Düşük sıcaklıkta soğuk zincir teknolojisi, uzun süreli gıda depolamanın en yaygın ve etkili yollarından biridir. Düşük sıcaklıklı soğuk zincirde gıda ürünlerinin dondurulması, depolanması, taşınması ve dondurulması/çözülmesinden kaynaklanan buz kristallerinin büyümesi ve yeniden kristalleşmesi, ürün kalitesi üzerindeki temel kısıtlamalardır. Sıcaklıkta tekrarlanan dalgalanmalar, ürünlerin buz kristali büyümesinden, donma ve çözülmeden ve yeniden kristalleşmeden muzdarip olmasına, hücresel ve doku yapılarına zarar vermesine ve böylece ürünlerin orijinal kalitelerini kaybetmesine neden olur, bu da kalite hasarına ve insanlar için artan endişe kaynağı olan büyük ekonomik kayıplara yol açar.

Dünya çapında ilgili alanlardaki bilim insanları ciddi bir zorlukla karşı karşıyadır: buz kristali büyümesinin ve yeniden kristalleşmenin nasıl kontrol edileceği ve birçok gıda ürününün kalitesini sağlamanın anahtarı olan düşük sıcaklıklı soğuk zincir sürecinde buz kristali büyümesinin engellenmesinin nasıl gerçekleştirileceği.

Antifriz Proteininin Tanıtımı

Doğal ortamda uzun bir seçilim döneminden sonra, yüksek sıcaklık ve yüksek rakımlı bölgelerdeki organizmalar, soğuk ortama direnmek için bir tür aktif protein olan antifriz proteini (AFP) üretir.

Antifriz proteininin en önemli özelliği buz kristallerinin yüzeyine adsorbe olabilmesi, böylece buz kristallerinin büyümesini kısıtlaması, buz kristallerinin yeniden kristalleşmesini engellemesi ve buz kristallerinin morfolojisini değiştirmesidir.

Çeşitli antifriz proteinlerinin keşfedilmesi ve araştırmaların derinleşmesiyle birlikte, doğal antifriz proteinlerinin gıda alanında araştırılmasını ve uygulanmasını kısıtlayan iki temel sorun giderek daha belirgin hale gelmiştir:
(1) Doğal izolasyon ve saflaştırma yoluyla elde edilen antifriz proteinlerinin miktarı çok azdır ve çok sınırlı miktar, gıda endüstrisinde büyük ölçekli uygulama olasılığını kısıtlamaktadır;
(2) Bilim insanları canlı organizmalardan antifriz proteinlerinin üretimini genişletmek için transgenik teknoloji üzerinde çalışırken, GD antifriz proteinlerinin gıda uygulamalarındaki güvenliği tüketiciler, Avrupa Birliği ve ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) için ortak bir endişe haline gelmiştir.

Antifriz peptitlerinin kaynakları

Antifriz proteinleri çoğunlukla balıklardan, böceklerden, bakterilerden, bitkilerden ve yüksek sıcaklık ve yüksek rakım gibi aşırı koşullar altında yetiştirilen diğer organizmalardan elde edilir.

Antifriz proteinleri kaynaklarına göre dört gruba ayrılabilir: balık kaynaklı antifriz proteinleri, böcek kaynaklı antifriz proteinleri, bakteri kaynaklı antifriz proteinleri ve bitki kaynaklı antifriz proteinleri; ve aktivitelerine göre de kategorize edilebilirler: AFP I ila IV, hiperaktif-AFP ve antifriz glikoproteinler.

Doğal antifriz proteinleri organizmalarda çok düşük içeriğe, yüksek saflaştırma maliyetine ve saflaştırma sırasında büyük aktivite kaybına sahiptir, bu da antifriz proteinlerinin araştırılmasını ve büyük ölçekli uygulamasını sınırlar. Buna karşılık, antifriz peptidler esas olarak gıda kaynaklı protein kaynaklarından, kontrol edilebilir ve verimli hazırlama ile karakterize edilen spesifik enzimatik bölgelerin hidrolizi yoluyla elde edilir.

Şu anda rapor edilen gıda kaynaklı antifriz peptidleri çoğunlukla yenilebilir jelatinden veya hayvan derisi ve balık pulları gibi işleme yan ürünlerinden hazırlanmaktadır.

Antifriz peptitlerin özellikleri

3.1 Termal Histerezis Etkinliği
Antifriz proteinleri, erime noktasını etkilemeden bir çözeltinin donma noktasını özellikle düşürebilir, böylece donma noktası ile erime noktası arasındaki farka termal histerezis aktivitesi denir.

Çalışmalar, antifriz proteinlerinin antifriz aktif parçalarının sadece lokalize spesifik polipeptit zincir yapısı alanlarında bulunduğunu ve antifriz aktivitelerinin eylemdeki genel protein olmadığını göstermiştir.

Hong Jing ve Wu Jinhong ayrıca, belirli amino asit uzunluklarına ve yapılarına sahip kolajen antifriz peptitlerinin hidrojen bağı yoluyla buz tabakasına bağlanabildiğini ve ardından hidrofobik etkileşimler yoluyla buz kristallerinin oluşumunu engelleyebildiğini tespit ederek, antifriz proteinlerinin Kelvin etkisinin termal histerezis aktivitesi olarak da bilinen antifriz peptitleri için de geçerli olduğunu göstermiştir.

3.2 Yeniden kristalleşme inhibisyonu aktivitesi
Sıcaklık erime noktasından daha düşük olduğunda, buz kristalleri toplanma eğilimindedir ve yeniden kristalleşme etkisi buz kristalleri arasındaki toplanma ve büyük buz kristalleri oluşturmak için küçük buz kristallerinin toplanmasıdır.

Antifriz peptidinin yeniden kristalleşme inhibisyonu etkisi buz kristallerini düzenleyebilir ve buz kristali agregasyonunu önleyebilir, böylece buz kristallerinin boyutu ve şekli düzenlenebilir ve oluşan buz kristalleri ince ve düzgün olur.

Hidrojen bağı, hidrofobik etkileşim ve van der Waals kuvvetinin etkisi altında, antifriz peptidi buz kristallerini düzenleyebilir ve buz kristallerinin organizmaya verdiği mekanik hasarı azaltabilir.

3.3 Hücre zarı koruması
Hücreler donmuş veya aşırı soğutulmuş haldeyken, hücrelerin çevresinde ve iç ortamında oluşan buz kristalleri hücrelerde mekanik hasara neden olacak ve soğuk stresi apoptozu tetikleyerek hücrelerin ölümünü hızlandıracaktır.Hirano, Tatsuro ve Davies, balıklardaki antifriz proteinlerinin hücre zarlarını düşük sıcaklık hasarından koruyabildiğini bildirmiştir.

Gıda endüstrisinde antifriz peptitlerin uygulanması

Küresel ticaretin büyümesi, üretim ve pazarlama alanlarının genişlemesiyle birlikte soğuk zincirde işlenmiş gıdalara olan talep artmıştır. Dondurulmuş gıdaların gıda sektöründeki payı da artmaktadır.

Yeni bir gıda katkı maddesi sınıfı olarak antifriz peptidler, soğuk zincir sürecinde gıdalarda buz kristallerinin oluşumunu ve yeniden kristalleşmeyi etkili bir şekilde azaltabilir, böylece düşük sıcaklıkta soğuk zincirli gıdaların kalitesini artırabilir.

4.1 Dondurma
Soğuk depolama sırasında buz kristallerinin büyümesi, dondurma gibi dondurulmuş ürün üreticilerinin karşılaştığı ana zorluklardan biridir, çünkü depolama ve taşıma sırasında sıcaklıktaki dalgalanmalar buz kristallerinin büyümesini teşvik edebilir, bu da dondurmanın tadını etkileyebilir ve ürünün kalitesini düşürebilir.

Buz kristallerinin boyutu ile pürüzlülük derecesi ve/veya buz kristali yapısının oluşumu arasında doğrudan ve yakın bir ilişki olduğu iyi bilinmektedir. Bu nedenle, dondurma üretim formülasyonlarında, işleme, depolama ve dağıtım koşullarında buz kristallerinin boyutunu ve yeniden kristalleşme oluşumunu azaltmak için çaba gösterilmelidir, çünkü hem buz kristali boyutu hem de yeniden kristalleşme oluşumu dondurma dokusu üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.

Wang Shaoyun ve Damodaran ve arkadaşları buz yapı peptidini elemek için kolajen hidrolizi kullanmış, bu tür buz yapı peptidinin dondurmadaki buz kristallerinin boyutunu önemli ölçüde azaltabildiği ve soğuk zincir sürecindeki sıcaklık dalgalanmalarını simüle etmek için sıcak ve soğuk döngü sistemi aracılığıyla, bu tür buz yapı peptidinin dondurmadaki buz kristalinin yeniden kristalleşmesini önemli ölçüde engelleyebildiği bulunmuştur.

4.2 Probiyotikler
Probiyotikler, gıda işlemede yaygın olarak kullanılan faydalı bakterilerdir ve aynı zamanda moleküler biyoloji, yapısal biyoloji, mikrobiyoloji ve bulaşıcı hastalık araştırmalarında önemli taşıyıcılardır. Suşların uzun bir süre boyunca sürekli olarak yetiştirilmesi sadece zaman alıcı ve yoğun emek gerektirmekle kalmaz, aynı zamanda pratik değildir, bu nedenle endüstriyel uygulamalarda ve akademik araştırmalarda genellikle kriyoprezervasyon ve dondurarak kurutma teknikleri kullanılır.

Donma önleyici peptitler probiyotik donma sağkalım oranını, donma stabilitesini önemli ölçüde artırabilir ve bakteri hücrelerinin metabolik canlılığını koruyabilir. Ayrıca antifriz peptit, hücre içi maddelerin sızıntısını azaltmak için hücre zarı ile hidrojen bağı kurarak hücre zarını koruyabilir; diğer yandan antifriz peptit, dondurma işlemi sırasında hücrede oluşan buz kristallerinin zararını azaltmak için hücre içine girebilir.

4.3 Dondurulmuş hamur
Modern dondurma teknolojisi, geleneksel temel gıdaların kolay eskime ve kısa raf ömrü gibi sorunlarını çözmek için etkili bir araçtır. Yeni bir gıda antifrizi türü olarak, antifriz peptitlerin veya buz yapılı peptitlerin son yıllarda dondurulmuş hamur ürünlerinin kriyoprezervasyonunda kullanıldığı bildirilmiştir.

Bunlar arasında Fuzhou Üniversitesi'nden Wang Shaoyun'un ekibi, Jiangnan Üniversitesi'nden Zhang Hui'nin ekibi ve Huang Weining'in ekibi antifriz peptidi dondurulmuş hamur ve dondurulmuş patates hamuruna başarıyla uyguladı. Antifriz peptit ilavesinden sonra, dondurulmuş hamurun fermantasyon süresi önemli ölçüde kısaldı ve dondurulduktan sonraki spesifik hacim kontrol grubuna göre önemli ölçüde daha yüksek oldu. Ayrıca, antifriz peptidli dondurulmuş hamurdan yapılan buharda pişirilmiş ekmeğin spesifik hacminin kontrol grubuna göre önemli ölçüde daha yüksek olduğu bulunmuştur.

4.4 Dondurulmuş et
Halihazırda $13 milyar ABD dolarını aşan küresel et ihracatı ile dondurma teknolojisi, dünyaya tedarik edilen et ürünlerinin güvenliğinin sağlanmasında hayati bir rol oynamaktadır. Ancak, dondurma ve çözdürmenin et kalitesi üzerindeki etkisi önemli bir sorun olmaya devam etmektedir.

Tekrarlanan dondurma ve çözdürme işlemleri öncelikle etin nem içeriğini etkiler. Nem, kas liflerinin içinde ve aralıklarında bulunduğundan, nem donduğunda, kalan çözünen maddelerin (proteinler, lipitler, karbonhidratlar, mineraller ve vitaminler) konsantrasyonu artar ve dondurma işlemi ve soğuk zincir sırasında buz kristalleri büyür ve yeniden kristalleşir, böylece karmaşık et sisteminin homeostazını bozar ve etin orijinal organizasyonuna zarar verir.

Özetlemek gerekirse

Antifriz eklemek, dondurulmuş gıdaların kalite bozulmasını azaltmanın etkili bir yoludur ve geleneksel yüksek şeker ve yüksek tuzlu ticari antifrizin yerini alacak antifriz peptid gibi yeni antifriz, tüketicilerin yaşam kalitesi ve sağlıklı gıda talebinin artmasıyla kaçınılmaz bir eğilimdir.

Spesifik peptit zinciri uzunluğuna ve yapısal alan bileşimine sahip gıda kaynaklı antifriz peptitler, doğal antifriz proteinlerinin sınırlı araştırma ve uygulama sorununu çözmek için etkili bir yoldur.