冷冻食品在贮藏和运输过程中常常因为冰晶的形成和重结晶的变化而导致品质劣变，目前，添加抗冻剂是延缓冷冻食品劣变、保持食品品质的有效手段。γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是一种阴离子型多肽聚合物，分子链上含有大量的羧基，通过氢键连接水分子，抑制了水分迁移和冰晶的生长，具有优异的抗冻功效。同时，γ-PGA具有低盐、低热量、促进矿物质吸收等优势，能满足消费者减糖、减盐、减油的需求。作为一种新型绿色可食用的抗冻剂，γ-PGA在食品工业领域逐渐展现出更大的发展潜力。近日，南京工业大学食品与轻工学院研究团队对γ-PGA的基本结构、抗冻机理以及在食品工业中的应用进展进行了系统性分析，以期为开发基于食品级的γ-PGA抗冻剂及其在食品领域的应用助力。

γ-PGA是由D-谷氨酸和L-谷氨酸组成的多聚酰胺，通过γ-酰胺键连接而成，是一种阴离子型多肽聚合物。γ-PGA分子链上含有大量的羧基，可在分子内部或分子之间形成氢键，这些氢键的形成不仅提高了γ-PGA的水溶性和保水性，还能够有效束缚冻藏过程中水分的流动，阻止冻结过程中冰晶的生长以及在融化过程中重结晶的形成。此外，γ-PGA具有独特的二级结构，包括：β-折叠、β-转角、α-螺旋和无规卷曲，其丰富的α-螺旋和β-折叠也是水分子结合和抑制冰晶形成的主要原因。作为食品功能原料，其降解产物为氨基酸，有效保障了生物安全性。

据南京工业大学研究人员介绍，食品中的水分由自由水、结合水和弱结合水组成，水的状态影响了冰晶的生长/再生和冻融循环的结晶/再结晶过程。根据冻结期间的行为，食品中的水分分为可冷冻水和不可冷冻水，可冷冻水形成冰晶，进而影响冷冻食品的物理化学性质。γ-PGA能促进食品中自由水向结合水和弱结合水的转化，抑制水分的迁移并缓解冰晶的形成。根据γ-PGA与冰晶结合模型推测，带有羧基的γ-PGA分子通过氢键与水分子连接，吸附到冰层表面形成一层薄膜，使水分子运动受阻，并避免了在低温下的重新定向，这种较大的束缚力不仅使冰晶间的结合更加紧密，还使冰晶更细小、更均匀。

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抑制蛋白质冷冻变性

据了解，冷冻过程中会发生蛋白质冷冻变性，使原来稳定、紧密的结构被破坏，导致蛋白质功能和理化性质的改变。在冻结时，冰晶的形成引起结合水和蛋白质分子的结合状态被破坏，使蛋白质内部的共价键以及非共价键断裂，而重新形成的新键也已不在之前的位点；另一方面，在重结晶作用下，蛋白质分子因机械力而发生解聚，从有序空间结构向无序空间结构转化，进而导致蛋白质与水的结合能力降低并引发部分弱结合水向自由水转化。此外，蛋白内部氨基酸残基之间的氢键被破坏，引起疏水基团暴露并引发蛋白质分子间和其他分子内部的重新交联。所以如何调控冰晶的生长及抑制重结晶的形成对稳定冷冻食品品质至关重要。

研究表明，对于高蛋白冷冻食品，蛋白质的氧化、变性对品质有较大影响。维持蛋白质高级结构构象稳定的作用力有多种，主要包括氢键、共价键、静电作用力、范德华力、疏水作用力等。这些作用力对于γ-PGA保护蛋白质空间结构、维持体系的稳定具有重要作用，可以归纳为以下两个方面：γ-PGA可充当氢键的供体和受体，与蛋白质等生物大分子物质形成带电胶团并吸附在大分子表面，形成双层电子层，既存在静电引力，又存在静电斥力，与胶团范德华力共同作用以维持体系的稳定。γ-PGA在一定范围内随浓度的升高，静电相互作用增加，疏水相互作用减弱，表现出较强的氢键，引起凝胶强度的升高和网络结构的稳定。另外，γ-PGA系统是一种“氢键超分子液体网络”，能够改变体系中水的结构，间接引起基团周围氢键结构的变化。

蛋白质是多种冷冻食品主要组成成分，蛋白质的状态决定了食品的品质，当受到含有氮氧化学元素的活性诱导物质（化学自由基和非自由基基团）的诱导时，会发生理化性质的变化。这类诱导剂通过共价键的修饰会造成氨基酸侧链改变、巯基化合物含量增加、蛋白质降解以及溶解度降低等变化。自由基和蛋白质侧链反应产生蛋白质自由基，之后和氧分子反应形成过氧化自由基。后者进一步攻击蛋白质中的氨基或亚氨基，形成羰基衍生物，此外，巯基的氧化可能会导致蛋白质内部或蛋白质之间二硫键交联的形成，使得蛋白质功能活性降低。而γ-PGA可以清除自由基并螯合金属离子，从而提高抗氧化能力。

应用范围不断扩大

随着应用范围的不断扩大，γ-PGA在各类产品中不断展现出保水、增稠、抗氧化等性能，总结γ-PGA在各类产品中表现出的不同作用效果及机制，有利于促进其在食品工业的发展潜力。作为一种新型抗冻剂，γ-PGA可以抑制水分迁移、修饰冰晶、提高抗氧化能力，γ-PGA另一个独特的优势是具有类似于微胶囊的包覆风味物质的性质。

在冷冻面团中的应用 如今，冷冻面团技术已被广泛产业化应用。水是冷冻面团的主要成分，其行为和状态显著影响冷冻面团的质量。在面团的冷冻过程中，温度的波动促进了冰晶的生长，水分子与蛋白质之间的相互作用被破坏，结合水从蛋白质中释放出来，从而导致面筋网络结构的劣化。酵母细胞的活性或产气力是影响冷冻面制品品质的另一个关键因素，酵母活性较低，在冷冻面团的后续发酵过程中，既不能产生足够的气体，也没有保持面筋蛋白的持气能力，这将导致烘焙产品的扁平形状、体积小、质地紧实。因此工业化生产中非常重视持水性和酵母细胞的活性，这些指标的优化有助于提高面团得率、节约成本。研究表明，γ-PGA分子链的羧基能和水分子形成氢键，限制水分子迁移；同时，γ-PGA和淀粉颗粒表面上的活性基团相互交联，加强了网络结构的稳定性。如在全麦冷冻面团、面条、小麦淀粉凝胶中添加γ-PGA，其面团的比容明显增大。此外，γ-PGA还能使冻藏期间面筋蛋白中弱结合水向自由水的转化量减少，限制了水分的流动，同时抑制了蛋白质二级结构中α-螺旋含量下降和无规卷曲含量增加，提高了热力学的稳定性。

在细胞冻存中的应用 细胞在冷冻过程中的结构、存活率及代谢活力对工业应用和学术探究带来了严峻的挑战，保存细胞的技术大多采用低温保存和冷冻干燥技术，传统的细胞冷冻液通常采用有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）、胎牛血清（FBS）和培养基按照一定的比例混合，但是DMSO具有一定的毒性，FBS有较高的病毒、霉菌和支原体等污染的风险，这种不利因素对细胞的损伤是不可逆转的。在目前的研究中，学者们试图挖掘其他可替代的物质，尽可能地避免对DMSO和血清的使用，如甘油、糖类（葡聚糖、海藻糖、海藻酸钠）、蛋白类等。冷冻干燥技术是益生菌保藏时最常用的方法，但过低的温度往往对益生菌的结构和活力造成损伤。研究发现，γ-PGA在短双歧杆菌（Bifidobacterium breve）、长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）冷冻干燥过程中表现出低温保护活性。

在冷冻肉制品中的应用 有研究人员应用质构仪和流变仪分析了γ-PGA对鱼糜凝胶制品的影响，结果表明，与对照组相比，凝胶的硬度、弹性、内聚性和咀嚼性均显著增加；添加不同比例γ-PGA处理组的G’均呈现上升趋势，G’可以作为反映肉糜凝胶强度的一个重要指标，G’越高表明凝胶强度越好。

γ-PGA作为一种新型绿色可食用的抗冻剂，具有保水、增稠、交联、抗氧化等良好性能，能够有效抑制水分迁移，起到冰晶修饰和稳定体系的作用，因此在食品工业领域具有很大的发展潜力。目前，学者们已证实了其优异的抗冻性和食品安全性，但是关于γ-PGA抗冻机理以及与其不同分子质量之间的深层机制尚不明确，这些领域仍需进行深入研究。

（王慧）

《中国食品报》(2023年05月08日06版)

（责编：杨晓晶）