通过低电压静电场辅助过冷储存提高新鲜牛肉的颜色稳定性：一项机理研究

《Food Chemistry》：Enhancing fresh beef colour stability via low-voltage electrostatic field-assisted supercooling storage: A mechanistic study

低电压静电场（LVEF）辅助超冷却储存（-1°C）可提升牛肉颜色稳定性，实验表明LVEF组metmyoglobin含量降低9.21%，红度与总MRA保留率分别达81.38%和83.37%，其机制与抑制脂质氧化及增强MRA活性相关。

　　

吴振阳|王顺彦|袁沪川|徐宝才

安徽工业大学食品与生物工程学院，合肥，230601，中国

摘要

低电压静电场（LVEF）被认为是一种能够提升冷链储存过程中肉类质量的新技术。然而，其在过冷条件（-1°C）下对颜色保持的具体影响尚未得到充分阐明。在本研究中，我们评估了牛肉在三种储存条件下的颜色稳定性：4°C、过冷处理以及LVEF辅助的过冷储存。通过检测脂质氧化水平和肌红蛋白还原酶活性（MRA）来研究颜色保持机制。结果表明，与对照组相比，LVEF辅助的过冷储存使肌红蛋白含量降低了9.21%，而红色值和总MRA分别增加了81.38%和83.37%。这些发现为将LVEF等新兴物理场技术应用于肉类储存提供了理论基础，并深入探讨了影响新鲜肉类颜色稳定性的机制。

引言

在新鲜牛肉的传统屠宰、分销和零售过程中，肉色不可避免地会发生变化。完全放血后的尸红色肉的颜色由肌红蛋白（Mb）的氧化还原状态及其三种主要形式：脱氧肌红蛋白（DMb）、氧合肌红蛋白（OMb）和肌红蛋白（MMb）的相对比例决定（Purslow等人，2020；R.A. Mancini等人，2005）。在牛肉储存过程中，特有的樱桃红色会因肌红蛋白（MMb）的积累和丙二醛（MDA）引发绿褐色铁氧肌红蛋白色素的形成而退化（Wang等人，2019）。尽管变色通常先于明显的变质发生（Ramanathan等人，2020），但它对消费者来说是一个重要的质量指标。新鲜牛肉的鲜艳樱桃红色象征着新鲜度和健康，任何颜色变化都会立即被感知为质量下降或初期变质（Padraig Dunne等人，2005）。因此，变色的肉块会被拒收或回收，导致直接经济损失并产生环境负担（Kasthuri Dias等人，2024）。早期估计显示，过早褐变每年给美国牛肉产业造成的损失超过6亿美元（Ramanathan, Suman, & Faustman, 2020）。随着2022年全球牛肉消费量超过6400万吨，市场价值超过1.6万亿美元（FAO，《2022年粮食及农业状况报告》），这些损失预计会进一步加剧。因此，有效缓解死后肉色恶化至关重要。

目前，关于新鲜牛肉颜色保持的研究主要集中在以下方法上：1）化学保存，使用抗氧化剂（如肉桂、丁香）和天然提取物（如姜黄素、乳香、茶多酚）来减缓肌红蛋白氧化，清除自由基，并减少氧化链反应（Su等人，2024；Wu等人，2023；Z. Wu, Yang等人，2024）；2）先进的包装技术，如改性气氛包装（MAP）和智能包装，这些技术可以降低肌红蛋白氧化速率并抑制微生物生长（Mujtaba等人，2022）；3）生物技术方法，包括屠宰前对肉牛的基因改良、优化屠宰后的发酵过程以及延长保质期（Poveda-Arteaga等人，2023；Yu等人，2026）。然而，消费者对无添加剂和有机产品的需求倾向于最少化的加工。传统冷藏（4°C）提供的颜色保护有限，冷冻（-18°C）会导致冰晶损伤和随后的解冻滴水损失（G. Wu, Zhang等人，2024）。过冷储存（零下温度，非冷冻）是一种第三代保存技术，可以在不形成冰晶的情况下保持质量和营养成分（Lin等人，2024）。在新兴的物理场技术中（如超声波、高压、磁场和电场），低电压静电场（LVEF）因其低能耗和非热效应而脱颖而出（Xie等人，2021）。LVEF的应用可以加速冷冻过程，降低结晶温度，并稳定过冷状态，从而改善冷冻储存期间的牛肉质量。此外，LVEF还能抑制横向冰晶生长，保持牛排中肌球蛋白纤维的规则六角阵列，从而减少滴水损失（Xie等人，2023）。因此，我们假设LVEF辅助的过冷储存可以提升储存和短期冷藏分销过程中的颜色稳定性。

关于影响肉色的因素的死后研究已经相对成熟。普遍认为，颜色保持主要通过以下方式实现：1）延缓蛋白质氧化；2）增强肌红蛋白还原酶活性（MRA），后者是限制MMb积累的主要内在因素（Alaa等人，2003；Ramanathan, Suman, & Faustman, 2020）。最近的研究还指出，肌肉表面和纤维间隙中的光散射也会影响肉色的明亮度（Purslow等人，2020），但肌红蛋白的氧化还原形式仍然是红色的主要驱动因素。MRA的来源已经部分阐明——酶促、非酶促和电子转移途径在肌肉纤维中以不同的效率发挥作用（Ramanathan, Suman, & Faustman, 2020）。但在特定储存条件下的相对贡献仍不清楚。在LVEF辅助的过冷条件下，极性分子（如水）会被极化，导致水合模式改变和小代谢物的离子驱动迁移（Dalvi-Isfahan等人，2016）。这些静电效应可能影响酶与底物之间的相互作用以及电子转移效率，从而影响MRA。此外，脂质氧化和肌红蛋白氧化是相互促进的。初级脂质氧化产物会加速肌红蛋白氧化，而次级产物（4-羟基壬烯醛、异前列腺素）会共价修饰肌红蛋白并阻碍其还原（C. Faustman等人，2010）。因此，控制脂质氧化对于维持颜色稳定性至关重要。

本研究全面评估了LVEF辅助过冷储存的保色效果。通过分离不同的肌纤维组分，阐明了不同储存时间点MRA变化的起源。通过对脂质氧化和底物反应性的分析，得出了维持冷链处理和工业分销过程中新鲜牛肉颜色质量的理论依据。

材料

牛肉（中国黄牛中胸肌，24-36个月大的雄性）购自中国安徽永辉超市。新鲜牛肉在屠宰后立即在0°C下冷却，24小时后进行切割。LVEF系统由一个电压发生器（最大2500V，0.2mA）和两个平行放置的不锈钢板（43×23cm2）组成，安装在一个低温柜中（LVEF系统的示意图见图1A）。样品放置在铜板上

颜色稳定性的视觉评估

通过宏观视觉检查和仪器颜色测量（CIE Lab*系统）来评估各处理组之间的颜色稳定性。不同处理组的样品外观见图1C。储存3天后，4°C储存的样品呈现深红色，而1天储存的样品表面则呈现鲜红色且有光泽。到第5天时，4°C储存的样品的视觉质量明显低于过冷和LVEF条件下储存的样品。

结论

总之，本研究探讨了LVEF辅助过冷储存对牛肉颜色稳定性的影响，重点从MRA的角度阐明了其作用机制。研究结果表明，LVEF主要通过增强内源性MRA和减少脂质氧化对血红素结构的损害来提高颜色稳定性。然而，本研究的一个关键局限性在于它仅讨论了LVEF辅助过冷储存对MRA的影响及其起源。

CRediT作者贡献声明

吴振阳：撰写——初稿，研究，数据分析，概念化。王顺彦：撰写——审阅与编辑，研究。袁沪川：撰写——审阅与编辑，软件应用，方法学，概念化。徐宝才：撰写——审阅与编辑，验证，监督。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号32402130）和中央高校基本科研业务费（编号JZ2024HGQA0126、PA2024GDSK0057、JZ2024YQTD0600）的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。