冬小麦冰结构蛋白(WISPs)提升大豆分离蛋白(SPI)冻融稳定性的多尺度机制研究

针对冷冻食品中冰晶损伤导致大豆蛋白(SPI)功能劣变的问题，东北农业大学团队探究了寒地冬小麦源冰结构蛋白(WISPs)对SPI冻藏稳定性的影响。研究发现0.15% WISPs可抑制冰晶生长，维持SPI二级结构，降低凝胶粗糙度至5.20，显著提升持水性与流变特性，为植物源抗冻蛋白在SPI基冷冻食品中的应用提供理论支撑。

　　

冷冻食品的便捷性使其成为现代饮食的重要组成部分，但冰晶的形成与生长却是影响其品质的"隐形杀手"。当温度波动时，冰晶的机械作用会破坏蛋白质的三维网络结构，导致食品口感粗糙、持水性下降。大豆分离蛋白(SPI)虽具有优异的凝胶性能，但在-18°C的冷冻环境中，其β-伴大豆球蛋白(β-conglycinin)的β-折叠结构会发生23°的冷变性，经5次冻融循环后持水力下降12-18%。更棘手的是，冰晶重结晶过程会产生直径超过200 nm的蛋白质聚集体，严重影响SPI的乳化功能。传统解决方案多依赖鱼类或昆虫源抗冻蛋白，但存在成本高、提取难等局限。

东北农业大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向具有极强抗寒能力的寒地冬小麦。这种植物体内富含的冰结构蛋白(WISPs)具有多重亲水冰结合域，能通过曲面前沿机制抑制冰晶生长。研究人员创新性地将WISPs引入SPI冷冻体系，系统探究了其对蛋白结构稳定性的保护作用，相关成果发表在《Food Hydrocolloids》。

研究采用低温离心结合柱层析法从冬小麦中提取WISPs，通过紫外光谱、荧光光谱和圆二色谱分析蛋白构象变化，利用低场核磁共振(LF-NMR)测定水分迁移规律，并借助扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察微观形貌。实验设置0%、0.05%、0.10%、0.15%四个WISPs添加梯度，在-18°C下进行20天冻藏实验。

冰结构蛋白对SPI化学基团的影响
冻藏20天后，未添加组的总巯基含量从85.25 μmol/g骤降至65.73 μmol/g，而0.15% WISPs组仅下降9.8%。Zeta电位绝对值提升42%，表明WISPs通过增强表面电荷抑制了蛋白质聚集。红外光谱显示WISPs使SPI的α-螺旋含量增加11.2%，有效维持了二级结构稳定性。

水分分布与流变特性调控
LF-NMR检测发现WISPs将结合水弛豫时间T₂₁
缩短23%，自由水T₂₂
降低18%，证明其显著提升了凝胶持水力。流变学分析显示储能模量(G')提高35%，损耗角正切值(tanδ)下降0.12，表明WISPs赋予了凝胶更优异的弹性特征。

微观结构演变规律
SEM图像显示，空白组冻藏后出现明显孔洞结构，孔径达50-80 μm；而0.15% WISPs组维持了均匀致密的三维网络。AFM定量分析表明，WISPs使表面粗糙度(Ra)从8.99 nm降至5.20 nm，这与流变学结果相互印证。

该研究首次系统阐明了植物源WISPs通过"构象保护-冰晶抑制-网络强化"三重机制提升SPI冻藏稳定性的作用规律。特别值得注意的是，0.15%的添加量即可使凝胶性能达到最佳平衡，这为冷冻食品工业提供了极具应用价值的天然添加剂选择。相较于传统的高压均质(150 MPa)与海藻糖/精氨酸复合方案，WISPs方案具有原料易得、工艺简单、成本低廉等优势。未来研究可进一步探索WISPs在不同pH值、离子强度条件下的构效关系，以及其在植物基冷冻类似物中的协同增效作用。