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，相比传统的商业抗冻剂，更能满足消费者“减糖、减盐、减油”的需求。
南京工业大学食品与轻工学院，材料化学工程国家重点实验室的王 慧、徐 虹*，王 瑞*等基于目前γ-PGA的研究现状，综述γ-PGA的基本结构、抗冻机理以及在食品工业中的应用进展，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提供理论参考。
1、γ-PGA的结构和组成
γ-PGA（图1）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具有独特二级结构包括β-折叠（50.3%）、β-转角（0.5%）、α-螺旋（18.5%）和无规卷曲（30.7%），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。最后，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。
2、γ-PGA抗冻机制
“吸水-保水”抑制水分迁移
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γ-PGA与水分子的作用机制，如图2所示。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。
“交联-修饰”调控冰晶
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。如图3所示，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。
“静电-吸附”稳定体系
对于高蛋白冷冻食品，蛋白质的氧化、变性对品质有较大的影响，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、范德华力、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：1）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。2）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。时晓剑等对γ-聚谷氨酸钠抗冻活性的机理进行了详细的阐述（图5）：每个水分子与周围4 个水分子通过氢键连接形成四面体结构，在冻结过程中，水分子四面体可形成冰晶。γ-聚谷氨酸钠在水溶液中发生电离，生成了-COO-和Na + ，其静电力作用破坏了水的正四面体结构并束缚了一部分水分子，被束缚的水分子在-COO - 和Na + 周围形成水化层，水化层内部为不可冻结水，水化层外部为可冻结水。相对于葡萄糖和谷氨酸，γ-聚谷氨酸钠的解离度较大，Na + 对水分子的束缚能力较强，故Na + 形成的水化层中不可冻结水含量较多。
“清除自由基-螯合金属离子”提高抗氧化能力
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（图6A）。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。如图6B所示，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。
3、γ-PGA作为抗冻剂在食品工业中的应用
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（表2），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
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、体积小和质地紧实。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。
在细胞冻存中的应用
细胞在冷冻过程中的结构、存活率、以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。对于γ-PGA在细胞冷冻保护方面的研究还需进一步深入的探索。
在冷冻肉制品中的应用
赵岩岩等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。此外，白登荣等通过十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析了γ-PGA在不同体系条件下对肌原纤维蛋白功能特性的影响，与未添加γ-PGA的蛋白样品相比，加入γ-PGA后的蛋白样品其肌球蛋白重链条带和肌动蛋白条带都明显减弱，表明γ-PGA与肌原纤维蛋白完成了交联，使体系中的负电荷增加，静电斥力也随之增加，蛋白质分子间隙增大，提高了凝胶强度和保水性。
结 语
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，这些领域仍需要人们深入的研究。可以预见，γ-PGA抗冻潜力的挖掘对推动新产品研发、相关产业和科学技术的进步具有重大意义。
通信作者简介
01.
王瑞，现任南京工业大学食品与轻工学院教授，兼任校新农村发展研究院副院长，硕士生导师，荣获江苏省优青、“六大人才高峰”、“333高层次人才培养工程”等人才计划，获得“中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖”和“中国商业联合会科学技术奖一等奖”等奖项。研究方向为微生物源蛋白、多糖等生物大分子活性物质的生物制造及食品应用研究。主持了科技部国家重点研发项目子课题、国家自然科学基金青年基金、江苏省优秀青年基金等科研项目。以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials等生物材料领域国际学术期刊发表SCI收录论文20余篇，授权发明专利7篇，国际PCT专利1篇。
第一作者简介
02.
王慧，女，硕士，南京工业大学生物与医药专业，主要研究方向为新型绿色食品抗冻剂，鱼类蛋白质结构与功能及其生物信息学分析。
本文《γ-聚谷氨酸在冷冻食品中的应用及其抗冻机理的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷5期266-274页，作者：王慧, 何宜能, 张伟杰, 沈黄晨, 李申莹, 孙弋歌, 雷鹏, 徐虹, 王瑞。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220327-327。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
为构建多元化食物供给体系并兼顾生态环境保护，并形成以生物多样性保护促进食品生产的可持续性，北京食品科学研究院和中国食品杂志社将与北方民族大学、皖西学院、宿州学院、滁州学院于 2023年5月13-14日在中国宁夏银川 共同举办“ 生态保护与食品可持续发展国际研讨会 ”。本届研讨会将围绕新资源食品挖掘、动植物、微生物可替代蛋白、食用菌等食物资源的开发现状、重要创新进展及存在的问题开展研讨，探讨未来食品发展方向，通过展示我国生态保护与食品可持续发展等领域的最新科研成果，搭建科研单位与企业产学研结合的平台，共同促进我国食品产业发展快速踏入新里程。
Food Science of Animal Products（ISSN: 2958-4124, e-ISSN : 2958-3780）是一本国际同行评议、开放获取的期刊，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心主办，中国食品杂志社《食品科学》编辑团队运营，属于食品科学与技术学科，旨在报道动物源食品领域最新研究成果，涉及肉、水产、乳、蛋、动物内脏、食用昆虫等原料，研究内容包括食物原料品质、加工特性，营养成分、活性物质与人类健康的关系，产品风味及感官特性，加工或烹饪中有害物质的控制，产品保鲜、贮藏与包装，微生物及发酵，非法药物残留及食品安全检测，真实性鉴别，细胞培育肉，法规标准等。
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