Quá trình đông lạnh được sử dụng rộng rãi để bảo vệ và duy trì chất lượng sản phẩm thực phẩm trong thời gian dài bởi vì sự sinh trưởng của vi khuẩn và các phản ứng hóa sinh và ezyme giảm ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, các tinh thể băng hình thành như một kết quả của quá trình đông lạnh có thể gây tổn hại tế bào và phá vỡ kết cấu của sản phẩm thực phẩm, và chấy nền không đóng băng tập trung lại có thể dẫn đến những thay đổi về pH, áp suất thẩm thấu và nồng độ ion. Những thay đổi này có thể ảnh hưởng đến các phản ứng sinh hóa và hóa lý như biến tính protein, quá trình oxy hóa lipid, và sự thoái hóa ezyme củaTMAO trong thủy sản đông lạnh. Vì vậy, cần phải hiểu các phản ứng để kéo dài thời gian sống và cải thiện các đặc tính chất lượng của hải sản.
1. Biến tính Protein
Trong quá trình đông lạnh hoặc bảo quản đông lạnh, những thay đổi trạng thái vật lý của nước và sự có mặt của chất béo tạo ra một môi trường gây ra sự biến tính protein. Sự biến tính này có thể được gây ra bởi một hoặc nhiều các yếu tố sau:
Hình thành tinh thể đá Có hiện tượng mất nước Tăng nồng độ chất hòa tan
Tương tác giữa các protein với các chất béo không bị ảnh hưởng và FFAs Tương tác của protein với chất béo bị oxy hóa
Sự biến tính của protein thay đổi các thuộc tính kết cấu và chức năng của protein. Các kết cấu của cá có thể trở nên xơ và dai hơn là kết quả của việc mất đi protein hòa tan và khả năng giữ nước. Ví dụ, độ bền gel cá cầu vồng (Trichiurus savala) protein giảm đáng kể sau 100 ngày kể từ ngày lưu trữ ở -20oC. Những thay đổi về kết cấu như kết quả của sự biến tính protein làm tăng các thuộc tính cảm giác không mong muốn thường được mô tả như xốp, khô, dai, và mất đi tính mọng nước.
2. Sự hình thành tinh thể băng
Các tinh thể băng có thể hình thành liên và trong tế bào trong quá trình dông lạnh, làm vỡ màng và thay đổi cấu trúc của các cơ tế bào. Ở một tốc độ đông lạnh chậm, chất lỏng trong không gian ngoại bào đông lạnh đầu tiên, do đó làm tăng nồng độ các chất hoà tan ngoại bào và đưa nước thẩm thấu một cách chọn lọc từ các tế bào không đóng băng qua lớp màng bán thấm của tế bào. Sự khuếch tán của nước từ không gian nội bào ra không gian ngoại bào dẫn đến sự nhỏ giọt từ các mô cơ bắp đông lạnh khi rã đông. Những giọt này chứa protein, peptide, amino acid, acid lactic, purin, vitamin B, và các muối khác, nồng độ của chúng tăng theo thời gian lưu trữ. Mặt khác, khi mô được đông lạnh nhanh chóng, các chất lỏng trong tế bào không có đủ thời gian để di chuyển ra ngoài không gian ngoại bào và sẽ tạo tinh thể băng nhỏ phân bố đồng đều trong mô. Vì vậy, việc đóng băng nhanh chóng có
37
một ít bất lợi ảnh hưởng đến các tế bào hoặc mô. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ lưu trữ dao động, các tinh thê băng nội bào tái kết tinh, tạo thành các tinh thể băng lớn và gây ra sự gián đoạn tế bào, dẫn đến mất mát do nhỏ giọt nhiều hơn. Sự thiệt hại cơ từ tinh thể băng trên kết cấu của thực phẩm trong quá trình đông lạnh và lưu trữ đông lạnh đã được nghiên cứu trong trái kiwi (Fuster et al., 1994), thịt cừu (Payne và Young 1995), cơ bắp lớp vỏ mực (Ueng và Chow 1998), thịt lợn (Ngapo et al. 1999), và thịt bò (Farouk et al. 2003).
Trong thời gian lưu trữ, nếu sản phẩm không được đóng gói hoặc đóng gói không đúng, băng có thể thăng hoa vào khoảng trống và tạo ra những khiếm khuyết trên sản phẩm được gọi là vết ẩm mốc trên thực phẩm đông lạnh. Sự thăng hoa của tinh thể nước đá để lại phía sau những hốc nhỏ và làm cho bề mặt của cá xuất hiện màu xám. Nó càng rõ ràng hơn khi nhiệt độ lưu trữ cao. Vết ẩm mốc trên thực phẩm đông lạnh làm tăng tỷ lệ mùi hôi và sự đổi màu khi tiếp xúc với bề mặt càng lớn.
3. Ảnh hưởng của sự mất nước
Protein tự nhiên được ổn định bằng cách gấp nếp các chuỗi kỵ nước vào các phân tử protein và được liên kết với nhau bởi nhiều lực khác, bao gồm cả liên kết hydro, tương tác lưỡng cực, tương tác tĩnh điện, và các liên kết disulfite. Sự hình thành của băng trong qua trình đông lạnh loại bỏ nước từ các phân tử protein, do đó phá vỡ các mạng lưới liên kết hydro giữa các protein tự nhiên với các phân tử nước, để lộ ra các vị trí kỵ nước hoặc ưa nước của phân tử protein. Việc tiếp xúc với các vùng kỵ nước hoặc ưa nước của các phân tử protein tương tác với nhau để tạo thành các liên kết kỵ nước-kỵ nước và ưa nước - ưa nước, hoặc bên trong các phân tử protein, dẫn đến sự tái cấu trúc của nước trên cấu trúc không gian ba chiều của protein, hoặc giữa các phân tử liền kề protein, gây ra các tương tác protein- protein và dẫn đến sự tái kết hợp.
Xiong (1997) đề xuất rằng protein kết hợp lại để duy trì năng lượng tự do thấp nhất khi nước chuyển thành băng, vì vậy dẫn đến sự biến tính protein. Matsumoto (1979) cho rằng sự tái phân phối nước trong quá trình đóng băng cho phép các phân tử protein di chuyển gần hơn với nhau và tổng hợp thông qua tương tác giữa các phân tử. Lim và Haard (1984) tìm thấy rằng sự mất khả năng hòa tan protein như là một kết quả của sự biến tính protein trong cá bơn Greenland trong quá trình lưu trữ đông lạnh chủ yếu là do các tương tác không cộng hóa trị, kỵ nước trong phân tử protein. Buttkus (1970) đề xuất rằng sự hình thành của các liên kết S-S giữa các phân tử là nguyên nhân chính của biến tính protein.
4. Ảnh hưởng của nồng độ chất tan
Khi băng hình thành, nồng độ muối khoáng và các chất hữu cơ hòa tan trong chất nền không đóng băng tăng. Kết quả là, muối và các hợp chất ít tan (chẳng hạn như phosphate) có thể kết tủa, sẽ thay đổi độ pH và nồng độ ion của chất nền không đóng băng và gây những thay đổi về cấu trúc trong protein. Các ion trong chất nền cô đặc sẽ cạnh tranh với các liên kết tĩnh điện hiện tại và gây ra sự phân hủy của một số các liên kết tĩnh điện. Takahashi et al. (1993) tìm thấy, trong nghiên cứu sự biến tính do đông lạnh của các tơ cơ cá chép với KCl hoặc NaCl ở nhiệt độ trên -13oC bị gây ra bởi dung dịch muối đậm đặc
38
5. Phản ứng của Protein với Lipid nguyên vẹn
Có nhiều quan điểm khác nhau trong các tài liệu về ảnh hưởng của chất béo nguyên vẹn (tức là, chất béo chưa bị thủy phân hoặc oxy hóa một phần hay toàn bộ) trên protein cá. Một mặt, chúng dường như để bảo vệ protein; mặt khác, chúng tạo thành phức hợp lipoprotein, mà ảnh hưởng đến đặc tính protein (Shenouda năm 1980, Mackie 1993). Dyer và Dingle (1961) phát hiện ra rằng cá nạc (hàm lượng chất béo ít hơn 1%) cho thấy sự sụt giảm nhanh chóng trong protein (actomyosin) chiết xuất khi so sánh với các loài cá béo (3-10% lipid). Vì vậy, họ đưa ra giả thuyết rằng mức độ ôn hòa của chất béo có thể làm giảm sự biến tính protein trong quá trình lưu trữ đông lạnh. Ngược lại, Shenouda và Piggot (1974) quan sát thấy một ảnh hưởng bất lợi của chất béo còn nguyên vẹn trên biến tính protein trong nghiên cứu của họ về một hệ thống mô hình, liên quan đến việc ủ lipid và protein chiết xuất từ cùng một loại cá ở 4oC qua đêm. Họ cho thấy khi actin cá (G-form) được ủ với lipid cá, các khối protein có trọng lượng phân tử cao được hình thành. Họ cho rằng trong quá trình đóng băng, các thành phần lipid và protein tạo thành phức hợp lipoprotein, làm thay đổi chất lượng kết cấu của mô cơ.
6. Phản ứng giữa protein với Lipid bị oxy hóa
Trong thời gian lưu trữ đông, những sản phẩm oxy hóa lipid làm cho protein trở nên không hòa tan và cứng hơn. Khi protein tiếp xúc với chất béo peroxidized, phức hợp lipid-protein peroxidized sẽ hình thành thông qua các tương tác kỵ nước hoặc liên kết hydro, gây nên những thay đổi hình dạng trong protein. Các hợp chất trung gian chứa gốc tự do không ổn định của lipid peroxy loại bỏ hydro từ protein, hình thành một gốc protein, mà có thể bắt đầu nhiều phản ứng khác nhau như liên kết ngang với các protein khác hoặc chất béo và hình thành các tập hợp protein-protein và protein-lipid. Roubal và Tappel (1966) phát hiện ra rằng protein peroxidized liên kết ngang vào một dãy các oligomer, được kết hợp với protein không tan. Careche và Tejada (1994) phát hiện ra rằng acid oleic và myristic có ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động của ATPase, độ hòa tan protein, và độ nhớt của cơ cá tuyết trong suốt quá trình bảo quản đông lạnh.
Các sản phẩm phụ từ quá trình oxy hóa lipid như aldehyde phản ứng hóa học với các nhóm amin của protein thông qua sự hình thành của các sản phẩm cộng base Shiff, có thể phát huỳnh quang. Ang và Hultin (1989) cho rằng formaldehyde có thể tương tác với các chuỗi bên protein và hình thành các khối tập hợp mà không tạo ra liên kết ngang.
7. Quá trình oxy hóa và thủy phân lipid
Lipid bị thoái hóa bởi hai cơ chế: thủy phân (lipolysis) và oxy hóa. Trong thực phẩm đông lạnh, các ezyme thường xúc tác lipid thủy phân. Phospholipase A và các lipase từ các mô cơ bắp chịu trách nhiệm cho quá trình thủy phân phospholipid và chất béo trong cá đông lạnh. Như thời gian lưu trữ tăng và nhiệt độ bảo quản đông lạnh cao, FFAs từ quá trình thủy phân của chất béo bắt đầu tích lũy. FFAs có một ảnh hưởng bất lợi trên cả hai đặc tính kết cấu và hương vị của cá.
Quá trình oxy hóa lipid được xem là một trong những yếu tố chính hạn chế thời gian sử dụng của hải sản đông lạnh. Lipid cá được biết đến là nhạy cảm với quá
39
trình oxy hóa, đặc biệt là trong quá trình lưu trữ đông lạnh. Quá trình oxy hóa của PUFAs sinh ra các sản phẩm oxy hóa khác nhau bao gồm một hỗn hợp của aldehyde, epoxit, và xeton, làm cho cá bị ôi. Ngưỡng hương vị thấp của hầu hết các aldehyt hình thành trong quá trình oxy hóa lipid có nghĩa là chúng được người tiêu dùng cảm nhận dễ dàng và do đó, làm giảm sự chấp nhận của sản phẩm. Mùi ôi trong cá hồi là do sự hình thành của các sản phẩm dễ bay hơi như (E, Z) -2,6- nonadienal (mùi dưa chuột), (Z) -3-hexanal (mùi bị tái), và (Z, Z) -3,6- nonadienal (mùi béo). Mùi "rong biển" đặc trưng của kết quả mô cá tươi từ các hợp chất dễ bay hơi hình thành trong suốt quá trình suy thoái nhanh chóng của các hydroperoxide có cấu trúc đặc biệt. Các thành phần của hydroperoxides lipid và FFAs trong cá hồi tăng trong quá trình lưu trữ, và những thay đổi này là nhanh nhất khi được lưu trữ ở -10oC. Mẫu Cod lưu trữ trong 18 tháng ở -15oC có hepta-trans-2-enal và hepta- trans-2, cis-dienal. Những hợp chất này được mô tả như mùi của kho bảo qủan lạnh (mùi các tông, mốc) với một ngưỡng hương vị rất thấp.
Những sự thay đổi màu sắc là một chỉ số về chất lượng thực phẩm hư hỏng. Sự hóa nâu không do ezyme xảy ra như một hậu quả của phản ứng hóa học giữa các chất béo peroxidizing khi có mặt protein. Các sản phẩm cộng base Schiff phát huỳnh quang hình thành như là kết quả của phản ứng hóa học giữa dialdehyde tetrameric và các nhóm amin của protein. Ngoài hương vị và màu sắc thay đổi, các sản phẩm oxy hóa lipid, bao gồm FFAs và aldehyde, giảm độ hòa tan protein và tạo ra những thay đổi không mong muốn trong các thuộc tính chức năng của protein (Sikorski et al. 1976).
Các loài thủy sản rất giàu PUFA chuỗi dài và dễ bị ảnh hưởng bởi sự oxy hoá lipid hơn. Kết quả là, nhiều chất chống oxy hóa khác nhau đã được thử nghiệm bằng cách thêm các chất chống oxy hóa vào hải sản trong quá trình chế biến, do đó giảm thiểu hoặc trì hoãn quá trình oxy hóa và kéo dài tuổi thọ của hải sản. Chất chống oxy hóa tự nhiên dường như là loại ưa thích trong các nghiên cứu gần đây. Chiết xuất từ cây hương thảo được thêm vào thịt băm cá hồi biển làm giảm bớt quá trình oxy hóa lipid trong quá trình lưu trữ lên đến 6 tháng (Tironi et al 2010); tỏi và chiết xuất hạt nho cũng đã cho thấy có một tác dụng bảo vệ khỏi quá trình oxy hóa lipid (Yerlikaya et al. 2010). Tuy nhiên, chiết xuất hạt nho không đạt điểm cao trong các khía cạnh cảm giác vì sự xuất hiện, mùi, và vị. Sự bọc cá với màng chitosan đã được chứng minh là thành công trong việc ức chế hiệu quả quá trình oxy hóa lipid trong quá trình bảo quản đông lạnh. Ví dụ như việc phủ bạc cá chép (Fan et al. 2009) và phi lê cá lingcod (Duan et al 2010). với chitosan trước khi lưu trữ đông lạnh.
Sự ổn định quá trình oxy hóa lipid cũng có thể đạt được thông qua việc cho cá ăn một cách thương mại với một chế độ ăn uống phong phú với chất chống oxy hóa tự nhiên như đồng phân tocopherol. α- Tocopheryl acetate cũng được sử dụng như là một sự bổ sung vitamin E trong khẩu phần ăn cá tầm beluga (Huso Huso) bởi vì nó là khá ổn định trong thức ăn và chỉ hoạt động như một chất chống oxy hóa sau quá trình thủy phân của nhóm acetate trong cơ thể cá. Nó được cho thấy là làm chậm quá trình oxy hóa lipid của cơ cá trong quá trình lưu trữ đông lạnh.
40
8. Sự thoái hóa của trimethylamine Oxide
TMAO, một nguồn formaldehyde, có mặt tự nhiên trong nhiều động vật biển như một dụng cụ điều hòa thẩm thấu và như một phương tiện thải nito. Sau khi chết, TMAO dễ dàng bị thoái hóa thành DMA và formaldehyde khi có sự hiện diện của ezyme nội sinh (TMAOase) trong các mô cá. Formaldehyde liên kết đồng hóa trị với các nhóm chức khác nhau trong các protein. Sự tương tác của formaldehyde với protein cơ bắp làm tăng tốc độ biến tính protein cơ. Nghiên cứu sử dụng các bài kiểm tra cả cơ học và giác quan đã chỉ ra rằng formaldehyde hình thành từ sự suy thoái của TMAO làm tăng độ đàn hồi và giảm tính mọng nước của thịt băm được chuẩn bị từ cơ trắng hoặc philê của các loài cá và cá thu nongadoid (Rehbein 1988). Sự hiện diện của formaldehyde cũng gây ra sự giảm dễ nhận thấy trong chiết xuất của tổng số các protein, đặc biệt là nhóm sợi cơ. Ishikawa et al. (1978) cho rằng sự suy giảm của TMAO làm tăng tốc độ phản ứng oxy hóa tự nhiên của lipid. Vì vậy, rõ ràng rằng sự suy thoái của TMAO làm tăng độ dai của protein cơ và tăng tốc quá trình oxy hóa và thủy phân chất béo.
Tóm lại
Trong suốt quá trình đóng băng, sự hình thành của băng thay đổi phẩm chất của các phân tử nước trong thực phẩm, gây ra tình trạng mất nước và nồng độ chất hòa tan, và do đó làm rối loạn cấu tạo của protein, dẫn đến biến tính protein. Sự thoái hóa lipid và sự thoái hóa ezyme của TMAO trong đông lạnh ảnh hưởng đến các thuộc tính kết cấu và cảm giác của thủy sản đông lạnh. Do đó, điều quan trọng là phải hiểu được các cơ chế khác nhau của phản ứng sinh hóa và hóa lý xảy ra trong quá trình đông lạnh và lưu trữ đông lạnh do đó chất lượng của thực phẩm đông lạnh có thể được duy trì.