(劉 玫 馬 豪 梁 贏 張 暉鄭學玲 李利民 劉 翀 段武奇

(河南工業(yè)大學糧油食品學院1，鄭州 450001)

(江南大學食品學院2，無錫 214122)

(河南工業(yè)大學生物工程學院3，鄭州 450001)

抗凍蛋白(antifreeze proteins,AFPs)是一類能夠與冰晶結合，具有熱滯活性、修飾冰晶形態(tài)及抑制冰晶重結晶等特性的活性蛋白[1]?；诖颂匦云淠軌蚝芎酶纳评鋬鍪称返漠a(chǎn)品質量，減少冷凍對產(chǎn)品結構和性質的破壞[2,3]，因此在冷凍食品領域具有廣闊的應用前景。然而AFPs在生物體內的含量極低且提取純化困難，這導致AFPs長期以來難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，也未能在冷凍食品改良中發(fā)揮關鍵作用。因此，需要尋找合適的方法提高AFPs的產(chǎn)量，促進AFPs的應用和發(fā)展。

冷凍面團技術是提升面制品工業(yè)化水平的重要途徑，但冷凍面團在凍藏過程中的品質劣變導致產(chǎn)品(如面包和饅頭)出現(xiàn)醒發(fā)時間延長、體積變小、口感變差及貨架期縮短等問題，這限制了速凍面制品的進一步發(fā)展[4,5]。小麥面筋蛋白作為面團的重要組成部分，具有獨特的持水性、黏彈性和起泡性，對面團強度、延展性和持氣性起到?jīng)Q定性作用，其品質優(yōu)劣也直接決定了面制品的最終食用品質[6]。有研究表明凍藏過程中冰晶生長和重結晶會破壞面筋蛋白網(wǎng)絡結構，使面筋蛋白分子解聚，二級結構發(fā)生變化，流變學特性改變，最終影響面團品質[7-9]。

因此，具有抑制冰晶重結晶特性的AFPs能夠較好地改善冷凍面筋蛋白品質。但AFPs的工業(yè)化生產(chǎn)與應用還需要進一步的研究探索。本文綜述了AFPs的生產(chǎn)現(xiàn)狀及抗凍蛋白對冷凍面筋蛋白的改良研究，以期為AFPs在冷凍面制品中的應用提供參考。

1 抗凍蛋白(AFPs)

1.1 AFPs的特性

在越冬生物體內，AFPs能夠降低冷凍脅迫對細胞的破壞作用，這源于其具有幾個特性：1) 降低冰點。AFPs能降低溶液冰點，使得溶液冰點與熔點之間存在差值，這種特性稱為熱滯活性。一定范圍內，熱滯活性可以保持生物體細胞液處于不凍狀態(tài)，避免冰晶形成對細胞膜的破壞作用?？筛鶕?jù)熱滯活性的不同將AFPs分為高熱滯活性AFPs和中度熱滯活性AFPs。昆蟲類AFPs的熱滯活性最高，能夠降低溶液冰點6 ℃左右[10]；魚類AFPs的熱滯活性次之；植物類AFPs的熱滯活性較低，只有0.2～0.6 ℃[11]。2) 修飾冰晶形態(tài)。AFPs能夠結合到冰晶表面，抑制冰晶生長，改變冰晶形態(tài)，減弱冰晶對細胞膜的機械破壞。通常，中度熱滯活性AFPs可以結合到冰晶的棱柱面和/或棱錐面上使得冰晶呈現(xiàn)六棱錐形狀，而高熱滯活性AFPs除了可以結合到冰晶的棱柱面和/或棱錐面上之外，還可以結合到冰晶的基面上，從而使得冰晶形態(tài)似圓盤形狀[12]。其冰晶形態(tài)示意圖如圖1所示。3) 抑制重結晶。重結晶指冰晶在已形成的晶體顆粒間的生長重分配，導致冰晶數(shù)量減少、顆粒增大。AFPs可以減緩冰晶結合速率，極低濃度下即可抑制冰晶重結晶[13]。植物類AFPs具有強抑制冰晶重結晶的能力[14]。4) 調節(jié)原生質體過冷狀態(tài)。AFPs可以調節(jié)原生質體過冷狀態(tài)，降低過冷點，增加冰晶成核率，形成大量小冰晶[15]。

圖1 冰晶形態(tài)示意圖[24]

1.2 AFPs的生產(chǎn)現(xiàn)狀

天然AFPs來源廣泛，且結構各異。按其生物類別可分為植物類AFPs、魚類AFPs、昆蟲類AFPs、真菌及細菌AFPs等[16]，如表1所示。它們的結構和抗凍活性差異較大，也不存在同源性基因序列，因此，天然AFPs具有多樣性和復雜性[17]。

表1 天然AFPs的分類

這些天然來源的AFPs在生物體內的含量較少，從天然來源提取AFPs仍處于實驗室規(guī)模的水平，制備得到的AFPs產(chǎn)量很低，且生物體內成分復雜，提取和純化步驟繁瑣，不同來源AFPs的提取方法也會有較大差異，成本高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)，更難以滿足研究和應用的需求[37]。

目前通過化學方法可以合成高純度的AFPs[38]，更有利于研究其結構-功能的構效關系。例如，Kong等[39]化學合成了昆蟲AFP (相對分子質量為8 700)的短肽類似物，發(fā)現(xiàn)其具有修飾冰晶形態(tài)的能力；Pentelute等[40]利用化學合成的方法制備了雪跳蚤AFP類似物及對映異構體，發(fā)現(xiàn)均具有抑制冰晶重結晶的作用。但是化學合成方法成本太高，難以廣泛應用。

構建異源表達體系可實現(xiàn)多種重組蛋白的生產(chǎn)。目前已利用大腸桿菌和畢赤酵母異源表達了多種重組抗凍蛋白(rAFPs)，如表2所示。

表2 AFPs在異源宿主中的表達

目前AFPs在大腸桿菌中異源表達產(chǎn)量可達136 mg/L，但鮮有報道其熱滯活性[53]。大腸桿菌作為原核表達系統(tǒng)具有發(fā)酵時間短、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢[41]，但是存在不足之處：1) 大腸桿菌產(chǎn)內毒素，不能用于食品中；2) 大腸桿菌胞內蛋白種類多，目的蛋白產(chǎn)量低，不利于后期純化；3) 表達系統(tǒng)不具備蛋白翻譯后修飾和加工的能力，所以不適用于真核蛋白的表達[54]。

畢赤酵母表達系統(tǒng)兼具原核和真核表達系統(tǒng)的優(yōu)點，已迅速發(fā)展成為分子生物學領域廣泛應用的表達系統(tǒng)之一，且畢赤酵母的安全等級為I級，由畢赤酵母生產(chǎn)的重組蛋白可應用于食品中[55]。研究表明利用畢赤酵母表達系統(tǒng)生產(chǎn)的目的蛋白易于分離純化[56]，且不存在內毒素殘留[57]，所得目的蛋白具有較好生物活性[58]。且畢赤酵母表達系統(tǒng)具有釀酒酵母系統(tǒng)的優(yōu)點，可進行高密度發(fā)酵，易于進行工業(yè)化放大生產(chǎn)，提高rAFPs的產(chǎn)量[59]。因此，畢赤酵母表達系統(tǒng)在rAFPs的工業(yè)化生產(chǎn)方面具有廣闊的應用前景。但是，從表2可以看出，目前研究最為廣泛的魚類AFPs在畢赤酵母中異源表達的最高產(chǎn)量也僅為418 mg/L。這說明目前畢赤酵母表達系統(tǒng)尚未解決AFPs高效生產(chǎn)的問題，這可能是AFPs的低表達水平和折疊問題[51]引起的。因此，利用畢赤酵母異源表達不同來源的AFPs仍具有研究必要性和較大的發(fā)展空間，對于實現(xiàn)不同特性rAFPs的規(guī)?；苽洹㈤_發(fā)rAFPs的應用價值及進一步探究AFPs的抗凍機制具有重要意義。

2 AFPs對冷凍面筋蛋白品質改良研究

冷凍面團由于其方便、快捷、衛(wèi)生、利于連鎖企業(yè)標準化生產(chǎn)等優(yōu)勢，具有很好的發(fā)展前景[4,5]。但冷凍面團在運輸儲藏過程中，溫度波動引起的冰晶生長和重結晶會導致面團主要組分發(fā)生劣變[42]，即面筋蛋白解聚，網(wǎng)絡結構遭到破壞，導致面團持氣能力降低[6]；酵母活性降低，面團后期發(fā)酵能力不足[60,61]；淀粉顆粒損傷，理化特性改變[62,63]；水分遷移率增大，面團內部脫水嚴重[64]，這最終導致面團及其制品品質劣變。酵母產(chǎn)氣能力下降和面筋蛋白品質劣變是導致冷凍面團品質劣變的主要原因[6]。耐凍酵母的篩選在一定程度上解決了酵母活性降低的問題。對于面筋蛋白品質劣變問題，國內外學者也做了大量研究，包括使用親水膠體、乳化劑、酶制劑、抗凍蛋白等改良劑改善其品質[65]。其中AFPs作為一種新型添加劑，具有很好的抑制冰晶重結晶效果，能夠減輕冰晶對面筋蛋白的機械損傷，且能夠降低體系的水分流動性，減弱冷凍引起的脫水。目前已經(jīng)有較多研究報道了AFPs對冷凍面筋蛋白的影響。

2.1 天然AFPs對冷凍面筋蛋白的改良

目前 AFPs 在冷凍面筋蛋白中應用的報道主要集中于天然 AFPs 對冷凍面筋蛋白品質的改良研究。由于天然AFPs良好的冰晶調節(jié)特性，在冷凍及凍藏過程中能夠減弱冰晶對面筋蛋白的破壞，從而能夠有效改善冷凍面筋蛋白的組分、結構及功能特性。

2.1.1 AFPs對冷凍面筋蛋白組分的影響

小麥面筋蛋白由麥醇溶蛋白、麥谷蛋白、麥清蛋白和麥球蛋白組成，其中麥醇溶蛋白約占蛋白總量的50%，麥谷蛋白約占蛋白總量的35%～45%。麥谷蛋白和麥醇溶蛋白分別決定面團的黏彈性和延展性，對面筋網(wǎng)絡結構、冷凍面團及其制品質量具有重大影響。而凍藏處理會導致濕面筋蛋白分子質量下降，其中ω-麥醇溶蛋白部分降解，麥谷蛋白HMW-GS全部降解，LMW-GS亞基組分有一定程度增加，表明冷凍處理破壞了維持HMW-GS和ω-麥醇溶蛋白結構的化學鍵，使蛋白質發(fā)生解聚和降解，而在加入AFPs后，凍藏導致面筋蛋白分子質量變化的現(xiàn)象有所減緩，這可能是由于AFPs抑制冰晶重結晶及修飾冰晶形態(tài)成規(guī)則的六邊形狀，使冰晶對蛋白網(wǎng)絡的破壞力減弱，從而有效地為面筋蛋白提供抗凍保護作用[66,67]。

2.1.2 AFPs對冷凍面筋蛋白結構特性的影響

濕面筋蛋白在凍藏過程中，由于冰晶形成和重結晶效應所產(chǎn)生的大冰晶會對其產(chǎn)生機械破壞，導致面筋網(wǎng)絡出現(xiàn)空洞破損，且隨著凍藏時間的增加，空洞孔徑增大，而在添加冰結構蛋白[67]、大麥籽粒AFP[23]、苜蓿葉AFP[66]、燕麥AFP[22]后，雖然也有孔洞產(chǎn)生，但其空洞較小且分布較均勻，表明AFPs能夠抑制冰晶重結晶，使冷凍濕面筋蛋白內外可凍結水形成均勻且較小的冰晶，降低對濕面筋蛋白網(wǎng)絡結構的破壞程度。隨著凍藏時間的延長，面筋蛋白的二級結構也發(fā)生顯著變化，α-螺旋含量下降，β-折疊含量增加，這可能是由于凍藏過程中冰晶重結晶，導致α-螺旋氫鍵彎曲，二硫鍵斷裂，結構遭到破壞，產(chǎn)生新的小分子物質，這些小分子物質在共價鍵的作用下發(fā)生交聯(lián)，從而加劇了β-折疊，而添加AFPs能夠抑制冰晶重結晶，在一定程度上阻止水分子的遷移，減少凍藏處理對面筋蛋白二硫鍵和氫鍵的破壞，從而減小面筋蛋白分子結構的變化[66,68]。

2.1.3 AFPs對冷凍面筋蛋白功能特性的影響

面筋蛋白的流變學特性與面團及其制品品質密切相關。經(jīng)凍融處理后，濕面筋蛋白的彈性模量和黏性模量逐漸下降，這可能是由于賦予面筋蛋白彈性的麥谷蛋白和賦予面筋蛋白延展性的麥醇溶蛋白，在凍藏過程中受到冰晶的機械破壞，發(fā)生解聚和降解，而添加AFPs能顯著提高濕面筋蛋白凍藏過程中彈性模量和黏性模量，表明AFPs能夠保護冷凍濕面筋蛋白，降低冰晶重結晶對面筋基質的機械破壞而導致的面筋組分的降解[22,23]。

凍融處理對小麥面筋蛋白的物理改性也會導致其持水性、持油性、乳化性和乳化穩(wěn)定性等功能特性發(fā)生變化。在凍融過程中，由于冰晶的形成導致水分子與面筋蛋白的極性和非極性氨基酸的交聯(lián)被破壞，使部分結合水被釋放從而造成水分的分離，小冰晶不斷聚集形成大冰晶，損傷面筋網(wǎng)絡，導致面筋體系持水率下降及水分流失，可凍結水含量增加，而在添加AFPs后，能夠有效減緩這種變化，AFPs與冰晶結合，抑制了凍藏過程中冰晶的生長和重結晶，減少了冰晶對面筋網(wǎng)絡的破壞，阻止了水分從面筋網(wǎng)絡中離析，從而有效保護了冷凍面筋蛋白的持水率[66,67,69]。小麥面筋蛋白的持油性在凍融過程中呈上升趨勢，這可能是由于冰晶的作用導致面筋蛋白構象發(fā)生變化，疏水基團暴露程度升高，從而使面筋蛋白持油性升高，而添加AFPs能夠抑制冰晶重結晶，減少疏水基團暴露，減緩持油性的上升[70]。蛋白質的乳化性和乳化穩(wěn)定性對食品品質也有一定影響。一般，蛋白質溶解性越好，乳化性也越好，而凍融處理后小麥面筋蛋白變性加劇，溶解度降低，從而使小麥面筋蛋白乳化性降低，但變性使其親水-親油平衡性更好，從而使小麥面筋蛋白乳化穩(wěn)定性更好，而加入AFPs可能抑制了面筋蛋白的變性，提高了蛋白的溶解性，從而提高了面筋蛋白的乳化性，但其乳化穩(wěn)定性有所下降[70]。

2.2 rAFPs對冷凍面筋蛋白的改良

rAFPs由于其產(chǎn)量高、易純化、具有較好生物活性等優(yōu)勢，在冷凍食品工業(yè)中的應用有很好的發(fā)展前景。劉玫等[42]利用重組畢赤酵母表達系統(tǒng)生產(chǎn)得到三種rAFPs，重組胡蘿卜抗凍蛋白(rCaAFP)、重組點帶石斑魚抗凍蛋白(rFiAFP)和重組黃粉蟲抗凍蛋白(rTmAFP)，都具有較好的生物活性，并將其應用于冷凍面筋蛋白中發(fā)現(xiàn)其能夠有效改善冷凍面筋蛋白凍結及凍藏過程中的結構特性和物理性能。

2.2.1 rAFPs對冷凍面筋蛋白結構特性的影響

在凍結和凍藏過程中，三種rAFPs均可以通過減少凍結和凍藏對麥谷蛋白和醇溶蛋白非共價鍵系統(tǒng)的破壞，阻止了α-螺旋結構向其他二級結構的轉變，從而更有利于面筋蛋白的二級結構保持相對穩(wěn)定。另外，rAFPs通過修飾冰晶形態(tài)并抑制凍藏階段冰晶的重結晶減弱了凍結和凍藏對面筋蛋白結構造成的擠壓和破壞，使得其網(wǎng)絡結構更為連續(xù)完整。rTmAFP和rCaAFP分別在凍結階段和凍藏階段對面筋蛋白二級結構及微觀網(wǎng)絡結構的保護效果最為顯著。

2.2.2 rAFPs對冷凍面筋蛋白凍融特性及水分特性的影響

三種rAFPs均能降低面筋蛋白的凍結溫度和提高其融化溫度，引起凍結滯后和較小的熔融滯后，這可能是由于rAFPs不可逆的與冰晶結合，抑制了冰晶的生長，同時也減緩了冰晶的融化過程，其中，rTmAFP引起凍結滯后現(xiàn)象的效果最顯著，表明其具有較高的熱滯活性，這與其天然蛋白的特性一致。另在凍結階段，添加這三種rAFPs均能減少面筋蛋白和麥谷蛋白中可凍結水含量的增量，而對麥醇溶蛋白的可凍結水含量變化無顯著影響，表明rAFPs主要是通過減少麥谷蛋白中的可凍結水含量增加來降低面筋蛋白的可凍結水含量，從而減弱凍結過程冰晶形成對面筋蛋白的機械破壞，其中rCaAFP和rFiAFP的效果顯著高于rTmAFP。在凍藏階段引起面筋蛋白可凍結水含量增加的主要原因是溫度波動引起的冰晶重結晶，添加這三種rAFPs均能在一定程度上抑制可凍結水含量增加，而rCaAFP表現(xiàn)出最強的抑制可凍結水含量增加的能力，表明rCaAFP保持了其天然抗凍蛋白，具有較好抑制冰晶重結晶能力的特性。

水分流動性對面筋蛋白和水之間相互作用形成具有黏彈性的網(wǎng)絡結構至關重要。在凍結階段可能由于面筋蛋白中疏水基團暴露導致蛋白質和水分子之間的作用力變弱，即水結合能力降低，從而導致水分向流動性更強的方向移動，而添加rFiAFP和rTmAFP能夠減弱凍結對面筋蛋白水分流動性的影響，而rCaAFP 對凍結階段面筋蛋白的水分流動性無顯著影響；在凍藏階段，面筋蛋白的水分向流動性更強的方向進一步移動，添加這三種rAFPs也能在一定程度上抑制面筋蛋白的水分流動性增強，且從整體上看，rCaAFP作用效果最顯著。在凍結和凍藏階段，面筋蛋白的水分會發(fā)生遷移和散失，而添加這三種rAFPs均能有效阻止其水分遷移和重新分布，且在凍結階段rTmAFP效果最顯著，在凍藏階段rCaAFP效果更顯著，表明重組魚類AFPs保持了天然魚類AFPs的高熱滯活性特點，對樣品中的冰晶形成過程影響最大，而重組植物AFPs與其天然AFPs一樣能夠較好地改善樣品凍藏過程中溫度波動引起的冰晶重結晶。

2.2.3 rAFPs對冷凍面筋蛋白熱特性及流變學特性的影響

rAFPs能夠提高凍結和凍藏階段面筋蛋白的熱穩(wěn)定性，rTmAFP最有助于保護凍結階段面筋蛋白的熱穩(wěn)定性，而在凍藏階段，對于面筋蛋白來說，rCaAFP的保護效果最為顯著；凍結階段rAFPs對面筋蛋白熱穩(wěn)定性的保護主要是通過提高麥谷蛋白的熱穩(wěn)定性實現(xiàn)的，而凍藏階段rAFPs 通過提高麥谷蛋白和醇溶蛋白的熱穩(wěn)定性改善了面筋蛋白整體熱穩(wěn)定性。

面團的流變性能可在一定程度上決定其最終產(chǎn)品品質，而其中面筋蛋白對面團流變性能起主要貢獻作用[6]。凍結和凍藏階段麥谷蛋白降解劣變導致面筋蛋白的流變學性質發(fā)生劣變，rAFPs能夠通過減弱凍結和凍藏階段冰晶形成和重結晶對麥谷蛋白中的GMP解聚程度、保護其網(wǎng)絡結構以及提高蛋白與水分相互作用等方面來降低冷凍對面筋蛋白流變學性質造成的不利影響；rTmAFP和rCaAFP分別在凍結階段和凍藏階段對面筋蛋白流變學性質的保護效果最為顯著；另外，rAFPs主要是通過保護麥谷蛋白的黏彈性實現(xiàn)對面筋蛋白流變學性質的保護。

綜上所述，rAFPs均具有與其天然AFPs相似的抗凍特性，能夠有效地為冷凍面筋蛋白提供抗凍保護，因此利用異源表達系統(tǒng)生產(chǎn)rAFPs是一種較好的制備方法，能夠為AFPs的工業(yè)化生產(chǎn)和應用提供幫助。但關于不同rAFPs與冰晶的相互作用方式，以及rAFPs與面筋蛋白之間是否存在相互作用還鮮有報道，這都需要進一步的研究探索以更好地利用rAFPs改良冷凍面制品。

3 結論與展望

AFPs獨特的結構和功能特性，使其能夠在冷凍食品改良中發(fā)揮其他添加劑所不具備的多重作用。但天然AFPs在生物體內含量少且提取純化困難，這限制了AFPs的工業(yè)化生產(chǎn)與應用。因此，探尋合適的異源表達體系生產(chǎn)rAFPs將是推動AFPs研究及應用的重要途經(jīng)。面筋蛋白作為面制品的重要組成部分，其在冷凍及凍藏過程中的特性變化對于速凍面制品的品質至關重要，因此，下一步可利用異源表達體系生產(chǎn)更多具有較好抗凍活性的rAFPs，并研究AFPs對冷凍面筋蛋白的改良，以推進AFPs在冷凍食品中的應用及速凍面制品的改良。