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这篇综述聚焦2019-2025年进展，系统总结了天然来源的抗冻蛋白（AFPs）、抗冻肽（PACs）、寡糖、多糖、γ-聚谷氨酸（γ-PGA）及天然低共熔溶剂（NADES）等新型冷冻保护剂的分子机制（包括冰重结晶抑制（IRI）、热滞活性（THA）、氢键作用和水结构调控），及其在多种食品基质（如肉类、海鲜、果蔬、面团）中的应用效果。文章指出，这些生物基材料可有效调控冰晶形成、减小蛋白变性、保持质地与持水性，是替代传统高甜度、高热量冷冻保护剂（如蔗糖、山梨糖醇）的清洁标签解决方案。同时，综述也探讨了其面临的规模化、成本与法规挑战，并展望了其在可持续食品工业及减少冷链碳排放（如食品冷链贡献约2.5%人为温室气体排放）方面的前景。
天然冷冻保护剂：为冷冻食品“保鲜”的新策略
冷冻是食品工业延长货架期、保障安全的基石技术，但冰晶的形成、生长和重结晶过程会严重破坏食品的细胞结构、质地，并引发蛋白质变性、脂质氧化等生化变化，导致品质下降。传统冷冻保护剂如蔗糖和山梨糖醇虽有效，但其带来的甜度过高、热量增加以及与清洁标签趋势不符等局限，促使食品科学界将目光投向天然来源的替代品。本篇综述将带您一览近年来（2019-2025）天然冷冻保护剂领域的前沿进展。
1. 引言：冷冻的挑战与机遇
全球食品冷链贡献了约1.3 Gt CO2-eq/年的碳排放，约占人为温室气体排放的2.5%。提升冷冻食品的稳定性与效率，不仅是技术课题，也关乎减少食品系统的环境足迹。在此背景下，开发高效、天然的冷冻保护剂，对于协调产品质量、资源效率和可持续发展至关重要。
2. 冷冻保护剂在食品加工中的作用
冰晶损伤不仅发生在细胞性食品（如肉类、果蔬）中，也会破坏面团中的面筋网络、影响发酵产品中微生物的活性。冷冻保护剂通过多种方式发挥保护作用：它们能结合到冰成核位点或类冰表面，抑制冰核形成和晶体生长；其表面的功能性基团可与蛋白质分子相互作用，促进蛋白质水合，防止结合水流失，从而稳定蛋白质结构。
3. 天然冷冻保护剂与冷冻保存技术
3.1. 蛋白质
抗冻蛋白（AFPs）广泛存在于动植物及微生物中，其核心功能基于热滞活性（THA）和冰重结晶抑制（IRI）两种机制。THA指AFP能非依数性地降低溶液冰点而不改变其熔点；IRI则能有效抑制储存过程中小冰晶融化、大冰晶生长的重结晶过程。AFPs的冰结合面（IBF）结构特征决定了其识别特定冰晶面和抑制效率的差异。
研究显示，植物源AFP（如来自Drimys angustifolia、Daucus carota的蛋白提取物）在果蔬和植物基肉制品中能有效抑制冰重结晶，减少汁液流失，保持质地。动物源AFP（如鱼类AFP、丝素蛋白、鲱鱼AFP）则在肉类、海鲜制品中表现出色，能抑制蛋白氧化和变性，改善持水性和凝胶特性。例如，2%的丝素蛋白处理可显著抑制牛肉牛排中冰晶的轴向生长，在三个月冻藏期内保持良好的多汁质地和色泽。
3.2. 肽
抗冻肽（PACs）是蛋白质水解产生的小分子肽段，其作用机制与AFPs类似，主要通过IRI发挥作用。PACs分子量小，含有丰富的亲水氨基酸，可通过氢键与水分子及蛋白质相互作用，稳定蛋白结构，同时吸附在冰晶表面抑制其生长。
在草鱼鱼糜中，低剂量（2-4%）的鲢鱼鱼鳞抗冻肽（ScAFPs）即可达到与商业抗冻剂相似的保护效果，调控冰晶大小，维持盐溶性蛋白浓度。从牛骨胶原水解物中获得的冰结合胶原肽（IBCPs）用于冷冻面包面团，可显著提高酵母存活率。来自大菱鲆的特定胰蛋白酶肽段IEELEEELEAER，可通过结合冰晶表面，抑制冰晶生长，从而减少其对蛋白质的氧化损伤。
3.3. 碳水化合物
糖类通过其羟基与水分子形成氢键，增加结合水含量，降低水活度，并能与蛋白质氨基酸残基结合以稳定其结构。此外，它们还可通过氢键、疏水力等吸附在冰面，阻碍冰晶生长和重结晶。
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寡糖：海藻酸寡糖、卡拉胶寡糖、木寡糖等在虾肉、鱼糜、冷冻蛋黄等产品中显示出良好的抗冻和抗氧化效果，能抑制肌原纤维蛋白的氧化和结构变化。
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多糖：金针菇多糖（FVP）在鱼糜凝胶和牛肉汉堡中，能有效抑制冰重结晶，限制水分迁移，保持产品质地和持水性。小麦麸皮抗冻多糖（WBAP）可降低冷冻面团的冻结点，抑制冰晶生长，并有助于形成更均匀的面筋网络。羧甲基壳聚糖（CMCO）用于鲢鱼鱼糜，可达到与商业产品竞争性的凝胶性质和感官接受度。
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复合应用：研究发现，海藻糖与卡拉胶、或木寡糖与卡拉胶的复配使用，对蛋清蛋白在冻融循环中具有协同保护作用，能更好地抑制蛋白质变性和结构变化。
4. 新兴系统与未来展望
除了上述类别，γ-聚谷氨酸（γ-PGA）和天然低共熔溶剂（NADES）等新兴系统也展现出冷冻保护潜力。同时，多种天然冷冻保护剂的复配使用常能产生协同效应，提供更全面的保护。
尽管前景广阔，天然冷冻保护剂在实际应用中仍面临提取成本高、规模化生产难、法规审批以及在不同食品基质中效果差异大等挑战。未来的研究需更深入地从分子层面阐明其构效关系，开发高效、低成本的制备工艺，并加强其在复杂食品体系中的性能评估与标准化工作。总体而言，天然冷冻保护剂代表了一条符合可持续发展和健康消费趋势的、提升冷冻食品品质的创新技术路径。
