脉冲电场（PEF）靶向重塑微生物生态与阻断化学氧化链反应以抑制全蛋液（WEL）风味劣化并延长货架期

《Food Chemistry: X》：The key mechanism of pulsed electric field in inhibiting the flavor deterioration of whole egg liquid: Targeted regulation of chemical oxidation and microbial succession

　　

脉冲电场（PEF）将全蛋液（WEL）货架期延长至36 d，稳定性优于巴氏杀菌。
气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）结合变量投影重要性（VIP）/相对气味活度值（ROAV）鉴定出5种驱动风味劣化的关键风味标志物。
PEF阻断氧化并维持水分，抑制异味形成。
PEF打破腐败菌垄断，重塑微生物多样性平衡。
相关性分析证实，抑制腐败菌可防止风味劣化。

研究背景：全蛋液（whole egg liquid, WEL）因加工性、便利性和营养价值成为现代食品工业中间原料。其富含优质蛋白、不饱和脂肪酸和微量元素，易为微生物生长提供基质。冷藏贮藏中微生物增殖可导致酸败、鱼腥和氨味等不良风味，限制货架期和品质稳定。传统巴氏杀菌（pasteurization, PAS，65 °C，4 min）可保障微生物安全，但热处理会引发脂质氧化链反应，促进醛、酮等挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）形成，并降解内源性抗氧化物和天然风味前体，损失新鲜蛋品温和香气。某些优势腐败微生物具有冷适应和亚致死损伤修复能力，热处理不足以完全阻止其在贮藏后期复活，从而触发微生物代谢驱动的二次风味劣化。因此，WEL贮藏风味劣化是热处理诱导初始氧化损伤与贮藏期微生物代谢共同作用的结果。风味作为决定产品商业价值的主要感官属性，其稳定性维持成为蛋品加工难题。脉冲电场（pulsed electric field, PEF）作为非热加工技术，通过高压短脉冲诱导微生物细胞膜不可逆电穿孔，实现冷巴氏杀菌，且温度较低、能量输入较少，有利于保存功能性质和天然风味。已有研究表明PEF可保留挥发性风味并抑制异味，但既有研究多关注即时灭活或单一品质参数，缺乏对贮藏期风味劣化机制的深入分析。因此，研究人员比较PAS和PEF对WEL贮藏风味品质的调控机制，旨在阐明PEF靶向重塑微生态平衡和阻断化学氧化链反应以抑制风味劣化的关键机制。

研究人员基于气相色谱-离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS）追踪WEL贮藏期间VOCs演变，结合16S rRNA高通量测序（16S rRNA high-throughput sequencing）揭示核心腐败群落多样性演变，同时监测蛋白氧化、脂质过氧化和水分迁移，并构建多变量相关网络。研究结论表明，PEF将WEL微生物货架期延长至36 d，显著优于PAS的20 d；pH值和色度波动较小；共鉴定90种VOCs，联合变量投影重要性（variable importance in projection, VIP）和相对气味活度值（relative odor activity value, ROAV）筛选出5种关键风味调控靶标；PEF抑制中后期异味VOCs积累，降低蛋白和脂质氧化，稳定水分分布，并将Pseudomonas相对丰度从99.0%降至48.2%，重塑微生物群落多样性和平衡。该研究为高质量液蛋加工中异味VOCs精准控制、延长货架期和保持天然风味提供了理论依据和技术支持。

关键技术方法：以购自大连 Qianhe Agricultural Market（Dalian, China）的新鲜鸡蛋制备WEL，经高压均质后于4 °C暂存5–6 h。设置未处理WEL、PAS（65 °C，4 min）和PEF（30 kV/cm，100 Hz，4 μs，1.5 mL/s，入口4 °C，最大温升≤5 °C）处理，4 °C贮藏。采用平板计数、pH和色度测定；GC-IMS分析VOCs，以C4–C9正酮外标、NIST2024保留指数和G.A.S.漂移时间数据库定性，以LAV峰体积相对定量，结合VIP和ROAV筛选；Ellman法测自由巯基，自动定氮仪测总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen, TVB-N），滴定测过氧化值（peroxide value, POV），硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substances, TBARS）法测丙二醛（malondialdehyde, MDA），低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR）测水分分布；16S rRNA高通量测序V3–V4区，使用338F/806R引物，Illumina MiSeq和NovoSeq平台测序。

研究结果：
3.1 不同处理方式对WEL贮藏期间微生物生长、pH值和色度的影响：通过平板计数、pH和色度测定发现，未处理WEL菌数呈指数增长，第4天达4.71 Log₁₀ CFU/mL，超过腐败阈值；PAS组第20天达4.71 Log₁₀ CFU/mL；PEF组第36天总菌数为4.70 Log₁₀ CFU/g，未超过腐败阈值。WEL组pH先降后升，PEF组整体稳定。各处理组L*下降、a*和b*上升，PEF组色度保持优于PAS组。结论为PEF具有更持久抑菌效果并较好保持物理品质。
3.2 不同处理方式下WEL贮藏期间VOCs动态变化：通过GC-IMS二维谱、三维地形图、差异图、指纹图谱、Upset图和相对含量分析发现，WEL组谱图变化最大，VOCs数量由0天40种增至36天68种，增幅70.00%；PAS组变化中等，12天后出现大量新峰；PEF组最稳定。共鉴定90种VOCs。PEF显著抑制醛、酮、酸、硫/氮和酯类异味积累，并较好保留萜烯、呋喃类等特征香气成分。
3.3 多变量统计分析与关键风味调控靶标筛选：通过正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis, OPLS-DA）、VIP和ROAV分析发现，模型R²和Q²接近1.0；VIP>1.0筛出17种VOCs，ROAV≥0.1筛出16种，交集得5种关键靶标：2-Isopropyl-3-methoxypyrazine、2-Pentyl furan、2-Pentanone、1-Octen-3-one和(E)-2-nonenal。PEF降低(E)-2-nonenal、1-Octen-3-one和2-Isopropyl-3-methoxypyrazine，保持2-Pentanone和2-Pentyl furan较稳定。
3.4 不同处理方式对WEL贮藏期间蛋白氧化的调控：通过自由巯基和TVB-N测定发现，PAS初期TVB-N较高；WEL组第36天自由巯基损失达92.90%，TVB-N第4天超过20 mg/100 g；PAS组第20天超过阈值；PEF组第36天自由巯基损失仅36.53%，结论部分指出其TVB-N在整个贮藏期内保持在可接受限值内。PEF通过抑制蛋白氧化和酶降解，阻断含硫及胺类异味前体形成。
3.5 不同处理方式对WEL贮藏期间脂质氧化的调控：通过POV和MDA/TBARS测定发现，WEL组和PAS组POV分别在第12天和第20天达峰后下降，MDA持续升高；PEF组POV缓慢累积且无衰减拐点，TBARS始终极低。PEF通过灭活微生物和内源促氧化酶，并干扰脂质过氧化链反应，维持氧化稳定性。
3.6 不同处理方式对WEL贮藏期间水分迁移的调控：通过LF-NMR分析发现，结合水T₂₁下降，不易流动水T₂₂和自由水T₂₃上升。WEL组结合水由12.57%降至4.31%，PAS组由11.37%降至6.20%，PEF组由12.66%降至7.58%；自由水WEL组由85.85%升至91.92%，PAS组由86.57%升至90.14%，PEF组由85.88%升至89.90%。PEF组变化最小，表明其可保持蛋白网络完整性，延缓水分由结合态向自由态转移。
3.7 不同处理方式对WEL贮藏期间微生物群落的影响：通过16S rRNA测序发现，WEL组ACE、Chao和Shannon指数最低，Simpson指数最高，Pielou_e指数最低；PAS组居中；PEF组ACE、Chao和Shannon指数最高，Simpson指数最低，Pielou_e指数最高，且Coverage均>0.99。门水平上，WEL组Pseudomonadota超过95%，PAS和PEF组中下降，Bacillota增加。属水平上，WEL组Pseudomonas为99.0%，PEF组降至48.2%，Shewanella、Lactococcus、Enterobacteriaceae和Carnobacterium相对增加。Venn图显示三组共有6个门，PEF组特有6个门。属水平饼图显示Pseudomonas为绝对优势群，相对丰度83.04%，其次为Shewanella 9.66%、Enterobacteriaceae 2.64%、Carnobacterium 2.61%、Aeromonas 1.73%。PEF靶向降低核心致臭菌属优势，重塑群落多样平衡。
3.8 多变量相关分析：通过Pearson相关和Mantel检验发现，(E)-2-nonenal和1-Octen-3-one与脂质氧化指标强正相关；2-Isopropyl-3-methoxypyrazine与Pseudomonas和Shewanella相对丰度显著正相关；2-Pentanone与上述菌属负相关。Pseudomonas和Shewanella与品质劣化指标及a*、b*正相关，pH与多数劣化参数负相关。相关网络表明，优势腐败菌启动蛋白和脂质氧化，诱导特征异味、水分分布改变和色变；PEF在生物和化学层面切断这些关键驱动。

讨论部分总结：研究人员认为，PEF通过不可逆电穿孔持久抑制微生物代谢，非热特性有利于保留热敏风味；同时可钝化内源蛋白酶和促氧化酶，干扰自由基链反应，改变蛋白构象并稳定水分分布，重塑微生物群落结构，通过种间竞争抑制特定腐败菌，从而在生物和化学层面共同阻断WEL风味劣化。研究结论翻译：本研究揭示PEF处理通过靶向调控化学氧化和微生物演替抑制WEL风味劣化的关键机制。PEF将WEL微生物货架期延长至36 d，显著优于巴氏杀菌20 d；pH和色度波动小。基于GC-IMS，共鉴定90种VOCs；VIP与ROAV联合筛选出5个关键风味调控靶标：2-isopropyl-3-methoxy pyrazine、2-pentylfuran、2-pentanone、1-octen-3-one和(E)-2-nonenal。PEF显著抑制贮藏中后期特征劣化VOCs积累，包括与酸败相关的(E)-2-nonenal和1-octen-3-one、diethyl disulfide和2-isopropyl-3-methoxy pyrazine等硫/氮异味化合物，以及导致不愉悦果味和溶剂味的酯类。蛋白和脂质氧化指标显示，PEF组自由硫醇损失显著低于WEL和PAS组，TVB-N保持可接受限值，POV和TBARS始终最低。LF-NMR表明PEF组结合水减少最小、自由水增加最小，维持蛋白网络完整性，增强基质保持水分和风味前体能力，减缓品质劣化动力学。16S rRNA测序显示PEF将Pseudomonas相对丰度从99.0%降至48.2%，诱导群落向更高多样性和平衡重塑，从生物层面破坏优势腐败菌驱动的风味劣化途径。Pearson和Mantel相关分析证实Pseudomonas和Shewanella是驱动品质劣化的核心属，与脂质氧化、颜色劣化和特征异味化合物显著正相关，而PEF有效切断这些关键驱动。作为非热加工技术，PEF在高质量液蛋加工中优于传统巴氏杀菌，为延长WEL货架期并保持天然风味和品质提供理论基础和技术支持。