《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Antifreeze peptides from animal by-products: A hierarchical framework from biodiversity to rational design
编辑推荐：
•从牲畜、家禽和水产副产品中提取的抗冻蛋白（AB-AFPs）。•区分三种AB-AFPs的功能，以实现特定应用的优化。•将四种不同的抗冻机制整合到一个互补的框架中。•定义了多级结构决定因素，以合理设计AB-AFPs。•提出了一种工程框架，以加速AB-AFPs的产业化应用。引言冷冻技
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从牲畜、家禽和水产副产品中提取的抗冻蛋白（AB-AFPs）。
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区分三种AB-AFPs的功能，以实现特定应用的优化。
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将四种不同的抗冻机制整合到一个互补的框架中。
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定义了多级结构决定因素，以合理设计AB-AFPs。
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提出了一种工程框架，以加速AB-AFPs的产业化应用。
引言
冷冻技术对于保持生物活性物质的结构和功能至关重要。在食品工业中，冷冻技术被广泛用于保存水果、蔬菜、肉类和海鲜，以保持其新鲜度和营养成分（Ikram等人，2025年）。除了食品系统外，冷冻技术还广泛应用于生物样本保存、医学和农业资源保护（Liu等人，2025年）。在冷冻过程中，冰核首先在过冷水中形成冰晶（Damodaran，2007年）。低温和快速冷冻速率有助于形成较小的冰晶。然而，商用冷冻柜的典型存储温度往往无法达到-20°C或玻璃化转变温度。此外，在加工和运输过程中，由于自动解冻循环和手动开关操作，温度波动经常发生，促使大冰晶的形成。这使得冷冻食品的质地变差成为常见现象；例如，解冻后的肉类和鱼类通常会表现出过多的滴水损失、烹饪损失和蛋白质氧化（Tian等人，2020年）。对于许多软水果，如樱桃、葡萄和蓝莓，冷冻过程中的组织损伤通常会导致显著的商业损失。此外，冰淇淋和其他冷冻甜点的流变特性和质地主要受冰晶大小分布的控制（Ghalamara等人，2022年）。
冷冻食品制造商面临的主要挑战是开发能够保持质地和感官特性的冷冻保护剂（Kong等人，2016年）。传统的冷冻保护剂——小分子糖类、多磷酸盐、大分子聚合物和化学物质如二甲基亚砜——都有其固有的缺点。糖类通过氢键抑制冰的形成，但只有在高浓度下才有效，并且会增加不必要的热量并改变风味。多磷酸盐在肉类和海鲜产品中普遍使用，但长期食用与钙吸收减少有关（Wagner，2024年）。大分子聚合物如瓜尔胶和羧甲基纤维素可能导致过高的粘度或局部聚集，而DMSO及相关物质需要超过8%的浓度才能降低冰点，并引发安全问题（Fu等人，2025年）。这些局限性凸显了需要兼具高抑制效力、工业可扩展性和清洁标签接受度的生物相容性抗冻剂（Xie等人，2023年）。
基于蛋白质的冷冻保护剂提供了一个替代方案。来自鱼类、昆虫、植物和微生物的天然抗冻蛋白表现出强大的冰重结晶抑制能力，但由于天然丰度低、提取成本高以及分子量大导致渗透性差，其实际应用受到限制。通过酶促水解丰富的低成本蛋白质底物，可以提供一种更可行的方法：短肽保留了其母蛋白质的冰结合功能，同时减少了空间阻碍并提高了物理化学稳定性（Jiang等人，2026年；Xu等人，2024年）。动物加工副产品——皮肤、骨骼、鳞片、壳和内脏是特别有吸引力的原料，因为它们富含蛋白质、供应持续且产量大。从这些来源提取的抗冻肽（AB-AFPs）显示出强大的冷冻保护性能，某些组分在1 mg/mL浓度下可减少约70%的冰晶生长（Du & Betti，2016b），并且它们的生产可以利用现有的明胶、胶原蛋白肽和乳清加工工业基础设施。
尽管取得了显著进展，AB-AFPs的研究仍然主要是经验性的，而非基于设计的。目前的工作流程依赖于对抗酶解产物的试错筛选，然后对分离出的活性序列进行回顾性分析——这种方法产生了许多候选物，但尚未产生预测性的设计原则（Chen等人，2024年）。这一限制源于三个相互关联的知识空白。首先，从序列特征到功能结果的映射仍然是定性的；关键决定因素如残基空间排列、构象动力学和两亲性模式经常被混淆或孤立对待（Chen等人，2021年；Xia等人，2024年）。其次，缺乏标准化的、与应用相关的性能指标，使得跨研究比较和工业应用的阈值设定变得复杂（Chen等人，2021年）。第三，该领域缺乏一个将机制洞察转化为可操作优化的综合工程工具包，导致有前景的技术分散且未得到充分利用。总的来说，这些空白表明，主要的障碍不再是候选序列的短缺，而是缺乏一个连贯的设计框架，该框架能够将来源选择、结构决定因素、机制解释和应用特定性能标准联系起来。最近的一些综述从特定角度讨论了抗冻肽——制备方法（Xia等人，2024年）、水产品应用（Fan等人，2024年）、不同来源的基于肽的冷冻保护剂（Chen等人，2024年）、更广泛的抗冻物质（Liu等人，2025年）以及关于AFP来源、制备、机制和应用的全面概述（Jin等人，2026年）。然而，没有一项研究系统地将动物副产品的生物多样性与层次结构-活性模型和面向产业的工程策略结合起来。为了解决这一空白，我们提出了一个综合框架，将来源选择、机制理解、结构设计和转化途径联系起来——推动AB-AFPs研究从经验性发现向理性、特定应用的发展。
章节片段
AB-AFPs的生物多样性：来源特性和工业潜力
本节从两个相互关联的维度比较了AB-AFP的来源：富含胶原蛋白的系统与非胶原蛋白系统，以及陆地与水生加工残留物。该框架强调了原料生物学如何塑造肽序列空间，从富含Gly-X-Y的胶原蛋白基序到带电或疏水的非胶原蛋白肽多样性（表1）。
AB-AFPs的功能多样性：相互依赖性和特定应用角色
在确定了来自不同副产品的两个主要肽家族后，我们接下来研究了AB-AFPs的功能多样性，重点关注热滞后性、冰重结晶抑制和冰形态调节。这些功能是相互关联的，并非完全独立，因为它们都源于肽-冰相互作用，但其在不同应用场景中的相对重要性各不相同。热滞后性与冰晶形态的调节密切相关
统一AB-AFPs的机制景观
过去四十年中，发展出了四种主要的机制模型来解释AB-AFPs的功能：吸附抑制、锚定笼合、水结构调节和Janus效应（图3）。本节将这些模型视为不同尺度上肽-水-冰相互作用的互补描述，而不是相互竞争的假设。吸附抑制提供了一个宏观的热力学框架，用于抑制冰的生长，而锚定
AB-AFPs的结构-活性关系：一种用于合理设计的层次模型
我们提出了一个层次模型，其中AB-AFPs的抗冻活性由三层结构决定因素控制：一级序列特征为冰结合提供了化学基础；二级结构建立了晶格匹配的空间框架；两亲性组织微调了界面吸附行为。这种层次结构使得具有特定应用冷冻保护性质的肽能够得到合理设计（图4）。
面向流程的AB-AFPs工程设计
本节将上述层次设计原则转化为一个从上游到下游的工程设计流程，指导AB-AFPs从发现到应用的开发。该流程包括三个相互连接的阶段：计算筛选以识别有前景的候选物，可扩展的纯化以回收活性组分，以及有针对性的修饰以优化特定食品应用的肽性质（图5）。这一框架解决了关键转化问题
结论
本综述系统地整合了当前关于AB-AFPs的研究进展，突出了关键见解。吸附抑制模型、锚定包含假说、水结构调节机制和Janus效应共同解释了冷冻保护活性的多样性。AB-AFPs的结构-活性关系表现出明显的层次组织：一级结构（尤其是Gly-Pro-Ala富集和重复序列）构成了基础；二级结构
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
CRediT作者贡献声明
Jiaqi Yu：调查、数据管理、撰写原始草案。Yiping Yang：可视化。Yan Zhang：撰写 - 审稿与编辑、可视化。Dongyuan Chang：撰写 - 审稿与编辑、可视化。Sam K. C. Chang：撰写 - 审稿与编辑。Zhiying Wang：撰写 - 审稿与编辑。Hui Hong：撰写 - 审稿与编辑。Yongkang Luo：撰写 - 审稿与编辑。Yuqing Tan：概念化、资金获取、正式分析、项目管理、撰写 - 审稿与编辑。
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致谢
本工作得到了北京现代农业产业技术体系渔业创新团队（鲟鱼和鲑鱼加工）（BAIC07-2026-13）的支持。
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