Was sind die Merkmale der Wirkung von Frostschutzproteinen pflanzlichen Ursprungs und ihre Verwendung in Lebensmitteln?

Pflanzliche Gefrierschutzproteine
AFPs sind funktionelle Proteine, die von Pflanzen produziert werden, um ihre Zellen vor dem Einfrieren zu schützen, wenn sich die äußere Umgebung ändert. AFPs sind in verschiedenen Pflanzen unterschiedlich verteilt, und alle haben eine bestimmte Frostschutzaktivität, ein allgemeiner Begriff für eine Gruppe von Proteinen, die die Fähigkeit haben, die Frostschutzaktivität von Pflanzenzellen zu verbessern.
AFPs haben drei Eigenschaften, nämlich thermische Hystereseaktivität (THA), Veränderung der Morphologie des Eiskristallwachstums und Hemmung der Rekristallisation von Eiskristallen. Aus Pflanzen gewonnene AFPs haben eine geringere thermische Hystereseaktivität als aus Fischen und Insekten gewonnene AFPs, aber eine stärkere Fähigkeit, die Rekristallisation von Eiskristallen zu verhindern. Daher wird angenommen, dass der Hauptweg der pflanzlichen AFPs zur Regulierung der Gefrierbeständigkeit darin besteht, das Wachstum extrazellulärer Eiskristalle zu hemmen und die Rekristallisation von Eis zu verhindern.
Durch die Hemmung der Rekristallisation von Eiskristallen in Lösung können pflanzliche AFP die mechanischen Schäden, die durch die Schwankungen der Umgebungstemperatur unter Null verursacht werden, verringern und die Qualitätsverschlechterung von Lebensmitteln durch wiederholtes Einfrieren und Auftauen während der Kühlung verhindern, was sie für den Zusatz zu gekühlten Lebensmitteln geeigneter macht als andere AFP-Quellen.
Charakterisierung von Gefrierschutzproteinen
2.1 Thermische Hystereseaktivität (THA) Der Gefrierpunkt einer allgemeinen Lösung (z. B. NaCl, Saccharoselösung usw.) ist die Temperatur, bei der die Dampfdrücke der festen und der flüssigen Phase im Gleichgewicht sind, und daher sollte der Gefrierpunkt gleich dem Schmelzpunkt sein. Da AFPs nur den Vereisungsprozess und kaum den Schmelzprozess beeinflussen, so dass der Gefrierpunkt niedriger ist als der Schmelzpunkt, wird der Unterschied zwischen dem Gefrierpunkt und dem Schmelzpunkt als thermische Hysteresedifferenz bezeichnet, und diese Aktivität der AFPs wird THA genannt.
2.2 Veränderung der Morphologie des Eiskristallwachstums bei niedrigen Temperaturen, Eiskristalle durch den Einfluss von AFPs, so dass das Wachstum von Eiskristallen Morphologie Veränderung von der normalen Eiskristall der flachen runden Art Wachstum zu hexagonal prismatischen Kegel. Mit der Konzentration von AFPs und der Verlängerung der Zeit, die Morphologie der Eiskristalle neigt dazu, nadelartig sein.
2.3 Hemmung der Eiskristallrekristallrekristallisation in der Lösung bei Gefriertemperatur, die kleinen Eiskristalle in der Lösung verschwinden allmählich und aggregieren zu großen Eiskristallen, was zu Schäden an der Organisationsstruktur des Produkts führt. Die Lösung mit AFPs kann die Rekristallisation der Eiskristalle hemmen und die kleinen Eiskristalle gleichmäßig verteilen.
Anwendung von pflanzlichen AFPs im Lebensmittelbereich
Das Einfrieren ist eine der wichtigsten Phasen in der Kühlkette von Lebensmitteln, und die Kühlung ist eine im Lebensmittelbereich häufig verwendete Lagerungsmethode. Bei der Beförderung von Lebensmitteln in der Kühlkette sind Temperaturschwankungen sehr wahrscheinlich, was zum Gefrier-Auftau-Zyklus von Lebensmitteln führt. Daher ist es unvermeidlich, dass das Phänomen der Eiskristallrekristallisation auftritt, was wiederum zu einer Schädigung des Zellgewebes und damit zu Veränderungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Lebensmitteln und der Gewebemorphologie führt.
Gleichzeitig führt das Phänomen der Rekristallisation von Wasser zu Veränderungen in den inneren Bestandteilen der Zellen, zur Denaturierung von Proteinen, zur Regeneration von Stärke und anderen Phänomenen. Aus Pflanzen gewonnene AFPs können als Zusatzstoffe für Tiefkühlkost die Qualität von Tiefkühlkost wirksam verbessern.
3.1 Anwendung in Speiseeis Die Bildung und Rekristallisation von Eiskristallen in gefrorenen süßen Milchprodukten spielt eine entscheidende Rolle für die Qualität der Produkte. Der Prozess der Eiskristallbildung bestimmt das Wachstum der Eiskristalle während der Aushärtung und Lagerung von gefrorenen Milchprodukten und beeinflusst die sensorischen Eigenschaften wie die Cremigkeit des Eises, die Rauheit und Hydratation, die Härte und das eisige Mundgefühl usw.; und die Rekristallisation bestimmt die Stabilität der Textur und der Struktur des Eises nach dem gesamten Gefriervorgang.
Der Zusatz von AFPs kann die Größe von Eiskristallkernen mechanisch kontrollieren, das Wachstum von Eiskristallen in einer Saccharoselösung hemmen und die Stabilität unter statischen Lagerbedingungen verbessern.
Lillford et al. extrahierten AFPs aus Winterweizengras und fügten sie zu Speiseeis hinzu und beobachteten durch experimentelle Studien, dass die durchschnittliche Größe der Eiskristalle abnahm, wenn die AFP-Konzentration 0,05%~0,1% erreichte.
Regand et al. fügten AFPs aus Winterweizengras zu Eiscreme hinzu und beobachteten, dass AFPs aus Winterweizengras signifikante Frostschutzeigenschaften zeigten, wenn 0,003% des Rohproteins hinzugefügt wurden.
Die sensorische Bewertung von Speiseeis nach einem Monat Lagerung bei niedrigen Temperaturen (-18 ℃) zeigte, dass das Speiseeis der Blindgruppe bei -18 ℃ und schwankenden Bedingungen (-20 ℃~-10 ℃) sehr rau war und die Eiskristalle des Speiseeises die Form von Flocken hatten, wohingegen die Eiscreme mit dem Zusatz von Wintergras AFPs eine glatte Textur hatte und die Eiskristalle fein und homogen waren, was bestätigte, dass die Eiscreme mit dem Zusatz von Wintergras AFPs in der Lage war, die Wachstumsmorphologie der Eiskristalle zu modifizieren und die Rekristallisation zu verhindern.
Darüber hinaus wurde die Aktivität von Wintergras-AFP durch Wärmebehandlung verifiziert, und die Aktivität von Wintergras-AFP wurde durch Pasteurisierung nicht beeinträchtigt, und die Aktivitätswirkung von Wintergras-AFP erreichte ein Gleichgewicht bei einer Zugabemenge von 0,13%.
Zhang et al. extrahierten AFPs aus kaltem, domestiziertem Hafer und modifizierten Speiseeis mit 0,1% AFPs, die die Glasübergangstemperatur von -29,14 ℃ auf -27,74 ℃ erhöhten, die Schmelzbeständigkeit von Speiseeis verbesserten und seine Rekristallisation wirksam verhinderten. Der Zusatz von pflanzlichen AFPs milderte die durch Gefrieren und Temperaturschwankungen verursachten Schäden an Speiseeis und führte zu einem gefrorenen Lebensmittelprodukt mit hoher Qualität und gutem Geschmack.
3.2 Anwendung in gefrorenem Teig Stärke ist ein unverzichtbarer Rohstoff in vielen Bereichen der Lebensmittelverarbeitung, und die Anwendung von pflanzlichen AFPs in gefrorenem Teig ist relativ groß.
Pflanzliche AFPs können die Menge des aus dem Teig ausgefallenen kristallinen Wassers regulieren, so dass das Wasser und das Gluten im Teig in dem Zustand vor dem Einfrieren gehalten werden können und somit die Gel-Stabilität des Teigs, die Porengröße und die Gleichmäßigkeit des fermentierten Teigs sowie die Textur und das Aroma des Teigs nach der Reifung nicht beeinträchtigt werden.
Jia Chunli et al. fügten Ligustrum officinale AFPs zu Weizenstärke hinzu, um die Stabilität des Stärkegels nach dem Einfrieren und Auftauen zu untersuchen, und stellten fest, dass mit der Erhöhung der Konzentration von Ligustrum officinale AFPs die Ausfällungsrate der einfrierenden und auftauenden Stärke und der gefrierbare Wassergehalt deutlich reduziert wurden, Durch die Veränderung der Ultrastruktur des Gels wurde die Zunahme der Porengröße der Stärke gehemmt, die Homogenität der Stärke wurde verbessert, die Zunahme der Gelhärte und die Abnahme der Gel-Elastizität wurden verzögert, was die Textur des Gels nach dem Einfrieren und Auftauen verbesserte.
Kontogiorgos et al. isolierten eine Art hitzestabiler AFPs aus Winterweizengras und fügten sie dem Teig hinzu. Sie stellten fest, dass sich die Glutenstruktur des Rohlings veränderte, wenn er 30 Tage lang unter Temperaturschwankungen (-20 ℃ bis -10 ℃) gelagert wurde, während die Rekristallisierung von Eiskristallen im Teig mit dem Zusatz von 0,1% Winterweizengras-AFPs reduziert wurde und die Glutenmaschenstruktur des Teigs kleiner und einheitlich war.
Darüber hinaus fügten Liu Mei et al. dem Teig Karotten-AFP hinzu und stellten fest, dass der Zusatz von Karotten-AFP den Anstieg des Wassergehalts des Teigs während des Gefrier-Tau-Zyklus reduzierte, die durch den Gefrier-Tau-Zyklus verursachten Schäden an den Lagereigenschaften und der Ultrastruktur des gefrorenen Teigs abschwächte und somit das charakteristische Volumen und die Textureigenschaften des Teigs nach der Reifung verbesserte.
Xia Lu et al. verwendeten AFPs, die aus Winterweizenkleie extrahiert wurden, als Zusatzstoff für die Zubereitung von tiefgefrorenen Suppenknödeln mit 1%, 2%, 2,5% und 3% im Vergleich zu Klebreismehl. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Zugabe von 2,5% AFPs die Qualität der Knödel deutlich verbesserte, und die gekochten Knödel hatten ein glattes Aussehen, gute Elastizität und eine klare und transparente Brühe.
3.3 Anwendung in frischen Früchten Gefrorene Früchte haben einen hohen Wassergehalt und sind anfällig für Saftverlust und weiche Verformung während des Einfrierens und der Kühlung. Alginat und Winterweizen AFPs in frische Erdbeeren gemischt, dann durch flüssigen Stickstoff eingefroren, nach dem Auftauen, um seine Zellaktivität und Saftverlustrate zu bestimmen, die Ergebnisse zeigen, dass AFPs deutlich die Gefrierbeständigkeit von Erdbeeren zu verbessern, und kann seine ursprüngliche Form und die Textur der Frucht selbst zu erhalten, die sensorische und Geschmack der Frucht zu erhalten.
Rui et al. wendeten die Vakuumimprägnierungsmethode an, um die Bohnenquarkblätter in einem geschlossenen Lagertank mit AFPs reagieren zu lassen. Nach einer kurzen Zeit des Vakuumdruck- und Atmosphärendruck-Rückgewinnungsprozesses standen die AFPs in direktem Kontakt mit den Poren der Bohnenquarkblätter, um eine Beschädigung des Blattgewebes zu vermeiden und den Verlust von Blattsaft zu reduzieren.
Die Mikrostrukturanalyse zeigte, dass die Eiskristalle in Bohnenquarkblättern klein waren. Der Frostschutz von frischem Obst und Gemüse konzentriert sich auf die Frage, ob die Zellmorphologie nach dem Einfrieren intakt ist und ob die Lebensfähigkeit von erfrorenem Gewebe erhalten bleibt, und auch die Anwendbarkeit verschiedener AFPs im Bereich des Frostschutzes von Obst und Gemüse auf zelluläre Lebensmittel aus Obst und Gemüse bedarf weiterer Forschung.
Schlussfolgerung und Ausblick
Die Produktion von AFPs in Pflanzen ist ein komplexer Prozess, und das Vorhandensein von pflanzlichen AFPs steht in engem Zusammenhang mit der Wachstumsresistenz von Pflanzen. Veränderungen in der äußeren Umgebung wirken sich direkt auf die Konzentration der pflanzlichen AFPs aus, und Faktoren wie chemische Induktion stimulieren ebenfalls die Produktion von AFPs in Pflanzen, wobei im Lebensmittelbereich meist der Weg des Klonens oder der Transgenität gewählt wird, um pflanzliche AFPs zu erhalten.
Aus Pflanzen gewonnene AFPs können die Rekristallisation während des Einfrierens und der Kryokonservierung hemmen und die durch den Saftfluss während des Auftauens verursachte Verschlechterung des Nährwerts und der Qualität verringern. Darüber hinaus sind pflanzliche AFPs nicht toxisch, und ihre Zugabe zu einer Vielzahl von Lebensmitteln wird keine negativen Auswirkungen haben, und ihre funktionellen Eigenschaften sind nicht mit toxischen Proteinen verbunden, so dass die Studie von pflanzlichen AFPs in der zukünftigen Anwendung des Lebensmittelbereichs sehr vielversprechend ist.
Die derzeitige Forschung über den Mechanismus von AFPs hat eine neue Richtung der Frostschutztechnologie in Lebensmitteln aufgezeigt und eine theoretische Grundlage für die Produktionspraxis geschaffen. Allerdings sind pflanzliche AFPs in ihrer großtechnischen Anwendung immer noch begrenzt, vor allem wegen der geringen Menge an AFPs, die aus Pflanzen extrahiert werden, was eine großtechnische Produktion verhindert, sowie wegen der hohen Kosten und der schlechten Reproduzierbarkeit von synthetischen AFPs.
Daher ist es wichtig, die Eigenschaften der pflanzlichen AFPs, wie relative Molekülmasse, isoelektrischer Punkt, thermohysteretische Aktivität und Frostschutzmechanismus, zu nutzen, um effiziente Trennungs- und Reinigungsmethoden für die großtechnische Anwendung zu entwickeln und die optimalen Bedingungen für die Anwendung von pflanzlichen AFPs in verschiedenen Arten von Lebensmitteln zu finden, die einen Schutz für die Produktion, den Transport und die Lagerung von Lebensmitteln in der Kühlkette bieten können. Die Nutzung der Gentechnologie zur Übertragung von Frostschutzgenen aus Pflanzen in Empfängerzellen, um eine große Anzahl von Molekülen mit Frostschutzaktivität zu erhalten, wird ebenfalls eine neue Richtung für die Anwendung von AFPs aus Pflanzen in Lebensmitteln sein.