季潇凯，毛衍伟，张一敏，马文健，李航，朱立贤*，罗欣*

1(山东农业大学 食品科学与工程学院，山东 泰安，271018) 2(阳信县畜牧局，山东 滨州，251800) 3(重庆恒都农业集团有限公司，重庆，408200)

电刺激对牛肉品质影响研究进展

季潇凯1，毛衍伟1，张一敏1，马文健2，李航3，朱立贤1*，罗欣1*

1(山东农业大学 食品科学与工程学院，山东 泰安，271018) 2(阳信县畜牧局，山东 滨州，251800) 3(重庆恒都农业集团有限公司，重庆，408200)

电刺激是一种通过给畜禽胴体进行电流刺激而加快肉类成熟的技术。该项技术对于宰后牛肉品质有重要影响。目前已有学者对电刺激的作用机理进行了广泛研究，最近在pH-温度窗口理论以及电刺激对肉色和保水性的影响方面有了最新进展。文中首先介绍了pH-温度窗口理论，随后总结了电刺激对胴体的pH值变化、细胞骨架蛋白降解以及肌原纤维结构变化等方面的影响及因此对牛肉品质产生的影响，以此对国内肉牛屠宰企业合理运用电刺激技术提供理论指导。

电刺激；嫩度；pH-温度窗口；超微结构；骨架蛋白

电刺激是一项肉类快速成熟技术，能够通过电流对胴体的刺激而加速体内糖酵解进程，加快pH值下降而达到快速成熟的目的。前期已有很多学者对电刺激改善嫩度的作用机制做了深入研究，可总结为以下2个方面：电刺激可加快宰后ATP的消耗，提高糖原酵解速度，使pH值快速下降，预防冷收缩的发生；电刺激对肌原纤维结构造成破坏，形成挛缩带，提高肉的嫩度[1]。近年来，澳大利亚肉品标准(meat standard of Australia, MSA)通过建立pH-温度窗口来描述胴体冷却过程中温度与pH值下降之间的关系[2],研究发现电刺激能够使更多比例的胴体落入最佳pH-温度窗口内，并且电刺激还能够使某些蛋白酶活性和稳定性发生变化，肌原纤维水解底物暴露，加速细胞骨架蛋白的降解，从而改善肉的嫩度[1]。此外还有一些学者研究了电刺激后肉色和保水性的影响。因此，本文在前人相关综述的基础上，将电刺激对肉品质影响的最新研究结果进行了归纳和概括，重点对电刺激后pH-温度窗口变化、细胞骨架蛋白降解和肌纤维超微结构的变化，肉色和保水性变化等方面进行分析，以期对电刺激在肉类行业中的合理应用提供理论指导。

1 电刺激技术

电刺激技术是通过对动物胴体神经系统电流的刺激而引起肌肉收缩，促进糖酵解进程，改善嫩度的一项技术[3]，主要应用于牛羊肉屠宰加工企业。该项技术最早的工业应用是在新西兰，目的是解决羊肉发生冷收缩而肉质韧化的问题。

电刺激效果主要由电刺激参数决定，包括刺激的电压、电流、时间、频率等。电刺激类型从电压上可以分为高压电刺激(电压大于500 V)、中压电刺激(电压在200～500 V)和低压电刺激(电压低于90 V)。应用时，一般在放血后实施低压电刺激，而在剥皮后实施高压电刺激；在欧洲的工厂中一般使用低压电刺激[4]，而近期澳洲对中压电刺激的研究与应用较多[5-6]。由于应用电刺激时牛的品种、年龄、体重，刺激电压、时间上都各不相同，所以难以简单地评定电刺激效果。GURSANSKY等通过对比刺激电压和刺激时间对牛肉嫩度的影响发现，高压电刺激(1 130 V)对嫩度的改善效果最明显，其次是40 s低压电刺激(45 V)组，和10 s低压电刺激(45 V)组，并指出对胴体应用足够的电刺激可以消除品种与个体间的嫩度差异[7]。澳大利亚学者发现，应用新型的中压电刺激(300 V)可以改善羊肉的嫩度和颜色，改变pH值与温度的下降关系。应用中压电刺激处理羊胴体，成熟24 h时，羊背最长肌剪切力明显低于非电刺激处理组；但成熟5 d后，两处理组嫩度无显著差异[8]。SHAW发现中压电刺激对羊肉的嫩度及食用品质方面的影响与高压电刺激的作用相似[9]。还有学者研究了低压电刺激(21 V，60 s)与热剔骨对牦牛肉食用品质的影响，结果显示，电刺激组显著提高了牦牛肉的嫩度，并且加快了牛肉在成熟过程中的嫩化作用[10]。

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2 电刺激对宰后pH值下降速度的影响

2.1pH-温度窗口

肉的成熟过程是肌肉向食用肉转化的过程。动物被宰杀后，呼吸与血液循环停止，氧气供应中断，肌肉组织中需氧的生化反应停止并转变为厌氧生化反应，肌糖原开始发生无氧酵解，乳酸开始在肌肉中堆积。肌浆网钙离子泵功能丧失，钙离子逐渐释放而得不到回收，浓度升高诱发了肌肉收缩。当肌肉在尸僵过程中处于过高或者过低温度的环境中(pH值为6时，胴体温度高于35 ℃或低于10 ℃)时，都极易发生肌原纤维的收缩现象[11]，这就是冷收缩与热收缩。这2种不正常的过度收缩现象，是冷却速率的不适宜造成的。其中低温诱导发生的冷收缩会导致牛肉嫩度下降；热收缩也称僵直收缩，这是因为较高的温度增加了体内糖酵解酶的活性，加快了糖原消耗和pH值的下降，随后高温度与低pH值共同作用导致了早期蛋白质水解活性的降低及汁液损失的升高而导致肌肉发生收缩[12-13]。

3.1肌原纤维结构的改变

电刺激后pH值的快速降低能够加速牛肉的嫩化。因为嫩化过程是在僵直开始或接近僵直时开始的。电刺激能够加速僵直过程，嫩化过程开始早，此时胴体温度较高，嫩化速率快[28]。若抛开电刺激对牛肉其他方面的影响(肌原纤维结构、骨架蛋白降解)，电刺激与非电刺激在冷却成熟过程后，嫩度是一样的，但电刺激能够使肉提前达到最终嫩度。因此，电刺激处理之后并非pH值的快速降低导致牛肉嫩化，而是pH值与温度的共同作用使肉嫩化。电刺激结合不同冷却方式对pH值与温度下降变化的研究表明：pH值的下降速率对肉的食用品质影响最大；适宜的pH值下降速率(pH值下降至6时，胴体温度在29～30 ℃)会使肉在成熟14 d后嫩度最佳[29]。电刺激后，随着pH值的快速降低，胴体的高温低pH值环境对牛肉的嫩度有明显的改善。冷却方式同样影响着肌节长度的变化进而影响肉的嫩度。有学者对肌节长度与嫩度之间的关系做了研究，结果发现，肌肉成熟后肌节长度收缩程度小于活体的20%，肌肉剪切力值与初始值差异不大；当肌节长度收缩程度达到40%时，肌肉嫩度显著降低，可能与肌肉结构的破坏有关[30]。

2.2冷收缩

电刺激与肌肉的成熟过程对肉色有明显的影响。首先，电刺激能够在宰后24 h加速肌红蛋白的氧结合能力来使肌肉呈现更明亮的红色。TOOHEY研究发现，对羊胴体进行中压电刺激后，成熟24 h时有更高的a*值[8]。也有研究认为这种肉色的增强是因为尸僵过程的加速以及肌肉超微结构变化所导致的[44]。SLEPER认为电刺激可以导致肌原纤维强烈收缩，蛋白水解酶快速活化，进而导致肌肉超微结构的改变。这种结构上的破坏，不仅能使更多的氧气进入到肌纤维内部，氧合肌红蛋白层会更厚，肌细胞内氧合肌红蛋白含量高于肌红蛋白，导致更高的a*值；还能使肌肉发生更高程度的亮度的散射，使得L*值更高。然而，电刺激对超微结构的破坏作用随着蛋白质的水解作用而逐渐减弱，在24 h后，a*值和氧合肌红蛋白含量的优势渐渐消失。所以在24 h后，电刺激处理的肉色与非电刺激组的差异不显著[45]。有学者证明了这个观点：电刺激能够增加牛背最长肌的L*值，宰后3 d时电刺激处理的背最长肌亮度即达到最大，而未电刺激样品宰后7 d亮度还有所增加；电刺激对肉色中a*、b*值影响并不显著[40]。但也有学者研究发现在成熟过程中电刺激组的羊肉肉色与非电刺激组肉色(L*、a*、b*)无显著差异，并得出结论：电刺激对肉色只是有暂时性的提高效果，但不会显著改变肉色[46]。

Calpains属于半胱氨酸蛋白酶，对温度与pH值非常敏感[41]。电刺激处理显著改善了肉的pH-温度关系，因此对蛋白酶活性和蛋白质的降解有重要影响。电刺激能增加Calpains的活性，其中主流的说法是因为电刺激加快糖酵解速度，肌肉中ATP的数量迅速降低，肌浆网中储存的钙离子被大量释放到肌浆中，此时游离的钙离子浓度可以有效激活μ-calpain[17]。关于电刺激能加速细胞骨架蛋白的降解还有一种解释，电刺激后肌肉pH值的快速下降，能够加速溶酶体的破裂，导致宰后早期蛋白水解酶的释放，进而加快了骨架蛋白的降解[42]。对电刺激和延迟冷却对牛背最长肌中Calpains的影响的研究中发现电刺激和延迟冷却处理组显著提高了宰后1 h μ-calpain的活性，使得肌肉发生了快速嫩化[43]。

2.3pH值快速下降对牛肉嫩度的影响

据澳大利亚广播公司近日报道，目前在南澳的标志性葡萄酒产区─巴罗萨谷，有多达10%的葡萄园和酒庄属于中国人所有。当地一名从事葡萄园收购业务的从业人员表示，他经手的过去7宗收购里有6家酒庄被中国人买去，而目前他们公司接到的咨询电话里面，有大约50%来自中国人以及代替中国人表达收购意愿的团体。

3 电刺激对肌原纤维结构和细胞骨架蛋白降解的影响

为了防止胴体在冷却过程中出现以上2种不正常收缩现象，MSA最早提出了pH-温度窗口理论，该理论指动物胴体在冷却过程pH值与温度的下降关系。当胴体pH值高于6时，其温度高于35 ℃；当胴体pH值低于6时，其温度低于12 ℃[14]。也就是当胴体pH值下降到6时，温度在35～12 ℃之间是最佳的pH-温度关系，生产的肉品质高[15]。如果胴体pH值与温度的关系在此范围之内，说明胴体冷却速率与pH值降低速率适宜，二者共同作用加速尸僵过程，使肉的嫩度达到最佳[16]。电刺激调整了pH值的下降速度，使用pH-温度窗口为标准调节电刺激程度与冷却温度可以减少异常肉的发生。机理上是因为电刺激过程中肌肉收缩消耗大量ATP，供氧中断后胴体开始通过无氧酵解供应ATP，进而导致体内乳酸的积累，pH值快速下降。对牛胴体进行60 s的电刺激通常可以迅速降低0.5个pH值单位，而不使用电刺激时需要3 h甚至更长的时间[17]，这意味着电刺激使肌肉内糖酵解的速率加快了180倍。HWANG等研究了放血后立即电刺激和进入冷却间之前进行电刺激的糖酵解速率、蛋白酶活性及牛肉食用品质与非电刺激组的差异。结果显示，放血后立即电刺激会导致pH值的急速下降，并造成了蛋白酶系统的枯竭(低浓度的μ-钙蛋白酶与高浓度的钙蛋白酶抑制蛋白)[18]。罗欣研究了电刺激结合延迟冷却对牛胴体宰后温度、pH值下降速率及牛肉食用品质的影响，结果发现，电刺激(42 V，0.7 A，50 Hz，60 s)处理会显著加快pH值的下降速率[19]。

DUTSON最早报道了电刺激导致牛背最长肌超微结构改变的现象，电镜照片清楚的显示了过度收缩的挛缩带和被破坏的肌节[31]。所谓挛缩带是指电刺激导致肌肉收缩而造成了肌节断裂并收缩在一起形成的带状区域。带中的Z线随着成熟过程变得模糊甚至消失。肌肉挛缩带的形成可能是电刺激诱导的局部肌浆网钙离子的过量释放导致的肌肉收缩的结果，而且这种收缩与肌肉的类型和电刺激的刺激时间和刺激频率有关[17]。挛缩带会明显造成肌节长度的缩短，最大缩短程度会超过80%。因此，有学者认为挛缩带自身对肌纤维超微结构的物理破坏作用降低了对咀嚼和机械破碎的抵抗力，从而改善了肉的嫩度[19]。肌原纤维超微结构的破坏提高了肉的嫩度，通过电子显微镜观察电刺激发现断裂发生在明带和Z线连接处，并出现挛缩带，在挛缩带周围形成拉伸带，使得肌原纤维变脆弱。刺激的电流、频率或是电压与频率的相互作用影响了挛缩带的形成。如果2个刺激脉冲的时间间隔超过0.25 s，即频率小于4 Hz，那么肌肉的强直收缩是可逆的；如果2个刺激脉冲间的时间间隔足够短，肌肉没有足够的时间进行舒张，则会形成不可逆的挛缩带。HWANG研究14.3 Hz(宰后45 min、800 V、55 s)和36 Hz(45 V、宰后立即刺激、45 s)的电刺激体系发现，上述2种刺激方式使肌节长度分别收缩了89%和55%[32]。罗欣等对电刺激对肌原纤维的破坏程度进行了量化，在100个超微视野中，有44.9%的肌节有挛缩带，有16.9%的临近挛缩带的肌节被拉伸。挛缩带在宰后成熟过程中能够显著提高肉的嫩度[33]。

3.2电刺激对细胞骨架蛋白降解的影响

2.5 NAFLD患者外周血CD4+CD25+T细胞变化与NAFLD危险因素相关性分析 Pearson相关分析显示，NAFLD患者外周血CD4+CD25+T细胞水平与收缩压、舒张压、空腹血糖、血甘油三酯、血尿酸呈负相关（P＜0.05）。

在成熟过程中，细胞骨架蛋白发生了降解，这些蛋白质包括Titin，Nebulin，Desmin，Troponin-T[34]。上述骨架蛋白与肌丝上的蛋白质相互作用或者相互调节，在维持肌肉细胞完整性上起重要作用。细胞骨架蛋白的降解会加速肌原纤维小片化的进程。肌原纤维小片化(MFI)是衡量肌原纤维断裂程度的重要指标，小片化程度越高说明肌原纤维破碎化越高，细胞结构越不完整。所以说，细胞骨架蛋白与肉的嫩度息息相关[35]。在宰后成熟过程中，绝大多数蛋白质水解都是由钙蛋白酶系统调控的。钙蛋白酶系统是依赖于Ca2+的蛋白质水解系统[36]。细胞骨架蛋白的降解很大程度上是內源钙蛋白酶的作用，其中μ-calpain被认为在肉的细胞骨架蛋白降解中起更重要的作用。肌肉嫩度变化过程中有68%是由μ-calpain引起的，且66%的μ-calpain存在于Z盘中，电刺激会在结构上造成Z线断裂，释放出μ-calpain[37]。电刺激后释放至肌浆中的Ca2+会激活μ-calpain，对肌肉中的结构蛋白和细胞骨架蛋白底物进行降解，使肌肉结构完整性被破坏[38]。大多数骨架蛋白包括Titin，Nebulin，Desmin都是calpains的降解底物[39]。电刺激可以加快Desmin和Trponin-T的降解；宰后2 h Trponin-T和Nebulin即已产生降解片段，可以作为牛肉嫩度的指示剂[40]。

电刺激能之所以能够抑制冷收缩是因为电刺激通过强烈的电流刺激造成肌肉的颤搐，而颤搐过程所需要的能量是恢复膜电位所需能量的1 000倍，是肌浆网泵Ca2+所需能量的10倍，所以肌肉中的ATP会急速减少，从而竞争了冷收缩所需要的ATP。同时，ATP的快速消耗加速了动物体糖酵解速度，氢离子在肌肉中堆积，pH值快速下降，使胴体温度-pH下降速率落入理想pH-温度窗口，避免冷收缩的发生。冷收缩发生时，肉嫩度的降低也与肌节长度有关，蛋白降解有限时肌节长度会显著影响肉的嫩度。SAVELL等发现在肌节长度一定的情况下，肉中发生的蛋白水解作用越大，肉的嫩度越佳[26]。也有研究显示，电刺激对肌节长度的影响并不显著，只是电刺激与不同冷却方式结合时才会影响肌节长度，快速冷却会导致肌节长度的缩短[27]。

4 电刺激对牛肉其他品质的影响

4.1电刺激对牛肉颜色的影响

有学者认为冷收缩是指在肌肉的pH值降低到6.2以前，肌肉的温度降低到12 ℃以下时肌肉发生的过度收缩现象[20]。还有学者认为冷收缩是发生于肌肉pH值还高于6时，其温度已经降低到10 ℃以下[21]。而得到普遍认同的冷收缩定义是：在冷却条件下，肌肉僵直尚未开始(pH 6.0～6.4)，而肉的温度已经降至10～15 ℃时肌肉发生收缩，导致肉质变硬[22]。20世纪70年代电刺激技术最早在新西兰应用于解决羊肉的韧化问题，当时工厂的冷却机制是对羊胴体进行急速冷却，这无疑造成了胴体的冷收缩并使肉发生了韧化。冷收缩后肉的肌节长度由3 μm缩短到1.3 μm，肌纤维直径扩大2倍[23]，I带完全消失，硬度增加3倍[1]。冷收缩发生的机制可以概括为：在低温环境下，低温的强烈刺激导致肌浆网失去正常功能，大量钙离子被释放至肌浆中，同时钙离子泵不能正常地将之泵回至肌浆网，钙离子激活肌动球蛋白ATP酶，从而使肌肉发生过度收缩。在冷却期间，当胴体温度下降至25 ℃时，冷收缩便开始发生，所以说发生一定程度的冷收缩是正常的，一旦冷收缩胴体缩短长度超过20%，便成了商业意义上的冷收缩[24]。SIMMONS等在实验中模拟了冷收缩的环境，并对所造成的韧化作用进行了评价。结果显示,为避免持续的韧化过程，只要pH值降到6.0以下时温度能够保持在10 ℃以上，就不会发生冷收缩[25]。

1) 该阀门为流开型，采用平衡式阀芯，阀门开启后，介质通过阀座通道后经开窗式压套笼流出，执行机构在高压时不用考虑高压差对调节的影响。

OC4 DeepCwind 半潜式浮式风力机由3根悬链线进行锚泊固定，悬链线之间的夹角为120°，如图7所示。

4.2电刺激对牛肉保水性的影响

关于电刺激对保水性的影响也存在争议。李春保等认为电刺激对贮藏损失、蒸煮损失、解冻损失均无显著影响[44]。在宰后24 h内，电刺激不仅造成了pH值的快速下降，而且使得蛋白水解酶在早期得到活化。一方面，pH值的快速下降会导致肌丝表面静电荷的减少；糖酵解过程生成的乳酸会破坏蛋白质与水的结合；肌动球蛋白的形成会减少肌丝间的空隙。这三者均会造成肌肉保水性的下降。而另一方面，蛋白酶的活化会导致细胞骨架蛋白的降解，这会释放出肌丝间或肌丝外部的部分空隙来保持水分。因此，电刺激对于保水性的影响可能并不显著。在电刺激对牦牛肉保水性影响的研究中表明，电刺激处理未对牦牛西冷的持水力造成显著影响[47]。有的研究发现，电刺激处理后羊肉在成熟期间的保水性低于非电刺激组，其原因可能是电刺激产生过低的pH值导致蛋白质变性，从而降低了肌肉的保水性[46]。

5 展望

目前，作为生产线的配套设备，部分国内屠宰工厂已经开始应用电刺激技术，但对其加速宰后成熟过程的作用关注较少。在应用时主要存在以下问题：(1)无论牛只大小、品种都使用单一的电刺激参数；(2)存在过度刺激的问题，屠宰线上一些设备(刚性探针等)对胴体有电流的刺激，再加上电刺激，会使胴体pH值下降速率过快；(3)冷却过程胴体的温度控制问题，在冷却阶段中肉的表面和深层组织间存在较大的温度梯度，影响糖酵解速率。

因此从安全性和操作简便性考虑，推荐屠宰工厂在宰杀放血后应用中低压电刺激；其次应该根据牛只的大小、品种调整电刺激参数，对胴体pH值进行实时监控，使得冷却期间胴体pH-温度关系能够落入理想pH-温度窗口。随着在线检测技术的发展，电刺激参数优化及结合拉曼光谱实现对牛肉品质的在线快速预测，将是一个新的发展方向。

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