小麦麸皮阿拉伯木聚糖的抗冻活性分子机制：微观结构在调节水-冰动态变化中的作用

《Food Research International》：Molecular mechanisms of antifreeze activity in wheat bran arabinoxylan: The role of fine structure in modulating water-ice dynamic changes

小麦麸皮阿拉伯木聚糖（WBAX）经xylanase不同浓度处理后的精细结构变化及其对低温保护性能的影响机制。研究发现，处理后的WBAX分子链缩短、分子量降低（479.29→285.84 kDa）、粒子尺寸减小（1180.00→466.15 nm），孔隙结构消失但亲水性基团暴露。WBAX-0和WBAX-4表现出优异抗冻活性，分别因高分子量孔隙结构和羟基与水形成氢键的能力抑制冰晶再生。证实WBAX抗冻活性由精细结构调控水-冰动态变化实现，为开发天然低温保护剂提供理论依据。

　　

李梦媛|孙炳华|李莉|马森

河南工业大学食品科学与工程学院，中国郑州

摘要

小麦麸皮阿拉伯木聚糖（WBAX）的低温保护性能与其精细结构之间的关系尚不清楚。本研究使用浓度为0%、2%和4%的木聚糖酶制备了WBAX（分别为WBAX-0、WBAX-2和WBAX-4），揭示了WBAX的精细结构如何调节水-冰动态变化以发挥抗冻活性的分子机制。结构表征结果显示，木聚糖酶改变了WBAX的分子链长度（从长变短）、分子量（从479.29 kDa降低到285.84 kDa）以及Z-平均粒径（从1180.00 nm降低到466.15 nm）。这一变化伴随着亲水基团的增加和多孔结构的消失。WBAX与水-冰相互作用的结果表明，WBAX的抗冻活性并非与酶解程度线性相关，而是受不同主导机制的调控。其中，WBAX-0和WBAX-4表现出优异的抗冻活性，其冰晶含量分别为8.76%和7.99%，平均粒径分别为35.50%和22.82%。这归因于WBAX-0的高分子量（479.29 kDa）、长链结构及多孔结构，这些特性通过空间位阻效应和持水能力使其具有抗冻性。相比之下，WBAX-4含有更多能够与水形成氢键的羟基，从而增强了其亲水性和水溶性，防止水冻结成冰晶。总之，本研究证实了WBAX的抗冻活性依赖于其精细结构对水-冰动态变化的调节，为将其作为冷冻保护剂的应用提供了理论依据。

引言

由于冷冻技术具有操作方便、节省成本、延长食品保质期、促进食品标准化和大规模生产以及便于储存和运输等诸多优点，因此已被食品加工业广泛采用。然而，在低温处理过程中，随着温度下降，食品基质中的水会开始结晶。随后，温度波动会引发冰晶的再结晶（Maity等人，2018年）。冰晶的形成及其再结晶会对面团基质造成不可逆的机械损伤，导致产品出现裂纹、塌陷、体积缩小、质地变差以及风味下降等问题，从而降低消费者满意度（Zhang、Guo等人，2024年）。因此，调控冰晶形成过程对于推动食品行业冷冻技术的发展至关重要。

提高冷冻食品质量的有效策略包括优化冷冻工艺、采用新技术、应用基因工程以及添加冷冻保护剂（Jiang等人，2023年；Wang、Liu等人，2025年）。食品多糖因其环保、安全、经济、可再生且具有健康促进作用而成为理想的冷冻保护剂选择（Liu等人，2025年）。例如，Liu、Zhang等人（2020年）研究表明，添加阿拉伯胶、海藻酸钠和槐胶等多糖可提高冷冻法棍面包的冷冻稳定性。食品中的水分可分为自由水（在冷冻条件下容易形成冰晶）和结合水（在相同条件下不易形成冰晶）。Wei等人（2025年）发现，添加羧甲基壳聚糖能有效防止冷冻米面团中结合水转化为自由水，从而减缓冰晶生长和冻融循环中的再结晶，改善面团质地。他们认为羧甲基壳聚糖的这种效果源于其结构中的羟基。类似地，He等人（2020年）提出，魔芋葡甘露聚糖中的羟基可以增强氢键网络，减少冷冻过程中面团的水分迁移和冰晶造成的物理损伤。此外，Jiang等人（2019年）通过拟合页面模型对冷冻面团的质地数据进行了动力学研究，结果表明添加魔芋膳食纤维显著降低了冰晶生长速率。偏振光显微镜图像显示，岩藻多糖具有低温保护潜力，能够减小冰晶尺寸（Guerreiro等人，2020年）。这些研究强调了食品多糖在防止水分迁移和冰晶形成方面的作用，为将其作为冷冻保护剂的应用提供了新思路。

阿拉伯木聚糖是小麦麸皮中的主要非淀粉多糖，其基本结构是由β-1,4糖苷键连接的木糖线性链组成，该链在O-2和/或O-3位置部分被阿拉伯糖单取代或双取代（He等人，2021年）。从营养角度来看，小麦麸皮阿拉伯木聚糖（WBAX）具有调节糖脂代谢、改善肠道微生物群、增强免疫调节以及预防慢性疾病等健康益处（Lin等人，2021年）。从技术角度来看，Wang等人（2016年）证明WBAX能有效提升冷冻蒸面包的品质。Niu等人（2025年）证实了WBAX在低温下对酵母细胞的保护作用。这些研究展示了WBAX作为冷冻食品添加剂的潜力。此外，Zhao等人（2022年）利用冰壳分离法从小麦麸皮中分离出的抗冻多糖的主要成分是木糖和阿拉伯糖，这些成分提高了冷冻蒸面包的品质和酵母细胞的活性。这些以木糖和阿拉伯糖为主要成分的小麦麸皮抗冻多糖具有显著的冰晶再结晶抑制（IRI）活性（Yang、Zhang等人，2024年）。尽管上述研究证实了含木糖和阿拉伯糖的抗冻多糖具有抗冻活性，但由于抗冻多糖中还含有其他成分（葡萄糖、半乳糖、甘露糖、纤维素和蛋白质），因此无法直接验证WBAX的抗冻活性。

Tang等人（2025年）研究了不同分子量壳聚糖的冷冻保护性能，发现30 kDa壳聚糖效果最佳。Sun等人（2023年）的研究也证实了罗望子籽多糖的IRI活性与其分子量相关。这些发现表明，如果WBAX具有抗冻活性，这也可能与其精细结构有关。因此，通过木聚糖酶的定向分子修饰制备了不同精细结构的WBAX。首先，通过测定单糖组成、支化度、分子量、粒径分布、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、微观结构和热稳定性来表征WBAX的结构。其次，从WBAX与水的相互作用角度，通过测量持水能力（WHC）、接触角和水溶性指数（WSI）来评估其水合性能。最后，通过测量过冷点和IRI活性来评估WBAX的抗冻活性，从而明确了WBAX的精细结构如何通过调节水-冰动态变化来影响其抗冻活性的分子机制。本研究为绿色天然低温保护剂的开发奠定了基础。

材料

小麦麸皮由山东鲁华面粉有限公司（中国新乡）提供。热稳定α-淀粉酶（A8750）和碱性蛋白酶（S10154）分别从Solabio Technology有限公司（中国北京）和Yuanye Biotechnology有限公司（中国上海）购买。木聚糖酶（X195724）从Aladdin Biochemical Technology有限公司（中国上海）购买。Calcofluor白色染料、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖等单糖标准品由Sigma-Aldrich Trading提供。

单糖组成和支化度

单糖是决定多糖结构的天然基本单元，确定其组成有助于表征WBAX的精细结构。图1A和B显示了WBAX的离子色谱图，表1展示了单糖组成的定量分析结果。根据单糖标准品的保留时间可知，WBAX-0、WBAX-2和WBAX-4均含有阿拉伯糖、木糖、鼠李糖、半乳糖和葡萄糖等成分。

结论与展望

总体而言，研究结果表明WBAX-0和WBAX-4表现出更强的抗冻活性。一方面，WBAX-0的多孔结构能够有效保持水分，其长链和高分子量有助于缠绕水分，从而通过优异的持水能力延缓冷冻过程中的水分迁移，抑制冰晶再结晶；另一方面，WBAX-0的长链在冰-水界面占据更大有效体积，其与冰的相互作用也起到了抗冻作用。

CRediT作者贡献声明

李梦媛：撰写初稿、软件使用、概念构思。孙炳华：撰写、审稿与编辑。李莉：撰写、审稿与编辑。马森：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。

伦理指南

本研究无需伦理审批。

未引用参考文献

Li, Ma, Zheng and Li, 2025

Yang et al., 2024

Yuwen Wang, Wang, Li, L and Ma, 2026

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32272249）和河南省自然科学基金（编号：252300421032）的支持。