植物冰结构蛋白及其在食品中的应用研究进展

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农产品加工（学刊）
２０１４ 年第 １０ 期
受破坏。
６ 结语
尽管已经认识到冰结构蛋白潜在的应用价值， 但是如何能更好地实现其产业化，更好地应用其价 值，仍是急需研究解决的问题。与之关联的是 ＩＳＰｓ 的商业利用和研究就集中到植物来源及其分离上， 以及如何拓展其来源得到食品源的、价格低廉的植 物 ＩＳＰｓ。相信随着研究的不断深入，植物冰结构蛋 白必将广泛、便捷地应用于食品行业中。
农产品加工（学刊）
第 １０ 期 （总第 ３６８ 期） ２０１４ 年 １０ 月
农产品加工 （学刊） Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌ ｏｆ Ｆａｒｍ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
文章编号：１６７１－９６４６ （２０１４） １０ｂ－００７２－０３
２０１４ 年第 １０ 期
Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．
[2] Davies P L，Baardsnes J，Kuiper M J，et al. Structure and function of antifreeze proteins [ J] . Philosophical Trans ac－ tions of the Royal Society B： Biological Sciences， 2002， 357 （1 423）：927-935.
点而对其熔点影响很小，从而使冰点低于熔点，其 熔点与冰点的差异称为热滞活性 （Ｔｈｅｒｍａｌ ｈｙｔｅｒｓｉｓ ａｃｔｉｖｉｔｙ，ＴＨＡ），热滞活性越大、抗冻活性越强［３］。冰 结构蛋白可以影响结冰过程，而不影响熔化过程， 即冰点低于熔点［１０］。其抗冻特性不同于简单的盐类， 影响热滞活性的因素主要有 ＩＳＰｓ 浓度、一些小分子 量溶质和肽链长度。ＩＳＰｓ 浓度越大，热滞活性越强； 小分子量的溶质更能阻止冰核形成，可显著提高热 滞活性；高分子肽的热滞活性要强于低分子肽。 ２．２ 修饰冰晶形态
冰结构蛋白 （Ｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ，ＩＳＰ），又称 为抗冻蛋白、不冻蛋白 （Ａｎｔｉｆｒｅｅｚｅ ｐｒｏｔｅｉｎ，ＡＦＰ）， 或热滞蛋白 （Ｔｈｅｒｍａｌ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｐｒｏｔｅｉｎ，ＴＨＰ） ［１］，近 年来国内外趋向统称为冰结构蛋白，是一类生物体 为抵御外界寒冷环境刺激而产生的多肽，是一种应 激性反应。冰结构蛋白具有一定的热滞活性，能够 控制冰晶生长的方向和体积、修饰冰晶形态，并抑 制冰晶重结晶的产生［２］。在严寒环境中，有机体通常 会遭遇冰冻的威胁，其体内产生的冰晶会在细胞内 外产生较大冰晶而损伤细胞，直至导致细胞破裂和 死亡。冰结构蛋白是有机体经低温诱导后产生的抗 逆蛋白，是在进化过程中抵御冻害的重要生存策略 之一。自 ２０ 世纪 ６０ 年代，ＩＳＰｓ 先后在南极的冷水 鱼类、昆虫、细菌、真菌和植物［３］中被依次发现，其 中植物 ＩＳＰｓ 的发现最晚，直到 ２０ 世纪 ９０ 年代初期 才开始研究植物中的 ＩＳＰｓ［４］。
ＩＳＰｓ 对冰晶生长的抑制及冰晶形态的修饰主要 通过控制冰晶的生长方向来实现。在纯水中，冰大 多以平行于晶格基面 （a 轴） 的方向生长，冰晶晶格 呈扁圆状。而在加入 ＩＳＰｓ 的溶液中，冰的这种生长 习惯发生了变化，冰核逐渐沿 c 轴方向以针形、纤 维状生长，最终形成了对称的双六面体金字塔形冰 晶，而不再是能对细胞和组织产生较大伤害的树枝 状冰晶，形成的晶粒体积小、数量多、分布均匀。 ２．３ 抑制冰晶重结晶的形成
重结晶是指冰晶在已形成的晶体颗粒之间进行 生长重分配。小的冰晶相互结合，而大的冰晶继续 长大，最终冰晶颗粒增大，连为一体。当温度波动 时，重结晶会造成生物的致命伤害。在范德华力、 疏水相互作用和氢键的作用下［２］，冰结构蛋白吸附到 液体中的冰核表面，抑制冰核生长并降低冰点［１１］，保 护有机体免受结冰引起的伤害。一般 ＩＳＰｓ 抑制冰晶 重结晶的作用在低浓度下就可以发挥作用。
虽然很多植物 ＩＳＰｓ 在 ＤＮＡ 和氨基酸水平上完全 不同，几乎没有同源性，但却拥有相似的高级结构， 冰晶结合位点也有一定的相似性，可以通过“表面 互补”模型较好地解释它们与冰晶之间的相互作 用［１５］。该模型也存在很多问题，但对于范德华力和疏 水作用起主要作用、氢键起辅助作用这一点似乎都 认同。
在许多多年生越冬植物的种子、茎、叶片、花、 果实和根中均含有冰结构蛋白。植物冰结构蛋白的 热滞活性比较低，但是却具有很强的抑制冰重结晶 的作用。冰结构蛋白的积累发生在耐寒植物的低温 驯化过程中。由于冰结构蛋白主要被释放到原生质
收稿日期：２０１４－０９－１６ 作者简介：董正婷 （１９８９— ），女，硕士，研究方向为新型植物蛋白及食品添加剂。 ＊ 通讯作者：曲 敏 （１９６６— ），女，博士，教授，研究方向为苜蓿品质改良及有效成分的提取。
在植物中发现的 ＩＳＰｓ 结构各异，并且几乎不存 在相似性序列，也没有共同的演化规律［１４］，因而不同 的 ＩＳＰｓ 的抗冻机理也不尽相同。迄今，有关植物 ＩＳＰｓ 抗冻机理的研究鲜见报道。植物 ＩＳＰｓ 较其他来 源的 ＩＳＰｓ 具有热滞值较低 （０．２￣０．６ ℃）、修饰冰晶 形态及抑制冰晶重结晶力强的特点。且热滞效应与 重结晶抑制效应之间不存在任何联系。可见，不同 类型的 ＩＳＰｓ 与冰之间存在着不同的作用方式。
ＤＯＮＧ Ｚｈｅｎｇ－ｔｉｎｇ，＊ＱＵ Ｍｉｎ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ １５００７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ａｒｅ ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎｓ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｒｅｓｉｓｔ ｔｈｅ ｃｏｌｄ． Ｐｌａｎｔ ｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｒｏｔｅｉｎ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｏｗ ｔｈｅｒｍａｌ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ａｃｔｉｖｉｔｙ， ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｃｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ， ｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇ ｉｃｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ， ｔｈｅ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ， ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ－ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ， ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｉｃｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎ ｆｏｏｄ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｒｅ ａｌｓｏ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｎｔ ｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ；ｔｈｅｒｍａｌ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ；ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ；ａｎｔｉｆｒｅｅｚｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
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董正婷，等：植物冰结构蛋白及其在食品中的应用研究进展
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体，并在原生质体中积累，所以冰结构蛋白是原生 质体蛋白。在许多植物中都发现了冰结构蛋白，如 冬麦草、胡萝卜和女贞叶，它们的结构类似于抗病 蛋白。
２ 植物冰结构蛋白的特性
２．１ 热滞活性 冰结构蛋白能有以非依数形式降低水溶液的冰
对 ＩＳＰｓ 在食品应用中的安全性及可行性进行的 评估表明 ＩＳＰｓ 安全无毒，其功能特性与任何毒性蛋 白也没有关联［１６］。现已作为食品添加剂正在越来越广 泛地应用于冷冻食品。作为一类新型食品添加剂， ＩＳＰｓ 及其在食品行业中的应用受到研究者的广泛关 注，但有关 ＩＳＰｓ 的来源、制备及其在冷冻食品中应 用等方面的相关研究较少。由于冰结构蛋白价格昂 贵，因此开发食品源的、价格低廉、安全的冰结构 蛋白日益成为研究的热点与方向。李玲玲等人［１７］研究 了冬小麦 ＩＳＰｓ 对湿面筋蛋白冻藏稳定性的影响，通 过观察湿面筋中可冻结水含量、流变学特性及超微 结构发生变化，得到冬小麦 ＩＳＰｓ 通过抑制冰晶的形 成和重结晶，减小冻藏过程中湿面筋蛋白的网络遭
５ 植物 ＩＳＰｓ 在食品中的应用
冰结构蛋白在植物、海洋鱼类、昆虫和微生物 中均有分布，而植物冰结构蛋白最容易为食品生产 企业和一般消费者所接受，其来源也比较广泛易得。 利用 ＩＳＰｓ 抑制冰晶重结晶效应，在食品的冰冻、储 运和解冻等过程中抑制重结晶化，减少滴液、防止 营养成分的损失，保护食品的柔软质地。这些应用 正显示出植物 ＩＳＰｓ 的优势。
１ 植物冰结构蛋白基因的生理作用
ＩＳＰｓ 最早是在 ２０ 世纪 ６０ 年代由美国加利福尼 亚大学的 ＤｅＶｒｉｅｓ 从极地鱼血淋巴中分离的一种蛋
白，具有抗冻活性。直到 １９９２ 年，加拿大的 Ｇｒｉｆｆｉｔｈ 等人［４］第 １ 次从经低温诱导的冬黑麦 （Secale cereale） 叶片中获得冰结构蛋白，其中 ７ 个多肽组分具明显 的抗冻活性。１９９４ 年，费云标等人［５］首次从我国强抗 冻植物沙冬青 （Ammopiptunthus mongolicus） 叶片中 分离出 ２ 种热稳定的 ＩＳＰｓ 组分，随后研究者又在沙 冬青叶片中发现多种 ＩＳＰｓ，其中一种抗冻糖蛋白的 Ｎ － 端的 ２０ 个氨基酸序列与植物凝集素有同源性［６］。 我国科学研究人员证实了唐古特红景天的叶片中有 ＩＳＰｓ 的存在［７］，进一步证实了 ＩＳＰｓ 在抗冻植物中存在 的普遍性及关联性。我国天山寒区的冰缘植物珠芽 寥 叶 片 中 发 现 了 ＩＳＰｓ， 相 对 分 子 量 为 １５．２ ×１０３￣ ７２．３×１０３，均为抗冻糖蛋白［８］。随后，又在 ３０ 多种 植物中发现 ＩＳＰｓ，包括被子植物、裸子植物、蕨类 植物和苔藓植物［９］等。
植物冰结构蛋白及其在食品中的应用研究进展
董正婷，＊ 曲 敏
（哈尔滨商业大学 食品科学与工程省级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 １５００７６）
摘要：冰结构蛋白是有机体为抵御外界寒冷而产生的一类蛋白类化合物。植物冰结构蛋白具有热滞活性低、修饰冰