缓解冷冻米面团品质下降的问题：羧甲基壳聚糖在不同冷冻方法中的效果

《Food Hydrocolloids》：Mitigating the deterioration of quality in frozen rice dough: effects of carboxymethyl chitosan across different freezing methods

冷冻保护剂作用机制研究：通过比较1.5%羧甲基壳聚糖（CMCh）与1%钠羧甲基纤维素（CMCNa）在液氮速冻（LF）、螺旋隧道冻（SF）、普通冻（RF）和超声辅助冻（UAF）下对冷冻米饭面团品质的影响，发现CMCh-LF组合最佳。其通过静电交联增强面筋网络稳定性，氢键作用维持淀粉短程有序结构，有效抑制冰晶生长（减少30%以上）和水分迁移（T21-T23转化率降低42%），显著延缓淀粉降解（体外消化率下降35%），保持最佳质构弹性（硬度降低18%）。

　　

王明东|严武|谢静|胡婷|张戈|魏琦

安徽安庆师范学院生命科学学院，中国安徽省安庆市宜秀区吉仙北路1318号，邮编246052

摘要

为了阐明羧甲基壳聚糖（CMCh）和羧甲基纤维素钠（CMCNa）不同的冷冻保护机制，系统评估并比较了它们在各种冷冻条件下对冷冻米粉团质量恶化的影响。结果表明，液氮冷冻（LF）处理具有最快的冷冻速率，形成的冰晶最细小，对米粉团的微观结构损伤最小。1.5%的CMCh-LF处理相对于传统的CMCNa具有更强的冷冻保护效果，实现了最高的质量保持率。这种组合可以有效抑制结合水（T₂₁）向自由水（T₂₃）的转化，并显著提高冷冻米粉团的持水能力。米粉团的质地和粘弹性得到更好的保持。1.5%的CMCh可以抑制面筋中高分子聚合物的解聚，减少自由巯基的暴露并防止二硫键断裂，从而维持其二级和三级结构稳定性。此外，这种处理还可以有效保护淀粉的短程有序结构、相对结晶度、热特性和糊化特性，并显著延缓体外淀粉消化率的增加。CMCh的羧甲基通过静电相互作用与面筋蛋白形成交联网络，增强了面筋基质的稳定性。其羟基通过氢键与水分子相互作用。总体而言，1.5%的CMCh-LF组合在保持冷冻米粉团质量方面表现出最佳效果。

引言

糯米作为亚洲家庭的传统主食之一，以其出色的膨胀能力和 chewy 的质地而闻名，深受消费者喜爱（Dong et al., 2025）。冷冻米粉团是由糯米淀粉和面筋为主要成分的复合体系，其质量特性受面筋和糯米淀粉之间相互作用的控制。然而，冰晶的形成和生长会破坏面筋和淀粉的天然结构，最终导致面筋变性以及淀粉溶解度和功能的下降（Lu & Zhu, 2023; Li et al., 2023; Zhang et al., 2024a; Zhang et al., 2024b; Han et al., 2026）。因此，在有效保持其质地特性的同时延长冷冻米粉团的保质期已成为冷冻米产品行业亟需解决的关键挑战。

冷冻可以通过抑制微生物的生长、减缓酶促褐变和降低脂质氧化速率来显著延长食品的保质期（Wang et al., 2018; Siebel et al., 2021）。不同的冷冻技术各有特点（Cheng et al., 2015; Evans, 2016）。传统的冰箱冷冻（RF）方法简单，但冷冻速率慢，会导致形成较大的冰晶和严重的结构损伤（Anderson et al., 2004）。在工业环境中，螺旋隧道冷冻（SF）更高效，但存在产品机械损伤的风险（Biglia et al., 2022）。相比之下，先进的方法旨在最小化与冰相关的损伤：液氮冷冻（LF）可实现超快速冷却，形成非常小的冰晶并减少水分损失（Gao et al., 2019），而超声波辅助冷冻（UAF）利用空化作用促进均匀成核，从而优化冰晶的大小和分布，尽管其工业应用仍有限（Zhang et al., 2020）。这些过程会导致淀粉颗粒和面筋基质的结构破坏，从而降低水分保持能力、粘弹性和质地软化（Gong et al., 2026; Zhu et al., 2026），从而整体降低产品质量。

为了解决上述挑战，添加食品冷冻保护剂或改进冷冻方法已被认为是有效的策略。在传统的冷冻保护剂中，羧甲基纤维素钠（CMCNa）作为一种受国家标准监管的食品添加剂，已被广泛记录其在各种冷冻食品系统中通过提高持水能力来发挥保护作用。Park et al.（2016）指出，CMCNa通过改善持水能力来增强面团微观结构，抵抗冰晶的形成，而El Sheikha et al.（2022）将CMCNa在冷冻食品中的质量保持效果归因于其作为氧气和水分迁移屏障的能力。然而，在复杂的冷冻米粉团系统中，由于其与淀粉和面筋蛋白的特定相互作用模式，CMCNa的保护效果可能受到限制。壳聚糖作为第二丰富的天然多糖，因其优异的生物相容性、丰富的活性官能团和优异的成膜能力而受到研究人员的广泛关注。Wei, Ye, Han, He, 和 Liu（2025）发现壳聚糖可以减缓水分迁移，从而延缓冰晶重结晶，最终减少对面筋网络的损伤。此外，壳聚糖可以通过氢键与面筋蛋白相互作用，发挥其冷冻保护作用。然而，壳聚糖有限的水溶性对其在食品工业中的实际应用构成了重大限制（Ossa et al., 2020）。羧甲基壳聚糖（CMCh）通过羧甲基修饰显著提高了其亲水性和持水能力。CMCh可以通过与蛋白质相互作用来改善食品质量并减少冷冻损伤（Zhu et al., 2022）。尽管如此，与CMCNa相比，关于CMCh在不同冷冻技术下如何保护米粉团的系统研究仍然不足。

在我们之前的研究（Wei, Zhang, Mei, Zhang, & Xie, 2023）中，我们开发了一个米粉团模型，并研究了不同冷冻方法对其质地特性的影响。结果表明，液氮冷冻对米粉团结构的损伤最小。此外，由于糯米粉天然缺乏面筋蛋白，难以形成稳定的三维网络结构，导致成型能力较差，我们尝试通过添加各种蛋白质和调整糯米淀粉的比例来优化米粉团模型的配方。最终发现，添加了10%面筋蛋白的米粉团模型表现出最佳的整体性能。在后续的工作（Wei, Zhang, & Xie, 2024a）中，我们通过添加两种取代度的CMCh（0.8和1）以及不同的添加量（0.5%、1%和1.5%）研究了冷冻米粉团在70天冷冻储存期间的质量变化。这与符合市场标准的CMCNa（取代度为1，添加量为1%）进行了比较。结果表明，取代度为1、添加量为1.5%的CMCh对冷冻米粉团的改善效果优于取代度为0.8的CMCh和取代度为1的CMCNa。此外，在将取代度为1、添加量为1.5%的含CMCh的米粉团进行7次冻融循环后，其质量仍然得到良好保持，表明该配方显著提高了冷冻米粉团的质量（Wei, Zhang, Ye, & Xie, 2024b）。

基于这些发现，本研究旨在评估CMCh（DS=1，添加量1.5%）和CMCNa（DS=1，添加量1%）在使用四种不同冷冻技术（RF、SF、LF、UAF）处理冷冻米粉团时的保护效果。我们全面分析了这些水胶体在不同冷冻条件下对 dough 物理化学特性的影响。我们假设CMCh通过其活性官能团与面筋和淀粉相互作用，在冷冻条件下形成保护网络。该网络被认为可以有效调节冰晶的大小和分布，最小化水分迁移，从而延缓面筋变性和淀粉老化。这些发现有望为新型多糖基冷冻保护剂的开发提供理论基础，并为提高传统冷冻米产品的质量稳定性和工业生产提供技术支持。

材料

淀粉和小麦面筋由位于中国上海的益海 Kerry Grain & Oil Co., Ltd. 提供。关键添加剂，包括CMCh（取代度 DS = 1）和CMCNa（DS = 1），由位于中国河南的Haobo Biotechnology Co., Ltd. 提供。本研究中使用的所有其他化学试剂均为分析级或更高级。

CMCh 的性质

基于我们之前的优化工作，本研究使用了根据Wei等人报告的程序表征了性质的CMCh。

冷冻程序

图1显示了添加了CMCh和CMCNa的米粉团样品在四种冷冻方法下的温度变化曲线。通过分析从初始温度到-18°C的温度下降过程，LF、SF、RF和UAF的冷冻速率分别为约1.16、0.09、0.06和0.13°C/min。结果表明，冷冻过程中形成的冰晶大小与冷冻速率呈正相关（Meziani et al., 2011; Yang et al., 2021）。

结论

本研究旨在探讨CMCh和CMCNa在不同冷冻条件下抑制米粉团质量恶化的影响。由于液氮冷冻具有快速的冷冻速率，有助于形成细小的冰晶，从而减少结构损伤，其效果优于超声波辅助冷冻、螺旋隧道冷冻和冰箱冷冻。在测试的抗冻剂中，CMCh显示出更优的质量改善效果。

CRediT 作者贡献声明

谢静：监督、项目管理。 严武：监督、项目管理。 王明东：撰写——初稿、验证、软件、方法学、数据分析、概念化。 胡婷：监督、项目管理。 魏琦：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、资金获取。 张戈：软件、数据分析、概念化

未引用参考文献

Han et al., 2024; Li et al., 2022; Qadir and Wani, 2022; Stebel et al., 2021; Wang et al., 2022; Wang et al., 2018.

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

资助

本工作得到了西南安徽生物多样性保护与特色资源利用重点实验室的开放基金（Wxn202408, Wxn202512）、安徽省教育厅的科学研究青年项目（2025AHGXZK40360）以及安徽省质量工程项目（2023cxtd063）的支持。所有作者均已阅读并同意发表的手稿版本。

致谢

我们想感谢匿名审稿人的有益评论和建议。