Az alacsony hőmérsékletű hűtőlánc-technológia a hosszú távú élelmiszer-tárolás egyik legelterjedtebb és leghatékonyabb eszköze. Az alacsony hőmérsékletű hűtőláncban az élelmiszerek fagyasztása, tárolása, szállítása és fagyasztása/felolvasztása által okozott jégkristályok növekedése és újrakristályosodása a termékminőséget érintő legfontosabb korlátozó tényező. A hőmérséklet ismételt ingadozásai miatt a termékek jégkristályok növekedése, fagyasztás és felolvasztás, valamint újrakristályosodás következtében károsodnak a sejt- és szövetszerkezetek, és ezáltal a termékek elveszítik eredeti minőségüket, ami minőségi károkat és hatalmas gazdasági veszteségeket okoz, ami egyre nagyobb aggodalomra ad okot az emberek számára.

A kapcsolódó területek tudósai világszerte komoly kihívással néznek szembe: hogyan lehet szabályozni a jégkristályok növekedését és újrakristályosodását, és hogyan lehet megvalósítani a jégkristályok növekedésének gátlását az alacsony hőmérsékletű hűtőlánc folyamatában, ami számos élelmiszeripari termék minőségének biztosításának kulcsa.

A fagyálló fehérje bevezetése

A természetes környezetben hosszú ideig tartó szelekció után a magas hőmérsékletű és magasan fekvő területeken élő szervezetek egyfajta aktív fehérjét, fagyálló fehérjét (AFP) termelnek, hogy ellenálljanak a hideg környezetnek.

A fagyálló fehérje legfontosabb tulajdonsága, hogy képes a jégkristályok felületén adszorbeálódni, ezáltal korlátozza a jégkristályok növekedését, gátolja a jégkristályok újrakristályosodását és megváltoztatja a jégkristályok morfológiáját.

A különböző fagyálló fehérjék felfedezésével és a kutatás elmélyülésével párhuzamosan egyre inkább előtérbe került az a két fő probléma, amely korlátozza a természetes fagyálló fehérjék kutatását és alkalmazását az élelmiszeriparban:
(1) A természetes izolálással és tisztítással nyert fagyálló fehérjék mennyisége parányi, és a nagyon korlátozott mennyiség korlátozza az élelmiszeriparban való nagymértékű alkalmazásuk lehetőségét;
(2) Miközben a tudósok a transzgenikus technológián dolgoznak a fagyálló fehérjék élő szervezetekből történő előállításának kiterjesztése érdekében, a GM-fagyálló fehérjék élelmiszerekben való alkalmazásának biztonságossága a fogyasztók, az Európai Unió és az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatala (FDA) közös aggodalmává vált.

A fagyálló peptidek forrásai

A fagyálló fehérjéket főként halakból, rovarokból, baktériumokból, növényekből és más, szélsőséges körülmények között, például magas hőmérsékleten és nagy magasságban termesztett szervezetekből nyerik.

A fagyálló fehérjék forrásuk szerint négy csoportba sorolhatók: halakból származó fagyálló fehérjék, rovarokból származó fagyálló fehérjék, baktériumokból származó fagyálló fehérjék és növényekből származó fagyálló fehérjék; aktivitásuk szerint pedig a következőkre oszthatók: AFP I-IV, hiperaktív-AFP és fagyálló glikoproteinek.

A természetes fagyálló fehérjéknek nagyon alacsony a szervezetekben a tartalma, magas a tisztítási költségük és nagy az aktivitásveszteségük a tisztítás során, ami korlátozza a fagyálló fehérjék kutatását és nagyszabású alkalmazását. Ezzel szemben a fagyálló peptideket főként élelmiszerből származó fehérjeforrásokból nyerik specifikus enzimatikus helyek hidrolízisével, amelyet ellenőrizhető és hatékony előállítás jellemez.

A jelenleg bejelentett, élelmiszerekben előforduló fagyálló peptideket többnyire étkezési zselatinból vagy feldolgozási melléktermékekből, például állati bőrből és halpikkelyből állítják elő.

A fagyálló peptidek tulajdonságai

3.1 Termikus hiszterézis tevékenység
A fagyálló fehérjék kifejezetten képesek csökkenteni egy oldat fagyáspontját anélkül, hogy befolyásolnák annak olvadáspontját, így a fagyáspont és az olvadáspont közötti különbséget termikus hiszterézisaktivitásnak nevezzük.

Vizsgálatok kimutatták, hogy a fagyálló fehérjék fagyálló aktív fragmentumai csak lokalizált, specifikus polipeptidlánc-szerkezeti doménekben léteznek, és fagyálló aktivitásuk nem a teljes fehérje hatása.

Hong Jing és Wu Jinhong azt is megállapította, hogy a meghatározott aminosavhosszúságú és szerkezetű kollagén fagyálló peptidek hidrogénkötés révén képesek voltak a jégréteghez kötődni, majd hidrofób kölcsönhatások révén gátolni a jégkristályok kialakulását, ami azt jelzi, hogy a fagyálló fehérjék Kelvin-hatása a fagyálló peptidekre is alkalmazható, amelyeket termikus hiszterézis aktivitásként is ismerünk.

3.2 Átkristályosodást gátló aktivitás
Ha a hőmérséklet alacsonyabb, mint az olvadáspont, a jégkristályok hajlamosak aggregálódni, és az átkristályosodási hatás a jégkristályok közötti aggregáció, valamint a kis jégkristályok aggregációja nagy jégkristályok kialakulásához.

A fagyálló peptid átkristályosodást gátló hatása szabályozhatja a jégkristályokat és megakadályozhatja a jégkristályok aggregációját, így a jégkristályok mérete és alakja szabályozható, és a kialakult jégkristályok finom és egyenletesek.

A hidrogénkötés, a hidrofób kölcsönhatás és a van der Waals-erő hatására a fagyálló peptid képes szabályozni a jégkristályokat és csökkenteni a jégkristályok által a szervezetben okozott mechanikai károkat.

3.3 A sejtmembrán védelme
Amikor a sejtek fagyott vagy szuperhűtött állapotban vannak, a sejtek környezetében és belső környezetében keletkező jégkristályok mechanikai károsodást okoznak a sejtekben, és a hideg stressz apoptózist indukál, ami felgyorsítja a sejtek pusztulását.Hirano, Tatsuro és Davies arról számoltak be, hogy a halakban található fagyálló fehérjék képesek megvédeni a sejtmembránokat az alacsony hőmérsékletű károsodástól.

Fagyálló peptidek alkalmazása az élelmiszeriparban

A globális kereskedelem növekedésével, valamint a termelés és a forgalmazás kiterjedésével megnőtt a kereslet a feldolgozott élelmiszerek iránt a hűtési láncban. A fagyasztott élelmiszerek részesedése az élelmiszeriparban szintén növekszik.

Az élelmiszer-adalékanyagok új osztályaként a fagyálló peptidek hatékonyan csökkenthetik a jégkristályok képződését és az újrakristályosodást az élelmiszerekben a hűtőlánc-folyamat során, ezáltal javítva az alacsony hőmérsékletű, hidegláncú élelmiszerek minőségét.

4.1 Fagylalt
A jégkristályok növekedése a hűtőtárolás során az egyik legnagyobb kihívás, amellyel a fagyasztott termékek, például a fagylaltok gyártói szembesülnek, mivel a tárolás és a kezelés során a hőmérséklet ingadozása elősegítheti a jégkristályok növekedését, ami befolyásolhatja a fagylalt ízét és ronthatja a termék minőségét.

Jól ismert, hogy a jégkristályok mérete és az érdesség mértéke és/vagy a jégkristályszerkezet kialakulása között közvetlen és szoros kapcsolat áll fenn. Ezért erőfeszítéseket kell tenni a jégkristályok méretének és az újrakristályosodás előfordulásának csökkentésére a jégkrém gyártási formuláiban, a feldolgozás, a tárolás és a forgalmazás körülményeiben, mivel mind a jégkristályok mérete, mind az újrakristályosodás kialakulása nagy hatással van a jégkrém állagára.

Wang Shaoyun és Damodaran et al. kollagén hidrolízist használtak a jégszerkezeti peptid szitálásához, megállapították, hogy ez a fajta jégszerkezeti peptid jelentősen csökkentheti a jégkristályok méretét a jégkrémben, és a hideg és meleg ciklusú rendszeren keresztül a hőmérséklet-ingadozások szimulálására a hideglánc-folyamatban, megállapították, hogy ez a fajta jégszerkezeti peptid jelentősen gátolja a jégkristályok átkristályosodását a jégkrémben.

4.2 Probiotikumok
A probiotikumok az élelmiszer-feldolgozásban általánosan használt hasznos baktériumok, amelyek a molekuláris biológia, a strukturális biológia, a mikrobiológia és a fertőző betegségek kutatásában is kulcsfontosságú hordozók. A törzsek hosszú ideig tartó folyamatos termesztése nemcsak idő- és munkaigényes, hanem nem is praktikus, ezért az ipari alkalmazásokban és a tudományos kutatásban általában kriokonzerválási és fagyasztva szárítási technikákat alkalmaznak.

A fagyásgátló peptidek jelentősen javíthatják a probiotikus fagyasztás túlélési arányát, a fagyasztási stabilitást és fenntarthatják a baktériumsejtek metabolikus vitalitását. Ezenkívül a fagyálló peptid a sejtmembránnal való hidrogénkötés révén megvédheti a sejtmembránt, hogy csökkentse az intracelluláris anyagok szivárgását; másrészt a fagyálló peptid bejuthat a sejtbe, hogy csökkentse a fagyasztás során a sejtben képződő jégkristályok károsodását.

4.3 Fagyasztott tészta
A modern fagyasztási technológia hatékony eszköz a hagyományos alapélelmiszerek problémáinak - mint például a könnyű öregedés és a rövid eltarthatóság - megoldására. Az utóbbi években új típusú élelmiszer-fagyasztásgátlóként a fagyasztásgátló peptidekről vagy jégszerkezetű peptidekről számoltak be, amelyeket a fagyasztott tésztatermékek krioprezerválásában használnak.

Közülük Wang Shaoyun csapata a Fuzhou Egyetemről, Zhang Hui csapata a Jiangnan Egyetemről és Huang Weining csapata sikeresen alkalmazott fagyálló peptidet fagyasztott tésztára és fagyasztott burgonyatésztára. A fagyálló peptid hozzáadása után a fagyasztott tészta erjedési ideje jelentősen lerövidült, és a fagyasztás utáni fajlagos térfogat jelentősen nagyobb volt, mint a kontrollcsoporté. Ezenkívül azt találták, hogy a fagyálló peptiddel ellátott fagyasztott tésztából készült párolt kenyér fajlagos térfogata szignifikánsan nagyobb volt, mint a kontrollcsoporté.

4.4 Fagyasztott hús
Mivel a globális húsexport jelenleg több mint $13 milliárd USD-t tesz ki, a fagyasztási technológia létfontosságú szerepet játszik a világba szállított hústermékek biztonságának biztosításában. A fagyasztás és a kiolvasztás húsminőségre gyakorolt hatása azonban továbbra is jelentős probléma.

Az ismételt fagyasztás és felolvasztás elsősorban a hús nedvességtartalmát befolyásolja. Mivel a nedvesség az izomrostok belsejében és az izomrostok közötti résekben található, a nedvesség megfagyásakor a maradék oldott anyagok (fehérjék, lipidek, szénhidrátok, ásványi anyagok és vitaminok) koncentrációja megnő, a fagyasztás és a hűtési lánc során jégkristályok nőnek és újrakristályosodnak, ezáltal felborul a hús komplex rendszerének homeosztázisa, és károsodik a hús eredeti szerveződése.

Összefoglalva

A fagyálló folyadék hozzáadása hatékony módja a fagyasztott élelmiszerek minőségromlásának csökkentésének, és az új fagyálló folyadékok, például a fagyálló peptidek, amelyek a hagyományos, magas cukor- és sótartalmú kereskedelmi fagyálló folyadékok helyettesítésére szolgálnak, elkerülhetetlen trend a fogyasztók életminőség és egészséges élelmiszerek iránti igényének növekedésével.

Az élelmiszerekből származó, specifikus peptidlánc-hosszúságú és szerkezeti domén-összetételű fagyálló peptidek hatékony megoldást jelentenek a természetes fagyálló fehérjék korlátozott kutatásának és alkalmazásának problémájára.