cover_image

FSAP | 西北农林科技大学单媛媛副教授:冷链中断对新鲜牛肉代谢成分和质量特性的影响

FSAP 动物源食品科学
2024年07月16日 12:21

西北农林科技大学食品科学与工程学院的Deng Zhanfei等模拟了3 种常见的冷链中断情况,对连续和中断冷链条件下的牛肉进行了理化性质评估,并利用液相色谱-质谱联用仪(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)和气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-MS,GC-MS)鉴定了冷链中断期间牛肉代谢物的变化。通过关联物理化学和代谢组学,确定了与冷链断裂期间质量下降相关的关键代谢物。旨在为开发冷链中新鲜牛肉质量的在线监测方法提供新视角,有利于确保新鲜肉制品的质量和安全。

Introduction

牛肉营养价值高,脂肪含量低,富含人体必需的蛋白质、维生素和矿物质。到2020年,牛肉产量将达到6788万公吨。肉类中丰富的营养物质为微生物生长提供了最佳环境,从而导致肉类变质和食源性疾病。微生物繁殖、蛋白质降解和脂肪氧化是牛肉变质的主要原因。不稳定和不适宜的贮藏温度会加速牛肉变质。

冷链物流广泛应用于肉类屠宰后的运输及其后续零售过程,以抑制微生物生长和脂质氧化,从而延长肉类的保质期。冷链物流过程中的温度控制被认为是影响冷藏食品质量的最重要因素之一。研究表明,冷链物流中温度变化造成的鲜肉质量下降,进一步导致食品浪费和经济损失。

然而,在某些情况下,冷链设施的缺乏和分布不均、冷链过程中低温控制技术的落后、冷链监控系统的缺失以及流通过程中不可避免的多次处理等因素均会导致冷链中断。这种中断反过来又会导致牛肉质量下降。加快开发冷链配送过程中的鲜肉质量在线监测系统对于保障这些产品的质量和安全至关重要,而确定质量劣化的生物标志物则是建立有效监测系统的关键。代谢组学作为一种重要的高通量物质鉴定手段,可以揭示物质的代谢物组成,揭示关键代谢物和生化反应的变化。

样品分组如下:C:对照组,无任何温度变化处理;L1:整个过程中保持4 ℃冷链运输;L2:第2、4天分别进行2 次25 ℃运输;L3:第3天在25 ℃运输。

Results
1 理化特性
1.1 冷藏期间牛肉样品的外观
L1组未发生显著褐变,而L2和L3组出现显著褐变。结果表明,在低温下稳定的冷链对于保持肉的颜色至关重要。

A. 外观;B. 总挥发性碱基氮(total volatile base nitrogen,TVB-N)含量、C. 硫代巴比妥酸活性物质(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)值;D. 滴水损失率;E. 剪切力;F. 总活菌数(total viable count,TVC)。小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。
图1  温度波动对新鲜牛肉外观和理化特性的影响
1.2 牛肉在冷藏期间的TVB-N含量变化

稳定的低温条件下,L1组的TVB-N含量持续稳定,冷链中断后,L2组和L3组的TVB-N含量继续增加;L2组的TVB-N含量在冷链重新连接后继续增加,最显著的增加发生在第4~5天。在销售终点,L1、L2和L3组的TVB-N含量分别为5.70、32.85、18.79 mg/100 g。

1.3 牛肉在冷藏期间的TBARS值变化

模拟过程中,L1组的TBARS值一直较低,L3组的TBARS值在冷链中断后有所增加,但与L1组相比无显著差异。L2组的TBARS值在第1次冷链中断后急剧上升,明显高于L1和L3组。

1.4 牛肉在冷藏期间的滴水损失率变化

冷链中断导致牛肉的滴水损失急剧增加;与此相反,冷链重新连接后,滴水损失率的增加得到缓解。与L2组和L3组相比,L1组的滴水损失率在4 d内较为稳定,仅在第5天有所上升。

1.5 牛肉在冷藏期间的剪切力变化

所有组别在贮藏期间的剪切力均减小,但冷链破坏加剧了这一趋势。

1.6 牛肉在冷藏期间的TVC变化

第4天,L2和L3组的细菌菌落总数超过6(lg (CFU)/g),是新鲜肉的上限。

2 非靶向代谢组学分析
2.1 分析概述

在一级质谱中,正离子和负离子模式分别鉴定了16913、8150 种代谢物,MS/MS鉴定了468 种代谢物的类别和配方。分类结果表明,涉及差异代谢物(differential metabolites,DMs)最多的前10 个类别是羧酸及其衍生物、脂肪酸、有机氧化合物、类固醇及其衍生物、羟基酸及其衍生物、有机氮化合物、吲哚及其衍生物、酮酸及其衍生物、嘧啶核苷以及苯及其取代衍生物。

A. 与对照组相比,物流组代谢物变化最大的10 个类别;B. 3 个物流组上调和下调的DMs数量;C. 物流组与对照组比较;D. 所有代谢物的聚类线热图;E、F. 分别为正离子和负离子模式下主成分分析(principal component analysis,PCA)评分图
图2  LC-MS揭示温度波动下新鲜牛肉的代谢变化
2.2 多元统计分析

在所有组别比较中,L2组的代谢物变化种类最多,高达177 种,其中93 种代谢物上调,84 种代谢物下调,远高于L1组与C组的102 种代谢物。L2和L3相比,L1与C的DM较少,表明在稳定的低温条件下贮藏有利于维持牛肉品质。L2、L3与C的DM重叠程度远远高于L1,高达74。类结果表明,对照组和物流组之间存在显著差异。Venn图显示了各物流组与对照组之间DMs重叠情况,其中L1组L2组重叠最少,L2组和L3组重叠最多。正离子和负离子模式下的PCA评分图表明,不同组别的代谢组成发生变化。从非挥发性代谢物的变化来看,L2组和L3组与L1组和C组有显著差异,L1组与L2组和L3组有部分一致。L3组和L1组的挥发性代谢物物质组成相似,L2组与其他组相比差异显著。与LC-MS的结果相比,L2组和L3组的挥发性代谢物差异更明显。

A. 代谢物聚类热图;B. Venn图;C. PCA评分图。
图3  GC-MS检测对照组和物流组之间的代谢变化
京都基因与基因组百科全书分析

与C组相比,L1、L2和L3组中有13 条通路发生了相同的变化,6 条通路仅在L2和L3组中发生变化,2 条通路仅在L3和L1组中发生变化。与C组相比,L2组和L3组在3 个物流组中有最多的路径重叠,而L1组和L2组则最少。除重叠区域外,L1、L2和L3组分别有4、7、7 条路径相对于C组发生改变。

精氨酸生物合成、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢、ABC转运体等是物流组和对照组之间大多DM涉及的途径。前列腺素-c2、鸟氨酸、氧谷氨酸、2-氨基-5-氧代己酸等是3 个物流组共有的DM,表明能量产生、蛋白质降解和氨基酸代谢是牛肉在稳定冷链条件下的主要代谢变化。除与L1组重叠的途径外,花生四烯酸代谢、胰高血糖素信号通路、谷氨酸能突触等在L2组和L3组均发生显著变化。

A~C. L1、L2、L3与C的比较;D. L2和L3;E、F.分别为L2、L3与L1的比较。
图4  不同组间代谢物和代谢途径的显著变化

ABC转运体途径显示,受显著调控的物质主要由磷酸盐和氨基酸转运体、矿物质和有机离子转运体、寡糖、多元醇、脂质转运体和单糖转运体转运,这些物质主要分布在氨基酸、磷酸盐、脂质和单糖中,与DMs的类别相符。花生四烯酸是花生四烯酸代谢过程中的重要代谢产物,12-酮基二十碳四烯酸等被上调并直接由花生四烯酸代谢而来。与C、L1组相比,L2组和L3组的脂质代谢物和氨基酸,如L-谷氨酸、甘油酸、L-缬氨酸等均上调。与L1组相比,L2组和L3组的谷胱甘肽代谢、ABC转运体和花生四烯酸代谢都发生了改变。与L组相比,L2组中的L-谷氨酸、氧谷氨酸和L-谷氨酰胺升级,并连接了多个途径。丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢、精氨酸生物合成、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢以及赖氨酸降解是L2组和L3组的差异代谢途径。

4 关键代谢途径的联系

在重叠的分区中,三羧酸循环是一个活跃的代谢途径,其中3 种DMs作为中间代谢产物,积累了氧戊二酸和异柠檬酸。氧戊二酸是连接谷胱甘肽代谢和丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸代谢等许多代谢过程的关键代谢物;它还可以转化为L-谷氨酸和谷胱甘肽,并进一步转化为5-氧代脯氨酸、氧化谷胱甘肽、琥珀酸半醛和L-谷氨酰胺。

图5  温度波动影响代谢途径之间的联系

与LC-MS相比,GC-MS发现的DMs主要集中在缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成,牛磺酸和低牛磺酸的代谢以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸的代谢中。苏氨酸可间接生成氧化谷氨酸,并转化为与蛋白质消化吸收有关的L-异亮氨酸、β-丙氨酸和L-缬氨酸。总之,牛肉中的蛋白质和脂质代谢物含量在冷链中断时会显著升高。此外,三羧酸循环的中间代谢产物(尤其是氧戊二酸)以及羰基化合物的含量也明显增加。这些物质可以作为冷链中断期间牛肉质量下降的生物标志物,为冷链物流中牛肉质量的监控提供依据。

Conclusion

冷链中断,新鲜牛肉的感官品质显著劣化,并激活脂质和蛋白质降解,导致脂质和蛋白质代谢物含量升高,包括L-缬氨酸、L-异亮氨酸、β-丙氨酸等。此外,氧戊二酸也明显增加,这是三羧酸循环中的一个重要中间体,连接着蛋白质降解过程和屠宰后的能量生产。此外,羰基化合物含量也明显上升,这与蛋白质和脂质的氧化密切相关。

Abstract


Cold chain disruption during logistics is a critical cause of food quality degradation. This study simulated 3 possible cold chain patterns and combined liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) and gas chromatography-MS (GC-MS) to explore the quality deterioration and metabolic changes of fresh beef under cold chain disruption. The findings revealed that the cold chain interruption led to an upregulation of metabolites associated with lipid metabolism and protein degradation, which are linked to severe quality deterioration. Specifically, L-valine, L-isoleucine, β-alanine, 12-ketoeicosatetraenoic acid, and 5,6-epoxyeicosatrienoic acid exhibited upregulation. Tricarboxylic acid cycle intermediate metabolites oxoglutaric acid is a pivotal up-regulated metabolite that links protein degradation processes and post-slaughter energy production. Additionally, carbonyl compounds showed significant alterations in the beef under cold chain disruptions. Moreover, the later stage of cold chain disruption triggered a rapid collapse of beef quality. This study combined GC-MS and LC-MS to identify key metabolites associated with quality deterioration caused by cold chain disruption, providing a new perspective on beef quality monitor in cold logistics circulation.




编辑:阎一鸣、罗敬;责任编辑:刘莉




作者介绍



单媛媛  副教授
西北农林科技大学食品科学与工程学院
单媛媛,女,博士,西北农林科技大学食品科学与工程学院副教授。研究方向为:(1)食品蛋白质的营养功能与人类健康。主要集中在蛋、乳等食品中优质蛋白的结构、功能评价及其对肠道稳态与人体亚健康状态的干预调控机制研究,开展相关功能食品的制备技术与功能评价;(2)动物性食品的功能化加工与副产物的高值化利用研究。主要包括肉乳蛋等食品原料的加工稳定性及品质保持、增效技术研究,加工过程中产生的副产物畜骨、蛋壳等的综合利用技术研究。



       


    为了帮助食品及生物学科科技人员掌握英文科技论文的撰写技巧、提高SCI期刊收录的命中率,综合提升我国食品及生物学科科技人员的高质量科技论文写作能力。《食品科学》编辑部拟定于2024年8月1—2日武汉举办“第11届食品与生物学科高水平SCI论文撰写与投稿技巧研修班”,为期两天。

长按或微信扫码了解详情

为提高我国食品营养与安全科技自主创新和食品科技产业支撑能力,推动食品产业升级,助力健康中国战略北京食品科学研究院、中国食品杂志社将与湖北省食品科学技术学会、华中农业大学、武汉轻工大学、湖北工业大学、中国农业科学院油料作物研究所、中南民族大学、湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所、湖北民族大学、江汉大学、湖北工程学院、果蔬加工与品质调控湖北省重点实验室、武汉食品化妆品检验所、国家市场监管重点实验室(食用油质量与安全)、环境食品学教育部重点实验室共同举办第五届食品科学与人类健康国际研讨会。会议时间:2024年8月3-4日,会议地点:中国湖北武汉

继续滑动看下一个
动物源食品科学
向上滑动看下一个