溫度波動對凍藏水產品品質影響及控制措施的研究進展

呂穎，謝晶,2,3*

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) 3(上海海洋大學，食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，上海，201306)

水產品蛋白質含量高、脂肪含量低，維生素和微量元素含量豐富，營養價值極高，但受其捕獲和處理方式、肉質的脆弱性和柔軟性，以及其自溶酶的活性溫度低，附著的微生物在室溫下活性強等影響，常溫下水產品容易腐敗變質[1]。而低溫能顯著降低水產品中酶的活性，抑制其脂質和蛋白的氧化和微生物的生長繁殖，有效地延緩水產品腐敗變質，延長其貨架期[2]。

水產品從捕撈、加工、儲存、運輸、配送、銷售直到消費者手中的整個過程需要通過冷鏈來完成。在冷鏈物流中，溫度的控制是影響水產品質量的主要因素[3]，然而溫度波動甚至是多次凍融的情況在冷凍水產品的冷鏈流通過程中時有發生，一方面是因為冷鏈各環節的溫度存在差異，另一方面是由于目前冷鏈的斷鏈是一個普遍的問題[4]，這種情況尤其是在餐館、家庭和零售環節中時有發生[5]。例如裝運產品暴露在外界氣溫下，冷庫壓縮機的啟停，以及停電故障等不可控因素，以及一些人為因素[6]。這些因素導致的溫度變化會使冷凍水產品的貨架期縮短，失去原有的高品質[7]。近幾年對新型冷凍方法的研究比較多，而對冷凍后貯運環節中品質的變化及其控制技術的研究比較少。本文綜述了近年來有關溫度波動對凍藏食品品質影響的研究，以及減少溫度變化帶來的不良影響的措施，為未來如何在貯運過程中更好地保持水產品良好品質，延長貨架期提供一定的理論參考。

1 冷鏈流通過程中溫度變化對水產品品質的影響

1.1 溫度波動對水產品品質的影響機理

溫度波動使水產品加速劣變是由多種因素共同作用造成的，其中最主要的就是溫度波動會引起組織中的冰晶重結晶和進一步生長，從而對細胞造成機械損傷[8]。當環境溫度發生波動時，水產品的凍結率會發生變化，組織中的部分水分處于凍結-融化循環狀態。當環境溫度升高時，組織中較小的冰晶會先融化，擴散到細胞表面，當溫度再次降低時，由于蒸汽分壓力差的存在，這些水會聚集在較大冰晶的周圍，重新凍結，導致冰晶顆粒變大[9]，從而導致冰晶的平均尺寸增加，較大的晶體使肌肉蛋白發生重排、聚集、交聯和不可逆變性，從而導致肌肉組織中持水能力下降，引起的肌肉組織內部變化，影響產品的質地、營養物質和風味。此外，由于產品中未冷凍的水含量增加，酶活性增加，促進了微生物的生長，并且提高了因蛋白質水解和脂質氧化所引起變質的風險[10]。

1.2 溫度波動對水產品物理品質的影響

1.2.1 質地

質構特性包括硬度、彈性、剪切力等指標，硬度反映了水產品保持原有良好形狀的內部結合力, 與肌肉組織的含水量、蛋白質含量、脂肪含量有關，彈性反映水產品肌肉組織中的蛋白質及其水化層形成的網狀結構抵抗外力的能力，與肌原纖維蛋白的化學結構和水結合的作用力密切相關，這些都是評價水產品肉質的重要指標[11]。年益瑩[12]模擬冷凍鱘魚在-18 ℃冷鏈運輸中出現不同次數的-3 ℃斷鏈物流及斷鏈銷售，結果顯示，溫度波動時魚肉組織中冰晶生長，肌肉纖維之間的空隙變大，肌原纖維的空間結構發生改變；并且組織中的水分發生了遷移，導致肌肉蛋白脫水變性，魚肉的硬度和剪切力下降，持水力降低蒸煮損失率升高。王碩等[13]以三文魚為對象模擬了4種不同的物流變溫過程，結果表明在貯藏期間，肌原纖維蛋白會發生降解，硬度、彈性均呈下降趨勢，并且溫度波動越頻繁，下降趨勢越明顯。溫度波動使小冰晶融化后附著在大冰晶上形成更大的冰晶體，增大了肌肉纖維間的空隙，還會引起肌肉纖維空間結構發生變化[14]。同時，細胞中水分的不斷遷移使部分肌原纖維蛋白發生脫水變性，從而影響水產品的質地特性[15]。

1.2.2 感官品質

感官評定通過人的感官從水產品的形態、色澤、氣味，直觀地反映水產品品質，溫度波動會加速感官評分的下降，使水產品失去其商品價值[16]。王則金等[17]對明蝦進行反復凍融處理，在第4次凍融循環時蝦頭尾出現部分黑化現象，并隨著凍融次數的增加，感官品質下降嚴重，嚴重影響其商品價值。肖蕾等[18]模擬大目金槍魚的冷鏈流通中可能出現的2種斷鏈情況，研究發現在穩定的-55 ℃溫度下的大目金槍魚肉色澤穩定，貯藏初期紅度值幾乎沒有什么變化，后期平緩下降，而斷鏈組在整個貯藏期間紅度值下降顯著，結果表明溫度波動加劇了大目金槍魚魚肉的褐變。龔漱玉[19]對生鮮三文魚進行反復凍融處理(-20～20 ℃)，結果顯示，當反復凍融5次以上后魚香味逐漸消失，開始出現腐敗味，色澤逐漸暗淡，魚肉紋理逐漸模糊，表明在運輸和貯藏期間由于溫度大幅度地波動引起的反復凍融會對三文魚的感官方面產生不良影響。水產品的色澤變化與肌肉組織中高鐵肌紅蛋白的含量有密切的關系，溫度波動加速了肌紅蛋白向高鐵肌紅蛋白的轉化，加劇了魚肉的褐變；另外反復凍融造成的細胞損傷使色素類物質流失也會導致紅度值的下降[20]。

1.3 溫度波動對水產品化學品質的影響

1.3.1 脂質氧化

溫度波動中的冰晶體生長會對肌肉細胞造成機械損傷，使細胞釋放氧化酶、鐵、血紅素蛋白等促進脂質氧化的成分。通常使用硫代巴比妥酸反應性物質(TBARS)方法測量脂質氧化二級產物的質量，這些次級產品會導致水產品腐臭，產生刺激性氣味和其他異味。林二妹[21]對明蝦進行凍融處理(-20～10 ℃)，實驗發現經過凍融循環的樣品的TBARS值、汁液流失率與凍融次數之間呈現極大相關性(P<0.01)，結果表明，隨著凍融次數的增加，TBARS值、明顯上升。樣品的TBARS值隨著凍融循環的增加而增加，這是由于各種破裂的細胞器釋放出了氧化酶和脂肪氧化的前提物質特別是鐵離子，催化了脂質的氧化。夏克鑫[22]的研究結果與林二妹的一致，大菱鲆反復凍融過程的TBARS值呈上升趨勢，這說明反復凍融使脂肪的氧化加劇，次級氧化產物積累，表現為丙二醛的檢出量升高，TBARS值上升。黃涵等[23]對新鮮鮰片魚進行反復凍融處理，發現隨著凍融循環的次數增加，酸價總體呈上升趨勢。這是由于隨著凍融循環次數的增加，細胞受到機械損傷，氧化酶從細胞液中流出，魚體中脂肪在這些酶的作用下，被氧化分解為一些小分子的醛、酮類物質，隨著凍融循環次數的增加，這些物質不斷積累從而使酸價上升。

1.3.2 蛋白質氧化

氧化反應是凍藏水產品中造成質量損失的重要因素，包括脂質氧化和蛋白質氧化。盡管脂質氧化是變質的主要形式，但由于水產品含有豐富的蛋白質，蛋白質氧化對品質的影響也不容忽視[24-25]。蛋白氧化會引起羰基、巰基、表面疏水性、可溶性肽以及Ca2+-ATP酶活的改變，進而影響蛋白構象[26]。張洪超等[27]用3種不同的解凍方式(0 ℃解凍、流水解凍和室溫解凍)對-20 ℃凍結溫度下的烏賊肉進行凍融處理，用紅外光譜分析對其進行分析，結果顯示，反復凍融使金烏賊肌原纖維蛋白表面疏水性顯著增加，總巰基與活性巰基的含量均呈顯著下降趨勢，水性肌原纖維蛋白質的空間構象發生改變，二級結構也發生變化，α-螺旋和β-折疊二者含量之和占比降低，β-轉角和無規則卷曲二者含量之和增加，表明蛋白質在反復凍融過程中緩慢氧化。鄧思楊等[28]的研究結果與張洪超一致，對鏡鯉魚進行多次凍融處理，隨著次數的增加，肌原纖維蛋白的表面疏水性增加，表現為持水性下降，巰基和α-螺旋含量下降，蛋白質發生氧化，肌原纖維蛋白的完整結構被破壞，蛋白質的乳化特性和溶解性降低。蛋白質氧化與促氧化因子密切相關，溫度波動會加速促氧化因子的釋放，例如脂肪氧化產生的自由基，因細胞損傷釋放的一些色素因子和氧化酶，都會使蛋白質發生氧化，從而破壞蛋白質的穩定性，降低其與水的結合能力，導致溶解度下降，持水性變差，降低水產品肉質的嫩度和多汁性，使其風味變差[25]。

1.4 溫度波動對水產品中微生物的影響

水產品由于生長環境和自身特性容易受到微生物的污染，微生物的生長繁殖會促進蛋白質和脂質的氧化降解，產生不良的風味[29]。低溫并不能減少水產品中微生物的數量，只是抑制微生物的生長繁殖，溫度波動使細胞中酶活性增加而促進微生物的生長和繁殖。黃文博等[30]在模擬美國紅魚的冷鏈物流實驗中發現溫度波動有利于微生物的生長，從而加快紅魚肉質的劣變。王倩等[ 31]采用聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳指紋技術(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis，PCR-DGGE)評價冷鏈與斷鏈流通中大黃魚中微生物種群的多樣性，研究表明溫度波動組的微生物的增長速率大于恒定組，貯藏后期主要優勢菌為假單胞菌與嗜冷桿菌[32]。湯元睿等[33]對金槍魚進行了3種不同的物流模擬，結果顯示，溫度每次從-55 ℃升至-18 ℃貯藏后，金槍魚中的菌落總數會出現顯著上升，其實驗表明即使在超低溫貯藏下的溫度波動也會促進微生物生長繁殖。由此可見低溫并不能減少水產品中微生物的數量，只是抑制微生物的生長繁殖，溫度波動使細胞中內源酶的活性增加而促進微生物的生長和繁殖，避免貯運中的溫度波動對消費者食用期間的安全性有重要意義。

2 溫度變化對水產品貨架期的影響

水產品的貨架期一方面受產品本身性質的影響，包括水分、pH值、組成成分和初始微生物數量等，另一方面是受捕撈后加工、運輸、貯藏、銷售等外界環境因素的影響，在此過程中，溫度被認為是影響食品貨架期的最重要因素。MARGEIRSSON等[34]用可以控制溫度的集裝箱模擬真實的海運物流，研究在這個物流過程中鱈魚片的質量變化，發現處于動態溫度組即溫度波動大組的鱈魚片質量下降迅速，微生物生長加快，比恒定低溫組的貨架期縮短1.5～3 d，與傅麗麗[35]的研究發現的溫度波動使大黃魚的貨架期明顯縮短的結果一致。溫度的波動使水產品的化學性質、物理特性、微生物等發生改變，導致內源酶的活性恢復，促進微生物的生長繁殖，加速其蛋白質、脂肪氧化分解，產生不良色澤和異味，加快其達到貨架期終點[36]。

3 減少溫度波動的對水產品品質損害的措施

3.1 糖類物質

研究表明在凍藏水產品中添加冷凍保護劑可以抑制冰晶的生長與重結晶、改變氫鍵形成方式、抑制羰基形成和脂質氧化[37]，并通過保持Ca2+-ATPase活性，減少疏水基和巰基在蛋白質表面的暴露以及降低蛋白質聚集程度[38]，保護蛋白質不變性，從而顯著地提高凍藏水產品的品質[39]。近年來，一些糖類及糖醇類物質已經被廣泛應用于凍藏水產品中，例如殼聚糖、海藻糖、魔芋葡甘露聚糖、山里糖醇[40-41]等。ZHANG等[42]的研究發現在貯藏在-24 ℃和-80℃之間波動溫度的凡納濱對蝦組織中冰晶的表面積值不斷增加，冰晶的圓度不斷降低，失水嚴重，肌肉細胞和結締組織的結構被破壞，肌原纖維明顯分離和崩解，肌肉蛋白質變性嚴重，而冷凍前用質量濃度為300 g/L海藻糖和海藻低聚糖浸泡處理可顯著改善蝦肌肉組織的持水性，減緩了冷凍誘導的蛋白質變性，保留了肌肉組織的結構完整性，并抑制了冰晶的生長和重結晶。尚坤等[43]將海藻糖和甘露醇的添加至蝦蛄肉糜中，結果顯示海藻糖和甘露醇可以有效降低經過凍融循環的肉糜中蛋白質的變性程度，減少蛋白結構的變化，改善肌原纖維蛋白的凝膠特性(凝膠強度、持水力和三維網絡結構)、乳化活性和乳化穩定性。這些糖類分子通過氫鍵、疏水或靜電相互作用與肌肉組織中的水分子結合，同時影響了肌肉蛋白質周圍水分子的分布和遷移，抑制了冰晶體的生長和重結晶，保護蛋白質不變性，從而減少了溫度波動對水產品品質的損害[44]。

3.2 加鹽

適度鹽腌也有助于減少凍融對水產品肉質的損害。JIANG等[45]對金槍魚肉以不同濃度(0.25～3 mol/L)的NaCl溶液連續振蕩浸泡1 h后冷凍在-20 ℃的冰箱中，隨后進行凍融循環處理，與未經腌制處理的金槍魚相比，在最佳條件下(1 mol/L)鹽化后的魚肉組織中形成的是許多球形或橢圓形的冰晶而不是冰柱，并提高了金槍魚肉的冷凍穩定性，即使經過多次凍融循環，鹽腌也改善了金槍魚肉的保水能力和質地特性，肌纖維仍然規則、飽滿。近些年的研究表明NaHCO3也可以提高肉制品的保水性[46]，章蔚等[47]用NaHCO3浸泡鮰魚肉，發現一定濃度的NaHCO3的溶液可以顯著抑制經反復凍融鮰魚肉脂肪的氧化和蛋白質的變性，保持魚肉的持水能力，減少凍融對肌肉品質的損害。這是由于磷酸鹽可以增加肌動球蛋白的親水性，促進魚肉蛋白的穩定，提高凍融冷凍產品的保水率，保持口感并減少解凍和蒸煮損失。

3.3 包裝

水產品在貯藏過程中，環境溫度波動對其質量造成的影響也可以通過包裝材料的阻隔來減輕[34]。陳世達等[48-49]根據實際的物流運輸模擬了2種溫度波動的情況，并結合真空包裝對養殖大黃魚和南美白對蝦對進行處理，研究表明在溫度波動的情況下，真空包裝抑制其組織中的脂肪氧化衰敗和微生物及酶帶來的不好影響，對其品質更有保障，可以更好地保持水產品的品質。尚菲菲等[50]以大菱鲆為研究對象，采用了2種溫度波動的冷鏈運輸模型，設置冷鏈真空組和空氣組，發現在運輸期間真空包裝組的TBA值、TVB-N值上升緩慢，白度值、感官評價值下降相對延緩，結果表明真空包裝可使大菱鲆保持較好的新鮮度。楊亞茹等[51]在大菱鲆低溫冷鏈流通過程中結合了包裝處理，分別采用空氣和真空2種方式，采用頂空-固相微萃取氣質聯用技術及電子鼻分析其風味的差異，結果表明，在冷鏈流通中真空包裝的大菱鲆可以保持較穩定的新鮮度和良好的風味。真空包裝或氣調包裝能夠有效地隔絕氧氣，抑制微生物生長，有效延緩酶促反應，顯著改善水產品貯運過程中的品質劣變現象，延長其貨架期，已經廣泛被用于與水產品的冷鏈流通中。

3.4 其他方法

除了添加冷凍保護劑、適度鹽腌、包裝，還有其他一些方法可以減少溫度波動帶給水產品的不良品質。YE等[52]研究了100%(體積分數)的氣單胞菌無細胞上清液(cell-free supernatant, CFS)浸泡太平洋白對蝦1 min后對其在冷鏈物流中品質變化的影響，研究表明模擬物流中的溫度波動有利于腐爛鏈球菌的生長，增加了總揮發性堿性氮和生物胺值，降低了蝦的感官品質，而CFS的使用可以抑制微生物的生長和腐爛鏈球菌的致腐能力，并延緩冷鏈物流過程中因溫度波動而引起的蝦的質量下降。傅麗麗等[53]的研究結果發現溫度波動組大黃魚的各項指標與溫度穩定組存在顯著性差異，貨架期明顯縮短，但對冷凍大黃魚進行1、2、4 kGy不同劑量的輻照處理后，可以在一定程度上改善溫度波動對其造成的不良影響，但是若輻照劑量控制不當也會對冷凍大黃魚脂質產生不良影響。這2種方法本質上都是通過抑制水產品中微生物的生長或繁殖和直接殺死微生物從而使水產品在冷鏈流通中保持較長時間的良好品質。

4 總結與展望

水產品凍藏過程中溫度波動產生的不利影響不能單用幾個指標來指示，因為引起的物理、化學、微生物變化之間彼此密切相關，彼此的互相作用又加速了水產品的劣變。雖然添加一些冷凍保護物質或結合輻照技術以及對其進行真空包裝等可以緩解溫度波動對品質的影響，但是還是無法完全消除。因此，如何維持冷凍水產品貯運過程良好的品質，延長其貨架期，還需要從多方面深入。有效地使凍藏水產品在貯運期間保持穩定的低溫仍然是基礎，應高度重視冷鏈物流中各個可能會引起溫度波動的交接環節，不斷完善冷鏈物流的管理，使其更好地發揮冷鏈的作用；也可考慮將新型的保溫隔熱材料應用于貯運過程中，同時可采用多種保鮮方法結合，例如將冷凍保護劑與鍍冰衣技術以及包裝技術相結合，延緩溫度波動等其他不利因素可能帶給水產品的不良影響。此外，還可以對溫度波動造成凍藏水產品品質變化的機理進行更深層次地分析和研究，以利今后設計更有效的保鮮措施保障凍藏水產品品質。