蔡路昀,台瑞瑞,曹爱玲,周小敏,关荣发,张宇昊,赵元晖,励建荣,*
(1.生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,渤海大学食品科学与工程学院,辽宁锦州 121013;2.杭州海关,浙江杭州 310007;3.浙江兴业集团有限公司,浙江舟山 316101;4.中国计量大学生命科学学院,浙江杭州 201306;5.西南大学食品科学学院,重庆 400715;6.中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266100)
水产品富含丰富的优质蛋白质和氨基酸(如牛磺酸等)、不饱和脂肪酸(特别是DHA、EPA等)、无机盐、维生素等人体所需的营养物质。我国是水产品第一生产大国,多年来水产品的产量居于世界首位[1]。水产品相比于其他产品,除了营养价值高外,其水分含量也相当高。因此,为了更好地保证其质量,一般采用冷冻结合其他保藏手段进行贮藏,冷冻可以减缓水产品的劣变和病原体微生物的生长,降低大多数的生化反应速度,同时,也是各种食品贮藏手段中具有高度安全性的一种贮藏方法[2]。冷冻技术已被广泛用于保持水产品品质及其加工产品的感官质量和营养,约50%的加工海产品和21%的海产品,以冷冻产品的形式提供给市场[3]。
目前对于冷冻水产品的研究主要集中在冷冻前处理、新型的冷冻方式、贮藏时的温度变化及后续解冻方式等几个方面。冷冻前处理主要是采用新型保鲜剂,目前,以海洋水产品的天然抗冻蛋白、植物精油、多糖类等保鲜剂的研究为主,这种处理方式主要通过浸泡或者涂膜处理从而在贮藏过程中减缓品质劣变的发生。新型的冷冻技术如超声波、超高压等技术运用于水产品,以期达到改变在冻结过程中水的冻结方式来改善冰晶对肌肉结构的破坏,也有研究者探索不同贮藏温度对水产品的影响,发现速冻可以减小冰晶对肉质的损伤。同时,冷冻后的肉在加工前都需要进行解冻,肉在解冻时会发生氧化、细菌侵染等,所以加快解冻速度的同时,避免对肉的损害,很多研究采用了如超声波辅助解冻[4]、高压静电场解冻等新兴技术[5]。本文主要综述了水产品冷冻技术、影响水产品冷冻的因素、以及冷冻水产品品质保持技术的研究进展,旨在为将来进一步研究冷冻水产品贮藏提供充足的理论依据,促进水产冻品的发展,最终为人类提供更多品质优良的水产品。
食品中冻结的方式种类多样,传统的冷冻方式可通过冷却介质与食品的接触方式将其分为空气冻结法、间接接触冻结法和直接接触冻结法,这三种冻结方式在水产品的运用中也是最为普遍的方式。
空气冻结法主要是通过冷空气自然对流或者强制对流方式和产品进行热量交换,以空气作为冷冻介质的方式是目前最为普遍的方式之一。该冻结方式所使用的空气资源丰富,且无毒副作用,但是该方式冻结时间长,且空气的导热性能差。康翠翠等[6]研究平板冻结、酒精浸渍冻结和速冻对草鱼挥发性成分的影响,发现平板冻结对鱼肉的挥发性成分影响最大,而速冻后的肉最接近鲜肉的挥发性成分。程伟伟等[7]采用鼓风冷冻和浸渍冷冻方式处理调理猪肉,发现采用浸渍-18 ℃的浸渍冷冻方式可以更好地长期保存调理猪肉。
间接接触冻结法是把物料放在已冷却的板、带、盘等承载物上进行冻结,与制冷机间接接触。该冻结方式产品干耗小,动力消耗低,操作简单。Songsaeng等[8]发现平板缓慢冷冻冷冻和隧道式速冻相比较,隧道式速冻对肌肉组织的破坏较小,但平板缓慢冷冻和隧道式速冻在pH、粗蛋白、粗脂肪、水分等方面影响并不显著。但在气味上,康翠翠等[6]采用不同冷冻方式研究发现,平板冷冻方式对肉的气味有很大影响。
直接接触冻结法是冷冻的物料和不冻液直接接触,进行换热降温冻结。该方式主要是喷淋、浸渍或两种方式的结合。该方法采用的冷冻液一般是使用最广泛的液氮,其可以更好地延缓品质的劣变,但是冷冻液也存在一定的缺点,如酒精溶液易挥发,浸泡影响物料的风味,糖类抗冻剂由于其热量问题而受到限制等。宋敏等[9]采用静止空气冻结、鼓风冻结和液氮浸渍冻结鮰鱼片,液氮浸渍冻结可以延缓TVB-N和TBA的增加。董佳等[10]采用液体浸渍冻结与传统空气冷冻方式对鲟鱼贮藏品质的影响,经过液体浸渍冷冻的鱼肉肌肉组织受损小,POV、TVB-N变化小于传统空气冷冻方式。
近年来,随着研究的不断深入,为了改变传统的冷冻方式对冷冻后产品品质的损害,各种不同的冷冻技术相继而生,为人们在水产品贮藏方面提供了更先进的技术支持。在水产品冷冻的过程中主要是冰晶的形成对水产品品质影响具有重要作用[11],为了控制冰晶的形成方式和形成速度,减少对其品质的破坏,应运而生的相应技术有电场冷冻技术、磁场冻结技术、超声波辅助冷冻技术、高压辅助冷冻技术等,这些技术在一定程度上控制了冰晶形成速度和大小,提高了水产品品质。
1.2.1 电场冷冻技术及其研究现状 电场冷冻技术原理是由于水分子是一种强极性分子,在施加外电场的作用下,冻结时冰晶沿着电场方向形成晶核的概率增大,施加的电场抑制了冰晶的成长[12]。目前研究主要集中在静电场、均匀电场以及高压脉冲电场等方面,该技术的应用主要是在酶解、天然物质的提取以及肉类的解冻方面,在水产品冷冻方面研究较少。
1.2.2 磁场冻结技术及其研究现状 磁场冻结技术通过在物料冷冻时加入磁场,磁场通过震动影响冰晶的成长过程,从而减缓冰晶的成长速度。CS冻结技术(即时冻结技术)是磁场冻结的一种形式,它将动磁场和静磁场结合在一起,对物料进行冷冻,避免了在冻结过程中冰晶膨胀给食品组织带来的伤害,使食品在解冻后可以保持良好的口感和营养[13]。娄耀郏等[14]利用静电磁场研究青鱼在冷冻过程中的变化,冷库的温度设定在-35 ℃条件下,磁场强度分别为0、3.6、7.2、10.8 G,结果表明,磁场可促进冻结过程中的相变阶段,对冻结阶段有延缓作用,但对鱼体中水分的具体变化未做描述。磁场冻结技术的应用还停在实验室的初步探索阶段,对该技术的优点和使用性能有待进行广泛的试验来验证。
1.2.3 超声波辅助冷冻技术及其研究现状 超声波辅助冷冻技术是利用超声波辅助冷冻过程中冰晶粒径和分布,加速传热、传质,最终到达快速冻结的效果,形成细小且分布均匀的冰晶,改善产品在冻藏过程中受损程度。向迎春等[15]利用超声辅助冻结对中国对虾的冰晶状态与其水分变化进行研究,发现超声辅助冻结所用时间短,可快速通过最大冰晶形成带,减少对物料的损伤,提高了冻结速率,维持虾肉良好的品质。超声波辅助冷冻逐渐被人们所认识,并运用于试验中,但是目前对于超声波辅助冷冻的研究正处于探索的阶段,在实际生产中的应用较少。
1.2.4 高压辅助冷冻技术及其研究现状 高压辅助冷冻技术是采用较高的压力,使产品在低温条件下冻结的技术。高压辅助冻结可减少营养的损失,缩短冻结时间,可使酶灭活,杀死部分微生物,使产品的基本感官不发生变化。其中压力转移冻结[16]是高压冻结技术的一种表现形式,将样品置于200 MPa下,使样品温度冷却至稍高于样品初始冻结点几度后,瞬间释放压力,样品温度先下降,温差变大后又开始上升,温差的转变使样品内部形成均一、细小的冰晶,降低了冰晶对物料的破坏,实现速冻效果。Chevalier等[17]将挪威龙虾的压力转移冻结(PSF,200 MPa,-18 ℃)与空气冷冻和无冷冻的加压样品(200 MPa,5 ℃)进行比较,发现加压挪威龙虾肉其韧性得到了提高,空气冷冻并没有影响肉的质地品质,PSF龙虾肉产生的冰晶比空气中的冰晶要小。超高压在试验中主要应用于杀菌、物质的提取、酶灭活等方面,在冷冻方面的应用也有许多学者在探索中。
相比于传统的冷冻方式,新型冷冻技术可改善产品品质,延长贮藏时间,最大限度地减轻水产品在冷冻贮藏过程品质的变化,但是这些技术的应用大都停留在实验室探索阶段,在实际水产冷冻方面应用少,对于新型冷冻技术在生产中的应用还有待深入研究。
不同的冻结温度导致冻结速率不同,温度在冻结的过程中是影响冰晶形成的一个重要因素,在冻结过程中,当温度降低时,冻结速率加快,最大冰晶带的形成时间就会减少,更容易形成小且均匀的冰晶。
郭学骞等[18]通过不同的冷冻温度(-35、-38、-41 ℃)冻结罗非鱼片进行了理化指标的检测和分析,结果表明冷冻温度较大程度上影响着鱼片的色度、失水率和硬度,冷冻温度越低,对鱼片的质构和TVB-N没有明显的影响,说明其品质就越好。邓敏等[19]以草鱼肉块为研究对象,结果表明:-20 、-30 ℃的条件下在制冷剂的流速分别是14.9、9.9 L/min时,质构特性与鲜样比较没有明显变化,其汁液损失率和Ca2+-ATPase的活性降低都较小。Burgaard等[20]采用不同冷冻贮藏温度对虹鳟鱼品质的影响进行研究,在-10~-80 ℃区间内,贮藏1~18个月,研究冻存温度对虹鳟鱼肌肉品质相关参数的影响,在-30 ℃以下贮藏18个月的时间,并不能明显改善鱼肉的水滴损失、色差、持水能力的变化,贮藏在-40 ℃以下可以减缓脂肪的氧化,但在-30 ℃下贮藏18个月后,TBAR值低于极限感官检测值,所以建议在-30 ℃以下对虹鳟鱼进行冷冻贮藏,温度在-30~-40 ℃时,冻藏后的各项品质指标与-80 ℃冻藏的各项指标虽有差异,但考虑到能耗以及生产的使用性,在温度波动范围内尽可能采用最低温度贮藏。冻藏温度对水产品品质有重要影响,较低的冻结温度,可以抑制酶活性,保持良好的质构特性,随着温度的降低,有利于水产品品质的保持,可以在最大程度上减少营养的损失,产品品质可以得到很好的保护。
冷冻速率在水产品冷冻中是决定产品最终品质的影响因素之一,冷冻过程中冰晶形成类型、大小和分布状态取决于冷冻速率,Hayes等[21]将冷冻速率进行了定义:冰-水冻结前沿的移动速度。不同的冻结速率产生的冰晶的大小不同,缓慢冷冻产生的冰晶数量少且大,快速冷冻产生的冰晶数量多且小。Kono等[22]通过探究三文鱼鱼片冷冻过程中冷冻速率、冰晶大小和鱼片表面颜色间相互影响的关系,发现鱼片表面的颜色与冻结速率和冰晶的大小有关,随着表层冰晶尺寸的减小,其表面呈现出较轻的颜色,L*值增加,而a*值和b*值则减小,在空气速度为15.0 m/s、温度为-35 ℃时,有效垂直深度在0.3 mm以内的快速冷冻速度对三文鱼的颜色有显著影响。Yuan等[23]通过研究冷冻速率对鱼肉中肌原纤维蛋白变性的影响,结果表明不同冷冻速率下,Ca2+-ATPase活性略有下降,但速冻(1 ℃/min)与慢冻(0.01 ℃/min)所致失活差异小于12%,缓慢冷冻后,肌球蛋白与肌动蛋白的相互作用发生了变化,在任何冷冻速率下,样品的盐溶解度没有降低,冻结速率略有影响肌原纤维蛋白变性。俞裕明等[24]研究了6种不同的冷冻速率(0.19、0.3、1.30、1.71、2.84、3.47 cm/h)对南方鲇鱼鱼片品质的影响,结果表明,速冻速率能显著改善鱼片冷冻后的品质,随着冷冻速率的增加,汁液流失和蒸煮损失减小,最慢速率下的汁液流失值是最快的4.12倍,在冷冻速率为3.47 cm/h时,感官评定结果良好。冷冻速率越快,物料停留最大冰晶带的时间越少,形成的冰晶对产品结构破坏越小,从而降低解冻时汁液的流失,减少贮藏过程中起到改善贮藏品质的作用。冷冻速度的控制主要是通过冷冻温度来实现的,在低温的条件下,物料在最短时间里冻结,达到速冻的效果。目前,大多是采用新的冷冻技术和速冻结合,或者采用浸渍法冻结,通过改变浸渍液的流动速率,加速浸渍液与物料的热交换而达到快速冷冻的目的。
不同冷冻方式的原理不同而产生的效果不同,最终得到的水产品品质也会有相应的差异。胡亚芹等[25]研究不同的冷冻方式(液氮冻结、平板冻结、冰柜直接冻结)对带鱼进行处理,结果表明,液氮冻结处理使得TVB-N和TBA值增加缓慢,在冻结过程中更好地控制蛋白质的冷冻变性,使带鱼保持良好的品质,同时,扫描电镜观察到液氮处理对鱼肉肌肉纤维的损伤是最小的。方林等[26]采用不同冻结方式(-40 ℃速冻、-20 ℃酒精液体冻结和-20 ℃静止空气冻结)冻结草鱼,发现冻结方式对肉的鲜度和呈味物质有一定影响,冻结贮藏3 d后,-40 ℃速冻的K值最小,-20 ℃空气冻结组的K值最大,这说明-20 ℃有利于ATP的分解,对鱼肉的风味起到了负作用,降低了鱼肉的鲜度;通过对比,-20 ℃空气冷冻草鱼红肉中的乳酸含量较大,从而反映了鱼肉的新鲜度下降,-20 ℃下冷冻不利于鱼肉的保藏。Song等[27]研究不同冷冻方式(静态空气冷冻、空气吹冻、液氮浸泡冷冻)对斑点叉尾鮰鱼片品质的影响,液氮浸泡冷冻与其他两种冷冻方法相比,鱼片硬度下降较慢,液氮浸没冷冻处理的鱼片TVB-N和TBA值增加较慢,这说明液氮冻结可以延缓TVB-N和TBA值的增加,液氮冷冻更有利于保持斑点叉尾鮰的优良品质。不同冷冻方式的作用原理不同,水产品冷冻时应针对实际情况采取合适的冷冻方式,以降低冷冻方式带来的品质损失,对于家庭贮藏采用低温速冻的方式满足需要,而工业上大型的生产采用浸渍、超低温速冻的方式更有利于产品的贮藏,来满足实际生产需要。
水产品在冷冻后受到地区、季节的影响以及在贮藏、运输和销售等流通过程中容易发生化学变化,使其失去原有的营养价值[28],所以研究者探索新的技术,将化学或者天然活性物质结合起来改善水产品的品质。
鱼肉随蛋白着冷藏或冻藏时间的延长,其蛋白质容易发生冷冻变性,使得肉的持水力下降,发生口感差、变味等品质变化[29],因而通过加入抗冻蛋白来防止蛋白质变性。1959年,日本北海道实验室的专家成功解决了狭鳕鱼鱼糜蛋白的冷冻变性问题,并研发了冷冻鱼糜的生产技术,后续研究者在这一方面展开了深入的研究[30-32]。
抗冻蛋白最早是从极地鱼类中发现的,目前抗冻蛋白源主要是鱼类、昆虫、植物等中进行分离纯化获得如抗冻糖蛋白、高活性抗冻蛋白等,抗冻蛋白的使用在食品、农业、医学领域都有研究,但是由于抗冻蛋白的获得工艺繁杂,提取量少,在实际生产中运用少,主要在研究及特别要求的生产中被使用,在实验中的使用主要是通过注射和浸渍的方式进行操作[33-34]。
目前在鱼类的保鲜中使用更多的是采用蛋白水解产物进行研究,以达到降低成本的效果。Morzel等[35]利用鱿鱼蛋白水解产物研究狗母鱼在冷藏过程中冷冻变性的效果,蛋白水解物添加量大于5.0%时,蛋白水解物的抑制效果明显,添加量为10%时,肌肉的机械损伤明显减少,说明该蛋白产物可以有效防止蛋白质的冷冻变性。谭昭仪等[36]向鳙鱼鱼糜中添加新型的抗冻蛋白研究其特性,结果表明,抗冻蛋白的加入使鱼糜内部可形成细密均匀的网络结构,当添加0.5%的抗冻剂时失水率降低,具有良好的持水性和凝胶性,抗冻蛋白的加入使得鱼糜具有了更好的凝胶特性。
多糖类物质的抗冻效果受到广泛的关注和研究,其中植物多糖是开发和研究最多的,特别是具有药用价值的植物,如铁皮石斛多糖、灵芝多糖等,海洋中的多糖,如壳聚糖、海藻多糖等,多糖在保鲜中的应用主要是针对水产品的保鲜、保水作用的研究,在使用中大多采用复配使用,增强对产品的保鲜效果。马璐凯等[37]将海藻糖类用于南美白对虾冷冻过程中的抗冻保水效果,结果表明,在整个-18 ℃冻藏6周内,0.5%、1.0%焦磷酸钠、海藻糖和海藻胶寡聚糖处理后的虾仁肌肉白度变化不显著,则该3种物质对南美白对虾的冻藏过程中具有很好的保护作用,同时,随着贮藏时间延长,海藻糖和海藻胶寡糖对虾的保护性优势明显显露,优于蒸馏水和焦磷酸钠的处理。Auh等[38]使用高浓度支链低聚糖作为鱼糜保鲜剂,8%的低聚糖混合物(HBOS)在低温保护中效果最好,在冷冻贮藏(-18 ℃)中,HBOS与蔗糖和山梨醇混合物(1∶1)具有类似的抗冻作用,用HBOS制备的鱼糜凝胶硬度高,密度高。胡庆兰等[39]采用大分子多糖海藻糖、麦芽糖糊精和黄原胶复合物处理带鱼制品,发现4.0%海藻糖+5.0%麦芽糖糊精+0.4%黄原胶处理下的带鱼制品具有良好的凝胶结构,且能够提高玻璃化温转变温度,这说明通过该复合物的处理可延长货架期。
植物精油通过抑制微生物繁殖达到对水产品防腐保鲜的效果。由于部分精油具有刺激气味,是具有挥发性的小分子化合物,因此肉在后续的加工处理过程中,一般采用热处理,这可降低精油运用于保鲜时刺激性气味对肉风味的影响。
目前,将植物精油运用于水产保鲜中已有学者做了尝试。Ojagh等[40]研究了添加肉桂精油的壳聚糖抗氧化涂层对虹鳟鱼鱼片-18 ℃贮藏稳定性和品质的影响,并对其贮藏性能进行了研究,结果表明,富含肉桂油的壳聚糖涂层比壳聚糖涂层在3个月贮藏期内对虹鳟鱼肉的脂质氧化有更好的抑制作用。Daniel等[41]探讨三叶阿洛伊草(Aloysiatriphylla,Eoat)精油用作鱼运输镇静剂是否能提高宰后银鲶鱼(Rhamdiaquelen)鱼片在冻藏过程中的氧化稳定性。将获得的鱼装入含有阿洛伊草精油的运输水中,运输结束后低温下屠宰,低温贮藏。结果表明,使用加入Eoat的水运输银鲶鱼,降低了屠宰后肌肉pH,延缓了宰后储存期内(-18 ℃,17个月)冷冻鱼片中一次氧化产物(CD)降解为二级产物(TBARs),使脂质氧化速率延迟,提高冷冻鱼片的质量,Eoat作为鱼类运输水的镇静剂,有助于延长宰后冷冻鱼片的保质期。Taheri等[42]研究了百里香(ZatariamultifloraBoiss)精油对军曹鱼鱼片冷冻贮藏过程中酸败的影响。鱼片用百里香精油(250、500 ppm)处理,然后在-18 ℃下保存6个月。结果表明,百里香精油处理过的样品的游离脂肪酸、一次氧化产物、二次氧化产物和pH均显著低于对照组,这说明,百里香精油能抑制冷冻鱼片中的氧化,以500 ppm百里香精油的抗氧化效果最好。Erkan等[43]用百里香、迷迭香、黑籽、鼠尾草、柠檬精油处理的冻鱼样品进行贮藏6个月,海湾叶、葡萄籽和亚麻子精油处理样品贮藏7个月,发现百里香精油处理能有效延缓脂质氧化,而月桂叶、迷迭香、鼠尾草、柠檬、亚麻籽和葡萄籽油效果不佳。有研究表明[44-45],精油的浓度过高时,并不会表现出更好的杀菌效果,精油中的一些成分会和食品组分相互作用,使得杀菌能力不明显,单一的植物精油具有良好的保鲜效果,但植物复合精油作用效果更好。目前保鲜中使用的精油都是一些常见的植物精油,其安全性是一些机构及人们认可的,但是有一些精油存在潜在的危害,如具有光敏性的柑橘类精油,所以在使用的时候应避免此类的精油。此外,精油的使用应注意其性质,同时应注意其使用量以及在人体中的代谢状况等因素。
将微生物运用于食品保鲜中越来越广泛。微生物保鲜可由菌体直接作用于食品上,或者是微生物代谢产物及微生物的发酵液,微生物保鲜的机理主要是产生能够抑制其他微生物生长的物质和竞争作用,并在表面形成生物活性保鲜膜来达到保鲜效果[46]。常见的微生物源保鲜剂有Nisin、纳他霉素等,Nisin是目前使用最广、安全性得到认可的微生物保鲜剂。在生产中,由于Nisin价格高,主要通过复合其他的保鲜剂使用。Luo等[47]研究了Nisin、壳聚糖和植酸复合对太平洋秋刀鱼在-18 ℃冻藏条件下新鲜度和货架期的变化,结果表明,在冻藏了12个月后 TBARs、TVB-N、组胺和TVC值远低于鲜鱼,并且货架期可延长至12个月。齐凤生等[48]利用溶菌酶、Nisin和两者的复合物对杂色蛤肉进行冻藏处理(0、-3、-20 ℃),发现复合保鲜处理将蛤肉的贮藏期分别延长了2、4、75 d,说明溶菌酶和Nisin复合物保持货架期的效最好。祝银等[49]采用Nisin生物保鲜剂在-18 ℃下冻藏金枪鱼,结果表明,Nisin可延长冻藏金枪鱼的货架期,并且浓度在0.4 g/L时,在延长货架期方面保鲜效果最好。
随着时代的进步,人们对饮食方面的要求越来越高,饮食多样化的同时对营养的需求更加看重。为了使水产品在保持新鲜的程度下能够进行长时间流通,许多研究者一直致力于水产品冷冻领域,从新型冷冻技术的研究到冷冻原理与影响因素,再到冷冻产品的品质维持做出了更多的努力。我国的水产品冷冻保鲜起步较晚,目前有关水产品冷冻的研究主要集中在冷冻过程的机理变化,超高压、超声辅助快速冻结以及新型保鲜剂的探索(如多糖类、植物精油、抗冻蛋白等)等方面,在其他冷冻技术上(如:磁场叠加技术、生物冷冻蛋白技术、冰核活性冻结技术等)研究较少,在微生物保鲜方面研究较多的是Nisin,对于其他的微生物保鲜较少见。
虽然新型的冷冻技术优势明显,但是由于其成本高和技术的不成熟,大部分的冷冻保鲜技术的研究主要停留在实验室阶段,真正投入使用的保鲜技术较少。保鲜剂的研究主要集中在冷藏,对冻藏的研究较少,对于冻藏保鲜剂作用原理的研究停留在表层,缺乏深入的探索。单一的保鲜技术和保鲜剂在研究过程中显现的优势并不是很显著,复合冷冻保鲜技术和保鲜剂的发展在学者们的努力下,将成为研究的创新方向,不同的冷冻技术应在降低成本的基础上发展,在冷冻水产品品质维持方面,在大力发展生物保鲜剂的同时,加强对其安全性检测。同时,在保证食品安全放心的前提下,实验室与实际工业生产相结合,利用各种新型保鲜技术和保鲜剂有效维持冷冻水产品的新鲜度、延长货架期,最大化实现水产品的经济效益。