磁场协同pH偏移技术调控冷冻肌原纤维蛋白氧化稳定性与消化率的机制研究及品质提升策略

本研究针对冷冻肉制品中肌原纤维蛋白(MP)易发生冷冻变性、氧化损伤及消化率下降等问题，创新性地将磁场(MF)与pH偏移技术相结合，系统探究了该联合处理对冷冻变性MP氧化稳定性和体外消化率的协同效应。结果表明：MF辅助pH 9处理(MP-9+MF)能显著增强氧化稳定性，促进蛋白质形成紧凑有序构象，有效减少羰基生成并保留巯基含量；而pH 10偏移处理则在无MF条件下获得最高消化率，但代价是氧化稳定性降低。该研究为通过定向调控蛋白质性质以实现氧化稳定性或消化率的优先改善提供了新策略，对提升冷冻肉制品品质具有重要指导意义。

　　

随着冷冻技术在肉品保藏中的广泛应用，冷冻诱导的肌肉蛋白质变性已成为影响肉制品品质的关键问题。肌原纤维蛋白(MP)作为肌肉蛋白的主要组成部分(约占55%)，其结构完整性直接决定着肉品的嫩度、持水性等重要品质特性。冷冻过程中的冰晶形成、脱水效应和冷冻浓缩等机制会导致MP结构损伤，而长期贮藏中的冰晶重结晶现象（如Ostwald熟化）更是加剧了蛋白质的不可逆变性。更严重的是，这种结构 destabilization不仅影响加工特性，更会增加蛋白质链对氧化修饰的敏感性——当蛋白质链展开暴露原本屏蔽的氨基酸残基，同时冰晶破坏细胞区室释放出催化铁等促氧化剂时，氧化反应便一触即发。随后在解冻、剁碎、腌制或加热等加工过程中，这些暴露的残基极易被氧化，形成羰基和二硫键交联，严重损害蛋白质的凝胶化和乳化等技术功能特性。

严重的蛋白质氧化还会显著损害消化率。其主要机制涉及消化酶切割位点的氨基酸残基发生氧化修饰。例如，若精氨酸(Arg)和赖氨酸(Lys)残基被羰基化，胰蛋白酶（特异性水解Arg和Lys羧基端肽键的酶）的活性就会降低。此外，氧化诱导的蛋白质聚集也会空间阻碍酶与底物的相互作用，进一步降低消化率。消化率降低不仅导致膳食蛋白质损失，还可能因未消化蛋白质被肠道菌群发酵产生有毒代谢物（如硫化氢、氨和苯酚）而带来健康风险。因此，增强冷冻肉中MP的抗氧化能力对于保持其技术功能特性以及确保其营养价值和消化率至关重要。

在此背景下，郑州轻工业大学食品与生物工程学院的Bo Chen研究团队在《Food Chemistry: X》上发表了创新性研究成果。他们建立了一种将磁场(MF)与pH偏移相结合的方法来处理冷冻变性MP，该处理在解冻后应用，假设MF能增强pH偏移过程的结构修饰效果，从而减轻与长期冷冻贮藏相关的加工质量下降。研究人员系统探究了这种联合处理对冷冻猪肉MP氧化稳定性和后续体外消化率的增强潜力，并深入揭示了其潜在机制。

为开展本研究，研究人员采用了多项关键技术方法：以冷冻贮藏三个月的猪背最长肌为原料，通过匀浆、离心等步骤提取MP；分别设置对照组、pH偏移处理组(pH 9、10、11)和磁场辅助pH偏移处理组，通过NaOH和HCl调节pH并进行MF处理；采用DNPH法测定羰基含量、Ellman's试剂法测定总巯基含量、溴酚蓝法测定表面疏水性、Biuret法测定溶解度和蛋白质浓度；使用圆二色谱(CD)分析二级结构变化；通过氨基酸分析仪分析氨基酸组成；采用体外模拟胃肠消化模型（使用胃蛋白酶和胰蛋白酶）评估消化率，并通过质谱(QExactive HF-X)分析消化产物中的肽段序列；使用SDS-PAGE电泳分析蛋白质聚集和降解情况。

3.1. 羰基含量

结果表明，不同处理显著影响MP的氧化稳定性。MF辅助pH 9处理(MP-9+MF)表现出最佳的协同效应，将羰基含量降至约0.50 nmol/mg，比对照组降低约29.5%。这表明在弱碱性条件(pH 9)下，pH偏移和MF的协同作用诱导蛋白质折叠成更紧凑有序的构象，有效埋藏了可氧化氨基酸残基。然而，当pH升高至10和11时，处理效果从保护性转变为促氧化性，羰基含量显著升高，表明高碱环境导致蛋白质过度展开，无法完全逆转。

3.2. 总巯基含量

所有处理组的总巯基(SH)含量均高于对照组。pH偏移处理诱导蛋白质重折叠，重新埋藏了因冷冻变性暴露的SH基团。MF的引入进一步增强了SH基团的保护作用，且这种协同效应具有pH依赖性。在pH 9时，MF辅助处理使总SH含量从~25 nmol/mg显著增加至~34 nmol/mg，增幅约36%。这可能是因为MF不仅促进了更有序的蛋白质重折叠，还可能诱导了一些已有二硫键的断裂。

3.3. 表面疏水性

表面疏水性(H₀)是评估蛋白质三级结构和构象稳定性的关键指标。所有pH偏移处理均有效降低了氧化MP的H₀，且随着pH升高效果更显著。MF的引入产生了显著的协同效应，进一步降低了H₀。这种协同效应在pH 10时达到最佳，MP-10+MF组表现出最低的H₀值，表明在此条件下MF最大程度地促进了结构优化构象的形成。

3.4. 溶解度

所有pH偏移和MF辅助处理均显著提高了氧化MP的溶解度。在没有MF的pH偏移组中，溶解度从pH 9到pH 10显著增加，然后在pH 11趋于稳定。MF的引入对溶解度的增强表现出显著的协同效应，但这种效应是pH依赖性的。MP-9+MF处理组在所有组中获得了最高溶解度，相比对照组和MP-9组分别提高了91.1%和39.7%。

3.5. SDS-PAGE

SDS-PAGE分析揭示了蛋白质聚集和降解情况。在非还原条件下，所有样品在浓缩胶顶部均存在高分子量(HMW)聚集体。MP-9、MP-10和MP-9+MF lanes中的聚集体条带较对照组更浅，表明这些适度处理有效减轻了氧化诱导的聚集。在还原条件下，大多数样品中HMW条带的消失和肌球蛋白重链(MHC)条带的同时增强证实了二硫键交联是聚集的主要机制。

3.6. 二级结构

远紫外圆二色谱(CD)分析显示，所有处理均显著增加了α-螺旋含量。pH偏移处理组的α-螺旋恢复效果按MP-10 > MP-11 > MP-9的顺序排列，表明pH 10是诱导蛋白质二级结构恢复的最佳条件。MF的引入在所有pH水平下均表现出协同增强效应，但pH仍然是决定最终蛋白质构象的关键因素。

3.7. 氨基酸组成

虽然大多数氨基酸在不同组间无显著差异，但在某些易氧化氨基酸（如苏氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和精氨酸）中观察到了显著变化，表明pH偏移处理具有保护效应。MF辅助pH 10处理(MP-10+MF)在维持多种氨基酸稳定性方面最为有效，而MF辅助pH 9处理(MP-9+MF)更有利于稳定二级结构。

3.8. 体外消化率

MP的消化率与其构象状态密切相关。在胃消化阶段，MP-10组的消化率显著提高至57.90%，而MP-11组的消化率显著降低至50.52%。所有MF辅助组的胃消化率均显著低于对照组。在肠消化阶段，所有样品的消化率均显著高于其胃消化率。

3.9. 体外消化肽段的数量和分子量

消化后释放的肽段总数在不同处理组间差异显著。MP-9和MP-10处理的肽段数量显著增加，与蛋白质消化率结果一致。分子量分布分析显示，1000-1500 Da范围的肽段在所有样品中占主导地位(43.7%-47.2%)。具有C末端Arg和Lys的肽段数量在MP-9和MP-10组中显著高于对照组，这与适度pH偏移通过改变蛋白质构象有效暴露胰蛋白酶识别位点一致。

研究结论表明，磁场协同pH偏移处理能有效调控冷冻变性MP的结构和功能特性。MF辅助pH 9处理通过促进紧凑的重折叠和减少氧化敏感残基的暴露，显著提高了氧化稳定性；而无MF的pH 10偏移处理则通过实现展开与重折叠之间的最佳平衡，最大化酶消化率。这些发现揭示了一种pH依赖性的氧化稳定性与消化率之间的权衡关系，表明应根据所需功能特性精心选择处理条件。

该研究的重要意义在于为肉类行业提供了一种缓解冷冻贮藏过程中蛋白质变性和氧化变质的新策略。通过精细调整pH偏移条件和引入MF辅助，生产商可以定制肉类加工方法，优先考虑保质期延长（通过增强氧化稳定性）或改善营养品质（通过提高消化率）。这种联合策略为改善冷冻肉制品质量提供了一个灵活、有针对性的加工工具，在工业肉品保鲜、功能性食品开发和针对多样化消费者需求的蛋白质产品设计方面具有应用潜力。