冷凍水產品脂肪和蛋白質氧化及其控制措施研究進展

杜宇凡，姜晴晴，施文正，汪之和

（上海海洋大學食品學院，國家淡水水產品加工技術研發分中心（上海），上海 201306）

近年來，為了盡可能保持水產品原有的品質和風味并延長其貨架期，人們研究了冷藏、冰溫以及微凍等多種低溫保鮮技術，但前兩者因保鮮時間較短不能滿足消費者對水產品的長期需求，后者因精確控溫設備問題尚未解決等缺點未得到廣泛應用[1]。目前，冷凍仍是我國水產品加工的主要方式，2019年我國水產冷凍品總量為1532萬噸，占水產加工品總量的70.6%[2]。在冷凍條件下肌肉中大部分的水被凍結，組織中微生物生長繁殖和生物化學變化受到抑制，因此可以有效延長水產品貨架期。冷凍能最大限度地保持水產品的品質，但受凍結方式、凍藏溫度和時間、凍藏過程中溫度波動等多種因素的影響，也會存在一些問題，如脂肪和蛋白質氧化及其對水產品的營養品質、組織結構、質構、色澤、保水性等產生的影響[3]。因此，全面理解蛋白質和脂肪氧化機理及其對冷凍水產品品質的影響以及提出相應的控制措施對提高水產品品質、改善水產品加工方式具有重要意義。

1 脂肪氧化

1.1 脂肪氧化機理

水產品大多含有一定量的脂肪和豐富的不飽和脂肪酸，在貯藏過程中易發生脂肪氧化。根據反應途徑可將脂肪氧化分為自動氧化、光敏氧化和酶促氧化[4]。自動氧化是不飽和脂肪酸與基態氧之間發生的自由基反應，包括鏈引發、鏈增殖和鏈終止三個階段。光敏氧化是指水產品中存在的血紅蛋白受光照后可將基態氧轉變為激發態氧，不飽和脂肪酸的雙鍵與激發態氧形成六元過渡態，然后雙鍵位移形成反式構型的氫過氧化物。冷凍貯藏雖能抑制脂肪氧化速度，但也不能完全阻止脂肪氧化的發生[5]。Bj?rkevoll等[6]研究發現，即使在-30 ℃的低溫下，鱈魚片（Gadus morhuaL.）脂肪也會發生明顯的氧化。在凍藏期間水產品表面冰晶升華形成細微孔洞，脂肪酸（尤其是不飽和脂肪酸）與空氣接觸發生氧化[5]。此外溫度波動或反復凍融會使冰晶形態及分布發生變化，細胞膜及細胞器破裂，導致血紅素等一些促氧化成分的釋放，從而引起脂肪氧化[7]。脂肪氧化程度可用過氧化值（POV）和硫代巴比妥酸（TBA）值來判斷，POV和TBA值分別反映脂肪初級和次級氧化產物的多少，通常隨著脂肪氧化程度的增加，POV呈現先增大后減小的趨勢而TBA值呈現逐漸增加的趨勢。Guo等[8]研究發現隨凍結-解凍次數的增加，鯉魚（Cyprinus carpio）肌肉的TBA值逐漸增加。Atayeter等[9]比較魷魚在-20、-30、-40 ℃冷凍貯藏過程中的脂肪氧化程度，發現凍藏溫度越高，凍藏時間越長，魷魚的脂肪氧化程度越嚴重。王鳳玉等[10]對秋刀魚（Cololabis saira）的研究中也有類似的發現。

1.2 脂肪氧化對水產品品質的影響

脂肪氧化的初級氧化產物氫過氧化物進一步分解產生的次級氧化產物（醛、酮、醇、酸等）與水產品風味聯系密切，過度氧化會導致不良風味的形成[11]。Karlsdottir等[12]研究凍藏溫度對綠青鱈魚（Pollachius virens）和長尾鱈魚（Macruronus novaezelandiae）脂肪氧化的影響，結果發現相同凍藏時間（18個月），相比于-30 ℃下貯藏的兩種魚的紅肉樣品，-20 ℃下貯藏的樣品的酸敗味更嚴重。王鳳玉等[10]研究發現，在-20 ℃條件下貯藏的秋刀魚的TBA值隨凍藏時間的延長呈先增加后減少的趨勢，這可能是因為氧化產物進一步分解成了與風味密切相關的酸類物質和醇類物質。

脂肪氧化還與冷凍水產品色澤密切相關。Wongwichian等[3]研究了竹莢魚（Selar boops）在凍藏過程中肌紅蛋白氧化、脂質氧化與色澤的關系，發現凍藏時間越長，肌肉的TBA值與高鐵肌紅蛋白含量越大，且色澤變化與脂肪氧化有顯著的相關性（P＜0.05）。徐坤華等[13]研究藍鰭金槍魚（Thunnus maccoyii）脂質和肌紅蛋白的氧化動力學，結果發現槍魚各部位的TBA值和高鐵肌紅蛋白含量都隨凍藏時間的延長而逐漸增加。這可能是因為脂肪氧化產物一方面能促進肌紅蛋白氧化，另一方面能夠抑制線粒體活性和高鐵肌紅蛋白還原酶活性，從而導致高鐵肌紅蛋白的積累。

2 蛋白質氧化

2.1 蛋白質氧化機理

脂肪氧化、金屬離子氧化反應以及其他生物化學反應過程中產生的具有超強氧化活性的活性氧物質如羥基自由基、超氧化物、氫過氧化物以及過氧化氫等，可以攻擊蛋白質和蛋白質中的某些氨基酸殘基，從而改變其結構，影響其性質。與脂肪氧化相似，蛋白質氧化分為鏈起始、延伸和終止三個階段，肌肉蛋白質氧化的可能作用機制如表1和表2所示。表1是脂肪氧化介導的蛋白質氧化反應[14]，表2為自由基誘導蛋白氧化途徑[15]。

表1 脂肪氧化介導的蛋白質氧化Table 1 Protein oxidation mediated by lipid oxidation

表2 自由基誘導蛋白氧化途徑Table 2 Free radical-mediated pathway of protein oxidation

如圖1所示[16]，蛋白質氧化對肌肉蛋白質的影響主要包括：蛋白質交聯聚集、側鏈氨基酸的氧化修飾（羰基的形成、芳香族羥基化和巰基氧化等）以及肽鏈主鏈的斷裂等，因此羰基含量、巰基含量以及蛋白質裂解與交聯聚合程度是表征蛋白質氧化程度的良好指標[17]。通常羰基含量越高，巰基含量越少，蛋白質裂解與交聯聚合程度越嚴重，蛋白質氧化程度就越嚴重[18]。Li等[19]研究發現，隨著過氧化氫濃度和氧化時間的增加，鯉魚肌紅蛋白中的羰基含量增加，巰基含量下降，且在凝膠電泳圖譜中觀察到蛋白質的交聯聚集。

圖1 蛋白質氧化常見結果Fig.1 Common consequences of protein oxidation

2.2 蛋白質氧化對肌肉品質的影響

蛋白質的理化性質是由氨基酸種類、排列順序以及多肽鏈的空間結構決定的。因此，蛋白質氧化會影響蛋白質理化性質和功能特性，進而影響水產品品質。

2.2.1 蛋白質氧化對色澤的影響 水產品中蛋白質氧化由肌紅蛋白、氧化脂質或金屬催化劑引發，位于氨基酸側鏈上的官能團是這種攻擊的主要目標，進一步的反應導致形成不同的蛋白質自由基和羥基衍生物，進而發生蛋白質羰基化，色素對肉食品的顏色變化有影響，試驗發現帶魚隨著貯藏時間延長亮度下降，帶魚肌肉光澤逐漸消失，肌肉切面變得暗淡，肌肉色澤的變化可能與冷凍肉持水性的變化、高鐵肌紅蛋白還原酶活力的變化、表層肌紅蛋白的氧化以及脂肪氧化等有關[20]。Shi等[21]研究表明，隨凍藏時間的延長，白鰱魚（Hypophthalmichthys molitrix）的紅度值逐漸降低，這可能是由肌紅蛋白氧化引起的。Jiang等[22]研究發現，凍結-解凍3次和5次后低鹽腌制大目金槍魚（Thunnus obesus）片的邊緣出現微褐色，且高鐵肌紅蛋白含量顯著增加。藍蔚青等[20]研究發現，隨著凍結-解凍次數的增加，大目金槍魚肌肉中的高鐵肌紅蛋白含量逐漸上升，這說明金槍魚色澤的變化與蛋白質氧化有關。

2.2.2 蛋白質氧化對保水性的影響 保水性是評價水產品品質的重要指標之一，保水性降低會導致游離氨基酸、核苷酸以及維生素等水溶性營養成分的流失。蛋白質氧化會影響肌肉保水性，但其機制目前尚無定論。秦軍委等[23]研究發現，與對照組相比，經羥基自由基體系氧化后的烏鱧（Channa argus）肉塊在凍藏過程中的蛋白質氧化程度更高，保水性更差，且保水性指標和蛋白質氧化指標呈現極顯著的相關性（P＜0.01）。Nyaisaba等[24]研究發現，在氧化體系中，較高和較低濃度的過氧化氫均能使阿拉斯加鱈魚（Theragra chalcogramma）肌原纖維蛋白的保水性下降。肌肉中自由水主要通過毛細管作用力截留在肌原纖維間隙和細胞間隙中，結合水主要通過氫鍵等作用力維系并受蛋白表面電荷影響，所以蛋白氧化引起保水性變化的原因可歸結為以下三個方面[25-26]：a.蛋白質氧化導致蛋白質內部的疏水性氨基酸殘基暴露，降低了蛋白質與水分子的結合能力；b.蛋白質氧化改變蛋白質的構象，從而影響肌原纖維之間的距離，造成這部分空間持有水分的流失；c.蛋白質氧化引起肌球蛋白和肌動蛋白發生交聯或降解，可能導致肌纖維束收縮，使肌肉毛細管作用力有所改變。

2.2.3 蛋白質氧化對質構和風味的影響 水產品的質構特性與肌原纖維蛋白、肌肉中結締組織以及脂肪等密切相關，而蛋白質氧化會導致肌原纖維蛋白受損從而影響肌肉的彈性、硬度、膠粘性以及咀嚼性。韓昕苑等[27]研究凍融循環處理對羅非魚片品質的影響，結果發現隨凍結-解凍次數的增加，蛋白質氧化程度逐漸增加，且肌肉的硬度、彈性、粘性、咀嚼性等逐漸降低。水產品風味與揮發性物質的濃度、氣味閾值以及揮發性物質與其它成分尤其是與蛋白質的相互作用密切相關。而蛋白質氧化會導致維系蛋白質和風味物質結合的作用力發生變化，進而影響水產品風味[28]。Zhou等[29]研究肌原纖維蛋白氧化對其與風味結合能力的影響，結果發現當H2O2的添加量在0～1 mmol/L時，蛋白質與風味物質的結合能力下降，但當H2O2的添加量大于1 mmol/L時，則出現相反的結果。這可能是因為輕度氧化會使蛋白質表面顆粒聚集體增多，從而減少風味的結合位點，而進一步氧化會使蛋白質的表面疏水性增強，這有助于增強蛋白質和風味物質的結合能力。

2.2.4 蛋白質氧化對營養性質的影響 水產品含有豐富的營養物質，其中蛋白質是人們獲取必需氨基酸的重要來源。蛋白質被攝入人體后被消化系統的蛋白酶水解成可以被吸收的氨基酸或小分子肽，蛋白質的可消化性是衡量其營養價值的關鍵指標[30]。冷凍水產品的肌肉蛋白質氧化會造成的蛋白質交聯和一些氨基酸的不可逆的氧化修飾，形成羰基基團及其它衍生物，蛋白質的消化性和利用率也隨之發生改變。輕度的氧化可使蛋白質結構伸展，消化酶的酶切位點暴露，從而提高蛋白質的消化率，但過度氧化會導致蛋白質交聯、變性、沉淀，降低蛋白質對消化酶的敏感性，從而降低蛋白質的消化性[31]。姜晴晴等[32]研究發現，帶魚（Trichiurus haumela）蛋白質的體外消化率隨著氧化程度的增加呈現先增加后減小的趨勢。

2.2.5 蛋白質氧化對凝膠特性的影響 凝膠特性對于肉糜制品尤為重要，蛋白質氧化是影響蛋白質凝膠特性的因素之一。肌肉中蛋白質形成凝膠的機理是蛋白質受熱而變性展開，受熱變性展開的蛋白質基團因聚合作用而形成較大分子的凝膠體。蛋白質凝聚的主要原因是蛋白質分子的解聚和伸展暴露的活性基團有利于蛋白質分子間的相互作用[33]。適度的氧化可改善肌原纖維蛋白的凝膠特性，而過度氧化則會使其凝膠強度降低。Lu等[34]研究發現，由凍藏及羥基自由基氧化引起的適當的蛋白質氧化能提高鳙魚（Aristichthys nobilis）肌原纖維蛋白的凝膠特性。陳霞霞等[35]在研究蛋白氧化對銀鯧（Pomfret）肌原纖維蛋白凝膠特性的影響時也發現類似的結果。Benjakul等[36]研究了-18 ℃下凍藏對大眼鯛（Priacanthus tayenus）、金線魚（Apogon cyanosoma）和黃花魚（Larimichthys）的化學性質和凝膠特性的影響，發現隨著凍藏時間的延長，肌肉蛋白氧化程度增加，且凝膠性質變差。這可能是因為適度氧化產生的二硫鍵交聯有利于增強凝膠網絡結構強度，但是過度交聯會阻礙活性基團的相互作用，降低蛋白質-蛋白質、蛋白質-水的結合程度，從而抑制精細凝膠網絡結構的形成。因此可通過控制蛋白質氧化程度提高凝膠特性，開發高品質的魚糜制品，從而提高其商業價值。

2.3 蛋白質氧化與脂肪氧化的相互影響關系

水產品在凍藏過程中，蛋白質氧化和脂肪氧化之間存在密切的相關性。蛋白質氧化機理中提到脂肪氧化產生的活性物質可攻擊蛋白質引發蛋白質氧化，除此之外脂肪氧化產物可直接與蛋白質發生反應，如醛類和氫過氧化物可與賴氨酸反應生成吡咯衍生物，活性羰基化合物與側鏈氨基酸作用形成共價交聯物[28]。同時蛋白質氧化也可促進脂肪氧化。秦軍委等[23]研究發現，與對照組相比，經羥基自由基體系氧化后的烏鱧肉塊在凍藏過程中的脂肪氧化程度更高，這可能是因為蛋白質氧化破壞肌肉組織結構使脂質暴露，從而加快了脂肪氧化速度。肌紅蛋白在氧化生成高鐵肌紅蛋白的過程中產生的超氧陰離子會迅速發生歧化作用生成H2O2，超氧陰離子和H2O2等活性物制不僅可以引發脂質的氧化反應，還可以與水產品中的鐵反應生成羥基自由基，進而促進脂肪氧化[31]。另外高鐵肌紅蛋白可以分解脂質氧化產物氫過氧化物，從而促進脂肪氧化[37]。

3 控制措施

脂肪和蛋白質氧化會引起冷凍水產品品質劣變，降低消費者的購買欲，造成經濟損失。因此要采取一些措施，目前主要通過喂養措施、改變包裝方式、添加抗氧化物質、改變凍結和解凍方式等控制冷凍水產品中脂肪和蛋白質的氧化。

3.1 喂養措施

喂養措施主要是通過改變養殖方式及飼料組成來提高水產品肌肉組織的氧化穩定性。不同養殖方式可能會對水產品的代謝活動產生影響，從而導致其脂肪酸含量、不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比例以及內源性抗氧化酶含量發生變化。Harimana等[38]研究發現相對于靜水養殖，人工流水養殖的大口黑鱸魚（Micropterus salmoides）具有較高的抗氧化活性，這可能是因為流水養殖更貼合自然環境，長期適度游動可誘導內源性抗氧化酶含量增加。另外向水產品的飼料中添加維生素E或含有抗氧化成分的食用精油等可提高其在加工貯藏過程中的抗氧化性，Santos等[39]發現，向養殖虹鱒魚（Oncorhynchus mykiss）的飼料中添加由桉葉醇、香芹酚和百里酚組成的食用精油，可有效抑制虹鱒魚片冷凍貯藏過程中發生的脂肪和蛋白質氧化并延長其貨架期。

3.2 添加抗氧化物質

磷酸鹽能螯合肌肉中的金屬離子，因此能有效抑制脂肪氧化和蛋白質氧化[40]。陸玉芹等[41]研究發現，用磷酸鹽處理羅非魚片可有效抑制其在低溫貯藏過程中脂肪氧化和蛋白質氧化的發生。Etemadian等[42]研究發現，用5%的三聚磷酸鈉溶液處理魚片可顯著降低其在冷藏過程中的總揮發性鹽基氮和TBA值，從而延長其貨架期。隨著人們對食品安全的日益關注，一些天然抗氧化劑和植物提取物替代化學和合成抗氧化劑在維持冷凍水產品品質方面發揮重要作用。這些物質的特點是多含酚羥基，能清除過氧化物自由基，螯合金屬離子從而延緩氧化。吳圣彬等[43]研究發現，用6 g/L的茶多酚溶液處理帶魚可有效抑制帶魚在凍藏期間的氧化變質。丁景等[44]研究發現，添加抗氧化劑能顯著抑制肌原纖維蛋白氧化，且丁香提取物的抗氧化效果較好。近年來為減少環境污染，增加水產品的附加值，從水產品及其加工副產物中提取活性物質已成為國內外學者研究的重點，有研究表明從水產品副產物中提取的一系列具有體外抗氧化活性的水解物，在水產品中具有良好的抗氧化潛力[45]。Nikoo等[46]研究發現，向日本鱸魚魚糜中添加8%鱘魚魚皮明膠水解物能有效抑制其在凍融循環過程中脂肪和蛋白質的氧化。Zhang等[47]研究發現，用胰蛋白酶和堿性蛋白酶水解鰱魚魚鰭得到的水解液浸泡鳙魚魚片可有效降低其在凍融過程的蛋白質和脂肪氧化程度。

3.3 包裝方式

改變包裝方式是水產品貯藏過程中常用的手段，其原理是通過氣調包裝、真空包裝以及渡冰衣等途徑來隔絕氧氣從而減緩脂肪氧化和蛋白質氧化。張建友等[48]研究發現-18 ℃冷凍結合氣調包裝（70%N2和30% CO2）能更有效抑制毛蝦脂肪氧化，最大程度地維持毛蝦原有的色澤。Dang等[49]研究發現在凍藏條件下，特別是在凍藏溫度不穩定的情況下，相對于傳統包裝，真空包裝能更有效地抑制鯰魚片的脂肪氧化。Shi等[50]研究發現，渡冰衣能顯著降低凍藏蝦的脂肪和蛋白質氧化程度，且冰衣液中加入迷迭香提取物效果更佳。譚明堂等[51]對凍藏魷魚的研究也有類似的結果。

3.4 其它

不同的冷凍和解凍方式對脂肪和蛋白質氧化的影響程度不同，因此根據原料特性選擇合適的冷凍和解凍方式也會在一定程度上減少氧化。Cai等[52]研究發現，相對于傳統的解凍方式，超聲波輔助解凍和微波解凍能改善真鯛魚片蛋白質的穩定性。姜晴晴等[53]研究發現，與微波解凍、流水解凍和自然解凍相比，低溫解凍后帶魚脂肪氧化和蛋白質氧化程度最低。沈妮[54]研究發現，液氮速凍可以有效降低帶魚肌原纖維蛋白的氧化速度，若使用液氮預凍效果更佳。Lucía等[55]研究高壓冷凍對沙丁魚（Sardina pilchardus）脂肪和蛋白質的影響發現，在175～200 MPa范圍內高壓冷凍能有效抑制脂肪氧化。

降低凍藏溫度，減少凍藏時間和溫度都波動也可減緩氧化。Klanian等[56]分析了章魚（Octopus maya）在-18 ℃凍藏品質的變化，結果發現凍藏前3個月脂肪降解更為突出，蛋白質氧化并不明顯，但凍藏5個月后蛋白質氧化產物含量顯著增加。Hong等[57]研究發現，凍藏溫度越低，溫度波動越小，大頭鯉魚的TBA值就越小。

4 結論與展望

本文綜述了冷凍水產品脂肪和蛋白質氧化機理及其對水產品品質的影響，以及有效的改善措施，以期為改善冷凍水產品品質提供理論指導。但是，目前為止關于水產品脂肪和蛋白質氧化仍有很多方面有待闡明：a.蛋白質氧化對肌肉品質的影響雖已成為研究的重點，但相關研究多集中在體外模擬氧化體系中水產品肌肉蛋白質的變化，而模擬體系與水產品實際加工貯藏環境存在一定差異，所以實際貯藏加工條件下蛋白質氧化的程度及其對品質的影響仍需進一步的研究；b.從蛋白質氧化機理角度，抑制脂肪氧化的措施在一定程度上也能抑制蛋白質氧化，但抗氧化物質與水產品中蛋白質的作用機理仍需要進一步深入研究；c.現有研究結果表明，脂肪和蛋白質氧化幾乎同時發生且相互影響，但是脂肪氧化、蛋白質氧化及其產物之間的關系尚不明確；d.由于一定程度的脂肪和蛋白質氧化對冷凍水產品品質有一定積極的作用，因此如何利用脂肪和蛋白適度氧化開發具有獨特品質的高附加值水產制品值得進一步研究，從而為水產品加工工業的發展提供新的思路。