高电压冷等离子体对亚洲鲈鱼肌原纤维蛋白的氧化、理化及凝胶特性影响的研究报告

一、研究作者及发表信息

这项研究题为“Effect of High Voltage Cold Plasma on Oxidation, Physiochemical, and Gelling Properties of Myofibrillar Protein Isolate from Asian Sea Bass (Lates calcarifer)”，作者包括 Oladipupo Odunayo Olatunde、Avtar Singh、Khursheed Ahmad Shiekh、Pornpot Nuthong 和 Soottawat Benjakul。研究所属机构是泰国宋卡王子大学（Prince of Songkla University）的水产生物科学与创新国际卓越中心以及科学仪器与测试办公室，文章发表在Foods期刊（2021年第10卷第326篇文章，DOI: 10.3390/foods10020326）。该文章于2021年2月4日正式出版。

二、研究背景

1. 主要科学领域：

本研究属于食品科学与技术领域，尤其是针对非热处理技术（Non-thermal Technologies, NTTs）在海产品加工业中的应用研究。

2. 研究动机：

鱼类及水产品的保鲜和品质控制一直是食品工业以及学术界关注的重点。在热加工中，蛋白质的变性及氧化容易导致食品质构和功能性的改变，甚至降低其营养价值。这种背景下，非热处理技术因其能够杀灭微生物且不显著改变食品感官属性，从而维持其营养价值，正受到越来越大的关注。

3. 背景知识：

高电压冷等离子体（High Voltage Cold Plasma, HVCP）作为一种新型非热处理技术，通过气体电离产生的活性氮种类（Reactive Nitrogen Species, RNS）和活性氧种类（Reactive Oxygen Species, ROS）对微生物有显著的抑制作用，但也可能诱发食品中脂质和蛋白质氧化。而蛋白质氧化（Protein Oxidation, PT-OX）会引起交联或片段化，从而影响蛋白质的结构和理化特性。

4. 研究目的：

鉴于目前对于 HVCP 技术的研究大多集中于其抗菌效能，本研究旨在揭示 HVCP 诱导的蛋白质氧化（PT-OX）对于亚洲鲈鱼肌原纤维蛋白（Myofibrillar Protein Isolate, MPI）功能性及凝胶特性的影响，并探索优化其处理参数以达到提升食品功能性的目标。

三、研究工作流程

1. 材料与样品制备

• 研究对象： 研究选用来自Songkhla湖养殖场的亚洲鲈鱼（Asian Sea Bass, Lates calcarifer）。鱼肉经清洗、切割、碱溶解-酸沉淀法分离得到肌原纤维蛋白（Myofibrillar Protein Isolate, MPI）。
• 处理方法： 使用袋内介电屏障放电（In-Bag Dielectric Barrier Discharge, IB-DBD）型高电压冷等离子体（HVCP）设备处理 MPI。以氩气（90%）与氧气（10%）混合气体为工质，分别设置处理时间（Treatment Time, TT）为 5 分钟（DBD-HVCP5）、10 分钟（DBD-HVCP10）和 15 分钟（DBD-HVCP15）。

2. 研究程序及实验设计

本研究分为下列细节步骤，每项实验均包含对比对照组（Control, CON）和3个处理组。

1. 氧化指标分析：

   • 测定蛋白碳基含量（Total Carbonyl Content, TCC）以评估氧化程度；
   • 硫醇基含量（Total Sulfhydryl Content, TSHC）及表面疏水性（Surface Hydrophobicity, SHP）的变化用于揭示氧化对蛋白质结构的影响。

2. 傅里叶红外光谱分析（FTIR分析）：

   • 通过傅里叶红外测定功能基团结构变化及氧化特性。

3. 凝胶特性测试：

   • 制备 MPI 凝胶，评估破断力（Breaking Force, BF）、变形率（Deformation, DF）、白度（Whiteness）及水分释放（Expressible Moisture Content, EMC）。
   • 通过扫描电子显微镜（SEM）观察凝胶的微观结构。

4. 动态流变学分析（Rheology）：

   • 测试 MPI 转变为凝胶时的储能模量（Elastic Modulus, G′），以量化凝胶弹性。

四、研究主要结果

1. 氧化指标：

• 碳基含量（TCC）随着处理时间增加显著升高（P<0.05），从对照组的1.16 nmol/g 增至 15分钟组的7.93 nmol/g，显示 HVCP 处理显著诱导蛋白质氧化。
• 表面疏水性（SHP）处理后前期（5分钟）显著升高，但随着TT延长至10和15分钟开始下降，可能因蛋白聚集屏蔽了疏水区域。
• 硫醇基含量（TSHC）则随TT增加逐步下降，反映硫醇基氧化至二硫键。

2. FTIR光谱：

• 发现处理后蛋白主要吸收峰（如 Amide I 和 Amide II）波数发生位移，显示氧化和蛋白构象变化的发生。特别是5分钟处理组的变化增强了蛋白质交联。

3. 凝胶特性：

• 破断力和变形率： 5分钟处理组（DBD-HVCP5）的 BF 和 DF 均显著高于对照组，而10和15分钟组降低（P<0.05）。
• 白度与水分释放： 不同组间无显著性差异（P>0.05），说明加工未显著影响凝胶的视觉和持水能力。

4. 微观结构及流变学：

• DBD-HVCP5 凝胶显示更致密的网络结构，具有更高的交联程度和均匀性，大于10分钟处理组的断裂凝胶网络。
• 动态流变学显示 DBD-HVCP5 组的储能模量（G′）最大，说明其凝胶具有良好的弹性。

五、研究结论及意义

通过使用 IB-DBD 型高电压冷等离子体对亚洲鲈鱼肌原纤维蛋白进行处理，本研究系统揭示了非热处理诱导的蛋白质氧化如何调控蛋白功能性与凝胶特性。结果显示： 1. 处理时间为5分钟的 HVCP 优化了 MPI 的聚集结构，增强了凝胶的弹性和强度，提升了功能价值； 2. 而过长的 TT 导致蛋白质片段化与过度氧化，反而削弱了性能。

这些发现不仅为海产品加工中的蛋白质改性提供了新方法，也拓宽了冷等离子体在食品工业中应用的可能。

六、研究亮点

1. 首次详细探讨了 HVCP 技术诱导的蛋白质氧化对鱼类蛋白凝胶特性的影响；
2. 提出了使用适量氧化优化蛋白功能特性的创新观点；
3. 展现了 IB-DBD HVCP 系统作为非热处理技术在蛋白改性中的潜力。

本研究不仅加深了人们对冷等离子体技术机理的理解，也为未来食品加工科技提供了实用的理论依据及工程设计方向。