¿Cuáles son las características de la acción de las proteínas anticongelantes de origen vegetal y su aplicación en la alimentación?

Proteínas anticongelantes de origen vegetal
Las proteínas anticongelantes de origen vegetal (AFP) son proteínas funcionales producidas por las plantas para proteger sus células de la congelación cuando cambia el entorno exterior. Las AFP se distribuyen de forma diferente en las distintas plantas, y todas ellas tienen cierta actividad anticongelante, que es un término general para un grupo de proteínas que tienen la capacidad de mejorar la actividad anticongelante de las células vegetales.
Las AFP tienen tres propiedades: actividad de histéresis térmica (THA), modificación de la morfología de crecimiento de los cristales de hielo e inhibición de la recristalización de los cristales de hielo. Las AFP derivadas de plantas tienen una actividad de histéresis térmica menor que las derivadas de peces e insectos, pero una mayor capacidad para inhibir la recristalización de los cristales de hielo. Por lo tanto, se cree que la principal vía de las AFPs derivadas de plantas para regular la resistencia a la congelación es inhibir el crecimiento de cristales de hielo extracelulares e inhibir la recristalización del hielo.
Al inhibir la recristalización de los cristales de hielo en solución, los AFPs derivados de plantas pueden reducir los daños mecánicos causados por la fluctuación de la temperatura ambiente por debajo de cero e inhibir el deterioro de la calidad de los productos alimenticios debido a la congelación y descongelación repetidas durante el proceso de refrigeración, lo que los hace más adecuados para su adición a los alimentos refrigerados que otras fuentes de AFPs.
Caracterización de las proteínas anticongelantes
2.1 Actividad de histéresis térmica (THA) El punto de congelación de una solución general (por ejemplo, NaCl, solución de sacarosa, etc.) es la temperatura a la que las presiones de vapor de las fases sólida y líquida están en equilibrio, por lo que el punto de congelación debe ser igual al punto de fusión. Dado que las AFP sólo afectan al proceso de congelación y apenas afectan al proceso de fusión, haciendo que el punto de congelación sea inferior al punto de fusión, la diferencia entre su punto de congelación y su punto de fusión se denomina diferencia de histéresis térmica, y esta actividad de las AFP se denomina THA.
2.2 Efecto de modificación de la morfología de crecimiento de los cristales de hielo A bajas temperaturas, los cristales de hielo debido a la influencia de las AFPs, hacen que el crecimiento de la morfología de los cristales de hielo cambie del cristal de hielo normal de crecimiento de tipo redondo plano a cono prismático hexagonal. Con la concentración de AFPs y la prolongación del tiempo, la morfología de los cristales de hielo tiende a ser en forma de aguja.
2.3 Inhibir la recristalización de cristales de hielo en la solución a temperatura de congelación, los pequeños cristales de hielo en la solución desaparecen gradualmente y se agregan en grandes cristales de hielo, causando daños a la estructura organizativa del producto. La solución con AFPs puede inhibir la recristalización de los cristales de hielo y hacer que los pequeños cristales de hielo se distribuyan uniformemente.
Aplicación de las AFPs de origen vegetal en el ámbito alimentario
La congelación es una de las etapas más importantes en el transporte de alimentos por la cadena de frío, y la refrigeración es un método de almacenamiento muy utilizado en el sector alimentario. Es muy probable que se produzcan fluctuaciones de temperatura en el transporte de alimentos por la cadena de frío, lo que da lugar al ciclo de congelación-descongelación de los alimentos. Por lo tanto, es inevitable que se produzca el fenómeno de recristalización de los cristales de hielo, que a su vez causa daños en el tejido celular, lo que provoca cambios en las propiedades fisicoquímicas de los alimentos y en la morfología de los tejidos.
Al mismo tiempo, el fenómeno de recristalización del agua también provocará cambios en los componentes internos de las células, desnaturalización de proteínas, regeneración del almidón y otros fenómenos. Las AFP de origen vegetal como aditivos alimentarios congelados pueden mejorar eficazmente la calidad de los alimentos congelados.
3.1 Aplicación en helados La formación y recristalización de cristales de hielo en los productos lácteos dulces congelados desempeñan un papel crucial en la calidad de los productos. El proceso de formación de cristales de hielo determina el crecimiento de los cristales de hielo durante el endurecimiento y el almacenamiento de los productos lácteos congelados, e influye en las cualidades sensoriales, como el estado cremoso del helado, la rugosidad y la hidratación, la dureza y la sensación helada en boca, etc.; y la recristalización determina la estabilidad de la textura y la estructura del helado después de toda la operación de congelación.
La adición de AFPs puede controlar mecánicamente el tamaño de los núcleos de cristales de hielo, inhibir el crecimiento de cristales de hielo en solución de sacarosa y mejorar la estabilidad en condiciones de almacenamiento estático.
Lillford et al. extrajeron las AFPs de la hierba de trigo de invierno y las añadieron al helado, y observaron mediante estudios experimentales que se podía inducir la disminución del tamaño medio de los cristales de hielo cuando la concentración de AFPs alcanzaba 0,05%~0,1%.
Regand et al. añadieron AFPs de pasto de trigo de invierno al helado y observaron que las AFPs de pasto de trigo de invierno mostraban propiedades anticongelantes significativas cuando se añadía 0,003% de proteína bruta mediante microscopía de campo brillante.
La evaluación sensorial del helado tras un mes de almacenamiento a baja temperatura (-18 ℃) mostró que el helado del grupo en blanco a -18 ℃ y en condiciones fluctuantes (-20 ℃~-10 ℃) era muy áspero y los cristales de hielo del helado tenían forma de escamas, mientras que el helado con la adición de AFPs wintergrass tenía una textura suave y los cristales de hielo eran finos y homogéneos, lo que confirmó que el helado con la adición de AFPs wintergrass era capaz de modificar la morfología de crecimiento de los cristales de hielo e inhibía la recristalización.
Además, la actividad de las AFPs de pasto invernal se verificó mediante tratamiento térmico, y la actividad de las AFPs de pasto invernal no se vio afectada por la pasteurización, y el efecto de la actividad de las AFPs de pasto invernal alcanzó el equilibrio en el nivel de adición de 0,13%.
Zhang et al. extrajeron las AFPs de la avena domesticada fría y modificaron el helado con 0,1% de AFPs, lo que aumentó la temperatura de transición vítrea de -29,14 ℃ a -27,74 ℃, mejoró la resistencia a la fusión del helado e inhibió eficazmente su recristalización. La adición de AFP de origen vegetal mitigó los daños causados al helado por la congelación y las fluctuaciones de temperatura, dando como resultado un producto alimenticio congelado de gran calidad y sabor.
3.2 Aplicación en masas congeladas El almidón es una materia prima indispensable en muchos tipos de procesado de alimentos, y la aplicación de las AFPs de origen vegetal en masas congeladas es relativamente amplia.
Los AFP de origen vegetal pueden regular la cantidad de agua cristalina precipitada de la masa, de modo que el agua y el gluten de la masa puedan mantenerse en el estado anterior a la congelación, y así no se deterioren la estabilidad del gel de la masa, el tamaño de los poros y la uniformidad de la masa fermentada, ni la textura y el aroma de la masa tras la maduración.
Jia Chunli et al. añadieron Ligustrum officinale AFPs al almidón de trigo para estudiar la estabilidad del gel de almidón después de la congelación y descongelación, y encontraron que con el aumento de la concentración de Ligustrum officinale AFPs, la tasa de precipitación del almidón de congelación y descongelación y el contenido de agua congelable se redujeron significativamente, y la modificación de la ultraestructura del gel hizo que se inhibiera el aumento del tamaño de los poros del almidón, y se mejoró la homogeneidad del almidón, y se retrasó el aumento de la dureza del gel y la disminución de su elasticidad, lo que mejoró la textura del gel tras la congelación y descongelación.
Kontogiorgos et al. aislaron un tipo de AFPs termoestables de la hierba de trigo de invierno y las añadieron a la masa, y descubrieron que la estructura del gluten de la masa en blanco se alteraba cuando se almacenaba en condiciones de fluctuación de temperatura (-20 ℃ a -10 ℃) durante 30 días, mientras que la recristalización de cristales de hielo se reducía en la masa con la adición de 0,1% de AFPs de hierba de trigo de invierno, y la estructura de la malla de gluten de la masa era más pequeña y de forma uniforme.
Además, Liu Mei et al. añadieron AFP de zanahoria a la masa y descubrieron que la adición de AFP de zanahoria reducía el aumento del contenido de agua de congelación-descongelación de la masa durante el ciclo de congelación-descongelación, atenuaba los daños en las propiedades de almacenamiento y la ultraestructura de la masa congelada causados por el ciclo de congelación-descongelación y, por tanto, mejoraba el volumen característico y las propiedades texturales de la masa tras la maduración.
Xia Lu et al. utilizaron AFPs extraídas del salvado de trigo de invierno como aditivo para preparar albóndigas de sopa congeladas rápidamente con adiciones de 1%, 2%, 2,5% y 3% en relación con la harina de arroz glutinoso, y los resultados experimentales mostraron que las adiciones de AFPs de 2,5% mejoraban significativamente la calidad de las albóndigas, y las albóndigas cocidas tenían un aspecto suave, buena elasticidad y un caldo claro y transparente.
3.3 Aplicación en frutas frescas Las frutas congeladas tienen un alto contenido en agua y son propensas a la pérdida de zumo y a la deformación blanda durante la congelación y la refrigeración. Las AFPs de alginato y trigo de invierno mezcladas en fresas frescas, luego congeladas por nitrógeno líquido, después de la descongelación para determinar su actividad celular y la tasa de pérdida de jugo, los resultados muestran que las AFPs mejoran significativamente la resistencia a la congelación de las fresas, y pueden conservar su forma original y la textura de la propia fruta, para mantener el sensorial y el sabor de la fruta.
Rui et al. utilizaron el método de impregnación al vacío para hacer reaccionar las hojas de cuajada de judías con las AFPs en un tanque de almacenamiento cerrado, y tras un breve tiempo de presión al vacío y un proceso de recuperación a presión atmosférica, las AFPs estaban en contacto directo con los poros de las hojas de cuajada de judías para evitar el daño a los tejidos de la hoja y reducir la pérdida de jugo de la hoja.
El análisis de la microestructura mostró que los cristales de hielo en las hojas de cuajada de judías eran pequeños. La protección anticongelante de frutas y verduras frescas se centra en si la morfología celular está intacta después de la congelación y si existe la viabilidad celular de los tejidos congelados, y la aplicabilidad de diferentes AFPs en el campo de la protección anticongelante de frutas y verduras a los alimentos celulares de frutas y verduras también necesita más investigación.
Conclusión y perspectivas
La producción de AFP en las plantas es un proceso complejo, y la existencia de AFP de origen vegetal está estrechamente relacionada con la resistencia al crecimiento de las plantas. Los cambios en el entorno externo afectarán directamente a la concentración de AFPs de origen vegetal, y factores como la inducción química también estimularán la producción de AFPs en las plantas, entre los cuales el campo de la alimentación adopta mayoritariamente la vía clónica o transgénica para obtener AFPs de origen vegetal.
Las AFP de origen vegetal pueden inhibir la recristalización durante la congelación y la crioconservación, y reducir la degradación nutricional y de calidad causada por el flujo de jugo durante la descongelación. Además, las AFPs derivadas de plantas no son tóxicas, y su adición a una variedad de productos alimenticios no producirá efectos negativos, y sus propiedades funcionales no están asociadas a ninguna proteína tóxica, por lo que el estudio de las AFPs derivadas de plantas en la futura aplicación del campo de la alimentación es muy prometedor.
En la actualidad, la investigación sobre el mecanismo de las AFPs ha revelado una nueva dirección de la tecnología anticongelante en los alimentos, y también ha proporcionado una base teórica para la práctica de la producción. Sin embargo, la aplicación a gran escala de los AFPs derivados de plantas sigue siendo limitada, debido principalmente a la pequeña cantidad de AFPs extraídos de plantas, que impide la producción a gran escala, y al alto coste y la escasa reproducibilidad de los AFPs sintéticos.
Por lo tanto, es importante utilizar las propiedades de las AFP de origen vegetal, como la masa molecular relativa, el punto isoeléctrico, la actividad termoesterética y su mecanismo anticongelante, para desarrollar métodos eficaces de separación y purificación para su aplicación a gran escala, y encontrar las condiciones óptimas para la aplicación de las AFP de origen vegetal en diversos tipos de alimentos, lo que puede proporcionar protección para la producción, el transporte y el almacenamiento de alimentos de la cadena de frío. Mientras tanto, la utilización de la tecnología genética para transferir genes anticongelantes de plantas a células receptoras y obtener un gran número de moléculas con actividad anticongelante también será una nueva dirección para nosotros en la aplicación de las AFPs de origen vegetal en los alimentos.