植物源抗冻蛋白作用机制及其在食品中的应用

植物源抗冻蛋白（AFPs）是植物在外界环境发生改变时为保护细胞免受冻害而产生的一种功能性蛋白质。AFPs在不同植物体内的分布不同，它们都具有一定的抗冻活性，是一类能提高植物细胞抗冻
活性的蛋白质的总称。

植物源AFPs通过抑制溶液中冰晶的再结晶现象，减轻因环境温度在零度以下附近波动产生的机械损伤，抑制在冷藏过程中食品因反复冻融造成的质量劣变，比其他来源的AFPs更适合添加到冷藏食品中。东北农业大学食品学院的于 晶、扈莹莹和东北农业大学动物科学技术学院的秦立刚*等人通过综述植物源AFPs的作用机理、提取方法，以期为AFPs在食品领域的应用提供理论参考。

1、植物源AFPs的概述

AFPs的来源

植物源AFPs主要来源于寒冷、高海拔地区的植物体内，现植物源AFPs的研究对象有40余种，其中约在20 种高等植物中检测到AFPs，但真正被分离纯化的植物源AFPs种类较少，主要分离自冬黑麦、沙冬青、胡萝卜、女贞叶、黑麦草、苜蓿等。

AFPs的特性

1）热滞活性

一般溶液（如NaCl、蔗糖溶液等）的冰点是固、液两相蒸汽压平衡时的温度，因而冰点应等于熔点。由于AFPs只影响结冰过程，几乎不影响融化过程，使冰点低于熔点，其冰点和熔点的差值称为热滞差值，AFPs的这种活性称为热滞活性。

2）修饰冰晶生长形态效应

在低温环境下，冰晶由于受到AFPs的影响，其生长形态发生改变，由正常冰晶的扁圆型生长为六角形棱锥。随AFPs的浓度增加和作用时间的延长，冰晶的形态趋近针状。

3）抑制冰晶再结晶

在溶液冰点温度下，溶液中的小冰晶逐渐消失聚集成为大冰晶，对产品的组织结构造成破坏。添加AFPs可抑制溶液冰晶的再结晶现象，使小冰晶均匀分布。

2、AFPs的作用机制

热动力学作用原理

1）刚体能量学作用机制

将溶液中AFPs视为极小的粒子，可根据界面能量推测它们在冰-水界面的平衡位置，在冰晶生长过程中，粒子与晶体和水相互作用。由表面能原理可知，由于“AFPs-冰晶”与“AFPs-水”表面存在差异，水会尽可能地缩小表面积减少界面总能量。因此，当AFPs滞留在冰晶表面时，冰-水界面的面积减少使体系达到平衡。

2）冰晶吸附抑制作用机制

在低温条件下，AFPs具有选择吸附性，与冰晶混合后吸附在冰晶生长的表面。冰晶在AFPs分子之间的通路与水结合，在溶液中被AFPs分子覆盖的冰晶表面停止生长，而未被覆盖的区域则沿着平面继续向前推进形成一个圆形的表面，使其表面曲率增加。

3）热滞现象动力学作用机制

AFPs其可以与冰晶平面相互作用，吸附在冰晶表面降低冰晶表面的冰点并提高冰晶内部熔点，使冰晶产生热滞差值，而且热滞差值的增加与蛋白质浓度的平方成正比，不同类型的AFPs在等浓度下可产生的热滞差值也不同。

氢键结合作用

1）“偶极子-偶极子”冰核抑制机理

在水分子中，由于氢原子与氧原子的电荷中心并不重合，在正电荷中心与负电荷中心之间存在一段微小的距离，在电场中的原子相当于一个微观的电偶极子受到电场的作用。AFPs双螺旋结构中具有平行于其螺旋轴的偶极子，AFPs偶极子与冰核表面水分子偶极子的相互作用，使得水分子的无序性降低，在合向量方向上作用力最大。

2）氢原子结合作用机制

对溶剂结构分析表明，AFPs没有增强与水相互作用的能力，而是与冰产生线性结构的相互作用。AFPs刚性平坦表面与平坦的冰晶表面之间形状互补，使AFPs表面亲水基团与冰晶表面氧原子形成氢键，多个氢键的精确匹配提供了很强的结合性和特异性，紧密连接的冰结合位点通过范德华力直接排斥干扰冰晶与水分子的进一步结合。

3）冰核抑制作用机制

冰核是形成冰晶的基础，没有冰核的存在，冰晶也就不能生长。AFPs具有“冰结合面”和“非冰结合面”两种不同面。其中，“冰结合面”上羟基和甲基有序间隔排列使得冰结合面上形成类冰水合层，促进冰核生成；而“非冰结合面”上存在的带电荷侧链及疏水性侧链。

4）“AFPs-冰晶”表面互补作用机制

冰晶与AFPs表面互补结合受多种作用力影响。在“AFPs-冰晶”结合表面，冰如同“配体”与AFPs“受体”结合，因此该作用机制也被称为“受体-配体”作用机制。

3、植物源AFPs的分离纯化方法

渗透离心法

渗透离心法利用缓冲溶液以一定的固液比对植物进行均浆、渗透离心、过滤、离心、冻干，最终得到AFPs粉末。此外，绿色叶蛋白还需经过脱色等前处理，该种方法是提取植物源AFPs最常用的方法。有研究者利用纤维素DE-52离子柱层析提取分离出了冬季新疆沙冬青叶片中的AFPs，经差示扫描热量法测定分离出的蛋白组分热滞活性，结果显示当AFPs质量分数达到0.36%时热滞差值为0.46 ℃。

冰特异性吸附分离法

冰特异性吸附分离法是利用AFPs可特异性吸附在冰晶表面的特点，利用新型的冰晶吸附设备或冰块从粗提物中纯化与冰晶结合的AFPs，该种方法可明显提高AFPs的浓度，操作简单方便。

浊点萃取法

浊点萃取法是分离科学领域一种新型的提取方法，利用表面活性材料在加热条件下，由于非离子表面活性物质在浊点温度分离成界面清晰的两相，最终实现蛋白质组分分离。

4、植物源AFPs在食品领域的应用

在冰激凌中的应用

冷冻甜乳品冰晶的形成和再结晶对于产品的品质有着至关重要的作用，冰晶的形成过程决定冷冻乳品硬化和贮存过程中冰晶的生长情况，影响冰激凌的乳脂状态、粗糙和水润程度、硬度、冰爽口感等感官品质；而再结晶决定了整个冷冻操作后冰激凌质地和结构稳定性。通过添加AFPs可从机械的角度控制冰晶冰核的大小，抑制蔗糖溶液中的冰晶生长，改善静态贮存条件下的稳定性。

在冷冻面团中的应用

淀粉是多种食品加工过程中必不可少的加工原料，植物源AFPs在冷冻面团中的应用也相对较多。植物源AFPs可调节面团中结晶水析出的量，使面团中的水和面筋保持冷冻前的状态，进而使得面团中的凝胶稳定性、发酵面团的孔洞大小和均匀度、熟制后面团的质构和香气等不发生劣变。

在新鲜水果中的应用

速冻水果含水量高，在冷冻冷藏过程中易出现汁液流失、果实软烂变形等现象。将海藻糖与冬小麦AFPs混合注入新鲜草莓中，然后经液氮冷冻，在解冻之后测定其细胞活性和汁液损失率，结果表明AFPs显著提高了草莓的耐冻性，并且能够保留其原有的形态和水果本身的纹理形状，保持水果的感官与风味。

结 语

目前，对AFPs作用机理的研究可为食品抗冻技术提供新的研究方向，同时也为生产实践提供了理论依据。然而，植物源AFPs在其规模化应用方面仍受到较大限制，这主要是由于从植物体内提取的AFPs量少，无法进行大规模生产；而人工合成成本高，可重复性差。因此，利用植物源AFPs的自身性质，如相对分子质量、等电点、热滞活性及其抗冻作用机制开发大规模投入使用的高效分离纯化方法，并找到植物源AFPs在各类食品中应用的最佳条件，可为冷链食品生产、运输、贮藏提供保障。同时，利用基因技术，将植物体内的抗冻基因转入到受体细胞中，以期获得大量的具有抗冻活性分子，也将是我们在植物源AFPs食品应用领域的一个新方向。

本文《植物源抗冻蛋白作用机制及其在食品中的应用》来源于《食品科学》2019年40卷23期305-312页，作者：于晶，扈莹莹，温荣欣，秦立刚，陈倩。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20181109-100。

为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在成功召开“2019年动物源食品科学与人类健康国际研讨会（宁波）”的基础上，将与青海大学农牧学院于2020年6月20-21日在西宁共同举办“2020年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。研讨会将就肉、水产、禽蛋、乳制品等动物源食品科学基础研究、现代化加工技术，贮藏、保鲜及运输，质量安全与检测技术，营养及风味成分分析，副产物综合利用，法律、法规及发展政策等方面的重大理论研究展开深入探讨，交流和借鉴国外经验，为广大食品科研工作者和生产者提供新的思路，指明发展方向。

在此，我们诚挚的邀请您出席本次国际研讨会，共聚人脉、共享资源、共谋发展！

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

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