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三、虾的黑变机制及其抑制

(一) 虾的黑变机制

在海鲜产品中,对虾以其味美及营养价值高而深受人们喜爱,但它难保 藏,易黑变。虾在冷藏期间常常会在头、胸、关节、尾扇等部位发生黑色变 化,称为黑变,导致营养物质大量流失。目前,大家普遍认同多酚氧化酶,即 酪氨酸酶,是导致虾黑变的主要原因之一。由于虾肉蛋白质的分解而生成 tyrosinase及DOPA (tyrosine类似物) 等水溶性色原物质,在酶的作用下被氧化 形成黑色色素。这种酶多存在于血液及上述黑变部位,氧和紫外线是这一反应 的必要条件。

多酚氧化酶是一种金属蛋白,在活性部位带有两个铜离子,可以作用于两 种类型的底物:单酚和双酚。如图1-2-4所示,单酚氧化酶将单酚羟基的邻位 羟基化,形成邻苯二酚。双酚氧化酶氧化邻苯二酚,消除邻苯二酚羟基上的氢, 形成邻苯醌。邻苯醌是色素褐变或黑变的前体物质,具有很强的反应活性,可以 自发聚合形成褐色素,或者与氨基酸和蛋白质反应,形成更深颜色的物质,影响 产品的外观,同时会造成产品风味和营养的损失。因此,多酚氧化酶的催化反应 机理,首先是多酚氧化酶的金属离子 [Cu (Ⅱ) Cu (Ⅱ)] 被还原剂还原,然后 与氧分子反应,使得多酚氧化酶的氧基形成 [Cu (Ⅱ) Cu (Ⅱ) O2],[Cu (Ⅱ) Cu(Ⅱ) O2] 能够催化单酚和多酚参与反应。

图1-2-4 黑变的色泽变化过程

(二) 虾黑变的抑制

抑制虾的黑变成为目前亟待解决的科学难题,众多科学家研究各种黑变抑 制方法,也初见成效。根据虾的黑变机理可知,抑制虾的黑变需要消除反应中 的一种或多种必要成分: 氧气、酶、铜或酶底物。

目前,大众对于食品中添加化学合成的物质较为谨慎,同时,天然提取的 抑制剂也并非绝对安全。所以,在虾体的褐变抑制研究中,抑制剂与食品的相 互作用以及抑制剂及其作用产物在人体中的反应有待进一步研究。

冰温技术作为黑变抑制的物理方法,是近年来国外新兴的食品保鲜技术。 目前,日本已将该技术广泛应用于食品储藏、后熟、干燥和流通等领域内,形 成了完整的冰温储藏、冰温后熟、冰温干燥和冰温流通的冰温冷藏体系。另 外,对于虾的黑变抑制方法中,高压、紫外、辐照等物理方法亦值得深入探 讨。未来,我们将不仅仅满足于单一保鲜技术在虾类上的应用,而是要根据食 品栅栏因子的原理,联合多种技术,从而开发新型黑变抑制技术,如将气调包 装技术、冰温技术和添加抑制剂等技术联用,物理、生物、化学等交叉结合使 用,互相弥补各自不足,充分发挥各自优势,使虾具有良好的外观和内在品 质。技术联用将是黑变抑制技术发展的必然趋势。

1.合成抑制剂

(1) 乙二胺四乙酸 (EDTA) 乙二胺四乙酸由乙二胺与一氯乙酸在碱性 溶液中缩合或由乙二胺、氰化钠和甲醛水溶液作用而得。多酚氧化酶是一种金 属酶,EDTA可以与多酚氧化酶活性中心的金属铜离子有效结合,从而抑制酶 活力。有研究采用壳聚糖与防黑变成分复配抑制海捕鹰爪虾的黑变,复合保鲜 剂的配方有壳聚糖、植酸、乙二胺四乙酸 (EDTA)、4-己基间苯二酚 (4- HR)。鹰爪虾经过复合保鲜剂处理后,在贮藏过程中细菌总数和挥发性盐基氮 (T-VBN) 增加缓慢,黑变被有效抑制,货架期可延长约1倍。

(2) 4-己基间苯二酚 (4-HR) 4-己基间苯二酚是间苯二酚的衍生 物,是乙酸与间苯二酚在无水氯化锌催化下缩合,经锌汞还原后,蒸馏、精制 而成。4-HR安全性高,对酚酶的抑制力强,符合中国食品添加剂标准委员 会GB 2760—2011标准。作用机理主要是其结构与PPO的底物邻苯二酚相近, 是一种竞争性抑制剂,通过与PPO结合形成络合物,抑制该酶的反应,从而达 到抑制对虾黑变的目的。有研究表明,在对虾的加工贮藏过程中采用2.0g/L的 4-己基间苯二酚质量浓度能有效抑制PPO活力,抑制虾体黑变。1993年,4- 己基间苯二酚被纳入《食品添加剂使用标准》,作为专门用于防止虾类黑变的食 品添加剂,规定残留量<1mg/kg; 1995年联合国FAO/WHO将4-己基间苯二酚 列为添加剂C类准用名单,规定残留量<1mg/kg; 欧盟推荐残留量<2mg/kg是 安全的。

(3) 亚硫酸盐 亚硫酸盐衍生物被广泛用作食品中的抗氧化剂或防腐剂。 亚硫酸盐,主要是偏亚硫酸氢盐,用于防止虾的黑变已经有很多年。亚硫酸盐 具有很强的还原性,具有漂白和抑菌的双重效果。亚硫酸盐抑制黑变的机理包 括两方面: 一是与黑变反应的中间产物——醌反应,形成硫代醌; 二是与PPO 发生不可逆反应,导致PPO完全失活。在欧洲国家,新鲜甲壳动物的可食部 分中,亚硫酸盐的残留量不能超过0.15~0.30g SO2/kg体重。在日本国内标 准用量≤100mg/kg。对进口食品用量≤30mg/kg。研究表明,挪威龙虾 (Nephrops norvegicus) 中喷洒6%的亚硫酸盐可以将食品中的SO2残留量控制在 FDA规定的范围内。而且,可以保证至少7d内,虾不会发生黑变。焦亚硫酸 钠曾作为最为有效的虾类黑变抑制剂,后来由于研究其表明能引起使用者发生 哮喘等疾病而被美国、欧盟等地区禁止使用。

2. 天然抑制剂

(1) 抗坏血酸 抗坏血酸对PPO的抑制作用随着浓度的增加逐渐增强, 其作用机理是与PPO氧化的中间产物邻苯醌作用,将其还原形成邻苯二酸和 脱氢抗坏血酸,阻止该中间产物进一步聚合形成黑色素。另外,抗坏血酸呈酸 性,远离PPO最适pH,降低了PPO的活力。研究表明,添加一定剂量的抗坏 血酸对凡纳滨对虾的PPO抑制作用明显,且用量和成本较低。抗坏血酸添加 量过高会被氧化成脱氢抗坏血酸,水合形成2,3-二酮古洛糖酸,脱水、脱 羧后形成糖醛,再形成褐色素而产生抗坏血酸褐变反应,使对虾的褐变加深, 因而其浓度控制较为关键。

(2) 植酸 植酸 (肌醇六磷酸) 是一种天然、低毒的保鲜剂,有12个羧 基能与金属发生螯合作用,抑制多酚氧化酶的活力。按照GB 2760—2011标 准,鲜水产品 (仅限虾类) 使用残留量应≤20mg/kg。在日本不受 《食品添加 物公定书》 和《食品添加物基准》 的限制。处理后残留量低,因此在食品方 面应用极为广泛。

(3) 阿魏酸 (FA) 植物的酚化合物具有抗菌和抗氧化活性,最近还发 现了其在虾中延缓黑变、阻止微生物生长和防止腐败的作用。阿魏酸,学名是 4-羟基-3甲氧基肉桂酸,是植物中广泛存在的一种芳香酸,是木栓质的组 分,可用作食物防腐剂。研究发现,阿魏酸 (FA) 和氧化阿魏酸 (OFA) 都 能抑制PPO活力。通常FA比OFA有更强的PPO抑制作用。太平洋白虾 (litopenaeus vannamei) 经过FA溶液处理,与对照组和经过亚硫酸氢钠处理组 的虾相比,具有更好的色泽和风味,说明FA可以作为有效的PPO抑制剂。另 有研究发现,用儿茶酚或阿魏酸处理太平洋白虾,可以阻止嗜冷菌的生长,同 时抑制腐败。用儿茶酚或阿魏酸处理虾,均可延缓脂肪氧化。因此,阿魏酸和 儿茶酚都可以用作优质的虾黑变抑制剂。

(4) 曲酸 曲酸是一种真菌代谢物,又称曲菌酸、麴酸,化学名称为 5-羟甲基-1,4-吡喃酮,是一种黑色素专属性抑制剂,它存在于酱油、 豆瓣酱、酒类的酿造中,在许多以曲霉发酵的发酵产品中都可以检测到曲酸 的存在。能产生曲酸的微生物有疏展曲霉、构巢曲霉、寄生曲霉、米曲霉、 黄曲霉等。日本20世纪70年代开始生产,是目前世界上主要的生产国。我 国20世纪80年代曾有生产,它不仅有助于抑制马铃薯和苹果的褐变,也有 助于延缓白虾和龙虾的黑变。

(5) 麦角硫因 麦角硫因是自然界中一种稀有的天然氨基酸,在机体内 具有重要的生理活性。它分布于哺乳动物的某些组织、器官中,主要存在于红 血球和某些动物的精液中,它也是许多微生物细胞的普遍成分,且在几种真菌 内能够合成。一定浓度的麦角硫因能螯合Cu2+,从而起到抑制多酚氧化酶的 作用。

(6) 儿茶酚 茶叶中提取的儿茶酚是优良的抗氧化剂。由于儿茶酚的结 构与PPO的底物类似,它被作为PPO的抑制剂,抑制虾的黑变。同时,它还 可以作为抗菌剂和抗氧化剂,保持虾的品质。

3. 黑变抑制的物理方法

(1) 冰温技术 食品的冰点又称冻结点,均低于0℃。当食品的温度高于 冰点时,细胞处于非冻结状态,不仅可以避免因冻结而导致的一系列质构劣化 现象,如食品蛋白质变性、组织损伤、汁液流失等。冰温贮藏作为一种物理保 鲜方法,能显著减缓南美白对虾品质下降速度,延长货架期; 无需添加保鲜 剂,避免了食品安全问题,在实际应用中具有潜在推广价值。

(2) 气调包装技术 气调包装 (modified atmospherepackaging,MAP) 指 通过改变包装内气体使食品处于不同空气组分或浓度的气体环境中,从而抑 制食品中腐败微生物的繁殖,保持食品新鲜色泽和延长食品的货架期的一种 物理保鲜方法。通过气调包装技术,可以提供缺氧环境,有效抑制PPO的 反应。采用黑变抑制剂 (0.01% 4-己基间苯二酚、1.5%柠檬酸和1%抗坏 血酸复配) 和涂膜保鲜技术 (1%壳聚糖) 与气调包装技术 (85% CO2、 5% O2、10%N2) 结合的方法,可以有效抑制南美白对虾在冷藏过程中的 黑变。

(3) 加压处理技术 研究表明,加压处理不仅可以抑制酶活力,而且可以 导致酶部分失活。当压强达到900MPa时,多酚氧化酶可以完全失活。研究发 现,压力导致的多酚氧化酶失活非常明显,尤其是当压力达到300~400MPa时, 添加抗坏血酸和柠檬酸,将pH调到3.0,就可以完全抑制酶活力。80μg/mL的 亚硫酸盐,150μg/mL的曲酸,1g/L的4-己基间苯二酚或0.1g/L的安息香酸 钠只能抑制80%的酶活。总之,加压与pH、温度等条件配合处理可以有效抑 制酶活力,而且压强越大,抑制作用越明显。

(4) 臭氧技术 臭氧具有极强的氧化能力,在水产品保鲜中得到广泛应 用。臭氧用于水产品保鲜大致有三种方式: 臭氧水、臭氧冰以及臭氧气体。臭 氧冰对对虾和罗非鱼保鲜的研究证实,臭氧冰具有显著的杀菌和抑菌作用,是 水产品保鲜的新方法。用臭氧水处理虾类的研究表明臭氧对PPO有显著的抑 制作用,能有效防止虾类黑变,且臭氧对PPO及虾类黑变的抑制效果均比抗 坏血酸和亚硫酸钠好。