冷冻诱导的牛肉肌肉品质劣化及蛋白质特性改变：冷冻速率的影响

《International Journal of Food Properties》：Freezing induced quality deterioration and protein characteristic alterations of beef muscle: implications of freezing rate

　　

为探究冷冻速率对肉类品质劣化的影响及其机制，本研究对慢速冷冻（SF）和快速冷冻（FF）处理下的牛肉品质属性、蛋白质理化性质及蛋白质-水相互作用进行了比较分析。与SF相比，FF缩短了在最大冰晶形成区停留的时间，从而形成更小、更均匀的冰晶，并减少微观结构损伤。在分子水平上，FF更好地保持了肌原纤维蛋白的天然构象，维持了较高的α-螺旋（α-helix）含量、较高的溶解度及更强的蛋白质-水相互作用。因此，FF样品表现出显著优越的产品品质，包括更高的持水能力（更低的解冻损失和蒸煮损失）、改善的颜色稳定性以及更好的质构特性（更高的硬度、弹性及更低的剪切力）。结果表明，快速冷冻能有效减轻冷冻诱导的损伤（品质劣化和蛋白质冷变性），从而保持冻融牛肉的品质。

冷冻是肉类保鲜的常用手段，通过降低温度抑制微生物活动和生化反应，但冰晶形成会引发肌肉品质劣化，包括颜色劣变、汁液流失、蛋白质降解和质地破坏。冰晶的生长对肌纤维造成机械损伤，导致持水能力（water-holding capacity, WHC）下降，同时肌原纤维蛋白（myofibrillar protein, MP）在冷冻过程中发生冷变性，表现为α-螺旋（α-helix）结构展开、疏水基团暴露和聚集，从而削弱其水合能力和功能特性。水分的分布和迁移也依赖于肌原纤维蛋白的结构完整性，冻融过程会释放固定水并重新分布。以往研究多聚焦于冷冻温度对品质的影响，但未将冷冻速率作为唯一变量进行系统隔离，且很少同时考察冰晶形态、蛋白质结构变化、水状态再分配与品质劣化之间的机制联系。为此，本研究以冷冻速率为单一变量，系统评估其对牛肉肌肉品质劣化及蛋白质特性改变的影响，旨在为肉类工业优化冷冻策略提供理论依据。该研究发表于《International Journal of Food Properties》。

研究人员开展的控制实验以6头西门塔尔牛×蒙古牛杂交公牛（体重400±5 kg）为样本来源，取最长肌（longissimus dorsi muscle, LD）横向切割成15块牛排（5×4×4 cm，每块80±5 g），每头牛的牛排均匀分配至新鲜肉（FM）、快速冷冻（FF）和慢速冷冻（SF）三组。FF处理置于-80°C冰箱至中心温度达-18°C，SF处理置于-20°C冰箱至中心温度达-18°C，随后均在4°C下解冻。主要关键技术方法包括：采用数字温度计记录温度曲线并计算冷却速率；通过石蜡包埋、切片和HE染色观察组织微观结构；使用色差计测定L*、a*、b*值及色差系数ΔE；通过称重计算解冻损失、蒸煮损失及肌原纤维的WHC；利用质构分析仪进行TPA（硬度、弹性、内聚性、咀嚼性）和剪切力测定；提取肌原纤维蛋白后，采用Biuret法测定溶解度，用溴酚蓝（BPB）结合法测定表面疏水性，通过不同溶剂系统计算离子键和氢键强度，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析二级结构，使用激光散射仪测定粒径，通过差示扫描量热法（DSC）测定热稳定性（T_m和ΔH）；采用低场核磁共振（LF-NMR）测量横向弛豫时间（T₂）及水分分布，并利用磁共振成像（MRI）获取质子密度图像。

**结果与讨论**
**冷冻曲线与解冻曲线**：FF组冷却速率为0.275°C/min，约为SF组（0.052°C/min）的5.3倍；在-1°C至-5°C最大冰晶形成区，FF组冻结速率（0.115°C/min）是SF组（0.026°C/min）的4.4倍，且FF组初始冰点更低，形成更小、更均匀的细胞内冰晶，微观结构损伤更小。解冻时，FF组所需时间（684 min）长于SF组（566 min），这可能与较小冰晶的总表面积更大、热传导较慢有关，且缓慢解冻有利于水分重吸收，减少汁液流失。

**颜色**：与新鲜肉相比，冷冻后L*值升高，a*值降低。FF组a*值（约16）显著高于SF组（约12-13），且ΔE值（约5.5）显著低于SF组（约8.1），表明快冻能更好地保持颜色稳定性，可能因较小冰晶减少了对肌原纤维结构的破坏，从而降低了促氧化因子的释放。

**持水能力（WHC）**：新鲜肉肌原纤维的WHC最高（约5.1 g H₂O/g蛋白），冷冻后显著下降。FF组肌原纤维WHC（4.61 g H₂O/g蛋白）显著高于SF组（3.38 g H₂O/g蛋白），同时FF组解冻损失（约1.25%）和蒸煮损失（约25.5%）均显著低于SF组（2.1%和30.5%），表明快冻能有效减少汁液流失和营养损失。

**质构分析**：与新鲜肉相比，冷冻后弹性、硬度、内聚性和咀嚼性均下降。FF组弹性（613.21 N）、硬度（325.64 N）、咀嚼性（237.79 N）均显著高于SF组（532.19 N、275.53 N、183.73 N），且FF组剪切力（57.75 N）显著低于SF组（65.34 N），表明快冻能改善冻融牛肉的质构特性，使其更嫩。

**蛋白质理化性质**
- **粒径**：新鲜肉MP粒径最小（35.34 μm），冷冻后增大；FF组（89.21 μm）显著小于SF组（120.31 μm），表明快冻可减少冰晶诱导的蛋白质聚集。
- **二级结构**：FTIR分析显示，新鲜肉α-螺旋含量（40.25%）在冷冻后显著下降，FF组（25.13%）略高于SF组（22.75%），而β-转角和无规卷曲含量增加，且SF组增加更显著，说明快冻能更好地维持蛋白质有序结构。
- **热稳定性**：DSC结果显示，新鲜肉在56.48°C（肌球蛋白头部）、67.35°C（肌球蛋白尾部或肌浆蛋白）和77.84°C（肌动蛋白）处有三个吸热峰，冷冻后ΔH值均下降，但FF组ΔH值高于SF组，表明快冻诱导的蛋白质变性和结构破坏程度较轻。
- **蛋白质-水相互作用**：FF组MP溶解度（19.35%）显著高于SF组（17.22%），表面疏水性（BPB结合量15.82 μg）显著低于SF组（17.42 μg），且FF组离子键和氢键强度均显著高于SF组，表明快冻能更好地维持蛋白质水合能力。

**低场核磁共振（LF-NMR）**：T₂弛豫时间谱显示，冷冻后自由水峰几乎消失，总信号强度下降。解冻后，SF组（ST）的T₂₂（89.07 ms）和T₂₃（943.73 ms）显著长于FF组（FT）（41.50 ms和580.52 ms），且FT组固定水比例（P2，95.70%）显著高于ST组（87.92%），自由水比例（P3，1.19%）显著低于ST组（8.28%），表明快冻能减少固定水向自由水的迁移，从而提高WHC。

**磁共振成像（MRI）**：质子密度图像显示，新鲜肉亮度最高，冷冻后变暗（FF组更暗），解冻后FT组保留较多亮区，而ST组整体较暗，表明FT组保持更高的WHC，与LF-NMR结果一致。

**实际意义**：快冻在WHC、颜色和质构参数上的改善具有工业相关性，可提升消费者体验并减少经济损失，尤其对高端整块肌肉产品；同时，快冻能更好地保持蛋白质基质完整性，有利于后续加工（如腌制或重组产品），但直接证据尚需进一步研究。快冻技术的实际应用需权衡其较高的资本和运营成本，冷冻速率的选择应基于产品价值、市场定位和加工基础设施。

**结论**：本研究系统评估了冷冻速率对牛肉品质劣化的影响及其机制。快冻显著缩短了通过最大冰晶形成区的时间，形成更小、更均匀的冰晶，从而保持更紧密、完整的肌原纤维结构。在蛋白质冷变性方面，FF组表现出更低的变性程度，表现为粒径增加较小、α-螺旋结构保留更多、热稳定性更高、表面疏水性上升较小。此外，FF组更好地维持了蛋白质-水相互作用，保留了更高的离子键和氢键水平、更高的蛋白质溶解度以及更高比例的固定水（流动性更低）。总之，快冻牛肉样品表现出显著更优的整体品质：更高的WHC（降低解冻损失和蒸煮损失）、更好的颜色（更高的a*值和更低的ΔE）以及更优的质构（更高的硬度、弹性、内聚性和咀嚼性，以及更低的剪切力，表明更嫩、更理想的质地）。