植物抗冻蛋白作用机制的分子模拟及其在食品中的冰晶修饰与抑制作用研究

抗冻蛋白（Antifreeze protein, AFP）是一种具有非依数性降低体系冰点、修饰冰晶形态和抑制重结晶等特性的蛋白质，广泛分布于鱼类、昆虫、植物等各类抗冻有机体中，在食品、医学和生物技术等领域具有重要的应用前景。鉴于植物AFP与动物AFP显著不同的功能特性，而目前植物AFP结构与作用机制研究的匮乏，本项目拟采用分子模拟技术研究植物AFP与冰晶的相互作用，揭示其作用机制。同时系统研究植物AFP在不同食品体系中的冰晶修饰和抑制作用，揭示其在食品中的作用规律。主要研究内容包括筛选、分离若干植物AFP，对其结构进行分析和建模，对其与冰晶相互作用进行分子模拟、计算和分析，观察其在不同食品体系中对冰晶的修饰、抑制和对食品品质的影响。项目研究对于深刻理解植物AFP的作用机制、提高其理论研究水平、了解其在食品不同体系中的作用，以及促进其作为食品添加剂在食品中的应用具有重要意义。

植物抗冻蛋白（AFPs）具有低热滞活性高重结晶抑制活性的特点。关于植物AFPs抗冻机制的研究鲜为报道，鱼类AFPs抗冻机制的假说，如吸附-抑制学说等是否适用于植物AFPs仍有待证实。本项目采用分子模拟技术对植物AFPs的作用机制进行研究并对其在食品中的冰晶修饰和抑制作用进行研究。研究内容包括：从冷诱导植物中分离制备植物AFPs；对植物AFPs进行序列鉴定，对其结构和性质进行分析；通过分子模拟技术构建AFPs三维结构，并与冰晶平面进行对接；通过分子动力学模拟与计算确定AFPs与冰晶的最佳冰晶结合平面与结合过程中的主要作用力；研究冻结和冻藏过程中植物AFPs对冷冻食品质的影响。研究发现不同来源的植物AFPs氨基酸序列没有同源性；具有抗冻活性和抗菌、几丁质酶等双重功能；与某些鱼类AFPs的二级结构相似，除含有一定比例的α-螺旋结构外，均含有较高比例（50%）的无规则线团结构。不同植物的AFPs冰晶结合表面不同，且通常具有多个冰晶结合面，不同冰晶平面与冰晶的结合强度不同。植物AFPs的最佳冰晶结合平面是相对平整的疏水性区域，而且其链的刚性是AFPs冰结合机制的关键。除氢键和范德华力外，疏水作用力、库仑作用、轨道重合和电荷迁移等在植物AFPs与冰晶的结合中发挥重要作用。植物AFPs能够降低冷冻食品中可冻结水含量、限制冻藏过程中水分自由度的增加和水分的迁移，从而降低温度波动引起的冰晶重结晶对冷冻食品品质的破坏。该项目的研究结果为植物AFPs在冷冻食品体系中的抗冻机制提供了一些实验数据，并为AFPs在冷冻食品中的应用提供了一些理论指导。