Die Technologie der Tiefkühlkette ist eine der gängigsten und effektivsten Methoden zur langfristigen Lagerung von Lebensmitteln. Das Wachstum von Eiskristallen und die Rekristallisation, die durch das Einfrieren, die Lagerung, den Transport und das Einfrieren/Auftauen von Lebensmitteln in der Tieftemperatur-Kühlkette verursacht werden, sind die wichtigsten Einschränkungen für die Produktqualität. Wiederholte Temperaturschwankungen führen zum Wachstum von Eiskristallen, zum Einfrieren und Auftauen und zur Rekristallisation, wodurch die Zell- und Gewebestrukturen geschädigt werden und die Produkte ihre ursprüngliche Qualität verlieren, was zu Qualitätseinbußen und enormen wirtschaftlichen Verlusten führt, die den Menschen zunehmend Sorgen bereiten.

Wissenschaftler in verwandten Bereichen stehen weltweit vor einer großen Herausforderung: Wie kann man das Wachstum und die Rekristallisation von Eiskristallen kontrollieren und wie kann man das Wachstum von Eiskristallen in der Kühlkette bei niedrigen Temperaturen verhindern, was der Schlüssel zur Sicherung der Qualität vieler Lebensmittel ist.

Einführung von Antifreeze-Proteinen

Nach einer langen Selektionsphase in der natürlichen Umwelt produzieren Organismen in Gebieten mit hohen Temperaturen und großen Höhen eine Art aktives Protein, das Frostschutzprotein (AFP), um der Kälte zu widerstehen.

Die wichtigste Eigenschaft von Frostschutzproteinen ist, dass sie an der Oberfläche von Eiskristallen adsorbiert werden können und so das Wachstum von Eiskristallen einschränken, die Rekristallisation von Eiskristallen verhindern und die Morphologie von Eiskristallen verändern.

Mit der Entdeckung verschiedener Frostschutzproteine und der Vertiefung der Forschung sind die beiden Hauptprobleme, die die Erforschung und Anwendung natürlicher Frostschutzproteine im Lebensmittelbereich einschränken, immer stärker in den Vordergrund getreten:
(1) Die Menge an Frostschutzproteinen, die durch natürliche Isolierung und Reinigung gewonnen werden, ist winzig, und die sehr begrenzte Menge schränkt die Aussichten auf eine groß angelegte Anwendung in der Lebensmittelindustrie ein;
(2) Während Wissenschaftler an der transgenen Technologie arbeiten, um die Produktion von Gefrierschutzproteinen aus lebenden Organismen zu erweitern, ist die Sicherheit von gentechnisch veränderten Gefrierschutzproteinen in Lebensmitteln für die Verbraucher, die Europäische Union und die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) zu einer allgemeinen Sorge geworden.

Quellen für Frostschutzpeptide

Frostschutzproteine werden hauptsächlich aus Fischen, Insekten, Bakterien, Pflanzen und anderen Organismen gewonnen, die unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen und großen Höhen gezüchtet werden.

Frostschutzproteine lassen sich nach ihren Quellen in vier Gruppen einteilen: aus Fischen gewonnene Frostschutzproteine, aus Insekten gewonnene Frostschutzproteine, aus Bakterien gewonnene Frostschutzproteine und aus Pflanzen gewonnene Frostschutzproteine; nach ihren Aktivitäten lassen sie sich in folgende Kategorien einteilen: AFP I bis IV, hyperaktives AFP und Frostschutz-Glykoproteine.

Natürliche Frostschutzproteine haben einen sehr geringen Gehalt in Organismen, hohe Reinigungskosten und einen großen Aktivitätsverlust während der Reinigung, was die Forschung und die groß angelegte Anwendung von Frostschutzproteinen einschränkt. Im Gegensatz dazu werden Frostschutzpeptide hauptsächlich aus lebensmittelbasierten Proteinquellen durch Hydrolyse spezifischer enzymatischer Stellen gewonnen, was sich durch eine kontrollierbare und effiziente Herstellung auszeichnet.

Die derzeit gemeldeten lebensmittelbedingten Frostschutzpeptide werden meist aus Speisegelatine oder Verarbeitungsnebenprodukten wie Tierhaut und Fischschuppen hergestellt.

Eigenschaften von Antifreeze-Peptiden

3.1 Thermische Hysterese Aktivität
Frostschutzproteine können den Gefrierpunkt einer Lösung gezielt senken, ohne ihren Schmelzpunkt zu beeinflussen, so dass der Unterschied zwischen Gefrier- und Schmelzpunkt als thermische Hystereseaktivität bezeichnet wird.

Studien haben gezeigt, dass die frostschutzaktiven Fragmente von Frostschutzproteinen nur in lokalisierten, spezifischen Polypeptidketten-Strukturbereichen vorhanden sind und ihre Frostschutzaktivität nicht das gesamte Protein in Aktion ist.

Hong Jing und Wu Jinhong fanden außerdem heraus, dass kollagene Frostschutzpeptide mit bestimmten Aminosäurelängen und -strukturen in der Lage waren, sich durch Wasserstoffbrückenbindungen an die Eisschicht zu binden und dann die Bildung von Eiskristallen durch hydrophobe Wechselwirkungen zu hemmen, was darauf hindeutet, dass der Kelvin-Effekt von Frostschutzproteinen auch auf Frostschutzpeptide anwendbar ist, die auch als thermische Hystereseaktivität bekannt sind.

3.2 Rekristallisationshemmende Wirkung
Wenn die Temperatur unter dem Schmelzpunkt liegt, neigen Eiskristalle zur Aggregation, und der Rekristallisationseffekt ist die Aggregation zwischen Eiskristallen und die Aggregation von kleinen Eiskristallen zu großen Eiskristallen.

Die rekristallisationshemmende Wirkung des Frostschutzpeptids kann die Eiskristalle regulieren und die Eiskristallaggregation verhindern, so dass die Größe und Form der Eiskristalle reguliert werden kann und die gebildeten Eiskristalle fein und gleichmäßig sind.

Unter dem Einfluss von Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophober Wechselwirkung und Van-der-Waals-Kräften kann das Frostschutzpeptid Eiskristalle regulieren und die durch Eiskristalle verursachten mechanischen Schäden im Organismus verringern.

3.3 Schutz der Zellmembran
Wenn sich Zellen in einem gefrorenen oder unterkühlten Zustand befinden, verursachen die Eiskristalle, die sich in der Umgebung und im Inneren der Zellen bilden, mechanische Schäden an den Zellen, und der Kältestress löst Apoptose aus, was den Tod der Zellen beschleunigt.Hirano, Tatsuro und Davies berichteten, dass Frostschutzproteine in Fischen die Zellmembranen vor Schäden durch niedrige Temperaturen schützen können.

Anwendung von Frostschutzpeptiden in der Lebensmittelindustrie

Mit dem Wachstum des Welthandels und der Ausdehnung der Produktions- und Vermarktungsräume ist die Nachfrage nach verarbeiteten Lebensmitteln in der Kühlkette gestiegen. Auch der Anteil der Tiefkühlkost in der Lebensmittelindustrie nimmt zu.

Als eine neue Klasse von Lebensmittelzusatzstoffen können Frostschutzpeptide die Bildung von Eiskristallen und die Rekristallisation in Lebensmitteln während des Kühlkettenprozesses wirksam reduzieren und so die Qualität von Lebensmitteln mit niedriger Temperatur in der Kühlkette verbessern.

4.1 Speiseeis
Das Wachstum von Eiskristallen während der Kühllagerung ist eine der größten Herausforderungen für Hersteller von Tiefkühlprodukten wie Speiseeis, denn Temperaturschwankungen während der Lagerung und Handhabung können das Wachstum von Eiskristallen fördern, was den Geschmack von Speiseeis beeinträchtigen und die Qualität des Produkts mindern kann.

Es ist bekannt, dass ein direkter und enger Zusammenhang zwischen der Größe der Eiskristalle und dem Grad der Rauheit und/oder der Bildung der Eiskristallstruktur besteht. Daher müssen Anstrengungen unternommen werden, um die Größe der Eiskristalle und das Auftreten von Rekristallisationen bei der Herstellung von Speiseeis sowie bei den Verarbeitungs-, Lagerungs- und Vertriebsbedingungen zu verringern, da sowohl die Größe der Eiskristalle als auch die Bildung von Rekristallisationen einen großen Einfluss auf die Textur von Speiseeis haben.

Wang Shaoyun und Damodaran et al. verwendeten Kollagenhydrolyse, um Eisstrukturpeptide zu sieben. Es wurde festgestellt, dass diese Art von Eisstrukturpeptiden die Größe der Eiskristalle im Speiseeis erheblich reduzieren kann, und durch das Heiß-Kalt-Zyklus-System, um die Temperaturschwankungen in der Kühlkette zu simulieren, wurde festgestellt, dass diese Art von Eisstrukturpeptiden die Eiskristallrekristallrekristallisierung im Speiseeis erheblich hemmen kann.

4.2 Probiotika
Probiotika sind nützliche Bakterien, die häufig in der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt werden und auch in der Molekularbiologie, der Strukturbiologie, der Mikrobiologie und der Erforschung von Infektionskrankheiten eine wichtige Rolle spielen. Die kontinuierliche Kultivierung von Stämmen über einen langen Zeitraum ist nicht nur zeit- und arbeitsaufwändig, sondern auch unpraktisch. Daher werden in industriellen Anwendungen und in der akademischen Forschung in der Regel Verfahren zur Kryokonservierung und Gefriertrocknung eingesetzt.

Gefrierschutzpeptide können die probiotische Überlebensrate beim Einfrieren und die Gefrierstabilität erheblich verbessern und die metabolische Vitalität der Bakterienzellen aufrechterhalten. Darüber hinaus kann das Frostschutzpeptid die Zellmembran durch Wasserstoffbrückenbindungen mit der Zellmembran schützen, um das Austreten intrazellulärer Substanzen zu verringern; andererseits kann das Frostschutzpeptid in die Zelle eindringen, um die Schäden durch Eiskristalle zu verringern, die sich während des Gefrierprozesses in der Zelle bilden.

4.3 Gefrorener Teig
Die moderne Gefriertechnologie ist ein wirksames Mittel, um die Probleme traditioneller Grundnahrungsmittel wie leichte Alterung und kurze Haltbarkeit zu lösen. Als eine neue Art von Frostschutzmittel für Lebensmittel wurden in den letzten Jahren Frostschutzpeptide oder Peptide mit Eisstruktur für die Kryokonservierung von gefrorenen Teigprodukten verwendet.

Das Team von Wang Shaoyun von der Universität Fuzhou, das Team von Zhang Hui von der Universität Jiangnan und das Team von Huang Weining wendeten erfolgreich Frostschutzpeptide auf gefrorenen Teig und gefrorenen Kartoffelteig an. Nach dem Zusatz von Frostschutzpeptid war die Gärzeit des gefrorenen Teigs deutlich kürzer und das spezifische Volumen nach dem Einfrieren deutlich höher als das der Kontrollgruppe. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das spezifische Volumen von gedämpftem Brot aus gefrorenem Teig mit Frostschutzpeptid signifikant höher war als das der Kontrollgruppe.

4.4 Gefrorenes Fleisch
Bei weltweiten Fleischexporten im Wert von über $13 Milliarden US-Dollar spielt die Gefriertechnik eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit der in die Welt gelieferten Fleischprodukte. Die Auswirkungen des Einfrierens und Auftauens auf die Fleischqualität sind jedoch nach wie vor ein großes Problem.

Wiederholtes Einfrieren und Auftauen wirkt sich vor allem auf den Feuchtigkeitsgehalt von Fleisch aus. Da Feuchtigkeit in und an den Zwischenräumen der Muskelfasern enthalten ist, steigt beim Gefrieren von Feuchtigkeit die Konzentration der verbleibenden gelösten Stoffe (Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, Mineralien und Vitamine) an, und Eiskristalle wachsen und rekristallisieren während des Gefrierprozesses und der Kühlkette, wodurch die Homöostase des komplexen Fleischsystems gestört und die ursprüngliche Organisation des Fleisches beschädigt wird.

Zusammenfassend

Die Zugabe von Frostschutzmitteln ist ein wirksames Mittel, um die Qualitätsminderung von Tiefkühlkost zu verringern, und neue Frostschutzmittel wie z. B. Frostschutzpeptide, die die herkömmlichen zucker- und salzhaltigen handelsüblichen Frostschutzmittel ersetzen, sind ein unvermeidlicher Trend angesichts der wachsenden Nachfrage der Verbraucher nach Lebensqualität und gesunden Lebensmitteln.

Aus Lebensmitteln gewonnene Frostschutzpeptide mit spezifischer Peptidkettenlänge und struktureller Domänenzusammensetzung sind ein wirksames Mittel, um das Problem der begrenzten Erforschung und Anwendung natürlicher Frostschutzproteine zu lösen.