發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺控制技術研究進展

班雨函，朱明坤，董晶晶，孫紀錄

（1.河北農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，河北 保定 071000；2.張家口市水產(chǎn)技術推廣站，河北 張家口 075000）

發(fā)酵水產(chǎn)品是水產(chǎn)品經(jīng)過發(fā)酵，借助自身或環(huán)境中的微生物，發(fā)酵成具有獨特風味的醬、汁等調(diào)味料，如魚露、蝦醬、蟹醬等產(chǎn)品；或是為了延長保質(zhì)期，對水產(chǎn)品進行發(fā)酵或腌漬，制成的水產(chǎn)風味食品如中國的腌制魚等制品。發(fā)酵水產(chǎn)品因其風味鮮美、口感獨特和豐富的營養(yǎng)價值，深受各國沿海地區(qū)人民的喜愛。發(fā)酵水產(chǎn)品其原料中富含蛋白質(zhì)，在發(fā)酵過程中，微生物的不良代謝會產(chǎn)生有害物質(zhì)。水產(chǎn)品中蛋白質(zhì)經(jīng)過微生物分解形成氨基酸和其他風味物質(zhì)，游離氨基酸在微生物作用下發(fā)生脫羧反應，產(chǎn)生生物胺。生物胺是一種廣泛存在于發(fā)酵水產(chǎn)品中的小分子含氮物質(zhì)[1]。攝入少量的生物胺對人體無害，但是攝入過量的生物胺會對人體造成一定的損害。根據(jù)報道，各國因食用發(fā)酵水產(chǎn)品而引起食物中毒事件中，因生物胺導致中毒的案例占比較高且發(fā)生頻繁[2-4]。本文對國內(nèi)外發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的危害、形成機制、影響因素以及控制方法進行綜述，為未來靶向調(diào)控水產(chǎn)品中的生物胺提供理論基礎。

1 發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的分類及危害

1.1 生物胺的分類

生物胺是一類具有生物活性的小分子含氮物質(zhì)的總稱，在發(fā)酵水產(chǎn)品中大量存在，常見的生物胺有組胺、酪胺、腐胺、尸胺、色胺、苯乙胺、亞精胺和精胺。根據(jù)其化學結構不同，可以分為脂肪胺（尸胺、腐胺、亞精胺和精胺）、芳香胺（苯乙胺和色胺）、雜環(huán)胺（組胺和酪胺）[5]。根據(jù)產(chǎn)生途徑不同，可以分成內(nèi)源性生物胺和外源性生物胺，內(nèi)源性生物胺主要由原料自身代謝產(chǎn)生[6]，而且在其中承擔部分生命活動，這種途徑主要存在食品原料中。外源性生物胺是在微生物作用下產(chǎn)生的，由于水產(chǎn)品中蛋白質(zhì)含量較高，因此發(fā)酵水產(chǎn)品中的生物胺主要是外源性生物胺。根據(jù)所含氨基數(shù)量的多少，可以分為單胺（酪胺、腐胺、尸胺、色胺和苯乙胺等）和多胺（精胺、亞精胺）。

生物體內(nèi)存在的適量生物胺，能維持機體細胞的正常生理功能。生物胺有調(diào)節(jié)DNA、RNA、蛋白質(zhì)以及膜成分等多種分子的相互結合作用，利用靜電反應維持生物膜的穩(wěn)定性作用[7]。脂肪胺是生物體內(nèi)細胞的重要組成部分，在維持生物膜的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)遺傳物質(zhì)和蛋白質(zhì)方面起著重要的作用。單胺有調(diào)節(jié)血管、肌肉緊張度的作用，如色胺和酪胺能升高血壓，苯乙胺有調(diào)節(jié)去甲腎上腺素的作用，也能起到升高血壓的功效[8]。組胺能充當神經(jīng)遞質(zhì)，參與機體的免疫反應，調(diào)節(jié)腸道生理功能，參與炎癥反應[9]，同時，組胺也能調(diào)節(jié)血液中白細胞的數(shù)量，可作為神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)揮功能[10]。生物胺也是機體內(nèi)生物活性物質(zhì)的前體物質(zhì)，因此，攝入適量的生物胺有維持機體細胞穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)血壓、增強新陳代謝、增強免疫力等益處。

1.2 生物胺的危害

攝入過量的生物胺，會使人體機能紊亂，產(chǎn)生中毒反應，輕則會產(chǎn)生類似過敏癥狀，重則會導致組織細胞發(fā)生病變甚至死亡。組胺是所有生物胺中毒性最強的胺類，它可以和細胞膜上的受體結合，對機體產(chǎn)生神經(jīng)毒性，使機體產(chǎn)生嘔吐、心悸、呼吸紊亂、血壓異常等不良反應[11]。酪胺的毒性次之，但攝入過量也會引起神經(jīng)退行疾病和偏頭痛等反應。同時，有研究發(fā)現(xiàn)，酪胺還是動物體內(nèi)致突變的前體物質(zhì)[12]；尸胺和腐胺相較而言，毒性較弱，但它們能有效抑制其他胺類降解酶的活性，可能會導致總胺含量升高，從而增加生物胺的毒性和中毒風險[13-15]。

不同國家對食品中生物胺規(guī)定的限量標準有所不同。如美國規(guī)定水產(chǎn)品中組胺含量不得超過50mg/kg[16]；歐盟規(guī)定食品中組胺含量不得超過100 mg/kg，酪胺含量不得超過100 mg/kg～800 mg/kg[17]；我國規(guī)定高組胺魚類（沙丁魚、鮐魚和鯖魚等青皮紅肉海水魚）含量不得超過400 mg/kg，其他海產(chǎn)魚類中組胺含量不超過200 mg/kg[18]。但有些發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的含量會超出限量標準，Jiang等[19]檢測了35種發(fā)酵魚露樣品中生物胺的含量，并且在魚露樣品中發(fā)現(xiàn)了腐胺、尸胺和組胺等8種生物胺。一些樣品顯示總胺、組胺和酪胺的含量超出了安全限量標準。Park等[20]研究發(fā)酵蔬菜和發(fā)酵海產(chǎn)品生物胺含量，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵海產(chǎn)品中的組胺含量超出了組胺限量標準，這可能會給人體健康造成嚴重的影響。有必要擴大對生物胺的限量標準范圍，涵蓋更多的食品種類，對不同種類發(fā)酵水產(chǎn)品進行質(zhì)量監(jiān)測，保證發(fā)酵水產(chǎn)品的安全性。

2 發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的形成機制

生物胺的形成機制是研究生物胺控制技術的重要理論基礎。生物胺主要有兩個形成途徑：一是微生物產(chǎn)生的脫羧酶或脫亞胺酶催化游離氨基酸發(fā)生脫羧反應，去除氨基酸上的羧基形成相應的生物胺和CO2；二是轉(zhuǎn)氨基作用或醛酮類化合物發(fā)生氨基化[21]，常見生物胺的形成過程見圖1。

圖1 常見生物胺的形成過程Fig.1 The formation process of biogenic amines

發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺形成的最主要途徑是脫羧反應。發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的合成過程大致如下：游離氨基酸經(jīng)逆向轉(zhuǎn)運蛋白從細胞外運送至細胞內(nèi)后，由氨基酸脫羧酶利用催化脫去羧基，生成相應的生物胺，生成的生物胺再由轉(zhuǎn)運蛋白輸送到細胞外[6]。脫羧酶基因的菌株是生物胺產(chǎn)生的必要條件。VAN DER VEKEN 等[22]在葡萄球菌屬（Staphylococcus）和四聯(lián)球菌屬（Tetragenococcus）中發(fā)現(xiàn)了酪氨酸脫羧酶和組氨酸脫羧酶的基因編碼和轉(zhuǎn)錄表達，這些脫羧酶基因與反向轉(zhuǎn)運蛋白酶基因以及相應的氨基酸t(yī)RNA合成酶基因，轉(zhuǎn)錄表達成氨基酸脫羧酶，從而參與發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的形成。總體來說，生物胺的形成一般要符合以下3個要素：1）游離氨基酸（作為生物胺的前體物質(zhì)）；2）存在產(chǎn)氨基酸脫羧酶或脫亞胺酶的微生物；3）適宜產(chǎn)胺微生物生長的發(fā)酵環(huán)境[23]。

生物胺是一種堿性物質(zhì)，可用來維持細胞內(nèi)的酸堿平衡，此外生物胺的形成也能將凈正電荷傳遞到細胞外，為細胞補充能量，維持電荷平衡。由此可見，生物胺的產(chǎn)生是一種細胞在危害條件下的初級代謝[24-26]。有相關研究表明[27-28]，脫羧酶活性與細胞生存能力無關，即使產(chǎn)生脫羧酶的細胞裂解后，脫羧酶也極能抵抗惡劣的環(huán)境條件?？梢酝ㄟ^抑制微生物和酶的活性，來抑制游離氨基酸的形成或抑制脫羧反應，從而有效抑制生物胺的產(chǎn)生和積累。

3 發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺形成的影響因素

3.1 發(fā)酵水產(chǎn)品原料

原料對生物胺的形成存在一定的影響，水產(chǎn)品中的食品基質(zhì)會影響生物胺的形成，因為水產(chǎn)品中存在大量的水溶性蛋白，在發(fā)酵過程中，易被內(nèi)源性蛋白酶和環(huán)境中蛋白酶分解成氨基酸[29]。游離氨基酸不僅是生物胺的前體物質(zhì)，而且是微生物生長繁殖的重要能源物質(zhì)。Wang等[30]探究大黃魚中生物胺與游離氨基酸的關系，研究發(fā)現(xiàn)，大黃魚蛋白質(zhì)水解程度和腐胺、尸胺含量呈顯著正相關。不同水產(chǎn)品中游離氨基酸的種類和含量有所不同，因此，不同原料生產(chǎn)的發(fā)酵水產(chǎn)品中，產(chǎn)生的生物胺種類和數(shù)量有所不同。其中，沙丁魚、鮐魚和鯖魚等青皮紅肉海水魚等魚類體內(nèi)含有較多游離的組氨酸，因此，以這些魚類為原料的發(fā)酵水產(chǎn)品會極易產(chǎn)生生物胺[31]。Dabadé等[14]檢測了比利時市售發(fā)酵產(chǎn)品，分析游離氨基酸與生物胺的關系，排除環(huán)境因素的影響，發(fā)現(xiàn)游離氨基酸與生物胺的生成之間存在正相關。因此，研究發(fā)酵水產(chǎn)品中游離氨基酸的組成，能有效分析最終發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的組成，從而開發(fā)更有針對性的控制手段。

3.2 發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的產(chǎn)生菌

發(fā)酵水產(chǎn)品中的生物胺小部分源于水產(chǎn)品原料，大部分是在發(fā)酵過程中微生物催化產(chǎn)生的。發(fā)酵水產(chǎn)品中的生物胺主要是脫羧酶產(chǎn)生的，這些微生物存在于原料和發(fā)酵環(huán)境中，微生物在生物胺的形成過程中起著決定性作用。但由于發(fā)酵水產(chǎn)品生產(chǎn)過程中受到各種因素的影響，導致不同種類發(fā)酵水產(chǎn)品中占主導地位的生物胺產(chǎn)生菌種類不同。發(fā)酵水產(chǎn)品中許多優(yōu)勢菌株都有產(chǎn)胺能力，如吳佳佳等[32]發(fā)現(xiàn)腐生葡萄球菌菌株是咸鰳魚中生物胺的主要生產(chǎn)者。許多不同類型的菌株可能會產(chǎn)生同類生物胺，同一菌株也可能存在不同的脫羧酶基因，從而產(chǎn)生不同的生物胺。Kim等[33]用宏基因組分析韓國醬油中產(chǎn)胺微生物的脫羧酶序列，發(fā)現(xiàn)腸球菌、芽孢桿菌、四聯(lián)球菌屬和葡萄球菌屬在不同的發(fā)酵階段表現(xiàn)出不同的產(chǎn)胺酶基因表達量，這為研究控制生物胺方法提供了理論支持。

3.3 發(fā)酵水產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝

發(fā)酵水產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝主要是利用環(huán)境中的微生物進行發(fā)酵，所以發(fā)酵條件如發(fā)酵原料、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、pH值等工藝參數(shù)，發(fā)酵過程中發(fā)酵劑的添加，對微生物的生長繁殖都會產(chǎn)生影響，進而會影響產(chǎn)品中生物胺的產(chǎn)生。適宜的溫度和pH值會促進發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的產(chǎn)生和積累。Landete等[34]認為氨基酸脫羧酶在酸性環(huán)境下具有較高活性，因此在低pH值條件下，會促進游離氨基酸轉(zhuǎn)變成生物胺的脫羧反應。20℃～37℃是多數(shù)含脫羧酶細菌生長的最適溫度，較高溫度會提高蛋白質(zhì)水解酶和氨基酸脫羧酶活性，低溫下產(chǎn)生物胺微生物生長能力和產(chǎn)生物胺活性會受到抑制，Lei等[35]研究結果顯示，所有干發(fā)酵香腸在20℃條件下貯藏過程中色胺、腐胺、尸胺、組胺和酪胺含量均增加，且20℃貯藏42 d后發(fā)酵香腸中生物胺的含量明顯高于4℃貯藏樣本中生物胺的含量。優(yōu)化改善不同發(fā)酵水產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，對靶向監(jiān)控生物胺的形成有重要意義。

4 發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的控制方法

要保證發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的安全性，研究生物胺的控制技術尤為重要。但生物胺具有熱穩(wěn)定性強和不易揮發(fā)的特點，通常都是采用抑制發(fā)酵水產(chǎn)品中微生物和酶的活性，來控制生物胺的產(chǎn)生。根據(jù)處理方式的不同，可以將減少生物胺的方法分成物理法、化學法和生物法3種。物理法主要是通過調(diào)節(jié)儲藏溫度[36]、輻照[37]和高壓[38]等物理方法來抑制生物胺產(chǎn)生菌產(chǎn)生脫羧酶或抑制產(chǎn)胺酶的酶活性，從而抑制生物胺的產(chǎn)生；化學法主要是通過在食品中添加化合物或者植源性天然產(chǎn)物，來破壞生物胺產(chǎn)生菌的細胞結構，但是合成化合物對人體健康存在安全威脅，因此研究者大多研究植源性天然產(chǎn)物的抑制作用；生物法主要是通過接種產(chǎn)生物胺降解酶的微生物作為發(fā)酵劑[39]，利用其產(chǎn)生的胺氧化酶或胺脫氫酶將生物胺降解成醛、氨和過氧化氫等低毒性產(chǎn)物，達到降解生物胺的目的。物理法和生物法對硬件設施和生產(chǎn)工藝控制有較高的要求，相較而言，化學法具有操作簡單、成本低、安全性高等優(yōu)點。

4.1 物理方法

物理法降低食品中生物胺，主要是改變發(fā)酵環(huán)境，如改變溫度、pH值、壓強、輻射處理等，能有效地抑制微生物的生物活性和氨基酸脫羧酶的酶活性，從而抑制生物胺的產(chǎn)生和積累。溫度變化會抑制微生物的活性，一般情況低溫能有效抑制生物胺的形成。孫項麗等[40]研究了不同貯藏溫度下鲅魚組胺含量的變化情況，發(fā)現(xiàn)低溫有助于減少鲅魚生物胺積累和維持鲅魚品質(zhì)。在發(fā)酵過程中調(diào)控溫度也能有效抑制生物胺的形成。Xu等[41]表明在低鹽發(fā)酵魚過程中，在發(fā)酵后期提高溫度，雖然促進了乳酸菌的生長，但是對葡萄球菌和腸桿菌的抑制作用更大，有效地抑制了生物胺的產(chǎn)生和積累，并且提高了低鹽發(fā)酵魚的品質(zhì)和風味。輻照和臭氧處理也能在一定條件下抑制生物胺的產(chǎn)生。Rabie等[42]的研究發(fā)現(xiàn)，用γ射線處理埃及發(fā)酵香腸，輻射處理降低了總胺和組胺的含量。Wójciak等[43]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理能顯著抑制干發(fā)酵牛肉產(chǎn)品中生物胺（尸胺、組胺、酪胺和腐胺）的形成，并且對發(fā)酵過程中乳酸菌的生長影響不大。用超高靜水壓處理可以鈍化脫羧酶的活性，從而抑制生物胺的形成。Humaid等[44]的研究中指出，龍蝦尾在經(jīng)過350 MPa高壓處理10 min后，微生物總量和生物胺含量顯著降低。產(chǎn)品包裝材料會影響生物胺的形成，尤其是發(fā)酵產(chǎn)品，成品中仍然存在大量的微生物，因此，包裝材料的選擇也會抑制生物胺產(chǎn)生菌的生物活性。Gardini等[45]研究發(fā)現(xiàn)氣調(diào)包裝能夠有效抑制食品中組胺、腐胺和尸胺的形成。

4.2 生物方法

發(fā)酵水產(chǎn)品中添加的發(fā)酵劑，一般是從食品基質(zhì)中篩選出來的具有胺降解酶活性的微生物，胺降解酶主要包括胺脫氫酶和胺氧化酶，胺脫氫酶可以將生物胺脫氨分解成乙醛和氨，但是胺脫氫酶去除生物胺的效果并不理想。胺氧化酶能將生物胺分解為醛和氨的氧化脫氨酶，分解的化學式為R-CH2NH2+O2+H2O→R-CHO+NH3+H2O2。向發(fā)酵水產(chǎn)品中添加外加發(fā)酵劑是一種降低產(chǎn)品中生物胺的有效措施。使用不產(chǎn)生脫羧酶的菌株作為發(fā)酵劑也是一種控制生物胺產(chǎn)生的方法。Kim等[46]從鳀魚醬中分離出嗜鹽四聯(lián)球菌MJ4（Tetragenococcus halophilus MJ4），且該菌株不攜帶產(chǎn)生物胺的基因。將此菌株作為發(fā)酵劑添加到泰國蝦醬（saeu-jeot）中，發(fā)現(xiàn)該菌株能有效抑制泰國蝦醬中生物胺的積累，尤其是尸胺。研究表明，在腌制魚發(fā)酵過程中使用MJ4菌株作為發(fā)酵劑，能有效抑制生物胺的形成。Zhao等[47]從中國大豆醬中分離到生物胺降解能力強的乳酸片球菌M28（Pediococcus acidilactici M28）和肉葡萄球菌（Staphylococcus carnosus M43）。發(fā)現(xiàn)乳酸片球菌M28能降解8種生物胺，肉葡萄球菌M43能降解發(fā)酵食品中常見的組胺和酪胺。在pH 5～7、氯化鈉質(zhì)量分數(shù)0%～9%、溫度30℃～40℃的條件下，乳酸片球菌M28和肉葡萄球菌M43對組胺、酪胺的降解效果最好。將其作為發(fā)酵劑應用于實驗室規(guī)模的豆醬發(fā)酵，不僅減少了發(fā)酵過程中生物胺的形成，而且產(chǎn)生了更多理想的風味物質(zhì)。結果表明，用乳酸片球菌M28和肉葡萄球菌M43作為豆醬發(fā)酵的發(fā)酵劑，是一種減少生物胺的有效方法。Kong等[48]使用清酒乳桿菌（Lactobacillus sakei KM5474）和植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum KM1450）作為發(fā)酵劑添加到泰國傳統(tǒng)發(fā)酵魚香腸中，結果表明，與未添加發(fā)酵劑和添加單一發(fā)酵劑的樣品相比，添加混合發(fā)酵劑能有效地抑制發(fā)酵魚香腸中的生物胺。胺降解酶產(chǎn)生菌的種類及來源見表1[49-54]。

表1 胺降解酶產(chǎn)生菌的種類及來源Table 1 The microorganisms producing amine-metabolizing enzymes and their origins

4.3 化學方法

化學方法主要是向發(fā)酵水產(chǎn)品中添加天然植物提取物、外源氨基酸等物質(zhì)。一些天然抗菌劑能作用于產(chǎn)胺微生物的細胞膜，會改變細胞膜的通透性[55]，導致微生物死亡，如酚類化合物中的羥基和雙鍵，可以通過結合酶的活性位點來改變細胞的代謝[56]。因此，添加單一或混合天然植物提取物能抑制產(chǎn)胺微生物的生長，能有效抑制生物胺的形成。Zhuang等[57]發(fā)現(xiàn)向鳙魚片中添加石榴皮提取物能有效抑制有害微生物的生物活性。香辛料中含有大量的活性物質(zhì)，如黃酮類、萜類、酚類等物質(zhì)，一般具有抗菌性，因此能削弱產(chǎn)生物胺微生物的生物活性。Jia等[58]研究發(fā)現(xiàn)，香辛料提取物對生物胺的積累有顯著的抑制作用，其中桂皮、茴香提取物的抑制效果最好，并將此方法成功應用到魚露的生產(chǎn)中。添加外源氨基酸物質(zhì)也是一種抑制生物胺形成的研究方向，于靖等[59]發(fā)現(xiàn)，向發(fā)酵蝦頭醬中添加甘氨酸，能抑制組氨酸脫羧酶活性，從而明顯抑制組胺生成，在提高產(chǎn)品安全性的同時優(yōu)化產(chǎn)品風味。其中甘氨酸添加量為4%時效果最優(yōu)，既能有效抑制組胺的生成，又能增強產(chǎn)品特征風味。添加天然植物提取物對降低生物胺的研究效果見表2。

表2 添加天然植物提取物對降低生物胺的研究效果Table 2 The research effect of adding natural plant extracts on reducing biogenic amines

5 結論

發(fā)酵水產(chǎn)品因其富含蛋白質(zhì)，在自然發(fā)酵過程中，水產(chǎn)品中的游離氨基酸受到微生物產(chǎn)生的脫羧酶作用，會產(chǎn)生大量的生物胺。發(fā)酵水產(chǎn)品中的生物胺含量遠高于其他食品。大量生物胺的產(chǎn)生會影響發(fā)酵水產(chǎn)品的安全性、營養(yǎng)性、感官性。但是許多國家對一些發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的限量沒有明確的標準。目前，生物胺的控制技術已有一定的發(fā)展，但大多數(shù)研究是控制單一因素的影響，還遠遠不夠。因此，可綜合多個控制方法更高效地控制發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的形成，深入研究發(fā)酵水產(chǎn)品中生物胺的形成機制，更加針對性地調(diào)節(jié)各種生物胺的形成因素，為對生物胺進行靶向調(diào)控奠定堅實的理論基礎。