Induce+ 英都斯特

【江南大学-应用案例】Food Chem.（IF=8.8）恒流脉冲电场解冻对冷冻猪背最长肌蛋白质和保水性的影响

2026-03-25

文章导读

本研究探讨了恒流脉冲电场解冻（CC-T）对猪肉蛋白质和持水能力的影响。将鲜肉（FM）和恒压解冻（CV-T）、空气解冻（AT）和水浸解冻（WT）后的冷冻肉视为对照。结果表明，CC-T在冰晶熔融阶段（−5至−1 ℃）的解冻速率高于常规解冻。它还显示出较低的水迁移和解融损失，使pH值和剪切力更接近FM。同时，CC-T降低了肌红蛋白的氧化，从而产生了有利的表面颜色。蛋白质溶解度、差示扫描量热法、总巯基、羰基和表面疏水性结果表明，CC-T通过抑制二硫键和羰基键的形成来降低肌原纤维蛋白的氧化变性，从而增强了溶解度和热稳定性。此外，微观结构观察发现，CC-T通过减少肌肉损伤和肌球蛋白丝变性，保持了相对完整的肌纤维结构。

冷冻是一种通过抑制微生物生长和细胞生化反应来延长鲜肉产品保质期的可靠方法，因此在生肉和肉制品的储存和运输过程中得到了广泛的应用。解冻是冷冻肉制品烹饪和加工前的重要步骤。然而，解冻通常会导致各种不利影响，包括解冻损失、颜色变化、蛋白质变性和组织软化，这主要是由于冷冻过程中较大的冰晶生长造成的细胞损伤。因此，解冻过程与肉的最终质量密切相关。传统的解冻方法主要包括空气解冻和水浸解冻，这需要较长的操作时间，显着恶化肉质。近年来，已经尝试通过使用各种新颖的解冻方法，如磁场，微波，超声波，超高压，远红外线，射频，高/低压静电和欧姆加热解冻；这些新兴技术有其自身的特点，以及其实际应用的许多局限性。例如，边缘效应和电磁穿透的衰减可能导致微波解冻过程中肉的加热不均匀。在超高压解冻过程中，高压环境可能会导致肉类变形和结构损坏。此外，超声波和红外线具有一定的穿透作用，可以影响样品的结构。在处理较大的产品时，由于穿透深度有限，样品内部和外部的解冻速率存在显着差异。同时，功率增加会导致过热和解冻不均匀。最后，高/低压静电解冻设备存在安全隐患，不适合大规模工业用途。

江南大学食品学院杨哪副研究员研究团队在农林科学领域Top期刊Food Chemistry在线发表了题为“Effect of constant-current pulsed electric field thawing on proteins and water-holding capacity of frozen porcine longissimus muscle”的文章，采用扫描电脉冲解冻机(英都斯特（无锡）感应科技有限公司)，明确了一种偏离周期性恒压脉冲电场过程的解冻技术，并基于食物阻抗分割产生了恒定脉冲电流。这种方法大大增强了整个解冻过程中样品内温度分布的均匀性。成对使用针弹簧电极确保了与食品表面的正确接触，并提供了均匀的微电流分布。初步研究了脉冲电场对冷冻猪肉的温升和解冻效应；然而，振荡脉冲电流下内部水分迁移、水分分布和蛋白质性质的研究仍未完成。

结果与讨论

图1 恒流脉冲电场解冻装置示意图

表1 解冻后的物理性质

注：结果是SD（n = 3）±的平均值。同一列中的不同字母（a-d）表示显著差异（P < 0.05）。FM-鲜肉；CV-T为20 V/cm和1000 Hz；12–40 mA和1000 Hz的CC-T；AT和WT，均为15 ℃。

不同解冻方法后猪肉的解冻速率、解冻损失、含水率和剪切力见表1。解冻过程分为两个阶段：预解冻阶段（−18至−5 ℃）和最大冰晶融化阶段（−5至−1 ℃）。两个阶段的解冻速率记录为R1和R2分别。一般来说，由于冷冻产品与培养基之间的温差较大，冷冻肉的温度在预解冻阶段迅速升高，而由于大多数冰晶的融化，从−5 ℃到−1 ℃需要更长的时间。CC-T解冻速率（R13.29 ℃/min）为预解冻阶段最快；CV-T（R13.21 ℃/min）差异无统计学意义（P > 0.05）。WT和AT解冻速率显著降低；更具体地说，解冻速率最低的是AT（R10.88 ℃/min），这主要与空气的导热系数缓慢有关。此外，在实验组中，脉冲电场解冻（CV-T和CC-T）的解冻速率也较高（R2）的最大冰晶融化阶段（−5至−1 ℃），分别比AT高9.7倍和8.0倍。CV-T组在−5至−1 ℃期间达到0.68 ℃/min的最高解冻速率，其中解冻结束时形成的大电流是加速该过程的主要因素。相比之下，CC-T的解冻速率（R20.56 ℃/min）低于CV-T，这与解冻过程结束时对较低电流强度输出的控制有关。

表2 解冻方法的弛豫时间和峰比分析

解冻处理后猪肉的T2值和峰值比见表2。与FM相比，T₂₁和 T₂₃不同解冻处理下的值无显著变化（P > 0.05），但CV-T和AT的T₂₂显著增多（P < 0.05），表明细胞内固定化水的结合能力相对较弱。在CV-T过程中，电流强度随温度逐渐升高，并在解冻结束时形成强电流。它可能会对肉造成热损伤，不利于维持保水能力。另一方面，峰值比结果表明，解冻组所有样品中固定化水的含量均显著低于新鲜样品（P < 0.05）。同时，结合水和游离水的比例增加，表明冻融处理改变了水的分布结构。此外，这种变化与溶质浓度、蛋白质变性、pH值降低以及冰晶形成和融化引起的肌肉组织损伤有关。当离子平衡被破坏时，肌肉纤维受损，MP的氧化变性增加，这导致水的流动性发生变化，与蛋白质和纤维结合，从而影响水分配的结果。

图2 解冻方法对猪肉T₂分布的影响（A）；猪肉切片的氢质子密度图（B）。图像中的红色表示氢质子信号的强度。同一组的图像从左到右分为三个部分：顶部、中部和底部（n = 3）。注：FM-鲜肉；CV-T为20 V/cm和1000 Hz；12–40 mA和1000 Hz的CC-T；AT和WT，均为15 ℃。

MRI通常用于分析食物中水的分布。在具有深蓝色背景的磁共振图像中，H-质子密度从高到低以红-橙-黄-绿-蓝的渐变着色。蓝色表示含水量低的低密度区域，而红色表示含水量高。如图2B所示，FM具有橙黄色的基色，以及均匀分布在样品中心和边缘的大量红色区域，表明水分含量高，细胞结构完整，其中不同形式的水分保持了更好的稳定性。CV-T主要呈现黄绿色背景，边缘区域分布少量红色散点，表明固定化水可能转化为游离水，CC-T样品的背景比CV-T更红，图像中也含有更均匀的红信号，相比之下，AT和WT导致更多的解冻损失，图像中的整体背景为绿色，而只有少数黄色信号分布在样品边缘。

图3 三种类型的肌红蛋白和不同解冻工艺的值（A）；不同组的蛋白质溶解度（B）。注：不同字母（a-c）表示不同组间差异显著（P < 0.05）。FM-鲜肉；CV-T为20 V/cm和1000 Hz；12–40 mA和1000 Hz的CC-T；AT和WT，均为15 ℃。

蛋白质溶解度的变化可以表明蛋白质变性的程度。如图3B所示，与FM相比，不同解冻处理下肌质蛋白的溶解度显著降低（P < 0.05），表明冷冻和解冻过程导致可溶性蛋白的变性、聚集和渗出增加。

表3表明，不同的解冻处理导致T1显著降低（P < 0.05），从而降低了肌球蛋白的热稳定性。然而，ΔH1没有显著差异（P > 0.05）。CC-T在保持肌球蛋白的热稳定性方面具有优势，这可能与其非热解冻过程和均匀的电流分布有关。肌球蛋白尾部比肌球蛋白头部具有更高的热稳定性。解冻肉和鲜肉在T2中无显著差异（P > 0.05），表明冻融可能对肌球蛋白头有更大的影响。然而，ΔH2与FM相比，实验组的CV-T不同程度下降，CV-T除外，这可能与肌浆蛋白溶解度和含量的变化有关。峰3显示了肌动蛋白的相变过程。与FM（T最大为377.55 ℃、ΔH为30.73 J/g），CV-T的最高热转变温度和焓（77.04 ℃和0.75 J/g）由于解冻速率较高而变化相对较小。它表明肌动蛋白变性的程度相对较高，这与冰晶融化受损的肌肉纤维有关。

表3 不同解冻方式对最大热转变温度的影响（T_max）和焓（ΔH）值

注：结果是SD（n = 3）±的平均值。同一列中的不同字母（a-c）表示显著差异（P < 0.05）。FM-鲜肉；CV-T为20 V/cm和1000 Hz；12–40 mA和1000 Hz的CC-T；AT和WT，均为15 ℃。

图4 不同解冻工艺的DSC曲线（A）；SDS-PAGE电泳（B）；总巯基含量（C）；羰基含量（D）；表面疏水性（E）。注：FM-鲜肉；CV-T为20 V/cm和1000 Hz；12–40 mA和1000 Hz的CC-T；AT和WT，均为15 ℃。

图4B显示了MP电泳的凝胶曲线。观察到的条带主要是肌球蛋白重链（MHC，200 kDa）、副肌球蛋白（100 kDa）、肌动蛋白（43 kDa）、原肌球蛋白（36 kDa）、肌钙蛋白（35 kDa）和肌球蛋白轻链（10-30 kDa），肌球蛋白和肌动蛋白是MP骨架的主要成分。FM中MHC和肌动蛋白波段的灰度值分别为26336和19221。各实验组MHC和肌动蛋白条带色深均有不同程度的降低。与AT（分别为22232和16932）和WT（分别为22107和14838）中MHC和肌动蛋白条带的灰度值相比，CV-T（分别为24512和16880）和CC-T（分别为25383和18231）中的这些值显示出较小的变化，表明MP的氧化变性程度较低。MHC和肌动蛋白的交联和聚集是诱导氧化蛋白损伤和组织大量水分流失的主要原因，在AT和WT过程中引起肌肉收缩，可能促进MHC和肌动蛋白的变性。

图4C-4E表示不同处理后MP的总巯基和羰基含量以及表面疏水性的变化。MP含有许多巯基和氨基酸残基，它们容易受到氧自由基的影响，并可能通过形成分子间或分子内的二硫键或羰基化修饰来改变蛋白质的结构功能。FM中MP的总巯基和羰基含量分别为81.91和1.08 nmol/mg蛋白。经CV-T、CC-T、AT和WT处理后，总巯基含量分别显著降低（P < 0.05）分别降低了39.3%、18.3%、45.2%和52.1%，羰基含量分别提高了28.7%、13.9%、76.9%和68.5%。CC-T在总巯基和羰基含量方面表现出最小的变化，这在较高的解冻速率下最大限度地减少了对蛋白质的氧化损伤。然而，AT和WT组的变化更为显著，前者主要与传热过程缓慢有关，导致蛋白-氧接触时间增加。

图5 横截面（A）至（E）的光学显微图像；以及猪肌肉组织纵向切片（a）至（e）的透射电镜图像。注：FM-鲜肉；CV-T为20 V/cm和1000 Hz；12–40 mA和1000 Hz的CC-T；AT和WT，均为15 ℃。

如图5A-5E所示，FM的肌纤维排列整齐有规律，表面平坦光滑，纤维轮廓清晰。在冷冻处理过程中，水从纤维流入细胞间隙，形成冰晶并破坏肌肉组织结构，导致纤维排列由有序变为无序。当肉解冻时，一些水分被纤维重新吸收，但冰晶形成引起的毛孔导致水分流失，这与解冻速度密切相关。肌肉组织的破坏在AT和WT中最为严重，其中扭曲和变形的肌肉纤维导致结构软化和剪切力降低。

此外，透射电镜分析表明肌肉肌节在整个解冻过程中发生了结构改变。如图5a-5e和表5（补充材料）所示，与FM相比，AT和WT的肌节长度分别显著缩短了约10.9%和7.9%（P < 0.05），而CV-T和CC-T的肌节长度没有显著差异（P > 0.05）。此外，CC-T的最大I波段长度为0.46 μm；CV-T与FM差异无统计学意义（P > 0.05）。然而，与FM相比，AT和WT分别显著缩短了31.7%和12.2%（P < 0.05）。通常，肌肉肌节和I带的长度与肉的韧性呈正相关，而AT和WT中长时间的相变和氧化过程会破坏肌节的完整性。

结论

脉冲电场处理是提高冷冻食品解冻速度和质量的有效方法。在解冻处理中，CV-T的解冻速度最快；然而，解冻结束时的大电流不利于保持肉质。相比之下，CC-T具有更均匀的电流分布和非热效应，不仅减少了固定化水向游离水的转化，而且减少了肌红蛋白氧化和解冻损失，从而在提高猪肉的持水能力、质地和颜色方面具有优势。此外，CC-T有效抑制了二硫键和羰基化合物的形成。在这种情况下，蛋白质保持了稳定的空间结构和疏水性能，从而提高了溶解度和热稳定性。根据光学显微镜和透射电镜的结果，可以得出结论，脉冲电场诱导冰晶快速通过相变区，以减少对肌肉组织的氧化损伤，同时避免了猪肉组织大孔形成造成的解冻损失。此外，CC-T减少了肌球蛋白丝的聚集，维持了肌节的规则结构序列。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.139784