常用抗凍劑及其在冷鏈?zhǔn)称饭I(yè)中的應(yīng)用

◎ 孫國(guó)皓

（西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

冷凍是一種常見(jiàn)的食品貯藏加工方式，其主要目的是通過(guò)接近或低于冰點(diǎn)的溫度處理食品，改善食品加工或保藏特性。食品冷凍加工的過(guò)程主要包括降低溫度和保持溫度兩部分，根據(jù)食品最終達(dá)到的溫度是否低于食品的冰點(diǎn)，食品冷凍可以被分為食品冷卻和食品凍結(jié)兩類。然而，食品在進(jìn)行冷凍或冷凍后貯藏及運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)樗至魇А⒌鞍踪|(zhì)變性以及脂類氧化等多種原因而發(fā)生品質(zhì)劣變[1]。因此，為改善食品的冷凍特性，防止其在冷凍加工、貯藏過(guò)程中發(fā)生品質(zhì)變化，人們嘗試了許多不同的方法。在眾多的方法中，添加抗凍劑被認(rèn)為是一種較有效的方法，在近些年愈發(fā)受到人們的關(guān)注[2]。

抗凍劑主要功能為利用自身特殊的基團(tuán)以及空間結(jié)構(gòu)，與食品中蛋白質(zhì)等容易在冷凍條件下發(fā)生變性的物質(zhì)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在冷凍的條件下不易發(fā)生變性，以此來(lái)達(dá)到穩(wěn)定食品在冷凍融解循環(huán)中的品質(zhì)，即賦予食品抗凍性，使食品的冰點(diǎn)降低、達(dá)到冰點(diǎn)的速度減慢[3-4]，以達(dá)到改善食品冷凍加工特性的目的。本文對(duì)常用抗凍劑的作用機(jī)理、特點(diǎn)以及在食品加工中的應(yīng)用進(jìn)行概述。

1 常用抗凍劑及其作用機(jī)理

1.1 糖類抗凍劑

糖類抗凍劑主要包括膠類抗凍劑、改性淀粉類抗凍劑以及小分子糖類抗凍劑，其分子結(jié)構(gòu)中有多個(gè)羥基，具有較強(qiáng)的親水性，能與食品中的自由水相互作用。大多數(shù)情況下，這類抗凍劑分子結(jié)構(gòu)中的羥基越多，使用其處理過(guò)的冷凍食品抗凍性越強(qiáng)。研究表明，此類抗凍劑的主要作用機(jī)理不是與食品中的蛋白質(zhì)直接結(jié)合，也不是代替食品中蛋白質(zhì)表面的結(jié)合水，而是通過(guò)改變存在于蛋白質(zhì)分子中的水的狀態(tài)與性質(zhì)，間接發(fā)揮作用。在這些具有抗凍特性的糖類物質(zhì)的作用下，蛋白質(zhì)中水的表面張力和結(jié)合水的含量增加，不易與蛋白質(zhì)外水化層發(fā)生分離，增強(qiáng)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性[5]。

1.1.1 膠類抗凍劑

膠類物質(zhì)在速凍產(chǎn)品的凍結(jié)過(guò)程中，可以減少食品體系中自由水的含量，并可通過(guò)與食品中某些組分發(fā)生相互作用而形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而提高了食品在進(jìn)行冷凍加工貯藏過(guò)程中的穩(wěn)定性，降低了食品中自由水凝固和冰晶體積增長(zhǎng)的速率以及形成的冰晶體的大小。同時(shí)膠類物質(zhì)也可以與食品中的淀粉、蛋白質(zhì)等成分發(fā)生相互作用而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善食品的組織結(jié)構(gòu)，降低冷凍制品的開(kāi)裂率，使產(chǎn)品表面更加光滑、細(xì)膩，質(zhì)地更加良好；此外，膠類物質(zhì)還可以保持生產(chǎn)出食品的品質(zhì)，延長(zhǎng)貨架期[6]。

1.1.2 改性淀粉類抗凍劑

改性淀粉即變性淀粉，是一種以甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉以及玉米淀粉等為原料，經(jīng)過(guò)物理方法、化學(xué)方法和酶法以及綜合使用上述幾種方法進(jìn)行處理后，得到的具有特定用途的降解物或衍生物[7]。由于改性淀粉類物質(zhì)在原有的淀粉結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引進(jìn)了磷酸基團(tuán)、羧甲基、羥丙基等具有較強(qiáng)極性的基團(tuán)，使改性后的淀粉分子極性增強(qiáng)，親水能力得到大幅改善，并賦予改性后的淀粉一定的吸水、保水性、較高的透明度及較強(qiáng)的抗凝性。同時(shí)，這些基團(tuán)的引入會(huì)使淀粉分子的空間位阻增大，使其在水中不易聚沉，增強(qiáng)了分散體系的穩(wěn)定性。因此，加入了改性淀粉后的食品在冷凍過(guò)程中其結(jié)構(gòu)不易遭受破壞，具有較強(qiáng)的抗 凍性[8]。

1.1.3 小分子糖類抗凍劑

蔗糖、葡萄糖等小分子糖類常作為甜味劑加入速凍食品中，以改善食品的風(fēng)味或色澤。并且，這些小分子糖類除了具有以上作用外，還可以降低食品體系冰點(diǎn)。小分子糖類通過(guò)氫鍵、范德華力與食品中的自由水結(jié)合，減少了自由水含量，限制了自由水對(duì)食品體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響。此外，小分子糖類物質(zhì)的膠乳還可以增加食品體系的黏度以及玻璃化轉(zhuǎn)化溫度，從而對(duì)冷凍過(guò)程中冰晶的增大起到控制作用[9]。

1.2 磷酸鹽類抗凍劑

在食品加工行業(yè)，尤其是在肉制品的加工、運(yùn)輸及貯藏過(guò)程中，人們通常會(huì)添加磷酸鹽、三聚磷酸鹽以及六偏磷酸鹽等復(fù)合磷酸鹽類物質(zhì)，此類物質(zhì)本身能夠作為抗凍劑，提高食品的抗凍性，還會(huì)與糖類抗凍劑產(chǎn)生明顯的協(xié)同作用，提高食品抗凍效果，因而兩者常復(fù)配使用[10]。

磷酸鹽類抗凍劑的作用機(jī)理主要有3 點(diǎn)。①增加離子強(qiáng)度。肉在冷凍時(shí)，其中的蛋白質(zhì)易發(fā)生變性，復(fù)合磷酸鹽的加入，可以增大肌原纖維的空間結(jié)構(gòu)，增加其中結(jié)合水的含量，并穩(wěn)定蛋白質(zhì)表面的水分子層，保護(hù)蛋白的空間結(jié)構(gòu)，減少冷凍過(guò)程中的冷凍變性現(xiàn)象，并提高蛋白質(zhì)保水性。②降低酸度。由于磷酸鹽類物質(zhì)是強(qiáng)堿弱酸鹽，其溶液一般顯堿性，同時(shí)又可以作為緩沖物質(zhì)，對(duì)肉制品的酸度起到一定的調(diào)節(jié)與緩沖作用，維持產(chǎn)品的pH，減小食品中蛋白質(zhì)的變性程度，使之保持較強(qiáng)的彈性以及保水能力。③破壞蛋白質(zhì)的膠體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)解膠。磷酸鹽的加入促進(jìn)了肉中肌動(dòng)球蛋白解離為肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白，加快了肌原纖維結(jié)構(gòu)破壞，使具有鹽溶性的肌球蛋白從肌原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中脫離，提高了肉的持水能力。此外，在此過(guò)程中產(chǎn)生了大量結(jié)構(gòu)松弛的短鏈骨架，其中的一部分成為了具有一定流動(dòng)性和黏度的膠體物質(zhì)，一定程度上增強(qiáng)了肉的抗凍能力。而相比于對(duì)持水能力的改善，磷酸鹽類抗凍劑增強(qiáng)食品抗凍性的作用較弱，因而常與其他抗凍劑一同被添加到冷凍食品中[11-12]。

1.3 蛋白及其衍生物類抗凍劑

蛋白及其衍生物類抗凍劑是環(huán)保且高效，分為抗凍蛋白和蛋白衍生物。雖然目前對(duì)于這類具有生物活性的抗凍劑的實(shí)用性研究相對(duì)較少，但通過(guò)現(xiàn)有的研究仍可以發(fā)現(xiàn)，此類抗凍劑作為一種有效的綠色抗凍劑，可作為碳水化合物類抗凍劑的可行替代品[13]。同時(shí)，蛋白及其衍生物類抗凍劑也是當(dāng)今學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)[12]。

1.3.1 抗凍蛋白

抗凍蛋白是一類可以對(duì)冰晶生長(zhǎng)起抑制作用的蛋白質(zhì)，這種蛋白能夠運(yùn)用滯后效應(yīng)，以非依數(shù)性的形式使食品體系的凝固點(diǎn)降低，而基本不影響其熔點(diǎn)。在抗凍蛋白的作用下，食品體系的熔點(diǎn)與冰點(diǎn)之間產(chǎn)生了差異，冰晶形態(tài)也發(fā)生改變，冰晶體積增大也受到了一定的抑制[14-16]?？箖龅鞍字饕獊?lái)源于動(dòng)物、植物、昆蟲(chóng)以及微生物，在冷凍肉制品和水產(chǎn)品中常用的是魚(yú)類抗凍蛋白，魚(yú)類抗凍蛋白根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可以被分為I 型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型以及抗凍糖蛋白等5 類[17]。

然而，抗凍蛋白的作用機(jī)理，由于其來(lái)源和結(jié)構(gòu)的不同，至今仍然無(wú)定論。目前，關(guān)于抗凍蛋白的作用機(jī)理的主流假說(shuō)是Raymond 等[18]在1977 年提出的吸附抑制假說(shuō)以及Nutt 等[19]在2008 年基于分子動(dòng)力學(xué)模擬提出的籠形物固定水假說(shuō)，兩者的共同特點(diǎn)，便是其機(jī)理都是以非依數(shù)性機(jī)制，對(duì)冰晶進(jìn)行一定程度的修飾，從而降低冰點(diǎn)[20]，以及通過(guò)大小冰晶所具有的特殊生長(zhǎng)機(jī)制，改變冰晶形成的形態(tài)，抑制水的重結(jié)晶[12]。

1.3.2 蛋白衍生物類抗凍劑

作為抗凍劑的蛋白衍生物大多是由蛋白質(zhì)經(jīng)特異性的酶作用水解而得到的長(zhǎng)短不同的蛋白水解物。在這些蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物中，具有較強(qiáng)抗凍作用的便是抗凍肽?？箖鲭闹饕允吃葱缘鞍自礊樵希ㄟ^(guò)特異性的酶切位點(diǎn)水解獲得，具有可控、高效的特點(diǎn)[21]。由于抗凍肽作為抗凍劑時(shí)可以在很大程度上緩解由于大量使用磷酸鹽類抗凍劑而導(dǎo)致的鈣吸收減弱[22]，以及由于使用糖類抗凍劑而造成對(duì)糖尿病人群帶來(lái)的威脅[23]，因此，它被人們認(rèn)為是一種極具應(yīng)用前景的新型抗凍劑。

抗凍肽的作用機(jī)理與抗凍蛋白類似，均可由吸附抑制假說(shuō)進(jìn)行解釋，汪少蕓等研究認(rèn)為，具有特定長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)的抗凍肽，能在形成的冰晶表面內(nèi)與水分子形成氫鍵，并通過(guò)氫鍵緊密地吸附在冰核的表面，從而起到改變冰晶生長(zhǎng)方向、抑制冰晶生長(zhǎng)及冰的重結(jié)晶的作用[24]。

2 抗凍劑在食品冷凍加工中的應(yīng)用

2.1 抗凍劑在畜肉類以及水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

研究表明，在肉制品中添加抗凍蛋白等抗凍劑可以賦予肉類抗凍性，使得其在冷凍加工、貯藏過(guò)程中品質(zhì)的劣變減少[25]。此外，通過(guò)大量研究，人們已經(jīng)將抗凍劑成功應(yīng)用于鯉魚(yú)、鳙魚(yú)、文蛤、扇貝和南美白對(duì)蝦等多種水產(chǎn)品及其制品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯藏中[12]。羅永康等研究發(fā)現(xiàn)將由0.3%的多聚磷酸鹽、2%蔗糖以及2%山梨醇混合而成的復(fù)合抗凍劑添加到鰱魚(yú)魚(yú)糜中，制得的產(chǎn)品具有較好的抗蛋白冷凍變性作用[26]。Mastanjevi? 等在前人使用麥芽糖、海藻糖等單糖類抗凍劑的基礎(chǔ)上，增加了經(jīng)物理、化學(xué)因素改性后的木薯淀粉以及大麥淀粉，發(fā)現(xiàn)抗凍劑的加入可以有效地改善雞糜冷凍后的色澤、硬度、咀嚼性和彈性等質(zhì)構(gòu)性質(zhì)，增加了其商品價(jià)值[27]。此外，也有研究者將從北極鱈魚(yú)體內(nèi)提取出的抗凍蛋白溶液注射進(jìn)待屠宰的羔羊體內(nèi)，并在完成屠宰，制成冷凍肉后利用顯微鏡對(duì)肉進(jìn)行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)注入的抗凍蛋白可以防止羊肉在冷凍過(guò)程中形成大塊冰晶，減小冰晶對(duì)組織細(xì)胞的損傷，降低了產(chǎn)品的汁液流失率[28]。

2.2 抗凍劑在冷凍面制品中的應(yīng)用

冷凍過(guò)程中，酵母細(xì)胞易受損傷而發(fā)生破裂，對(duì)生理活性、發(fā)酵力和產(chǎn)氣量產(chǎn)生影響。同時(shí)，由于酵母細(xì)胞破裂時(shí)會(huì)釋放出具有較強(qiáng)還原性的谷胱甘肽，破壞面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使面團(tuán)的保氣性下降，導(dǎo)致產(chǎn)品感官品質(zhì)變差[29]。而在制備冷凍面團(tuán)時(shí)，除了選用抗凍能力較強(qiáng)的酵母外，加入一定量的抗凍劑也是一種常用的提高面團(tuán)品質(zhì)的方法。加入的抗凍劑不僅能保護(hù)面團(tuán)中的酵母細(xì)胞，維持其原有的發(fā)酵能力，還能顯著抑制冷凍面團(tuán)的水分遷移與流失，可以有效阻止冰晶的形成以及晶體的增大，保護(hù)面筋結(jié)構(gòu)，提高面團(tuán)的膨脹和持氣能力，使產(chǎn)品具有良好品質(zhì)，避免出現(xiàn)凍裂和面團(tuán)萎縮現(xiàn)象[30]。冷凍饅頭改良劑便是一種典型的冷凍面制品抗凍劑，它的加入可以在很大程度上防止由于酵母細(xì)胞破裂而造成的面筋蛋白變性，并保持面筋的持水及持氣的能力[29]。此外，在應(yīng)用于冷凍面制品的眾多食品抗凍劑中，抗凍肽作為一種新型、綠色且抗凍能力較強(qiáng)的食品抗凍劑，近年來(lái)，在冷凍面團(tuán)制品的低溫加工、保藏過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越多。其中，孫麗潔等[31]成功將抗凍肽應(yīng)用于一般冷凍面團(tuán)，李靈等[32]、張莉[33]等也將抗凍肽應(yīng)用于冷凍馬鈴薯面團(tuán)的加工過(guò)程中。

2.3 抗凍劑在水果蔬菜的加工以及貯藏中的應(yīng)用

自20 世紀(jì)60 年代末，研究人員便開(kāi)始研究抗凍蛋白的應(yīng)用，但抗凍蛋白降低冰點(diǎn)的能力較弱，作用效果無(wú)法與常用的蔗糖、山梨醇等抗凍劑的效果產(chǎn)生顯著差異。此外，由于抗凍蛋白的自然生產(chǎn)量極低，因此并不具備作為抗凍劑的成熟條件。然而，在近幾十年，基因工程技術(shù)的高速發(fā)展，為抗凍蛋白的深入應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通常，人們運(yùn)用DNA 重組技術(shù)，將控制合成抗凍蛋白的基因轉(zhuǎn)移到目標(biāo)果蔬上，并使之表達(dá)，得到具有抗凍特性的新品種果蔬。通過(guò)這種方式，人們對(duì)果蔬的抗凍特性進(jìn)行了改良，使果蔬的抗寒能力得到了根本上的提高，使其采后加工貯藏能力有所提高，延長(zhǎng)了某些果蔬的貯藏壽命[19]。1984 年，美洲擬蝶中抗凍蛋白的基因序列被闡明[34]。隨后，Georges等將編碼抗凍蛋白的基因轉(zhuǎn)移到玉米中，得到了具有抗凍特性的玉米新品種[35]。此外，人們還將從魚(yú)體內(nèi)提取的AFPI 抗凍蛋白滲入到植物葉和莖的組織中，并測(cè)定處理后植物莖、葉的冰點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其冰點(diǎn)均降低了至少1.8 ℃。這表明植物莖干、葉片等可以通過(guò)浸泡魚(yú)抗凍蛋白的方式獲得抗凍活性，降低植物細(xì)胞內(nèi)冰晶形成的速度，以防止組織結(jié)構(gòu)受到損傷而引起其感官以及食用品質(zhì)的下降[36]?？梢?jiàn)，通過(guò)將食品抗凍劑應(yīng)用于果蔬貯藏及加工中，可以極大地提升果蔬對(duì)不良環(huán)境的抗性，從而提高產(chǎn)量、降低成本。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著冷凍食品加工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)的冷鏈正不斷地完善。作為一種能夠改變食品冷凍特性的食品添加劑，抗凍劑受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。盡管不同類別的抗凍劑的作用機(jī)理以及應(yīng)用場(chǎng)合不盡相同，但無(wú)論哪種食品，在使用了抗凍劑后，凍結(jié)后產(chǎn)生的冰晶均小于未添加時(shí)食品中所形成的冰晶大小，這在很大程度上防止了由于冰晶顆粒過(guò)大而造成的組織和細(xì)胞的機(jī)械損傷，因此食品抗凍劑至今仍具有較高的研究?jī)r(jià)值。同時(shí)，由于近些年來(lái)食品冷凍技術(shù)的快速發(fā)展，加上抗凍劑的傳統(tǒng)應(yīng)用方式存在濃度難以控制、處理后難以保障抗凍劑在食品中分布均勻等問(wèn)題，所以研究更加高效且安全的抗凍劑，以及將抗凍劑的利用與新興食品冷凍技術(shù)相結(jié)合，仍是今后的科研工作者努力探索的方向。