抗冻多糖作为冷冻肉和海产品的天然冷冻保护剂：机制、评价方法及未来展望

《International Journal of Biological Macromolecules》：Antifreeze polysaccharides as natural cryoprotectants for frozen meat and seafood products: Mechanisms, evaluation methods, and future prospects

　　

摘要

冷冻技术被广泛用于肉类和海鲜产品的保存，但冷冻储存和解冻过程中的冰晶重结晶会破坏肌肉超微结构，使肌原纤维蛋白变性，并导致汁液流失增加。传统碳水化合物类冷冻保护剂，如蔗糖、山梨醇和海藻糖，通过调节水分活度、玻璃化转变行为和氢键网络来稳定肌原纤维蛋白。天然多糖作为一种有前景的替代方案，能够提供冷冻保护，同时具有比传统碳水化合物类冷冻保护剂更低的甜度和更低的卡路里贡献。本综述综述了将这些多糖作为冷冻保护剂应用于肉糜基料和完整肌肉组织的最新进展，并阐述了四个相互关联的机制：(1) 多糖羟基与肌原纤维蛋白的极性侧链形成氢键，在空间上限制由冻融循环引起的蛋白展开和二硫键介导的聚集。(2) 多糖与水之间广泛的氢键作用破坏了水分子氢键的四面体网络，减少了可冻结水的比例，并提高了冰核形成的能量势垒。(3) 多糖片段吸附在冰晶表面，引入局部曲率，通过吉布斯-汤姆逊效应抑制晶体生长。(4) 具有适当亲水-疏水平衡的长链高分子量多糖链限制了界面水的迁移，从而抑制重结晶。抗冻多糖的功效取决于其分子量、链刚性、支化程度、亲水-疏水平衡和聚集状态。本综述对比了当前的评估方法，包括直接和间接冰晶可视化、分子动力学模拟、热滞分析和氢键光谱探测。最后讨论了结构-活性关系、多糖-蛋白共网络结构以及适用于复杂食品基料的模拟工具等方面未解决的问题。

引言

冷冻技术被广泛用于肉类和海鲜产品的保存，以延长保质期并保证安全。然而，冷冻产品的质量在很大程度上取决于冰晶形态，而冰晶形态在冷冻、冷冻储存和解冻过程中会动态演变[1]。这些过程涉及冰晶重结晶，即小冰晶转化为大冰晶，从而破坏肌肉结构[2]，[3]。冰晶重结晶破坏了肌肉组织的完整性[4]，导致细胞破裂和蛋白变性，并增加解冻损失，从而降低产品质量和风味[5]，[6]，[7]，[8]。因此，开发能够减小冰晶尺寸、抑制冷冻储存和解冻过程中重结晶、并限制肉类产品品质恶化的冷冻保护剂仍然是重要的研究课题。

低分子量碳水化合物和多糖作为冷冻保护剂已被广泛研究，但它们的作用机制有着根本性的差异（图1）。如图1所示，多糖通过多种机制减轻冻融对肉类和海鲜产品质量的损害。这些机制包括与肌原纤维蛋白形成氢键、调节水的流动性，以及抑制冰核形成和重结晶。这与低分子量碳水化合物通过水分活度和玻璃化转变提供的保护不同。传统冷冻保护剂，特别是蔗糖、海藻糖和山梨醇，在冷冻过程中主要通过调节水分活度、提高玻璃化转变温度和强化氢键网络来稳定肌原纤维蛋白[9]。然而，实现有效冷冻保护所需的高添加量（通常为4-8% w/w）会赋予过高的甜度，掩盖肉类固有风味，并引发对卡路里摄入的担忧——这些局限性限制了消费者的接受度[10]。从微生物、极地鱼类、昆虫和植物中分离的抗冻蛋白已显示出冷冻保护活性，但其高昂的生产成本和有限的可获得性限制了大规模应用[11]。

消费者对清洁标签和减糖食品日益增长的需求，促使人们积极研究天然多糖作为低卡路里、低甜度冷冻保护剂的替代品[12]。抗冻多糖是天然化合物，通过调节冰核形成、抑制冰晶生长以及通过与水相和肌原纤维蛋白之间的物理化学相互作用来稳定蛋白质，从而保护冷冻食品。许多天然多糖可从农业和食品加工副产品中提取，具有来源广泛和成本低廉等固有优势，显示出在冷冻肉类产品中应用的潜力[13]。与这些优势一致，研究表明一些天然多糖通过降低成核温度或与肌原纤维蛋白结合来抑制冰晶重结晶[14]。这些相互作用限制了水分子，降低了水的流动性，并限制了冷冻储存过程中的冰晶生长[15]。银耳多糖、角叉菜胶、罗望子种子多糖、纳米纤维素、半纤维素和果胶（取决于其分子结构、聚集状态、浓度和基料组成）均显示出冰晶重结晶抑制活性[1]。

尽管实证基础不断扩大，但该领域缺乏综合性的理论框架。单项研究通常只报告某一多糖-基料组合的冷冻保护效果。这种碎片化导致文献仅罗列单项发现而缺乏系统综合，从而限制了基础理解和理性配方设计。需要一个统一的 conceptual 模型，以层级方式将多糖结构描述符与不同的冷冻保护机制联系起来。在该模型中，分子量、支化程度、链持续长度、亲水-疏水平衡和带电基团密度分别对应蛋白质稳定、成核抑制、晶体生长抑制和重结晶控制。这样的框架将把当前的试错模式转变为基于结构的预测性设计策略。

结构表征、分子模拟和界面光谱方面的最新进展开始阐明抗冻多糖保护冷冻肉类和海鲜产品的机制基础。这些多糖通过稳定蛋白质、抑制冰核形成、抑制冰晶生长和防止冰晶重结晶来发挥作用，且不需要可测量的热滞或冰晶重结晶抑制活性。提出的机制包括：参与冰晶结构构建、不可逆地结合到冰晶生长界面从而限制水分子扩散、与水分子相互作用破坏四面体水排列并抑制冰核形成和生长、与肌原纤维蛋白结合降低水的流动性，以及长分子链产生的空间位阻限制水的迁移。尽管取得了这些进展，仍有若干问题需要进一步系统分析。这些问题包括：确定哪些抗冻多糖能够保护细胞完整性并改善肉类产品的冻融稳定性和冷冻储存稳定性；确定决定抗冻活性的结构特征；以及阐明这些结构如何调控蛋白质相互作用、冰核形成和冰晶生长。用于检验和验证这些机制的方法也需要进一步明确。本综述针对这些问题进行了探讨，总结了开发新型抗冻多糖面临的技术和理论挑战，并为设计有效的用于肉类冷冻应用的抗冻多糖提供了依据。

系统在主要科学数据库中进行了文献检索，包括Web of Science、Scopus、PubMed和Google Scholar，涵盖截至2026年的出版物。使用了关键词和布尔运算符，如（"antifreeze polysaccharide*" OR "cryoprotective polysaccharide*" OR "ice recrystallization inhibition" OR "thermal hysteresis"）AND（"frozen meat" OR seafood OR fish OR shrimp OR surimi OR "myofibrillar protein"）AND（cryoprotect* OR "freeze–thaw" OR "ice crystal*" OR nucleation），来检索相关文章。此外，还进行了针对水结构和氢键背景文献的专门检索，并手动筛选了检索到的文章的参考文献列表，以确保全面覆盖。仅纳入英文发表的同行评审原创研究和综述。

各节摘录

抗冻多糖的冷冻保护效果

冷冻、冷冻储存和解冻构成肉类产品冷冻保存连续体的三个关键阶段。在这些阶段，冰晶的形成和生长——特别是当冰晶较大或分布不均时——会破坏细胞超微结构，诱导肌原纤维蛋白变性，促进汁液流失，并造成不可逆的质构劣化[12]，[16]。多糖因其安全性、可获得性和

多糖-蛋白质相互作用

为了推进预测性理解，我们提出了一种层级结构-功能框架，在三个相互关联的组织层级——分子级（第1级）、介观级（第2级）和宏观级（第3级）——上组织多糖的冷冻保护机制。在第1级（分子尺度，0.1-10 nm），初级结构描述符，即分子量（Mw）、支化程度（DB）、持续长度（lp）和电荷密度，决定了多糖-水相互作用的性质和强度

评估冷冻保护特性的方法

由于冰晶尺寸、形态和分布直接反映冷冻损伤，多糖的冷冻保护能力通常通过观察冰晶来评估。根据是否直接观察冰晶，观察方法可分为直接法和间接法。然而，仅观察冰晶无法解析分子相互作用。为阐明抗冻机制，许多研究使用了分子动力学模拟和光谱技术

挑战与未来展望

阐明决定多糖冷冻保护性能的定量结构-活性关系（SAR）仍然是核心研究优先事项。近期研究为亲水和疏水架构、链拓扑结构以及线性和支化结构的作用提供了见解。然而，这些结构特征如何在复杂的肉类体系中转化为冷冻保护功能，仍理解不足。因此，仍有若干问题悬而未决，即

结论

冷冻过程中的冰晶形成以及储存和温度波动期间的重结晶是肉类和海鲜品质损失的主要原因。然而，传统冷冻保护剂高糖高热量，与健康食品的趋势相悖。本综述概述了抗冻多糖如何保持冷冻肉类和海鲜的质量。它强调了三个关键贡献：(1) 结构-功能框架；(2) 鱼糜与

CRediT作者贡献声明

马友川：写作-审阅与编辑，写作-初稿，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念构思。葛英亮：监督。易建永：监督。王东学：监督。胡亚琴：写作-审阅与编辑。

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作者本人构思、设计并最终确定了所有图表。外部工具仅用于支持视觉起草和语言润色。ChatGPT用于文本编辑、语法改进、句子润色和草稿组织。没有使用外部工具生成原始数据、执行分析或得出科学结论。所有科学内容、解释和最终呈现均由作者开发、验证和批准，作者承担全部

未引用参考文献[71]

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所载工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号32603375）和海南热带海洋学院科研基金（编号RHDRCZK202624）的支持。感谢Home for Researchers编辑团队（www.home-for-researchers.com）提供的语言编辑服务。我们感谢颜佳和张衡义在修改过程中提供的贡献。

马友川|葛英亮|易建永|王东学|胡亚琴