本研究评估了含氢还原性气氛包装（H2-RAP）对4°C贮藏条件下南美白对虾（Litopenaeus vannamei）品质的协同影响。研究人员采用不同浓度的CO2（50%、75%）和H2（0%、0.05%、0.5%、1.5%）进行包装处理。结果表明，H2的添加显著延缓了品质劣变（p<0.05），其中75% CO2背景组的效果最为显著。具体而言，75% CO2/1.5% H2在抑制脂质和蛋白质氧化方面效果最佳，而75% CO2/0.5% H2在抑制微生物增殖、水分流失和感官劣变方面表现更优（p<0.05）。H2表现出浓度依赖性的保鲜机制，0.5% H2与75% CO2组合在抗氧化与抗劣变性能之间实现了最佳平衡。与单独CO2包装和空气包装对照组相比，H2的添加分别延长了2-3天和超过6天的货架期，显示出其在虾类食品保鲜方面的高应用潜力。
南美白对虾（Litopenaeus vannamei）是全球经济价值最高的虾类品种之一，与斑节对虾（Penaeus monodon）和中国对虾（Fenneropenaeus chinensis）并称为三大优良养殖虾种。该品种因口感鲜美、营养丰富而备受消费者青睐，富含优质蛋白质、维生素、微量元素及必需氨基酸。然而，南美白对虾具有高水分、高蛋白及结缔组织稀疏的特点，使其在贮藏过程中极易发生品质劣变，表现为黑变（melanosis）、肌原纤维蛋白水解、脂质氧化及微生物快速增殖，这些问题共同缩短了产品货架期，造成资源浪费并制约其流通销售。
目前水产品保鲜策略主要包括低温冷藏、微冻保鲜、气调包装（Modified Atmosphere Packaging, MAP）及化学防腐剂应用。其中，MAP通过调节包装内气体组成（如提高CO
2浓度、降低O
2浓度）抑制微生物活性并延缓氧化进程，是水产品保鲜的关键技术。然而，高浓度CO
2会导致组织酸化，而低O
2环境虽能减缓氧化，却可能无法有效抑制某些厌氧致病菌的生长，这些局限性制约了MAP技术的整体保鲜效果。因此，优化气体混合配方以延长虾类货架期并维持其品质，成为该领域的重要研究方向。
近年来，分子氢（H
2）因其无有毒残留及独特的生物活性，在食品保鲜领域受到广泛关注。H
2为无色无味气体，已被美国食品药品监督管理局（FDA）认定为"公认安全"（Generally Recognized as Safe, GRAS）物质，中国也将其纳入《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》（GB 2760）规范。H
2具有选择性抗氧化能力，可特异性靶向清除高反应活性的羟自由基（·OH）和过氧亚硝酸根（ONOO
−），而不干扰过氧化氢（H
2O
2）等其他活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的生理信号传导。这种分子特异性使其能够靶向抑制虾肌肉中的蛋白质糖基化和脂质过氧化链式反应。研究人员已将H
2作为MAP的组分应用于食品保鲜，此类基于氢气的气调包装亦被称为还原性气氛包装（Reducing Atmosphere Packaging, RAP）。现有研究表明，H
2处理可有效延长奶酪、鸡蛋、虹鳟鱼片等动物性食品的货架期，其保鲜效果呈剂量依赖性。
当前，H2-RAP对甲壳类动物特别是南美白对虾的保鲜研究仍较为有限，H2对蛋白质结构完整性、黑变抑制及微生物群落演替的具体机制尚未得到系统阐释。基于此，研究人员开展了本项研究，旨在全面评估H2-RAP对冷藏南美白对虾的保鲜效果，重点关注其对感官特性、理化指标、肌原纤维蛋白稳定性及微生物变化的影响，并与传统MAP（高浓度CO2）对比，进一步探索H2对保鲜性能的剂量-效应关系。该研究由浙江海洋大学食品与医药学院Min Hu、Shujun Lei、Yuyan Ding、Chuandong Fang、Huimin Lin、Long Jiao和Bin Zhang等完成，发表于《Food Chemistry: X》。
研究采用的主要关键技术方法包括：从舟山国际水产城采购南美白对虾样本，经冰鲜条件下运输至实验室；采用聚乙烯/聚酰胺复合（PE/PA）高阻隔包装袋进行真空置换式气调包装，样品与气体比例为1:3（v/w, mL/g），设定50%和75%两种CO2背景浓度，每种背景下分别添加0%、0.05%、0.5%和1.5%的H2，共9个处理组，于4°C贮藏12天，每2天取样检测；微生物指标测定采用GB 4789.2-2022平板计数法测定菌落总数（Total Viable Count, TVC）；蛋白质腐败程度采用GB 5009.228-2016凯氏定氮法测定总挥发性盐基氮（Total Volatile Basic Nitrogen, TVB-N）含量；鲜度评价采用GB 5009.237-2016测定pH值，高效液相色谱法（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）测定K值（腺苷三磷酸ATP及其降解产物比值）；酶促褐变机制研究采用分光光度法测定多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase, PPO）相对酶活性；外观品质评价采用手持色差计测定白度值（综合L*、a*、b*计算）；脂质氧化程度采用硫代巴比妥酸反应物（Thiobarbituric Acid Reactive Substances, TBARS）值表征丙二醛（Malondialdehyde, MDA）含量；肌原纤维蛋白氧化损伤测定总巯基含量和羰基含量；持水性评价采用称重法测定汁液流失率；感官品质采用9分制嗜好性评分法由10名经过专业培训的评价员进行评定；数据分析采用SPSS 27.0软件进行单因素方差分析及Duncan多重比较。
**菌落总数变化**：TVC是评估虾肉微生物污染水平的关键指标。CK组TVC增长最快，第6天即超过二级鲜度上限，第8天达6.585 log（CFU/g）。MAP处理组TVC增长显著缓慢，表明其抗菌效果优越。第10天时，MAP-50、H2-RAP-50A和MAP-75组的TVC分别达到6.357、6.237和6.125 log（CFU/g），均超过腐败阈值。第12天时，H2-RAP-50B、H2-RAP-50C和H2-RAP-75A分别达到6.289、6.193和6.198 log（CFU/g），而H2-RAP-75B和H2-RAP-75C组仍维持在5.905和5.935 log（CFU/g）。在恒定H2浓度下，75% CO2组的TVC始终低于50% CO2组，这与高浓度CO2水合形成碳酸、降低微环境pH值从而干扰微生物代谢酶动力学有关。六组H2-RAP组的微生物增殖动力学均显著低于CK、MAP-50和MAP-75组，其中H2-RAP-75B组的TVC增长速率最低。值得注意的是，H2-RAP-50B和H2-RAP-75B组的TVC增长速率低于H2-RAP-50C和H2-RAP-75C组，推测1.5%高浓度H2使包装内氧化还原电位降至过低水平，可能减弱了CO2对某些微需氧腐败菌的抑制效力，甚至促进了特定耐还原性微生物的竞争优势生长。
**总挥发性盐基氮含量变化**：TVB-N是表征水产品腐败动力学的重要鲜度指标。CK组的TVB-N含量上升迅速，第6天即超过30 mg/100 g的腐败阈值。第10天时，除H2-RAP-50C、H2-RAP-75B和H2-RAP-75C组外，其余各组均超过该阈值。在同等CO2浓度下，H2处理组更有效减缓了TVB-N积累，这可能归因于H2营造的还原环境抑制了特定嗜冷好氧菌的初始增殖，并缓解了氧化应激，从而降低了酶促蛋白降解速率及TVB-N前体物质的产生。第8天后，高CO2组（MAP-75、H2-RAP-75）的TVB-N增长率显著低于低CO2组（p<0.05），体现了高CO2浓度优越的抗菌效果。贮藏后期，H2-RAP-75B组的TVB-N增长率显著低于H2-RAP-75C组（p<0.05）。
**pH值变化**：pH值是评估虾肉鲜度的关键指标。贮藏初期（第0-2天），所有MAP和H2-RAP组pH值均显著下降，其中1.5% H2组（H2-RAP-50C和H2-RAP-75C）酸化最为明显。随后（第4-12天），所有样品pH值呈恢复趋势。贮藏结束时，CK组pH值急剧上升至8.06，显示明显腐败迹象；而75% CO2背景组（MAP-75、H2-RAP-75A/B/C）的pH上升抑制效果整体优于50% CO2背景组。同一CO2背景下，随H2浓度增加，pH恢复速率显著降低（p<0.05），H2-RAP-75B组在第12天维持最低pH水平。pH动态变化反映了虾肌肉基质内复杂的生化过程：初期下降主要源于CO2的酸化效应；中后期的pH上升则指示南美白对虾的品质劣变，由内源酶和腐败微生物（如假单胞菌属Pseudomonas spp.）介导的蛋白水解导致氨和三甲胺等TVB-N化合物积累所致。
**K值变化**：K值是评估水产品鲜度的关键指标，与ATP代谢及其降解产物的积累密切相关。初始K值为4.7%。CK组增长最快，第6天达56.82%，第8天超过60%。MAP-50、H2-RAP-50A和MAP-75组第12天K值超过60%。H2-RAP-50B、H2-RAP-50C和H2-RAP-75A组第8天超过40%的二级鲜度临界值，而H2-RAP-75B组第10天才达到该阈值。H2-RAP-75C组整个贮藏期间增长速率最慢（p<0.05），第12天仅为45.35%。抑制K值升高的机制主要包括CO2的抗菌和酶抑制效应，以及H2的特异性抗氧化作用。
**多酚氧化酶相对酶活性变化**：PPO是虾贮藏过程中酶促褐变的主要Responsible酶。贮藏期间，所有实验组的相对PPO活性均显著下降。第2-8天，MAP组的PPO活性下降速率显著高于CK组，这归因于CO2溶解形成H2CO3降低了微环境pH值，从而改变了酶构象和底物结合亲和力。前6天内，H2-RAP-50B、H2-RAP-50C、H2-RAP-75B和H2-RAP-75C组的下降速率比MAP-50、H2-RAP-50A、MAP-75和H2-RAP-75A组更为显著，这可能源于H2与CO2的协同效应。第8天后，所有处理组PPO活性均维持在低水平且组间无显著差异。第6天和第12天时，CK组虾头胸甲出现明显黑变，而各气调处理组（尤其H2-RAP-75B和H2-RAP-75C组）保持了特征性的蓝灰色外观。
**白度值变化**：白度值是评价虾肉外观品质的关键感官指标。CK组白度值在贮藏期间持续下降，表明严重黑变和品质损失。MAP和H2-RAP组白度值先升后降，整体降幅显著低于CK组。第2天时，MAP和H2-RAP组白度略有上升，可能与早期无可见黑点及CO2溶解引起的肌浆蛋白轻度变性增强表面光散射有关。贮藏后期，H2-RAP-50C和H2-RAP-75C组的白度下降速率略低于其他六组MAP组。第12天时，H2-RAP-50C组白度值最高，为35.48。整个贮藏期间，50% CO2组白度值略高于75% CO2组，但差异不显著（p>0.05）。
**TBARS值变化**：TBARS值反映脂质氧化程度。所有处理组TBARS值均低于1 mg MDA/kg的安全标准。CK组TBARS积累最快，第12天达0.66 mg/kg。H2-RAP-50C和H2-RAP-75C组的TBARS值增长率低于其他MAP和H2-RAP组，其余实验组中随H2浓度增加脂质氧化延迟程度各异。第12天时，H2-RAP-50C组TBARS值最低（0.38 mg/kg）。H2-RAP-50C组的TBARS增长略低于H2-RAP-75C组，这可能与高CO2浓度引起的间接促氧化影响有关——大量CO2溶解导致肌肉基质局部pH下降，可能促进催化金属离子释放，进而通过类Fenton反应催化·OH形成。
**总巯基含量变化**：总巯基含量是评价虾肉肌原纤维蛋白氧化损伤程度的关键指标。所有处理组总巯基含量在贮藏期间持续下降，CK组下降速率显著高于气调包装组（p<0.05）。第12天时，MAP-50、H2-RAP-50A、H2-RAP-50B、H2-RAP-50C组分别为44.83、46.67、53.27和56.70 mol/L，CK组仅为34.33 mol/L；MAP-75、H2-RAP-75A、H2-RAP-75B、H2-RAP-75C组分别为47.37、51.50、57.20和59.10 mol/L。随H2浓度增加，所有处理组总巯基含量下降均受到不同程度抑制。H2-RAP-75A/B/C组在整个贮藏期间总巯基下降速率普遍快于MAP-50和H2-RAP-50A/B/C组。贮藏结束时，H2-RAP-50C和H2-RAP-75C组总巯基含量分别下降32%和29.1%，表明1.5% H2对总巯基损失的抑制效果最为显著。
**羰基含量变化**：羰基含量是评估肌原纤维蛋白氧化变性的关键指标。所有组羰基含量在贮藏期间持续上升，CK组增长速率显著高于MAP组（p<0.05）。第12天时，MAP-50、H2-RAP-50A、H2-RAP-50B、H2-RAP-50C组分别为6.70、5.98、6.22和5.66 nmol/mg，CK组为7.86 nmol/mg；MAP-75、H2-RAP-75A、H2-RAP-75B、H2-RAP-75C组分别为6.89、6.18、6.30和5.76 nmol/mg。随H2浓度增加，各组羰基含量增长均受到不同程度抑制。第8天后，MAP-50和H2-RAP-50A/B/C组的羰基积累速率低于MAP-75和H2-RAP-75A/B/C组，其中H2-RAP-50C组增长速率最低。
**汁液流失率变化**：汁液流失率是评估虾肌肉贮藏期间品质劣变的重要定量指标。所有实验组汁液流失率随贮藏时间持续上升，CK组增长率显著高于MAP处理组（p<0.05）。50% CO2组中，MAP-50组汁液流失率显著高于其他三组含H2组（p<0.05），且H2的抑制效果随浓度增加而增强，75% CO2组亦呈现相同趋势。贮藏后期，H2-RAP-75C组汁液流失率略高于H2-RAP-75B组。贮藏前4天，MAP-50、H2-RAP-50A/B/C组汁液流失率低于H2-RAP-75A/B/C组，可能源于高CO2水平引起的强烈酸化效应；第6天后，50% CO2组汁液流失超过75% CO2组。
**感官评分变化**：感官评分是反映虾腐败进程和黑变程度的关键参数。CK组感官评分恶化速率显著快于其余八组处理组（p<0.05）。贮藏前4天，各气调组间无显著差异（p>0.05）。第6天起，H2-RAP-75B和H2-RAP-75C组评分显著高于其他六组，且该优势持续至贮藏结束。50% CO2类别中，MAP-50组感官品质下降快于H2-RAP-50A/B/C组，且随H2浓度增加对感官劣变的抑制效果增强，75% CO2组亦呈现相同趋势。第10天和第12天时，H2-RAP-75C组表现最优。
讨论部分，研究人员系统评估了不同H2浓度与CO2组合在气调包装中对冷藏南美白对虾品质的影响。H2表现出显著的剂量依赖性抗氧化效应。在两种CO2体系下，1.5% H2有效抑制了蛋白质羰基化和脂质氧化，保护了蛋白质结构，延缓了酶促褐变。然而，在抑制微生物生长（TVC、TVB-N）和改善持水性方面，75% CO2背景下的0.5% H2处理表现出更优性能，这由其较高的感官评分所证实。这表明过高的H2浓度可能损害某些保鲜功效，可能与浓度诱导的细胞变化有关。尽管1.5% H2在特定参数上表现出略优性能，但与0.5% H2相比，大多数评估中的差异未达统计学显著水平（p>0.05）。综合考虑操作安全性、经济可行性与实际应用性，0.5% H2被确定为该研究实验条件下的最优添加水平。
研究结论指出，未来研究应聚焦于H2调控虾类微生物群落及代谢途径的调控机制。在工业应用方面，现有MAP设备可通过低成本升级实现H2-RAP应用，仅需更换三路配比阀并安装防爆设备，显示出大规模实施的强劲潜力。该研究同时承认存在以下局限性：由于实验仪器限制，未能连续监测贮藏期间包装内H2、CO2和N2浓度的实时波动，未来需关注气体交换动力学及H2在虾组织中的溶解度特征；H2-RAP对特定腐败菌（SSOs）如假单胞菌属（Pseudomonas）和希瓦氏菌属（Shewanella）群落演替的精确影响尚未完全阐明，未来将整合高通量16S rRNA扩增子测序和宏基因组学以识别微生物群落结构及代谢途径的转变；虽然H2浓度严格控制在爆炸下限（LEL）以下，但未来研究仍需评估静电放电（ESD）防护和自动泄漏检测系统，以确保大规模工业化实施的安全性与可行性。
