脉冲电场（PEF）技术已成为一种有前景的非热加工方法，可在最小化热损伤的同时调控食品品质。尽管PEF已在酶钝化、微生物灭活、马铃薯加工和果汁提取中得到广泛研究，且众多研究已涉及其在肉类系统中的应用，但其潜在机制尚未得到系统性的整合。PEF对肉类关键品质属性（包括嫩度、持水力、脂质氧化和蛋白质降解）的影响常报道不一致，反映出肌肉食品的结构复杂性和异质性。除电穿孔驱动的膜透化外，越来越多的证据表明，PEF可诱导更广泛的电场介导响应，涉及氧化还原平衡、内源酶活性和蛋白质构象重排。本综述批判性地整合了关于PEF原理、设备配置和处理参数的现有知识，特别强调了它们对肉类微观结构、质地、生化稳定性、蛋白质降解和消化率的影响。通过将物理机制与跨分子、细胞和宏观尺度的微观结构和生化响应相结合，本研究（研究人员）突出了调控PEF与肉类相互作用的关键因素，并识别了研究间变异的主要来源。未来研究应优先考虑标准化的处理描述符、对异质性组织中电场分布的精细监测，以及PEF与互补技术的合理整合，以加速工业转化并支持下一代肉类加工。
论文主体部分总结：
1. 引言
传统热加工虽能有效控制微生物危害，但常导致蛋白质变性、脂质氧化和水分流失，进而损害肉类质地、色泽和营养品质。消费者对最小化加工且保持安全、感官吸引和营养丰富的产品需求日益增长，推动了非热加工技术的发展，如脉冲电场（PEF）、高压加工（HPP）、冷等离子体、超声波等。PEF因能耗较低、处理时间短且能通过电驱动机制而非整体加热诱导定向结构变化而受到特别关注。然而，PEF在肉类系统中的效应尚未得到系统整合，尤其在嫩度、持水力、脂质氧化和蛋白质降解等关键品质参数上存在矛盾发现。本综述旨在整合PEF的物理原理与生化及微观结构响应，以推动基础理解和实际应用。
2. PEF发展历史、作用机制及其应用领域
2.1 PEF技术的历史发展
PEF概念可追溯至20世纪50年代末，Heinz Doevenspeck首次提出使用短时高强度电脉冲。电穿孔原理在此期间得到实验验证。20世纪90年代以来，电力电子、材料科学和工艺工程进展推动了PEF在食品工业中的研究，从微生物控制扩展到液体食品提取、干燥和冷冻增强，并系统探究其物理与生化机制。目前PEF已被广泛认可为下一代食品制造系统中最有前景的非热加工策略之一。
2.2 PEF的作用机制
PEF处理基于重复施加短时高强度电脉冲（通常10–80 kV/cm，脉宽至100 μs，频率至2000 Hz）于处理室中的食品样品。电穿孔被广泛认为是主要作用模式：外电场叠加于细胞膜静息跨膜电压（TMV）上，当诱导的TMV超过临界值时，膜通透性急剧增加，形成瞬态或永久性孔道，导致溶质交换、细胞肿胀甚至破裂。膜透化遵循非线性、强度依赖的模式。在肉类系统中，因骨骼肌各向异性电导率、结缔组织介电屏障、组分异质性（如细胞内液、细胞外空间和肌内脂肪的导电性差异）以及尸僵后pH和水分分布变化等因素，电场分布不均匀，电穿孔效应不能仅归因于单细胞膜透化，而是触发一系列理化与生化级联反应，包括Ca²⁺释放、内源蛋白酶（如calpain）激活、肌原纤维和细胞骨架蛋白结构扰动，共同决定品质响应。
2.3 PEF处理单元与操作决定因素
典型高压PEF系统由PEF发生器、处理室和集成控制单元组成。脉冲发生器包含高压电源、储能电容器和高速开关器件，可产生指数衰减、方波、振荡或双极脉冲。处理室设计包括静态或连续流系统，几何构型多样（如平行板、线圈柱、柱–柱、柱–盘、同轴等），电极配置（平行、同轴、共线）影响电场均匀性。关键电参数包括电场强度、脉冲频率、脉冲数、脉宽、波形和总处理时间；材料因素包括样品尺寸、形状、电学特性和局部膜曲率。电场强度是关键决定因素：约0.5–1.5 kV/cm诱导可逆电穿孔，1.0–3.0 kV/cm导致不可逆电穿孔，15–40 kV/cm用于微生物灭活。细胞特性（类型、大小、形状、表面电荷）影响电渗运输和膜透化行为，温度升高可增加膜流动性而增强电穿孔敏感性。
2.4 PEF技术的应用领域
PEF在食品、医学和生物科学领域广泛应用，包括组织软化、电化学疗法、肿瘤消融和抗菌控制。在肉类加工中，PEF通过电穿孔效应影响结构修饰、水分重新分布和消化功能增强，能稳定肉色、改善质地和嫩度、保持新鲜度并延长货架期。
3. PEF处理对肉类质地和微观结构的影响
3.1 PEF处理对肉类嫩度的影响
嫩度由肌纤维完整性、肌节长度和尸僵后蛋白水解程度决定。PEF诱导膜通透性增强，促进细胞内Ca²⁺释放，激活calpain系统，导致Z-disk和细胞骨架连接结构解体，降低剪切力，改善嫩度。但效应高度依赖于处理强度：低强度（如<0.85 kV/cm）可能效果不显著，而过度处理可能导致结构塌陷或蛋白质聚集。例如，Kantono等（46）发现0.8-1.1 kV/cm的PEF增强新鲜和冷冻牛肉嫩度；Faridnia等（43）报道1.4 kV/cm处理使冷冻牛肉剪切力降低20.13%。但部分研究在高强度或不当脉冲条件下未见显著差异。质地参数（硬度、咀嚼性、弹性、内聚性）也呈现双相响应：中等强度可促进蛋白水解，而过高强度削弱弹性。嫩度改善并非随电场强度线性增加，而是依赖于Ca²⁺–calpain通路的阈值依赖性非线性响应。
3.2 PEF处理对滴水损失、蒸煮损失和贮藏损失的影响
肌肉中水分以结合水和自由水形式存在。PEF通过多种机制影响持水力：适度电穿孔促进蛋白质部分展开和有限蛋白水解，增强水–蛋白相互作用，减少渗出；过度电输入则导致蛋白质变性、肌球蛋白聚集和肌原纤维结构收缩，削弱结合位点，促进水分迁移。例如，Baldi等（57）在鸡肉中应用0.6和1.2 kV/cm配合适当脉冲数，使24 h冷藏后滴水损失降低28.5%且脉冲数影响更大。类似降低蒸煮损失现象在牛肉和火鸡肌肉中也有报道。然而，过高强度PEF（如10 kV）可能增加贮藏损失和蒸煮损失，尤其在电导率较高的肌肉或长期贮藏条件下。总体效应高度依赖电场强度、脉冲数、肌肉类型和尸僵状态。
3.3 微观结构
扫描电镜和透射电镜观察表明，适度PEF处理可诱导肌纤维伸长和肌原纤维网络疏松（如Z-disk和I-band减弱），而高强度处理导致纤维收缩和压实。扫描电镜显示随着电场强度增加，肌肉结构孔隙度增大，有利于腌制剂和风味物质扩散。肌原纤维粒径分析和肌原纤维碎片化指数（MFI）也证实PEF处理可增强肌原纤维碎片化（如O'Dowd等（65）报道粒径显著减小）。PEF辅助解冻能更好地保持肌纤维完整性。这些结构变化有助于缩短成熟时间，但需优化处理条件以避免过度组织损伤。
4. PEF处理对肉类生化品质和蛋白质的影响
4.1 PEF处理对TBARS的影响
PEF破坏肌细胞膜，促进不饱和脂肪酸和促氧化剂接触，可能加速自由基和氢过氧化物生成，导致硫代巴比妥酸反应物（TBARS）升高。研究表明，PEF处理的新鲜牛肉TBARS值虽升高但通常低于临界阈值（0.5 mg MDA/kg）；冷冻牛肉因冰晶机械损伤膜结构，TBARS升高更显著。但部分研究（如土耳其火鸡胸肉、牛肉短肋）未见显著变化，甚至Wang等（69）在罗非鱼中观察TBARS降低，归因于电穿孔可能灭活内源促氧化酶。效应强烈依赖于肉类型、脂质含量、贮藏状态和处理参数。
4.2 PEF处理对肉类微生物的影响
PEF通过电穿孔破坏微生物细胞膜，抑制微生物增殖。例如，ELF-PEF处理罗非鱼显著降低总活菌数并延长货架期；Aşık-Canbaz等（72）在7 kV/cm处理鸡胸肉后显著降低铜绿假单胞菌和空肠弯曲杆菌，延长货架期至少2天。在红肉中也观察到类似抗菌效果。灭活效率受电场强度、能量输入、脉冲频率和食品基质特性影响。
4.3 PEF处理对TVB-N的影响
总挥发性盐基氮（TVB-N）是衡量肉类新鲜度的可靠指标。Wang等（55）发现ELF-PEF处理罗非鱼后TVB-N累积速率显著减慢，6天冷藏后仍低于国际阈值（20 mg/100 g）。Li等（42）在PEF辅助解冻大西洋鲑中观察到TVB-N水平低于传统解冻。机制与抑制微生物生长和减少汁液流失有关。
4.4 蛋白质降解与变性
4.4.1 结蛋白降解：尸僵后蛋白质降解主要受calpain介导。desmin是Z-disk外周的关键中间丝蛋白，其降解直接破坏Z-disk完整性。Bhat等（59）在高强度PEF（10 kV，90 Hz）处理的牛肉中观察到troponin-T的30–32 kDa片段强度增加，calpain-2活性升高，表明PEF促进Ca²⁺释放，提前激活calpain-2。Suwandy等（80）在热剔骨牛肉中发现desmin降解显著但程度因处理参数而异。
4.4.2 pH对蛋白水解的关键调控：肌肉pH调节calpain活性。Suwandy等（81）发现低pH（5.5–5.8）条件下troponin-T降解更快，在PEF处理后第三天32 kDa片段更显著；中高pH下峰值出现在第七天。Hwang等（82）也证实低pH样品中desmin和troponin-T降解率最高。
4.4.3 重复PEF暴露与电场强度的影响：单次PEF处理（10 kV，90 Hz）可显著增强troponin-T降解，但两次或三次连续处理反而使32 kDa片段逐渐不显著，表明过度暴露可能导致结构稳定化、酶失活或底物耗竭。低强度单次处理（0.2–0.6 kV/cm）未显著改变蛋白质降解模式。
4.4.4 蛋白质变性：PEF可调控蛋白质二级和三级结构（如α-螺旋、β-折叠、巯基和羰基含量、表面疏水性（H₀））。Wang等（55）在鱼蛋白中发现PEF降低巯基和羰基含量；Dong等（54）在PSE-like鸡胸肉肌原纤维蛋白中观察到8–18 kV/cm时巯基和H₀升高（蛋白展开），进一步升高强度则因疏水聚集而降低H₀。也有研究报道PEF增加α-螺旋比例，稳定蛋白构象。
4.5 电穿孔与品质表现的多尺度耦合
PEF效应从细胞水平的电穿孔（Ca²⁺释放）经分子尺度（calpain激活、蛋白构象变化、氧化修饰）传递至介观结构（肌原纤维晶格变化、水空间分布改变），最终在宏观水平表现为嫩度、滴水损失和质地完整性变化。这种传播是非线性的：适度电刺激可促进有益结构调节，超过临界阈值则导致网络塌陷或氧化劣变。
5. PEF参数与肉类品质响应的集成关系
电场强度是结构转变的主要决定因素：低至中等强度（可逆或温和不可逆电穿孔）通过Ca²⁺释放和calpain激活改善嫩度和持水力；过高强度导致纤维收缩、蛋白聚集和水分流失。脉冲数控制累积暴露并定义蛋白水解阈值：需最低脉冲剂量诱导desmin和troponin-T降解，但重复过度暴露反而减弱效应。脉冲频率影响焦耳热积累，较高频率减少散热间隔，可能加剧局部加热，与冻融系统结构脆弱性相互作用。各参数协同作用，等效能量密度不同组合可产生相似品质响应，但微调参数可能因肌肉电导率、纤维取向或pH而产生不均衡效应。因此需定义肌肉特异性加工窗口。
6. PEF处理对蛋白质消化率和营养可利用性的影响
PEF通过改变蛋白质相互作用（疏水、二硫键、氢键网络），诱导部分展开，增加胃肠消化酶可及性。体外消化研究显示，PEF预处理（如0.65–0.80 kV/cm）显著提高牛肉胃消化阶段蛋白消化率，且细胞膨胀增强膜通透性。Bhat等（92）发现0.6 kV/cm处理促进牛骨骼肌胃消化阶段troponin C和肌球蛋白轻链（MLC2）降解，产生更小肽段。在矿物质可利用性方面，Feng等（63）和Khan等（93）报道PEF处理显著提高铁、钾、钙、镁等矿物质含量，归因于膜透化和结构松弛促进矿物质释放。
7. PEF在肉类加工中的未来展望与工业应用潜力
实现可靠工业应用需克服几个障碍：缺乏标准化处理描述符，需建立统一报告框架整合电参数与实时热/导电变化监测；机制理解需跨尺度整合定量蛋白质组学、代谢组学和先进成像与电场建模；预测性、肌肉特异性优化需考虑pH、电导率、纤维组成等固有特性；与互补技术（如真空烹饪、发酵、腌制、控制成熟）的协同结合可加速嫩化并减少加工时间；工业化放大需平衡产能与精确能量控制，耦合工程优化与技术经济及生命周期评估。
8. 结论
PEF作为一种多功能非热加工策略，通过电诱导物理和生化效应调控肉类多种品质属性。效应主要源于电穿孔驱动的膜透化，并受离子迁移、内源酶激活、氧化还原调节和蛋白质构象重排等次级电场介导过程影响。但响应高度可变，依赖处理参数、肌肉类型、尸僵状态和加工背景。过度处理易导致蛋白质变性、水分流失或氧化劣变。需定义应用特异性加工窗口，并结合物理建模、微观结构表征和生化分析的整合方法。未来应优先标准化处理描述符、实时监测异质性组织电场分布及PEF与互补技术耦合。
