La tecnología de la cadena de frío a baja temperatura es uno de los medios más comunes y eficaces para el almacenamiento de alimentos a largo plazo. El crecimiento de cristales de hielo y la recristalización causados por la congelación, el almacenamiento, el transporte y la congelación/descongelación de los productos alimentarios en la cadena de frío a baja temperatura son las principales limitaciones de la calidad de los productos. Las repetidas fluctuaciones de temperatura hacen que los productos sufran el crecimiento de cristales de hielo, la congelación y descongelación y la recristalización, dañando las estructuras celulares y tisulares, con lo que los productos pierden su calidad original, lo que provoca daños en la calidad y enormes pérdidas económicas que preocupan cada vez más a la población.

Los científicos de campos afines de todo el mundo se enfrentan a un serio desafío: cómo controlar el crecimiento y la recristalización de los cristales de hielo, y cómo realizar la inhibición del crecimiento de cristales de hielo en el proceso de la cadena de frío a baja temperatura, que es la clave para garantizar la calidad de muchos productos alimentarios.

Introducción de la proteína anticongelante

Tras un largo periodo de selección en el medio natural, los organismos de zonas de altas temperaturas y gran altitud producen un tipo de proteína activa, la proteína anticongelante (PCA), para resistir el ambiente frío.

La característica más importante de la proteína anticongelante es que puede adsorberse en la superficie de los cristales de hielo, restringiendo así su crecimiento, inhibiendo su recristalización y modificando su morfología.

Junto con el descubrimiento de diversas proteínas anticongelantes y la profundización de la investigación, los dos problemas clave que restringen la investigación y la aplicación de las proteínas anticongelantes naturales en el campo de la alimentación se han vuelto cada vez más prominentes:
(1) La cantidad de proteínas anticongelantes obtenidas por aislamiento natural y purificación es ínfima, y la cantidad tan limitada restringe la perspectiva de su aplicación a gran escala en la industria alimentaria;
(2) Mientras los científicos trabajan en la tecnología transgénica para ampliar la producción de proteínas anticongelantes a partir de organismos vivos, la seguridad de las proteínas anticongelantes transgénicas en aplicaciones alimentarias se ha convertido en una preocupación común para los consumidores, la Unión Europea y la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA).

Fuentes de péptidos anticongelantes

Las proteínas anticongelantes proceden principalmente de peces, insectos, bacterias, plantas y otros organismos cultivados en condiciones extremas, como altas temperaturas y gran altitud.

Las proteínas anticongelantes pueden clasificarse en cuatro grupos según sus fuentes: proteínas anticongelantes derivadas de peces, proteínas anticongelantes derivadas de insectos, proteínas anticongelantes derivadas de bacterias y proteínas anticongelantes derivadas de plantas; y según sus actividades, pueden clasificarse en: AFP I a IV, AFP hiperactivas y glicoproteínas anticongelantes.

Las proteínas anticongelantes naturales tienen un contenido muy bajo en los organismos, un elevado coste de purificación y una gran pérdida de actividad durante la purificación, lo que limita la investigación y la aplicación a gran escala de las proteínas anticongelantes. En cambio, los péptidos anticongelantes se obtienen principalmente a partir de fuentes proteicas alimentarias mediante hidrólisis de sitios enzimáticos específicos, lo que se caracteriza por una preparación controlable y eficiente.

Los péptidos anticongelantes de origen alimentario de los que se tiene constancia actualmente se preparan sobre todo a partir de gelatina comestible o subproductos de la transformación, como la piel de animales y las escamas de pescado.

Propiedades de los péptidos anticongelantes

3.1 Actividad de histéresis térmica
Las proteínas anticongelantes pueden reducir específicamente el punto de congelación de una solución sin afectar a su punto de fusión, por lo que la diferencia entre el punto de congelación y el de fusión se denomina actividad de histéresis térmica.

Los estudios han demostrado que los fragmentos activos anticongelantes de las proteínas anticongelantes sólo existen en dominios localizados específicos de la estructura de la cadena polipeptídica, y su actividad anticongelante no es la de la proteína en su conjunto.

Hong Jing y Wu Jinhong también descubrieron que los péptidos anticongelantes de colágeno con longitudes y estructuras de aminoácidos específicas eran capaces de unirse a la capa de hielo mediante enlaces de hidrógeno y, a continuación, inhibir la formación de cristales de hielo mediante interacciones hidrofóbicas, lo que indica que el efecto Kelvin de las proteínas anticongelantes también es aplicable a los péptidos anticongelantes, que también se conocen como actividad de histéresis térmica.

3.2 Actividad de inhibición de la recristalización
Cuando la temperatura es inferior al punto de fusión, los cristales de hielo tienen tendencia a agregarse, y el efecto de recristalización es la agregación entre cristales de hielo, y la agregación de pequeños cristales de hielo para formar grandes cristales de hielo.

El efecto de inhibición de la recristalización del péptido anticongelante puede regular los cristales de hielo y evitar la agregación de cristales de hielo, de modo que el tamaño y la forma de los cristales de hielo pueden regularse y los cristales de hielo formados son finos y uniformes.

Bajo el efecto del enlace de hidrógeno, la interacción hidrofóbica y la fuerza de van der Waals, el péptido anticongelante puede regular los cristales de hielo y reducir los daños mecánicos causados por los cristales de hielo al organismo.

3.3 Protección de la membrana celular
Cuando las células se encuentran en un estado congelado o superenfriado, los cristales de hielo generados en el entorno circundante e interno de las células causarán daños mecánicos a las células, y el estrés por frío inducirá la apoptosis, lo que acelerará la muerte de las células.Hirano, Tatsuro y Davies informaron de que las proteínas anticongelantes de los peces pueden proteger las membranas celulares de los daños causados por las bajas temperaturas.

Aplicación de péptidos anticongelantes en la industria alimentaria

Con el crecimiento del comercio mundial y la ampliación de los espacios de producción y comercialización, ha aumentado la demanda de alimentos procesados en la cadena de frío. La cuota de los alimentos congelados en la industria alimentaria también está creciendo.

Como nueva clase de aditivos alimentarios, los péptidos anticongelantes pueden reducir eficazmente la formación de cristales de hielo y la recristalización en los alimentos durante el proceso de la cadena de frío, mejorando así la calidad de los alimentos de cadena de frío a baja temperatura.

4.1 Helados
El crecimiento de cristales de hielo durante el almacenamiento en frío es uno de los principales retos a los que se enfrentan los fabricantes de productos congelados como el helado, ya que las fluctuaciones de temperatura durante el almacenamiento y la manipulación pueden favorecer el crecimiento de cristales de hielo, lo que puede afectar al sabor del helado y degradar la calidad del producto.

Es bien sabido que existe una relación directa y estrecha entre el tamaño de los cristales de hielo y el grado de rugosidad y/o la formación de la estructura de los cristales de hielo. Por lo tanto, hay que esforzarse por reducir el tamaño de los cristales de hielo y la aparición de recristalización en las fórmulas de producción de helado y en las condiciones de procesamiento, almacenamiento y distribución, porque tanto el tamaño de los cristales de hielo como la formación de recristalización tienen un gran impacto en la textura del helado.

Wang Shaoyun y Damodaran et al. utilizaron la hidrólisis de colágeno para tamizar el péptido de estructura de hielo, se encontró que este tipo de péptido de estructura de hielo puede reducir significativamente el tamaño de los cristales de hielo en el helado, y a través del sistema de ciclo caliente y frío para simular las fluctuaciones de temperatura en el proceso de la cadena de frío, se encontró que este tipo de péptido de estructura de hielo puede inhibir significativamente la recristalización de cristales de hielo en el helado.

4.2 Probióticos
Los probióticos son bacterias beneficiosas utilizadas habitualmente en el procesado de alimentos y también son portadores clave en biología molecular, biología estructural, microbiología e investigación de enfermedades infecciosas. El cultivo continuo de cepas durante un largo periodo de tiempo no sólo requiere mucho tiempo y mano de obra, sino que además es poco práctico, por lo que en las aplicaciones industriales y la investigación académica se suelen utilizar técnicas de crioconservación y liofilización.

Los péptidos anticongelantes pueden mejorar significativamente la tasa de supervivencia probiótica a la congelación, la estabilidad a la congelación y mantener la vitalidad metabólica de las células bacterianas. Además, el péptido anticongelante puede proteger la membrana celular mediante enlaces de hidrógeno con la membrana celular para reducir la fuga de sustancias intracelulares; por otra parte, el péptido anticongelante puede entrar en la célula para reducir el daño de los cristales de hielo formados en la célula durante el proceso de congelación.

4.3 Masa congelada
La moderna tecnología de congelación es un medio eficaz para resolver los problemas de los alimentos básicos tradicionales, como su fácil envejecimiento y su corta vida útil. Como nuevo tipo de anticongelante alimentario, en los últimos años se ha informado del uso de péptidos anticongelantes o péptidos con estructura de hielo para la crioconservación de productos de masa congelados.

Entre ellos, el equipo de Wang Shaoyun, de la Universidad de Fuzhou, el de Zhang Hui, de la Universidad de Jiangnan, y el de Huang Weining aplicaron con éxito el péptido anticongelante a la masa congelada y a la masa congelada de patata. Tras la adición del péptido anticongelante, el tiempo de fermentación de la masa congelada fue significativamente menor y el volumen específico tras la congelación fue significativamente mayor que el del grupo de control. Además, se comprobó que el volumen específico del pan cocido al vapor elaborado a partir de masa congelada con péptido anticongelante era significativamente mayor que el del grupo de control.

4.4 Carne congelada
Con unas exportaciones mundiales de carne que ascienden actualmente a más de US$13 mil millones, la tecnología de congelación desempeña un papel vital para garantizar la seguridad de los productos cárnicos suministrados al mundo. Sin embargo, el efecto de la congelación y descongelación en la calidad de la carne sigue siendo un problema importante.

La congelación y descongelación repetidas afectan principalmente al contenido de humedad de la carne. Dado que la humedad está contenida en el interior y en los intersticios de las fibras musculares, cuando la humedad se congela, aumenta la concentración de los solutos restantes (proteínas, lípidos, hidratos de carbono, minerales y vitaminas), y crecen y recristalizan cristales de hielo durante el proceso de congelación y la cadena de frío, lo que altera la homeostasis del complejo sistema cárnico y daña la organización original de la carne.

En resumen

Añadir anticongelante es una forma eficaz de reducir la degradación de la calidad de los alimentos congelados, y los nuevos anticongelantes, como el péptido anticongelante, para sustituir a los anticongelantes comerciales tradicionales con alto contenido en azúcar y sal, son una tendencia inevitable con el crecimiento de la demanda de calidad de vida y alimentos sanos por parte de los consumidores.

Los péptidos anticongelantes de origen alimentario con una longitud de cadena peptídica y una composición de dominio estructural específicas son una forma eficaz de resolver el problema de la limitada investigación y aplicación de las proteínas anticongelantes naturales.