高强度超声与三聚磷酸钠对牛肉-双孢蘑菇复合产品品质的影响机制研究

《FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY》：Unveiling the effects of high-intensity ultrasound and sodium tripolyphosphate on a hybrid product of bovine meat and Agaricus bisporus

　　

食品工业日益需求可持续、健康且清洁标签的产品，即含有更少化学添加剂的产品，这使得杂合肉基质成为一种可行的替代方案。本研究评估了双孢蘑菇（Agaricus bisporus，30%）与高强度超声（high-intensity ultrasound，HIUS）在牛肉-蘑菇杂合体系中减少三聚磷酸钠（sodium tripolyphosphate，STPP）的潜力。析因分析表明，STPP仍是控制蒸煮损失（cooking loss，CL）的关键因素，HIUS单独无法完全替代其作用。然而，添加双孢蘑菇维持了色泽稳定性（ΔE < 3），并降低了硬度（hardness）、胶黏性（gumminess）和咀嚼性（chewiness）。其替代潜力归因于蘑菇的碱化能力（alkalinizing capacity）和抗氧化化合物（antioxidant compounds），这些特性与STPP的功能相仿。此外，中心复合旋转设计（Central Composite Rotatable Design，CCRD）分析揭示，在低STPP水平（~0.1%）下，HIUS重构了纯肉配方中的蛋白质二级结构（protein secondary structures），改善了蛋白质网络稳定性（protein network stability）和质构（texture）。因此，双孢蘑菇和HIUS可能代表开发减添加剂新型肉制品的有效策略。

研究背景方面，全球人口增长推动了对可持续膳食的需求，植物、食用昆虫和蘑菇等替代蛋白源受到越来越多关注。在食品科学领域，开发杂合产品以部分替代传统肉类已成为关键策略。蘑菇因其可持续性和功能特性（包括治疗益处和功能改善）在这些配方中获得青睐。与此同时，清洁标签产品的开发是当前市场趋势，消费者期望配方中含有最少量的添加剂。在此背景下，多种配料和新兴工艺已被应用于替代肉制品中常见的合成添加剂——磷酸盐。三聚磷酸钠（STPP）用于碱化基质、增加离子强度、改善持水能力（water-holding capacity，WHC）、降低蒸煮损失并通过螯合金属离子减缓脂质氧化。然而，高每日磷酸盐摄入与多种疾病相关，主要涉及心血管和肾脏疾病，此外磷酸盐还干扰钙、铁和镁的平衡从而影响骨骼。因此，尽管磷酸盐作为添加剂具有诸多益处，但高每日摄入量对消费者健康构成风险，研究人员一直致力于寻找新型替代方案。食用蘑菇展现出替代该添加剂的潜力。双孢蘑菇是世界上消费最广泛的蘑菇之一，含有高浓度的抗氧化化合物，如磷、硒、酚类化合物和β-葡聚糖。除天然配料外，高强度超声（HIUS）等新兴技术可诱导蛋白质分子结构变化，改善质构和技术特性。Pinton等（2019）证明超声是生产低磷酸盐肉糜的有效方法。尽管有这些进展，关于双孢蘑菇和HIUS协同应用以减少杂合肉制品中STPP的研究仍然有限。因此，本研究旨在探究双孢蘑菇和HIUS在杂合肉基质中减少或替代STPP的潜力，通过析因分析及中心复合旋转设计（CCRD）评估物理化学、技术、功能和结构修饰，以确定在不损害产品特性的前提下STPP的最大减少水平。

研究人员开展了以下研究：制备8个处理组的配方，牛肉取自当地市场（Gluteus medius肌肉），双孢蘑菇、盐、胡椒粉、蒜粉和洋葱粉购自当地市场（巴西里约热内卢）。原料经切碎机处理30 s后按比例混合。第3、4、7、8组经HIUS处理10 min（500 W，20 kHz，探头直径19 mm，温度5 ± 1 °C）。实际声功率为81.39 W，声强为28.7 W cm?2。蒸煮损失（CL）采用空气炸锅180 °C烹饪10 min至内部温度74 °C后计算。pH用校准pH计测定。仪器色泽用分光光度计（CM-600D）测定L*、a*、b*并计算ΔE。质构剖面分析（texture profile analysis，TPA）用质构仪（TA-XT plus）双层压缩测定硬度、弹性（springiness）、内聚性（cohesiveness）、胶黏性、咀嚼性和回复性（resilience）。脂质氧化采用TBARS法测定丙二醛（malonaldehyde，MDA）含量。傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）仅在CCRD样品中采集，用于研究STPP、HIUS与蛋白质二级结构变化的关系。统计分析采用三因素析因方差分析（Type III ANOVA），聚类分析（hierarchical cluster analysis，HCA）采用Python程序。此外，在8个处理组之外，进行了含三个中心点的CCRD，共制备22个额外配方（11个纯肉基质和11个杂合基质），评估STPP和HIUS水平两因素设计。

研究结果表明：在蒸煮损失和pH方面，CL值范围为16.76 ± 1.96%（第4组）至27.84 ± 2.89%（第7组）。STPP添加是降低CL的关键因素（p < 0.001），含STPP组（第2组和第6组）CL显著低于无磷酸盐对应组。HIUS单独应用未显著改变CL，但双孢蘑菇含量与HIUS应用之间存在显著交互作用（p = 0.0453），表明HIUS对持水和持脂的效果依赖于基质。添加30%双孢蘑菇未影响CL值（第1组与第5组无统计差异）。pH方面，所有因素均产生显著效应（p < 0.01）。STPP显著提高pH，HIUS调节了STPP的碱化效应，导致超声处理样品pH略低。双孢蘑菇添加亦显著提高pH（第5–8组），可能归因于其碱性氨基酸含量。在仪器色泽方面，STPP添加是L*值的主要决定因素（p = 0.0004），含STPP样品L*值较低。a*值呈现显著三因素交互作用（STPP × HIUS × 双孢蘑菇；p = 0.0109），第8组（三因素组合）与第1组无显著差异（p > 0.05）。b*值方面，STPP添加（p = 0.0359）和三因素交互作用（p = 0.0308）为显著决定因素，第8组b*值（11.86 ± 1.08）与第1组（11.82 ± 1.22）无统计差异。ΔE值在第5组（2.58 ± 0.73）和第8组（1.85 ± 0.58）最低，均低于3，表明视觉差异不可感知。在质构剖面分析方面，硬度值范围为164.48 ± 28.75 g（第6组）至1,065.12 ± 89.39 g（第4组）。双孢蘑菇添加是影响硬度的最显著因素（p < 0.0001），其次为HIUS（p = 0.0004），STPP无显著独立效应。杂合组硬度显著降低，归因于肌原纤维蛋白网络的削弱。双孢蘑菇与HIUS之间的显著交互作用（p = 0.0116）表明声空化对质构的影响依赖于基质组成。弹性方面，双孢蘑菇添加为高度显著因素（p < 0.0001），杂合配方弹性显著高于纯肉配方。内聚性方面，双孢蘑菇添加无显著影响，HIUS单独应用降低了纯肉配方的内聚性，STPP增强了杂合配方的内聚性。胶黏性和咀嚼性方面，双孢蘑菇添加均为首要决定因素（p < 0.0001），杂合组显著降低。在脂质氧化方面，TBARS结果显示三因素交互作用高度显著（p < 0.0001），值范围为0.031 ± 0.003 mg MDA/kg（第8组）至0.320 ± 0.049 mg MDA/kg（第1组）。第8组脂质氧化水平最低。在HCA分析方面，形成两个聚类：纯肉配方（第1–4组）和杂合配方（第5–8组），表明30%双孢蘑菇添加是影响产品特征的关键因素。在CCRD分析方面，纯肉组中pH、分子内β-折叠含量和无序结构含量获得显著响应面模型；杂合组中仅回复性获得显著模型。纯肉产品pH模型中STPP线性项显著（p = 0.0155），HIUS时间线性项显著（p = 0.0778）且方向相反。分子内β-折叠含量模型中HIUS线性项显著正效应（p = 0.0440），STPP × HIUS交互项显著负效应（p = 0.0184），表明HIUS效果在低磷酸盐浓度时最为显著，可在STPP减少80%的同时增加分子内β-折叠含量。无序结构含量模型中HIUS线性项显著负效应（p = 0.0498），表明增加超声时间降低无序结构含量。杂合产品中仅回复性获得显著模型（R2 = 0.7780），STPP线性和二次项均显著，HIUS无显著效应，表明30%双孢蘑菇添加调节了声空化对该质构参数的机械效应。

讨论部分总结了以下要点：CL和pH受因素与基质组成之间不同交互作用的调控。单独添加双孢蘑菇轻微调节pH而不显著改变CL，突显其作为功能性配料的潜力。HIUS对CL的效果依赖于基质组成。色泽方面，第8组维持了与对照组相当的a*和b*值，ΔE < 3表明视觉相似性潜力。质构方面，双孢蘑菇添加调节了配方质构剖面，显著降低硬度、胶黏性和咀嚼性，同时增加弹性，这些改变可能对特定消费群体具有潜在意义。脂质氧化方面，三因素交互作用表明这些因素并非简单叠加，而是建立了氧化还原稳定性。CCRD分析揭示STPP和HIUS的影响及其交互效应高度依赖于基质组成：在纯肉体系中HIUS重组二级结构，而在杂合配方中这些效应被减弱。研究结论翻译如下：本研究结果表明，尽管STPP仍对蒸煮损失（CL）发挥主导效应，但双孢蘑菇和HIUS的联合应用代表了减少肉制品中合成添加剂的一种可行且有效的策略。这种替代的有效性依赖于蘑菇的碱化潜力和推测的生物活性抗氧化化合物的释放。此外，纯肉配方的响应面证明了HIUS在低STPP含量基质中促进蛋白质重组的能力，这些结构变化通常与改善的质构特性相关。本研究还证明，添加30%双孢蘑菇是开发减少动物蛋白含量杂合产品的一种有前景的策略，这是由于其在不损害色泽稳定性（ΔE < 3）的前提下维持了技术完整性，表明具有良好的消费者接受潜力。此外，硬度、胶黏性和咀嚼性的变化产生了改良的质构剖面，值得在未来研究中针对特定消费群体进行探索。第8组观察到的脂质氧化降低是延长杂合肉制品货架期的有前景的指标。因此，利用双孢蘑菇和HIUS构成了一种减少食品中合成添加剂的有前景的策略，其中HIUS驱动纯肉基质中的蛋白质重组，而双孢蘑菇调节质构剖面并为杂合配方贡献抗氧化活性。