Lavtemperatur-kølekædeteknologi er et af de mest almindelige og effektive midler til langtidsopbevaring af fødevarer. Væksten af iskrystaller og omkrystallisering forårsaget af nedfrysning, opbevaring, transport og nedfrysning/optøning af fødevarer i lavtemperatur-kølekæden er de vigtigste begrænsninger for produktkvaliteten. Gentagne temperatursvingninger får produkter til at lide under iskrystalvækst, frysning og optøning og omkrystallisering, hvilket beskadiger celle- og vævsstrukturer og dermed får produkter til at miste deres oprindelige kvalitet, hvilket fører til kvalitetsskader og enorme økonomiske tab, som i stigende grad bekymrer folk.

Forskere inden for beslægtede områder verden over står over for en alvorlig udfordring: hvordan man kontrollerer iskrystalvækst og omkrystallisering, og hvordan man realiserer hæmningen af iskrystalvækst i processen med lavtemperaturkølekæden, som er nøglen til at sikre kvaliteten af mange fødevareprodukter.

Introduktion af antifryseprotein

Efter en lang periode med selektion i det naturlige miljø producerer organismer i områder med høje temperaturer og stor højde en slags aktivt protein, antifryseprotein (AFP), for at modstå det kolde miljø.

Det vigtigste træk ved antifryseprotein er, at det kan adsorberes på overfladen af iskrystaller og dermed begrænse væksten af iskrystaller, hæmme omkrystalliseringen af iskrystaller og ændre iskrystallernes morfologi.

Sammen med opdagelsen af forskellige antifryseproteiner og uddybningen af forskningen er de to nøgleproblemer, der begrænser forskningen i og anvendelsen af naturlige antifryseproteiner på fødevareområdet, blevet mere og mere fremtrædende:
(1) Mængden af antifryseproteiner, der opnås ved naturlig isolering og rensning, er lille, og den meget begrænsede mængde begrænser udsigten til, at de kan anvendes i stor skala i fødevareindustrien;
(2) Mens forskere arbejder med transgen teknologi for at udvide produktionen af frostvæskeproteiner fra levende organismer, er sikkerheden ved genmodificerede frostvæskeproteiner i fødevarer blevet en fælles bekymring for forbrugere, EU og den amerikanske fødevare- og lægemiddelstyrelse (FDA).

Kilder til antifryse-peptider

Antifryseproteiner stammer hovedsageligt fra fisk, insekter, bakterier, planter og andre organismer, der dyrkes under ekstreme forhold som høje temperaturer og stor højde.

Antifryseproteiner kan kategoriseres i fire grupper efter deres kilder: antifryseproteiner afledt af fisk, antifryseproteiner afledt af insekter, antifryseproteiner afledt af bakterier og antifryseproteiner afledt af planter; og efter deres aktiviteter kan de kategoriseres i: AFP I til IV, hyperaktiv-AFP og antifryseglykoproteiner.

Naturlige antifryseproteiner har et meget lavt indhold i organismer, høje oprensningsomkostninger og stort tab af aktivitet under oprensning, hvilket begrænser forskningen og anvendelsen af antifryseproteiner i stor skala. I modsætning hertil opnås antifrysepeptider hovedsageligt fra fødevarebårne proteinkilder ved hydrolyse af specifikke enzymatiske steder, hvilket er kendetegnet ved kontrollerbar og effektiv fremstilling.

De nuværende rapporter om fødevarebårne antifrysepeptider er for det meste fremstillet af spiselig gelatine eller biprodukter fra forarbejdning, såsom dyrehud og fiskeskæl.

Egenskaber ved antifryse-peptider

3.1 Termisk hysterese-aktivitet
Antifryseproteiner kan specifikt sænke en opløsnings frysepunkt uden at påvirke dens smeltepunkt, så forskellen mellem frysepunktet og smeltepunktet kaldes termisk hystereseaktivitet.

Undersøgelser har vist, at de antifryseaktive fragmenter af antifryseproteiner kun findes i lokaliserede specifikke polypeptidkædestrukturdomæner, og at deres antifryseaktivitet ikke er det samlede protein i aktion.

Hong Jing og Wu Jinhong fandt også ud af, at frostsikre kollagenpeptider med specifikke aminosyrelængder og -strukturer var i stand til at binde sig til islaget gennem hydrogenbinding og derefter hæmme dannelsen af iskrystaller gennem hydrofobe interaktioner, hvilket indikerer, at Kelvin-effekten af frostsikre proteiner også gælder for frostsikre peptider, som også er kendt som termisk hystereseaktivitet.

3.2 Inhibering af omkrystallisation
Når temperaturen er lavere end smeltepunktet, har iskrystaller en tendens til at samle sig, og omkrystalliseringseffekten er samlingen mellem iskrystaller og samlingen af små iskrystaller for at danne store iskrystaller.

Antifrysepeptiders omkrystallisationshæmmende effekt kan regulere iskrystaller og forhindre iskrystalaggregering, så iskrystallernes størrelse og form kan reguleres, og de dannede iskrystaller er fine og ensartede.

Under påvirkning af hydrogenbinding, hydrofobisk interaktion og van der Waals-kraft kan antifrysepeptidet regulere iskrystaller og reducere de mekaniske skader, som iskrystaller forårsager på organismen.

3.3 Beskyttelse af cellemembranen
Når celler er i frossen eller underafkølet tilstand, vil de iskrystaller, der dannes i cellernes omgivende og indre miljø, forårsage mekanisk skade på cellerne, og kuldestress vil fremkalde apoptose, hvilket vil fremskynde cellernes død. Hirano, Tatsuro og Davies rapporterede, at antifryseproteiner i fisk kan beskytte cellemembraner mod skader ved lave temperaturer.

Anvendelse af antifryse-peptider i fødevareindustrien

Med væksten i den globale handel og udvidelsen af produktions- og markedsføringsafstanden er efterspørgslen efter forarbejdede fødevarer i kølekæden steget. Andelen af frosne fødevarer i fødevareindustrien vokser også.

Som en ny klasse af fødevaretilsætningsstoffer kan antifrysepeptider effektivt reducere dannelsen af iskrystaller og omkrystallisering i fødevarer under kølekædeprocessen og dermed forbedre kvaliteten af lavtemperaturfødevarer i kølekæden.

4.1 Is
Væksten af iskrystaller under køleopbevaring er en af de største udfordringer for producenter af frosne produkter som f.eks. is, fordi temperatursvingninger under opbevaring og håndtering kan fremme væksten af iskrystaller, hvilket kan påvirke isens smag og forringe produktets kvalitet.

Det er velkendt, at der er en direkte og tæt sammenhæng mellem iskrystallernes størrelse og graden af ruhed og/eller dannelsen af iskrystalstruktur. Derfor skal der gøres en indsats for at reducere størrelsen af iskrystaller og forekomsten af omkrystallisering i isproduktionens formuleringer, forarbejdning, opbevaring og distributionsforhold, fordi både iskrystalstørrelse og omkrystalliseringsdannelse har stor indflydelse på isens tekstur.

Wang Shaoyun og Damodaran et al. brugte kollagenhydrolyse til at sile isstrukturpeptid, det blev fundet, at denne type isstrukturpeptid kan reducere størrelsen på iskrystaller i isen betydeligt, og gennem det varme og kolde cyklussystem til at simulere temperatursvingningerne i kølekædeprocessen blev det fundet, at denne type isstrukturpeptid kan hæmme iskrystallens omkrystallisering i is betydeligt.

4.2 Probiotika
Probiotika er gavnlige bakterier, der ofte bruges i fødevareforarbejdning og er også vigtige bærere i molekylærbiologi, strukturbiologi, mikrobiologi og forskning i infektionssygdomme. Kontinuerlig dyrkning af stammer i en lang periode er ikke kun tidskrævende og arbejdskrævende, men også upraktisk, og derfor bruges kryokonservering og frysetørringsteknikker normalt i industrielle anvendelser og akademisk forskning.

Anti-frysepeptider kan forbedre den probiotiske fryseoverlevelsesrate, frysestabiliteten og opretholde bakteriecellernes metaboliske vitalitet betydeligt. Derudover kan antifrysepeptidet beskytte cellemembranen ved hydrogenbinding med cellemembranen for at reducere lækagen af intracellulære stoffer; på den anden side kan antifrysepeptidet komme ind i cellen for at reducere skaden på iskrystaller, der dannes i cellen under fryseprocessen.

4.3 Frosset dej
Moderne fryseteknologi er et effektivt middel til at løse problemerne med traditionelle basisfødevarer som f.eks. let aldring og kort holdbarhed. Som en ny type frostvæske til fødevarer er der i de senere år blevet rapporteret om frostvæskepeptider eller isstrukturerede peptider, der bruges til kryokonservering af frosne dejprodukter.

Blandt dem anvendte Wang Shaoyuns team fra Fuzhou University, Zhang Huis team fra Jiangnan University og Huang Weinings team med succes antifrysepeptid til frossen dej og frossen kartoffeldej. Efter tilsætning af antifrysepeptid var fermenteringstiden for frossen dej betydeligt kortere, og det specifikke volumen efter frysning var betydeligt højere end for kontrolgruppen. Desuden viste det sig, at den specifikke volumen af dampet brød lavet af frossen dej med antifrysepeptid var betydeligt højere end for kontrolgruppen.

4.4 Frosset kød
Med en global kødeksport, der i øjeblikket udgør mere end $13 mia. dollars, spiller fryseteknologi en afgørende rolle for sikkerheden af de kødprodukter, der leveres til verden. Men effekten af nedfrysning og optøning på kødkvaliteten er stadig et stort problem.

Gentagen nedfrysning og optøning påvirker primært kødets fugtindhold. Da fugt er indeholdt i og mellem muskelfibre, når fugt fryser, øges koncentrationen af resterende opløste stoffer (proteiner, lipider, kulhydrater, mineraler og vitaminer), og iskrystaller vokser og omkrystalliserer under fryseprocessen og kølekæden og forstyrrer derved homeostasen i det komplekse kødsystem og beskadiger kødets oprindelige organisation.

For at opsummere

Tilsætning af frostvæske er en effektiv måde at reducere kvalitetsforringelsen af frosne fødevarer på, og ny frostvæske som f.eks. frostvæskepeptid, der erstatter den traditionelle kommercielle frostvæske med højt sukker- og saltindhold, er en uundgåelig tendens med væksten i forbrugernes efterspørgsel efter livskvalitet og sunde fødevarer.

Fødevareafledte antifrysepeptider med specifik peptidkædelængde og strukturel domænesammensætning er en effektiv måde at løse problemet med begrænset forskning i og anvendelse af naturlige antifryseproteiner.