《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Revisiting Structure-Activity Relationships of Food-Derived Antifreeze Peptides from an Interfacial Water Perspective
编辑推荐：
•食品来源抗冻肽（FDAPs）作为冰-水界面的动态调节因子。•弱抗冻活性（TH）但强冰晶重结晶抑制活性（IRI）定义了FDAPs的功能特征。•界面水的调节作用解释了FDAPs的冷冻保护机制。•肽的结构-活性关系主导冰的调节行为。•FDAPs可赋能食品与生物保鲜领域的可持续应用
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食品来源抗冻肽（FDAPs）作为冰-水界面的动态调节因子。
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弱抗冻活性（TH）但强冰晶重结晶抑制活性（IRI）定义了FDAPs的功能特征。
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界面水的调节作用解释了FDAPs的冷冻保护机制。
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肽的结构-活性关系主导冰的调节行为。
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FDAPs可赋能食品与生物保鲜领域的可持续应用。
引言
冷冻储存被广泛应用于食品保鲜。然而，冷冻储存过程中的冰核化、晶体生长和重结晶仍然是维持冷冻食品质量与稳定性的主要障碍。不受控制的冰晶生长，以及冻结和储存过程中水分的迁移与再分布，会破坏细胞结构，加速蛋白质变性与功能劣化，最终损害食品质构和整体品质（Matsumoto, 1980）。天然抗冻蛋白（AFPs）被广泛认为是理解生物体冰调节机制的经典模型。根据吸附-抑制模型，AFPs通过与冰晶表面特异性结合来抑制冰晶的进一步生长，且其冰结合亲和力与抗冻活性（TH）密切相关（Raymond & DeVries, 1977）。然而，该模型无法完全解释FDAPs的冷冻保护机制。与AFPs不同，FDAPs通常具有较小的分子量、更高的构象灵活性以及更多样的序列组成。许多FDAPs表现出较弱的抗冻活性，但仍保留较强的冰晶重结晶抑制活性。这一差异表明，仅靠直接冰结合可能无法完全解释其冷冻保护行为。FDAPs已被从广泛的生物来源中鉴定出来，包括水生生物、动物组织、植物和微生物（表1；图1）。这种显著的多样性为阐明不同肽架构如何贡献于冷冻保护功能提供了宝贵基础。为了对表1中总结的研究进行更高层次的综合，现有证据进一步按照主要的冷冻保护场景进行了分层，包括冷冻水产品保鲜、微生物冷冻保护、冷冻面团与面筋体系、细胞冷冻保存以及冷冻甜点体系（表2）。在这些场景中，当前研究采用了截然不同的评价指标，从抗冻活性、冰晶重结晶抑制和冰晶特征，到水分分布、蛋白质稳定性、细胞活力和功能恢复等。因此，表2总结了各场景中代表性的FDAPs体系、关键评价指标、现有证据基础以及主要证据缺口，并不暗示应用领域之间的直接排名。尽管近期已有几篇综述全面总结了FDAPs的来源、生产策略、功能评价和应用，但现有研究主要聚焦于传统的抗冻性能、冰结合行为及实际应用。相比之下，目前仍缺乏一个系统的机制框架来解释肽的结构特征如何通过水介导的相互作用调节冰-水界面行为（X. Chen, Wu, Cai, & Wang, 2021; Jin et al., 2026）。值得注意的是，一些FDAPs尽管表现出有限的冰结合亲和力或可忽略不计的抗冻活性，却展现出强大的冰晶重结晶抑制作用。抗冻活性有限与冰调节能力强大之间这种明显的分离现象，无法被经典的吸附-抑制模型完全解释。相反，这提示FDAPs可能通过超越直接吸附于冰表面的替代界面机制来调节冰的生长。
冰界面科学的进展凸显了冰-水界面动态分子环境的关键作用，尤其是准液态层（QLL）及其底层的氢键网络（Davies, 2014）。FDAPs对冰行为的调节可能不仅仅依赖于与冰晶的直接相互作用。相反，这些肽可能还在调节界面水分子的组织结构。肽的序列特征、构象灵活性和水合特性可能影响界面处的分子重排和冰晶的动态行为。这一新兴视角为理解超越经典冰结合范式的FDAPs功能提供了潜在框架。因此，阐明FDAPs的结构-活性关系需要对分子特征、界面行为及最终冷冻保护性能之间的联系进行整合分析。本综述从界面水调节的角度建立了FDAPs的机制框架。我们首先重新审视了经典冰结合范式在解释许多FDAPs特有的弱抗冻活性却强冰晶重结晶抑制现象方面的局限性。随后，我们检验了冰-水界面处水分子的动态组织可能有助于FDAPs介导的冷冻保护的假说。接着，我们系统地考察了序列组成、两亲性分布、构象特征和分子修饰如何塑造FDAPs的界面行为及水合调节能力。该分析评估了分子架构、界面行为与抗冻功能之间潜在的关联。我们进一步讨论了受界面水调节启发的机制引导设计策略，包括理性分子工程、计算建模以及人工智能辅助肽发现。最后，我们突出了阐明FDAPs机制中仍面临的重大挑战，并概述了未来整合先进界面表征、多尺度模拟和可扩展开发以加速下一代功能性抗冻肽设计的机遇。
章节摘要
食品来源抗冻肽的分子机制：冰结合与界面水调节的新兴作用
FDAPs的冷冻保护功能无法由单一的分子机制完全解释。与主要依赖依渗性效应（colligative effects）的传统冷冻保护剂不同，FDAPs通过与冰晶、界面水及生物大分子的相互作用展现出非依渗性调节特性。尽管早期研究主要将FDAPs的活性归因于直接冰结合及相关抗冻活性和冰晶重结晶抑制效应，但频繁观察到的弱抗冻-强冰晶重结晶抑制现象提示
食品来源抗冻肽的结构-活性关系：从分子特征到界面水调节
FDAPs的冷冻保护活性并非由单一结构特征决定。相反，它源于多种分子特性的协同作用，包括氨基酸组成、序列排列、肽链长度、构象灵活性和两亲性分布。这些性质共同塑造了肽的水合和构象特征，并可能影响肽在冰-水界面上的行为，包括界面结合以及与
机制引导的食品来源抗冻肽工程策略
界面水调节的概念为理解FDAPs的抗冻机制提供了新框架。它也推动了FDAPs研究从经验性发现向机制驱动设计的转变。如上所述，FDAPs的冷冻保护活性并非仅由直接冰结合决定。相反，更可能由分子架构、界面行为以及界面水动态调节之间的协同作用所决定。
当前挑战与未来展望
近年来，FDAPs因其卓越的冰调节能力、良好的生物相容性和天然来源而日益受到关注。这些优势促进了其在冷冻食品保鲜、益生菌保护和细胞及生物材料冷冻保存等潜在应用中的发展。然而，目前对FDAPs的研究仍主要集中于功能验证而非实际应用。从实验室规模的转变
未引用参考文献
Jiang et al., 2025; Jiang et al., 2025; Jiang et al., 2025; Liu et al., 2019; Wang et al., 2024; Wang et al., 2026; Zhang et al., 2025.
作者声明
Hao Song：概念化、可视化、原创草稿撰写。Wenzhu Zhao：概念化、可视化。Wei Yang：调查研究。Zhipeng Yu：概念化、监督、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到海南省科技专项基金（ZDYF2025XDNY077, ZDYF2024XDNY204）支持。
Hao Song|Wenzhu Zhao|Wei Yang|Zhipeng Yu
