而Bahuaud等[44]對大西洋鮭魚微凍(-1.5℃)后,發(fā)現(xiàn)微凍處理的大西洋鮭魚解凍后,其質(zhì)構學特征參數(shù)變化與對照組無明顯差異。高昕等對鱸魚在微凍貯藏條件質(zhì)構(TPA)進行分析,結果表明,隨著貯藏時間的延長,其破斷強度、硬度、彈性、粘聚性、咀嚼性呈下降趨勢。貯藏過程中,水產(chǎn)品肌原纖維間的空隙增大,蛋白質(zhì)發(fā)生變性,肌肉細胞間結合力下降,從而導致肌肉質(zhì)構不斷劣化,水產(chǎn)品品質(zhì)降低[45]。李立杰等[46]研究微凍(-3℃)對南美白對蝦質(zhì)構的影響,發(fā)現(xiàn)貯藏的前2周內(nèi),其硬度、彈性、剪切力和咀嚼性呈上升趨勢,之后逐漸下降。這主要由于魚貝類體死后會的先僵硬后解僵的過程,魚貝類死后肌體內(nèi)酶類進行無氧降解,糖原和ATP減少到一定程度,魚體開始變硬。隨著降解作用的進行,硬度不斷升高,直到其達到最大僵硬度。隨后,魚體進入解僵期,魚體內(nèi)ATP酶活性下降,導致肌動球蛋白變性,使魚體肌肉硬度下降。

此外,魚體死后的質(zhì)構變化還與自身內(nèi)源性酶,特別是魚體內(nèi)的組織蛋白酶(B、L和D)、鈣蛋白酶(m-和μ-)密切相關。雖然目前對微凍中有關其內(nèi)源性酶與質(zhì)構關系的研究較少,但即使在凍藏條件下微生物無法生長繁殖,硬度、彈性等質(zhì)構指標也會不斷下降,魚肉將會逐漸劣化到無法食用,因此,這應成為今后探討微凍保鮮魚肉品質(zhì)變化機理研究的重點關注方向。

3 對肌肉組織結構變化的影響

新鮮魚肌肉組織均勻,質(zhì)膜清晰,肌原纖維排列緊密有序,在橫切面上可見到肌肉組織的斷面呈現(xiàn)出細密的點陣集合,在縱切面可看到由肌原纖維產(chǎn)生明暗相間的條紋。剛凍結的產(chǎn)品,其內(nèi)部產(chǎn)生的冰晶大小并不均勻一致,隨著貯藏期的延長,細微的冰晶會逐漸減少、消失,而大的冰晶則逐漸成長[47]。凍藏過程中,由于冰晶有足夠的時間可以成長,冰晶的長大與肌原纖維變化將導致魚肉蛋白質(zhì)變性,對魚的品質(zhì)帶來很大影響[48];在微凍溫度下,產(chǎn)品表面只有部分水分發(fā)生凍結,細小的冰晶不會對產(chǎn)品造成傷害,其微觀結構的變化將大大降低[47]。

劉美華比較了大黃魚的冷凍與微凍保鮮效果,發(fā)現(xiàn)冷凍可使魚體內(nèi)水分結冰,體積膨脹,形成內(nèi)壓,肌肉組織受到不同程度的擠壓而發(fā)生變形,肌原纖維受擠壓且失水收縮,形成空洞;而微凍貯藏的大黃魚肌原纖維內(nèi)有較小空隙,纖維內(nèi)有小的冰晶體,肌纖維較完整,未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,相對冷凍貯藏的大黃魚組織結構損失較小[49]。沈月新等觀察羅非魚肌肉組織切片,發(fā)現(xiàn)保藏5d后-18℃冷庫的凍魚由于凍結速率較快,產(chǎn)生的冰晶體積較小,數(shù)量較多,大部分存在于細胞內(nèi),對肌肉組織無明顯損失;而-3℃微凍魚的冰晶是慢凍型,數(shù)量少,呈塊粒狀,大部分存在與細胞間隙中,冰晶周圍的細胞失水收縮,細胞膜變形,肌原纖維因擠壓而集結,使肌肉組織結構受到損傷,但微凍魚還存在未凍結的肌肉組織,該部分肌肉組織的細胞結構完整,與剛捕獲時羅非魚的新鮮肌肉組織無顯著差別。因此,可根據(jù)各不同魚種選擇適宜的微凍溫度,使魚體的凍結率保持在1/3～1/2左右,減少冰晶對肌肉組織所造成的不良影響[50]?？娪钇降妊芯况桇~凍結過程中肌肉組織纖維結構的變化,發(fā)現(xiàn)冷卻至0℃的鰱肌肉組織細胞周圍有薄而軟、富有彈性的原生質(zhì)膜,彼此相互緊密連接,排列整齊,纖維內(nèi)的原生質(zhì)分布均勻;凍結至-5℃,肌肉纖維間出現(xiàn)較小的間距,纖維內(nèi)有小的冰結晶;凍結至-18℃,隨著凍結過程的深入,肌肉中的水分由外至內(nèi)逐漸凍結,冰結晶由小變大,引起細胞內(nèi)部結構的變位和破壞,肌肉纖維逐漸變形、松散、無規(guī)則;凍結至-35℃,肌肉纖維間的冰晶增大,纖維扭曲,形狀紊亂[51]。理論分析認為,肌原纖維的相互分離可能是因為冷凍保藏時胞外冰晶形成所留下的空隙以及細胞骨架蛋白內(nèi)結締組織的降解。魚體在僵硬過程發(fā)生前、發(fā)生時和發(fā)生后,其肌肉的纖維通過膠原纖維與肌節(jié)結締組織相連,在冷凍儲藏后這些膠原纖維不斷降解導致肌原纖維緩慢與肌節(jié)分離,肌原纖維間縫隙增大;另外由于肌內(nèi)膜、肌束膜等肌原纖維內(nèi)部結締組織的降解也會導致肌原纖維之間的縫隙增大[52]。而肌原纖維的斷裂可能是因為冷凍保藏時胞內(nèi)冰晶形成對肌原纖維的破壞作用,肌原纖維扭曲和收縮可能是因為失水以及蛋白酶的降解作用。

雖然凍藏保鮮方法可以長久保持水產(chǎn)品的質(zhì)量,但是在此條件下,蛋白質(zhì)易變性,從而導致肌肉變硬,組織結構破壞,并降低其持水力;且解凍過程會大大破壞水產(chǎn)品的微觀結構,造成肌肉纖維的斷裂,影響其品質(zhì)和口感,降低產(chǎn)品的商業(yè)價值。而微凍貯藏下,不僅能有效抑制水產(chǎn)品體內(nèi)微生物和各種酶的活性,同時只產(chǎn)生較少量冰晶,減少了對細胞的組織結構的破壞,能使水產(chǎn)品體內(nèi)組織結構較為完整的保持,從而使其品質(zhì)得以保持。

4 水產(chǎn)品微凍保鮮中的冰晶形成機理

冰晶是水分含量在水產(chǎn)品中的固態(tài)存在形式,是冷凍食品中最重要的參數(shù)之一,同時也是最難理解、最難測量的參數(shù)之一。冰晶的數(shù)量及大小取決于貯藏前和貯藏期間對溫度的控制。微凍保鮮技術對操作的要求較高,特別是對溫度控制要求非常嚴格。微凍保鮮期間,輕微的溫度波動即可引起水產(chǎn)品中冰晶大小及數(shù)量的變化,直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量,每種產(chǎn)品的凍結點不盡相同[53]。

對于不同種類、形狀、大小的產(chǎn)品要采用不同的微凍保鮮方法和微凍溫度,這就給微凍保鮮設備的研制帶來極大的困難。主要難點在于微凍保鮮中的溫度測量,溫度隨著時間和空間的變化會不斷產(chǎn)生變化,很難進行實際測定[12]。在實際應用中,一般都是在水產(chǎn)品冷卻和溫度完成平衡之后才開始對溫度進行控制與測量。在實驗室中,能夠精確測量微凍保鮮過程的溫度,但在工業(yè)生產(chǎn)中,可精確控制溫度在±0.5范圍內(nèi)的設備大量生產(chǎn)還存在諸多困難。且冰晶對溫度的依賴性較強,產(chǎn)品中冰量的評估還存在極大的不確定性[53]。

微凍保鮮處理一般需要經(jīng)過兩個步驟,首先冷卻到水產(chǎn)品的初始凍結點,移去結晶潛熱;再抵消冰核形成和冰晶生長的熱量[54]。其中微凍預處理的降溫冷卻速度、魚肉狀態(tài)、魚的種類、降溫媒介的傳熱速率、比熱等因素能明顯影響魚肉貯藏期間中冰晶的形成及生長。Kaale等[55-58]采用不同降溫速率對大西洋鮭魚塊進行微凍保鮮預處理,發(fā)現(xiàn)快速降溫能迅速移除鮭魚肉中潛熱,使得細胞內(nèi)外形成大量、細小、分布均勻的冰晶,貯藏后解凍的鮭魚塊汁液損失率低,持水性性能好,這與Smith等[23]研究結果相一致。然而,Bahuaud等[44]對大西洋鮭魚微凍(-1.5℃)貯藏4周后發(fā)現(xiàn),微凍在大西洋鮭魚肌體上層形成了細胞內(nèi)和細胞外冰晶,破壞其肌纖維組織形貌的完整性,同時肌體內(nèi)溶酶體也遭到破損,導致解凍后產(chǎn)品的品質(zhì)下降。比較兩者發(fā)現(xiàn)造成結果不同的重要原因是其采用的微凍保鮮方法存在著差異性,具體為不同的降溫速度與貯藏溫度等。此外,Kaale等[57]還對大西洋鮭魚塊的僵硬前后的狀態(tài)、鮭魚中紅色肌肉部分和白色肌肉部分以及鮭魚表層和中心部位的冰晶大小、分布進行研究,結果發(fā)現(xiàn)大西洋鮭魚微凍(-1.7 ± 0.3℃)僵硬前形成的冰晶小,分布均勻;鮭魚紅色肌肉部分形成的冰晶大小(17 ± 2μm)小于白色肌肉部分(29 ± 1μm),且隨著貯藏時間的延長,冰晶大小不斷增大,但紅色肌肉的冰晶大小始終小于白色部分,同時肌肉中這些冰晶并未破壞肌肉組織,因為冰晶大小始終小于肌肉纖維的大小。鑒于肌肉細胞結構本身含有彈性,微凍貯藏期間形成的冰晶大小還不至于破壞其結構[23,59]。同時貯藏期間魚片表層先形成冰晶,且直徑最小,中心層部分要在微凍貯藏24h后才形成冰晶,但形成的冰晶最大。表層冰晶在1d明顯變大,數(shù)目減少,這是因為微凍預冷溫度低(-30℃)、時間短,且微凍貯藏的溫度(-1.7℃)差距較大,溫度變化梯度大,造成冰晶的融化與再結晶,進而使冰晶變大,數(shù)量減少[60-61]。但微凍貯藏的溫度穩(wěn)定后,各層的冰晶則變化不大。以上研究表明,即使同一種魚類,肌體加工前的狀態(tài)與肌肉部位不同對微凍保鮮的要求也有各不相同。

然而目前除了對大西洋鮭魚微凍期間的冰晶形成有部分研究外,對于其他魚種的微凍處理和微凍貯藏期間冰晶形成機理還未見報道,且對魚肉微凍后含冰率(微凍程度)的測定通常采用能量消耗法,該法耗時耗力,無法實現(xiàn)其快速在線檢測。

5 結語和展望

我國幅員遼闊,水產(chǎn)品資源豐富,種類繁多。近年來,隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展,我國水產(chǎn)品年產(chǎn)量持續(xù)保持在50萬t以上,連續(xù)多年穩(wěn)居世界前列。水產(chǎn)品(尤其是魚貝類)因含高蛋白、低脂、低膽固醇和低熱量等特點,備受廣大消費者喜愛。隨著人們生活水平的不斷提高,消費者對生鮮食品的需求量愈來愈高,對高品質(zhì)水產(chǎn)品的關注度也日益提高。因此深入研究水產(chǎn)品保鮮技術,對于增加有效供給,完善水產(chǎn)品保鮮體系具有十分重要的意義。作為商業(yè)使用的微凍保鮮可減少產(chǎn)品的冷凍和解凍程序,從而高產(chǎn)品產(chǎn)量,降低能源和勞動力成本,大大減少加工中運輸成本與環(huán)境因素的影響。

在微凍貯藏的溫度范圍內(nèi)對水產(chǎn)品進行保鮮,具有保持食物新鮮度、保留食物的高營養(yǎng)質(zhì)量和抑制有害微生物的生長等三大優(yōu)勢。從分子水平上研究微凍貯藏期間的品質(zhì)(如汁液損失率、質(zhì)構、脂肪氧化、蛋白質(zhì)變性和其他質(zhì)量參數(shù))變化機理,特別是魚體自身的內(nèi)源酶與品質(zhì)變化的相關性,是將來水產(chǎn)品微凍保鮮中非常值得深入探討的內(nèi)容。目前微凍保鮮之所以尚未在水產(chǎn)品保鮮貯藏流通中得到實質(zhì)性的應用,其主要原因在于微凍保鮮對設備要求較高,對設備內(nèi)溫度控制及分布要求嚴格。微凍貯藏期間溫度的微小波動,就可能造成水產(chǎn)品中冰晶的融化再重結晶成大顆粒的冰晶,破壞細胞組織,影響產(chǎn)品品質(zhì)。研究微凍貯藏期間的冰晶生長機理,有效控制冰晶生長和重結晶,具有理論和實踐的雙重意義。此外,微凍保鮮貯藏期間產(chǎn)品的溫度及熱力學性能隨時間、空間的變化為非線性型,典型的單因素研究產(chǎn)品在貯藏期間的品質(zhì)變化已無法滿足工業(yè)上的需求,需要加載高分辨率的空間、時間與不同計算機語言的設備對貯藏過程加以監(jiān)控。通過數(shù)學建模,CFD仿真模擬微凍貯藏過程,研究微凍技術與水產(chǎn)品原料性質(zhì)間的相互關系。同時借助經(jīng)典流體力學、熱力學、質(zhì)量守恒理論與數(shù)學模型,深入研究微凍貯藏期間的冰晶生長機理,直觀反映微凍期間冰晶的變化趨勢,優(yōu)化微凍保鮮工藝。估算微凍時間確定微凍程序,將有效改善貨架期。保持微凍貯藏期間溫度的穩(wěn)定對保持理想的食品質(zhì)量至關重要。

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Research progress in superchilling of aquatic products

HU Yue1,WU Chun-hua,JIANG Qing-qing,CHEN Shi-guo,HU Ya-qin*

(Department of Food Science and Nutrition,Zhejiang Key Laboratory for Agro-Food Processing,Fuli Institute of Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

The principle and current development of superchilling were introduced in this paper,mainly from macroscopic indexes such as the K value,TVB-N,pH,microbial index,drip loss and TPA,combined with observing microstructure of aquatic products muscle tissue,and the ice crystal formation mechanism during storage was analyzed. The progress of superchilling application and the problems existing in the superchilling storage technology were also introduced.

superchilling technology;aquatic products;deterioration;muscle tissue structure;ice crystal formation mechanism

2014-08-07

胡玥(1991-),女,碩士研究生,研究方向:水產(chǎn)品加工。

*通訊作者:胡亞芹(1972-),女,博士，副教授,研究方向:水產(chǎn)品加工與儲藏。

國家支撐計劃項目(2012BAD38B09)。

TS254.1

A

:1002-0306(2015)09-0384-07

10.13386/j.issn1002-0306.2015.09.075