Технология низкотемпературной холодильной цепи - один из самых распространенных и эффективных способов длительного хранения продуктов питания. Рост кристаллов льда и рекристаллизация, вызванные замораживанием, хранением, транспортировкой и замораживанием/оттаиванием пищевых продуктов в низкотемпературной холодильной цепи, являются ключевыми факторами, влияющими на качество продукции. Многократные колебания температуры вызывают рост кристаллов льда, замораживание, оттаивание и рекристаллизацию продуктов, повреждая клеточные и тканевые структуры, в результате чего продукты теряют свое первоначальное качество, что приводит к ухудшению качества и огромным экономическим потерям, которые вызывают все большую озабоченность у людей.

Ученые в смежных областях по всему миру сталкиваются с серьезной проблемой: как контролировать рост и рекристаллизацию кристаллов льда и как осуществить ингибирование роста кристаллов льда в процессе низкотемпературной холодильной цепи, которая является ключом к обеспечению качества многих пищевых продуктов.

Введение белка-антифриза

После длительного периода отбора в естественной среде организмы, обитающие в районах с высокой температурой и высотой над уровнем моря, вырабатывают своеобразный активный белок - белок антифриза (AFP), чтобы противостоять холодной среде.

Важнейшей особенностью белка-антифриза является то, что он может адсорбироваться на поверхности кристаллов льда, тем самым ограничивая рост кристаллов льда, препятствуя их рекристаллизации и изменяя морфологию кристаллов льда.

Наряду с открытием различных противоморозных белков и углублением исследований, две ключевые проблемы, ограничивающие исследования и применение натуральных противоморозных белков в пищевой промышленности, становятся все более и более заметными:
(1) Количество антифризных белков, полученных путем естественного выделения и очистки, ничтожно мало, и это очень ограниченное количество ограничивает перспективы их широкомасштабного применения в пищевой промышленности;
(2) В то время как ученые работают над трансгенной технологией для расширения производства антифризных белков из живых организмов, безопасность использования ГМ-антифризных белков в пищевых продуктах стала общей проблемой для потребителей, Европейского союза и Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA).

Источники антифризных пептидов

Антифризные белки в основном получают из рыб, насекомых, бактерий, растений и других организмов, выращенных в экстремальных условиях, таких как высокая температура и большая высота над уровнем моря.

Антифризные белки можно разделить на четыре группы в зависимости от их источника: антифризные белки рыбного происхождения, антифризные белки насекомых, антифризные белки бактериального происхождения и антифризные белки растительного происхождения; а в зависимости от их активности они могут быть разделены на: АФП I - IV, гиперактивные АФП и антифризные гликопротеины.

Природные противоморозные белки имеют очень низкое содержание в организмах, высокую стоимость очистки и большую потерю активности при очистке, что ограничивает исследования и масштабное применение противоморозных белков. В отличие от них, противоморозные пептиды в основном получают из пищевых белковых источников путем гидролиза специфических ферментативных участков, что характеризуется контролируемым и эффективным получением.

В настоящее время сообщается, что антифризные пептиды пищевого происхождения в основном получают из пищевого желатина или побочных продуктов переработки, таких как кожа животных и рыбья чешуя.

Свойства антифризных пептидов

3.1 Активность теплового гистерезиса
Белки-антифризы способны специфически понижать точку замерзания раствора, не влияя на его точку плавления, поэтому разница между точкой замерзания и точкой плавления называется термической гистерезисной активностью.

Исследования показали, что антифризные активные фрагменты антифризных белков существуют только в локализованных специфических доменах структуры полипептидной цепи, и их антифризная активность не является общим действием белка.

Хун Цзин и Ву Цзиньхун также обнаружили, что антифризные пептиды коллагена с определенной длиной аминокислот и структурой способны связываться со слоем льда посредством водородных связей, а затем препятствовать образованию кристаллов льда посредством гидрофобных взаимодействий, что указывает на то, что эффект Кельвина антифризных белков применим и к антифризным пептидам, которые также известны как активность теплового гистерезиса.

3.2 Активность ингибирования рекристаллизации
Когда температура ниже точки плавления, кристаллы льда имеют тенденцию к агрегации, и эффект рекристаллизации заключается в агрегации между кристаллами льда, а также в агрегации мелких кристаллов льда с образованием крупных кристаллов льда.

Эффект ингибирования рекристаллизации антифризного пептида может регулировать размер кристаллов льда и предотвращать их агрегацию, так что размер и форма кристаллов льда могут регулироваться, а образующиеся кристаллы льда являются мелкими и однородными.

Под действием водородных связей, гидрофобного взаимодействия и ван-дер-ваальсовых сил антифризный пептид может регулировать образование кристаллов льда и уменьшать механические повреждения, наносимые кристаллами льда организму.

3.3 Защита клеточных мембран
Когда клетки находятся в замороженном или переохлажденном состоянии, кристаллы льда, образующиеся в окружающей и внутренней среде клеток, вызывают механические повреждения клеток, а холодовой стресс провоцирует апоптоз, что ускоряет гибель клеток.Хирано, Тацуро и Дэвис сообщили, что антифризные белки в рыбе могут защищать клеточные мембраны от низкотемпературного повреждения.

Применение противоморозных пептидов в пищевой промышленности

С ростом мировой торговли и расширением производственных и маркетинговых связей увеличился спрос на переработанные продукты питания в холодной цепи. Доля замороженных продуктов в пищевой промышленности также растет.

Являясь новым классом пищевых добавок, антифризные пептиды могут эффективно снижать образование кристаллов льда и рекристаллизацию в продуктах питания в процессе холодовой цепи, тем самым улучшая качество низкотемпературных продуктов питания, хранящихся в холоде.

4.1 Мороженое
Рост кристаллов льда во время холодильного хранения - одна из основных проблем, с которой сталкиваются производители замороженных продуктов, таких как мороженое, поскольку колебания температуры во время хранения и обработки могут способствовать росту кристаллов льда, что может повлиять на вкус мороженого и ухудшить качество продукта.

Хорошо известно, что существует прямая и тесная связь между размером кристаллов льда и степенью шероховатости и/или образованием кристаллической структуры льда. Поэтому необходимо прилагать усилия для уменьшения размера кристаллов льда и рекристаллизации в рецептурах, условиях обработки, хранения и реализации мороженого, поскольку и размер кристаллов льда, и образование рекристаллизации оказывают большое влияние на текстуру мороженого.

Ван Шаоюнь и Дамодаран и др. использовали гидролиз коллагена для просеивания пептида структуры льда, было установлено, что этот тип пептида структуры льда может значительно уменьшить размер кристаллов льда в мороженом, а с помощью системы горячего и холодного цикла для моделирования колебаний температуры в процессе холодной цепи было установлено, что этот тип пептида структуры льда может значительно ингибировать рекристаллизацию кристаллов льда в мороженом.

4.2 Пробиотики
Пробиотики - полезные бактерии, широко используемые в пищевой промышленности, а также ключевые носители в молекулярной биологии, структурной биологии, микробиологии и исследованиях инфекционных заболеваний. Непрерывное культивирование штаммов в течение длительного периода времени не только отнимает много времени и сил, но и нецелесообразно, поэтому в промышленных приложениях и академических исследованиях обычно используются методы криоконсервации и сублимационной сушки.

Антизамораживающие пептиды могут значительно улучшить выживаемость пробиотиков при замораживании, стабильность при замораживании и поддержать метаболическую жизнеспособность бактериальных клеток. Кроме того, антизамораживающий пептид может защищать клеточную мембрану за счет водородной связи с клеточной мембраной и уменьшать утечку внутриклеточных веществ; с другой стороны, антизамораживающий пептид может проникать внутрь клетки и уменьшать повреждение кристаллов льда, образующихся в клетке в процессе замораживания.

4.3 Замороженное тесто
Современные технологии замораживания являются эффективным средством решения проблем традиционных основных продуктов питания, таких как легкое старение и короткий срок хранения. В качестве нового типа пищевого антифриза в последние годы появились сообщения об использовании пептидов-антифризов или пептидов с ледяной структурой для криоконсервации замороженных тестовых продуктов.

Среди них группа Ван Шаоюнь из Университета Фучжоу, группа Чжан Хуэй из Цзяннаньского университета и группа Хуан Вэйнин успешно применили антифриз-пептид к замороженному тесту и замороженному картофельному тесту. После добавления антифризного пептида время ферментации замороженного теста значительно сократилось, а удельный объем после замораживания был значительно выше, чем в контрольной группе. Кроме того, было обнаружено, что удельный объем опарного хлеба, приготовленного из замороженного теста с добавлением антифризного пептида, был значительно выше, чем в контрольной группе.

4.4 Замороженное мясо
Поскольку мировой экспорт мяса в настоящее время составляет более $13 миллиардов долларов США, технология замораживания играет жизненно важную роль в обеспечении безопасности поставляемых в мир мясных продуктов. Однако влияние замораживания и оттаивания на качество мяса остается серьезной проблемой.

Многократное замораживание и оттаивание в первую очередь влияет на содержание влаги в мясе. Поскольку влага содержится внутри и в промежутках между мышечными волокнами, при замерзании влаги концентрация оставшихся растворителей (белков, липидов, углеводов, минералов и витаминов) увеличивается, а кристаллы льда растут и перекристаллизовываются в процессе замораживания и холодильной цепи, тем самым нарушая гомеостаз сложной системы мяса и повреждая его первоначальную структуру.

Подводя итог

Добавление антифриза является эффективным способом снижения ухудшения качества замороженных продуктов, а новые антифризы, такие как пептид антифриза, заменяющие традиционные коммерческие антифризы с высоким содержанием сахара и соли, являются неизбежной тенденцией с ростом спроса потребителей на качество жизни и здоровую пищу.

Получаемые из пищевых продуктов антифризные пептиды с определенной длиной пептидной цепи и составом структурных доменов являются эффективным способом решения проблемы ограниченности исследований и применения природных антифризных белков.