冷冻水产品脂肪和蛋白质氧化及其控制措施研究进展

杜宇凡，姜晴晴，施文正，汪之和

（上海海洋大学食品学院，国家淡水水产品加工技术研发分中心（上海），上海 201306）

近年来，为了尽可能保持水产品原有的品质和风味并延长其货架期，人们研究了冷藏、冰温以及微冻等多种低温保鲜技术，但前两者因保鲜时间较短不能满足消费者对水产品的长期需求，后者因精确控温设备问题尚未解决等缺点未得到广泛应用[1]。目前，冷冻仍是我国水产品加工的主要方式，2019年我国水产冷冻品总量为1532万吨，占水产加工品总量的70.6%[2]。在冷冻条件下肌肉中大部分的水被冻结，组织中微生物生长繁殖和生物化学变化受到抑制，因此可以有效延长水产品货架期。冷冻能最大限度地保持水产品的品质，但受冻结方式、冻藏温度和时间、冻藏过程中温度波动等多种因素的影响，也会存在一些问题，如脂肪和蛋白质氧化及其对水产品的营养品质、组织结构、质构、色泽、保水性等产生的影响[3]。因此，全面理解蛋白质和脂肪氧化机理及其对冷冻水产品品质的影响以及提出相应的控制措施对提高水产品品质、改善水产品加工方式具有重要意义。

1 脂肪氧化

1.1 脂肪氧化机理

水产品大多含有一定量的脂肪和丰富的不饱和脂肪酸，在贮藏过程中易发生脂肪氧化。根据反应途径可将脂肪氧化分为自动氧化、光敏氧化和酶促氧化[4]。自动氧化是不饱和脂肪酸与基态氧之间发生的自由基反应，包括链引发、链增殖和链终止三个阶段。光敏氧化是指水产品中存在的血红蛋白受光照后可将基态氧转变为激发态氧，不饱和脂肪酸的双键与激发态氧形成六元过渡态，然后双键位移形成反式构型的氢过氧化物。冷冻贮藏虽能抑制脂肪氧化速度，但也不能完全阻止脂肪氧化的发生[5]。Bjørkevoll等[6]研究发现，即使在-30 ℃的低温下，鳕鱼片（Gadus morhuaL.）脂肪也会发生明显的氧化。在冻藏期间水产品表面冰晶升华形成细微孔洞，脂肪酸（尤其是不饱和脂肪酸）与空气接触发生氧化[5]。此外温度波动或反复冻融会使冰晶形态及分布发生变化，细胞膜及细胞器破裂，导致血红素等一些促氧化成分的释放，从而引起脂肪氧化[7]。脂肪氧化程度可用过氧化值（POV）和硫代巴比妥酸（TBA）值来判断，POV和TBA值分别反映脂肪初级和次级氧化产物的多少，通常随着脂肪氧化程度的增加，POV呈现先增大后减小的趋势而TBA值呈现逐渐增加的趋势。Guo等[8]研究发现随冻结-解冻次数的增加，鲤鱼（Cyprinus carpio）肌肉的TBA值逐渐增加。Atayeter等[9]比较鱿鱼在-20、-30、-40 ℃冷冻贮藏过程中的脂肪氧化程度，发现冻藏温度越高，冻藏时间越长，鱿鱼的脂肪氧化程度越严重。王凤玉等[10]对秋刀鱼（Cololabis saira）的研究中也有类似的发现。

1.2 脂肪氧化对水产品品质的影响

脂肪氧化的初级氧化产物氢过氧化物进一步分解产生的次级氧化产物（醛、酮、醇、酸等）与水产品风味联系密切，过度氧化会导致不良风味的形成[11]。Karlsdottir等[12]研究冻藏温度对绿青鳕鱼（Pollachius virens）和长尾鳕鱼（Macruronus novaezelandiae）脂肪氧化的影响，结果发现相同冻藏时间（18个月），相比于-30 ℃下贮藏的两种鱼的红肉样品，-20 ℃下贮藏的样品的酸败味更严重。王凤玉等[10]研究发现，在-20 ℃条件下贮藏的秋刀鱼的TBA值随冻藏时间的延长呈先增加后减少的趋势，这可能是因为氧化产物进一步分解成了与风味密切相关的酸类物质和醇类物质。

脂肪氧化还与冷冻水产品色泽密切相关。Wongwichian等[3]研究了竹荚鱼（Selar boops）在冻藏过程中肌红蛋白氧化、脂质氧化与色泽的关系，发现冻藏时间越长，肌肉的TBA值与高铁肌红蛋白含量越大，且色泽变化与脂肪氧化有显著的相关性（P＜0.05）。徐坤华等[13]研究蓝鳍金枪鱼（Thunnus maccoyii）脂质和肌红蛋白的氧化动力学，结果发现枪鱼各部位的TBA值和高铁肌红蛋白含量都随冻藏时间的延长而逐渐增加。这可能是因为脂肪氧化产物一方面能促进肌红蛋白氧化，另一方面能够抑制线粒体活性和高铁肌红蛋白还原酶活性，从而导致高铁肌红蛋白的积累。

2 蛋白质氧化

2.1 蛋白质氧化机理

脂肪氧化、金属离子氧化反应以及其他生物化学反应过程中产生的具有超强氧化活性的活性氧物质如羟基自由基、超氧化物、氢过氧化物以及过氧化氢等，可以攻击蛋白质和蛋白质中的某些氨基酸残基，从而改变其结构，影响其性质。与脂肪氧化相似，蛋白质氧化分为链起始、延伸和终止三个阶段，肌肉蛋白质氧化的可能作用机制如表1和表2所示。表1是脂肪氧化介导的蛋白质氧化反应[14]，表2为自由基诱导蛋白氧化途径[15]。

表1 脂肪氧化介导的蛋白质氧化Table 1 Protein oxidation mediated by lipid oxidation

表2 自由基诱导蛋白氧化途径Table 2 Free radical-mediated pathway of protein oxidation

如图1所示[16]，蛋白质氧化对肌肉蛋白质的影响主要包括：蛋白质交联聚集、侧链氨基酸的氧化修饰（羰基的形成、芳香族羟基化和巯基氧化等）以及肽链主链的断裂等，因此羰基含量、巯基含量以及蛋白质裂解与交联聚合程度是表征蛋白质氧化程度的良好指标[17]。通常羰基含量越高，巯基含量越少，蛋白质裂解与交联聚合程度越严重，蛋白质氧化程度就越严重[18]。Li等[19]研究发现，随着过氧化氢浓度和氧化时间的增加，鲤鱼肌红蛋白中的羰基含量增加，巯基含量下降，且在凝胶电泳图谱中观察到蛋白质的交联聚集。

图1 蛋白质氧化常见结果Fig.1 Common consequences of protein oxidation

2.2 蛋白质氧化对肌肉品质的影响

蛋白质的理化性质是由氨基酸种类、排列顺序以及多肽链的空间结构决定的。因此，蛋白质氧化会影响蛋白质理化性质和功能特性，进而影响水产品品质。

2.2.1 蛋白质氧化对色泽的影响 水产品中蛋白质氧化由肌红蛋白、氧化脂质或金属催化剂引发，位于氨基酸侧链上的官能团是这种攻击的主要目标，进一步的反应导致形成不同的蛋白质自由基和羟基衍生物，进而发生蛋白质羰基化，色素对肉食品的颜色变化有影响，试验发现带鱼随着贮藏时间延长亮度下降，带鱼肌肉光泽逐渐消失，肌肉切面变得暗淡，肌肉色泽的变化可能与冷冻肉持水性的变化、高铁肌红蛋白还原酶活力的变化、表层肌红蛋白的氧化以及脂肪氧化等有关[20]。Shi等[21]研究表明，随冻藏时间的延长，白鲢鱼（Hypophthalmichthys molitrix）的红度值逐渐降低，这可能是由肌红蛋白氧化引起的。Jiang等[22]研究发现，冻结-解冻3次和5次后低盐腌制大目金枪鱼（Thunnus obesus）片的边缘出现微褐色，且高铁肌红蛋白含量显著增加。蓝蔚青等[20]研究发现，随着冻结-解冻次数的增加，大目金枪鱼肌肉中的高铁肌红蛋白含量逐渐上升，这说明金枪鱼色泽的变化与蛋白质氧化有关。

2.2.2 蛋白质氧化对保水性的影响 保水性是评价水产品品质的重要指标之一，保水性降低会导致游离氨基酸、核苷酸以及维生素等水溶性营养成分的流失。蛋白质氧化会影响肌肉保水性，但其机制目前尚无定论。秦军委等[23]研究发现，与对照组相比，经羟基自由基体系氧化后的乌鳢（Channa argus）肉块在冻藏过程中的蛋白质氧化程度更高，保水性更差，且保水性指标和蛋白质氧化指标呈现极显著的相关性（P＜0.01）。Nyaisaba等[24]研究发现，在氧化体系中，较高和较低浓度的过氧化氢均能使阿拉斯加鳕鱼（Theragra chalcogramma）肌原纤维蛋白的保水性下降。肌肉中自由水主要通过毛细管作用力截留在肌原纤维间隙和细胞间隙中，结合水主要通过氢键等作用力维系并受蛋白表面电荷影响，所以蛋白氧化引起保水性变化的原因可归结为以下三个方面[25-26]：a.蛋白质氧化导致蛋白质内部的疏水性氨基酸残基暴露，降低了蛋白质与水分子的结合能力；b.蛋白质氧化改变蛋白质的构象，从而影响肌原纤维之间的距离，造成这部分空间持有水分的流失；c.蛋白质氧化引起肌球蛋白和肌动蛋白发生交联或降解，可能导致肌纤维束收缩，使肌肉毛细管作用力有所改变。

2.2.3 蛋白质氧化对质构和风味的影响 水产品的质构特性与肌原纤维蛋白、肌肉中结缔组织以及脂肪等密切相关，而蛋白质氧化会导致肌原纤维蛋白受损从而影响肌肉的弹性、硬度、胶粘性以及咀嚼性。韩昕苑等[27]研究冻融循环处理对罗非鱼片品质的影响，结果发现随冻结-解冻次数的增加，蛋白质氧化程度逐渐增加，且肌肉的硬度、弹性、粘性、咀嚼性等逐渐降低。水产品风味与挥发性物质的浓度、气味阈值以及挥发性物质与其它成分尤其是与蛋白质的相互作用密切相关。而蛋白质氧化会导致维系蛋白质和风味物质结合的作用力发生变化，进而影响水产品风味[28]。Zhou等[29]研究肌原纤维蛋白氧化对其与风味结合能力的影响，结果发现当H2O2的添加量在0～1 mmol/L时，蛋白质与风味物质的结合能力下降，但当H2O2的添加量大于1 mmol/L时，则出现相反的结果。这可能是因为轻度氧化会使蛋白质表面颗粒聚集体增多，从而减少风味的结合位点，而进一步氧化会使蛋白质的表面疏水性增强，这有助于增强蛋白质和风味物质的结合能力。

2.2.4 蛋白质氧化对营养性质的影响 水产品含有丰富的营养物质，其中蛋白质是人们获取必需氨基酸的重要来源。蛋白质被摄入人体后被消化系统的蛋白酶水解成可以被吸收的氨基酸或小分子肽，蛋白质的可消化性是衡量其营养价值的关键指标[30]。冷冻水产品的肌肉蛋白质氧化会造成的蛋白质交联和一些氨基酸的不可逆的氧化修饰，形成羰基基团及其它衍生物，蛋白质的消化性和利用率也随之发生改变。轻度的氧化可使蛋白质结构伸展，消化酶的酶切位点暴露，从而提高蛋白质的消化率，但过度氧化会导致蛋白质交联、变性、沉淀，降低蛋白质对消化酶的敏感性，从而降低蛋白质的消化性[31]。姜晴晴等[32]研究发现，带鱼（Trichiurus haumela）蛋白质的体外消化率随着氧化程度的增加呈现先增加后减小的趋势。

2.2.5 蛋白质氧化对凝胶特性的影响 凝胶特性对于肉糜制品尤为重要，蛋白质氧化是影响蛋白质凝胶特性的因素之一。肌肉中蛋白质形成凝胶的机理是蛋白质受热而变性展开，受热变性展开的蛋白质基团因聚合作用而形成较大分子的凝胶体。蛋白质凝聚的主要原因是蛋白质分子的解聚和伸展暴露的活性基团有利于蛋白质分子间的相互作用[33]。适度的氧化可改善肌原纤维蛋白的凝胶特性，而过度氧化则会使其凝胶强度降低。Lu等[34]研究发现，由冻藏及羟基自由基氧化引起的适当的蛋白质氧化能提高鳙鱼（Aristichthys nobilis）肌原纤维蛋白的凝胶特性。陈霞霞等[35]在研究蛋白氧化对银鲳（Pomfret）肌原纤维蛋白凝胶特性的影响时也发现类似的结果。Benjakul等[36]研究了-18 ℃下冻藏对大眼鲷（Priacanthus tayenus）、金线鱼（Apogon cyanosoma）和黄花鱼（Larimichthys）的化学性质和凝胶特性的影响，发现随着冻藏时间的延长，肌肉蛋白氧化程度增加，且凝胶性质变差。这可能是因为适度氧化产生的二硫键交联有利于增强凝胶网络结构强度，但是过度交联会阻碍活性基团的相互作用，降低蛋白质-蛋白质、蛋白质-水的结合程度，从而抑制精细凝胶网络结构的形成。因此可通过控制蛋白质氧化程度提高凝胶特性，开发高品质的鱼糜制品，从而提高其商业价值。

2.3 蛋白质氧化与脂肪氧化的相互影响关系

水产品在冻藏过程中，蛋白质氧化和脂肪氧化之间存在密切的相关性。蛋白质氧化机理中提到脂肪氧化产生的活性物质可攻击蛋白质引发蛋白质氧化，除此之外脂肪氧化产物可直接与蛋白质发生反应，如醛类和氢过氧化物可与赖氨酸反应生成吡咯衍生物，活性羰基化合物与侧链氨基酸作用形成共价交联物[28]。同时蛋白质氧化也可促进脂肪氧化。秦军委等[23]研究发现，与对照组相比，经羟基自由基体系氧化后的乌鳢肉块在冻藏过程中的脂肪氧化程度更高，这可能是因为蛋白质氧化破坏肌肉组织结构使脂质暴露，从而加快了脂肪氧化速度。肌红蛋白在氧化生成高铁肌红蛋白的过程中产生的超氧阴离子会迅速发生歧化作用生成H2O2，超氧阴离子和H2O2等活性物制不仅可以引发脂质的氧化反应，还可以与水产品中的铁反应生成羟基自由基，进而促进脂肪氧化[31]。另外高铁肌红蛋白可以分解脂质氧化产物氢过氧化物，从而促进脂肪氧化[37]。

3 控制措施

脂肪和蛋白质氧化会引起冷冻水产品品质劣变，降低消费者的购买欲，造成经济损失。因此要采取一些措施，目前主要通过喂养措施、改变包装方式、添加抗氧化物质、改变冻结和解冻方式等控制冷冻水产品中脂肪和蛋白质的氧化。

3.1 喂养措施

喂养措施主要是通过改变养殖方式及饲料组成来提高水产品肌肉组织的氧化稳定性。不同养殖方式可能会对水产品的代谢活动产生影响，从而导致其脂肪酸含量、不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比例以及内源性抗氧化酶含量发生变化。Harimana等[38]研究发现相对于静水养殖，人工流水养殖的大口黑鲈鱼（Micropterus salmoides）具有较高的抗氧化活性，这可能是因为流水养殖更贴合自然环境，长期适度游动可诱导内源性抗氧化酶含量增加。另外向水产品的饲料中添加维生素E或含有抗氧化成分的食用精油等可提高其在加工贮藏过程中的抗氧化性，Santos等[39]发现，向养殖虹鳟鱼（Oncorhynchus mykiss）的饲料中添加由桉叶醇、香芹酚和百里酚组成的食用精油，可有效抑制虹鳟鱼片冷冻贮藏过程中发生的脂肪和蛋白质氧化并延长其货架期。

3.2 添加抗氧化物质

磷酸盐能螯合肌肉中的金属离子，因此能有效抑制脂肪氧化和蛋白质氧化[40]。陆玉芹等[41]研究发现，用磷酸盐处理罗非鱼片可有效抑制其在低温贮藏过程中脂肪氧化和蛋白质氧化的发生。Etemadian等[42]研究发现，用5%的三聚磷酸钠溶液处理鱼片可显著降低其在冷藏过程中的总挥发性盐基氮和TBA值，从而延长其货架期。随着人们对食品安全的日益关注，一些天然抗氧化剂和植物提取物替代化学和合成抗氧化剂在维持冷冻水产品品质方面发挥重要作用。这些物质的特点是多含酚羟基，能清除过氧化物自由基，螯合金属离子从而延缓氧化。吴圣彬等[43]研究发现，用6 g/L的茶多酚溶液处理带鱼可有效抑制带鱼在冻藏期间的氧化变质。丁景等[44]研究发现，添加抗氧化剂能显著抑制肌原纤维蛋白氧化，且丁香提取物的抗氧化效果较好。近年来为减少环境污染，增加水产品的附加值，从水产品及其加工副产物中提取活性物质已成为国内外学者研究的重点，有研究表明从水产品副产物中提取的一系列具有体外抗氧化活性的水解物，在水产品中具有良好的抗氧化潜力[45]。Nikoo等[46]研究发现，向日本鲈鱼鱼糜中添加8%鲟鱼鱼皮明胶水解物能有效抑制其在冻融循环过程中脂肪和蛋白质的氧化。Zhang等[47]研究发现，用胰蛋白酶和碱性蛋白酶水解鲢鱼鱼鳍得到的水解液浸泡鳙鱼鱼片可有效降低其在冻融过程的蛋白质和脂肪氧化程度。

3.3 包装方式

改变包装方式是水产品贮藏过程中常用的手段，其原理是通过气调包装、真空包装以及渡冰衣等途径来隔绝氧气从而减缓脂肪氧化和蛋白质氧化。张建友等[48]研究发现-18 ℃冷冻结合气调包装（70%N2和30% CO2）能更有效抑制毛虾脂肪氧化，最大程度地维持毛虾原有的色泽。Dang等[49]研究发现在冻藏条件下，特别是在冻藏温度不稳定的情况下，相对于传统包装，真空包装能更有效地抑制鲶鱼片的脂肪氧化。Shi等[50]研究发现，渡冰衣能显著降低冻藏虾的脂肪和蛋白质氧化程度，且冰衣液中加入迷迭香提取物效果更佳。谭明堂等[51]对冻藏鱿鱼的研究也有类似的结果。

3.4 其它

不同的冷冻和解冻方式对脂肪和蛋白质氧化的影响程度不同，因此根据原料特性选择合适的冷冻和解冻方式也会在一定程度上减少氧化。Cai等[52]研究发现，相对于传统的解冻方式，超声波辅助解冻和微波解冻能改善真鲷鱼片蛋白质的稳定性。姜晴晴等[53]研究发现，与微波解冻、流水解冻和自然解冻相比，低温解冻后带鱼脂肪氧化和蛋白质氧化程度最低。沈妮[54]研究发现，液氮速冻可以有效降低带鱼肌原纤维蛋白的氧化速度，若使用液氮预冻效果更佳。Lucía等[55]研究高压冷冻对沙丁鱼（Sardina pilchardus）脂肪和蛋白质的影响发现，在175～200 MPa范围内高压冷冻能有效抑制脂肪氧化。

降低冻藏温度，减少冻藏时间和温度都波动也可减缓氧化。Klanian等[56]分析了章鱼（Octopus maya）在-18 ℃冻藏品质的变化，结果发现冻藏前3个月脂肪降解更为突出，蛋白质氧化并不明显，但冻藏5个月后蛋白质氧化产物含量显著增加。Hong等[57]研究发现，冻藏温度越低，温度波动越小，大头鲤鱼的TBA值就越小。

4 结论与展望

本文综述了冷冻水产品脂肪和蛋白质氧化机理及其对水产品品质的影响，以及有效的改善措施，以期为改善冷冻水产品品质提供理论指导。但是，目前为止关于水产品脂肪和蛋白质氧化仍有很多方面有待阐明：a.蛋白质氧化对肌肉品质的影响虽已成为研究的重点，但相关研究多集中在体外模拟氧化体系中水产品肌肉蛋白质的变化，而模拟体系与水产品实际加工贮藏环境存在一定差异，所以实际贮藏加工条件下蛋白质氧化的程度及其对品质的影响仍需进一步的研究；b.从蛋白质氧化机理角度，抑制脂肪氧化的措施在一定程度上也能抑制蛋白质氧化，但抗氧化物质与水产品中蛋白质的作用机理仍需要进一步深入研究；c.现有研究结果表明，脂肪和蛋白质氧化几乎同时发生且相互影响，但是脂肪氧化、蛋白质氧化及其产物之间的关系尚不明确；d.由于一定程度的脂肪和蛋白质氧化对冷冻水产品品质有一定积极的作用，因此如何利用脂肪和蛋白适度氧化开发具有独特品质的高附加值水产制品值得进一步研究，从而为水产品加工工业的发展提供新的思路。