《Food Chemistry》：The effect of high voltage electrostatic field-assisted thawing on the quality of
Ctenopharyngodon idella and myofibrillar proteins
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高压电场辅助解冻对异育鲈肌原纤维蛋白构象稳定性的影响研究。通过整合AlphaFold3与分子动力学模拟发现，1 kV/cm电场仅引起轻微构象扰动，而3 kV/cm导致氢键断裂、疏水区暴露增加、蛋白溶剂可及表面积扩大，伴随α螺旋和β折叠含量下降及荧光红移，证实高强度电场显著 destabilize 蛋白质。分隔符：
梁晨|刘军|周芳|张友生|赵天添|焦文娟|刘卫峰|陈泽宇|周伟利|黄丽华|兰坤|张业辉|南海军
广东省农业科学院渔业与农业食品研究所，农业农村部功能性食品重点实验室，广东省农产品加工重点实验室，广州510610，中国
摘要
通过将AlphaFold3与分子动力学（MD）模拟相结合，我们研究了电场强度的内在效应如何影响Ctenopharyngodon idella肌纤维蛋白在高电压电场（HVEF）辅助解冻过程中的构象稳定性。在1 kV/cm的电场强度下，肌纤维蛋白仅表现出轻微的构象扰动。相比之下，3 kV/cm的电场处理导致分子内氢键减少、疏水区域暴露增加、蛋白质-水氢键增强以及溶剂可及表面积增大。这些结构变化伴随着α-螺旋和β-折叠含量的下降，分别降至14.69%和34.73%，同时内在荧光发射红移至338 nm，表明蛋白质环境更加暴露于溶剂中。总体而言，我们的研究结果证明了高电场强度与肌纤维蛋白解冻过程中的不稳定之间存在密切关联，为理解蛋白质对HVEF的敏感性提供了分子层面的见解，并为优化HVEF辅助解冻技术提供了依据。
引言
Ctenopharyngodon idella是中国产量最大的淡水养殖鱼类。2023年，Ctenopharyngodon idella的年产量为557.11万吨，占全国淡水养殖鱼类总产量的21.54%。由于冷冻可以延长产品的保质期，因此它是Ctenopharyngodon idella的主要保存方法（Wei等人，2024年）。冷冻食品在加工前需要解冻，而解冻方法直接决定了最终产品的质量。解冻是指通过传导、对流或辐射将外部热源的能量传递给冷冻材料中的固态水（冰），使其吸收熔化潜热并发生固态到液态的相变。在相同的温差条件下，解冻所需的时间明显长于冷冻时间。这是因为在解冻过程中，热传导介质是由外层融化形成的水，其热导率低于冷冻时产品外层的冰。在长时间解冻过程中，样品的温度长时间处于适合微生物生长的范围内，这使得原本存在的微生物能够迅速恢复代谢活动并加速繁殖。同时，内源性酶的活性也逐渐恢复。微生物的大规模繁殖和内源性酶活性的恢复共同作用，最终导致解冻产品质量显著下降（Zhu等人，2025年）。在肉类冷冻过程中，细胞内外的渗透压不平衡驱动水分迁移，细胞内的自由水通过未冻结液相区域形成的通道渗出到细胞间隙，导致细胞脱水和肌纤维结构的破坏。这种水分迁移可能对细胞造成不可逆的损伤（Zhu等人，2024年）。在解冻阶段，由于渗透性的变化，受损的细胞膜失去了重新吸收水分的能力。同时，温度波动引起的冰晶重结晶进一步损害了细胞和组织结构。在这种双重作用下，细胞内容物通过破裂的膜结构泄漏出去，导致肌肉的持水能力下降和质地变软（He等人，2024年）。冷冻和解冻过程中对细胞的损害不仅限于细胞膜和整体细胞结构。一些研究发现，冷冻和解冻后的肌肉细胞线粒体受到严重损伤，可提取蛋白质的数量显著增加，某些特定蛋白质如ATP合酶也显著富集（Qi等人，2025年）。冰晶形成和氧化应激等因素会破坏维持蛋白质分子内部结构稳定性的力量，如氢键和疏水相互作用，从而进一步加剧蛋白质氧化（Hu等人，2025年）。为了解决这些问题，相关研究提出了使用物理场辅助解冻技术来提高解冻产品的质量。
电场技术作为一种新兴的非热处理方法，在食品加工领域逐渐受到关注（Yudhistira等人，2023年）。常见的电场（EF）技术包括脉冲电场（PEF）、高电压静电场（HVEF）、低电压静电场（LVEF）以及交流/直流电晕放电（ACEF/DCER）。这些技术已在多个方面得到研究和应用，例如PEF用于微生物灭活和食品质量保存，HVEF用于提高干燥效率和产品稳定性，HVEF与ACEF/DCER结合用于解冻冷冻食品并保持结构完整性（Chang等人，2023年；Liu等人，2017年）。HVEF辅助解冻通过电晕放电产生的离子风加速表面对流热传递，从而提高解冻速率并保持食品的结构完整性（Dalvi-Isfahan等人，2023年）。其原理是在电场的影响下，水分子重新排列，导致自由能降低并形成更有序的簇（Jiang等人，2023年）。HVEF辅助解冻可以减少解冻过程中冰晶对肌肉组织的损伤，从而提高样品的持水能力（Hu等人，2021年）。此外，电场还可以抑制微生物和酶的活性，减少假单胞菌和乳酸菌的数量，从而改善解冻产品的质量（Zheng等人，2024年）。然而，在传统HVEF辅助解冻的应用中存在一些挑战。首先，电晕放电产生的离子风可能会加剧材料表面的水分去除（Wu等人，2024年）。其次，电场可能改变蛋白质结构，导致其构象变化（Giteru等人，2018年）。第三，电晕放电可能产生O?等副产物，从而促进食品氧化（Li等人，2020年）。因此，在实际应用中选择适当的电场参数至关重要，以避免这些不利影响。关于HVEF辅助解冻的研究主要报道了其对产品质量和解冻后肌肉肌纤维蛋白理化性质的影响，这些影响通常通过冰晶特性的变化来解释。然而，对于电场是否以及如何直接干扰解冻过程中肌纤维蛋白结构的机制理解仍然有限。
为了解决这一问题，本研究以Ctenopharyngodon idella为研究对象，探讨了不同电场强度对鱼的质量、水分分布、微观结构以及HVEF辅助解冻过程中肌纤维蛋白特性的影响。在此基础上，结合AlphaFold3和MD模拟，进一步分析了电场对Ctenopharyngodon idella肌动蛋白结构的影响。此外，还使用红外光谱和荧光光谱验证了电场对蛋白质结构的调控作用。本研究期望为HVEF辅助解冻提供更深入的机制见解，并为其实际应用提供科学依据。
材料
实验中使用的Ctenopharyngodon idella来自Freshippo有限公司，年龄约为4个月，平均重量为800克（尺寸：约40厘米（长）×约10厘米（宽））。乙二醇-双（β-氨基乙醚）-N,N,N′,N′-四乙酸（EGTA）购自上海Macklin生化科技有限公司。硫代巴比妥酸也购自同家公司。蛋白质羰基含量检测试剂盒（MAK094）同样来自该公司。
鱼的质量
如图2A所示，在1 kV/cm电场辅助解冻条件下，鱼的硬度明显高于其他解冻组，且离心损失明显低于其他组。HVEF辅助解冻组在离心损失和硬度方面与空气解冻组（0 kV/cm）存在显著差异。这些发现与显微镜观察和LF-NMR分析的结果一致。
结论
本研究表明，HVEF辅助解冻对鱼的质量和肌纤维蛋白稳定性的影响强烈依赖于电场强度。中等强度的电场（1 kV/cm）在最小程度干扰肌纤维蛋白的情况下提高了整体质量，而较高强度的电场（3 kV/cm）则导致质量下降并伴随明显的构象不稳定。AlphaFold3辅助建模结合MD模拟表明，在≥2 kV/cm的电场强度下，肌纤维蛋白...
CRediT作者贡献声明
梁晨：撰写初稿、正式分析、数据管理。刘军：撰写初稿、实验研究、数据管理。周芳：正式分析、数据管理。张友生：正式分析、数据管理。赵天添：正式分析、数据管理。焦文娟：正式分析、数据管理。刘卫峰：正式分析、数据管理。陈泽宇：正式分析、数据管理。周伟利：正式分析、数据管理。黄丽华：正式分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们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。
致谢
本工作得到了广东省重点研发计划（2023B0202080003）、广东省农业科学院金英之光项目（R2023PY-JG016）、佛山市科技项目：水产品加工技术研发中心（202401）、广东省农产品加工技术研发公共服务平台项目（粤财农[2024]编号37）以及广东省教育厅科研项目（2023ZDZX4116, 2022ZDZX2081）的支持。
