Quelles sont les caractéristiques de l'action des protéines antigel d'origine végétale et leur application dans l'alimentation ?

Protéines antigel dérivées de plantes
Les protéines antigel dérivées des plantes (AFP) sont des protéines fonctionnelles produites par les plantes pour protéger leurs cellules du gel lorsque l'environnement extérieur change. Les AFP sont réparties différemment dans les différentes plantes, et toutes ont une certaine activité antigel, qui est un terme général pour un groupe de protéines qui ont la capacité d'améliorer l'activité antigel des cellules végétales.
Les AFP ont trois propriétés, à savoir l'activité d'hystérésis thermique (THA), la modification de la morphologie de croissance des cristaux de glace et l'inhibition de la recristallisation des cristaux de glace. Les AFP d'origine végétale ont une activité d'hystérésis thermique plus faible que les AFP d'origine piscicole et insecte, mais une plus grande capacité à inhiber la recristallisation des cristaux de glace. On pense donc que la principale voie de régulation de la résistance à la congélation par les AFP d'origine végétale consiste à inhiber la croissance des cristaux de glace extracellulaires et à inhiber la recristallisation de la glace.
En inhibant la recristallisation des cristaux de glace en solution, les AFP d'origine végétale peuvent réduire les dommages mécaniques causés par la fluctuation de la température ambiante en dessous de zéro et inhiber la détérioration de la qualité des produits alimentaires due à la congélation et à la décongélation répétées au cours du processus de réfrigération, ce qui les rend plus appropriés que d'autres sources d'AFP pour être ajoutés aux aliments réfrigérés.
Caractérisation des protéines antigel
2.1 Activité d'hystérésis thermique (THA) Le point de congélation d'une solution générale (NaCl, solution de saccharose, etc.) est la température à laquelle les pressions de vapeur des phases solide et liquide sont en équilibre, et le point de congélation doit donc être égal au point de fusion. Étant donné que les AFP n'affectent que le processus de givrage et à peine le processus de fusion, rendant le point de congélation plus bas que le point de fusion, la différence entre le point de congélation et le point de fusion est appelée différence d'hystérésis thermique, et cette activité des AFP est appelée THA.
2.2 Modification de l'effet morphologique de la croissance des cristaux de glace à basse température, les cristaux de glace, sous l'influence des AFP, changent de morphologie et passent d'un cristal de glace normal de type rond et plat à un cône prismatique hexagonal. Avec la concentration d'AFP et la prolongation du temps, la morphologie des cristaux de glace tend à prendre la forme d'une aiguille.
2.3 Inhiber la recristallisation des cristaux de glace dans la solution à la température de congélation, les petits cristaux de glace dans la solution disparaissent progressivement et s'agrègent en gros cristaux de glace, ce qui endommage la structure organisationnelle du produit. La solution contenant des AFP peut inhiber la recristallisation des cristaux de glace et répartir uniformément les petits cristaux de glace.
Application des AFP d'origine végétale dans le domaine alimentaire
La congélation est l'une des étapes les plus importantes de la chaîne du froid pour le transport des denrées alimentaires, et la réfrigération est une méthode de stockage couramment utilisée dans le domaine alimentaire. Les fluctuations de température sont très probables lors du transport des aliments dans la chaîne du froid, ce qui entraîne un cycle de congélation-décongélation des aliments. Il est donc inévitable que le phénomène de recristallisation des cristaux de glace se produise, ce qui endommage le tissu cellulaire et entraîne des modifications des propriétés physicochimiques des aliments et de la morphologie des tissus.
Parallèlement, le phénomène de recristallisation de l'eau entraînera également des changements dans les composants internes des cellules, la dénaturation des protéines, la régénération de l'amidon et d'autres phénomènes. Les AFP d'origine végétale en tant qu'additifs pour aliments surgelés peuvent améliorer efficacement la qualité des aliments surgelés.
3.1 Application à la crème glacée La formation et la recristallisation des cristaux de glace dans les produits laitiers sucrés congelés jouent un rôle crucial dans la qualité des produits. Le processus de formation des cristaux de glace détermine la croissance des cristaux de glace pendant le durcissement et le stockage des produits laitiers congelés et influence les qualités sensorielles telles que l'état crémeux de la crème glacée, la rugosité et l'hydratation, la dureté et la sensation glacée en bouche, etc.
L'ajout d'AFP permet de contrôler mécaniquement la taille des noyaux de cristaux de glace, d'inhiber la croissance des cristaux de glace dans une solution de saccharose et d'améliorer la stabilité dans des conditions de stockage statique.
Lillford et al. ont extrait des AFP de l'herbe de blé d'hiver et les ont ajoutés à la crème glacée, et ont observé par des études expérimentales que la taille moyenne des cristaux de glace pouvait diminuer lorsque la concentration d'AFP atteignait 0,05%~0,1%.
Regand et al. ont ajouté des AFP d'agropyre d'hiver à de la crème glacée et ont observé que les AFP d'agropyre d'hiver montraient des propriétés antigel significatives lorsque 0,003% de protéine brute était ajouté par microscopie à champ clair.
L'évaluation sensorielle de la crème glacée après un mois de stockage à basse température (-18 ℃) a montré que la crème glacée du groupe vierge à -18 ℃ et dans des conditions fluctuantes (-20 ℃~-10 ℃) était très rugueuse et que les cristaux de glace de la crème glacée se présentaient sous la forme de flocons, En revanche, la crème glacée additionnée d'AFP d'herbe d'hiver avait une texture lisse et les cristaux de glace étaient fins et homogènes, ce qui confirme que la crème glacée additionnée d'AFP d'herbe d'hiver est capable de modifier la morphologie de croissance des cristaux de glace et d'inhiber la recristallisation.
En outre, l'activité des AFP de l'herbe d'hiver a été vérifiée par traitement thermique, et l'activité des AFP de l'herbe d'hiver n'a pas été affectée par la pasteurisation, et l'effet de l'activité des AFP de l'herbe d'hiver a atteint l'équilibre au niveau d'ajout de 0,13%.
Zhang et al. ont extrait des AFP de l'avoine domestique froide et modifié la crème glacée avec 0,1% AFP, ce qui a augmenté la température de transition vitreuse de -29,14 ℃ à -27,74 ℃, amélioré la résistance à la fonte de la crème glacée et inhibé efficacement sa recristallisation. L'ajout d'AFP d'origine végétale a atténué les dommages causés à la crème glacée par la congélation et les fluctuations de température, ce qui a permis d'obtenir un produit alimentaire congelé de haute qualité et de bon goût.
3.2 Application dans la pâte congelée L'amidon est une matière première indispensable à la transformation de nombreux produits alimentaires, et l'application des AFP d'origine végétale dans la pâte congelée est relativement importante.
Les AFP d'origine végétale peuvent réguler la quantité d'eau cristalline précipitée dans la pâte, de sorte que l'eau et le gluten dans la pâte peuvent être maintenus dans l'état où ils se trouvaient avant la congélation, et donc la stabilité du gel de la pâte, la taille des pores et l'uniformité de la pâte fermentée, ainsi que la texture et l'arôme de la pâte après la maturation ne seront pas détériorés.
Jia Chunli et al. ont ajouté des AFP de Ligustrum officinale à l'amidon de blé pour étudier la stabilité du gel d'amidon après congélation et décongélation, et ont constaté qu'avec l'augmentation de la concentration des AFP de Ligustrum officinale, le taux de précipitation de l'amidon à la congélation et à la décongélation et la teneur en eau congelable étaient significativement réduits, La modification de l'ultrastructure du gel a permis d'inhiber l'augmentation de la taille des pores de l'amidon, d'améliorer l'homogénéité de l'amidon, de retarder l'augmentation de la dureté du gel et la diminution de son élasticité, ce qui a amélioré la texture du gel après la congélation et la décongélation.
Kontogiorgos et al. ont isolé un type d'AFP thermostables à partir de l'herbe de blé d'hiver et les ont ajoutés à la pâte. Ils ont constaté que la structure du gluten de la pâte vierge était altérée lorsqu'elle était stockée dans des conditions de fluctuation de température (-20 ℃ à -10 ℃) pendant 30 jours, tandis que la recristallisation des cristaux de glace était réduite dans la pâte avec l'ajout de 0,1% d'AFP d'herbe de blé d'hiver, et que la structure des mailles du gluten de la pâte était plus petite et de forme uniforme.
En outre, Liu Mei et al. ont ajouté des AFP de carotte à la pâte et ont constaté que l'ajout d'AFP de carotte réduisait l'augmentation de la teneur en eau de la pâte pendant le cycle de congélation-décongélation, atténuait les dommages causés par le cycle de congélation-décongélation aux propriétés de stockage et à l'ultrastructure de la pâte congelée, et améliorait ainsi le volume caractéristique et les propriétés texturales de la pâte après la maturation.
Xia Lu et al. ont utilisé des AFP extraites du son de blé d'hiver comme additif pour préparer des boulettes de soupe surgelées avec des ajouts de 1%, 2%, 2,5% et 3% par rapport à la farine de riz glutineux, et les résultats expérimentaux ont montré que l'ajout de 2,5% d'AFP améliorait significativement la qualité des boulettes, et que les boulettes cuites avaient un aspect lisse, une bonne élasticité et un bouillon clair et transparent.
3.3 Application aux fruits frais Les fruits congelés ont une teneur élevée en eau et sont susceptibles de perdre leur jus et de se déformer pendant la congélation et la réfrigération. Les résultats montrent que les AFP améliorent de manière significative la résistance à la congélation des fraises, et peuvent conserver leur forme originale et la texture du fruit lui-même, afin de préserver les qualités sensorielles et gustatives du fruit.
Rui et al. ont utilisé la méthode d'imprégnation sous vide pour faire réagir les feuilles de caillé de haricots avec des AFP dans un réservoir de stockage fermé, et après une courte période de pression sous vide et de processus de récupération de la pression atmosphérique, les AFP étaient en contact direct avec les pores des feuilles de caillé de haricots afin d'éviter d'endommager les tissus des feuilles et de réduire la perte de jus des feuilles.
L'analyse de la microstructure a montré que les cristaux de glace dans les feuilles de caillé de haricot étaient petits. La protection antigel des fruits et légumes frais se concentre sur l'intégrité de la morphologie cellulaire après la congélation et sur la viabilité cellulaire des tissus gelés. L'applicabilité des différents AFP dans le domaine de l'antigel des fruits et légumes aux aliments cellulaires des fruits et légumes doit également faire l'objet de recherches plus approfondies.
Conclusion et perspectives
La production d'AFP dans les plantes est un processus complexe, et l'existence d'AFP d'origine végétale est étroitement liée à la résistance à la croissance des plantes. Les changements dans l'environnement externe affecteront directement la concentration des AFP d'origine végétale, et des facteurs tels que l'induction chimique stimuleront également la production d'AFP dans les plantes, parmi lesquelles le domaine alimentaire adopte principalement le clonage ou la voie transgénique pour obtenir des AFP d'origine végétale.
Les AFP d'origine végétale peuvent inhiber la recristallisation pendant la congélation et la cryoconservation, et réduire la dégradation nutritionnelle et qualitative causée par l'écoulement du jus pendant la décongélation. En outre, les AFP d'origine végétale ne sont pas toxiques et leur ajout à divers produits alimentaires ne produira pas d'effets négatifs. Leurs propriétés fonctionnelles ne sont pas associées à des protéines toxiques, de sorte que l'étude des AFP d'origine végétale dans les applications futures du domaine alimentaire est très prometteuse.
Actuellement, la recherche sur le mécanisme des AFP a révélé une nouvelle orientation de la technologie antigel dans l'alimentation et a également fourni une base théorique pour la pratique de la production. Toutefois, l'application à grande échelle des AFP dérivés de plantes reste limitée, principalement en raison de la faible quantité d'AFP extraits des plantes, qui empêche la production à grande échelle, ainsi que du coût élevé et de la faible reproductibilité des AFP synthétiques.
Il est donc important d'utiliser les propriétés des AFP d'origine végétale, telles que la masse moléculaire relative, le point isoélectrique, l'activité thermohystérique et son mécanisme antigel, pour développer des méthodes de séparation et de purification efficaces en vue d'une application à grande échelle, et de trouver les conditions optimales pour l'application des AFP d'origine végétale dans divers types d'aliments, qui peuvent fournir une protection pour la production, le transport et le stockage des aliments de la chaîne du froid. Parallèlement, l'utilisation de la technologie génétique pour transférer les gènes antigel des plantes dans les cellules réceptrices afin d'obtenir un grand nombre de molécules ayant une activité antigel constituera également une nouvelle orientation pour l'application des AFP d'origine végétale dans l'alimentation.