天然多糖保鮮劑在水產(chǎn)品冷藏中的保鮮機(jī)理及應(yīng)用形式

李慧，包海蓉,2,3*

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) 3(農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(上海)，上海，201306)

水產(chǎn)品保鮮一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，可分為冷藏保鮮和冷凍保鮮，主要的保鮮方法有物理保鮮、化學(xué)保鮮和生物保鮮。雖然這些方法都能達(dá)到一定的保鮮效果，但存在的弊端和不能在實(shí)際生產(chǎn)中工業(yè)化使用的局限性也不容忽視。例如氣調(diào)包裝保鮮需要充注不同比例的氣體，調(diào)控技術(shù)復(fù)雜、成本高昂，而且氣體比例失衡會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)，帶來(lái)安全隱患[1]；輻照保鮮技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快，效率高且耗能低，但超過(guò)一定的輻照劑量不可避免地會(huì)導(dǎo)致食品營(yíng)養(yǎng)成分的變化[2]；臭氧處理被許多國(guó)家認(rèn)為是一種很好的保鮮方法，受控條件下也是一種安全的消毒劑，實(shí)際應(yīng)用中臭氧濃度過(guò)高會(huì)給食品品質(zhì)帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)，難以掌控[3]；使用SO2、CaO2等化學(xué)藥劑保鮮雖價(jià)格低廉，但食品表面的藥劑殘留給人們的健康帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[4]。生物保鮮劑是從自然界中直接提取或利用生物工程技術(shù)改造而得到的一類(lèi)保鮮劑，按照成分可分為酚類(lèi)、多糖類(lèi)、肽類(lèi)、細(xì)菌素、酶類(lèi)等化合物，其中酚類(lèi)是從植物中提取且容易氧化，酶制劑雖然來(lái)源豐富但對(duì)革蘭氏陰性微生物不敏感[5-6]。

天然多糖作為一種來(lái)源廣泛、提取技術(shù)成熟、環(huán)境友好型的生物活性物質(zhì)已發(fā)展為保鮮研究的熱門(mén)方向，廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品、肉類(lèi)、蔬菜、菌菇類(lèi)等食品的保鮮。目前在水產(chǎn)品冷藏保鮮中應(yīng)用較多的有殼聚糖(chitosan)、海藻酸鈉(sodium alginate)、普魯蘭多糖(pullulan)，這種保鮮技術(shù)無(wú)化學(xué)殘留、無(wú)污染、安全性高，適合各種規(guī)模的生產(chǎn)方式，保鮮的同時(shí)具有良好的保健功能，滿足消費(fèi)者對(duì)健康的需求和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，本文闡述了天然多糖在水產(chǎn)品冷藏中的保鮮機(jī)理，創(chuàng)新性地總結(jié)了其應(yīng)用型式，并提出了該領(lǐng)域今后研究的發(fā)展方向，以期為水產(chǎn)品冷藏保鮮技術(shù)的進(jìn)步提供參考。

1 天然多糖保鮮劑的種類(lèi)

天然多糖是一種天然可再生的綠色高分子化合物，其分布遍及自然界，按照來(lái)源可分為植物源多糖、動(dòng)物源多糖和微生物源多糖，但在水產(chǎn)品冷藏保鮮中研究較深入的多糖種類(lèi)屈指可數(shù)。植物源多糖包括纖維素(cellulose)、藻類(lèi)多糖、部分親水膠體和其他植物提取多糖等；動(dòng)物源多糖包括殼聚糖、蜂膠(propolis)等；微生物源多糖包括由出芽短梗霉發(fā)酵所產(chǎn)生的普魯蘭多糖和由野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物為主要原料(如玉米淀粉)經(jīng)發(fā)酵工程生產(chǎn)的黃原膠(xanthan)等，具體如表1所示。

表1 部分天然多糖保鮮劑在水產(chǎn)品冷藏保鮮中的應(yīng)用Table 1 Application of some natural polysaccharide preservatives in aquatic products refrigeration

天然多糖大都具有良好的抑菌性、成膜性等性質(zhì)，對(duì)二氧化碳和氧氣也有選擇滲透性[7]。為了增強(qiáng)天然多糖的保鮮效果，解決部分多糖有效成分含量低，抑制菌種單一的問(wèn)題，有相關(guān)研究將天然多糖之間和與其他酚類(lèi)、酸類(lèi)、精油等物質(zhì)進(jìn)行混合,形成新型復(fù)配保鮮劑。

2 天然多糖保鮮劑的保鮮機(jī)理

天然多糖類(lèi)物質(zhì)含有羥基、羰基、氨基等親水性基團(tuán)，亦包含大量氫鍵，通過(guò)分子間的氫鍵作用將會(huì)使天然高分子協(xié)同作用增強(qiáng)，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生良好的相容性形成可食性膜[25]。一般而言，成膜大分子的極性越強(qiáng)，膜溶液的黏性越高，所成膜的結(jié)構(gòu)也越緊密[26]。這種致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以阻隔氧氣、水蒸氣等物質(zhì)的遷移。

水產(chǎn)品本身性質(zhì)特殊，其出水后會(huì)由于微生物和酶(內(nèi)源性蛋白酶、胞外酶等)的作用迅速腐敗變質(zhì)，保質(zhì)期相對(duì)較短[27-29]。天然多糖具有良好的保水性、隔氧性、成膜性等理化性質(zhì)和抑菌性、抗氧化性等生物活性[30-31]，這些性質(zhì)能夠抑制細(xì)菌增長(zhǎng)及酶的活性，延緩脂質(zhì)氧化并防止汁液流失，并且進(jìn)一步抑制蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等組分之間的相互作用，保持水產(chǎn)品新鮮的質(zhì)量，延長(zhǎng)保質(zhì)期(圖1)。

圖1 天然多糖在水產(chǎn)品冷藏中的保鮮機(jī)制Fig.1 Preservation mechanism of natural polysaccharides in aquatic products refrigeration

2.1 抑菌作用

天然多糖良好的成膜性可以阻止外源微生物的污染，同時(shí)其抗菌活性光譜較廣泛，可以破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，增加細(xì)胞通透性，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷、細(xì)菌成分分解，降低與水產(chǎn)品組分的相互作用，從而造成細(xì)菌死亡[32]。林斌[33]研究山藥多糖(yam polysaccharide)對(duì)冷藏羅非魚(yú)抑菌效果的影響，隨著冷藏時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)照組的菌落總數(shù)(total viable counts，TVC)在第7天達(dá)到了6.12 lgCFU/g，超出了可食用值(6 lgCFU/g)，并且隨著山藥多糖濃度的增加，TVC明顯減少。

在水產(chǎn)品貯藏過(guò)程中，細(xì)菌繁殖過(guò)程中的代謝產(chǎn)物會(huì)將蛋白質(zhì)分解，天然多糖使細(xì)菌的增長(zhǎng)受到抑制，則細(xì)菌對(duì)蛋白質(zhì)的分解作用也會(huì)被抑制。邢曉亮等[34]采用海藻酸鈉涂膜處理冰溫大黃魚(yú)后，其TVC和產(chǎn)H2S菌上升趨勢(shì)較平緩，對(duì)照組在第10天揮發(fā)性鹽基氮值(total volatile basic nitrogen，TVB-N)達(dá)到了限定值(29.8 mg/100g)，而1.5%海藻酸鈉處理的冰溫大黃魚(yú)貨架期延長(zhǎng)至29 d。

2.2 抑制酶的活性

蝦是很受人們喜愛(ài)的一種水產(chǎn)品，但新鮮的蝦死后，體內(nèi)的多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)會(huì)被激活發(fā)生酶促褐變生成黑色素，即常見(jiàn)的蝦頭部分黑變[35]。天然多糖可以通過(guò)與酪氨酸酶活性中心以外的氨基酸殘基結(jié)合并且清除過(guò)氧自由基終止自由基鏈的發(fā)生[36]。BAO等[37]、丁小梅等[38]發(fā)現(xiàn)了多糖與酪氨酸酶之間是通過(guò)非共價(jià)鍵可逆結(jié)合的，多糖的抑制只會(huì)使酶活力降低，對(duì)有效酶量沒(méi)有影響，屬于非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。熊青等[39]對(duì)比了殼聚糖、溶菌酶、檸檬酸等不同保鮮劑對(duì)冷藏南美白對(duì)蝦的保鮮效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1.5%殼聚糖在貯藏前期對(duì)PPO有一定的抑制作用，減緩了黑變的發(fā)生，但第8天時(shí)抑制作用減弱，相對(duì)酶活力上升到62.83%。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)天然多糖對(duì)PPO的抑制作用并不明顯。LI等[40]研究從藻類(lèi)中提取紫菜多糖(porphyra yezoensis polysaccharide)和多酚對(duì)太平洋白蝦冷藏品質(zhì)的影響，與對(duì)照組(相對(duì)活性72.5%)相比，紫菜多酚組及復(fù)合組的PPO相對(duì)活性明顯低于對(duì)照組，但紫菜多糖組的PPO相對(duì)活性無(wú)顯著差異。

有研究報(bào)道，組織蛋白酶和鈣蛋白酶等內(nèi)源性酶活性與魚(yú)類(lèi)死后蛋白水解和結(jié)構(gòu)降解有著密切的關(guān)系[41]，過(guò)氧化物酶、脂氧合酶等酶促氧化是脂質(zhì)氧化啟動(dòng)和傳播的主要機(jī)制[28]。天然多糖對(duì)這些酶類(lèi)也有抑制作用，但相關(guān)研究較少且抑制機(jī)制尚不明確。YU等[42]探究了殼聚糖對(duì)保存于4 ℃的草魚(yú)魚(yú)片內(nèi)源酶活性的影響，研究表明殼聚糖對(duì)組織蛋白酶B、組織蛋白酶B+L和鈣蛋白酶活性的抑制效果顯著，最大降幅分別能達(dá)到58%、65%和41%，減弱了蛋白質(zhì)的水解，改善了冷藏草魚(yú)魚(yú)片的質(zhì)量。

2.3 減緩脂質(zhì)氧化

天然多糖可以抑制活性氧自由基的生成，其分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)中糖醛酸含量皆可影響天然多糖的抗氧化能力，但機(jī)制尚不清楚[43]。除了優(yōu)異的抗氧化活性，天然多糖之間成膜后還可以阻隔氧氣，進(jìn)一步抑制水產(chǎn)品中的脂質(zhì)氧化反應(yīng)。VOLPE等[44]發(fā)現(xiàn)虹鱒魚(yú)片冷藏15 d后，對(duì)照組的飽和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)為(27.44±1.5)%，卡拉膠處理組的SFA為(24.43±0.9)%，卡拉膠有助于保持整個(gè)貯藏期間的SFA水平低于對(duì)照組，并減緩了單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的下降趨勢(shì)，這可能是由于卡拉膠涂層對(duì)氧的保護(hù)屏障作用，減緩了虹鱒魚(yú)片的脂質(zhì)氧化。BAO等[45]也證實(shí)了蒲公英多糖(dandelion polysaccharide)處理南極磷蝦可以降低其SFA含量，且不飽和脂肪酸(unsaturated fatty acid，UFA)含量沒(méi)有明顯變化。EBADI等[46]報(bào)道了日本金線魚(yú)片在冷藏期間由于魚(yú)的部分脫水和UFA氧化的增加導(dǎo)致2-硫代巴比妥酸反應(yīng)性物質(zhì)的增加，殼聚糖和蜂膠可抑制這種現(xiàn)象并且減少游離脂肪酸的產(chǎn)生，殼聚糖和蜂膠之間存在正向協(xié)同作用。

此外，脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化是由相同的化合物催化的，這些過(guò)程可以獨(dú)立或并行發(fā)展。這兩個(gè)過(guò)程可以相互作用，脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的自由基、氫過(guò)氧化物和二級(jí)化合物等中間體可與蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成更多的羰基和巰基，導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能喪失。脂質(zhì)氧化過(guò)程中形成的醛能與蛋白質(zhì)中的氨基相互作用，形成希夫堿產(chǎn)物，影響蛋白質(zhì)的溶解性和疏水性等功能特征[28-29]。

2.4 防止汁液流失

水產(chǎn)品中的水可分為結(jié)合水、截留水和游離水，其中大部分存在于肌肉和肌肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，被截留的水受到環(huán)境因素的影響，可能會(huì)成為游離水，因此在貯存過(guò)程中容易造成汁液損失[25]。天然多糖分子中的羥基、羧基等極性基團(tuán)對(duì)水分子具有很強(qiáng)的作用力，多糖之間致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也可以阻止部分水分流失[47]。李佳藝等[48]采用殼聚糖復(fù)合保鮮液處理草魚(yú)，發(fā)現(xiàn)相比于對(duì)照組，保鮮組的汁液流失率上升緩慢，殼聚糖膜的保水性可以減輕魚(yú)肉中水分、蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)成分的流失，延緩其品質(zhì)敗壞進(jìn)程。也有研究表明，水分子被鑲嵌在蛋白質(zhì)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)受到破壞時(shí)，水產(chǎn)品的持水力會(huì)隨之降低，因此抑制蛋白質(zhì)的消極變化也能增強(qiáng)水產(chǎn)品持水性能[49]。

3 天然多糖保鮮劑的應(yīng)用形式

3.1 保鮮冰

水產(chǎn)品極易腐爛，捕獲后不久質(zhì)量便迅速下降。溫度是影響海鮮保質(zhì)期的關(guān)鍵參數(shù)，但不能完全抑制水產(chǎn)品基質(zhì)中的微生物反應(yīng)。因此將天然多糖保鮮劑與冰結(jié)合制成，二者共同發(fā)揮抑制微生物生長(zhǎng)、脂質(zhì)氧化和內(nèi)源性酶活性的作用，進(jìn)而延緩水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)。ABHIRAMA等[50]以三聚磷酸酯為交聯(lián)劑，采用離子凝膠法制備了抗菌活性效果更好的殼聚糖納米粒子，隨后制成1 g/L的納米殼聚糖溶液，冷凍后制成納米殼聚糖分散的冰塊，將冰塊和羅非魚(yú)放在聚苯乙烯盒中保存72 h不換冰。結(jié)果表明，納米殼聚糖冰保鮮的最佳魚(yú)冰比例為1∶0.75，且當(dāng)冰融化時(shí)，只要溫度低于室溫，納米殼聚糖抑制微生物生長(zhǎng)和酶活性的能力可以繼續(xù)保持，這種方法相對(duì)于傳統(tǒng)自來(lái)水冰減少了25%的用冰量。

保鮮冰正在發(fā)展為傳統(tǒng)自來(lái)水冰的替代冰，冰融化后保鮮劑仍具有保鮮功能，因此可以減少頻繁更換融化冰的工序，提高效率。但在保藏水產(chǎn)品時(shí)保鮮冰魚(yú)比例、換冰時(shí)間的控制仍沒(méi)有明確的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。此外，制冰過(guò)程是否會(huì)對(duì)天然多糖的有效活性成分產(chǎn)生負(fù)面影響、冰融化后天然多糖的保鮮效果和在水產(chǎn)品中的滲透效果是否會(huì)減弱還有待研究。

3.2 可食性膜

可食性膜是食品活性包裝的一種，具有環(huán)保可降解、健康無(wú)污染的特點(diǎn)，現(xiàn)是食品包裝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，有望成為傳統(tǒng)塑料包裝的替代品。天然多糖可食性膜是以天然多糖為基質(zhì)，加入增塑劑、抑菌劑、抗氧化劑、乳化劑等物質(zhì)，經(jīng)過(guò)一定的處理工序使不同成膜劑分子間產(chǎn)生相互作用，干燥后形成的安全無(wú)毒可食用膜,根據(jù)生產(chǎn)工藝不同可分為涂膜和薄膜(圖2)。多糖類(lèi)的可食性膜均勻透明，具有一定選擇透過(guò)性、力學(xué)性能、光學(xué)性能和阻隔性能，但水蒸氣透過(guò)率較高，可加入其他物質(zhì)制備復(fù)合膜來(lái)彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)[52]。天然多糖可食性膜的主要功能是將食品與周?chē)h(huán)境分離，減少與腐敗因子(如微生物、水蒸氣、氧氣和異味)的相互作用，避免理想化合物(如芳香物質(zhì))的損失，從而延長(zhǎng)食品的貨架期?，F(xiàn)今大多數(shù)研究中可食性膜的制備和性能測(cè)試均是在常溫下，關(guān)于水產(chǎn)品低溫保存環(huán)境中溫度、濕度對(duì)可食性膜特性影響的研究十分匱乏，因此，適合低溫的可食性膜制備、檢測(cè)及其加工系統(tǒng)的商業(yè)化等一系列問(wèn)題有待研究[53]。

圖2 涂層和薄膜生產(chǎn)示意圖[51]Fig.2 Schematic representation for production of coatings and films

3.2.1 涂膜

保鮮涂膜作為一種保證冷藏期間水產(chǎn)品質(zhì)量的安全且環(huán)保的工藝正日益受到關(guān)注。在應(yīng)用時(shí)浸泡法操作簡(jiǎn)單、對(duì)樣品的形狀要求低，魷魚(yú)[17]、貝類(lèi)[18]等不規(guī)則水產(chǎn)品也適用，是如今首要的涂膜方式。另外，處理樣品時(shí)天然多糖質(zhì)量濃度大約是0.5～40 g/L，浸泡時(shí)間通常在30 s～2 h，瀝干時(shí)間一般為10 s～1 h。HAMZEH等[54]將虹鱒魚(yú)片在30 g/L海藻酸鈉溶液中浸泡1 min，瀝干30 s后浸入20 g/L的CaCl2水溶液中30 s，通過(guò)與多價(jià)金屬離子的交聯(lián)反應(yīng)有助于其形成強(qiáng)力凝膠。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示虹鱒魚(yú)片在(4±2) ℃冷藏20 d過(guò)程中，海藻酸鈉涂層能有效地保護(hù)魚(yú)片的質(zhì)量特性，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，延長(zhǎng)其貨架期，并提高虹鱒魚(yú)片的整體感官值。

也有學(xué)者在研究整魚(yú)或魚(yú)片保鮮時(shí)采用直接涂抹的方式。MERIAM等[55]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%和0.5%的殼聚糖微粒涂料直接均勻涂布在金頭海鯛魚(yú)片的肌肉側(cè)，并單獨(dú)使用真空包裝，然后放在帶有片冰(質(zhì)量比1∶1)的聚苯乙烯盒中，2～4 ℃冷藏24 d。研究結(jié)果表明，該涂料可以有效地保持真空包裝魚(yú)片冷藏期間的質(zhì)量，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，抑制pH的升高等，同時(shí)，所有有益影響都對(duì)殼聚糖劑量有依賴性，劑量最高的效果更好。DUMAN等[56]將適量的蜂膠水提取物用微移液管添加到魚(yú)片的表面，然后直接用手指對(duì)每個(gè)樣本輕輕按摩，與對(duì)照樣品相比，加入1 g/L蜂膠水提取物可延長(zhǎng)魚(yú)片的貨架期約6 d，而加入5 g/L蜂膠水提取物可顯著延長(zhǎng)魚(yú)片的貨架期約12 d。雖然目前有多種可供選擇的涂覆方式，但尚無(wú)關(guān)于不同的涂覆方式是否會(huì)對(duì)水產(chǎn)品保鮮效果產(chǎn)生不同影響的報(bào)道。

3.2.2 薄膜

可食性薄膜也是一種有效的保鮮包裝材料，可以直接包裹住需要保鮮的水產(chǎn)品，當(dāng)下研究最多的多糖類(lèi)薄膜是殼聚糖，包括單一殼聚糖和含有殼聚糖的復(fù)合保鮮劑，并且結(jié)合其他保鮮技術(shù)加以應(yīng)用。MERLO等[57]研究殼聚糖薄膜中加入粉胡椒渣提取物，并結(jié)合氣調(diào)包裝(100%CO2)處理去皮三文魚(yú)片。在 2 ℃ 下冷藏28 d的過(guò)程中，含有粉胡椒渣提取物的殼聚糖薄膜具有較高的抗菌活性，有效地減少了菌落總數(shù),控制風(fēng)味，較好地保持三文魚(yú)魚(yú)片的冷藏質(zhì)量。

可食性涂膜和薄膜在生產(chǎn)工藝上有著細(xì)微的差別，其保鮮效果是否亦存在差異也引起了某些學(xué)者的關(guān)注。VASCONEZ等[58]研究了殼聚糖的抗菌作用與應(yīng)用工藝的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)殼聚糖在涂膜溶液中的作用大于在固體膜基質(zhì)中的作用，將三文魚(yú)用1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))殼聚糖溶液處理保存3 d后有氧嗜溫細(xì)菌和嗜酸性細(xì)菌分別達(dá)到4 lgCFU/cm2和4.5 lgCFU/cm2，而且山梨酸鉀、木薯淀粉或兩者對(duì)殼聚糖的抑菌效果均有拮抗作用。

4 展望

天然多糖作為一種高效環(huán)保的保鮮劑，未來(lái)在水產(chǎn)品保鮮方面有廣闊的應(yīng)用前景。但目前在水產(chǎn)品冷藏保鮮中有以下幾個(gè)方面仍需提升：(1)除了殼聚糖、海藻酸鈉、普魯蘭多糖等，更多安全無(wú)毒、綠色健康的天然多糖待開(kāi)發(fā)并應(yīng)用到水產(chǎn)品冷藏保鮮中，并且與其他保鮮劑復(fù)合是一種比較理想的選擇；(2)天然多糖對(duì)不同微生物種類(lèi)的抑菌和抑制酶活性方面的作用機(jī)制尚不明確；(3)有研究表明天然多糖的理化性質(zhì)也是保鮮效果的影響因素之一，但在使用時(shí)其濃度、粒徑、分子質(zhì)量等參數(shù)參差不齊，缺少最佳范圍的研究；(4)可以將天然多糖保鮮劑與電解水冰、氣調(diào)包裝等其他保鮮方式結(jié)合，利用多個(gè)柵欄因子之間的相互作用來(lái)提高水產(chǎn)品質(zhì)量和保鮮技術(shù)水平。