碱性电解水和细菌纤维素对肌纤维蛋白凝胶稳定性的增强作用：来自物理化学和生化特性的研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Enhancement effect of myofibril proteins gel stability by alkaline electrolyzed water and bacterial cellulose: Insights from physicochemical and biochemical characterization

碱性电解水（AWE）与细菌纤维素（BC）复合处理显著提升鲭鱼肌肉蛋白（MPs）的凝胶弹性和保水能力，减少冰晶形成。BC的高结晶度（95.49%）和氢键结构增强热稳定性，与AWE协同促进MPs网络有序化及蛋白-多糖相互作用。

　　

林一琳|谢思云|李赛|王继丽|郝亚成|张叶辉|于一刚

福建省莆田大学环境与生物工程学院，中国莆田351100

摘要

碱性电解水（AWE）有助于提高鱼糜的凝胶强度；然而，其对冷冻稳定性的影响还有进一步提升的空间。细菌纤维素（BC）已在食品工业中得到应用，但其对凝胶稳定性的影响尚不明确。本研究旨在评估由Acetobacter xylinum（A. xylinum）ATCC23767通过静态发酵产生的BC的物理性质，并分析经过AWE预处理的肌原纤维蛋白（MPs）-BC复合物的凝胶性质和生化特性。BC经过10%氢氧化钠纯化后由阿拉伯糖和葡萄糖组成，这可以去除表面杂质并提高结晶度（95.49%）和数均分子量（183.62 kDa）。其结构中含有丰富的氢键和C-O-C糖苷键，表现出较高的热稳定性。本研究探讨了添加1.0% BC（BA组）后AWE如何增强MPs的凝胶性质。经BA处理的MPs的冷冻速率（0.71°C/min）显著高于直接用AWE处理（0.51°C/min）和添加2.0% BC处理（0.49°C/min）的情况，从而形成更小的冰晶。BA处理增加了凝胶强度和固定水分含量，提高了凝胶的弹性。盐溶性蛋白含量（SSPC）和MPs碎片化指数（MFI）的结果表明，AWE处理促进了蛋白-蛋白和蛋白-BC之间的相互作用，增强了MPs的疏水相互作用和氢键。BA处理促进了有序、交联的MPs网络的形成，使得冰晶分布更加均匀。BA处理改变了疏水和亲水氨基酸的含量，有效提高了MPs的凝胶稳定性。相关性分析显示，凝胶强度、SSPC、疏水相互作用和氢键之间存在正相关，而与MFI呈负相关。

引言

冷冻鱼糜产品（包括鱼饼和鱼丸）因其高质量的蛋白质、丰富的营养成分和理想的口感而受到欢迎。鱼糜的主要成分是肌原纤维蛋白（MPs），其结构和功能特性显著影响凝胶的质量。然而，冷冻引起的蛋白质变性和聚集可能会破坏交联的蛋白质网络，导致凝胶脱水收缩，从而降低鱼糜产品的保水能力（WHC）（Walayat等人，2024年）。我们之前的研究发现，碱性电解水（AWE）作为鱼糜冲洗方法可以促进Trachinotus ovatus（T. ovatus）MPs之间的相互作用，形成有序的凝胶网络结构并改善凝胶性质（Lin、Li等人，2025年）。然而，单一的物理加工方法不足以确保凝胶的稳定性。

多糖在稳定蛋白质系统中起着关键作用。据报道，向鱼糜系统中添加多糖可以抑制冰晶生长并降低水分子的流动性（Qin等人，2022年）。多糖-蛋白质混合物通常会增加不溶性蛋白质的含量，增强MPs的凝胶形成能力。多糖的自凝胶能力可以有效地整合到鱼糜加工中，促进双重凝胶网络的形成。然而，过量的多糖添加会显著稀释蛋白质浓度，阻碍蛋白质凝胶网络的形成。最近，人们采用多糖与物理改性方法相结合的方法来改善凝胶质量。例如，Gao等人（2023年）证明，用魔芋葡甘露聚糖和超声波改性的MPs改善了质地，并增强了蛋白-蛋白和蛋白-多糖之间的相互作用。同样，Li、Hao和Gao（2025年）证实，经过超高压和Lentinan edodes多糖处理的MPs之间存在强烈的分子间相互作用。先前的研究显示，AWE显著促进了MPs与茶多酚的相互作用，提高了蛋白质的稳定性（Lin、Xuan等人，2025年）。然而，使用多糖和AWE改性T. ovatus MPs的研究较少。因此，为了进一步提高AWE在鱼糜加工中的效果，人们应用多糖来改善凝胶性能。

细菌纤维素（BC）是一种天然多糖，被美国食品药品监督管理局（FDA）认定为一般认为安全（GRAS）（Wang等人，2025年）。BC由无水葡萄糖单元组成，分子式为（C₆H₁₀O₅）_n，通过β-1,4-糖苷键连接，其中n取决于初始的纤维素底物。BC是由Acetobacter xylinum（A. xylinum）ATCC23767（Ji等人，2021年；Kiziltas等人，2015年）、Gluconoacetobacter xylinus（G. xylinus）ATCC 23770（Pasaribu等人，2023年）和Komagataeibacter hansenii ATCC 23769（K. hansenii）（Kalyani & Khandelwal，2021年）等细菌菌株合成的胶状膜。它可以通过静态发酵或搅拌获得（Saleh等人，2024年）。在静态培养过程中，BC在气液界面形成膜状物；在摇动发酵过程中，BC则以随机分布的颗粒或悬浮纤维的形式出现。由于其独特的纳米纤维网络和生物降解性，BC在食品工业中具有优异的机械性能。先前的研究表明，BC在发酵食品（包括软糖类甜点（Chavan等人，2023年）和椰奶冻（Fei等人，2024年）中的使用是安全的。此外，BC还提高了鱼糜的WHC，增强了其多汁性和咀嚼性（Lin & Lin，2004年）。BC结构中的羟基提供了许多反应位点，使蛋白质的功能得以修改（Hu等人，2014年）。来自G. xylinus BCRC12335的5%（w/w）BC表现出高吸水能力，提高了鱼糜的凝胶性质（Lin等人，2011年）。然而，BC在冷冻鱼糜系统中的稳定机制及其对蛋白质改性的影响仍不清楚。

考虑到AWE处理的局限性，本研究使用A. xylinum ATCC 23767通过发酵制备BC，以在AWE预处理后保持MPs的稳定性。首先，对BC的分子量、单糖组成、微观结构和流变性质进行了表征，以确定最佳的BC分散浓度。其次，研究了不同BC含量（w/w）对AWE预处理后MPs冷冻曲线的影响，以确定制备MPs复合物的适当BC含量。最后，检测了经过AWE、BC以及AWE与BC联合处理（BA组）的MPs的凝胶强度、水分分布、生化性质和冰晶形态。通过激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）观察了不同处理下MPs之间的相互作用，为通过BA处理改善凝胶结构提供了理论基础。这些发现为AWE和BC联合处理在冷冻鱼糜产品中的应用奠定了基础。

材料与试剂

A. xylinum ATCC 23767从广东省微生物菌种保藏中心（中国广东）购买，并储存在?20°C下。Hematoxylin-eosin（H&E）从Servicebio（中国武汉）购买。Nile Blue A从Sigma-Aldrich Chemicals（西班牙马德里Alcobendas）获得。所有其他化学试剂均为分析级，从中国上海的Sinopharm集团化学试剂有限公司购买。

A. xylinum的培养和BC的制备

将冻干后的A. xylinum粉末加入500 μL种子液体中

A. xylinum的生长曲线和BC的理化性质

A. xylinum的生长曲线如图1A所示。OD₆₀₀值在48小时内迅速升高，随后稳定下来，表明细菌进入了代谢活跃的对数生长阶段。48小时后，OD₆₀₀略有下降，并出现了絮状凝胶，表明形成了BC膜。Lestari等人（2014年）报告称，在静态培养48小时后A. xylinum的生长缓慢。发酵培养基中的营养物质逐渐被消耗，代谢

结论

研究了不同处理（AWE、BC和BA）下MPs的理化性质、生化特性和微观结构。通过A. xylinum静态发酵产生的BC的数均分子量为183.62 kDa。动态流变分析显示，20 mg/mL的BC具有更高的粘度和稳定性。基于这些发现，进一步研究了不同BC含量（0.5–2.0%，w/w）对AWE处理前后MPs凝胶性质的影响

作者贡献：CRediT

林一琳：撰写 - 原稿撰写、方法论、数据分析、概念构建。谢思云：软件使用、资源获取。李赛：撰写 - 审稿与编辑、可视化。王继丽：数据管理。郝亚成：监督、实验设计。张叶辉：资源获取、项目管理。于一刚：验证、资源获取、项目管理、资金筹措、概念构建。

CRediT作者贡献声明

林一琳：撰写 – 原稿撰写、方法论、数据分析、概念构建。谢思云：软件使用、资源获取。李赛：撰写 – 审稿与编辑、可视化。王继丽：数据管理。郝亚成：监督、实验设计。张叶辉：资源获取、项目管理。于一刚：验证、资源获取、项目管理、资金筹措、概念构建。

未引用参考文献

Li等人，2025年

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

本研究得到了广东省重点研发计划项目（2023B0202080003）、广东省重点领域研发项目（2025B0202130003）、2024年广东省农业农村发展厅农业研究和技术推广示范项目（2023-440000-58010200-9645）以及广东省农业科学院金英志光计划（R2023PY-JG016）的支持。