鱼类腥味物质及脱腥技术研究进展

卢 祺,刘津延,刘方芳,包建强

(上海海洋大学食品学院,上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海),上海 201306)

鱼体肌肉含有丰富的人类所需氨基酸，且具有较高消化率,其中ω-3更是满足了人体必需脂肪酸的需要[1]。鱼类资源除可被人类食用外,也为工业提供了大量的原料及添加剂,如鱼皮可提取胶原蛋白,制革,内脏毒素可制药,鱼肝油可制肥皂,鱼头可制多肽钙粉等[2]。但鱼却一直被认为是最难烹饪,最易腐败氧化的食物,易因不当的处理或储存产生腥味。

有腥味的食品会显著影响消费者的接受程度,这与其气味特性和浓度相关,对快速发展海洋业造成阻碍。因此,生产商常采用净化水体、改变投喂饲料配比、收获后化学处理等方法,减少异味,但容易引入新的污染源。近年来去除腥味的方法研究很多,各有优劣。

腥味物质可通过微生物污染、包装材料、加工、运输、储藏等过程引入,再经人体嗅觉器官反馈,产生不同的嗅觉响应,但目前对于单一腥味物质成分与感官特性的关系,还待进一步全面完善。本文综述了鱼类中存在的腥味物质、产生的原因,及腥味物质提取、分离和鉴定的方法,同时对国内外脱腥技术研究现状进行阐述,为今后水产品风味的研究做铺垫。

1 鱼腥味形成原因和机理

挥发性化合物的评估已逐渐成为评价鱼类品质变化的一项重要指标。鱼腥味来源分为以下几方面:①鱼皮粘液和血液中的δ-氨基戊酸、δ-氨基戊醛和六氢吡啶类化合物以及富含不饱和脂肪酸的鱼肉,在酶的催化下很快形成鱼腥味和脂肪氧化的哈喇味;②微生物在鱼体肌肉组织中代谢繁殖,厌氧菌将广泛存在于鱼类体内的氧化三甲胺分解为三甲胺和二甲胺,本身具有恶臭味的三甲胺与六氢吡啶类化合物、δ-氨基戊醛等同时存在,形成了强烈的鱼腥味;③已鉴定出的腥味物质成分主要包括MIB(2-甲基异莰醇)、geosmin(土腥素)、IBMP(吡嗪)、TCA(三氯乙酸),这些物质可通过呼吸以及吸附在食物中,而摄入鱼体,其吸收率取决于鱼种类、水温以及物质在水中的浓度。

鱼在形成腥味的同时会产生苦味,其原因是由于形成了苦味肽,通常情况下,苦味氨基酸的疏水性侧链被包裹在蛋白质四级结构中,无法与味蕾直接接触,蛋白质分子水解造成疏水性基团如苯丙氨酸、亮氨酸、脯氨酸等暴露于表面,与味蕾接触,感觉到苦味。当水解程度加深,苦味肽被分解为小分子肽和氨基酸,苦味明显降低,水解程度与苦味产生类似钟形的曲线[3]。

1.1 环境与体表吸附

鱼腥味部分来源于养殖环境中微生物产生的副产物,如放线菌分泌的土臭味素;蓝细菌或原生生物分泌的土腥味化合物,产生的气味通常被称为土霉味、泥土味。在研究虹鳟中的气味物质时发现,挥发性物质来自土腥素(Geosmin)和2-甲基异茨醇(MIB),且这两种物质来自蓝绿藻,随着研究的深入,在更多水域和土壤环境中发现此类物质,进一步证明与鱼腥味形成有关[4]。同时,产生腥味的微生物没有耐盐性,因此土腥味在淡水鱼中存在较为普遍。

土腥素和MIB往往与有机物含量丰富的环境有关,产生于水生生物排泄物以及未摄食的食物中,而鱼类通过摄食、呼吸等生命活动富集周围水环境中化学物质,通过皮肤渗透、呼吸、肠上皮细胞等吸附挥发性化合物,导致产生强烈鱼腥味。

1.2 鱼体内部的生物化学反应

新鲜鱼捕获后,体内主要存在两类导致腥味的反应:氧化三甲胺的分解以及脂肪氧化。氧化三甲胺在海水鱼体内存在较为普遍,淡水鱼中存在不多,在水平面8 km以内多骨鱼类体内氧化三甲胺的含量随深度增加而增大,与平衡深海中静水压力有关[5]。氧化三甲胺本身无气味,口感上还有鲜甜味,但经高温或水产品生物体内厌氧微生物以及酶分解为三甲胺和二甲胺后,会出现腥臭味。其次脂肪酸分解也会生成腥味物质,而鱼体肌肉中富含不饱和脂肪酸,更易在酶或微生物催化下被分解。

肌肉中脂肪氧合酶(LOX)、血色素蛋白、金属离子等的存在,则对脂肪的氧化反应起到催化作用[6]。鱼类红肉中血红素含量丰富,更易被氧化产生腥味,Yarnpakdee等[7]对印度鲭鱼腥味的研究中发现,生鱼肌肉中的血红蛋白在水解过程中可以被氧化,从而促进脂质的氧化并产生刺激性的气味。常见水产品挥发性物质产生原因及气味贡献如表1所示。

表1 常见水产品中挥发性物质产生机理及气味贡献表Table 1 Volatile substance production mechanism and odor contribution table in common aquatic products

2 腥苦味物质提取分离与分析鉴定

气味作为食物典型特征,体现食品的特性与真实性,挥发性组分中化合物的性质、相对质量和分布明显不同,因此挥发性特征分布可以看做是食品的化学指纹。

挥发性气体成分的检测主要有感官分析即异味轮廓分析法、仪器分析GC-MS/GC-MS-O法和酶联免疫吸附剂测定法三种方法。感官分析法只能表示样本检验之间相关差异性,宏观性较强。酶联免疫法使待测物与酶发生特异反应产生颜色,用于检测鉴定,但专一针对性较强,广泛运用于医药学、蛋白质酶学等方面,对鱼土腥味的检测应用不多,且灵敏度较低。因此,仪器分析法为大多数研究者所接受。

2.1 鱼类腥味物质的提取

鱼腥味成分复杂,主要分为以下几类:挥发性盐基类(如氨、三甲胺、二甲胺)、挥发性酸(如甲酸、乙酸)、挥发性羰基化合物(如C1～C8)、挥发性含硫化合物(如丙酮、硫化氢、甲硫醇),大多数来源于氨基酸、脂质、饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸,同时易受多种因素影响,分析鉴定困难,因此有效化合物提取方法也形式多样,如表2所示。主要有固相微萃取技术(SPME)、动态顶空萃取(DHS)、微波蒸馏法(MD)、超临界流体法等。有些方法虽然提取效果显著,但所需实验条件要求高,操作繁琐,耗时长,回收率低,在食品领域不能得到合理运用。

表2 水产品挥发性物质常用提取方法的应用比较Table 2 Comparison of common extraction methods for volatile substances in aquatic products

固相微萃取[12](SPME)技术是目前鱼类气味检测前处理方法的热门,快速,易于自动化,无溶剂,可用于原位采样。SPME因其样品量小,无需萃取溶剂,方便与其他分析技术联用等特点,被广泛应用于气味化合物的检测鉴定。固相与液相萃取不可避免会因引入共萃取物而干扰分析,顶空分析(Head Space)则可看做是气相萃取法,减小了样品基质对分析的干扰。对于鱼类的气味物质检测,顶空分析法常常与固相微萃取结合使用。

由于鱼类是一种品质下降较快的食品,因此检测储藏过程中产生的副产物显得尤为重要,如氯化过程中的THMs(三卤甲烷),蛋白质降解产生的生物胺,Parchami等[13]用顶空固相微萃取与离子迁移光谱法结合,测定罐装鱼样品中的组胺。随着越来越多研究者的深入探索,SPME法测试方法标准化,联用技术自动化,发展前景广阔,其中搅拌棒吸附萃取技术(SBSE)提取效率较高[14]。

对于中、高沸点成分的提取,同时蒸馏萃取回收率更高,Sellií等[15]使用二氯甲烷萃取野生金头鲷中的挥发性化合物,结果表明与其他方法相比,该方法所得芳香提取物最接近食品本身。而食品中热敏性物质的提取,为减少对有效成分的破坏,则一般选用超临界流体萃取[16]。

2.2 腥苦味物质分析评价

常见的水产品腥苦味分析评价方法主要有感官评定(Olfactometry)和仪器分析法(如电子鼻、气相色谱分析法等)。近几年,发展应用广泛的是气相色谱-质谱-嗅觉测定法(GC-MS-O)。

感官评定法简便迅速且直观,对鱼腥味进行评价时,赋予气味以一定权值,由一组具有专业素养的感官评定员进行打分,最后以所得加权后的分值衡量鱼苦腥味程度,是理化分析和仪器分析无法替代的。但受主观因素影响较大,不能解释具体产生异味的气体化合物结构和生成机理,不适用于常规的生产控制。

电子鼻通常用于对差异气味成分进行区分,而用GC-MS/GC-0-MS对气味的化学成分做出更详细的判断[17]。通过分析产生挥发性化合物的模式,新物质的出现或原有化合物含量的改变引起气味指纹的变化。

GC-MS是测定水产品气味成分最常见方法之一,普遍与其他萃取技术联合使用[18]。王伟[19]在研究臭鳜鱼风味特征时,将顶空固相微萃取与GC-MS结合,得知臭鳜鱼的主要特征臭味来自三甲胺,特色香味则是由于存在醇和醛类物质,也是区分不同种类鳜鱼的关键风味物质。有些情况下,单凭GC-MS与不同萃取技术联用,并不能确定某种挥发性物质对水产品风味的贡献值,因此,需要与感官评定相结合。麦雅彦等[20]将感官评定与仪器分析相结合,对SDE(蒸馏萃取法)-GC-MS进行优化,测定南美白对虾中香气成分,测定出烃类、醇类、酮类、脂类、萘类等特征性物质。

GC-O是了解食品中主要挥发物及其对整体风味贡献的有力工具,描述性感官分析已在水产品领域广泛运用。从近年文献看,国内外水产品及果蔬等各类食品的挥发性风味研究中,主要运用GC-O-MS法,针对不同样品采用不同的前处理技术,提取分析效果较好。Maa等[11]采用溶剂辅助风味蒸发(SAFE)法提取挥发性物质,基于嗅觉检测技术,运用GC-MS-O成功鉴定出德国虹鳟鱼肉和鱼皮中的75种挥发性气味活性物质。Niimi等[21]也将类似的测定方法应用于海胆籽的研究,并基于挥发性化合物的结果,实现了对海胆籽在性别及地理位置的区分。

3 鱼类脱腥技术

目前,脱腥方法形式多样,见表3。据已有文献,分为两大类:改善养殖水环境中物质组成和鱼肉后期加工处理。现今对于改变水环境物质组成的措施,表现在改善水质和水生生物种类两方面。而对生鱼肉除异味的方法主要有物理法(活性炭吸附、超滤、感官掩盖)、化学法(化学处理、气体漂浮、美拉德反应、类蛋白反应)、生物法(酵母法)和复合法。

表3 常见脱腥方法及应用Table 3 Methods and applications for removing fish odour

3.1 改善养殖环境

L-肉毒碱[22]作为水产鱼类体内类维生素物质,添加在饲料中,可以有效减轻鱼肉的异味,还有促进鱼体生长的作用,增强超氧化物歧化酶(SOD)活性,提高基础代谢率,改善肉质。

研究表明,水环境中的蓝藻与鱼体的腥味有关,因此除去蓝藻被认为是脱腥的关键。国内认为腥臭味与颤藻和鱼腥草关系密切[23]。从而衍生出多种控制藻类生长的措施,包括抑制生长剂、化学处理等。这些方法虽能有效除去蓝藻,但同时化学手段对生物生长环境的再次污染,也会对鱼体本身造成影响,因此被大众普遍接受的是生物控藻以及冲水法。

在降温、流水的环境条件下,通过冲水改变养殖池中的浮游生物组成,消除颤藻和鱼腥草的主导优势地位,以降低水产品的土腥味[24];引入滤食性生物的方法也在积极研究开发中,使其与水环境中浮游生物形成竞争或捕食机制,但目前应用效率不高,无法达到日消除藻类10%,还需要更多的研究改进。还可以通过流动清水暂养,提高养殖环境水质,使鱼体内富集的2-甲基异茨醇(MIB)和土腥素(Geosmin)排出体外,使其异味降低,但过程耗时较长,对操作环境要求较高,经济性较低,同时还会造成鱼体重的降低。

3.2 后期处理脱腥

3.2.1 物理法 物理法常用方式主要包括用其他气味掩盖以及气味吸附[25-26]。活性炭脱腥是传统简单且应用广泛的方式之一,其多孔结构不仅能对异味和苦味肽有吸附消除作用,也具有一定的脱色效果。但活性炭吸附最大的缺点是存在蛋白质和营养物质损失。张瑞瑞等[26]对于罗非鱼肌肉酶解液采用过滤法,分别用微滤膜、硅藻土和珍珠岩作为消除异味载体进行处理,发现三种方法对脱腥均有一定效果,微滤对蛋白质损失最小,蛋白保存率为94.52%,但0.22 μm微滤对苦味氨基酸脱除效果较差。

在水产品生产加工中经常加入香辛料,烟熏,浸泡等提升食品风味,协调增强原有的鲜香味,同时掩盖腥臭味,起到去异增香的作用,方便有效、灵活度高,但对腥味化合物只是掩盖并没有除去,还可能造成原有风味特性的损失。耿瑞婷等[27]通过反复实验研究发现乙基麦芽酚、乳酸乙酯、料酒、食盐分别以0.02%、0.008%、0.3%、0.5%比例添加入贝类蛋白酶解液中,可以有效降低扇贝酶解液的异味,且蛋白质无损失,但色泽和透明度较差。

除此之外还有许多新型物理脱腥方法——破壁[28]、萃取[29]、辐照[30],但因适用领域的局限或食品安全问题,未被广泛应用。微胶囊法通常用来包埋易氧化的不饱和脂肪酸,Giorgio等[31]通过乳化和喷雾干燥将鱼油包裹在大豆蛋白颗粒中,以保护其免受脂质氧化的影响,从而有效降低鱼油的腥味,使其便于添加入其他食品中。

3.2.2 化学法 经过酸处理后的鱼肉[32-33],由于有机酸对水产品中腥味化合物有溶解萃取作用,还可以杀菌,消除组胺,因此可以改善鱼腥味。

臭氧作为氧化剂和消毒剂在食品领域被应用将近一个世纪,采用臭氧脱腥[34],营养物质基本不被破坏,但色泽和质构有一定损害,与此同时臭氧具有杀死微生物的作用,无污染,虽在水中溶解力强,但不能长期在水中存在,对人体无毒无害。Sae-Leaw等[35]在萃取鲈鱼皮明胶的过程中发现,柠檬酸、异丙醇、单宁酸等抗氧化剂的加入可以有效防止脂质氧化,抑制鱼腥气味,且未影响感官特性。

美拉德反应因其独特的焦香味和色泽,广泛应用于食品加工业,生成吡咯类、哌嗪类和噁啉类等风味化合物,这些特殊的气味物质可以掩盖水产品本身的异味,减弱土腥味的同时,增强焦香味及鲜味,但从营养成分的角度看,对游离氨基酸、还原糖、蛋白质分子肽等的影响较大。

3.2.3 生物法 生物脱腥是利用微生物新陈代谢等正常生命活动,使水产品异味化合物分解的过程,或经过生物酶分子的修饰作用,形成无异味化合物。刘艳[36]研究猜测活性干酵母的脱腥机理可能是由于酵母中含有多种酶,将不愉快的气味分解为无异味物质,异味脱去的同时产生特殊风味甜香,但样品中会残留有酵母发酵的味道,同时酵母脱腥不能脱色,使用量过大,处理时间过长,也会使鱼体产生异味。章新[37]通过对鱼下脚料的脱腥实验得出不同观点,认为微生物发酵使环境中pH产生变化,不再适合杂菌生长,发酵产生的风味对腥味也有一定的掩蔽作用。除此之外,微生物发酵还可提高样品中蛋白含量,可能与微生物的转化作用有关。生物法脱腥的具体机制还需进一步研究证明。

3.2.4 复合法 水产品中挥发性气味成分组成复杂多样,用单一方法检测可能达不到预期的效果,物理法操作简便,但容易造成营养物质损失,除腥效果不明显;化学法会造成溶剂污染;生物法酵母使用量要注意控制,过量反而会引入新的异味成分且应用范围不够广泛,有局限性,多种方法配合,协同增效的复合工艺应运而生。

刘健[38]用红茶中有效抗氧化物质与姜汁配制成的混合液进行脱腥实验,结果表明腥味明显减弱,其中醛类物质下降了37%,酮类降低5%,而酯类和醇类含量增加。除红茶外还有将料酒和醪糟按比例制成混合液进行脱腥,也得到较好效果[39]。复合法虽然除腥效果明显,但通常出于经济实惠考虑成本相对较高,集成本、效果、操作三方面优势为一体的除腥工艺还有待研究探索。

3.2.5 包装材料 在包装上做改进也是一项有发展前景的技术,延迟腐败,降低因微生物导致的不悦气味。若将抗菌物质直接涂抹在鱼体表面或掺入鱼制剂中,作用效果有限,会发生中和反应,或扩散到鱼体内部,对表面微生物群落作用减弱。Singh等[40]将银-二氧化硅(Ag-SiO2)与PP膜结合,使实验组鲭鱼pH较对照组上升了0.21,硫代巴比妥酸(TBA)在储存中保持低值,嗜冷菌明显降低,且不减鱼体品质。

4 总结与展望

随着国内外对鱼脱腥脱苦研究的逐渐深入,鱼腥味主要化学成分的构建逐渐清晰,主要来源于水环境中水质、浮游生物的组成、体内生物酶或微生物的氧化分解;检测方式主要为感官评定、GC-MS、GC-MS-O和电子鼻;去除腥味的方法主要通过养殖环境改善、物理掩蔽多孔吸附、化学抗氧化钝化酶、生物分解发酵修饰分子结构、复合工艺实现,方法各有优劣,对于不同需求可采取不同方式。

从气味特征来看,同种淡水鱼类天然和养殖方式在气味上有区别,可能受季节、饵料、运动量等因素的影响,造成鱼类脂肪组成和体内酶体系不同,这些因素对鱼体腥味具体的影响程度还有待进一步探索。

从捕后鱼体的变化来看,刚捕的新鲜鱼没有严重让人感觉不悦的气味,随新鲜度下降,腥味逐渐增强,主要受微生物和自身内源性酶的影响较大,且鱼体表面背腹粘液易于微生物生长,因此内源性酶与鱼腥味成分之间的关系,以及鱼背腹粘液与腥味的关系将成为日后研究的一重要方向。

从脱腥技术来看,鱼种类多样,之间差异性较大,不同应用范围对腥味去除和营养成分保留程度不同。目前对腥味物质的化学本质研究不够,每种化学成分与感官特性的对应关系不够系统全面,未来应着力于水产品中气味成分的基础研究,同时针对不同种类需求的水产品开发研究对应的脱腥脱苦方法,在脱腥的同时,尽量使原有感官及化学性质不变。