臭氧水處理在水產品殺菌保鮮中的應用研究進展*

藍蔚青 趙亞楠 劉 琳 謝 晶

臭氧水處理在水產品殺菌保鮮中的應用研究進展*

藍蔚青1,2趙亞楠1劉 琳1謝 晶1,2①

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

水產品自身帶有或貯運期間污染的微生物是導致其腐敗變質的主因。為減少微生物對水產品品質影響，延長其貨架期，減菌化前處理是減少其加工貯藏過程中微生物污染的關鍵技術。本文在分析比較水產品常用減菌化處理水的作用機理與主要特點的基礎上，重點介紹了臭氧水在水產品殺菌保鮮中的應用研究進展，提出其存在問題與解決辦法，闡明將臭氧水與流化冰、氣調保鮮及其他保鮮處理技術相結合的優勢，并對臭氧水在水產品貯藏加工中的應用前景予以展望。

水產品；臭氧水；殺菌；保鮮

我國漁業蓬勃發展，據《2019年中國漁業統計年鑒》顯示，2018年的水產養殖面積達7449.03×103hm2，總產量為6457.66×104t，進出口量為954.42×104t，其中，總產量和進出口量同比2017年分別增加0.19%和3.33%(農業農村部漁業漁政管理局, 2019)。目前，市場上供應的水產品主要是鮮活水產品，其次為加工制品，截至2018年底，水產品加工總量達2156.85×104t，同比下降1.79%。由于水產品易受季節、地域與運輸條件等影響，其在品質與風味上易發生劣變(Jiang, 2019)。水產品產量呈逐年遞增的同時，中國水產品在綜合加工利用程度方面與發達國家相比，仍存在一定差距。

水產品因其特殊口感風味，且富含不飽和脂肪酸與優質蛋白源等特點，廣受消費者喜愛。然而，其死后由于內源酶和微生物的作用，易發生自溶、蛋白質與氨基酸分解、產生堿性胺類物質等一系列變化，極易腐敗變質(馮豪杰等, 2019)。目前，水產品加工方式趨于多樣化，生食水產品為保證其原有口感，須在低溫條件下減菌化處理。在保證其安全衛生的同時，最大程度保留其營養與風味。

目前，國內外常用的減菌化處理方式有電解水、臭氧水、二氧化氯水及有機酸處理等。其作用機理與主要優缺點見表1。由表1可知，臭氧水與其他減菌化用水相比，存在一定優勢。首先，臭氧水具有強氧化性和抑菌殺菌能力，其作用食品后能分解成O2，無殘留，FDA早在2001年就將O3列入可直接與食品接觸的添加劑中(袁成豪等, 2019)。目前，被廣泛應用于果蔬農副產品、畜禽類、水產品與乳制品的滅菌保鮮中，效果良好(李娜等, 2018; 肖子寒等, 2018; Papachristodoulou, 2017)。O3溶于水制得臭氧水，作為殺菌劑用于水產品貯藏前期的減菌化處理，也可作為脫腥劑和漂白劑使用(李學鵬等, 2019)。

O3的制備方式根據其工作原理，可分為電解法、電暈放電法、紫外線照射法等(黃玉婷, 2014; 宣偉, 2011)，其工作原理及優缺點等如表2所示。

本文在對比分析水產品常用減菌化處理水作用機理與主要優缺點的基礎上，對臭氧水在水產品殺菌保鮮中的應用研究進展及存在的主要問題予以介紹，提出將臭氧水與流化冰、氣調保藏、微納米氣泡水等技術相結合的解決途徑，并對其應用前景予以展望，以期為臭氧水處理技術在水產品貯藏保鮮中的應用提供理論參考。

表1 不同減菌化處理水的主要作用機理與優缺點比較

Tab.1 Comparison of main action mechanism, advantages and disadvantages of different antibacterial treatment water

表2 臭氧制備方法的主要工作原理及優缺點比較

Tab.2 Comparison of main working principles, advantages and disadvantages of ozone preparation methods

1 臭氧水處理在水產品貯藏保鮮中的應用研究進展

O3具有強氧化性與抑菌殺菌能力，在魚片及魚糜制品漂白脫色、異味去除及殺菌保鮮，甚至是加工設備清洗消毒、循環水養殖等領域中得到廣泛應用(趙永強等, 2013; 黃濱等, 2016)。目前，已有學者從臭氧水處理濃度、溫度、時間與處理方式等方面研究其對水產品減菌效果與品質風味影響，也將其作用后對人體的安全性予以評價。其中，趙永強等(2014)通過急性毒性與遺傳毒性實驗得出，經4.5 mg/L臭氧水減菌化處理30 min的羅非魚()魚片對SD大鼠()未表現有遺傳毒性，骨髓微核試驗和染色體畸變試驗均為陰性，SD大鼠的最大耐受劑量大于15 g/kg；Wedemeyer等(1979)研究表明，經臭氧水處理后虹鱒魚()的急性毒性，結果得出臭氧平均致死閾值為8 μg/L，2 μg/L的臭氧水不會對虹鱒魚引起明顯的生物損傷。因此，采用適宜濃度的臭氧水處理，對魚體及人體都不會產生毒副作用。

1.1 減菌處理

微生物的種類與含量同水產品新鮮程度與腐敗程度關系密切，臭氧水對鼠傷寒沙門氏菌()、大腸桿菌()、李斯特菌()等均有高效滅活能力，是廣譜殺菌和高安全性的殺菌劑(Gibson, 2019)。其中，Cao等(2010)研究發現，以牡蠣()為實驗對象，經5.0×10–6g/L臭氧水處理后，可有效減少牡蠣表面的初始菌數，保持新鮮品質，延長貨架期2 d；魯建云等(2018)實驗得出，臭氧水在制得后0~10 min內，其濃度衰減速度較快，且在 20℃~30℃時，0.3 mg/L的臭氧水對金黃色葡萄球菌()、大腸桿菌等病原微生物殺菌效率達100%；劉偉等(2016)采用3.60 mg/L的臭氧水噴淋減菌處理冷鮮草魚() 發現，噴淋時間為3 min時，其對金黃色葡萄球菌與大腸桿菌的殺菌率分別達60%與80%，臭氧水減菌前處理后樣品置于4℃環境貯藏可延長保質期2 d；Silva等(2017)研究不同濃度的臭氧水和不同處理時間對羅非魚的減菌效果及理化影響，研究表明，采用1.5 mg/L的臭氧水處理15 min，對羅非魚魚片的減菌率達88.25%，且不影響魚片pH和色澤；Gelman等(2005)研究O3處理對活魚在0℃和5℃下貯藏期間的品質變化及貨架期，經微生物檢測，與5℃下貯藏經臭氧處理的羅非魚相比，在0℃下結合O3貯藏是其延長保質期的有效手段。可見，臭氧水對細菌、真菌、原生動物及病毒等有不同程度的抑制或滅活作用，具有處理時間短、抑菌濃度低的優點；此外，臭氧水濃度與減菌率正相關，振動狀態的臭氧水還可在實際生產中增加臭氧利用率和殺菌效果(孫繼英等, 2013)。

1.2 鮮度保持

在適當條件下，適宜濃度的臭氧水處理水產品及魚糜制品可顯著提高其凝膠強度和肌原纖維蛋白羰基含量，延緩總揮發性鹽基氮值(Total volatile base nitrogen, TVB-N)與值的升高，抑制pH變化與水分流失，具有較好的保鮮作用(李學鵬等, 2019)。同時，O3的強氧化性也會導致樣品發生輕微的蛋白質氧化變性和脂肪氧化，但相較于其能延長貨架期的保鮮能力相比，該作用可忽略不計(Okpala, 2017; 安玥琦等, 2015)。其中，張紅杰等(2015)研究發現，羅非魚片經4.0 mg/L流動臭氧水處理后，在冰藏期間可加快蛋白質變性，其肌原纖維蛋白鹽溶性、巰基含量與Ca2+-ATPase活性較對照組低，而羰基含量與肌動球蛋白表面疏水性較對照組高；Karamah等(2019)研究臭氧水接觸時間、溫度與劑量對金槍魚(sp.)品質影響，研究表明，在一定濃度范圍內，臭氧水濃度越高，其品質劣變越緩慢，金槍魚采用0.3 mg/L減菌化處理120 min后，在8℃時貯藏168 h后，水分含量增加1.20%、蛋白質僅減少0.67%、pH降至5.58、減菌率達91.2%；Okpala等(2017)研究發現，當臭氧水排放濃度、處理溫度、洗滌時間分別為100 mg/h、25℃、1~5 min時，隨臭氧水接觸時間的延長，太平洋白蝦()冰藏期間的蛋白質、脂肪與水分含量無明顯變化，且對黏度、硬度也無顯著影響；安玥琦等(2015)采用7.8 mg/L臭氧水淋洗鳙魚()頭5 min，發現可顯著降低其值與TVB-N值，減菌率達90.43%，處理后對硫代巴比妥酸值與pH無顯著影響；刁石強等(2011)研究表明，鳳尾魚()經2~3 mg/L的臭氧水處理后，在–1.1℃~0℃下可延緩其脂質氧化變質，貯藏3~4 d后仍保持二級鮮度，可延長貨架期1~2 d；Xie等(2009)研究表明，擂潰工序中，在40℃、水浴35 min下，添加0.8 mg/L臭氧水處理，鰱魚()魚丸的持水性、色澤與質構特性最佳。臭氧水減菌處理可有效保持水產品的鮮度，延長其貨架期，但會加速蛋白質變性與脂肪氧化。

1.3 漂白除味

臭氧水具有高氧化性，會增加魚體白度與亮度，在一定條件下會產生與H2O2相同的漂白效果(Al-Omiri, 2018)。同其他減菌化處理水相比，還可有效去除水產品中的土腥素，保持其水分含量和良好的蛋白特性，且對其質構特性影響不顯著。其中， 閆師杰等(2010)研究得出，濃度為5和7 mg/L的臭氧水可有效延緩鯰魚()TVB-N值、pH值、值的升高，延緩值和值的下降，尤其是5 mg/L臭氧水處理效果最佳；Zhang等(2016)研究表明，3.3~7.6 mg/L臭氧水與0.3 m3/h臭氧氣體浮選洗滌5~20 min可分別消除魚肉中42.09%~54.28%與42.78%~69.19%的土腥素，臭氧水處理是一種更溫和有效的處理方式，可改善鳙魚蛋白的理化特性并消除不良風味；Chen等(1997)用臭氧水洗滌鯖魚()肉末10~20 min具有較好的脫色效果，但會使脂肪氧化，pH值下降顯著，凝膠強度不理想。

2 存在問題與解決辦法

臭氧水雖具有高氧化性，但其易分解為O2，穩定性不佳；同時，其在水溶液中半衰期短，殺菌能力也會隨之下降；O3制取條件嚴格(純氧、低溫、干燥)，且在相對濕度大的水產品加工車間，以空氣這種混合氣體為介質制得的O3氣體純度不高，一般為3%~6%，加之O3的溶解度小，故制得的臭氧水濃度極低且濃度不可控，其實際利用率達不到預期效果。同時，高壓電暈條件下制O3伴隨N2O、NO與N2O3等毒氮氧化物產生，會損傷深部呼吸道與肺泡，甚至引發呼吸道窘迫綜合征(袁成豪等, 2019)。此外，臭氧水產生的活性氧自由基還會加速魚肉蛋白質變性與脂肪氧化，使質地口感下降(劉慈坤, 2019)。水產品長時間浸泡在臭氧水中，會使其蛋白質溶解性與交聯聚集等功能特性隨之下降，影響其彈性、嫩度及風味等(Bao, 2018)。在實際生產中使用低濃度臭氧水或短時間處理會使其減菌效果不理想，高濃度長時間處理又會對水產品品質造成不可逆影響，且操作人員長期在高濃度臭氧水環境下可能會損害呼吸道，出現頭疼乏力與記憶減退等癥狀。人體對O3的嗅覺臨界值濃度為0.15 mg/L，而當濃度達到10 mg/L以上時為中毒限值。因此，將臭氧水與其他處理方式相結合，既可減少其用量，還能更好發揮協同效應，實現綜合作用效果。

2.1 臭氧水結合流化冰

流化冰作為一種可直接利用海水制作的高效低耗冷卻介質，其冰晶細小圓潤，易流動，可迅速降低水產品的體表溫度；用其完全浸沒魚體，可增大其接觸表面積，抑制微生物的生長繁殖(張皖君等, 2016)。目前，流化冰在日本、美國、加拿大等國家已應用廣泛，在我國還剛起步。將O3與流化冰結合，能保持O3原有的性能功效；抑制肌肉軟化，減緩蛋白質變性，延長水產品貨架期(劉鋒等, 2018)。其中， 黃玉婷(2014)將(0.82±0.04) mg/L臭氧水與流化冰結合用于梅魚()保鮮，發現該處理在維持梅魚良好感官品質的同時，還可延長其冰藏貨架期9 d，而使用流化冰僅延長7 d；Chen等(2016)使用0.1 mg/kg臭氧流化冰保鮮鳙魚，通過凝膠電泳與掃描電鏡綜合分析發現，O3結合流化冰可延遲鳙魚肌原纖維蛋白的降解，鳙魚貨架期達18 d，比單獨使用流化冰、片冰分別延長了3與9 d。O3聯合流化冰處理可有效保護肌原纖維蛋白的空間結構，減緩魚體蛋白質的降解變性。在延緩水產品感官品質下降的同時，低溫能降低O3分解，提高O3的利用率。將高效環保的流化冰與O3處理相結合，將兼具雙重保鮮作用，且操作性好，該技術應用于水產品保鮮將成為必然趨勢。

2.2 臭氧水結合氣調保鮮技術

氣調保鮮是將食品放置在保護性的氣體內并進行成分和濃度調控，能起到抑制或延緩微生物的繁殖及品質劣變速度，實現其理想的保鮮效果(Nikzade, 2019)。將臭氧水與低溫氣調保鮮相結合，利用O3殺菌性能可殺滅或抑制水產品中腐敗微生物生長，鈍化內源酶，減緩ATP降解，最大程度保持其品質。其中，陳麗嬌等(2012)研究臭氧水與氣調(50% CO2+10% O2+40% N2)處理結合對1℃下冷藏鱘魚()片的保鮮效果，結果發現，臭氧水預處理20 min的魚片，其初始菌數由1000減至30 CFU/g，貨架期延長3~5 d；Gon?alves等(2019)將太平洋白蝦浸入1.0 mg/L的15℃冷臭氧水中進行10 min預處理，瀝干后100% CO2氣調包裝，發現能使其冷藏貨架期達11~24 d，得出O3預處理可更好替代氯水來保鮮蝦。因此，臭氧水減菌處理能提高氣調處理對微生物的控制作用，二者聯用可更好達到延長水產品貨架期及防腐保鮮的目的。

2.3 臭氧水結合其他保鮮技術

除上述主要保鮮技術外，臭氧水還可與微納米氣泡、液氮冷凍、鍍冰衣技術以及其他保鮮劑等相結合，發揮其協同增效作用。微納米臭氧氣泡可對水產品進行清洗，增大殺菌劑與制品的接觸面積，深入到食品內部，提高O3利用率，延長其貨架期，且對肉質損傷小(劉玉德等, 2017)。將微納米氣泡技術與O3相結合處理，能共同發揮其在水產品清洗消毒與貯藏保鮮中的作用，強化O3在水中傳質與氧化能力，用于魚體凈白處理(鮑旭騰等, 2016)；Shirade(2012)將水中含O3的微泡添加到魚醬產品原料中，使魚醬制品的原材料中具有含氣體的微氣泡，能保持含O3微氣泡壽命，通過該法可生產無菌魚醬產品；還有學者提出，將可食用涂膜用于水產品，隔絕微生物與污染物，來延長水產品的保質期(Yu, 2019; 張杰等, 2010)。貯藏初期，臭氧水可有效減少初始菌數，后期O3分解迅速導致濃度下降，不能抑制微生物繁殖，因此，需要結合保鮮劑維持其原有保鮮效果。如宣偉(2011)研究了殼聚糖植酸復配結合臭氧水處理中國對蝦()，得出先用1.0 mg/L臭氧水處理對蝦，再用2%殼聚糖植酸溶液涂膜后樣品置于–2℃微凍真空保鮮，發現該處理能使其貨架期延長10 d；姜瓊一(2009)發現在10℃時，使用2.0 mg/L臭氧水處理鮑魚8 min后，與液氮冷凍結合貯藏，其TVB-N值與菌落數均小于傳統冷凍工藝處理組，且感官品質更接近新鮮樣品。施建兵等(2013)評價冷藏、超冷和超冷結合臭氧水對鯧魚()片品質影響，結果顯示，冷藏組貨架期為6 d，而超冷和1.8 mg/L臭氧水與超冷結合的貨架期能分別增至10與11 d，超冷與臭氧水聯合使用具有預處理的輔助功能，且運行成本低。綜上所述，O3與其他殺菌保鮮技術結合具有協同增效的優點，可從不同程度上抑制有害微生物生長，提升水產品品質，延長其貨架期。

3 前景與展望

目前，隨著消費者對生鮮水產品需求量的逐年增長與健康飲食理念的深入人心，要保障水產品在市場上的正常供應，不僅應聚焦于水產品的運輸流通方面，還需重視減菌化前處理，從源頭確保其良好品質和安全性。未來水產品減菌化處理技術不再是使用某種單一殺菌技術，而是將其與其他保鮮技術或保鮮劑相結合，在抑制微生物生長和酶鈍化的同時，保持其原有的色澤風味、質構與營養成分。20世紀80年代以來，O3及臭氧水在美國、歐洲等發達國家已廣泛用于與食品貯藏保鮮，而我國對O3及臭氧水的研究由于起步晚仍然有待完善。

隨著水產品保鮮技術的發展，臭氧水以其廣譜殺菌、處理時間短、安全無殘留與運營成本低廉等優勢，在水產品殺菌保鮮中應用前景廣闊。臭氧水能分解魚、貝類的異臭，改善色澤，保持其鮮度，延長貨架期，是對人體安全無毒、環境友好的殺菌保鮮劑。O3通過噴淋、浸泡與流動水處理等方式，還可與其他保鮮技術和殺菌保鮮劑相結合，發揮其綜合保鮮作用，為臭氧水在非熱殺菌中的應用提供新思路。合理利用臭氧水，既可保證水產品品質又能延長貨架期，而使用不當，也會對水產品品質及操作人員帶來不利影響。因此，研究人員還應根據不同水產品的特性差異，考慮如何獲得O3最適處理濃度、處理時間與處理方式，制定適用于不同水產品的減菌化最佳工藝參數。水中O3溶解度在0.1~10 mg/L，而根據O3行業標準，在對生魚片、蝦仁等水產品進行臭氧水處理時，其濃度應為0.8~1.0×10–6。因此，政府、研究機構與相關企業須完善O3殺菌技術標準，確保臭氧水理論研究成果與實際生產生活相適應，以實現水產品理想的減菌化與綜合保鮮效果。最后，O3的使用安全性問題仍可作為研究切入點。由于，國際臭氧協會制定的O3安全標準為在0.1×10–6時，人體可接觸10 h。因此，操作人員需控制O3的操作時間與使用濃度。此外，為使O3在水產品加工貯藏中的使用更加安全、方便且有效，應繼續推進其作用機理與耐受臭氧微生物抗臭氧機制分析，以期為臭氧水更好發揮其綜合作用效果提供理論依據。

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Research Progress on the Applications of Ozonated Water in the Sterilization and Preservation of Aquatic Products

LAN Weiqing1,2, ZHAO Yanan1, LIU Lin1, XIE Jing1,2①

(1. Shanghai Ocean University, College of Food Science and Technology, Shanghai 201306; 2. Shanghai Aquatic Products Processing and Storage Engineering Technology Research Center, National Experimental Teaching Demonstration Center for Food Science and Engineering (Shanghai Ocean University), Shanghai 201306)

Aquatic products may be contaminated by microorganisms during storage and transportation, leading to product spoilage and quality deterioration. Aquatic products are prone to deterioration by decomposition, putrefaction, degradation of proteins and amino acids, and production of basic amines. Pretreatment by sterilization is required to reduce the effects of microorganisms on the quality and shelf life of aquatic products during processing and storage. The mechanisms, main advantages, and disadvantages of common water treatment methods, including electrolysis or ozonation of water and use of chlorine dioxide solution were compared and analyzed. The research focused on the application of ozonated water in the sterilization and preservation of aquatic products. Ozone exhibits strong oxidizability as well as bacteriostatic and bactericidal effects. In addition, treatment with ozonated water is convenient and plays an important role during storage and preservation by spraying, immersion, and flowing water treatment. Ozonated water is widely used to bleach and decolorize fish fillets and surimi products and to remove strong scents. Additionally, it is also used for product sterilization and preservation, and for cleaning and disinfection of processing equipment. However, ozonated water is associated with poor stability, which may affect its sterilization ability. Therefore, the combination of ozonated water with other preservation technologies may prolong the shelf life of aquatic products to a greater extent than that by ozonated water alone. The combination of ozone water with slurry ice, modified atmosphere packaging, and other freshness preservation methods were described. Researchers should consider using orthogonal experiments or response surface methodology to identify the optimal treatment concentration and duration, and to develop optimal process parameters based on the individual characteristics of different aquatic products.

Aquatic products; Ozonated water; Sterilization; Preservation

XIE Jing, E-mail: jxie@shou.edu.cn

10.19663/j.issn2095-9869.20191218001

http://www.yykxjz.cn/

藍蔚青, 趙亞楠, 劉琳, 謝晶. 臭氧水處理在水產品殺菌保鮮中的應用研究進展. 漁業科學進展, 2020, 41(4): 190–197

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* “十三五”國家重點研發計劃重點專項(2019YFD0901602)、現代農業產業技術體系建設專項(CARS-47-G26)和上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心能力提升項目(19DZ2284000)共同資助[This work was supported by National Key Research and Development Program of China (2019YFD0901602], China Agriculture Research System (CARS-47-G26), and Ability Promotion Project of Shanghai Municipal Science and Technology Commission Engineering Center (19DZ2284000)]. 藍蔚青，E-mail: wqlan@shou.edu.cn

謝 晶，教授，E-mail: jxie@shou.edu.cn

2019-12-18,

2020-01-08

S983

A

2095-9869(2020)04-0190-08

(編輯 陳 輝)