超声与奇亚籽油对牦牛肌原纤维蛋白凝胶化的协同效应：结构及凝胶特性

《Foods》：Synergistic Effects of Ultrasound and Chia Seed Oil on Yak Myofibrillar Protein Gelation: Structure and Gel Property

　　

中文摘要翻译： 本文旨在研究奇亚籽油（CSO）超声处理作为一种绿色改良方法对牦牛肌原纤维蛋白（MP）的影响。研究人员考察了不同浓度CSO（0、1.5、3.0% w/w）与不同超声功率水平（0、40、80、120 W）组合对牦牛MP结构和凝胶特性的影响。在测试期间，CSO-MP体系作为水包油乳液保持稳定，超声是制备该体系的关键技术。在适度超声条件下，CSO显著提高了MP的溶解度、白度和凝胶强度，同时显著降低了蒸煮损失（CL）（p < 0.05）。与对照组（U0C0）相比，溶解度、白度和凝胶强度分别提高了156.25%、7.54%和89.11%，而浊度、离心损失和CL分别降低了51.70%、64.90%和32.73%。十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）、二级结构、凝胶流变学特性、水分分布和SEM微观结构分析表明，适度超声CSO处理增强了肌球蛋白重链（MHC）条带强度及α-螺旋比例，并使MP凝胶具有优异的质构特性和保水性。在超声过程中，CSO（80 W，3.0%）显著改善了MP的结构和凝胶特性。

论文解读文章

一、研究背景与意义

牦牛（Bos grunniens）是我国高原地区重要的畜牧资源，富含多种矿物质、维生素、类胡萝卜素和多不饱和脂肪酸（PUFAs），具有重要的经济和生态价值。与普通牛肉相比，牦牛肉蛋白质含量更高。然而，已有研究表明，在宰后成熟过程中，普通牛的持水性（WHC）优于牦牛，这凸显了开发有效加工方法以提升牦牛肉制品WHC的必要性。肌原纤维蛋白（MP）是肌肉组织中最具影响力的蛋白质组分，主要由收缩蛋白、调节蛋白和支架蛋白组成，显著影响肉制品的感官属性、风味特征和营养价值。MP的乳化性、凝胶性和WHC等关键功能特性在加工和储存过程中也极大地影响肉制品品质。作为MP的关键组分，收缩蛋白含有肌球蛋白重链（MHC），对MP凝胶形成和功能至关重要。

植物源性多酚类抗氧化物质（如精油）可通过其羟基提供氢原子或电子来清除蛋白质类食品中的自由基，也可能通过非共价或共价键与蛋白质相互作用以改善功能特性。奇亚籽油（CSO）是一种富含PUFAs的新型功能性食品成分，其独特之处在于含有高含量的ω-3-亚麻酸及其他有效成分，相关研究表明CSO中的黄酮类、多酚类、植物甾醇和生育酚等成分可能具有抗氧化活性、免疫增强和缓解认知衰退等潜在功效。

超声作为一种新兴的非热食品加工技术，可将电能转化为高频机械能，改变食品的理化性质。超声的空化效应可以改变肌肉分子结构、提高腌制速率并增强肉品嫩度。目前，关于超声处理后牦牛肉MP结构、功能和流变特性变化机制的研究有限，且CSO在肉制品中的应用仍较为单一。关于CSO与超声处理联合作用对牦牛肉MP功能特性影响及其机制的研究尚未见报道，值得深入探索。因此，本研究采用梯度浓度CSO结合不同超声功率强度，考察其对牦牛肉MP结构和凝胶特性的影响及机制，旨在为提升牦牛肉制品功能特性和整体品质提供理论参考，同时为CSO在牦牛肉及肉制品中的高效高值化利用提供理论支持。

二、主要技术方法

研究人员从四头约4岁、生长状况良好且体重相近的雄性牦牛获取背最长肌，去除表面脂肪和结缔组织后，沿肌原纤维方向均匀切分为约80.0 g的肉块并混合备用。采用生物素法测定MP浓度。将MP稀释至30.0 mg/mL后，分别添加0、1.5和3.0%（w/w）的CSO，并使用超声细胞破碎仪在0、40、80和120 W功率下处理8分钟，形成12个处理组。主要检测方法包括：溶解度与浊度测定、还原与非还原SDS-PAGE电泳、傅里叶变换红外光谱（FTIR）二级结构分析、流变学温度扫描、凝胶白度与凝胶强度测定、蒸煮损失（CL）与离心损失测定、低场核磁共振（LF-NMR）水分分布分析，以及扫描电子显微镜（SEM）微观结构观察。

三、研究结果

3.1 CSO与超声对MP结构的联合影响

3.1.1 对MP溶解度和浊度的影响

随着CSO浓度和超声功率的升高，MP溶解度显著增加（p < 0.05），U1C2组达到最大溶解度95.11%，较U0C0组的35.56%显著提高。在相同超声功率下，MP溶解度随CSO浓度增加呈显著上升趋势；在固定CSO添加比例时，溶解度随超声功率增加呈显著上升趋势。然而，当超声功率进一步增加至120 W时，溶解度出现轻微下降趋势。浊度方面，所有处理组较U0C0组总体呈下降趋势，U2C2组浊度最低。随着超声功率逐渐升高，各组浊度先显著下降后上升（p < 0.05），MP在U2（80 W）超声处理下浊度最低。与U0C0组相比，U2C0、U2C1和U2C2处理的浊度分别下降了44.05%、43.13%和51.70%。适度超声结合CSO可有效缓解蛋白质聚集并增强水-MP相互作用，从而稳定MP体系。

3.1.2 对MP SDS-PAGE的影响

还原电泳图谱显示，随着CSO添加量和超声功率的升高，MHC区域条带强度先增强后减弱，约70 kDa处蛋白条带强度持续下降，U1C1组表现出最佳的蛋白分布状态。超声空化效应可重排MP分子结构，促进各蛋白组分向MHC迁移。CSO形成的纳米和微米级乳液液滴可作为刚性活性填料，抑制空化衍生自由基氧化引发的MP降解，并驱动低分子量蛋白与稳定MHC结合。然而，当超声功率进一步增加时，MHC区域条带强度逐渐减弱，而肌动蛋白区域强度上升。非还原电泳图谱显示，CSO与适度超声协同促进二硫键交联，随着CSO添加量和超声功率增加，MHC条带逐渐增强，而肌动蛋白条带强度随CSO添加比例升高而下降。但当超声功率升高至120 W时，肌动蛋白条带强度逐渐增加，与还原凝胶中观察到的条带特征一致。

3.1.3 对MP二级结构的影响

与未处理的U0C0对照组相比，随着超声功率和CSO浓度增加，各组α-螺旋比例总体逐渐增加，而无规卷曲比例下降。U2C2组具有最有序的蛋白质构象，α-螺旋比例最高达16.82%。在固定CSO添加水平下，α-螺旋比例随超声功率增加总体呈上升趋势。适度超声可能促进MP中氢键形成，加速无规卷曲向α-螺旋转化，增强MP结构稳定性。CSO含有丰富的疏水烷基链和极性羧基，其固有的两亲结构可通过疏水相互作用和氢键与蛋白质分子发生作用。然而，在较高超声功率和CSO添加量下观察到显著的结构劣化：C2U3组（高CSO浓度结合120 W超声）无规卷曲比例急剧上升，这可能源于高功率超声产生的强烈空化效应导致MP多肽链过度展开，以及CSO中丰富的PUFAs在高功率超声处理下易发生氧化反应，脂质氧化进一步诱导蛋白质严重展开和分子间聚集。

3.2 CSO超声处理对牦牛肉MP凝胶功能的影响

3.2.1 对MP凝胶流变学特性的影响

所有组在40–52 °C温度范围内储能模量（G′）急剧增加，此阶段肌球蛋白头部发生交联，凝胶网络开始形成。温度进一步升高至52–60 °C时G′下降，可能归因于肌球蛋白-肌动蛋白相互作用导致新生凝胶网络破坏。随后随着温度进一步升高，G′显著整体飙升。对于C0样品，峰值G′值随超声功率升高而增加。在相同超声功率下，CSO添加量增加也使G′总体增加。然而，在120 W超声功率下，所有处理的最终G′值相对于U0对照组和其他组显著降低。损耗模量（G″）方面，U2C2组整体峰值G″值最高（145.11 Pa）。所有测得的损耗角正切（tan δ）值均低于1，表明弹性行为主导凝胶形态。在固定CSO添加量下，随着超声处理功率增加，加热期结束时tan δ较U0组总体呈下降趋势，在U2（80 W）时达到整体最低值。适度超声处理结合CSO添加可促进致密、均匀且具有弹性的三维凝胶网络形成。

3.2.2 对MP凝胶白度的影响

随着超声功率和CSO添加量的增加，各组凝胶白度呈显著上升趋势（p < 0.05）。U2C2组效果最佳，U2C0、U2C1和U2C2的白度分别达到80.40%、80.45%和81.01%，较对应U0组显著增加6.73%、6.79%和7.54%。超声处理可减弱MP的聚集行为，促进蛋白质-水相互作用和蛋白质-蛋白质交联反应，形成更致密均匀的凝胶网络，从而改善光散射和反射，提高凝胶白度。CSO在超声作用下形成的纳米或微米级乳液液滴可作为刚性活性填料嵌入MP凝胶网络，通过疏水相互作用、氢键和共价交联与周围MP基质相互作用，连接分散的蛋白质聚集体形成更连续、结构致密且有序的三维网络。然而，当超声功率进一步增加至U3时，所有U3组凝胶白度较U2组呈现轻微不显著下降趋势。

3.2.3 对MP凝胶强度的影响

随着超声功率和CSO添加量的逐渐增加，凝胶强度总体呈先显著上升后下降的趋势（p < 0.05）。在相同超声功率下，凝胶强度随CSO添加量增加而显著增加，呈现明显的浓度依赖性。超声处理可提高蛋白质溶解度并促进分子内和分子间蛋白质相互作用。CSO纳米或微米级液滴在加热过程中可通过共价键或疏水相互作用与蛋白质基质结合，形成更稳定的凝胶网络，提高凝胶强度。在固定CSO添加量下，随着超声功率增加，凝胶强度相对各自U0组呈先升后降趋势。然而，过高的超声功率和CSO浓度可能诱导MP严重变性，破坏化学键并削弱分子间交联，最终降低凝胶强度。所有组中U2C2组凝胶强度最佳，较U0C0组显著提高55.88%。

3.2.4 对MP凝胶WHC的影响

随着超声功率增加和CSO添加量增加，凝胶的CL和离心损失均显著下降（p < 0.05）。在固定超声功率下，凝胶CL和离心损失随CSO含量增加而显著降低，呈现明显浓度依赖性。CSO可抑制超声空化产生自由基所引发的蛋白质过度聚集和变性，保持天然蛋白质构象和功能。U2C2组表现出最佳WHC效果，其CL和离心损失较U0C0组分别显著降低32.73%和65.07%。超声可通过增强蛋白质-水和分子间蛋白质相互作用加速蛋白质交联，构建更致密均匀的网络，进一步提高体系WHC。然而，U3组的过度超声处理可能破坏完整的凝胶框架，导致MP-水结合能力降低，WHC相对U2组显著下降。

3.2.5 对MP凝胶水分分布的影响

LF-NMR分析显示，所有组中T₂₂区域的峰面积和比例最大，表明固定化水主导MP凝胶网络内的水分状态。随着CSO添加量和超声功率增加，MP凝胶内固定化水含量增加，U2C2组达到最高峰面积和比例。在固定超声功率下，持续添加CSO显著降低了T₂₃组分中游离水含量（p < 0.05），同时A₂₁显著增加，相应比例P₂₁也呈相同趋势。CSO作为两亲性组分可充当界面介质增强MP的水结合能力，减少凝胶基质外的游离水或将部分游离水转化为结合水或固定化水，限制水分流动性，从而提高MP凝胶网络的WHC。在固定CSO添加量下，随着超声功率增加，A₂₃和P₂₃相对U0组呈显著先降后升趋势，而A₂₁和P₂₁呈显著先升后降趋势。适度超声处理可诱导MP轻度展开，增强CSO-MP相互作用和MP-水保留能力，降低游离水比例并增加结合水比例。

3.2.6 对凝胶质构特性的影响

宏观形态和SEM微观结构观察显示，在固定超声功率（U0–U2）下，增加CSO添加量可减少孔洞数量和尺寸。在固定CSO浓度下，增加超声功率（U0–U2）逐渐减少片状结构，大孔洞结构逐渐转变为小而均匀的孔隙和丝状结构。CSO的掺入可有效填充凝胶网络内的空隙，与超声处理结合有助于形成更均匀的弹性MP凝胶并增强WHC。与U0C0组相比，CSO与超声处理的组合在改善MP凝胶结构方面具有相当大的潜力。当超声功率进一步增加至U3（120 W）时，凝胶趋于松散，片状结构增加，表面更粗糙，较高超声功率可能对MP凝胶结构产生不利影响。

3.2.7 相关性与机制分析

Pearson相关分析显示，六个指标基于相似性聚为三大类：凝胶强度、溶解度和白度形成一个功能簇；离心损失、浊度和CL形成另一簇。所有指标间的两两相关性达到中等或更高水平（|r| ≥ 0.5），表明这些测量指标间存在强关联。例如，CL与浊度和离心损失呈强正相关（r = 0.74），与凝胶强度呈极强负相关（r = ?0.91），与溶解度和白度呈强负相关（r = ?0.76和r = ?0.75）。凝胶强度与CL之间的极强负相关表明凝胶强度越强对应CL越小，意味着更好的WHC和凝胶质构。

机制示意图表明，超声产生的空化效应可优化MP组分组成，增加MP亲水性和界面张力。同时，超声产生纳米和微米级CSO液滴，通过与MP的协同相互作用充当活性填料。在热凝胶化过程中，这些液滴可抑制蛋白质过度自聚集并构建稳定的凝胶网络。超声机械力可重排MP空间构象并增强MP-CSO相互作用，促进适度二硫键交联以及稳定共价键、氢键和疏水非共价相互作用的形成，驱动低分子量蛋白组装为稳定的MHC（约180 kDa），生成更致密、高度有序、均匀的弹性凝胶网络。此外，CSO中丰富的脂质组分可在超声机械刺激下增强蛋白质-水结合，使体系在MP框架内保留更多水分，降低游离水含量和水分子的流动性，大幅提高凝胶WHC。

四、结论

在本研究混合肉样条件下，适度超声处理与CSO联合发挥了协同效应，显著改善了MP的结构和凝胶功能特性，整体最佳效果出现在U2C2组（80 W，3.0%）。然而，过高超声功率（120 W）与CSO联合可能对MP结构和凝胶功能特性产生不利影响，因此需要在后续中试试验中优化相关参数。此外，本研究主要关注超声辅助CSO处理MP凝胶的理化性质，未评估其在长期储存过程中的氧化稳定性。未来研究将聚焦于模拟商业冷藏条件下MP的动态氧化指标，以研究超声辅助CSO对MP氧化特性的影响。总之，在本研究混合肉样条件下，适度超声结合CSO处理改善了肉制品的功能特性，可用于提升牦牛MP的质构特性和WHC，为CSO联合超声处理在开发符合清洁标签要求的健康高品质牦牛肉制品中的中试试验提供了初步理论基础。