劉亞楠，李 歡，蔣 凡，傅玲琳，王彥波

（浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

2020年我國水產(chǎn)品產(chǎn)量達(dá)到6 549.02萬 t，穩(wěn)居世界第一位。水產(chǎn)品因具有含水量高、蛋白質(zhì)含量高和不飽和脂肪酸含量豐富的特點(diǎn)，在加工、運(yùn)輸和貯藏過程中極易發(fā)生氧化酸敗和微生物污染等而腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生大量的不良?xì)馕逗陀泻ξ镔|(zhì)，影響水產(chǎn)品質(zhì)量和安全，進(jìn)而降低其商業(yè)價(jià)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(dá)15%，而發(fā)達(dá)國家低于5%。如何提升水產(chǎn)品保鮮技術(shù)、減少腐敗，從而減少經(jīng)濟(jì)損失，切實(shí)保障消費(fèi)者的食用安全，是我國水產(chǎn)行業(yè)亟需解決的關(guān)鍵問題。包裝技術(shù)在食品中得到了極為廣泛的應(yīng)用，近年來活性包裝技術(shù)因特有的性能廣受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，水產(chǎn)品腐敗除環(huán)境因素影響外，主要與微生物、脂質(zhì)氧化和內(nèi)源酶有關(guān)，活性包裝正是針對(duì)以上引起腐敗的主要因素設(shè)計(jì)和構(gòu)建，在水產(chǎn)品保鮮領(lǐng)域取得了顯著成效，成為研究的熱點(diǎn)。

1 水產(chǎn)品腐敗機(jī)制

水產(chǎn)品營養(yǎng)豐富且味道鮮美，深受消費(fèi)者喜愛，但在運(yùn)輸和貯藏過程中極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)、食用安全和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生巨大影響。研究表明，水產(chǎn)品腐敗主要是由內(nèi)源酶、微生物、脂質(zhì)氧化和溫度、濕度等環(huán)境因素綜合作用引起。

1.1 內(nèi)源酶

水產(chǎn)品中含有大量內(nèi)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(chǎn)品在這些內(nèi)源性酶的作用下組織會(huì)快速軟化、降解，同時(shí)產(chǎn)生甲醛、乳酸等有害或不良風(fēng)味物質(zhì)，導(dǎo)致感官和風(fēng)味上的變化，影響水產(chǎn)品品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性酶主要在貯藏前期對(duì)腐敗起促進(jìn)作用。蛋白質(zhì)經(jīng)由內(nèi)源酶水解得到的產(chǎn)物可進(jìn)一步為微生物的生長提供營養(yǎng)，促使微生物尤其是特定腐敗菌的數(shù)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(chǎn)品貯藏后期加速腐敗的主要因素。常見的水產(chǎn)品特定腐敗菌有希瓦氏菌（）、假單胞菌（）、磷發(fā)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(yīng)系統(tǒng)調(diào)控致腐因子的表達(dá)發(fā)揮致腐作用，群體感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度影響水產(chǎn)品的腐敗程度。例如，Gu Qingqing等發(fā)現(xiàn)從大黃魚分離的一株腐敗能力較強(qiáng)的希瓦氏菌株（）能夠產(chǎn)生二酮哌嗪類化合物（diketopiperazines，DKPs）群體感應(yīng)系統(tǒng)信號(hào)分子。當(dāng)在接種的滅菌魚汁中添加合成的DKPs時(shí)，魚汁中揮發(fā)性鹽基氮積累增加，即DKPs可通過群體感應(yīng)效應(yīng)增強(qiáng)菌株的腐敗能力。相反，抑制腐敗相關(guān)群體感應(yīng)通路可有效減緩腐敗的發(fā)生。除此以外，微生物在代謝過程中也會(huì)分泌各種酶類等代謝產(chǎn)物，從而不斷地分解利用魚體內(nèi)的蛋白質(zhì)、糖類等營養(yǎng)物質(zhì)，并生成如腐胺、尸胺、有機(jī)酸、醛類等具有異味和有害的物質(zhì)。

1.3 脂質(zhì)氧化

脂質(zhì)氧化也是引起水產(chǎn)品腐敗、品質(zhì)降低的重要原因。水產(chǎn)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(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生過氧化氫、醛、酮及羧酸等產(chǎn)物，引起水產(chǎn)品風(fēng)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(chǎn)品自身。除上述酶促氧化反應(yīng)外，不飽和脂肪酸還可以在游離自由基的作用下發(fā)生氧化。脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)還會(huì)攻擊蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)中的某些氨基酸殘基，從而使蛋白質(zhì)被氧化，進(jìn)而破壞肌肉組織結(jié)構(gòu)，暴露脂類物質(zhì)，加快脂質(zhì)氧化速度。此外，游離脂肪酸可以與肌原纖維蛋白結(jié)合，促使蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致魚肉品質(zhì)劣化。

1.4 環(huán)境因素

除內(nèi)源酶、微生物和脂質(zhì)氧化等因素影響外，環(huán)境因素（溫度、濕度、pH值、氧氣等）也是影響并促進(jìn)其他因素加快水產(chǎn)品腐敗進(jìn)程的重要因素。溫度被認(rèn)為是影響水產(chǎn)品腐敗最重要的環(huán)境因素，運(yùn)輸過程中溫度的波動(dòng)會(huì)引起組織中的冰晶重結(jié)晶和進(jìn)一步生長，較大的晶體使蛋白重排、交聯(lián)、不可逆變性，引起肌肉組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)地。同時(shí)，溫度的變化也會(huì)影響微生物的生長速率和酶活性，進(jìn)一步影響水產(chǎn)品腐敗進(jìn)程。環(huán)境濕度對(duì)水產(chǎn)品腐敗也產(chǎn)生一定的影響。水產(chǎn)品中的自由水含量可隨環(huán)境濕度改變，自由水含量的變化可影響蛋白質(zhì)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(chǎn)品腐敗的重要環(huán)境因素。不同pH值可引起微生物細(xì)胞膜電荷發(fā)生明顯變化，影響微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)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(jìn)水產(chǎn)品腐??；另一方面加快水產(chǎn)品脂質(zhì)氧化和蛋白質(zhì)氧化，影響水產(chǎn)品的風(fēng)味和色澤。

2 活性包裝視角下水產(chǎn)品保鮮機(jī)制

目前，殼聚糖涂膜、植物提取物涂膜等活性包裝已在水產(chǎn)品保鮮中取得了一定的成效，其主要通過抑制內(nèi)源酶活性、調(diào)控微生物生長和延緩脂質(zhì)氧化等機(jī)制實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品的保鮮（圖1）。

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

2.1 抑制內(nèi)源酶活性

研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源酶在水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)過程中起主要促進(jìn)作用，如膠原酶可以降解魚肉中的膠原，是引起質(zhì)構(gòu)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(nèi)源性酶活性是提高水產(chǎn)品質(zhì)量、延長保質(zhì)期的一種有效途徑（表1）。

表1 具有抑制內(nèi)源酶類活性功效的活性包裝在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)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(jī)制之一是影響酶的構(gòu)象從而降低酶活性，將具有影響酶構(gòu)象的物質(zhì)作為活性物質(zhì)或?qū)⒊赡せ淖鳛榛钚园b的一部分抑制酶活性是實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品保鮮的一種有效途徑。研究發(fā)現(xiàn)，活性物質(zhì)茶多酚能夠顯著抑制I型和V型膠原酶對(duì)膠原的降解，因?yàn)椴瓒喾又械膬翰杷啬軌蛴绊懩z原酶的構(gòu)象，降低酶活性。鹽離子也可促使不同活性構(gòu)象異構(gòu)體形成轉(zhuǎn)變而改變酶的活性。除改變酶構(gòu)象外，將部分可以利用分子間相互作用的活性物質(zhì)或者成膜基材加入包裝中抑制內(nèi)源酶活性也是一種有效機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)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(tuán)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(jià)鍵可逆結(jié)合，使酶活力降低，進(jìn)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(jī)制，4-己基間苯二酚可與底物競爭結(jié)合酶的活性中心從而抑制酪氨酸酶活性。

2.2 調(diào)控微生物生長

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

破壞菌體細(xì)胞膜使胞內(nèi)物質(zhì)泄漏是常見的抑菌機(jī)制之一，利用具有破壞菌體細(xì)胞膜的物質(zhì)設(shè)計(jì)活性包裝可作為維持水產(chǎn)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(jié)構(gòu)含有質(zhì)子化的氨基，能與細(xì)菌細(xì)胞膜表面的負(fù)電物質(zhì)發(fā)生靜電作用，引起菌體細(xì)胞膜破壞胞內(nèi)物質(zhì)泄漏，實(shí)現(xiàn)抑菌的功效。乳酸鏈球菌素可以與菌體細(xì)胞膜上的lipid II（細(xì)菌萜醇-焦磷酸--乙酰胞壁酸-五肽--乙酰葡萄糖胺）分子結(jié)合，形成乳酸鏈球菌素-lipid II孔洞復(fù)合物，其可與細(xì)胞膜作用形成穿孔通道，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外流。-聚賴氨酸也可破壞菌體細(xì)胞膜，研究發(fā)現(xiàn)-聚賴氨酸可使菌體細(xì)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(nèi)的Ca、K和Mg外流；同時(shí)，菌體細(xì)胞膜上分子質(zhì)量大于38 ku的蛋白質(zhì)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(xì)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(xì)胞膜作用，引起胞內(nèi)K和磷酸鹽離子發(fā)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(zhì)因具有良好的破壞細(xì)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(diào)控微生物生長。

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

除破壞細(xì)胞膜引起胞內(nèi)物質(zhì)泄漏外，干擾菌體正常生理功能也是一種有效的抑菌機(jī)制，利用具有這種功能的物質(zhì)設(shè)計(jì)活性包裝也可有效調(diào)控微生物生長，維持水產(chǎn)品新鮮度。例如，活性包裝中的活性物質(zhì)細(xì)菌素能夠抑制靶細(xì)胞肽聚糖的合成，并可以作用于核糖體來抑制細(xì)胞合成蛋白質(zhì)影響正常生理功能。植物精油等活性物質(zhì)中所含的異硫氰酸類硫化物會(huì)誘導(dǎo)菌體細(xì)胞周期阻滯，導(dǎo)致細(xì)菌絲狀化，影響細(xì)胞流動(dòng)性和穩(wěn)定壓力。此外，多酚類物質(zhì)可穿透細(xì)胞膜影響胞內(nèi)酶，通過抑制酶（如ATP合成酶、DNA旋轉(zhuǎn)酶等）的表達(dá)，干擾細(xì)胞中的正常能量代謝，抑制DNA、蛋白質(zhì)等維持細(xì)菌生命活動(dòng)的生物大分子合成，使正常生命活動(dòng)受到抑制從而達(dá)到抑菌的目的，是增強(qiáng)包裝抑菌能力的一種有效活性物質(zhì)。

由于腐敗微生物通過調(diào)控群體感應(yīng)系統(tǒng)影響腐敗進(jìn)程，因此選擇具有調(diào)控特定腐敗微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)功能的物質(zhì)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(chǎn)生的高絲氨酸內(nèi)酯類信號(hào)分子競爭LuxR的結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)高絲氨酸內(nèi)酯類信號(hào)分子的降解，此外多酚物質(zhì)可以降低高絲氨酸內(nèi)酯類信號(hào)分子合成酶相關(guān)的基因表達(dá)，從而削弱細(xì)菌合成高絲氨酸內(nèi)酯類分子的能力，抑制群體感應(yīng)現(xiàn)象。Li Tingting等研究發(fā)現(xiàn)肉桂醛可以通過競爭群體感應(yīng)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(duì)接研究發(fā)現(xiàn)(+)-兒茶素、沒食子丙酸酯可以與P07的LuxI型蛋白形成傳統(tǒng)氫鍵、碳?xì)滏I以及π-烷基鍵，從而抑制P07胞外蛋白酶的產(chǎn)生以及生物被膜、泳動(dòng)性和胞外聚合物的形成，抑制群體感應(yīng)效應(yīng)。

2.3 減緩脂質(zhì)氧化

水產(chǎn)品中豐富的脂肪酸會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)氧化發(fā)生，對(duì)水產(chǎn)品腐敗起一定的促進(jìn)作用。因此，研發(fā)抗氧化活性包裝抑制水產(chǎn)品脂質(zhì)氧化對(duì)于水產(chǎn)品保鮮至關(guān)重要（表3）。

抑制脂質(zhì)氧化有多種機(jī)制，清除自由基是抑制脂質(zhì)氧化的常見機(jī)制之一，部分活性物質(zhì)或成膜基材被發(fā)現(xiàn)具有清除自由基的功能，可以用于制備減緩脂質(zhì)氧化的水產(chǎn)品保鮮活性包裝。例如，研究發(fā)現(xiàn)茶多酚或精油等物質(zhì)含有酚羥基結(jié)構(gòu)，可作為氫供體清除自由基從而放緩脂質(zhì)氧化的發(fā)生。黃酮類化合物也可有效清除自由基，其B環(huán)上的鄰二酚羥基在清除自由基的反應(yīng)中極易提供氫自由基，且其自身能夠形成更穩(wěn)定的自由基中間體，極大地促進(jìn)了其抗氧化活性。VC通過逐級(jí)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(zhì)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(fā)現(xiàn)可以抑制活性自由基的形成從而抑制脂質(zhì)氧化，其抑制自由基的能力與硫酸根含量有關(guān)，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(zhì)氧化功效的活性包裝在水產(chǎn)品保鮮中的應(yīng)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(yīng)中起催化作用，螯合金屬離子也是抑制脂質(zhì)氧化的有效機(jī)制之一，選擇具有該功能的物質(zhì)設(shè)計(jì)活性包裝成為目前的研究熱點(diǎn)?；ㄇ嗨刂泻虚g苯二酚和沒食子酸結(jié)構(gòu)，能夠提供孤對(duì)電子，與金屬離子形成無催化活性的花青素-金屬絡(luò)合物，阻止或減少氧化反應(yīng)的發(fā)生，可作為活性物質(zhì)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(jié)合金屬離子，形成不可溶的絡(luò)合物，減少金屬離子對(duì)脂質(zhì)氧化的催化作用，也被作為活性物質(zhì)添加到膜基材中增強(qiáng)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(guān)重要。茶多酚的活性羥基也可以通過氫鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合，抑制脂氧化酶等促自由基生成酶活性，誘導(dǎo)過氧化物酶等抗氧化酶的活性。目前的研究認(rèn)為，一些植物精油的活性物質(zhì)如萜類或苯丙烷成分能夠與細(xì)胞表面受體結(jié)合，通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)參與調(diào)節(jié)與細(xì)胞氧化還原相關(guān)的酶活性，然而其具體機(jī)制目前仍不明確，需進(jìn)一步研究，為今后用于抑制水產(chǎn)品氧化活性包裝的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.4 增效機(jī)制

盡管活性包裝在水產(chǎn)品保鮮中已取得顯著成效，然而活性物質(zhì)在膜基質(zhì)中釋放過快（丁香酚等揮發(fā)性物質(zhì)）或過慢時(shí)其抑制水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)的功效被大大降低。通過調(diào)控活性物質(zhì)的釋放速率，使其在膜基質(zhì)中緩慢、持續(xù)釋放，延長活性物質(zhì)的作用時(shí)間，可有效起到延長水產(chǎn)品貨架期的功效。目前常見的用于活性物質(zhì)釋放速率調(diào)控的技術(shù)有成膜聚合物改性法、納米載體法和復(fù)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(zhì)釋放速率的一種有效手段。如海藻酸鈉親水性較強(qiáng)，蛋白質(zhì)等物質(zhì)包埋后容易突釋。將海藻酸鈉進(jìn)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(yōu)化活性物質(zhì)的負(fù)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(chǎn)品中，對(duì)食用安全產(chǎn)生影響。共混改性的物理改性方式逐漸替代化學(xué)改性用于活性包裝中。研究表明，不同聚合物共混時(shí)由于大分子之間的相互作用增強(qiáng)，聚合物鏈的流動(dòng)性降低，孔隙度減少，致使活性物質(zhì)釋放放緩。

將活性物質(zhì)包埋到納米載體中可提高有效成分的分散性、穩(wěn)定性和釋放特性。同時(shí)，活性成分的釋放因受到納米載體聚合物網(wǎng)絡(luò)或活性成分本身分子擴(kuò)散的限制而得到延緩。納米載體包埋活性物質(zhì)雖被證明是一種控釋活性物質(zhì)、有效保持水產(chǎn)品新鮮度的方式，但也存在釋放過慢時(shí)會(huì)降低有效成分功效或?qū)λa(chǎn)品感官特性產(chǎn)生影響等問題。

復(fù)合膜法也是一種調(diào)控活性物質(zhì)釋放速率的有效方式。復(fù)合膜由兩層或兩層以上的膜層組成，既可以控制活性物質(zhì)釋放到表面的速率，也可以防止活性物質(zhì)的外滲損失。雖然復(fù)合膜法在通過調(diào)控活性物質(zhì)來更好地維持水產(chǎn)品新鮮度方面已經(jīng)取得一定成效，但涂膜溶液濃度不合適、在水產(chǎn)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(chǎn)品的腐敗變質(zhì)。

3 結(jié) 語

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，活性包裝作為水產(chǎn)品的外部保護(hù)通過抑制內(nèi)源性酶活性、調(diào)控微生物生長和延緩脂質(zhì)氧化在水產(chǎn)品保鮮方面取得了顯著成效，相關(guān)機(jī)制也得到了探究，但是依然存在以下問題：一是因水產(chǎn)品的種類和環(huán)境溫度等因素不同，水產(chǎn)品的內(nèi)源酶活性對(duì)其品質(zhì)劣化的機(jī)制也不盡相同，探究不同條件下酶活性的變化規(guī)律是更好發(fā)揮活性物質(zhì)抑制酶活性能力的重要前提，特別是多種物質(zhì)協(xié)同互作機(jī)制尚不明確，需進(jìn)一步深入研究。二是國內(nèi)外雖然對(duì)抑制腐敗關(guān)聯(lián)的微生物生長機(jī)制做了一定研究，但因抑菌物質(zhì)的差異和微生物結(jié)構(gòu)的不同，深層次的共性機(jī)制尚需要探究，部分加入活性包裝的抑菌物質(zhì)（植物精油）成分相對(duì)復(fù)雜，具體的分子機(jī)制尚不能明確。三是脂質(zhì)氧化也是引起水產(chǎn)品腐敗，進(jìn)而造成色澤和風(fēng)味發(fā)生變化的重要原因，目前研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合抗氧化劑的性能優(yōu)于單一成分，但是相關(guān)互作和協(xié)同效應(yīng)的機(jī)制研究尚且不足，此外脂質(zhì)氧化也會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)氧化，兩者同時(shí)發(fā)生且相互影響，深層次的規(guī)律還需要進(jìn)一步挖掘。四是針對(duì)增效技術(shù)，同樣也需要深入解析活性物質(zhì)從包裝材料到水產(chǎn)品中的釋放規(guī)律，以此在基礎(chǔ)研究的前提下，指導(dǎo)設(shè)計(jì)更為有效的水產(chǎn)品保鮮活性包裝。