关于寡糖作为冷冻保护剂以缓解多次冻融循环引起的蛋清液相分离的新见解

《Food Hydrocolloids》：New insights into oligosaccharides as cryoprotectants to alleviate multiple freeze-thaw cycles induced phase separation of liquid egg white

　　

Ting Zhang|Haojie Xu|Yanchen Wang|Jinghong Ji|Yuxi Wang|Lingling Gong|Ramesh Kuma Saini|Jingbo Liu|Xiaomin Shang

中国吉林省长春市130062，吉林大学营养与功能食品省级重点实验室

摘要

在冷链运输和餐饮操作过程中，温度波动以及反复的冻融循环会导致液态蛋清的质量严重下降。本研究通过物理化学性质分析、构象分析、微观结构分析以及定量蛋白质组学分析，评估了三种寡糖（海藻糖、大豆低聚糖和2-羟丙基-β-环糊精）对经过多次冻融循环处理的液态蛋清的冷冻保护作用。研究结果表明，这些寡糖都能有效调控冰晶生长，抑制冷冻引起的蛋白质变性，从而减少相分离现象，提升产品的冻融稳定性。其中海藻糖的抑冰再结晶效果最为显著，而2-羟丙基-β-环糊精由于其类似表面活性剂的特性，最能保持蛋白质的二级和三级构象。所有这些寡糖都显著提升了经冻融处理后的液态蛋清的凝胶性能。冷冻扫描电镜分析进一步证实，这些寡糖能够减轻冰晶造成的结构损伤，保持液态蛋清原有的网络结构。本研究首次运用蛋白质组学方法系统地揭示了液态蛋清在冻融过程中质量下降所涉及的关键蛋白质。研究显示，卵粘蛋白是唯一一种表达量显著下降的主要蛋白质，这凸显了它在冻融过程中质量下降中的核心作用。总体而言，这项研究为寡糖在液态蛋清冷冻保护中的作用提供了蛋白质组学层面的证据，明确了卵粘蛋白在冻融不稳定中的作用，并为开发更具稳定性和功能性 的蛋清产品提供了新的思路。

引言

液态蛋清通常是通过打破鸡蛋壳后分离出蛋黄得到的。作为一种经济且质量优异的蛋白质来源，液态蛋清具有出色的起泡、乳化和凝胶化性能，被广泛用于家庭消费、餐饮服务以及食品加工行业（X. Liu等，2021）。为了延长其保质期并便于运输，液态蛋清通常会通过快速冷冻处理成冷冻蛋清以便商业销售（Duan等，2017）。然而，在冷冻储存、长途冷链运输以及餐饮服务过程中，由于温度波动，液态蛋清产品不可避免地要经历多次冻融循环。这类循环会加速蛋白质氧化和冷冻引起的蛋白质变性，从而导致液态蛋清的质量和功能性能迅速下降，造成不必要的经济损失（Cao等，2022）。因此，寻找有效策略来减轻冻融循环带来的质量下降问题已成为亟需研究的课题。近期的一些研究表明，木寡糖和卡拉胶可以部分保护液态蛋清免受冻融损害（Zhang等，2023a，Zhang等，2023b），而超声辅助解冻则可以减轻冻融引起的蛋白质损伤，改善凝胶质地（Xiang等，2024）。不过，液态蛋清在冻融过程中质量下降的分子机制仍不十分清楚。

冷冻对富含蛋白质的食品造成的危害主要源于冰晶形成过程中的相变现象（B. Chen等，2025）。在水结晶过程中，溶质会在未冻结的相中聚集，导致离子强度和pH值发生显著变化，进而引发蛋白质聚集甚至沉淀（Fang等，2021；Tan等，2022）。冰晶的形成还会增加与蛋白质的接触面积，使得蛋白质在界面处聚集，同时暴露出蛋白质的疏水基团（Seifert & Friess，2020；Tan等，2022）。此外，冰晶生长产生的机械应力会不可逆地破坏食品的基质结构，导致质地变差和风味丧失（Zhu等，2023）。反复的冻融循环会加剧这些不良影响，因为融化与再结晶过程会产生较大且形状不规则的冰晶，进一步加重界面和结构损伤，加速蛋白质变性以及整体质量的下降。例如，Jiang等人（Jiang等，2019）发现，经过五次冻融循环后，冰晶尺寸的增加使得肌肉纤维的形状发生改变，解冻损失增加了109.89%。同样，Ali等人（Ali等，2015）也表明，反复的冻融循环会加速肌原纤维蛋白质的氧化和结构变化，从而降低产品的持水能力和颜色稳定性。这些研究结果都凸显出需要有效的策略来减轻冻融过程中的蛋白质变性，从而在长途运输和销售过程中保持冷冻蛋清的稳定性和质量。

在现有的防护策略中，添加冷冻保护剂是一种成本较低且实用的蛋白质冷冻保护方法。寡糖因其富含羟基而被广泛用作冷冻保护剂，这些羟基可以与水和蛋白质分子相互作用，从而调控冰晶生长，维持蛋白质的构象稳定性（Lin等，2025）。在商业上，4%的蔗糖和4%的山梨醇混合物常被用来抑制鱼糜及其他水产品的蛋白质变性及质量下降（Xie等，2024）。然而，这类糖分的高甜度和高热量限制了它们的广泛应用。这一局限性促使人们开始研究甜度和热量较低的替代冷冻保护剂。海藻糖是一种甜度低且热量极低的二糖，已被证明能够有效降低冰点并抑制冰晶的再结晶（Wu等，2023；B. Zhang等，2019）。它对鱼糜和虾类中的肌原纤维蛋白质的冷冻保护作用已有大量研究报道。大豆低聚糖由蔗糖、棉子糖和水苏糖组成，同样具有低甜度、较强的保水能力以及较低的含水量（Mussatto & Mancilha，2007）。最近的研究也证实了它们在抑制鱼糜中冰晶生长和水分迁移方面的有效性，显示出它们作为新型食品级冷冻保护剂的潜力（Mo等，2024）。除了这些传统的寡糖之外，2-羟丙基-β-环糊精也是一种独特的替代品。由于其具有环状疏水腔结构，2-羟丙基-β-环糊精具备类似表面活性剂的特性，能够在冰水界面处竞争性吸附，从而抑制冰晶引起的蛋白质变性（Thakral等，2021）。此外，由于其属于寡糖类物质，它还能参与水分替换和玻璃化过程，从而为蛋白质的稳定性提供双重保护（Li等，2024）。虽然2-羟丙基-β-环糊精在制药领域的冻干蛋白制剂中得到了广泛应用，但其在冷冻食品储存和冻融保护方面的应用还相对较少。值得注意的是，2-羟丙基-β-环糊精在环糊精类物质中毒性最低，人体可良好耐受，而且已经获得欧洲药品管理局的批准，可用于口服甚至注射用途（D'Aria等，2022），这为它在食品中的应用提供了有力的安全保障。

因此，本研究旨在系统地探究不同具有冷冻保护功能的寡糖对经过多次冻融循环处理的液态蛋清的物理化学性质、蛋白质结构、微观结构以及凝胶性能的影响。此外，本研究还运用定量蛋白质组学技术，识别出在冻融循环后导致液态蛋清质量下降的关键蛋白质。期望这些研究结果能够为提升冷冻蛋清产品的质量和稳定性提供理论依据和实践方案，从而推动蛋品加工行业的可持续发展。

章节节选

材料

新鲜鸡蛋购自中国长春市的当地超市。海藻糖（纯度≥99%）和2-羟丙基-β-环糊精（纯度≥98%）购自中国上海的上海阿拉丁生化科技有限公司。大豆低聚糖含有11.8%的 Verbascose、37.0%的水苏糖、11.1%的棉子糖以及21.3%的蔗糖，由上海源恩生物科技有限公司提供。本研究使用的其他所有试剂均为分析级产品。

样品制备与储存

冷冻保护剂对冷冻蛋清熔化行为和玻璃化转变的影响

通过差示扫描量热法模拟了液态蛋清的冻融过程，以此评估海藻糖、大豆低聚糖和2-羟丙基-β-环糊精对蛋清的玻璃化转变和冰熔化特性的影响。图1展示了添加了冷冻保护剂与未添加冷冻保护剂的蛋清从-80°C到20°C并经过退火处理后的热曲线，相应的热力学参数则总结在表1中。添加冷冻保护剂后，蛋清的起始熔化温度和峰值熔化温度均有所下降

结论

本研究系统比较了海藻糖、大豆低聚糖和2-羟丙基-β-环糊精对经过多次冻融循环处理的液态蛋清的冷冻保护效果。这三种寡糖都能降低蛋清中的可冻结水分含量，抑制结构恶化（如巯基氧化、疏水基团暴露以及α-螺旋结构的丢失）。因此，它们能够减少因蛋白质聚集而引发的相分离现象，进而提高蛋清中可溶性蛋白质的含量、凝胶强度以及持水能力。其中海藻糖的效果最为显著

CRediT作者贡献说明

Ting Zhang：撰写——初稿、方法论、数据整理、概念构思。Haojie Xu：撰写——初稿、方法论、实验研究、正式分析、数据整理。Yanchen Wang：软件使用、实验研究、正式分析。Jinghong Ji：可视化处理、结果验证。Yuxi Wang：实验研究。Lingling Gong：可视化处理、软件使用。Ramesh Kuma Saini：概念构思。Jingbo Liu：项目管理。Xiaomin Shang：撰写——审阅与编辑、监督工作、项目管理，

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：32572755）以及吉林省科技发展计划（编号：20260202054NC）的资助。