Каковы особенности действия противоморозных белков растительного происхождения и их применение в пищевых продуктах?

Антифризные белки растительного происхождения
Антифризные белки растительного происхождения (АФП) - это функциональные белки, вырабатываемые растениями для защиты клеток от замерзания при изменении внешней среды. АФП по-разному распределены в различных растениях, и все они обладают определенной антифризной активностью, которая является общим термином для группы белков, обладающих способностью повышать антифризную активность растительных клеток.
АФП обладают тремя свойствами: термогистерезисной активностью (ТГА), модификацией морфологии роста кристаллов льда и ингибированием рекристаллизации кристаллов льда. АФП растительного происхождения обладают меньшей активностью теплового гистерезиса, чем АФП рыб и насекомых, но более сильной способностью ингибировать рекристаллизацию кристаллов льда. Поэтому считается, что основной путь регулирования морозоустойчивости растительными АФП заключается в подавлении роста внеклеточных кристаллов льда и ингибировании рекристаллизации льда.
Ингибируя рекристаллизацию кристаллов льда в растворе, АФП растительного происхождения могут уменьшать механические повреждения, вызванные колебаниями температуры окружающей среды ниже нуля, и препятствовать ухудшению качества пищевых продуктов в результате многократного замораживания и оттаивания в процессе охлаждения, что делает их более подходящими для добавления в охлаждаемые продукты питания, чем другие источники АФП.
Характеристика белков-антифризов
2.1 Активность термического гистерезиса (THA) Точка замерзания общего раствора (например, NaCl, раствор сахарозы и т.д.) - это температура, при которой давления паров твердой и жидкой фаз находятся в равновесии, поэтому точка замерзания должна быть равна точке плавления. Поскольку АФП влияют только на процесс обледенения и почти не влияют на процесс плавления, делая точку замерзания ниже точки плавления, разница между точкой замерзания и точкой плавления называется разницей теплового гистерезиса, и эта активность АФП называется ТГК.
2.2 Модификация эффекта морфологии роста кристаллов льда При низких температурах кристаллы льда под воздействием АФП изменяют морфологию роста от обычного кристалла льда плоского круглого типа роста до гексагонального призматического конуса. При увеличении концентрации АФП и увеличении времени морфология кристаллов льда становится игольчатой.
2.3 Ингибирование рекристаллизации кристаллов льда в растворе При температуре замерзания мелкие кристаллы льда в растворе постепенно исчезают и объединяются в крупные кристаллы льда, вызывая повреждение организационной структуры продукта. Раствор с АФП может ингибировать рекристаллизацию кристаллов льда и сделать мелкие кристаллы льда равномерно распределенными.
Применение АФП растительного происхождения в пищевой промышленности
Замораживание - один из важнейших этапов транспортировки продуктов по холодной цепи, а охлаждение - широко используемый метод хранения в пищевой промышленности. При транспортировке продуктов по холодовой цепи возможны перепады температуры, что приводит к циклу замораживания-оттаивания продуктов. Поэтому неизбежно возникает явление рекристаллизации кристаллов льда, что в свою очередь вызывает повреждение клеточной ткани, приводящее к изменению физико-химических свойств продуктов питания, морфологии тканей.
В то же время явление рекристаллизации воды приводит к изменению внутренних компонентов клеток, денатурации белков, регенерации крахмала и другим явлениям. АФП растительного происхождения в качестве добавок к замороженным продуктам могут эффективно улучшить качество замороженных продуктов.
3.1 Применение в мороженом Образование и перекристаллизация кристаллов льда в замороженных сладких молочных продуктах играют решающую роль в качестве продукции. Процесс образования кристаллов льда определяет рост кристаллов льда во время закалки и хранения замороженных молочных продуктов и влияет на такие сенсорные качества, как кремообразность мороженого, шероховатость и гидратация, твердость, ледяной привкус и т.д.; а рекристаллизация определяет стабильность текстуры и структуры мороженого после всего процесса замораживания.
Добавление АФП позволяет механически контролировать размер ядер кристаллов льда, подавлять рост кристаллов льда в растворе сахарозы и улучшать стабильность в условиях статического хранения.
Лиллфорд и др. извлекли АФП из пырея зимнего и добавили их в мороженое, и в ходе экспериментальных исследований заметили, что средний размер кристаллов льда уменьшился, когда концентрация АФП достигла 0,05%~0,1%.
Реганд и др. добавили АФП пырея в мороженое и обнаружили, что АФП пырея проявили значительные противоморозные свойства при добавлении 0,003% сырого белка, что было подтверждено с помощью ярко-полевой микроскопии.
Сенсорная оценка мороженого после одного месяца хранения при низких температурах (-18 ℃) показала, что мороженое пустой группы при температуре -18 ℃ и колебаниях (-20 ℃~-10 ℃) было очень грубым, а кристаллы льда в нем были в виде хлопьев, В то время как мороженое с добавлением АФП зимней травы имело гладкую текстуру, а кристаллы льда были мелкими и однородными, что подтверждает, что мороженое с добавлением АФП зимней травы способно изменять морфологию роста кристаллов льда и препятствовать рекристаллизации.
Кроме того, активность АФП зимолюбки была проверена термической обработкой, на активность АФП зимолюбки не повлияла пастеризация, а эффект активности АФП зимолюбки достиг равновесия при уровне добавления 0,13%.
Чжан и др. извлекли АФП из холодного домашнего овса и модифицировали мороженое 0,1% АФП, что повысило температуру стеклования с -29,14 ℃ до -27,74 ℃, улучшило устойчивость мороженого к таянию и эффективно подавило его рекристаллизацию. Добавление АФП растительного происхождения смягчило повреждение мороженого, вызванное замораживанием и колебаниями температуры, в результате чего был получен замороженный продукт с высоким качеством и вкусом.
3.2 Применение в замороженном тесте Крахмал является незаменимым сырьем для переработки во многих видах пищевой промышленности, и применение АФП растительного происхождения в замороженном тесте относительно велико.
АФП растительного происхождения могут регулировать количество кристаллической воды, выпадающей в осадок из теста, так что вода и клейковина в тесте могут поддерживаться в состоянии, предшествующем замораживанию, и, таким образом, стабильность геля в тесте, размер пор и однородность ферментированного теста, а также текстура и аромат теста после созревания не будут ухудшаться.
Цзя Чуньли и др. добавили Ligustrum officinale AFPs к пшеничному крахмалу для изучения стабильности крахмального геля после замораживания и оттаивания, и обнаружили, что с увеличением концентрации Ligustrum officinale AFPs, скорость выпадения осадка при замораживании и оттаивании крахмала и содержание замерзающей воды значительно снизились, Модификация ультраструктуры геля препятствовала увеличению размера пор крахмала, улучшала однородность крахмала, замедляла увеличение твердости и снижение эластичности геля, что улучшало текстуру геля после замораживания и оттаивания.
Контогиоргос и др. выделили из пырея термостабильные АФП и добавили их в тесто, и обнаружили, что структура клейковины пустого теста изменилась при хранении в условиях колебания температуры (от -20 ℃ до -10 ℃) в течение 30 дней, в то время как рекристаллизация кристаллов льда в тесте с добавлением 0,1% АФП пырея уменьшилась, а структура сетки клейковины теста стала меньше и однородной по форме.
Кроме того, Лю Мей и др. добавили морковные АФП в тесто и обнаружили, что добавление морковных АФП уменьшило увеличение содержания воды в тесте во время цикла замораживания-оттаивания, ослабило повреждение свойств хранения и ультраструктуры замороженного теста, вызванное циклом замораживания-оттаивания, и таким образом улучшило характерный объем и текстурные свойства теста после созревания.
Ся Лу и др. использовали АФП, извлеченные из отрубей озимой пшеницы, в качестве добавки для приготовления быстрозамороженных суповых пельменей при добавлении 1%, 2%, 2,5% и 3% по отношению к клейкой рисовой муке, и результаты эксперимента показали, что добавление 2,5% АФП значительно улучшило качество пельменей, а готовые пельмени имели гладкий вид, хорошую эластичность, чистый и прозрачный бульон.
3.3 Применение в свежих фруктах Замороженные фрукты имеют высокое содержание воды и склонны к потере сока и деформации мягких частей при замораживании и охлаждении. Альгинат и АФП озимой пшеницы смешиваются со свежей клубникой, затем замораживаются жидким азотом, после оттаивания определяют клеточную активность и скорость потери сока, результаты показывают, что АФП значительно улучшают устойчивость клубники к замораживанию, могут сохранять первоначальную форму и текстуру самого фрукта, сохранять сенсорные и вкусовые качества фрукта.
Rui et al. использовали метод вакуумной пропитки для реакции листьев бобового творога с АФП в закрытом резервуаре, и после короткого времени процесса восстановления вакуумного давления и атмосферного давления, АФП находились в прямом контакте с порами листьев бобового творога, чтобы избежать повреждения тканей листа и уменьшить потерю сока листа.
Анализ микроструктуры показал, что кристаллы льда в листьях бобового творога были небольшими. Защита свежих фруктов и овощей от замораживания сосредоточена на том, сохраняется ли морфология клеток после замораживания и существует ли жизнеспособность клеток обмороженных тканей, а применимость различных АФП в области защиты фруктов и овощей от замораживания к продуктам из клеток фруктов и овощей также нуждается в дальнейшем исследовании.
Заключение и перспективы
Производство АФП в растениях - сложный процесс, и существование АФП растительного происхождения тесно связано с устойчивостью растений к росту. Изменения во внешней среде напрямую влияют на концентрацию АФП в растениях, а такие факторы, как химическая индукция, также стимулируют производство АФП в растениях, среди которых в пищевой промышленности для получения АФП в основном используется клонирование или трансгенный путь.
АФП растительного происхождения могут препятствовать рекристаллизации при замораживании и криоконсервации, а также снижать питательную ценность и ухудшать качество продуктов, вызванное вытеканием сока при оттаивании. Кроме того, АФП растительного происхождения нетоксичны, и их добавление в различные пищевые продукты не приведет к негативным последствиям, а их функциональные свойства не связаны с какими-либо токсичными белками, поэтому изучение АФП растительного происхождения в будущем применении в пищевой промышленности является очень перспективным.
В настоящее время исследования механизма действия АФП открыли новое направление развития технологии антифризов в пищевых продуктах, а также создали теоретическую основу для производственной практики. Однако широкомасштабное применение АФП растительного происхождения все еще ограничено, в основном из-за небольшого количества АФП, выделенных из растений, что препятствует крупномасштабному производству, а также из-за высокой стоимости и плохой воспроизводимости синтетических АФП.
Поэтому важно использовать свойства АФП растительного происхождения, такие как относительная молекулярная масса, изоэлектрическая точка, термогистеретическая активность и механизм антифриза, для разработки эффективных методов выделения и очистки для крупномасштабного применения, а также найти оптимальные условия для применения АФП растительного происхождения в различных видах пищевых продуктов, что может обеспечить защиту холодной цепи производства, транспортировки и хранения продуктов питания. Между тем, использование генных технологий для переноса генов антифриза из растений в клетки-реципиенты для получения большого количества молекул с антифризной активностью также станет для нас новым направлением в применении АФП растительного происхождения в продуктах питания.