基于活性包裝視角下的水產品保鮮機制研究進展

劉亞楠，李 歡，蔣 凡，傅玲琳，王彥波

（浙江工商大學食品與生物工程學院，浙江 杭州 310018）

2020年我國水產品產量達到6 549.02萬 t，穩居世界第一位。水產品因具有含水量高、蛋白質含量高和不飽和脂肪酸含量豐富的特點，在加工、運輸和貯藏過程中極易發生氧化酸敗和微生物污染等而腐敗變質，產生大量的不良氣味和有害物質，影響水產品質量和安全，進而降低其商業價值。研究表明，我國僅鮮活魚類捕后由腐敗引起的損失率可達15%，而發達國家低于5%。如何提升水產品保鮮技術、減少腐敗，從而減少經濟損失，切實保障消費者的食用安全，是我國水產行業亟需解決的關鍵問題。包裝技術在食品中得到了極為廣泛的應用，近年來活性包裝技術因特有的性能廣受關注。研究發現，水產品腐敗除環境因素影響外，主要與微生物、脂質氧化和內源酶有關，活性包裝正是針對以上引起腐敗的主要因素設計和構建，在水產品保鮮領域取得了顯著成效，成為研究的熱點。

1 水產品腐敗機制

水產品營養豐富且味道鮮美，深受消費者喜愛，但在運輸和貯藏過程中極易發生腐敗變質，對水產品質、食用安全和經濟效益產生巨大影響。研究表明，水產品腐敗主要是由內源酶、微生物、脂質氧化和溫度、濕度等環境因素綜合作用引起。

1.1 內源酶

水產品中含有大量內源性酶，如膠原酶、組織蛋白酶、糖酵解酶、多酚氧化酶等，魚類等水產品在這些內源性酶的作用下組織會快速軟化、降解，同時產生甲醛、乳酸等有害或不良風味物質，導致感官和風味上的變化，影響水產品品質。研究發現，內源性酶主要在貯藏前期對腐敗起促進作用。蛋白質經由內源酶水解得到的產物可進一步為微生物的生長提供營養，促使微生物尤其是特定腐敗菌的數量逐漸增加。

1.2 微生物

研究表明，微生物生長和代謝是水產品貯藏后期加速腐敗的主要因素。常見的水產品特定腐敗菌有希瓦氏菌（）、假單胞菌（）、磷發光桿菌（）、腸桿菌（）、乳酸菌（）及酵母菌（）等。這些特定腐敗菌大多通過群體感應系統調控致腐因子的表達發揮致腐作用，群體感應信號強度影響水產品的腐敗程度。例如，Gu Qingqing等發現從大黃魚分離的一株腐敗能力較強的希瓦氏菌株（）能夠產生二酮哌嗪類化合物（diketopiperazines，DKPs）群體感應系統信號分子。當在接種的滅菌魚汁中添加合成的DKPs時，魚汁中揮發性鹽基氮積累增加，即DKPs可通過群體感應效應增強菌株的腐敗能力。相反，抑制腐敗相關群體感應通路可有效減緩腐敗的發生。除此以外，微生物在代謝過程中也會分泌各種酶類等代謝產物，從而不斷地分解利用魚體內的蛋白質、糖類等營養物質，并生成如腐胺、尸胺、有機酸、醛類等具有異味和有害的物質。

1.3 脂質氧化

脂質氧化也是引起水產品腐敗、品質降低的重要原因。水產品含有大量脂肪酸，這些脂肪酸在三酰基脂肪酶或磷脂酶等脂肪酶的催化作用下發生氧化反應產生過氧化氫、醛、酮及羧酸等產物，引起水產品風味和感官變化。其中，具有催化作用的酶一部分來源于微生物代謝，一部分來源于水產品自身。除上述酶促氧化反應外，不飽和脂肪酸還可以在游離自由基的作用下發生氧化。脂質氧化產生的活性氧物質還會攻擊蛋白質或蛋白質中的某些氨基酸殘基，從而使蛋白質被氧化，進而破壞肌肉組織結構，暴露脂類物質，加快脂質氧化速度。此外，游離脂肪酸可以與肌原纖維蛋白結合，促使蛋白質變性，導致魚肉品質劣化。

1.4 環境因素

除內源酶、微生物和脂質氧化等因素影響外，環境因素（溫度、濕度、pH值、氧氣等）也是影響并促進其他因素加快水產品腐敗進程的重要因素。溫度被認為是影響水產品腐敗最重要的環境因素，運輸過程中溫度的波動會引起組織中的冰晶重結晶和進一步生長，較大的晶體使蛋白重排、交聯、不可逆變性，引起肌肉組織結構發生變化，進而影響產品質地。同時，溫度的變化也會影響微生物的生長速率和酶活性，進一步影響水產品腐敗進程。環境濕度對水產品腐敗也產生一定的影響。水產品中的自由水含量可隨環境濕度改變，自由水含量的變化可影響蛋白質的氧化和降解。此外，水分也是微生物生長和繁殖的重要條件，因此濕度增加微生物的活性也隨之增大。pH值和氧氣也是影響水產品腐敗的重要環境因素。不同pH值可引起微生物細胞膜電荷發生明顯變化，影響微生物對營養物質的吸收。氧氣一方面加快嗜氧腐敗微生物的生長繁殖速度，促進水產品腐?。涣硪环矫婕涌焖a品脂質氧化和蛋白質氧化，影響水產品的風味和色澤。

2 活性包裝視角下水產品保鮮機制

目前，殼聚糖涂膜、植物提取物涂膜等活性包裝已在水產品保鮮中取得了一定的成效，其主要通過抑制內源酶活性、調控微生物生長和延緩脂質氧化等機制實現水產品的保鮮（圖1）。

圖1 水產品活性包裝示意圖[22]Fig. 1 Schematic representation of aquatic products active packaging[22]

2.1 抑制內源酶活性

研究發現，內源酶在水產品腐敗變質過程中起主要促進作用，如膠原酶可以降解魚肉中的膠原，是引起質構軟化的直接原因；組織蛋白酶B和L可引起肌肉中肌球蛋白重鏈降解；多酚氧化酶引起蝦體黑變等。抑制內源性酶活性是提高水產品質量、延長保質期的一種有效途徑（表1）。

表1 具有抑制內源酶類活性功效的活性包裝在水產品保鮮中的應用Table 1 Recent studies on active packaging with endogenous enzyme activity used for preservation of aquatic product

抑制酶活性的常見機制之一是影響酶的構象從而降低酶活性，將具有影響酶構象的物質作為活性物質或將成膜基材作為活性包裝的一部分抑制酶活性是實現水產品保鮮的一種有效途徑。研究發現，活性物質茶多酚能夠顯著抑制I型和V型膠原酶對膠原的降解，因為茶多酚中的兒茶素能夠影響膠原酶的構象，降低酶活性。鹽離子也可促使不同活性構象異構體形成轉變而改變酶的活性。除改變酶構象外，將部分可以利用分子間相互作用的活性物質或者成膜基材加入包裝中抑制內源酶活性也是一種有效機制。研究發現大蒜中的硫代亞磺酸酯能夠與半胱氨酸蛋白酶的硫醇基團作用，從而抑制酶的活性。此外，活性包裝的成膜基材多糖可與酪氨酸酶通過非共價鍵可逆結合，使酶活力降低，進而抑制酪氨酸的生成。競爭性抑制酶活也是抑制酪氨酸酶活性的一種機制，4-己基間苯二酚可與底物競爭結合酶的活性中心從而抑制酪氨酸酶活性。

2.2 調控微生物生長

由于微生物生長在水產品腐敗變質中的重要性，因此通過增強薄膜或涂層對微生物生長的調控特性是延緩水產品腐敗、提高水產品質量的一種有效策略（表2）。

破壞菌體細胞膜使胞內物質泄漏是常見的抑菌機制之一，利用具有破壞菌體細胞膜的物質設計活性包裝可作為維持水產品新鮮度的有效方式。其中，活性包裝的成膜基材殼聚糖因其結構含有質子化的氨基，能與細菌細胞膜表面的負電物質發生靜電作用，引起菌體細胞膜破壞胞內物質泄漏，實現抑菌的功效。乳酸鏈球菌素可以與菌體細胞膜上的lipid II（細菌萜醇-焦磷酸--乙酰胞壁酸-五肽--乙酰葡萄糖胺）分子結合，形成乳酸鏈球菌素-lipid II孔洞復合物，其可與細胞膜作用形成穿孔通道，使細胞內物質外流。-聚賴氨酸也可破壞菌體細胞膜，研究發現-聚賴氨酸可使菌體細胞膜的疏水性增大1～2 倍，改變通透性，破壞胞膜離子通道，使胞內的Ca、K和Mg外流；同時，菌體細胞膜上分子質量大于38 ku的蛋白質合成或分解過程受阻，膜屏障破損后形成孔洞。此外，抗菌肽也可引起細胞膜破壞，如乳酸菌抗菌肽螯合Zn后，其外膜遭到破壞，隨后再與細胞膜作用，引起胞內K和磷酸鹽離子發生不同程度泄漏。乳酸鏈球菌素、-聚賴氨酸和抗菌肽等活性物質因具有良好的破壞細胞膜能力而被添加至膜基材中用于制備抑菌活性包裝以調控微生物生長。

表2 具有抑菌功效的活性包裝在水產品保鮮中的應用Table 2 Recent studies on active packaging with antibacterial activity used for aquatic product preservation

除破壞細胞膜引起胞內物質泄漏外，干擾菌體正常生理功能也是一種有效的抑菌機制，利用具有這種功能的物質設計活性包裝也可有效調控微生物生長，維持水產品新鮮度。例如，活性包裝中的活性物質細菌素能夠抑制靶細胞肽聚糖的合成，并可以作用于核糖體來抑制細胞合成蛋白質影響正常生理功能。植物精油等活性物質中所含的異硫氰酸類硫化物會誘導菌體細胞周期阻滯，導致細菌絲狀化，影響細胞流動性和穩定壓力。此外，多酚類物質可穿透細胞膜影響胞內酶，通過抑制酶（如ATP合成酶、DNA旋轉酶等）的表達，干擾細胞中的正常能量代謝，抑制DNA、蛋白質等維持細菌生命活動的生物大分子合成，使正常生命活動受到抑制從而達到抑菌的目的，是增強包裝抑菌能力的一種有效活性物質。

由于腐敗微生物通過調控群體感應系統影響腐敗進程，因此選擇具有調控特定腐敗微生物群體感應系統功能的物質制備活性包裝也為控制和減少微生物引起腐敗提供了一種有效的途徑。植物多酚直接可以與腐敗微生物產生的高絲氨酸內酯類信號分子競爭LuxR的結合位點，促進高絲氨酸內酯類信號分子的降解，此外多酚物質可以降低高絲氨酸內酯類信號分子合成酶相關的基因表達，從而削弱細菌合成高絲氨酸內酯類分子的能力，抑制群體感應現象。Li Tingting等研究發現肉桂醛可以通過競爭群體感應受體蛋白LuxR來抑制腐敗菌致腐蛋白酶的分泌。丁婷通過分子對接研究發現(+)-兒茶素、沒食子丙酸酯可以與P07的LuxI型蛋白形成傳統氫鍵、碳氫鍵以及π-烷基鍵，從而抑制P07胞外蛋白酶的產生以及生物被膜、泳動性和胞外聚合物的形成，抑制群體感應效應。

2.3 減緩脂質氧化

水產品中豐富的脂肪酸會導致脂質氧化發生，對水產品腐敗起一定的促進作用。因此，研發抗氧化活性包裝抑制水產品脂質氧化對于水產品保鮮至關重要（表3）。

抑制脂質氧化有多種機制，清除自由基是抑制脂質氧化的常見機制之一，部分活性物質或成膜基材被發現具有清除自由基的功能，可以用于制備減緩脂質氧化的水產品保鮮活性包裝。例如，研究發現茶多酚或精油等物質含有酚羥基結構，可作為氫供體清除自由基從而放緩脂質氧化的發生。黃酮類化合物也可有效清除自由基，其B環上的鄰二酚羥基在清除自由基的反應中極易提供氫自由基，且其自身能夠形成更穩定的自由基中間體，極大地促進了其抗氧化活性。VC通過逐級供給電子變成半脫氫抗壞血酸和脫氫抗壞血酸，從而清除自由基。這些活性物質因具有良好的清除自由基能力被添加到膜基材中。海藻多糖也被發現可以抑制活性自由基的形成從而抑制脂質氧化，其抑制自由基的能力與硫酸根含量有關，目前已用作抗氧化活性包裝的成膜基材。

表3 具有抑制脂質氧化功效的活性包裝在水產品保鮮中的應用Table 3 Recent studies on of active packaging used for aquatic product preservation through inhibition of lipid oxidation

金屬離子在氧化反應中起催化作用，螯合金屬離子也是抑制脂質氧化的有效機制之一，選擇具有該功能的物質設計活性包裝成為目前的研究熱點?；ㄇ嗨刂泻虚g苯二酚和沒食子酸結構，能夠提供孤對電子，與金屬離子形成無催化活性的花青素-金屬絡合物，阻止或減少氧化反應的發生，可作為活性物質添加到膜基材中制備抗氧化活性包裝。帶有羥基和羧基的酚類化合物也可以結合金屬離子，形成不可溶的絡合物，減少金屬離子對脂質氧化的催化作用，也被作為活性物質添加到膜基材中增強其抗氧化性能。此外，抑制脂肪酶等酶活性或提高抗氧化酶活性也至關重要。茶多酚的活性羥基也可以通過氫鍵與蛋白質結合，抑制脂氧化酶等促自由基生成酶活性，誘導過氧化物酶等抗氧化酶的活性。目前的研究認為，一些植物精油的活性物質如萜類或苯丙烷成分能夠與細胞表面受體結合，通過信號轉導參與調節與細胞氧化還原相關的酶活性，然而其具體機制目前仍不明確，需進一步研究，為今后用于抑制水產品氧化活性包裝的設計提供理論依據。

2.4 增效機制

盡管活性包裝在水產品保鮮中已取得顯著成效，然而活性物質在膜基質中釋放過快（丁香酚等揮發性物質）或過慢時其抑制水產品腐敗變質的功效被大大降低。通過調控活性物質的釋放速率，使其在膜基質中緩慢、持續釋放，延長活性物質的作用時間，可有效起到延長水產品貨架期的功效。目前常見的用于活性物質釋放速率調控的技術有成膜聚合物改性法、納米載體法和復合膜法（圖2）。

圖2 活性包裝中活性成分的控制釋放示意圖[78]Fig. 2 Schematic diagram of the controlled release of active ingredients in active packaging[78]

成膜聚合物改性是控制活性物質釋放速率的一種有效手段。如海藻酸鈉親水性較強，蛋白質等物質包埋后容易突釋。將海藻酸鈉進行疏水化改性后，不僅釋放速率得到有效減緩，包埋率也得到增加。雖然改性可以優化活性物質的負載率和釋放性能，但部分改性劑為合成試劑，具有一定的毒性，容易通過包裝作用到水產品中，對食用安全產生影響。共混改性的物理改性方式逐漸替代化學改性用于活性包裝中。研究表明，不同聚合物共混時由于大分子之間的相互作用增強，聚合物鏈的流動性降低，孔隙度減少，致使活性物質釋放放緩。

將活性物質包埋到納米載體中可提高有效成分的分散性、穩定性和釋放特性。同時，活性成分的釋放因受到納米載體聚合物網絡或活性成分本身分子擴散的限制而得到延緩。納米載體包埋活性物質雖被證明是一種控釋活性物質、有效保持水產品新鮮度的方式，但也存在釋放過慢時會降低有效成分功效或對水產品感官特性產生影響等問題。

復合膜法也是一種調控活性物質釋放速率的有效方式。復合膜由兩層或兩層以上的膜層組成，既可以控制活性物質釋放到表面的速率，也可以防止活性物質的外滲損失。雖然復合膜法在通過調控活性物質來更好地維持水產品新鮮度方面已經取得一定成效，但涂膜溶液濃度不合適、在水產品表面形成的膜過厚、含水分過高等條件下均容易滋生微生物，加速水產品的腐敗變質。

3 結 語

近年來，隨著技術的發展，活性包裝作為水產品的外部保護通過抑制內源性酶活性、調控微生物生長和延緩脂質氧化在水產品保鮮方面取得了顯著成效，相關機制也得到了探究，但是依然存在以下問題：一是因水產品的種類和環境溫度等因素不同，水產品的內源酶活性對其品質劣化的機制也不盡相同，探究不同條件下酶活性的變化規律是更好發揮活性物質抑制酶活性能力的重要前提，特別是多種物質協同互作機制尚不明確，需進一步深入研究。二是國內外雖然對抑制腐敗關聯的微生物生長機制做了一定研究，但因抑菌物質的差異和微生物結構的不同，深層次的共性機制尚需要探究，部分加入活性包裝的抑菌物質（植物精油）成分相對復雜，具體的分子機制尚不能明確。三是脂質氧化也是引起水產品腐敗，進而造成色澤和風味發生變化的重要原因，目前研究發現復合抗氧化劑的性能優于單一成分，但是相關互作和協同效應的機制研究尚且不足，此外脂質氧化也會導致蛋白質氧化，兩者同時發生且相互影響，深層次的規律還需要進一步挖掘。四是針對增效技術，同樣也需要深入解析活性物質從包裝材料到水產品中的釋放規律，以此在基礎研究的前提下，指導設計更為有效的水產品保鮮活性包裝。