冰结构蛋白在速冻食品中的应用研究进展

来源:用户上传      作者:党美珠 隋继学 孙向阳 李长滨

　　摘要：冰结构蛋白又称为抗冻蛋白，能够有效地提高生物的抗冻能力。冰结构蛋白能够保证在低温环境下冰结晶的形成，而且还能够将冰结晶的生成有效地控制在最低范围内。冰结构蛋白属于蛋白质类化合物，因为具有降低冰点、修饰冰晶形态、抑制重结晶等方面的特点被广泛地应用于速冻食品加工以及储存等领域。文章通过对于其进行全面的介绍并且对于食品安全方面进行了简单的分析，从而为冰结构蛋白在食品应用方面提供一定的参考依据。
　　关键词：冰结构蛋白;食品安全;应用研究
　　中图分类号：Q-1     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）41-0107-03
　　 冰结构蛋白，英文全称为ice structuring proteins，简称ISPs，又被称为热滞蛋白或抗冻蛋白，其能够有效地防止蛋白质出现冰结晶的现象。最早发现冰结构蛋白的是在19世纪60年代，科学家Devries在南极的鱼类血液中发现了这种神奇的物质，从而开始了关于速冻食物加工方面的研究工作[1]。通过对冰结构蛋白的深入研究之后发现，冰结构蛋白普遍存在于鱼类、植物、昆虫、细菌与真菌等生物体内。因为冰结构蛋白具有降低冰点、改变冰晶形态、抑制重结晶等主要的功能，所以冰结构蛋白的商业价值非常大，应用前景也十分广泛。我国对于冰结构蛋白的研究与应用也在逐步地推进发展，尤其是2006年我国卫生部门将冰结构蛋白列为新型食品添加剂，从此其被广泛地应用于速冻食品中。
　　一、冰结构蛋白的主要分类
　　（一）鱼类冰结构蛋白
　　人们最早发现的冰结构蛋白就是来自南极海洋中鱼类的体内，所以冰结构蛋白主要存在于齿鱼类、贝氏肩鳌鱼类的血液中。高纬度海域中的鱼类也存在冰结构蛋白，比如大西洋鳍等鱼类[2]。
　　（二）昆虫冰结构蛋白
　　很多昆虫在寒冷的冬天都会死亡，但是有相当一部分的昆虫能够越冬，其中的原因在于这些昆虫的体内也含有冰结构蛋白。这些昆虫的冰结构蛋白无糖基与鱼类的冰结构蛋白相类似，都含有非常多的亲水性氨基酸。其中有40%-59%的氨基酸能够形成氢键。而且有些昆虫的冰结构蛋白含有一定数量的半肤氨基酸。
　　（三）植物冰结构蛋白
　　生长在寒带地区的植物在生长发育的过程中，对于抗寒因子的依赖程度很高，尤其是对于植物的生长、繁殖与分布起到了决定性的作用[3]。一般来说，低温环境会造成植物的分布范围限制，而且还可能导致植物的质量与繁殖受到严重影响。所以很多植物体内的冰结构蛋白不仅具有抗冻的效果，而且还具有抗病的功能。植物冰结构蛋白主要不是阻止冰晶的形成，而是通过调控冰晶增长以及一直重结晶的方式来保护植物不会受到冰晶增长造成的损伤。
　　（四）细菌冰结构蛋白
　　在加拿大北极地区的植物根部位置发现了一种根瘤菌，其耐冻效果在-20℃～50℃之间，因为这种细菌能够在5℃的温度条件下生成一种具有抗冻活性的蛋白质，这种蛋白质的分子量能够达到164ku，并且通过实验进一步证明了这种细菌的抗冻机制是冰结构的聚集。
　　二、冰结构蛋白的抗冻机制
　　由于不同的生物体内存在的冰结构蛋白都是不同的，而且每种蛋白质控制冰晶生长的方向也不相同，所以在这种情况下它们的抗冻机制也会存在很多的差异。在不同机制的作用下，蛋白质和冰结晶能够生成很多种不同形态的冰晶，可以是针状、可以是球状，也可以是菱形等形状。我们现在应用于食品速冻领域的抗冻机制是组织冰晶横向增长的冰结构蛋白，这样也就说明冰结晶不会出现球状的情况。所以根据这样的抗冻机制，能够进一步保证速冻食品呈现出稳定、防腐等实用品质，而且还能够根据人们的喜好来选择冰结晶的结构特点，从而形成个性化的速冻食品。
　　三、冰结构蛋白的活性特点
　　（一）热滞活性
　　冰结构蛋白具有热滞活性的特点。所谓热滞活性，就是通过非依数的形式来降低水溶液的冰点，从而对熔点不产生影响，这种冰点与熔点之间的差值被称为热滞活性。如果冰点与熔点之间的差值越大，则热滞活性的特点也就越大，所以说冰结构蛋白的作用于其自身的属性呈现正相关的关系，而与冰结构的数量毫无关系[4]。冰结构蛋白的热滞活性的特点也被称之为抗冻作用的非依数性，即抗冻能力的强弱高低只依赖于冰结构蛋白自身性质，与冰结构蛋白数量的多少没有关联。
　　（二）改变冰的生长习性
　　抗冻蛋白具有改变冰生长习性的特点，也就是冰晶形态效应。这种性质能够在不同方面的强弱变化中引起冰晶形态方面的改变，冰通常情况下会以晶格的生长方式来形成，为此冰晶格会平行地生长，而很少垂直地生长，所以这种情况下冰晶格的形状是扁圆的状态[5]。如果低浓度的冰结构蛋白质会先抑制冰晶沿着晶格基面的生长，那么冰晶格的六边柱表面会更加的明显，但是在高浓度的冰结构蛋白质的影响之下，冰晶格还是会在垂直方向明显地生长，最终形成锥形晶体。
　　（三）重结晶抑制效应
　　冰结构蛋白质还具有重结晶抑制效果，尤其是在低于熔点几度的温度下，冰结构具有重结晶的成长趋势，即小冰晶被大冰晶取代，并且逐渐凝结成冰块。但是冰结构蛋白质能够对冰结晶的生成速度进行控制，从而保证冰结构的组织冰晶中的大小和形状变慢，从而减轻重结晶的造成的损伤。通常情况下，在耐冻植物的内部以及耐旱昆虫体内，重结晶抑制作用要比热滞效应更加重要，因为通过冰结构蛋白质能够有效地避免冰结晶体对细胞组织造成伤害，为此重结晶化抑制作用也要比冰晶生长的抑制作用更加有效地达到。通常只需要很少的冰结构蛋白质就能够起到非常有效的重结晶抑制效应。
　　四、冰結构蛋白在速冻食品领域的具体应用
　　（一）在速冻面制品中的应用
　　1.在冷冻面团中的应用。冷冻面团技术是食品加工领域新型的一种烘焙技术。尤其是在大型食品连锁生产企业中，为了能够保证食品达到统一加工、统一配送等效果，必须要通过冷冻面团的方式来保证面团在中心工厂实现搅拌、成型、速冻等步骤。在运输到超市、商店、快餐店时还必须要进行解冻、发酵以及烤制等步骤。在这些步骤中，如果冷冻面团经过长时间的冰冻，就会造成面团的品质下降，进而影响口感，而且如果醒发的时间过长也会造成面团的比容减少。在速冻面团中添加冰结构蛋白之后，能够明显地发现面团的质地会更加的柔软而且稳定，其中的原因在于结冰量的减少[6]。 　　通过冷诱导的方式，从冬麦草原质体中提取分离出具有热稳定的奇异果甜蛋白质，并且针对速冻面团的超微结构所产生的影响，会发现，空白面团如果处于冷藏条件下，面筋结构会被破坏，从而减少重结晶的生成。这样一来面团的空洞减少，从而保护面筋结构。通过将胡萝卜冰结构蛋白添加到面团之中，进一步研究了胡萝卜冰结构蛋白对于面团发酵能力、面团风味等方面所产生的影响，并且通过一系列的分析来进一步证明了冷冻面团在贮藏的过程中可结冰水含量、面包质构品质以及香气等方面能够变得更好。这样也就说明添加了胡萝卜冰结构蛋白之后酵母死亡率会明显地降低，面团的发酵能力也会增强，从而减少面包的硬度，增加面包的比容，这样能够保证解冻之后的面包在烘焙以后还能够保留面包原有的香气，而且质地结构并不会受到破坏。
　　速冻食品在低温贮藏、运输等过程中，由于冰结构蛋白能够有效地抑制冰晶的形成与重结晶的生成，这样就能够非常有效地保证面团食品质地的柔软，并且还能够有效地防止营养流失。所以冰结构蛋白的应用在速冻食品领域中具有非常广阔的发展前景，但是目前的冰结构蛋白成本较高，所以在未来的研究中必须要有效地降低冰结构蛋白的生产成本。
　　2.在速冻汤圆、水饺等传统中式食品中的应用。对于速冻汤圆、速冻水饺等需要热水煮熟的食品，一旦出现开裂的情况必然会影响到食品的口感，也会造成浪费[7]。所以通过将冬小麦麸皮冰结构蛋白质添加到汤圆之中，并且通过研究分析，对于汤圆的质构、外观等方面进行了测定，能够进一步发现添加冬小麦麸皮冰结构蛋白质之后对于汤圆、速冻水饺等传统中式食品的影响具有非常重要的作用，不仅能够明显地减弱硬度，而且还能够增加弹性值。而且通过对比，在-60℃以下的环境中速冻24小时之后，没有添加冬小麦麸皮冰结构蛋白质的食品会出现开裂的情况。添加了冰结构蛋白质的食品不仅在煮熟之后不容易开裂，还能够始终保持产品的诱人外观，从而被人们广泛接受，进一步提高收益。
　　（二）冷冻乳制品中的应用
　　常见的冷冻乳制品就是冰激凌。人们在选择冰激凌的过程中最为关注的就是冰激凌的冰晶。所以冰晶体越小越少就证明冰激凌的品质效果越好。如果在运输、冷藏、销售等环节出现大量的冰晶体不仅会影响冰激凌的外观，而且对于冰激凌的口感也会产生影响。通过在冰激凌中添加冰结构蛋白能够有效地防止冰激凌在贮藏、运输等过程中产生冰晶，而且还会保证冰晶细小均匀，从而保证口感。
　　（三）在冷却/冷冻肉中的应用
　　肉制品在为了保证品质，必须通过冷冻或冷藏的方式来进行运输。通过在肉制品中增加冰结构蛋白质能够有效地防止肉制品渗水或者冰晶的生成，从而维持肉制品中的组织结构，并且减少营养流失。将冰结构蛋白在屠宰线注入动物体内，在宰杀之后肉制品能够有效地降低冰晶体的体积以及液滴数量。从而保持肉制品的鲜嫩口感。
　　（四）在果蔬保鲜中的应用
　　速冻蔬菜在解冻的过程中非常容易出现汁液流失、菜叶软烂等情况，通过在蔬菜中运用转基因的方式，将冰结构蛋白基因转移到果蔬上并且进行正确的运用，能够进一步改善速冻蔬菜的新鲜程度。
　　五、安全性分析
　　任何一项技术在应用的过程中必须对其潜在的危险以及问题进行分析研究，尤其是关于食品安全方面的技术。对于冰结构蛋白在速冻食品中的应用所进行的安全性分析比较复杂，但是通过长时间的跟踪调查研究发现，添加了冰结构蛋白质的速冻食品对于人体安全并无影响[8]。而且目前为止，我国已经明确地将冰结构蛋白作为食品添加剂来应用于速冻食品领域，从而进一步证明了冰结构蛋白在速冻食品领域中的应用是非常安全的。
　　六、存在的问题
　　目前来说，冰结构蛋白应用于速冻食品领域是未来重要的发展趋势，但是目前为止还没有得到广泛推广。具体存在以下两方面的问题。
　　（一）冰结构蛋白成本较高
　　尽管冰结构蛋白广泛地存在于鱼类、细菌、植物等生物体内，但是提取获得冰结构蛋白的技术并不成熟，加之成本较高，所以尽快降低冰结构蛋白的获得成本是当务之急，而且还必须要针对新型冰结构蛋白的研究进行推广，从而寻找到可以替代的物质[9]。
　　（二）冰结构蛋白无法实现混合工艺标准
　　冰结构蛋白无法融入混合标准工艺之中，因为在加工的过程中巴氏杀菌能够对冰结构蛋白质的性质产生一定的影响。尽管冰结构蛋白的生产已经趋于商业化，但是生产出来的产品依然集中在特殊的研究领域。目前来看，速冻食品以及保健品行业对于冰结构的蛋白的应用是最广泛的，但是它们的产品都是通过转基因酵母菌来进行生产的，所以这一转基因技术被反对组织进行抵制。尽管目前对于冰结构蛋白质的研究不断成熟，但是依然有很多方面必须进行深入的研究，比如開发新型高活性冰结构蛋白质或者通过分子生物技术手段来提高冰结构蛋白质的含量。通过快速准确地测量冰结构蛋白质的活性试验以及检验体系。对于冰结构蛋白质的合成以及类似物、模拟物等方面的应用必须完善。在速冻食品体系中，冰、水、蛋白质以及其他物质之间的相互反应以及安全性还必须要进行更加深入的评价[10]。
　　随着科学技术的发展，人们对于高质量的生活以及事物要求也再不断地增多。为了满足速冻食物口感与外观方面的要求，冰结构蛋白逐渐地进入到科学家研究的视野中。冰结构蛋白能够降低鱼类体内的血清、昆虫或者植物体液中的水溶液冰点等，其溶质会比一般的溶质要高很多。根据重量浓度来计算的话要高出两倍。这样就说明一般的溶液的熔点是固态和液态等两种形态之间的这样就说明冰点与熔点是相通的。本文通过对于冰结构蛋白质进行了详细的介绍，包括冰结构蛋白的主要分类、冰结构蛋白的抗冻机制以及冰结构蛋白质的活性特点，从而进一步说明了冰结构蛋白在速冻食品中的应用情况以及需要注意的问题，对速冻食品行业的发展起到积极的推动作用。
　　参考文献：
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　　[3]代焕琴，郭索娟，卢存福.抗冻蛋白及其在食品工业中的应用[J].食品与发酵工业，2001，（12）：44-49.
　　[4]彭淑红，姚鹏程，徐宁迎.抗冻蛋白的特性和作用机制[J].生理科学进展，2003，（03）：238-240.
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　　[8]谢秀杰，贾宗超，魏群.抗冻蛋白结构与抗冻机制[J].细胞生物学杂志，2005，（01）：5-8.
　　[9]孙瑞芬.草葛再生及抗冻蛋白基因的遗传转化[D].内蒙古大学，2004.
　　[10]郭玉华，曾名勇.水产抗冻蛋白的研究进展及在水产行业的应用前景[J].中国食品添加剂，2007，（05）：60-65.
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