非熱殺菌技術在水產品保鮮中的應用研究進展

郁佳怡，錢韻芳,2,*

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306）

水產品通常是指來源于水環(huán)境（包括海水和淡水）并且可以通過捕撈或養(yǎng)殖手段獲得的，可以供人們食用的各種鮮活魚、蝦、蟹、貝、頭足類、藻類等水產動植物產品及其初級加工產品的總稱。近年來，隨著人們物質生活水平的大幅提高，我國逐漸成為世界上重要的水產品生產、消費和出口大國。然而，水產品的高營養(yǎng)價值同時也是其容易發(fā)生腐敗變質的原因。這主要與新鮮水產品肌肉中水分、蛋白質和不飽和脂肪酸含量較高有關。水產品的腐敗變質會導致其營養(yǎng)和經濟價值的大幅降低，甚至可能會引發(fā)食品安全問題。

為延長水產品的貨架期，一些傳統(tǒng)的保鮮方法，如腌漬、干制、煙熏等，早已被開發(fā)并得到廣泛應用。然而，傳統(tǒng)保鮮方法往往使用高鹽、高溫加熱、煙熏等處理手段，容易使水產品發(fā)生蛋白質變性，并伴隨一些其他的化學變化和反應，可能會帶來新的食用安全與營養(yǎng)健康問題。為了滿足廣大消費者對水產品高品質的追求，非熱殺菌技術成為近年來的研究熱點。因此，本文綜述水產品貯藏過程中微生物的種類、分布、特點及危害，同時介紹超高壓（high hydrostatic pressure，HHP）、高密度二氧化碳（dense phase carbon dioxide，DPCD）、輻照、低溫等離子體（cold plasma，CP）、高壓靜電場（high-voltage electrostatic field，HVEF）、臭氧及酸性電解水等非熱殺菌技術的作用機理、特點及其在水產品保鮮加工中的應用進展，并對它們在水產品貯藏保鮮與加工中的未來發(fā)展趨勢進行展望，以期為水產品非熱殺菌保鮮技術的開發(fā)提供參考。

1 水產品中的微生物

1.1 特定腐敗菌

水產品腐敗主要原因之一是某些致腐微生物在生長繁殖、代謝過程中會分解水產品蛋白質等營養(yǎng)物質，產生如胺、硫化物、醛、酮、酯等腐敗化合物，與此同時還伴有明顯的異味及腐臭味，使得水產品的可接受度大大降低。特定腐敗菌（specific spoilage organism，SSO）在水產品貯藏前期微生物菌群中數(shù)量上并不突出，但隨時間的延長，SSO的生長速率明顯快于其他菌，同時其代謝產物具有致腐活性，在腐敗過程中占據(jù)主導地位并最終導致感官上不可接受，降低其商品價值。

水產品中的SSO種類十分豐富，但由于不同水產品的品種、產地、加工處理方式、貯藏條件等不同，SSO的分布和數(shù)量也會受到一定影響。有關文獻報道，新鮮水產品在未冷藏條件下SSO為弧菌科（Vibrionaceae），在有氧冷藏條件下假單胞菌屬（spp.）和腐敗希瓦氏菌（）是最為常見的SSO；水產品在真空冷藏條件下或經氣調包裝處理后腸桿菌科（Enterobacteriaceae）、磷發(fā)光桿菌（）和乳桿菌（）為常見的SSO；魚、貝類及甲殼類鮮品中以腐敗希瓦氏菌、磷發(fā)光桿菌、熱殺索絲菌（）為常見的SSO。

1.2 致病微生物

水產品中的致病微生物因其可導致嚴重的食源性疾病而受到關注。水產品中的致病微生物主要可分為3 類，分別為：來自水環(huán)境的細菌，如單增李斯特菌（）、副溶血性弧菌（）；來自動物或人類糞便的細菌，如大腸桿菌（）、沙門氏菌屬（spp.）、金黃色葡萄球菌（）；以及海洋病毒，如牡蠣中常見的諾如病毒。這些致病微生物極大影響著水產品的安全，當人們食用了帶有致病菌的水產品后，會引起一系列疾病的產生，如急性腸胃炎、腹瀉、頭疼、發(fā)燒、全身乏力、惡心嘔吐、敗血癥和痢疾等，對人體健康產生極大危害。

2 非熱殺菌技術的原理及在水產品中的應用

2.1 HHP技術

HHP技術與傳統(tǒng)的熱加工方法相比，應用于制冷、環(huán)境或適度加熱的HHP為食品加工提供了許多優(yōu)勢，它可以滅活致病菌和腐敗菌，而食品顏色、質地和風味的變化較小。HHP技術將食品密封在高壓容器中，以水或其他液體為傳壓介質，通過施加一定的壓力（100～1 000 MPa）進行一定時間的處理，使微生物細胞的形態(tài)結構發(fā)生改變，造成細胞膜損傷，導致細胞內容物泄漏、遺傳物質復制停止、酶不可逆失活，進而引起微生物死亡，其抑菌機制示意圖見圖1。

圖1 HHP技術抑菌機制示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the sterilization mechanism of HHP

針對HHP技術在水產品保鮮方面的應用效果，科研人員做了許多探索。梁山泉等研究HHP處理對太平洋牡蠣（）腸道菌群的影響，發(fā)現(xiàn)100 MPa保壓5 min能顯著降低致病菌的相對豐度，HHP處理不僅能夠降低太平洋牡蠣腸道內菌群的總量及多樣性，還能夠有效殺滅如交替假單胞菌屬（）和希瓦氏菌屬等常見的腐敗微生物，從而延緩牡蠣的腐敗，延長牡蠣的貯藏時間。王曉謙等研究HHP殺菌處理和熱處理對新鮮香港牡蠣肉品質的影響，發(fā)現(xiàn)相比熱處理，HHP殺菌能夠使牡蠣的基本營養(yǎng)成分得到較好的保留，并維持較好的組織顏色，但HHP壓縮了牡蠣的體積，使組織結構更緊密，促進了蛋白質的相互作用，引起蛋白質變性。有研究評估了HHP處理對銀鮭魚和鮑魚在4 ℃冷藏期間的微生物繁殖和延長保質期的影響，結果表明，對鮭魚施加壓力（170～200 MPa、30 s）并不能殺死微生物，而是抑制其增殖；另外與對照樣品30 d的保質期相比，該技術可提高鮑魚的保鮮期（＞65 d），證明HHP處理結合冷藏會影響鮭魚和鮑魚的微生物組成和品質。

上述研究表明，不同條件的HHP對水產品的作用效果隨產品種類、化學組成及生物學特性等因素的不同而不同，另外，目前關于HHP對水產品中維生素和微量元素影響的研究較少。因此有必要針對不同的水產品進行適用性研究，優(yōu)化壓力水平、保壓時間和保壓溫度等處理條件，在延長水產品貨架期的同時盡可能降低營養(yǎng)損失。

2.2 DPCD技術

DPCD殺菌技術借助二氧化碳本身的抑菌活性，在高壓的協(xié)同作用下，起到殺菌效果。DPCD殺菌技術是基于超臨界二氧化碳的性質而發(fā)展起來的，超臨界狀態(tài)下的二氧化碳具有液體和氣體兩方面的特性，黏度低而擴散能力強，要使二氧化碳達到超臨界狀態(tài)，溫度需要超過31.1 ℃，壓力需要高于7.38 MPa。因此，DPCD殺菌的基本原理可概括為利用高密度的二氧化碳處理置于密封裝置內的食品，使食品處于高酸環(huán)境中，二氧化碳滲透入細胞內，減壓時二氧化碳急劇膨脹導致細胞內容物泄漏；同時借助溫度和壓力殺滅腐敗菌和致病菌，并且可以使某些酶失活，從而延長食品的貨架期，其抑菌機制示意圖見圖2。

圖2 DPCD技術抑菌機制示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the sterilization mechanismof DPCD

Ji Hongwu等研究DPCD處理對凡納濱對蝦微生物的滅活作用，并利用神經網絡優(yōu)化微生物滅活的工藝參數(shù)，結果表明，DPCD處理對蝦體內的微生物有顯著殺菌作用，滅活效果隨著壓力、溫度和暴露時間的增加而增強，溫度是影響蝦微生物滅活的最重要因素。DPCD處理同時也會對水產品蛋白質的凝膠特性產生影響。李茹等運用響應面分析法探討DPCD相對于熱處理對于誘導金鯧魚魚糜凝膠形成的影響，結果發(fā)現(xiàn)，DPCD誘導相比熱誘導形成的魚糜凝膠具有更好的持水能力和更高的凝膠強度。該凝膠特性的改變可能與肌球蛋白的-螺旋、-折疊、-轉角和無規(guī)卷曲空間結構改變有關。

DPCD相比傳統(tǒng)的熱處理及以上提及的HHP殺菌有無氧、溫度低的優(yōu)點，因此能夠較好保留食品中如維生素等對熱、氧敏感的成分；另外，由于壓力較低，操作中更易實現(xiàn)，更能節(jié)省成本。但目前DPCD應用的對象主要還是集中于液體食品，如果汁、糖漿等；而在水產品等固體食品中的應用研究還較少。

2.3 輻照技術

輻照技術是利用放射性同位素Cs、Co發(fā)出的γ射線或是高能電子束，通過將食品暴露于對食源性病原微生物有致命影響的電離輻射來控制腐敗，從而保障食品的安全并延長其保質期的一種非熱殺菌技術。輻照殺菌的作用原理是由于射線會間接或直接產生一些化學效應，阻礙微生物細胞的生命活動，導致細胞凋亡，直接效應是高能電子束照射微生物細胞，引起細胞發(fā)生輻射誘變，影響DNA合成，干擾細胞生命活動；間接效應是水分發(fā)生電離，形成H·、·OH、HO·等自由基，與細胞內其他物質發(fā)生化學作用，使細胞受損，喪失生理機能，其抑菌機制示意圖見圖3。

圖3 輻照技術抑菌機制示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the sterilization mechanism of irradiation

Annamalai等研究0、2.5、5.0、7.5、10.0 kGy輻照對真空包裝去頭南美白對蝦2 ℃冷藏品質的影響，輻照樣品中熱殺索絲菌和乳酸菌數(shù)量顯著降低（＜0.05），并且輻照組樣品依照劑量水平保質期延長15～23 d。戚文元等研究發(fā)現(xiàn)，采用4 kGy及以上劑量的輻照能夠有效殺滅羅非魚片中沙門氏菌、金黃色葡萄球菌及副溶血性弧菌。張晗等研究表明，3～5 kGy的輻照處理是降低鱸魚肉菌落總數(shù)的最合適且有效的劑量，延緩鱸魚肉總揮發(fā)性鹽基氮（total volatile base nitrogen，TVB-N）含量的升高，并有效將鱸魚肉的貨架期延長6～10 d。

輻照殺菌相比傳統(tǒng)的保鮮手段具有射線穿透力強、殺菌效果好、熱敏性營養(yǎng)成分不易流失、無殘留等優(yōu)點。 但另一方面，消費者擔心輻照的安全性問題，以及產生的特殊“輻照味”在一定程度上制約了其應用。因此，未來還需要繼續(xù)完善相應的法律法規(guī)及標準，以擴大該技術的發(fā)展前景。

2.4 CP技術

CP是物質常見固、液、氣態(tài)之外的第4態(tài)，是中性氣體在擊穿電壓下產生大量的正負帶電粒子、中性粒子、電子、自由基組成的一種準中性氣體。CP中被激活的化學物質可以在環(huán)境溫度下對微生物迅速起作用，而不會留下任何已知的化學殘留物。關于該技術的作用機制還不明確，有研究提出了3 種可能性：通過破壞肽聚糖層導致細菌細胞壁損傷；靜電張力引起細胞膜穿孔，導致內容物泄漏；活性成分，如活性氧的氧化作用引起DNA損傷。

水產品是一類營養(yǎng)豐富、易腐敗又對溫度敏感的食品原料，CP處理在加工與保鮮中可以作為一種合適的干預手段，用來提高產品安全性并延長保質期。Chen Jing等研究采用介質阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD） 產生CP對改善鮐魚品質的效果，結果表明，該處理的最佳電壓水平和暴露時間分別為60 kV和60 s；菌落總數(shù)、感官評分和TVB-N含量的變化表明，CP處理可使鰱魚的貨架期延長至14 d，而未經CP處理的樣品貯藏6 d后上述3 個指標均超過限值。Choi等研究DBD-CP對接種于黑嘴鮟鱇魚表面的金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌的影響，用DBD-CP處理1、5、10、20、30 min的魚片上金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌的數(shù)量分別減少0.10～1.03、0.14～1.06（lg（CFU/g）），30 min的DBD-CP 處理能使金黃色葡萄球菌和蠟樣芽胞桿菌數(shù)量減少90%以上。在食品加工或保鮮過程中，食品內源酶對食品的色澤、質地和風味有一定的影響。Zouelm等研究CP對南美白對蝦冷藏品質的影響，結果表明，CP處理可有效降低多酚氧化酶的相對酶活性，延長CP處理至150 s可使酶活性降低50%。

CP技術是一種新興、經濟、環(huán)境友好的殺菌技術，在食品和生物加工行業(yè)具有潛在的應用前景，然而，當活性氧作為等離子體放電產生的成分存在時，可能會導致食品品質下降，如活性氧包含的單線態(tài)氧具有很強的活性，其誘導的脂質氧化最終會影響食品的可接受性和保質期。

2.5 HVEF技術

HVEF技術最早得到應用的領域是果蔬保鮮，具有較好的保鮮效果，目前其得到廣泛認同的作用機制主要有3 種：靜電場通過改變跨膜電位來影響生理代謝；靜電場通過影響生物體內部呼吸系統(tǒng)的電子傳遞體來減緩生物體內氧化還原反應；靜電場引起生物體內部水分共振，導致水分結構及其與酶結合狀態(tài)改變使其失活。

研究人員對于該技術在水產品保鮮領域做了許多嘗試與探索。Huang Han等研究HVEF對鯰魚片微生物群落和品質特性的影響，經30 kV HVEF處理15 min的魚片貨架期比對照組延長2 d，且組織損傷較少，高通量測序結果表明，HVEF處理主要抑制了貯藏7 d后腐敗菌（不動桿菌和鏈球菌）的生長。Li Dapeng等研究發(fā)現(xiàn)，在-12 kV HVEF處理下，淡腌冷凍鯉魚腺苷一磷酸脫氨酶活性增強，酸性磷酸酶活性降低，這延緩了一磷酸肌苷到次黃嘌呤的降解。Bai Yaxiang等研究發(fā)現(xiàn)，與空氣解凍相比，HVEF輔助解凍的南美白對蝦能夠縮短解凍時間，并且解凍后的蝦汁液流失、細菌數(shù)量、TVB-N含量等指標都更低，為提高水產品的解凍質量提供了新的思路。

近年來，與HVEF技術類似，也有研究者將低壓靜電場應用于水產品的保鮮，如藍點馬鮫、凡納濱對蝦、 脊腹褐蝦及竹節(jié)蝦，也都抑制了菌落總數(shù)的增長，維持了產品鮮度，取得了較好的保鮮效果。

2.6 臭氧技術

臭氧是一種強氧化劑和有效的消毒劑，可以有效殺滅革蘭氏陽性菌及革蘭氏陰性菌等微生物，并迅速分解為氧氣，安全、環(huán)保。臭氧的滅菌機制主要有三方面：1）臭氧可以增加細胞膜通透性，導致細胞膜破裂，細胞死亡；2）臭氧可以使維持細胞生理代謝功能的酶失活；3）臭氧可以通過直接破壞遺傳物質來促使微生物細胞凋亡。

關于臭氧殺菌在水產品保鮮中的應用，國內外科研人員做了相應的探索。de Mendon?a Silva等研究臭氧水對羅非魚片微生物的殺滅效果，證明臭氧水能有效減少微生物并保持羅非魚片質量。Aponte等通過對鲆魚（）貯藏12 d的品質進行監(jiān)測，研究表明，臭氧處理能夠將鲆魚的保質期延長至1 周。Liu Cikun等用3、5、7、10 mg/L臭氧水處理草魚魚糜，發(fā)現(xiàn)臭氧水處理組的白度值高于對照組，表明臭氧水漂洗可以改善草魚魚糜的感官品質，是改善淡水魚糜色澤的一種有效方法。

臭氧具有分解速率快，在食品保鮮過程中殘留效應小的優(yōu)點，是食品工業(yè)急需的防腐劑替代品，其氧化能力僅次于單質氟，不過當臭氧的濃度過高時，會對人體產生傷害，使用過程中需要控制其濃度。

2.7 酸性電解水技術

酸性電解水是具有一定酸性、氧化還原電位（oxidation reduction potential，ORP）及有效氯含量（available chlorine concentration，ACC）并有一定殺菌能力的酸性水溶液，是由鹽水在電場作用下電解制備而成的。因其具有制備方便、成本低、高效、安全等諸多優(yōu)點，已經在蔬果保鮮、食品加工、農業(yè)養(yǎng)殖等諸多領域得到了較為廣泛的應用。關于酸性電解水的抑菌保鮮機理，目前的研究提出了2 種理論：1）認為低pH值（＜2.7）和高ORP（＞1 000 mV）能夠通過改變細胞膜通透性以及干擾RNA合成達到滅菌的目的；2）認為ACC能夠破壞維持細胞正常生理功能的組成成分，具有抑制細胞活性的作用。

Zhao Li等研究發(fā)現(xiàn)，酸性電解水冰明顯抑制了南美白對蝦肌纖維蛋白降解，以及嗜冷桿菌屬、希瓦氏菌屬和黃桿菌屬等腐敗菌的生長。Wang Meng等研究酸性電解水冰對對蝦的理化、微生物學、肌漿蛋白和酶活性的影響，初步探討酸性電解水冰提高蝦品質和安全性的機理。結果表明，與自來水冰相比，酸性電解水冰對對蝦的pH值變化、肌纖維收縮及多酚氧化酶有顯著抑制作用（＜0.05）。Lin Ting等研究酸性電解水冰對南美白對蝦的保鮮效果，發(fā)現(xiàn)與自來水冰相比，酸性電解水冰顯著延緩了色差變化和TVB-N的形成（＜0.05），此外，酸性電解水冰對生蝦上的細菌生長有抑制作用，貯藏6 d時和自來水冰相比，菌落總數(shù)的最大減少量在 1.0（lg（CFU/g））以上。

酸性電解水雖然有許多優(yōu)點，但較高ACC與較低的pH值不可避免地會對加工設備造成一定程度的腐蝕，且有對水產品原料的外觀產生負面影響的可能性，因此，近年來進一步對微酸性電解水、中性電解水與堿性電解水的探索逐漸增多，以期能夠同時保證水產品的安全及良好的品質。

3 結 語

綜上所述，非熱殺菌技術近年來發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)熱殺菌方法相比其有著諸多優(yōu)點，如能夠更好地保持水產品質地、色澤、延緩水產品中微生物的繁殖、延長貨架期等，因而受到消費者的青睞，并成為研究熱點。本文就水產品非熱殺菌技術的發(fā)展趨勢展望如下：1）非熱殺菌技術的抑菌機理研究仍處于探索階段，還有待進一步研究；2）非熱殺菌技術作為一種新型食品保鮮方式，還需要關注其安全性，包括但不限于其直接對水產品本身產生的影響，或是作用于食品包裝間接對水產品的安全造成影響；3）由于不同水產品本身原料特性、營養(yǎng)成分、質地及口感都具有較大差異，因此有必要針對不同水產品進行工藝參數(shù)的優(yōu)化研究，甚至裝備的研發(fā)升級，以提高產品的品質和生產產能。