文獻解讀|深圳大學范方輝副教授團隊：低場時域核磁共振助力魚丸凍藏品質調控，基于弛豫與成像解析短鏈多肽的抗凍機制

1 文獻研究背景

以魚丸為代表的魚糜制品在冷凍貯藏過程中，易因冰晶形成與重結晶導致蛋白質變性、質構劣化和汁液流失，其中冰晶對肌原纖維結構和水分分布的破壞是品質下降的核心，也是制約傳統(tǒng)魚丸產業(yè)化升級的關鍵瓶頸。傳統(tǒng)抗凍體系多依賴磷酸鹽和糖類，但在“清潔標簽”與健康需求背景下，亟需開發(fā)天然來源且感官影響小的新型抗凍劑。

短鏈多肽（Short-chain polypeptides，SCPs）因其分子量小、極性基團豐富及具有吸附-抑制活性和熱滯后效應等特性，作為天然抗凍劑在冷凍食品領域展現出應用潛力。然而在魚丸體系中，SCPs 調控冰晶生長的機制仍不清晰，尤其是其對魚丸凝膠網絡的水分存在狀態(tài)與遷移行為的具體影響機制，仍缺乏分子水平的直接證據。

本研究采用復合蛋白酶酶解牛皮明膠制備 SCPs，其分子量主要分布在 180-3000 Da（占比 86.16%），這一組分范圍賦予了其極佳的分子柔韌性與親水性。

修改理由： 原文獻 2.1 節(jié)和 Table S2 明確了 SCPs 的來源和分子量，這是其能夠滲透進魚糜網絡并吸附 ice 界面的物質基礎，要交代清楚。

2 低場時域核磁共振（LF-NMR）技術的核心作用

本研究通過 LF-NMR 技術，從水分狀態(tài)分布與空間分布兩個維度，清晰揭示了SCPs對魚丸凍藏過程中水分存在狀態(tài)與遷移行為的影響，其核心價值在于精準量化水分相態(tài)遷移、可視化水分分布，并與理化指標相互印證，為 SCPs 的抗凍效果提供了直接的分子證據。

研究采用CPMG脈沖序列獲取橫向弛豫時間（T₂）數據，并結合反演算法對信號進行解析，獲得不同水分組分在結晶過程中的動態(tài)演變信息。而MRI成像結果及其閾值分割圖像對魚丸中水分的空間分布情況進行了可視化。

圖1是本研究中通過LF-NMR分析獲得的核心結果，通過T₂ 弛豫時間分布譜和磁共振成像（MRI），直觀對比了不同SCPs添加量的魚丸在凍藏前后水分狀態(tài)與分布的動態(tài)變化。

圖1.  不同SCPs添加量的魚丸在凍藏前后水分狀態(tài)與分布的動態(tài)變化： (A) 不同SCPs添加量魚丸的T₂弛豫譜；(B) 魚丸在0°C凍藏不同時間后的MRI圖像及其閾值分割圖像（紅色信號區(qū)域代表高水分含量）。

Part.1  T₂弛豫譜：揭示水分狀態(tài)遷移規(guī)律

通過分析T2弛豫時間（橫軸，單位：ms）與信號強度（縱軸），LF-NMR將魚丸中的水分清晰地劃分為兩個主峰：

• T₂₁ (0.1 – 10 ms) ：結合水，通過氫鍵等作用與肌原纖維蛋白等組分緊密結合。
• T₂₂ (10 – 100 ms)：不易流動水，分布于凝膠網絡孔隙中，占總水分的90%以上，是決定持水性的關鍵。

關鍵發(fā)現：凍藏前競爭性結合：添加SCPs后，T₂₁ 弛豫時間右移，且其峰面積比例A₂₁下降。這表明SCPs參與重塑水-蛋白相互作用，SCPs 的極性基團競爭性結合肌原纖維蛋白的親水位點，誘導結合水（T₂₁）向不易流動水（T₂₂）遷移，增強了結合水的流動性并優(yōu)化了初始水分分布。

凍藏后緩解水分流失：凍藏后，未添加SCPs的對照組A₂₂（不易流動水峰面積比例）降低，表明冰晶生長導致凝膠網絡破壞、水分流失。而SCPs處理組能更好地維持A₂₂，從水分狀態(tài)變化這一角度證明了其抑制冰晶破壞、保護凝膠網絡的能力。

此外，LF-NMR 數據證實 10.0 g/kg 的 SCPs 能將 T₂₁弛豫時間從對照組的 0.285 ms 縮短至 0.187 ms，顯著降低了凍藏過程中的水分遷移速率。

Part.2  MRI成像：可視化水分空間分布

在成像結果中，紅色信號區(qū)域代表高水分含量，藍色信號區(qū)域代表低水分含量。

• 隨著凍藏過程，對照組魚丸的紅色區(qū)域在逐漸變?yōu)榫G色/藍色，說明凍結過程使得魚丸中的水分分布變得不均均，持水能力下降、水分流失嚴重。
• SCPs添加組在整個凍藏期內能保持更大、更均勻的紅色區(qū)域。這表明SCPs通過抑制冰晶生長，顯著改善了魚丸的持水性，從水分空間分布上印證了其抗凍保護效果。

Part.3  機制解析：基于LF – NMR的水分調控模型

綜合LF – NMR、SEM與理化指標，本研究提出雙重機制：

01競爭結合機制

SCPs 含有豐富的羧基、氨基及疏水基團。適量添加（10.0 g/kg）可優(yōu)化水分分布；但過量添加（≥15.0 g/kg）會干擾蛋白質間的疏水相互作用和二硫鍵形成，導致流變學參數（儲能模量G′、損耗模量 G′′）顯著下降，表現為凝膠網絡松散和烹飪損失增加（20.0 g/kg組高達13.1%）。

02 吸附抑制機制

SCPs 通過氫鍵吸附于冰晶表面抑制其生長，產生熱滯后效應（Thermal Hysteresis），導致冰晶生長出現
‘間隙’并形成特有的金字塔形冰晶結構。這種微觀形態(tài)的改變減輕了冰晶對肌原纖維蛋白網絡的機械刺破作用，維持了凍藏后的結構完整性。

3 總結

本研究通過LF-NMR技術，從分子水平揭示了短鏈多肽在魚丸凍藏過程中的雙重作用機制：一方面通過競爭性結合改變水分初始狀態(tài)，另一方面通過抑制冰晶生長保護凝膠網絡，從而減少不易流動水的流失，維持產品品質。

實驗表明，10.0 g/kg 為最適添加量，在該濃度下，魚丸在 -20 ℃ 凍藏 120h 后，其烹飪損失比無添加組降低了 10.8%，色澤穩(wěn)定性（b?值）提升了 11.8%，且感官評價最接近新鮮樣本。

在實際應用中，LF-NMR技術能夠為冷凍食品配方的精準優(yōu)化（如確定SCPs的最適添加量）、凍藏工藝改進及產品質量控制提供數據支持，為其他復雜食品體系中水分的相態(tài)行為與品質調控研究提供可靠的技術方案。

參考文獻：

Xu, Y., Guo, X., Zhao, L., Ma, H., Zhang, L., & Fan, F. (2026). Short-chain polypeptides modulate ice crystallization to enhance cryoprotection of Saurida tumbil-derived fish balls. LWT, 119031. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2026.119031