超高壓技術(shù)在水產(chǎn)品保鮮加工中的應(yīng)用

葉 銳，時(shí) 瑞，吳曼鈴，胡錦鵬，陳麗嬌，梁 鵬，程文健

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

超高壓處理又稱高靜水壓處理(High hydrostatic pressure，HHP)，是指在室溫或較溫和的條件(<40℃)下，以水或其他液體(食用油、甘油、油與水的乳液)為傳壓介質(zhì)，將100～1 000 MPa 靜態(tài)液壓力均等的作用于食品物料，以提高食品保藏性的一種技術(shù)[1]。超高壓處理以帕斯卡原理和勒夏特列原理為理論基礎(chǔ)，通過減少物質(zhì)分子間或原子間的距離，使物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使處理過程中化學(xué)反應(yīng)平衡趨于緊湊，大分子的分子構(gòu)象改變朝著體積減小的方向進(jìn)行[2]。超高壓處理一般只對(duì)生物大分子立體結(jié)構(gòu)有貢獻(xiàn)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價(jià)鍵有破壞作用，而對(duì)維生素、色素和風(fēng)味物質(zhì)中的共價(jià)鍵無明顯影響，從而能夠較好保持食品原有的營(yíng)養(yǎng)、色澤和風(fēng)味[3]。

近年來，超高壓技術(shù)在水產(chǎn)品保鮮與加工領(lǐng)域中的應(yīng)用成為該技術(shù)在食品中應(yīng)用的一個(gè)重要方向。已有眾多的國(guó)內(nèi)外研究人員將該技術(shù)廣泛用于貝殼類、甲殼類和魚類及其制成品的保鮮加工中，以達(dá)到殺菌、滅酶、成型、嫩化等作用，在延長(zhǎng)水產(chǎn)品貯藏期，改善品質(zhì)和提高安全性等方面展示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿4- 6]。

結(jié)合近年來國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)，對(duì)超高壓處理技術(shù)在水產(chǎn)品殺菌、滅酶的作用以及對(duì)品質(zhì)變化的影響進(jìn)行綜述，為超高壓技術(shù)在水產(chǎn)品加工和保鮮中推廣應(yīng)用提供一定的參考。

1 超高壓技術(shù)對(duì)水產(chǎn)品中微生物的影響

1.1 超高壓殺菌機(jī)理

微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在一般的壓力作用下形態(tài)結(jié)構(gòu)只會(huì)發(fā)生一定的改變而不會(huì)導(dǎo)致死亡。當(dāng)壓力達(dá)到超高壓處理的壓力范圍后，會(huì)降解微生物細(xì)胞壁，破壞細(xì)胞膜，增加通透性造成細(xì)胞質(zhì)流失，也會(huì)引起微生物細(xì)胞內(nèi)部的變化，如核糖體裂解、細(xì)胞骨架解聚，導(dǎo)致不可逆的變化。這種不可逆的變化直接導(dǎo)致微生物的死亡[7]。也有研究表明超高壓處理可以使微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)凝固，從而抑制其酶的活性和DNA等遺傳物質(zhì)的復(fù)制來實(shí)現(xiàn)抑菌[8]。

食品中不同微生物對(duì)超高壓的承受范圍也不相同，大多數(shù)的細(xì)菌、霉菌、酵母菌等營(yíng)養(yǎng)體經(jīng)300～600 MPa加壓處理后可以失活。其中革蘭氏陰性細(xì)菌和酵母菌細(xì)胞壁較厚，肽聚糖含量較高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密，含脂量低，在400 MPa 左右的壓力下基本上能被殺死；而革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌細(xì)胞壁的肽聚糖層較薄，含量較少，脂類含量高，被殺死的壓力則需要600 MPa ；對(duì)于細(xì)菌孢子則需要更高壓力并結(jié)合適當(dāng)加熱與延長(zhǎng)保壓時(shí)間來使其失活[9]。

1.2 超高壓殺菌在水產(chǎn)品中的應(yīng)用

早期超高壓在水產(chǎn)品保鮮加工中的應(yīng)用主要是用于殺菌，以提高水產(chǎn)品的安全性，延長(zhǎng)冷鮮產(chǎn)品的貨架期。超高壓用于水產(chǎn)品殺菌最早應(yīng)用于牡蠣的保鮮。牡蠣是雙殼類軟體動(dòng)物，通過過濾大量的水來獲取食物和氧氣，牡蠣容易受水體中存在病原菌的污染，食用牡蠣，特別是生食存在潛在的由副溶血性弧菌、創(chuàng)傷弧菌等革蘭氏陰性桿菌引起的食源性安全問題[10]。因此，在不破壞鮮食牡蠣食用品質(zhì)的前提下，消除病原菌引起的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于牡蠣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。Kural等[11]發(fā)現(xiàn)在40℃、150 MPa條件下作用4 min，牡蠣中的創(chuàng)傷弧菌未檢出，在相同的溫度下，當(dāng)壓力達(dá)到250 MPa以上時(shí)，作用時(shí)間少于4 min。由此可見，在一定范圍內(nèi)，壓力越大，殺菌的時(shí)間越短。Cruz等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在20 ℃、260 MPa 條件下作用5 min，可達(dá)到殺死大腸桿菌和副溶血性弧菌，能夠使菌落總數(shù)降低至未檢出水平。表明較低壓力的超高壓處理即可殺死牡蠣中存在的革蘭氏陰性病原菌。研究表明升高溫度，提高處理壓力和延長(zhǎng)處理時(shí)間，超高壓處理也能殺死大部分的革蘭氏陽(yáng)性病原菌，如謝慧明等[13]建立淡水小龍蝦中的金黃色葡萄球菌超高壓殺菌模型，表明壓力343 MPa以上，處理溫度55 ℃以上，處理時(shí)間10 min以上，金黃色葡萄球菌的數(shù)量可降低至小于50 CFU/g的水平，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。Amanatidou等[14]結(jié)合氣調(diào)包裝技術(shù)，將大西洋鮭魚于5 ℃、150 MPa 條件下保壓10 min，可顯著抑制李斯特菌的生長(zhǎng)。表明常規(guī)的保鮮技術(shù)與超高壓處理結(jié)合有著協(xié)同殺菌效果，可降低超高壓殺菌條件。

隨后，研究者也將該技術(shù)應(yīng)用于甲殼類、貝類和魚類的貯藏保鮮和輕度加工制品上以延長(zhǎng)貨架期。眾多的研究表明在200～600 MPa的壓力下能夠殺滅蝦體內(nèi)絕大多數(shù)微生物[15]。Ginson等[16]采用100、270、435和600 MPa在25 ℃下處理印度白對(duì)蝦(Fenneropenaeusindicus) 5 min，細(xì)菌菌落總數(shù)由6.5 log cfu/g 分別下降為6.3、5.1、4.8、2.9 log cfu/g，大腸桿菌總數(shù)由初始的5.38 log cfu/g 分別下降為4.55、3.82、2.30、2.03 log cfu/g。彭靜等[17]探討超高壓應(yīng)用于熟制太湖白蝦滅菌的可行性，并分析其殺菌動(dòng)力學(xué)。有研究者以高值貝類太平洋牡蠣和皺紋盤鮑為材料建立一種基于超高壓技術(shù)的新型貝類物理冷殺菌技術(shù)，結(jié)果顯示超高壓能有效消減牡蠣和鮑魚體內(nèi)細(xì)菌,當(dāng)處理壓力達(dá)到500 MPa和400 MPa,保壓時(shí)間達(dá)到10 min以上時(shí),牡蠣和鮑魚體內(nèi)菌落總數(shù)達(dá)到未檢出水平。4 ℃冷藏條件下,經(jīng)300 MPa處理15 min、400 MPa處理10 min和500 MPa處理5 min的牡蠣生食貨架期延長(zhǎng)至15 d,經(jīng)400 MPa和500 MPa處理10 min的鮑魚生食貨架期分別達(dá)到20 d和25 d。超高壓處理可以改變導(dǎo)致牡蠣、鮑魚腐敗變質(zhì)的腐敗菌種類,牡蠣經(jīng)超高壓處理后,腐敗菌由假單胞菌和希瓦氏菌變?yōu)橄Ｍ呤暇推咸亚蚓?鮑魚經(jīng)超高壓處理后,腐敗菌由腸桿菌和乳桿菌變?yōu)槿闂U菌和葡萄球菌[18]。Ramirez- Suarez等[19]利用超高壓處理長(zhǎng)鰭金槍魚，發(fā)現(xiàn)275 MPa 高壓處理之后4 ℃保藏前5 d菌落數(shù)保持不變，而310 MPa保壓6 min可以將貨架期延長(zhǎng)至22 d ( 4 ℃貯藏) 和93 d(-20 ℃)以上。杭瑜瑜[20]研究發(fā)現(xiàn)400 MPa、保壓5 min，協(xié)同溫度30 ℃處理魚丸，魚丸中的菌落總數(shù)和大腸菌群均低于國(guó)標(biāo)，霉菌和酵母全部致死，致病菌未檢出。鄭明靜等[21]發(fā)現(xiàn)采用500 MPa處理后，海參于37 ℃保持無菌的貯藏期可達(dá)5周，隨著超高壓處理壓力的升高，海參產(chǎn)品的微生物殘存量變少。

綜合以上研究表明，超高壓對(duì)水產(chǎn)品中的微生物具有良好的殺滅效果，特別是對(duì)水產(chǎn)品中的革蘭氏陰性病原菌和腐敗菌具有顯著的效果，可以大大提高水產(chǎn)原料及其制品的安全性，延長(zhǎng)貨架期。通過提高處理溫度、延長(zhǎng)保壓時(shí)間，在較高的處理壓力下也可以有效抑制耐壓病原菌和腐敗菌的生長(zhǎng)。

2 超高壓對(duì)水產(chǎn)品中酶活性的影響

2.1 超高壓對(duì)酶活性的影響機(jī)制

酶是具有催化活性的一類特殊蛋白質(zhì)，超高壓會(huì)破壞其氫鍵，導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的改變[22]。其中，高壓處理對(duì)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)影響較小，蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)由氫鍵維持在較低的壓力可保持相對(duì)穩(wěn)定[23]。蛋白質(zhì)的三級(jí)和四級(jí)空間結(jié)構(gòu)主要由離子鍵和疏水鍵等非共價(jià)鍵維持，當(dāng)壓力超過200 MPa時(shí)，酶的空間結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生明顯變化，肽鍵分子伸展成不規(guī)則的線狀多肽，活性部位不復(fù)存在，酶也就失去活力[24]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，較低強(qiáng)度的超高壓處理可以導(dǎo)致酶的構(gòu)象發(fā)生限制性改變，以及酶的部分活性部位裸露，增加酶與底物的接觸，反而可以提高酶活性[25]。

2.2 超高壓對(duì)水產(chǎn)品中酶的活性影響及其應(yīng)用

超高壓處理會(huì)使其蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，從而影響酶的活性。超高壓主要用于滅活多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)、脂肪氧合酶(LOX)和蛋白酶等大部分內(nèi)源性酶，從而延緩水產(chǎn)品品質(zhì)劣變[26]。Fidalgo等[27]通過對(duì)大西洋鯖魚進(jìn)行超高壓處理，發(fā)現(xiàn)影響冷凍鯖魚關(guān)鍵酶的活性在不同的壓力條件下處理2.5～5 min均可受到抑制。其中脂酶的活性經(jīng)300 MPa處理，活性降低，但是在450 MPa處理?xiàng)l件下處理反而沒有效果。要抑制組織蛋白酶的活性處理壓力要提高到450 MPa，而在此壓力條件下，對(duì)魚體中的酸性磷酸酶活只有輕微的抑制效果。甲殼類的殼中含有較為豐富的多酚氧化酶，可以催化酪氨酸等底物的氧化，導(dǎo)致變黑，嚴(yán)重影響品質(zhì)。Montero等[28]在7 ℃下采用400 MPa高壓、保壓10 min處理日本對(duì)蝦的PPO酶液，PPO活性降低至20%，若添加抗壞血酸和檸檬酸等酶抑制劑，降低pH，PPO 酶活則可被完全抑制。趙偉等[29]發(fā)現(xiàn)超高壓可提高牡蠣中蛋白質(zhì)水解酶的活性，從而增加蛋白質(zhì)的水解程度。從這些研究中可以發(fā)現(xiàn)，酶的活性與壓力的大小有關(guān)，一般壓力低于300 MPa 會(huì)產(chǎn)生激酶效應(yīng)，壓力高于300 MPa 可使酶失活[30]。利用超高壓對(duì)酶的雙重作用進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，可激活有利的酶，抑制不利的酶。

3 超高壓對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)的影響

3.1 超高壓對(duì)水產(chǎn)品色澤的影響

在色澤方面，馬海建[31]等研究發(fā)現(xiàn)200 MPa以上的壓力會(huì)使草魚魚肉的色澤顯著變化，魚肉表面逐漸變白呈不透明狀，產(chǎn)生熟化外觀，各組樣品的L*值和白度均顯著增大，且處理壓力越大，其增幅越大。鄭明靜[21]等也發(fā)現(xiàn)處理壓力越大，海參的色澤越淺，表現(xiàn)為亮度和黃度上升，紅度下降。這可能是由于超高壓破壞了肌紅蛋白結(jié)構(gòu)，加快了其氧化速度，致使產(chǎn)品色澤變淺[32]。超高壓也會(huì)使水產(chǎn)品色澤不良，如蝦類超高壓處理后會(huì)變黑。

3.2 超高壓對(duì)水產(chǎn)品風(fēng)味的影響

在氣味方面，超高壓處理一般不會(huì)破壞風(fēng)味物質(zhì)和維生素的共價(jià)鍵，從而保留氨基酸、核苷酸等小分子風(fēng)味物質(zhì)，但超高壓可以通過影響食品原料內(nèi)部的化學(xué)和酶促反應(yīng)進(jìn)程，從而對(duì)食品的風(fēng)味有一定的影響[33]。有研究者使用電子鼻和電子舌分析表明，100和200 MPa 處理對(duì)草魚魚肉氣味無明顯影響，300 MPa及以上壓力使氣味有所改變，200、400和500 MPa處理后魚肉的滋味和對(duì)照組有所差異，但區(qū)別不大[31]。劉劍俠等[34]也發(fā)現(xiàn)經(jīng)高壓處理后魚肉的揮發(fā)性成分基本保留。有研究顯示，超高壓加工可殺滅或大大減少水產(chǎn)品中的乳酸菌，保藏期間由乳酸菌引起的腐敗氣味比一般加工方法少很多[35]。

3.3 超高壓對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)地的影響

在質(zhì)地方面，付強(qiáng)[36]研究發(fā)現(xiàn)魚糜經(jīng)過超高壓處理后，凝膠品質(zhì)能夠得到顯著提高，當(dāng)壓力達(dá)到400 MPa時(shí)凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大值，之后又顯著減小，保壓時(shí)間在10 min 后凝膠強(qiáng)度變化不明顯，其微觀結(jié)構(gòu)的均勻致密程度最高。雷亞君等[37]發(fā)現(xiàn)超高壓處理對(duì)條斑紫菜硬度的影響不顯著，紫菜硬度隨著處理壓力的升高先下降后升高，保壓時(shí)間15 min、壓力600 MPa時(shí)，紫菜硬度與未處理的相比變化較小，利于開發(fā)出新鮮高值的紫菜新產(chǎn)品。Pérez[38]發(fā)現(xiàn)采用200和400 MPa保壓10 min處理海灣扇貝，通過電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)，其肌原纖維的微觀結(jié)構(gòu)致密均勻，蜂窩狀結(jié)構(gòu)消失，硬度也顯著降低，能夠保持魚肉良好的彈性和凝聚性。然而，超高壓對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)地的影響是雙面的，Angsupanich 等[39]對(duì)鱈的研究發(fā)現(xiàn)，在0～300 MPa范圍內(nèi)，隨著壓力的升高，魚肉彈性增強(qiáng)，200 MPa時(shí)黏度急劇下降，在400 MPa和600 MPa時(shí)，黏度提高，而且400 MPa和600 MPa 處理后魚肉的硬度和咀嚼度都比200 MPa和未經(jīng)高壓處理的強(qiáng)，但800 MPa處理后反而使其下降了。

從以上研究可以看出，超高壓對(duì)水產(chǎn)品色澤、氣味、質(zhì)地既有有利的影響，也存在不利的影響。不同食品對(duì)高壓的耐受性與敏感性差異也較大。超高壓在一定范圍內(nèi)有利于維持水產(chǎn)品色澤、改善硬度、增加凝膠特性等，隨著壓力增高水產(chǎn)品硬度過高、凝膠特性被破壞等不利影響逐漸出現(xiàn)。這可能是由于不同的壓力處理對(duì)蛋白凝膠特性的影響不同。

4 結(jié)語(yǔ)

超高壓處理可以有效殺滅水產(chǎn)品中的病原菌和腐敗微生物，也可以較好地保持或改善產(chǎn)品的感官品質(zhì)。隨著消費(fèi)者對(duì)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值與食用品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在水產(chǎn)品保鮮和輕度加工品領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。超高壓處理也可能使水產(chǎn)品產(chǎn)生色變、蛋白質(zhì)變性、熟化等不良后果，影響水產(chǎn)品品質(zhì)。因此，如何針對(duì)特定水產(chǎn)品原料特性、菌相特征、化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)化超高壓處理的工藝條件(處理壓力、保壓時(shí)間、加壓方式等)，是充分發(fā)揮超高壓處理優(yōu)勢(shì)，避免處理過程中品質(zhì)不良變化亟須解決的關(guān)鍵問題，也是該技術(shù)在水產(chǎn)品保鮮加工中應(yīng)用的主要研究熱點(diǎn)和主要方向。