La technologie de la chaîne du froid à basse température est l'un des moyens les plus courants et les plus efficaces pour le stockage à long terme des denrées alimentaires. La croissance des cristaux de glace et la recristallisation causée par la congélation, le stockage, le transport et la congélation/décongélation des produits alimentaires dans la chaîne du froid à basse température sont les principales contraintes qui pèsent sur la qualité des produits. Les fluctuations répétées de la température provoquent la croissance de cristaux de glace, la congélation, la décongélation et la recristallisation des produits, endommageant les structures cellulaires et tissulaires, ce qui fait perdre aux produits leur qualité d'origine, entraînant une détérioration de la qualité et d'énormes pertes économiques qui préoccupent de plus en plus la population.

Les scientifiques des domaines concernés du monde entier sont confrontés à un défi de taille : comment contrôler la croissance et la recristallisation des cristaux de glace et comment inhiber la croissance des cristaux de glace dans le processus de la chaîne du froid à basse température, qui est la clé pour garantir la qualité de nombreux produits alimentaires.

Introduction de la protéine antigel

Après une longue période de sélection dans l'environnement naturel, les organismes vivant dans des zones à haute température et à haute altitude produisent une sorte de protéine active, la protéine antigel (AFP), pour résister à l'environnement froid.

La caractéristique la plus importante de la protéine antigel est qu'elle peut être adsorbée à la surface des cristaux de glace, limitant ainsi la croissance des cristaux de glace, inhibant la recristallisation des cristaux de glace et modifiant la morphologie des cristaux de glace.

Avec la découverte de diverses protéines antigel et l'approfondissement de la recherche, les deux principaux problèmes qui limitent la recherche et l'application des protéines antigel naturelles dans le domaine alimentaire sont devenus de plus en plus importants :
(1) La quantité de protéines antigel obtenues par isolement et purification naturels est minime, et cette quantité très limitée limite les perspectives d'application à grande échelle dans l'industrie alimentaire ;
(2) Alors que les scientifiques travaillent sur la technologie transgénique pour accroître la production de protéines antigel à partir d'organismes vivants, la sécurité des protéines antigel génétiquement modifiées dans les applications alimentaires est devenue une préoccupation commune des consommateurs, de l'Union européenne et de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis.

Sources de peptides antigel

Les protéines antigel sont principalement dérivées de poissons, d'insectes, de bactéries, de plantes et d'autres organismes cultivés dans des conditions extrêmes telles que des températures élevées et une altitude élevée.

Les protéines antigel peuvent être classées en quatre groupes en fonction de leurs sources : protéines antigel dérivées de poissons, protéines antigel dérivées d'insectes, protéines antigel dérivées de bactéries et protéines antigel dérivées de plantes ; et en fonction de leurs activités, elles peuvent être classées en : AFP I à IV, AFP hyperactive et glycoprotéines antigel.

Les protéines antigel naturelles ont une très faible teneur dans les organismes, un coût de purification élevé et une grande perte d'activité pendant la purification, ce qui limite la recherche et l'application à grande échelle des protéines antigel. En revanche, les peptides antigel sont principalement obtenus à partir de sources de protéines d'origine alimentaire par hydrolyse de sites enzymatiques spécifiques, ce qui se caractérise par une préparation contrôlable et efficace.

Les peptides antigel d'origine alimentaire actuellement signalés sont pour la plupart préparés à partir de gélatine comestible ou de sous-produits de transformation tels que la peau d'animal et les écailles de poisson.

Propriétés des peptides antigel

3.1 Activité d'hystérésis thermique
Les protéines antigel peuvent spécifiquement abaisser le point de congélation d'une solution sans affecter son point de fusion, de sorte que la différence entre le point de congélation et le point de fusion est appelée activité d'hystérésis thermique.

Des études ont montré que les fragments actifs antigel des protéines antigel n'existent que dans des domaines spécifiques localisés de la structure de la chaîne polypeptidique, et que leur activité antigel n'est pas celle de l'ensemble de la protéine.

Hong Jing et Wu Jinhong ont également constaté que les peptides antigel du collagène ayant des longueurs et des structures d'acides aminés spécifiques étaient capables de se lier à la couche de glace par liaison hydrogène, puis d'inhiber la formation de cristaux de glace par interactions hydrophobes, ce qui indique que l'effet Kelvin des protéines antigel s'applique également aux peptides antigel, également connus sous le nom d'activité d'hystérésis thermique.

3.2 Activité d'inhibition de la recristallisation
Lorsque la température est inférieure au point de fusion, les cristaux de glace ont tendance à s'agréger, et l'effet de recristallisation est l'agrégation entre cristaux de glace, et l'agrégation de petits cristaux de glace pour former de grands cristaux de glace.

L'effet d'inhibition de la recristallisation du peptide antigel peut réguler les cristaux de glace et empêcher l'agrégation des cristaux de glace, de sorte que la taille et la forme des cristaux de glace peuvent être régulées et que les cristaux de glace formés sont fins et uniformes.

Sous l'effet de la liaison hydrogène, de l'interaction hydrophobe et de la force de van der Waals, le peptide antigel peut réguler les cristaux de glace et réduire les dommages mécaniques causés par les cristaux de glace à l'organisme.

3.3 Protection de la membrane cellulaire
Lorsque les cellules sont gelées ou surfondues, les cristaux de glace générés dans le milieu environnant et interne des cellules causent des dommages mécaniques aux cellules, et le stress dû au froid induit l'apoptose, ce qui accélère la mort des cellules.Hirano, Tatsuro et Davies ont rapporté que les protéines antigel des poissons peuvent protéger les membranes cellulaires contre les dommages causés par les basses températures.

Application des peptides antigel dans l'industrie alimentaire

Avec la croissance du commerce mondial et l'expansion de la production et de la commercialisation, la demande d'aliments transformés dans la chaîne du froid a augmenté. La part des aliments surgelés dans l'industrie alimentaire augmente également.

En tant que nouvelle classe d'additifs alimentaires, les peptides antigel peuvent réduire efficacement la formation de cristaux de glace et la recristallisation dans les aliments au cours du processus de la chaîne du froid, améliorant ainsi la qualité des aliments à basse température soumis à la chaîne du froid.

4.1 Crème glacée
La croissance des cristaux de glace pendant le stockage au froid est l'un des principaux défis auxquels sont confrontés les fabricants de produits congelés tels que les crèmes glacées, car les fluctuations de température pendant le stockage et la manipulation peuvent favoriser la croissance des cristaux de glace, ce qui peut affecter le goût de la crème glacée et dégrader la qualité du produit.

Il est bien connu qu'il existe une relation directe et étroite entre la taille des cristaux de glace et le degré de rugosité et/ou la formation de la structure des cristaux de glace. Par conséquent, des efforts doivent être faits pour réduire la taille des cristaux de glace et l'apparition de la recristallisation dans les formulations de production de la crème glacée, les conditions de traitement, de stockage et de distribution, car la taille des cristaux de glace et la formation de la recristallisation ont un impact important sur la texture de la crème glacée.

Wang Shaoyun et Damodaran et al. ont utilisé l'hydrolyse du collagène pour tamiser le peptide de structure de glace, et ont constaté que ce type de peptide de structure de glace peut réduire de manière significative la taille des cristaux de glace dans la crème glacée, et par le biais du système de cycle chaud et froid pour simuler les fluctuations de température dans le processus de la chaîne du froid, il a été constaté que ce type de peptide de structure de glace peut inhiber de manière significative la recristallisation des cristaux de glace dans la crème glacée.

4.2 Les probiotiques
Les probiotiques sont des bactéries bénéfiques couramment utilisées dans la transformation des aliments et sont également des vecteurs clés dans la recherche en biologie moléculaire, en biologie structurale, en microbiologie et en maladies infectieuses. La culture continue de souches pendant une longue période est non seulement chronophage et laborieuse, mais aussi peu pratique. C'est pourquoi les techniques de cryoconservation et de lyophilisation sont généralement utilisées dans les applications industrielles et la recherche universitaire.

Les peptides antigel peuvent améliorer de manière significative le taux de survie à la congélation des probiotiques, la stabilité à la congélation et maintenir la vitalité métabolique des cellules bactériennes. En outre, le peptide antigel peut protéger la membrane cellulaire en établissant une liaison hydrogène avec la membrane cellulaire afin de réduire la fuite de substances intracellulaires ; d'autre part, le peptide antigel peut pénétrer dans la cellule afin de réduire les dommages causés par les cristaux de glace formés dans la cellule au cours du processus de congélation.

4.3 Pâte congelée
La technologie moderne de congélation est un moyen efficace de résoudre les problèmes des aliments de base traditionnels, tels que le vieillissement facile et la courte durée de conservation. En tant que nouveau type d'antigel alimentaire, les peptides antigel ou les peptides structurés en glace ont été utilisés ces dernières années pour la cryoconservation des produits à base de pâte congelée.

Parmi eux, l'équipe de Wang Shaoyun de l'université de Fuzhou, l'équipe de Zhang Hui de l'université de Jiangnan et l'équipe de Huang Weining ont appliqué avec succès le peptide antigel à la pâte congelée et à la pâte de pomme de terre congelée. Après l'ajout du peptide antigel, le temps de fermentation de la pâte congelée était significativement plus court et le volume spécifique après congélation était significativement plus élevé que celui du groupe de contrôle. En outre, il a été constaté que le volume spécifique du pain cuit à la vapeur fabriqué à partir de pâte congelée avec peptide antigel était significativement plus élevé que celui du groupe témoin.

4.4 Viande congelée
Les exportations mondiales de viande s'élevant actuellement à plus de $13 milliards de dollars, la technologie de congélation joue un rôle essentiel pour garantir la sécurité des produits carnés fournis au monde entier. Cependant, l'effet de la congélation et de la décongélation sur la qualité de la viande reste un problème majeur.

La congélation et la décongélation répétées affectent principalement la teneur en eau de la viande. L'humidité étant contenue à l'intérieur et dans les interstices des fibres musculaires, lorsque l'humidité gèle, la concentration des solutés restants (protéines, lipides, glucides, minéraux et vitamines) augmente, et des cristaux de glace se développent et recristallisent pendant le processus de congélation et la chaîne du froid, perturbant ainsi l'homéostasie du système complexe de la viande et endommageant l'organisation d'origine de la viande.

En résumé

L'ajout d'un antigel est un moyen efficace de réduire la dégradation de la qualité des aliments surgelés, et de nouveaux antigels tels que les peptides antigel pour remplacer les antigels commerciaux traditionnels à haute teneur en sucre et en sel sont une tendance inévitable avec la croissance de la demande des consommateurs pour une qualité de vie et des aliments sains.

Les peptides antigel d'origine alimentaire ayant une longueur de chaîne peptidique et une composition de domaine structurel spécifiques constituent un moyen efficace de résoudre le problème de la recherche et de l'application limitées des protéines antigel naturelles.