低溫保鮮對水產品蛋白質品質的影響及其調控技術研究進展

高賽，楊欣宇，劉寅初，馮隨，魏秀卿，蘇欣娜，王世杰，高曉光*

（1.河北科技大學 食品與生物學院，河北 石家莊 050018；2.河北雙鴿食品股份有限公司，河北 石家莊 050021；3.河北省生豬加工技術創新中心，河北 石家莊 050021）

我國水域遼闊，水產資源豐富，根據國家統計局發布的數據顯示，2021年我國水產品產量達6 693萬t[1]，位居世界前列。水產品具有優良的營養價值，富含蛋白質、多不飽和脂肪酸以及無機鹽和維生素等[2]，可作為畜禽類等陸生動物性食品的良好補充。水產品中蛋白質最為豐富，魚、蝦、蟹中粗蛋白含量達15%～22%[3]，對動物性食品蛋白質的貢獻率為27.10%[4]，在居民膳食結構中起著重要作用。然而水產品水分含量高，儲運過程中蛋白質在微生物和內源酶的作用下易氧化、降解，產生醛、酮、胺類物質而腐敗變質[5]。腐敗變質后的水產品不僅風味發生變化，營養價值也顯著下降，嚴重影響水產行業經濟發展。目前，低溫是保持水產品品質、延長保質期的主要方式之一，根據貯藏溫度可分為冷藏、冰溫、微凍和冷凍4種保鮮方式[6]，冷藏和冷凍是水產品采用最多的保鮮方式。冷藏可以抑制大部分微生物的生長繁殖和酶的活性，但一些嗜冷菌，如假單胞菌、希瓦氏菌仍能繼續生長產生蛋白酶，對蛋白質進行氧化降解[7]；而冷凍也會改變組織中水分的含量和分布，誘導大冰晶的形成，使蛋白質變性[8]，保鮮效果不佳。因此，為降低低溫保鮮對蛋白質品質的影響，科研工作者通過大量研究發現，將低溫保鮮技術與輔助技術聯用可有效緩解此影響。

1 低溫保鮮技術對水產品蛋白質結構與功能的影響

低溫是水產品最為常用的保鮮方式之一，較低的溫度可以抑制水產品中微生物的生長繁殖，降低酶活性，減弱生化反應速率，保持水產品的鮮度和營養價值；但低溫貯藏會對水產品蛋白質的結構與功能特性產生一定的影響，從而降低水產品品質。

1.1 低溫保鮮對蛋白質二級結構的影響

蛋白質二級結構與其功能特性、產品品質特性密切相關，因此，探究低溫對蛋白質二級結構的影響對提高水產品品質具有重要意義。蛋白構象主要包括α-螺旋、β-轉角和無規則卷曲結構。α-螺旋結構含量豐富，是所有二級結構中穩定性最強的有序結構，可作為判斷蛋白質結構穩定性的指標[9]，其穩定性主要依靠肽鏈上羰基氧和氨基氫之間的氫鍵形成的相互作用力來維持[10]。

大量研究表明，低溫貯藏會引起蛋白質二級結構的變化，貯藏期間羰基氧的電子云密度增加，氫鍵相互作用力減弱，α-螺旋向β-轉角和無規則卷曲結構轉變，導致二級結構的不穩定[11-12]。Walayat等[13]將鰱魚中提取的肌原纖維蛋白放置于-18℃下貯藏，發現冷凍期間肌原纖維蛋白的氫鍵逐漸斷裂，至第60天貯藏結束時，α-螺旋的含量從冷凍前的74%下降至30%，β-轉角和無規則卷曲含量增加，蛋白質分子由緊湊有序逐漸轉向疏松無序，結構松散，變性嚴重，鰱魚的風味和營養價值下降。Tan等[14]研究發現與慢速冷凍（-25℃）相比快速冷凍（-80℃）具有相對穩定的二級結構，-80℃快速冷凍能夠讓部分溶質分子困在迅速形成的小冰晶中，溶質外漏的減少減弱了pH值的變化，從而減小了pH值對α-螺旋向β-轉角和無規則卷曲結構轉化的影響。

低溫貯藏期間，冰晶的形成和離子強度的增大，引起α-螺旋含量的減少。凍結溫度越低，凍結速率越快，通過冰晶生成帶的時間越短，對蛋白質二級結構的影響越小。

1.2 低溫保鮮對蛋白質溶解度和表面疏水性的影響

疏水性和溶解度是蛋白質重要的物理性質，分別反映蛋白質的變性和聚集程度[13]。一般來說，蛋白質表面疏水性和溶解度是呈負相關的，即疏水性越小，溶解度越大，水產品的加工性能越好。因此，可根據溶解度性質來提高水產品品質。溶解度的大小主要由兩種相互作用決定，蛋白質-水之間的離子相互作用和蛋白質-蛋白質分子間的疏水相互作用，前者有利于蛋白質溶解，后者則會導致蛋白質溶解度的降低[15]。

Du等[16]研究發現鏡鯉魚在-18℃冷凍貯藏180 d時，肌原纖維蛋白的溶解度可由新鮮魚時的65.3%下降到51.0%，表明低溫會降低蛋白質溶解度。溶解度大小易受溫度差異的影響。王標[17]以鯰魚魚糜為研究對象，比較了冷藏（4℃）、冰溫（-2℃）、微凍（-4℃）和冷凍（-18℃）4種貯藏溫度下溶解度的變化。結果表明，在6周的貯藏過程中，冷凍組肌原纖維蛋白溶解度明顯低于相同時期的其他3組。這是因為冷凍過程中，大冰晶的形成和細胞內離子濃度的增加破壞了肌原纖維蛋白的結構，使埋藏在蛋白質分子內的疏水基團暴露于分子表面，此時蛋白質-蛋白質分子間疏水作用增強，分子間發生聚集，溶解度下降。Mehta等[18]研究發現，南美白對蝦在0℃～1℃冷藏時，肌原纖維蛋白的溶解度在0～8 d時基本不變，8 d以后急劇下降。而王標[17]的試驗結果卻得到了相反的變化趨勢，在-18℃冷凍時鯰魚魚糜的肌原纖維蛋白溶解度在前兩周內迅速下降，2周以后趨于平穩，產生此差異的原因可能與保鮮溫度有關。

保鮮溫度的選擇對貯藏期間蛋白質溶解度的變化大小和趨勢起至關重要的作用，為獲得良好的保鮮效果應根據具體保鮮周期選擇合適的貯藏溫度。另外，貯藏期間可添加多酚類物質阻止蛋白質疏水基團外露，同時引入多酚中的親水基團，提高蛋白溶解度[19]。

1.3 低溫保鮮對蛋白質凝膠特性的影響

蛋白凝膠是指變性蛋白分子交聯聚集形成高度有序的三維網絡結構的過程，是蛋白質一種重要的功能性質，與水產品嫩度、保水性等密切相關[20]。凝膠結構取決于蛋白質分子的變性展開和交聯聚集的速度，當變性速度大于聚集速度時，有利于致密有序的凝膠網絡的形成[21]。

貯藏時間、溫度等均會對凝膠性能造成一定的影響。Mehta等[18]研究發現，當溫度保持在0℃～1℃對南美白對蝦進行貯藏時，貯藏前8 d凝膠質構參數（硬度、彈性、黏度、咀嚼性）無顯著變化；而14 d貯藏結束時，凝膠硬度顯著下降，降低了54%。Lu等[22]發現，將鳙魚放于-20℃冷凍時，肌原纖維蛋白凝膠的紋理參數（硬度、黏度、彈性、咀嚼性）呈先上升后下降的趨勢，第7周時凝膠參數達到最佳。7周后蛋白凝膠各項指標開始下降，其原因可能是由于貯藏時間過長，氧化形成的二硫鍵過多交聯，導致氫鍵數量下降，二級結構被破壞，蛋白間不良聚集，阻礙了凝膠的形成。試驗結果表明，短期低溫貯藏有利于凝膠質地的形成。Liu等[23]比較不同貯藏溫度對鯉魚蛋白凝膠的影響，發現經-3℃處理的鯉魚的肌原纖維蛋白硬度和彈性顯著優于-1℃冰溫保鮮組。

綜上可知，短期低溫貯藏對蛋白凝膠并無顯著影響，甚至會增強凝膠形成能力。因此，在加工、貯藏環節，盡可能采用較短的貯藏時間和較低的貯藏溫度，以維持肌原纖維蛋白凝膠特性。

1.4 低溫保鮮對蛋白質乳化性的影響

蛋白質的乳化性主要包括乳化活性和乳化穩定性，可以反映蛋白質與脂肪的交聯能力。諸多研究指出，水產品在低溫長期貯藏期間由于蛋白質氧化過度，導致其結構被破壞，乳化性能下降[24]。

Du等[16]研究表明，在-18℃冷凍貯藏的鏡鯉魚的肌原纖維蛋白乳化活性和乳化穩定性顯著下降。乳化性減小的主要原因是貯藏期間氧化變性導致蛋白質聚集，聚集后顆粒粒徑較大，當吸附在油滴表面時無法保持其柔韌性，從而使乳化穩定性下降。Sun等[25]在-18℃冷凍的鯉魚中提取的肌原纖維蛋白乳液中也得到了相似的結論。此外，常婭妮等[26]探究了調味魚在-80、-30、-18℃冷凍處理后置于-18℃貯藏期間肌原纖維蛋白乳液的穩定性，發現隨著貯藏時間的延長，肌原纖維蛋白氧化、變性使疏水基團暴露于分子表面，蛋白溶解度下降，乳化粒子數目減少，調味魚肌原纖維蛋白乳化性均下降。但不同冷凍速率處理的乳化性下降速度不同，在20周的貯藏過程中，-18℃冷凍處理組的乳化性最小，波動范圍最大。若貯藏時間較短，在4周內可使用-30℃處理，需長期貯藏時應選擇-80℃速凍處理。Liu等[23]研究發現，-1℃和-3℃下冰溫保鮮鯉魚，-3℃時蛋白質乳化性變化較小。

總之，低溫貯藏會導致水產品乳化性能的下降，但不同冷凍速率、冷凍溫度對乳化性能影響不同，在具體加工保鮮中應根據產品實際需要設定合適的貯藏參數。

2 蛋白質品質變化調控技術

單一使用低溫保鮮技術會對水產品蛋白質的結構與功能產生一定程度的破壞，水產品品質發生劣變，難以達到理想的保鮮效果。為改善這種現象，研究人員發現，可將低溫保鮮技術與超聲波、保鮮劑、氣調保鮮、低壓靜電場等輔助技術聯合使用，從而減緩蛋白質不良品質的變化。

2.1 超聲波輔助技術

超聲波作為一種綠色安全的物理加工技術，由于其獨特的空化效應引起的沖擊波、微射流、剪切力、自由基生成等物理和化學反應，可促進制品冷凍過程中晶核的形成，減小冰晶大小，提高冷凍速率，縮短處理時間，進而改善水產品品質[27]。

Chen等[28]研究表明，與普通的空氣速凍保鮮相比，超聲波輔助浸入式冷凍（超聲波功率320 W，頻率45 kHz）可通過空化氣泡的破裂和由此產生的壓力使其具有最小的冰晶尺寸，顯著降低結合水向游離水的轉變，從而降低蒸煮損失和解凍損失。同時，小冰晶減小了對細胞的機械損傷，使α-螺旋和β-折疊含量高于空氣速凍保鮮樣品。Sun等[29]探究了不同冷凍功率的超聲波處理（0、125、150、175、200、225 W）對鯉魚肌原纖維蛋白結構的影響，發現在適宜的超聲波功率下（≤175W），空化氣泡和微射流效應縮短了冷凍時間，維持了蛋白質二、三級結構。但當施加較高的超聲功率時（＞175 W）會起到相反的作用，空化氣泡破裂產生的高強度沖擊波、微射流和剪切力，導致蛋白質過度變性展開，所以在實際應用中應設定合適的超聲波處理參數。目前，超聲波工作模式單一，大多數應用都集中在單頻超聲上，近期發現多頻超聲具有更高的超聲強度和空化效應。Zhao等[30]使用單頻超聲（20 kHz）、雙頻超聲（20 kHz和 28 kHz）、三頻超聲（20、28、40 kHz）輔助浸泡冷藏大黃魚，發現與單頻超聲相比多頻超聲可以延緩貯藏期間肌原纖維蛋白熒光強度的下降，提高蛋白顆粒分布的均勻性，特別是經過雙頻超聲處理的樣品更好地維持了蛋白質結構的穩定性。

超聲波作為一種新型加工冷凍技術，在水產品冷凍過程中對冰晶的形成和生長具有良好的改善作用。然而其工作模式單一，對多頻超聲的研究還需進一步深入探索。

2.2 添加保鮮劑

保鮮劑是指添加到食品中以保持食品營養成分及色香味不變的物質[31]。為防止水產品在冷藏、冰溫、微凍保鮮時品質劣變過快，可在水產品低溫貯藏前添加適量的保鮮劑以緩解蛋白酶對蛋白質的氧化降解。根據保鮮劑來源的不同，可分為化學保鮮劑和生物保鮮劑。其中生物保鮮劑具有綠色安全的特點，被廣泛用于水產品保鮮中[32]。研究表明，使用單一保鮮劑，會出現用量過大且保鮮效果不佳的現象，而將多種生物保鮮劑進行復配，可發揮其協同作用從而使保鮮效果大幅提升[33]。為使保鮮效果達到最佳，常用真空浸漬和納米材料加以輔助。真空浸漬時，真空可去除水產品表面空隙的氣體和液體，使保鮮劑快速直接的引入到多孔組織內，提高涂層效率[34]。SiO2、TiO2和ZnO已被認為是潛在的納米材料，常與保鮮劑殼聚糖混合使用，其尺寸小可均勻分布在殼聚糖中，并通過表面羥基與殼聚糖分子生成氫鍵，提高涂層機械性能[35]。

Xiong等[36]研究發現，2%明膠、2%殼聚糖、0.2%沒食子酸、0.5%丁香油和0.5%大豆卵磷脂涂層可以有效抑制大西洋鮭魚冷藏過程中巰基氧化成二硫鍵，第15天時含有保鮮涂層樣品的游離巰基的含量遠高于第10天時未經處理的樣品，表明保鮮劑涂層將蛋白質氧化延長至少5 d。Zhao等[11]將羅非魚放入含有明膠和葡萄籽提取物的溶液中，并對溶液施加5 kPa真空壓力。葡萄籽提取物中含有多種天然多酚，多酚-蛋白質相互作用可以減少蛋白質氧化過程中疏水基團的暴露，增強蛋白質二級結構穩定性。徐趙萌等[37]發現帶魚魚丸用納米Ag/ZnO和殼聚糖混合物涂層，可有效減緩魚丸鮮度的下降，抑制蛋白酶活性，延緩蛋白質分解，進而更好維持魚丸凝膠特性。

綜上所述，保鮮劑的加入有效阻止了水產品與環境的直接接觸，緩解了低溫對水產品蛋白質結構與功能的不利影響。

2.3 氣調保鮮輔助技術

低溫保鮮通常是將水產品不經任何處理直接置于空氣下進行貯藏。然而空氣中的氧氣易加速水產品蛋白質氧化速率[38]，水產品在低溫貯藏前可采用氣調包裝進行預處理。用一種或多種混合氣體（常用氣體為二氧化碳、氧氣、氮氣）置換包裝容器中的空氣，通過改變貯藏環境中氣體種類和占比，減緩水產品中蛋白質的氧化速率和微生物的生長繁殖[39-40]。

He等[41]以普通包裝為對照，研究氣調包裝（70%N2和30% CO2）對羅非魚冷凍期間蛋白質氧化的影響，在14 d貯藏期間，氣調保鮮組羅非魚的蛋白質巰基含量和溶解度的下降幅度明顯小于非處理組，說明無氧包裝有效減弱了蛋白質氧化程度。Zhang等[42]比較了不同包裝方式，空氣包裝、真空包裝、氣調包裝（30%N2和70% CO2）對石斑魚冷藏過程中蛋白質氧化降解的影響，結果發現，真空和氣調包裝對冷凍石斑魚魚片肌原纖維蛋白的氧化和降解有積極的抑制作用，且氣調包裝優于真空包裝，Li等[43]也得到了類似結論。此外，Li進一步研究發現，將0.3%ε-聚賴氨酸殼聚糖-海藻酸鈉生物活性涂層與氣調包裝（60% CO2、5% O2、35% N2）聯合使用可對冷藏期間河豚肌原纖維蛋白的氧化和降解起雙重抑制作用。河豚品質的劣變主要由內源性酶和微生物引起，富含陽離子的ε-聚賴氨酸可通過靜電作用吸附在微生物的陰離子表面，破壞微生物的細胞膜，使其死亡；低氧包裝中含有較少的活性氧，從而降低蛋白質氧化。二者協同可使河豚肌原纖維蛋白免受大氣氧化和細菌蛋白水解的影響。低溫貯藏前經氣調包裝處理可延長水產品保質期，但高濃度CO2氣調包裝易增大水產品汁液損失率。Masniyom等[44]在氣調保鮮前用焦磷酸鹽對鱸魚進行預處理，可有效緩解水分損失，且磷酸鹽還能螯合促氧化的金屬離子，抑制蛋白質氧化。

總之，氣調包裝主要通過改變環境中氣體類型和比例改善水產品品質。在后續發展過程中，可以與其他技術，如保鮮劑、保水劑等配合，提高作用效果。

2.4 低壓靜電場輔助技術

低溫作為水產品最主要的貯藏方式之一，是途中運輸和商家儲存的主要形式，可獲得更長的貨架期，保持良好的風味。然而，低溫貯藏會改變組織中水的含量和分布，這導致形成大而不均勻的冰晶并隨后對肌肉造成機械損傷[45-46]。近年來，靜電場已成為低溫貯藏期間保持食品品質的有效方法。相比于高壓靜電場的高能耗、高安全隱患，低壓靜電場具有操作簡單、安全節能等優勢[47]。研究發現，低溫貯藏過程中利用低壓靜電場可以有效減少蛋白質的破壞程度和降解速率。張家瑋[48]研究表明低壓靜電場協同低溫貯藏帶魚時，電場可以通過改變細胞膜通透性來提高自由水離子強度，抑制冰晶成核，維持Ca2+-三磷酸腺苷酶活性，使在3 000 V靜電場中保鮮的帶魚貨架期比原來延長7 d。張珊[49]發現，靜電場環境中產生的電暈風對貯藏過程中產生的冰晶具有一定的沖擊作用，冰塊受沖擊力破壞變小，從而減弱微凍貯藏時凡納濱白對蝦的蛋白質變化，增強蛋白質的穩定性。然而，目前低壓靜電場保鮮技術在水產品中的應用仍處于起步階段，需進一步深入研究。

3 總結與展望

低溫保鮮一直是保持水產品質量和延長保質期的有效方法，然而隨著人們對新鮮水產品需求的增加，保鮮技術受到高度重視，各種新型、綠色安全的保鮮技術在不斷發展。通過在傳統低溫貯藏基礎上與超聲波技術、添加保鮮劑、氣調保鮮、低壓靜電場等技術聯合使用，來減少凍藏對水產品蛋白質的影響，更好的維持蛋白質的結構與功能。水產品低溫保鮮時雖然已有較多外加輔助手段，但也面臨一些問題。目前，科研工作者以低壓靜電場對低溫貯藏后水產品理化性質的影響研究為主，關于對水產品蛋白質結構與功能影響的研究相對較少，需進一步探索。此外，研究人員在優化原有保鮮技術的基礎上應繼續探究新型的保鮮技術，以最大限度維持儲存過程中水產品蛋白質的品質，以提高水產品經濟價值。