Bitki kökenli antifriz proteinlerinin etki özellikleri ve gıdalardaki uygulamaları nelerdir?

Bitki kaynaklı antifriz proteinleri
Bitki kaynaklı antifriz proteinleri (AFP'ler), dış ortam değiştiğinde hücrelerini donmaktan korumak için bitkiler tarafından üretilen işlevsel proteinlerdir.AFP'ler farklı bitkilerde farklı şekilde dağılmıştır ve hepsi, bitki hücrelerinin antifriz aktivitesini geliştirme yeteneğine sahip bir grup protein için genel bir terim olan belirli antifriz aktivitesine sahiptir.
AFP'lerin termal histerezis aktivitesi (THA), buz kristali büyüme morfolojisinin modifikasyonu ve buz kristalinin yeniden kristalleşmesinin engellenmesi olmak üzere üç özelliği vardır. Bitki kaynaklı AFP'ler, balık ve böcek kaynaklı AFP'lerden daha düşük termal histerezis aktivitesine sahiptir, ancak buz kristalinin yeniden kristalleşmesini engelleme yeteneği daha güçlüdür. Bu nedenle, bitki kaynaklı AFP'lerin donma direncini düzenlemedeki ana yolunun, hücre dışı buz kristallerinin büyümesini engellemek ve buzun yeniden kristalleşmesini engellemek olduğuna inanılmaktadır.
Çözeltideki buz kristallerinin yeniden kristalleşmesini engelleyerek, bitki kaynaklı AFP'ler ortam sıcaklığının sıfırın altına düşmesinden kaynaklanan mekanik hasarı azaltabilir ve soğutma işlemi sırasında tekrarlanan donma ve çözülme nedeniyle gıda ürünlerinin kalitesinin bozulmasını önleyebilir, bu da onları soğutulmuş gıdalara eklenmek için diğer AFP kaynaklarına göre daha uygun hale getirir.
Antifriz proteinlerinin karakterizasyonu
2.1 Termal Histerezis Aktivitesi (THA) Genel bir çözeltinin (örneğin NaCl, sukroz çözeltisi vb.) donma noktası, katı ve sıvı fazların buhar basınçlarının dengede olduğu sıcaklıktır ve bu nedenle donma noktası erime noktasına eşit olmalıdır. AFP'ler yalnızca buzlanma sürecini etkilediğinden ve erime sürecini neredeyse hiç etkilemediğinden, donma noktasını erime noktasından daha düşük hale getirdiğinden, donma noktası ile erime noktası arasındaki farka termal histerezis farkı denir ve AFP'lerin bu aktivitesine THA denir.
2.2 Düşük sıcaklıklarda buz kristali büyüme morfolojisi etkisinin değiştirilmesi, AFP'lerin etkisiyle buz kristalleri, buz kristali morfolojisinin büyümesini düz yuvarlak tip büyümenin normal buz kristalinden altıgen prizmatik koniye değiştirir. AFP'lerin konsantrasyonu ve zamanın uzamasıyla, buz kristallerinin morfolojisi iğne benzeri olma eğilimindedir.
2.3 Donma sıcaklığında çözeltideki buz kristallerinin yeniden kristalleşmesini engelleyin, çözeltideki küçük buz kristalleri yavaş yavaş kaybolur ve büyük buz kristalleri halinde toplanarak ürünün organizasyon yapısına zarar verir. AFP'li çözelti buz kristallerinin yeniden kristalleşmesini engelleyebilir ve küçük buz kristallerinin eşit olarak dağılmasını sağlayabilir.
Bitki kaynaklı AFP'lerin gıda alanında uygulanması
Dondurma, gıdanın soğuk zincirle taşınmasındaki en önemli aşamalardan biridir ve soğutma, gıda alanında yaygın olarak kullanılan bir depolama yöntemidir. Gıdanın soğuk zincirle taşınmasında sıcaklık dalgalanmalarının meydana gelmesi çok muhtemeldir ve bu da gıdanın donma-çözülme döngüsüyle sonuçlanır. Bu nedenle, buz kristalinin yeniden kristalleşmesi olayının meydana gelmesi kaçınılmazdır ve bu da hücresel dokuya zarar vererek gıdanın fizikokimyasal özelliklerinde, doku morfolojisinde değişikliklere yol açar.
Aynı zamanda, suyun yeniden kristalleşmesi olgusu da hücrelerin iç bileşenlerinde, protein denatürasyonunda, nişasta rejenerasyonunda ve diğer olaylarda değişikliklere yol açacaktır. Dondurulmuş gıda katkı maddeleri olarak bitki kaynaklı AFP'ler dondurulmuş gıdaların kalitesini etkili bir şekilde artırabilir.
3.1 Dondurma Uygulaması Dondurulmuş tatlı süt ürünlerinde buz kristallerinin oluşumu ve yeniden kristalleşmesi, ürünlerin kalitesinde önemli bir rol oynamaktadır. Buz kristallerinin oluşum süreci, dondurulmuş süt ürünlerinin sertleşmesi ve depolanması sırasında buz kristallerinin büyümesini belirler ve dondurmanın kremsi durumu, pürüzlülük ve hidrasyon, sertlik ve buzlu ağız hissi gibi duyusal nitelikleri etkiler; ve yeniden kristalleşme, tüm dondurma işleminden sonra dondurmanın dokusunun ve yapısının stabilitesini belirler.
AFP'lerin eklenmesi, buz kristali çekirdeklerinin boyutunu mekanik olarak kontrol edebilir, sükroz çözeltisinde buz kristallerinin büyümesini engelleyebilir ve statik depolama koşulları altında stabiliteyi artırabilir.
Lillford ve arkadaşları AFP'leri kış buğday çiminden elde ederek dondurmaya eklemiş ve deneysel çalışmalarla AFP konsantrasyonu 0.05%~0.1%'ye ulaştığında buz kristallerinin ortalama boyutunun küçüldüğünü gözlemlemişlerdir.
Regand ve arkadaşları kış buğday çimi AFP'lerini dondurmaya eklemiş ve parlak alan mikroskobu ile kış buğday çimi AFP'lerinin 0.003% ham protein eklendiğinde önemli antifriz özellikleri gösterdiğini gözlemlemiştir.
Bir aylık düşük sıcaklıkta (-18 ℃) depolamadan sonra dondurmanın duyusal değerlendirmesi, -18 ℃ ve dalgalı koşullarda (-20 ℃~-10 ℃) boş grubun dondurmasının çok pürüzlü olduğunu ve dondurmanın buz kristallerinin pul şeklinde olduğunu göstermiştir, Oysa kış otu AFP'leri eklenmiş dondurma pürüzsüz bir dokuya sahipti ve buz kristalleri ince ve homojendi; bu da kış otu AFP'leri eklenmiş dondurmanın buz kristallerinin büyüme morfolojisini değiştirebildiğini ve yeniden kristalleşmeyi engellediğini doğruladı.
Ayrıca, kış otu AFP'lerinin aktivitesi ısıl işlemle doğrulanmış ve kış otu AFP'lerinin aktivitesi pastörizasyondan etkilenmemiş ve kış otu AFP'lerinin aktivite etkisi 0.13% ekleme seviyesinde dengeye ulaşmıştır.
Zhang ve arkadaşları, soğuk evcilleştirilmiş yulaftan AFP'leri çıkarmış ve dondurmayı 0,1% AFP'lerle modifiye ederek cam geçiş sıcaklığını -29,14 ℃'den -27,74 ℃'ye çıkarmış, dondurmanın erime direncini artırmış ve yeniden kristalleşmesini etkili bir şekilde engellemiştir. Bitkisel kaynaklı AFP'lerin eklenmesi, dondurmanın donma ve sıcaklık dalgalanmalarından kaynaklanan hasarını azaltarak yüksek kalite ve tada sahip dondurulmuş bir gıda ürünü elde edilmesini sağlamıştır.
3.2 Dondurulmuş hamurda uygulama Nişasta, birçok gıda işleme türünde vazgeçilmez bir işleme hammaddesidir ve bitki kaynaklı AFP'lerin dondurulmuş hamurdaki uygulaması nispeten büyüktür.
Bitki kaynaklı AFP'ler hamurdan çöken kristal su miktarını düzenleyebilir, böylece hamurdaki su ve glüten donmadan önceki durumda tutulabilir ve böylece hamurun jel stabilitesi, fermente hamurun gözenek boyutu ve homojenliği ve olgunlaştıktan sonra hamurun dokusu ve aroması bozulmayacaktır.
Jia Chunli ve ark. donma ve çözülme sonrası nişasta jelinin stabilitesini incelemek için buğday nişastasına Ligustrum officinale AFP'leri eklemiş ve Ligustrum officinale AFP'lerinin konsantrasyonunun artmasıyla, donma ve çözülme nişastasının çökelme oranının ve dondurulabilir su içeriğinin önemli ölçüde azaldığını bulmuştur, ve jelin ultrastrüktürünün modifikasyonu, nişasta gözenek boyutunun artmasını engelledi ve nişastanın homojenliği iyileştirildi ve jel sertliğinin artması ve jel esnekliğinin azalması geciktirildi, bu da dondurma ve çözme işleminden sonra jelin dokusunu iyileştirdi.
Kontogiorgos ve arkadaşları, kış buğday çiminden bir tür ısıya dayanıklı AFP izole etmiş ve bunları hamura eklemiş ve 30 gün boyunca sıcaklık dalgalanma koşulları altında (-20 ℃ ila -10 ℃) depolandığında boş hamurun gluten yapısının değiştiğini, 0.1% kış buğday çimi AFP'lerinin eklenmesiyle hamurda buz kristali yeniden kristalleşmesinin azaldığını ve hamurun gluten ağ yapısının daha küçük ve düzgün şekilli olduğunu bulmuşlardır.
Ayrıca Liu Mei ve arkadaşları hamura havuç AFP'leri eklemiş ve havuç AFP'lerinin eklenmesinin donma-çözülme döngüsü sırasında hamurun donma-çözülme su içeriğindeki artışı azalttığını, donma-çözülme döngüsünün neden olduğu donmuş hamurun depolama özelliklerine ve üst yapısına verilen zararı hafiflettiğini ve böylece olgunlaşma sonrasında hamurun karakteristik hacmini ve dokusal özelliklerini iyileştirdiğini bulmuşlardır.
Xia Lu ve arkadaşları, yapışkan pirinç ununa göre 1%, 2%, 2.5% ve 3% ilavelerinde hızlı dondurulmuş çorba köftesi hazırlamak için katkı maddesi olarak kışlık buğday kepeğinden ekstrakte edilen AFP'leri kullanmış ve deneysel sonuçlar, 2.5% AFP ilavelerinin köfte kalitesini önemli ölçüde artırdığını ve pişmiş köftelerin pürüzsüz bir görünüme, iyi esnekliğe ve berrak ve şeffaf et suyuna sahip olduğunu göstermiştir.
3.3 Taze meyvelerde uygulama Dondurulmuş meyveler yüksek su içeriğine sahiptir ve dondurma ve soğutma sırasında meyve suyu kaybına ve yumuşak deformasyona eğilimlidir. Aljinat ve kış buğdayı AFP'leri taze çileklere karıştırılmış, daha sonra hücre aktivitesini ve meyve suyu kayıp oranını belirlemek için çözüldükten sonra sıvı nitrojen ile dondurulmuştur, sonuçlar AFP'lerin çileklerin donma direncini önemli ölçüde artırdığını ve meyvenin duyusal ve lezzetini korumak için orijinal formunu ve meyvenin dokusunu koruyabildiğini göstermektedir.
Rui ve arkadaşları, fasulye lor yapraklarını kapalı bir depolama tankında AFP'lerle reaksiyona sokmak için vakum emdirme yöntemini kullanmış ve kısa bir süre vakum basıncı ve atmosferik basınç geri kazanım işleminden sonra, AFP'ler yaprak dokularının zarar görmesini önlemek ve yaprak suyu kaybını azaltmak için fasulye lor yapraklarının gözenekleriyle doğrudan temas halinde olmuştur.
Mikroyapı analizi, fasulye lor yapraklarındaki buz kristallerinin küçük olduğunu göstermiştir. Taze meyve ve sebzelerin antifriz koruması, dondurulduktan sonra hücre morfolojisinin bozulup bozulmadığına ve donmuş dokuların hücre canlılığının var olup olmadığına odaklanır ve meyve ve sebze antifriz alanındaki farklı AFP'lerin meyve ve sebze hücresel gıdalarına uygulanabilirliği de daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyar.
Sonuç ve Genel Bakış
Bitkilerde AFP'lerin üretimi karmaşık bir süreçtir ve bitki kaynaklı AFP'lerin varlığı bitkinin büyüme direnciyle yakından ilişkilidir. Dış ortamdaki değişiklikler, bitki kaynaklı AFP'lerin konsantrasyonunu doğrudan etkileyecek ve kimyasal indüksiyon gibi faktörler de bitkilerde AFP'lerin üretimini teşvik edecektir; bunlar arasında gıda alanı, bitki kaynaklı AFP'leri elde etmek için çoğunlukla klonlama veya transgenik yolu benimser.
Bitki türevi AFP'ler dondurma ve kriyoprezervasyon sırasında yeniden kristalleşmeyi engelleyebilir ve çözdürme sırasında meyve suyu akışının neden olduğu besin ve kalite bozulmasını azaltabilir. Buna ek olarak, bitki kaynaklı AFP'ler toksik değildir ve çeşitli gıda ürünlerine eklenmeleri olumsuz etkiler yaratmaz ve fonksiyonel özellikleri herhangi bir toksik proteinle ilişkili değildir, bu nedenle gıda alanının gelecekteki uygulamalarında bitki kaynaklı AFP'lerin incelenmesi çok umut vericidir.
Şu anda, AFP'lerin mekanizması üzerine yapılan araştırmalar, gıdada antifriz teknolojisinin yeni bir yönünü ortaya çıkarmış ve aynı zamanda üretim uygulaması için teorik bir temel sağlamıştır. Bununla birlikte, bitkilerden elde edilen AFP'lerin az miktarda olması, bunun da büyük ölçekli üretimi engellemesi ve sentetik AFP'lerin yüksek maliyeti ve zayıf tekrarlanabilirliği nedeniyle, bitki kaynaklı AFP'lerin büyük ölçekli uygulamaları hala sınırlıdır.
Bu nedenle, bitki kaynaklı AFP'lerin bağıl moleküler kütle, izoelektrik nokta, termohisteretik aktivite ve antifriz mekanizması gibi özelliklerini kullanmak, büyük ölçekli uygulama için verimli ayırma ve saflaştırma yöntemleri geliştirmek ve soğuk zincir gıda üretimi, nakliyesi ve depolanması için koruma sağlayabilecek çeşitli gıda türlerinde bitki kaynaklı AFP'lerin uygulanması için en uygun koşulları bulmak önemlidir. Bu arada, antifriz aktivitesine sahip çok sayıda molekül elde etmek amacıyla antifriz genlerini bitkilerden alıcı hücrelere aktarmak için gen teknolojisinden yararlanmak da bitki kaynaklı AFP'lerin gıdalarda uygulanmasında bizim için yeni bir yön olacaktır.