超声波、冻融循环和冷等离子体诱导的不同蛋白质重构途径决定了鸡胸肉在冷冻干燥过程中的适应性

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Distinct protein remodeling pathways induced by ultrasound, freeze-thaw cycling and cold plasma govern the freeze-drying adaptability of chicken breast meat

　　

摘要

鸡胸肉具有紧密、富含蛋白质的组织结构，在冷冻干燥过程中能够限制水分的迁移。本研究比较了超声波（US）、冻融循环（FT）和冷等离子体（CP）三种非热处理方法对蛋白质重构和干燥行为的影响。中等强度的超声波处理有助于打开蛋白质结构并促进其分散，而长时间超声波处理则会引发蛋白质重新聚集并增加相变焓。冻融循环通过破坏冰晶结构和重新分配水分来加速干燥过程，但反复的循环处理降低了干燥后的水分含量和持水能力（WHC），同时增加了脂质氧化，这表明在效率和品质之间存在明显的权衡。冷等离子体处理会导致表面老化并引起蛋白质结构变化，但仍能保持相对较高的WHC和较低的TVB-N值。在所有处理方法中，CP2处理效果最佳，其WHC达到65.47%，氧化程度最低，同时缩短了干燥时间，表明在保持水分和增强干燥效果之间取得了较好的平衡。相比之下，CP3处理在缩短干燥时间方面表现最佳，虽然导致了一定程度的羰基物质形成、巯基丢失、二硫键形成和脂质氧化，但改进效果更为显著。总体而言，这三种处理方法通过不同的机制增强了干燥效果，但在所需的功能改进和氧化副作用方面存在差异。

引言

鸡胸肉是一种高水分、以蛋白质为主的肌肉组织，其加工性能受蛋白质结构和水分状态的影响很大。蛋白质构象、聚集状态和水分合状态的变化会影响冷冻过程中的行为、水分保持能力、颜色、质地以及干燥反应。过度破坏结构或过度聚集都可能阻碍水分迁移或降低持水能力。因此，维持稳定且适合加工的鸡胸肉组织对于生产高质量的肉制品和动物蛋白原料非常重要（Banton等人，2025年；Watson等人，2023年）。

真空冷冻干燥被广泛用于生产高质量的肉制品，因为它比传统热干燥方法更能保留营养成分和感官特性，但其效率和产品质量仍很大程度上取决于原料在干燥前的物理化学状态（Calín-Sánchez等人，2020年；Mediani等人，2022年；Waghmare等人，2023年）。在冷冻干燥的肉制品中，原料的初始蛋白质结构、孔结构和水分状态会显著影响冰晶的形成、升华过程、质量传递阻力以及脱水过程中的结构稳定性。紧密的组织结构会限制水分迁移并减缓升华速度，而过度破坏结构则可能导致蛋白质变性、汁液流失、氧化和结构崩塌。因此，冷冻干燥前的预处理不应仅仅被视为保持蛋白质原始结构的一种方式，关键是在可接受的改性范围内限制蛋白质和组织的重构，从而在不严重影响品质的前提下提高干燥效果。

非热处理方法可以通过不同的机制调节肉的组织结构和后续的水分转移。超声波主要通过声空化、微喷射和机械剪切作用来改变化学性质，这些作用可以松动蛋白质结构并暴露埋藏的蛋白质基团，但长时间处理可能会促进氧化和蛋白质重新聚集（Jin等人，2023年；Roobab等人，2024年；Zhu等人，2024年）。冻融循环也被研究用于提高干燥效率：冰晶的形成和融化过程可以破坏组织结构、重新分配水分，并降低水分迁移的阻力，从而加快干燥速度。先前的研究表明，冻融处理可以加速胡萝卜的微波真空干燥过程，并将枸杞的真空冷冻干燥时间缩短4-6小时（Ando等人，2019年；Wang等人，2023年）。然而，反复的冻融循环会导致肌肉食品（如鸡肉和牛肉）的机械损伤加剧、水分迁移加快、氧化加剧以及持水能力降低（Ali等人，2015年；Dang等人，2021年；Pérez-Bermúdez等人，2023年；Zhu等人，2023年）。因此，尽管冻融处理有助于加速水分转移并缩短干燥时间，但其潜在的益处应与带来的结构损伤和品质下降进行权衡。冷等离子体可以产生活性氧和氮物种、带电粒子以及紫外线辐射，这些作用可以导致表面老化、微生物失活和蛋白质氧化交联（Jiang等人，2022年；Rao等人，2023年；Wang等人，2023年）。这些处理方法为冷冻干燥前修改组织结构、蛋白质状态和水分转移行为提供了不同的途径。

尽管超声波、冻融循环和冷等离子体已在肉类加工和蛋白质修饰中得到应用，但它们对相同鸡胸肉组织的具体影响仍不完全清楚。特别是，目前尚不清楚这些不同的预处理方法如何影响冷冻干燥前的蛋白质构象、胶体稳定性、生物化学新鲜度以及水分相变行为。这一认识不足限制了针对冷冻干燥鸡胸肉原料的预处理策略的选择。

因此，本研究在一个统一的鸡胸肉系统中比较了超声波、冻融循环和冷等离子体处理方法，以明确不同非热处理机制如何调节蛋白质重构、水分状态和随后的冷冻干燥行为。虽然这些方法通常在独立系统中进行研究，但本研究在同一批处理的肉组织中直接进行了比较，并综合了多尺度结构和氧化测量的结果，包括持水能力、生物化学新鲜度、水分相变行为以及冷冻干燥时间。特别关注了干燥效率提升是否伴随着结构或品质的下降。研究目的是建立一个预处理-蛋白质重构-水分相变框架，以评估鸡胸肉的冷冻干燥行为。为此，通过综合持水能力、生物化学劣化程度、冻结/融化转变行为以及达到目标水分含量所需的时间来操作性地评价冷冻干燥适应性，而不仅仅依赖于干燥时间的缩短。

节选内容

材料与样品制备

鸡胸肉是从中国海淀区的一家当地超市购买了三批独立的样品。每批样品来自不同的鸡只，分别独立处理。处理前，将原始鸡胸肉存放在4°C下，并在购买后的24小时内开始后续处理。去除了可见的结缔组织和表面脂肪，然后将肉切成小块以获得均匀的组织结构。

微观结构

扫描电子显微镜（SEM）图像（图2）显示了三种预处理后的冷冻干燥组织结构。新鲜样品（图2a）仍保持紧密且表面相对光滑，这可能有助于限制升华过程中的孔隙形成和水分迁移。超声波处理（US1和US2）产生了较为疏松的多孔结构，这与声空化作用导致的结构开放一致；而超声波处理（US3）则导致部分组织塌陷和局部蛋白质聚集，表明过度处理削弱了组织结构。

超声波处理的效果与处理时间并不成正比。

结论

本研究比较了超声波、冻融循环和冷等离子体作为非热处理方法对鸡胸肉蛋白质重构和干燥行为的影响。本文的主要贡献在于建立了一个综合框架，将预处理方法、蛋白质构象、氧化修饰、组织稳定性、与新鲜度相关的生物化学状态、冻结/融化行为以及实际肉制品中的干燥行为联系起来。

超声波处理产生了非线性的效果：适度处理可以改善蛋白质的分散性和结构开放性。

作者贡献声明

徐超：撰写初稿、方法学设计、数据分析、概念制定。易晓康：撰写初稿、数据可视化、方法学设计、实验研究。魏天宇：数据验证、实验研究、数据管理。王德清：数据验证、方法学设计、实验研究。刘燕红：撰写与编辑、初稿撰写、监督工作、资源调配、项目管理、资金争取、概念制定。杨桥楠：数据可视化、软件应用、方法学设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：31772088）的支持。

徐超|易晓康|魏天宇|王德清|刘燕红|杨桥楠

中国农业大学工程学院，北京100083