抗冻蛋白的研究现状及其应用

陈闯，姚骏，王麒琳，张弘（天津市食品研究所有限公司，天津301609）

抗冻蛋白的研究现状及其应用

陈闯，姚骏，王麒琳，张弘
（天津市食品研究所有限公司，天津301609）

从抗冻蛋白的来源、研究历程进行阐述，并对抗冻蛋白的作用机理、应用领域进行综述，以期为抗冻蛋白的工业化开发应用提供参考。

抗冻蛋白；原理；应用

抗冻蛋白（AFPs）是一类具有提高生物抗冻能力的蛋白质类化合物的总称。自二十世纪发现以来，研究范围先后从鱼类，昆虫，转移到植物材料上来[1]。

抗冻蛋白吸附在冰晶表面，通过EAFC3效应抑制其生长。机制的模型为：一般晶体的生长垂直于晶体的表面，假如杂质分子吸附于冰生长通途的表面，那么需要在外加一推动力（冰点下降），促使冰在杂质间生长。由于曲率增大，使边缘的表面积也增加。因表面张力的影响，增加表面积将使体系的平衡状态发生改变，从而冰点降低[2]。本文从抗冻蛋白的研究历程、抗冻原理及其应用作一综述，为抗冻蛋白的工业化应用提供参考。

1　抗冻蛋白的来源及研究历程

1.1来源

从20世纪70年代科学家首次从极地鱼体的血液中提取出抗冻蛋白以来，经过几十年的研究发展，人们相继从动物、植物、微生物中都发现了具有同样功能的蛋白质。它们都具有一定的抗冻活性，但在组成和结构上却各不相同，在基因序列上也没有同源性，因而造就抗冻蛋白的多样性和复杂性[3]。

从微生物中分离提纯抗冻蛋白的研究相对较少。目前已知的从大肠杆菌中分理出的抗冻蛋白分子量大约为7.4 Ku[4]，含大量的亲水基团；从莫拉氏菌株中分离出的抗冻蛋白是是第一次有报道的抗冻脂蛋白；另外，有研究者还在北美地区的一种根瘤菌中发现了一种抗冻蛋白。真菌中抗冻蛋白的研究相对来说非常少，有报道称在香菇和牡蛎菇中存在着抗冻蛋白[5]。

相对于鱼类、微生物，植物中抗冻蛋白的研究相对较晚一些，但是植物性抗冻蛋白在应用中更容易为人们所接受。植源性的抗冻蛋白原料主要分布于南北回归线以外高纬度地区以及高山高寒高海拔的地区，常见的有高山雪莲、黑麦草、内蒙古生沙冬青等，这些原料存在成本过高或稳定性差等不足。

近年来相继在昆虫、植物（如冬黑麦、沙冬青、唐古特红景天叶等）体内也发现有类似功能的抗冻蛋白。至今鱼类的AFP基因的转化植物已获成功；与植物中类似AFP基因在微生物体内克隆也获得成功。推测植物抗冻分子生物学和培植农业上抗冻新品种的前景必定是光明的。现已发现5种，包括抗冻糖蛋白、抗冻蛋白Ⅰ、抗冻蛋白Ⅱ、抗冻蛋白Ⅲ、抗冻蛋白Ⅳ[6]。

1.2研究历程

20世纪50年代加拿大科学家Scholander第一次在北极鱼体中发现抗冻物质的存在。20世纪60年代末，生物学家Arthur DeVries从南极鱼类体内首次分离抗冻蛋白。1977年Raymond和DeVries提出关于抗冻蛋白抗冻机制著名的吸附抑制模型。1992年Griffith等在冬黑麦（winterrye）的叶子中发现了AFP[7]。2002年Bindslev等研究了抗冻蛋白的过敏性，断定AFP不会引起过敏反应，是一种安全的食品添加剂，可以放心使用。2004年，Unilever将分离自鱼类并且在酵母中大规模复制的APF应用于Breyers品牌的轻双搅雪糕中，取得良好的效果，并获得FDA认可。2006年我国首次在食品安全国家标准GB 2760-2014《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》上公布抗冻蛋白可以以新的食品添加剂添加到冷冻食品中。

2　抗冻蛋白的作用学说[8]

2.1吸附抑制学说

吸附抑制学说最早在1977年由Raymond和Devries提出，认为抗冻蛋白吸附在冰晶表面通过Kelin效应抑制其生长。吸附抑制学说认为大多时候抗冻蛋白浓度越高抗冻效果越好，抗冻蛋白的抑制重结晶作用对保护大体积细胞有利，但其实抗冻蛋白对小体积细胞也能起到保护作用。但此学说忽略了抗冻蛋白与细胞膜相互作用、抗冻蛋白之间、抗冻蛋白和冰晶复合体之间的团聚作用等。

2.2“偶极子—偶极子”学说

该假说在1988年由Yang等提出，认为AFPs具有显著平行于其螺旋轴亲水基团和疏水基团的偶极子。

2.3氢原子结合模型

AFP分子一侧是相对疏水，另一侧是相对亲水，二维阵列显示是亲水一侧与冰相结合，而疏水一侧与水相作用。氢原子结合模型认为AFPs结构中的氢原子与冰晶上的氧原子匹配并结合，具有很高的冰结合专一性，而其自身的氨基酸组成和螺旋结构有利于提高结合的稳定性。

2.4刚体能量学说

把AFP视为小粒子，根据表面能最小原理以及“AFP—冰”与“AFP—水”界面之间的表面能差异，AFP能强烈吸附在冰晶表面上。即使分子与冰水无优先结合，当抗冻分子存在时，由于冰-水表面积缩减，AFP也能强烈吸附冰晶。另外，AFP必须与冰晶相匹配，否则就会使水分子扩散至界面，随着冰晶的增长同时使蛋白向前推进。水分子在粒子后扩散，推进粒子向前，在溶液中形成冰晶体。通过这种方式，即使超过过冷却温度1℃或更小，也会产生很大的压力。

2.5冰核抑制学说

冰核是形成冰晶的基础，没有冰核的存在，冰晶就不可能生长。冰核抑制学说是近年来对抗冻蛋白作用机制的一种新的见解和补充。2003年Ning Du等通过试验具体阐述了这种作用机制，首次发现抗冻蛋白可以通过吸附在灰尘和冰核的表面，减少它们之间的联合来抑制新的冰核形成。

3　抗冻蛋白的应用

冷食业在食品工业中所占的份额越来越大，低温冷链中众多食品发生结晶和重结晶现象对细胞组织结构发生破坏作用，造成细胞内汁液流失。水的结晶导致溶液局部浓缩现象又促使细胞内组分的性质发生改变，发生蛋白质变性、淀粉回生等现象，这些现象最终使产品品质受到严重破坏。作为一类新型的食品添加剂，抗冻蛋白可以有效减少冷冻贮藏的食品中冰晶的形成和重结晶，从而提高低温冷链系列食品的质量。

3.1在食品领域的应用

3.1.1在冷冻乳制品中的应用

评价冰淇淋质量高低的一个重要的指标是其中的冰晶体越细小越好。如果在冷藏、运输、销售任何一个冷链环节出现较高的温度就会发生重结晶现象，生成较大的晶体，从而影响冰淇淋的口感．添加抗冻蛋白可以有效防止冷冻贮藏的食品中冰晶的形成。Wang等将冰淇淋经过cold-heat-stage处理后，用显微镜观察冰晶生长情况，结果发现加有抗冻蛋白的冰淇淋样品冰晶细小且均匀，而未加抗冻蛋白的冰淇淋样品冰晶大且不均匀。

3.1.2在冷却/冷冻肉中的应用

肉制品的冷冻、冷藏中，加入AFPs可以有效减少渗水和抑制冰晶的形成，保持原来的组织结构，减少营养流失．据报道，将AFPG于屠宰前注入羔羊体内，宰后肉体经真空包装，在-20℃冻藏2周～16周，然后解冻，观察肉的冷冻质量。结果发现，无论在屠宰前1 h 或24 h注射AFPG，都可有效降低冰晶体的体积和液滴的数量。AFPG注射浓度达到0.01 mg/kg时，特别是在宰前24 h注射，可以获得最小的冰晶体。

抗冻蛋白也可进行人工合成，因其具有潜在的商业价值，美国已通过遗传路线开发出了这种产品。在食品中的应用还包括保护柑桔果实免受冷冻损伤，保护烘焙品（特别是面包烘焙用酵母，需经历冷冻—解冻循环和贮存）及啤酒酵母等，抗冻蛋白在冷冻食品领域的应用被认为几乎是无限的。

3.1.3在冷冻面团技术中的应用

冷冻面团技术是一种烘焙食品加工新技术，一方面由工厂进行面团搅拌、切块、成型、冷冻，另一方面由烘焙房、超市、快餐店在需要时进行解冻、醒发和烤制。然而，冷冻面团经过长时间冻藏，面团的品质会下降，如醒发时间延长，面包比容减小等。Zhang等研究了抗冻蛋白对冷冻面团质地特性的影响，结果发现，添加抗冻蛋白的试验组冷冻面团的硬度比对照组更加柔软和稳定，这主要是因为较低的结冰水含量。食品在低温贮藏、运输等过程中，抗冻蛋白能有效地抑制冰晶的形成和重结晶化，而使食品保持质地的柔软性，并能减少滴液防止营养成分的损失。目前，由于抗冻蛋白的售价很高，仅适宜于研究和专门的应用，因此，如何不断地降低抗冻蛋白的成本，是实现其在食品工业中广泛应用的关键。

3.2在农业领域的应用

抗冻蛋白对防止农作物被低温破坏有明显的效果，通过抗冻蛋白的转基因作物的种植，可以改进农作物的产量和质量，延长作物的生长季节和栽种范围，同时也会改善作物在收获后的储藏加工特性。

3.3在医学领域的应用

AFP可用于人和动物的卵、精子、胚胎或肝脏等器官的超低温保存，改善其冷冻质量。王君晖和黄纯农对抗冻蛋白在细胞的低温和超低温保存中的作用进行了研究，得出一些有益的结论：在某些情况下，抗冻蛋白可能不利于某些样品的低温和超低温保存，其中机制尚需继续探讨。

3.4在工业领域的应用

AFP在工业上可作为一种高级防冻剂而得已应用，例如AFP溶液可以用于高速公路的防冻养护等。

综上所述，抗冻蛋白具有极其广阔的应用前景，今后应加强抗冻蛋白的应用研究，应以抗冻蛋白的化学合成和基因工程为突破口，实现抗冻蛋白的规模化生产，将抗冻蛋白应用到各个领域中去。

[1]张晖.抗冻蛋白在食品中应用研究进展及安全性分析[J].食品与生物技术学报,2012,31(5):455-457

[2]汪少芸,李晓坤,周焱富,等.抗冻蛋白的作用机制及基因工程研究进展[J].北京工商大学学报,2012,30(2):58-63

[3]黄福贞,韩花翠,曾晓林.植物抗冻蛋白及其应用[J].生物学教学, 2000,25(12):35-36

[4]张党权,刘兵,范云,等.胡萝卜抗冻蛋白在大肠杆菌中的高效表达[J].中山大学学报(自然科学版),2003,42(3):53-56

[5]樊绍刚,张党权,邓顺阳,等.抗冻蛋白和冰核蛋白对植物抗冻性能的作用机制[J].经济林研究,2009,27(2):125-130

[6]李芳,王博,艾秀莲.抗冻蛋白研究进展[J].新疆农业科学,2003,40 (6):349-352

[7]彭筱娜,易自力,蒋建雄.植物抗寒性研究进展[J].生物技术通报, 2000(4):15-18

[8] 彭淑红,姚鹏程,徐宁迎.抗冻蛋白的特性和作用机制[J].2003,34 (3):238-240

The Research Status and Applications of Antifreeze Proteins

CHEN Chuang，YAO Jun，WANG Qi-lin，ZHANG Hong
（Tianjin Food Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 301609，China）

From the source of the antifreeze proteins，elaborates the research process，and the mechanism of antifreeze proteins，the applications were reviewed，in order to provide references for the developmentofindustrialization and application ofantifreeze proteins.

antifreeze proteins；the principle；application

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.046

天津市科技计划项目（14ZCZDTC00021）

陈闯（1988—），男（汉），助理工程师，本科，研究方向：化学工程与工艺。

2016-05-04