文獻(xiàn)解讀|深圳大學(xué)范方輝副教授團(tuán)隊：低場時域核磁共振助力魚丸凍藏品質(zhì)調(diào)控，基于弛豫與成像解析短鏈多肽的抗凍機制

1 文獻(xiàn)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(jié)晶導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、質(zhì)構(gòu)劣化和汁液流失，其中冰晶對肌原纖維結(jié)構(gòu)和水分分布的破壞是品質(zhì)下降的核心，也是制約傳統(tǒng)魚丸產(chǎn)業(yè)化升級的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)抗凍體系多依賴磷酸鹽和糖類，但在“清潔標(biāo)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(tuán)豐富及具有吸附-抑制活性和熱滯后效應(yīng)等特性，作為天然抗凍劑在冷凍食品領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。然而在魚丸體系中，SCPs 調(diào)控冰晶生長的機制仍不清晰，尤其是其對魚丸凝膠網(wǎng)絡(luò)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(jù)。

本研究采用復(fù)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(xiàn) 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(jìn)魚糜網(wǎng)絡(luò)并吸附 ice 界面的物質(zhì)基礎(chǔ)，要交代清楚。

2 低場時域核磁共振（LF-NMR）技術(shù)的核心作用

本研究通過 LF-NMR 技術(shù)，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(zhǔn)量化水分相態(tài)遷移、可視化水分分布，并與理化指標(biāo)相互印證，為 SCPs 的抗凍效果提供了直接的分子證據(jù)。

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

圖1是本研究中通過LF-NMR分析獲得的核心結(jié)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(jié)合水，通過氫鍵等作用與肌原纖維蛋白等組分緊密結(jié)合。
• T₂₂ (10 – 100 ms)：不易流動水，分布于凝膠網(wǎng)絡(luò)孔隙中，占總水分的90%以上，是決定持水性的關(guān)鍵。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：凍藏前競爭性結(jié)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(tuán)競爭性結(jié)合肌原纖維蛋白的親水位點，誘導(dǎo)結(jié)合水（T₂₁）向不易流動水（T₂₂）遷移，增強了結(jié)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(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)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(hù)凝膠網(wǎng)絡(luò)的能力。

此外，LF-NMR 數(shù)據(jù)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(jié)果中，紅色信號區(qū)域代表高水分含量，藍(lán)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(lán)色，說明凍結(jié)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(yán)重。
• SCPs添加組在整個凍藏期內(nèi)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(hù)效果。

Part.3  機制解析：基于LF – NMR的水分調(diào)控模型

綜合LF – NMR、SEM與理化指標(biāo)，本研究提出雙重機制：

01競爭結(jié)合機制

SCPs 含有豐富的羧基、氨基及疏水基團(tuán)。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(zhì)間的疏水相互作用和二硫鍵形成，導(dǎo)致流變學(xué)參數(shù)（儲能模量G′、損耗模量 G′′）顯著下降，表現(xiàn)為凝膠網(wǎng)絡(luò)松散和烹飪損失增加（20.0 g/kg組高達(dá)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(chǎn)生熱滯后效應(yīng)（Thermal Hysteresis），導(dǎo)致冰晶生長出現(xiàn)
‘間隙’并形成特有的金字塔形冰晶結(jié)構(gòu)。這種微觀形態(tài)的改變減輕了冰晶對肌原纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)的機械刺破作用，維持了凍藏后的結(jié)構(gòu)完整性。

3 總結(jié)

本研究通過LF-NMR技術(shù)，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(jié)合改變水分初始狀態(tài)，另一方面通過抑制冰晶生長保護(hù)凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而減少不易流動水的流失，維持產(chǎn)品品質(zhì)。

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(yīng)用中，LF-NMR技術(shù)能夠為冷凍食品配方的精準(zhǔn)優(yōu)化（如確定SCPs的最適添加量）、凍藏工藝改進(jìn)及產(chǎn)品質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支持，為其他復(fù)雜食品體系中水分的相態(tài)行為與品質(zhì)調(diào)控研究提供可靠的技術(shù)方案。

參考文獻(xiàn)：

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