非热杀菌技术在水产品保鲜中的应用研究进展

郁佳怡，钱韻芳,2,*

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306）

水产品通常是指来源于水环境（包括海水和淡水）并且可以通过捕捞或养殖手段获得的，可以供人们食用的各种鲜活鱼、虾、蟹、贝、头足类、藻类等水产动植物产品及其初级加工产品的总称。近年来，随着人们物质生活水平的大幅提高，我国逐渐成为世界上重要的水产品生产、消费和出口大国。然而，水产品的高营养价值同时也是其容易发生腐败变质的原因。这主要与新鲜水产品肌肉中水分、蛋白质和不饱和脂肪酸含量较高有关。水产品的腐败变质会导致其营养和经济价值的大幅降低，甚至可能会引发食品安全问题。

为延长水产品的货架期，一些传统的保鲜方法，如腌渍、干制、烟熏等，早已被开发并得到广泛应用。然而，传统保鲜方法往往使用高盐、高温加热、烟熏等处理手段，容易使水产品发生蛋白质变性，并伴随一些其他的化学变化和反应，可能会带来新的食用安全与营养健康问题。为了满足广大消费者对水产品高品质的追求，非热杀菌技术成为近年来的研究热点。因此，本文综述水产品贮藏过程中微生物的种类、分布、特点及危害，同时介绍超高压（high hydrostatic pressure，HHP）、高密度二氧化碳（dense phase carbon dioxide，DPCD）、辐照、低温等离子体（cold plasma，CP）、高压静电场（high-voltage electrostatic field，HVEF）、臭氧及酸性电解水等非热杀菌技术的作用机理、特点及其在水产品保鲜加工中的应用进展，并对它们在水产品贮藏保鲜与加工中的未来发展趋势进行展望，以期为水产品非热杀菌保鲜技术的开发提供参考。

1 水产品中的微生物

1.1 特定腐败菌

水产品腐败主要原因之一是某些致腐微生物在生长繁殖、代谢过程中会分解水产品蛋白质等营养物质，产生如胺、硫化物、醛、酮、酯等腐败化合物，与此同时还伴有明显的异味及腐臭味，使得水产品的可接受度大大降低。特定腐败菌（specific spoilage organism，SSO）在水产品贮藏前期微生物菌群中数量上并不突出，但随时间的延长，SSO的生长速率明显快于其他菌，同时其代谢产物具有致腐活性，在腐败过程中占据主导地位并最终导致感官上不可接受，降低其商品价值。

水产品中的SSO种类十分丰富，但由于不同水产品的品种、产地、加工处理方式、贮藏条件等不同，SSO的分布和数量也会受到一定影响。有关文献报道，新鲜水产品在未冷藏条件下SSO为弧菌科（Vibrionaceae），在有氧冷藏条件下假单胞菌属（spp.）和腐败希瓦氏菌（）是最为常见的SSO；水产品在真空冷藏条件下或经气调包装处理后肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、磷发光杆菌（）和乳杆菌（）为常见的SSO；鱼、贝类及甲壳类鲜品中以腐败希瓦氏菌、磷发光杆菌、热杀索丝菌（）为常见的SSO。

1.2 致病微生物

水产品中的致病微生物因其可导致严重的食源性疾病而受到关注。水产品中的致病微生物主要可分为3 类，分别为：来自水环境的细菌，如单增李斯特菌（）、副溶血性弧菌（）；来自动物或人类粪便的细菌，如大肠杆菌（）、沙门氏菌属（spp.）、金黄色葡萄球菌（）；以及海洋病毒，如牡蛎中常见的诺如病毒。这些致病微生物极大影响着水产品的安全，当人们食用了带有致病菌的水产品后，会引起一系列疾病的产生，如急性肠胃炎、腹泻、头疼、发烧、全身乏力、恶心呕吐、败血症和痢疾等，对人体健康产生极大危害。

2 非热杀菌技术的原理及在水产品中的应用

2.1 HHP技术

HHP技术与传统的热加工方法相比，应用于制冷、环境或适度加热的HHP为食品加工提供了许多优势，它可以灭活致病菌和腐败菌，而食品颜色、质地和风味的变化较小。HHP技术将食品密封在高压容器中，以水或其他液体为传压介质，通过施加一定的压力（100～1 000 MPa）进行一定时间的处理，使微生物细胞的形态结构发生改变，造成细胞膜损伤，导致细胞内容物泄漏、遗传物质复制停止、酶不可逆失活，进而引起微生物死亡，其抑菌机制示意图见图1。

图1 HHP技术抑菌机制示意图Fig. 1 Schematic diagram of the sterilization mechanism of HHP

针对HHP技术在水产品保鲜方面的应用效果，科研人员做了许多探索。梁山泉等研究HHP处理对太平洋牡蛎（）肠道菌群的影响，发现100 MPa保压5 min能显著降低致病菌的相对丰度，HHP处理不仅能够降低太平洋牡蛎肠道内菌群的总量及多样性，还能够有效杀灭如交替假单胞菌属（）和希瓦氏菌属等常见的腐败微生物，从而延缓牡蛎的腐败，延长牡蛎的贮藏时间。王晓谦等研究HHP杀菌处理和热处理对新鲜香港牡蛎肉品质的影响，发现相比热处理，HHP杀菌能够使牡蛎的基本营养成分得到较好的保留，并维持较好的组织颜色，但HHP压缩了牡蛎的体积，使组织结构更紧密，促进了蛋白质的相互作用，引起蛋白质变性。有研究评估了HHP处理对银鲑鱼和鲍鱼在4 ℃冷藏期间的微生物繁殖和延长保质期的影响，结果表明，对鲑鱼施加压力（170～200 MPa、30 s）并不能杀死微生物，而是抑制其增殖；另外与对照样品30 d的保质期相比，该技术可提高鲍鱼的保鲜期（＞65 d），证明HHP处理结合冷藏会影响鲑鱼和鲍鱼的微生物组成和品质。

上述研究表明，不同条件的HHP对水产品的作用效果随产品种类、化学组成及生物学特性等因素的不同而不同，另外，目前关于HHP对水产品中维生素和微量元素影响的研究较少。因此有必要针对不同的水产品进行适用性研究，优化压力水平、保压时间和保压温度等处理条件，在延长水产品货架期的同时尽可能降低营养损失。

2.2 DPCD技术

DPCD杀菌技术借助二氧化碳本身的抑菌活性，在高压的协同作用下，起到杀菌效果。DPCD杀菌技术是基于超临界二氧化碳的性质而发展起来的，超临界状态下的二氧化碳具有液体和气体两方面的特性，黏度低而扩散能力强，要使二氧化碳达到超临界状态，温度需要超过31.1 ℃，压力需要高于7.38 MPa。因此，DPCD杀菌的基本原理可概括为利用高密度的二氧化碳处理置于密封装置内的食品，使食品处于高酸环境中，二氧化碳渗透入细胞内，减压时二氧化碳急剧膨胀导致细胞内容物泄漏；同时借助温度和压力杀灭腐败菌和致病菌，并且可以使某些酶失活，从而延长食品的货架期，其抑菌机制示意图见图2。

图2 DPCD技术抑菌机制示意图Fig. 2 Schematic diagram of the sterilization mechanismof DPCD

Ji Hongwu等研究DPCD处理对凡纳滨对虾微生物的灭活作用，并利用神经网络优化微生物灭活的工艺参数，结果表明，DPCD处理对虾体内的微生物有显著杀菌作用，灭活效果随着压力、温度和暴露时间的增加而增强，温度是影响虾微生物灭活的最重要因素。DPCD处理同时也会对水产品蛋白质的凝胶特性产生影响。李茹等运用响应面分析法探讨DPCD相对于热处理对于诱导金鲳鱼鱼糜凝胶形成的影响，结果发现，DPCD诱导相比热诱导形成的鱼糜凝胶具有更好的持水能力和更高的凝胶强度。该凝胶特性的改变可能与肌球蛋白的-螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲空间结构改变有关。

DPCD相比传统的热处理及以上提及的HHP杀菌有无氧、温度低的优点，因此能够较好保留食品中如维生素等对热、氧敏感的成分；另外，由于压力较低，操作中更易实现，更能节省成本。但目前DPCD应用的对象主要还是集中于液体食品，如果汁、糖浆等；而在水产品等固体食品中的应用研究还较少。

2.3 辐照技术

辐照技术是利用放射性同位素Cs、Co发出的γ射线或是高能电子束，通过将食品暴露于对食源性病原微生物有致命影响的电离辐射来控制腐败，从而保障食品的安全并延长其保质期的一种非热杀菌技术。辐照杀菌的作用原理是由于射线会间接或直接产生一些化学效应，阻碍微生物细胞的生命活动，导致细胞凋亡，直接效应是高能电子束照射微生物细胞，引起细胞发生辐射诱变，影响DNA合成，干扰细胞生命活动；间接效应是水分发生电离，形成H·、·OH、HO·等自由基，与细胞内其他物质发生化学作用，使细胞受损，丧失生理机能，其抑菌机制示意图见图3。

图3 辐照技术抑菌机制示意图Fig. 3 Schematic diagram of the sterilization mechanism of irradiation

Annamalai等研究0、2.5、5.0、7.5、10.0 kGy辐照对真空包装去头南美白对虾2 ℃冷藏品质的影响，辐照样品中热杀索丝菌和乳酸菌数量显著降低（＜0.05），并且辐照组样品依照剂量水平保质期延长15～23 d。戚文元等研究发现，采用4 kGy及以上剂量的辐照能够有效杀灭罗非鱼片中沙门氏菌、金黄色葡萄球菌及副溶血性弧菌。张晗等研究表明，3～5 kGy的辐照处理是降低鲈鱼肉菌落总数的最合适且有效的剂量，延缓鲈鱼肉总挥发性盐基氮（total volatile base nitrogen，TVB-N）含量的升高，并有效将鲈鱼肉的货架期延长6～10 d。

辐照杀菌相比传统的保鲜手段具有射线穿透力强、杀菌效果好、热敏性营养成分不易流失、无残留等优点。 但另一方面，消费者担心辐照的安全性问题，以及产生的特殊“辐照味”在一定程度上制约了其应用。因此，未来还需要继续完善相应的法律法规及标准，以扩大该技术的发展前景。

2.4 CP技术

CP是物质常见固、液、气态之外的第4态，是中性气体在击穿电压下产生大量的正负带电粒子、中性粒子、电子、自由基组成的一种准中性气体。CP中被激活的化学物质可以在环境温度下对微生物迅速起作用，而不会留下任何已知的化学残留物。关于该技术的作用机制还不明确，有研究提出了3 种可能性：通过破坏肽聚糖层导致细菌细胞壁损伤；静电张力引起细胞膜穿孔，导致内容物泄漏；活性成分，如活性氧的氧化作用引起DNA损伤。

水产品是一类营养丰富、易腐败又对温度敏感的食品原料，CP处理在加工与保鲜中可以作为一种合适的干预手段，用来提高产品安全性并延长保质期。Chen Jing等研究采用介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD） 产生CP对改善鲐鱼品质的效果，结果表明，该处理的最佳电压水平和暴露时间分别为60 kV和60 s；菌落总数、感官评分和TVB-N含量的变化表明，CP处理可使鲢鱼的货架期延长至14 d，而未经CP处理的样品贮藏6 d后上述3 个指标均超过限值。Choi等研究DBD-CP对接种于黑嘴鮟鱇鱼表面的金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌的影响，用DBD-CP处理1、5、10、20、30 min的鱼片上金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌的数量分别减少0.10～1.03、0.14～1.06（lg（CFU/g）），30 min的DBD-CP 处理能使金黄色葡萄球菌和蜡样芽胞杆菌数量减少90%以上。在食品加工或保鲜过程中，食品内源酶对食品的色泽、质地和风味有一定的影响。Zouelm等研究CP对南美白对虾冷藏品质的影响，结果表明，CP处理可有效降低多酚氧化酶的相对酶活性，延长CP处理至150 s可使酶活性降低50%。

CP技术是一种新兴、经济、环境友好的杀菌技术，在食品和生物加工行业具有潜在的应用前景，然而，当活性氧作为等离子体放电产生的成分存在时，可能会导致食品品质下降，如活性氧包含的单线态氧具有很强的活性，其诱导的脂质氧化最终会影响食品的可接受性和保质期。

2.5 HVEF技术

HVEF技术最早得到应用的领域是果蔬保鲜，具有较好的保鲜效果，目前其得到广泛认同的作用机制主要有3 种：静电场通过改变跨膜电位来影响生理代谢；静电场通过影响生物体内部呼吸系统的电子传递体来减缓生物体内氧化还原反应；静电场引起生物体内部水分共振，导致水分结构及其与酶结合状态改变使其失活。

研究人员对于该技术在水产品保鲜领域做了许多尝试与探索。Huang Han等研究HVEF对鲶鱼片微生物群落和品质特性的影响，经30 kV HVEF处理15 min的鱼片货架期比对照组延长2 d，且组织损伤较少，高通量测序结果表明，HVEF处理主要抑制了贮藏7 d后腐败菌（不动杆菌和链球菌）的生长。Li Dapeng等研究发现，在-12 kV HVEF处理下，淡腌冷冻鲤鱼腺苷一磷酸脱氨酶活性增强，酸性磷酸酶活性降低，这延缓了一磷酸肌苷到次黄嘌呤的降解。Bai Yaxiang等研究发现，与空气解冻相比，HVEF辅助解冻的南美白对虾能够缩短解冻时间，并且解冻后的虾汁液流失、细菌数量、TVB-N含量等指标都更低，为提高水产品的解冻质量提供了新的思路。

近年来，与HVEF技术类似，也有研究者将低压静电场应用于水产品的保鲜，如蓝点马鲛、凡纳滨对虾、 脊腹褐虾及竹节虾，也都抑制了菌落总数的增长，维持了产品鲜度，取得了较好的保鲜效果。

2.6 臭氧技术

臭氧是一种强氧化剂和有效的消毒剂，可以有效杀灭革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌等微生物，并迅速分解为氧气，安全、环保。臭氧的灭菌机制主要有三方面：1）臭氧可以增加细胞膜通透性，导致细胞膜破裂，细胞死亡；2）臭氧可以使维持细胞生理代谢功能的酶失活；3）臭氧可以通过直接破坏遗传物质来促使微生物细胞凋亡。

关于臭氧杀菌在水产品保鲜中的应用，国内外科研人员做了相应的探索。de Mendonça Silva等研究臭氧水对罗非鱼片微生物的杀灭效果，证明臭氧水能有效减少微生物并保持罗非鱼片质量。Aponte等通过对鲆鱼（）贮藏12 d的品质进行监测，研究表明，臭氧处理能够将鲆鱼的保质期延长至1 周。Liu Cikun等用3、5、7、10 mg/L臭氧水处理草鱼鱼糜，发现臭氧水处理组的白度值高于对照组，表明臭氧水漂洗可以改善草鱼鱼糜的感官品质，是改善淡水鱼糜色泽的一种有效方法。

臭氧具有分解速率快，在食品保鲜过程中残留效应小的优点，是食品工业急需的防腐剂替代品，其氧化能力仅次于单质氟，不过当臭氧的浓度过高时，会对人体产生伤害，使用过程中需要控制其浓度。

2.7 酸性电解水技术

酸性电解水是具有一定酸性、氧化还原电位（oxidation reduction potential，ORP）及有效氯含量（available chlorine concentration，ACC）并有一定杀菌能力的酸性水溶液，是由盐水在电场作用下电解制备而成的。因其具有制备方便、成本低、高效、安全等诸多优点，已经在蔬果保鲜、食品加工、农业养殖等诸多领域得到了较为广泛的应用。关于酸性电解水的抑菌保鲜机理，目前的研究提出了2 种理论：1）认为低pH值（＜2.7）和高ORP（＞1 000 mV）能够通过改变细胞膜通透性以及干扰RNA合成达到灭菌的目的；2）认为ACC能够破坏维持细胞正常生理功能的组成成分，具有抑制细胞活性的作用。

Zhao Li等研究发现，酸性电解水冰明显抑制了南美白对虾肌纤维蛋白降解，以及嗜冷杆菌属、希瓦氏菌属和黄杆菌属等腐败菌的生长。Wang Meng等研究酸性电解水冰对对虾的理化、微生物学、肌浆蛋白和酶活性的影响，初步探讨酸性电解水冰提高虾品质和安全性的机理。结果表明，与自来水冰相比，酸性电解水冰对对虾的pH值变化、肌纤维收缩及多酚氧化酶有显著抑制作用（＜0.05）。Lin Ting等研究酸性电解水冰对南美白对虾的保鲜效果，发现与自来水冰相比，酸性电解水冰显著延缓了色差变化和TVB-N的形成（＜0.05），此外，酸性电解水冰对生虾上的细菌生长有抑制作用，贮藏6 d时和自来水冰相比，菌落总数的最大减少量在 1.0（lg（CFU/g））以上。

酸性电解水虽然有许多优点，但较高ACC与较低的pH值不可避免地会对加工设备造成一定程度的腐蚀，且有对水产品原料的外观产生负面影响的可能性，因此，近年来进一步对微酸性电解水、中性电解水与碱性电解水的探索逐渐增多，以期能够同时保证水产品的安全及良好的品质。

3 结 语

综上所述，非热杀菌技术近年来发展迅速，与传统热杀菌方法相比其有着诸多优点，如能够更好地保持水产品质地、色泽、延缓水产品中微生物的繁殖、延长货架期等，因而受到消费者的青睐，并成为研究热点。本文就水产品非热杀菌技术的发展趋势展望如下：1）非热杀菌技术的抑菌机理研究仍处于探索阶段，还有待进一步研究；2）非热杀菌技术作为一种新型食品保鲜方式，还需要关注其安全性，包括但不限于其直接对水产品本身产生的影响，或是作用于食品包装间接对水产品的安全造成影响；3）由于不同水产品本身原料特性、营养成分、质地及口感都具有较大差异，因此有必要针对不同水产品进行工艺参数的优化研究，甚至装备的研发升级，以提高产品的品质和生产产能。