◎ 孫國皓

（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）

冷凍是一種常見的食品貯藏加工方式，其主要目的是通過接近或低于冰點的溫度處理食品，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)食品最終達到的溫度是否低于食品的冰點，食品冷凍可以被分為食品冷卻和食品凍結(jié)兩類。然而，食品在進行冷凍或冷凍后貯藏及運輸?shù)倪^程中，常常會因為水分流失、蛋白質(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，以此來達到穩(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，使食品的冰點降低、達到冰點的速度減慢[3-4]，以達到改善食品冷凍加工特性的目的。本文對常用抗凍劑的作用機理、特點以及在食品加工中的應(yīng)用進行概述。

1 常用抗凍劑及其作用機理

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)中有多個羥基，具有較強的親水性，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，使用其處理過的冷凍食品抗凍性越強。研究表明，此類抗凍劑的主要作用機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)過程中，可以減少食品體系中自由水的含量，并可通過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行冷凍加工貯藏過程中的穩(wěn)定性，降低了食品中自由水凝固和冰晶體積增長的速率以及形成的冰晶體的大小。同時膠類物質(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)，降低冷凍制品的開裂率，使產(chǎn)品表面更加光滑、細膩，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)上引進了磷酸基團、羧甲基、羥丙基等具有較強極性的基團，使改性后的淀粉分子極性增強，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的抗凝性。同時，這些基團的引入會使淀粉分子的空間位阻增大，使其在水中不易聚沉，增強了分散體系的穩(wěn)定性。因此，加入了改性淀粉后的食品在冷凍過程中其結(jié)構(gòu)不易遭受破壞，具有較強的抗 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。小分子糖類通過氫鍵、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，從而對冷凍過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、運輸及貯藏過程中，人們通常會添加磷酸鹽、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理主要有3 點。①增加離子強度。肉在冷凍時，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，保護蛋白的空間結(jié)構(gòu)，減少冷凍過程中的冷凍變性現(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)是強堿弱酸鹽，其溶液一般顯堿性，同時又可以作為緩沖物質(zhì)，對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)，促進解膠。磷酸鹽的加入促進了肉中肌動球蛋白解離為肌動蛋白和肌球蛋白，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性和黏度的膠體物質(zhì)，一定程度上增強了肉的抗凍能力。而相比于對持水能力的改善，磷酸鹽類抗凍劑增強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。雖然目前對于這類具有生物活性的抗凍劑的實用性研究相對較少，但通過現(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，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[12]。

1.3.1 抗凍蛋白

抗凍蛋白是一類可以對冰晶生長起抑制作用的蛋白質(zhì)，這種蛋白能夠運用滯后效應(yīng)，以非依數(shù)性的形式使食品體系的凝固點降低，而基本不影響其熔點。在抗凍蛋白的作用下，食品體系的熔點與冰點之間產(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]?？箖龅鞍字饕獊碓从趧游铩⒅参?、昆蟲以及微生物，在冷凍肉制品和水產(chǎn)品中常用的是魚類抗凍蛋白，魚類抗凍蛋白根據(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，抗凍蛋白的作用機理，由于其來源和結(jié)構(gòu)的不同，至今仍然無定論。目前，關(guān)于抗凍蛋白的作用機理的主流假說是Raymond 等[18]在1977 年提出的吸附抑制假說以及Nutt 等[19]在2008 年基于分子動力學(xué)模擬提出的籠形物固定水假說，兩者的共同特點，便是其機理都是以非依數(shù)性機制，對冰晶進行一定程度的修飾，從而降低冰點[20]，以及通過大小冰晶所具有的特殊生長機制，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，具有較強抗凍作用的便是抗凍肽?？箖鲭闹饕允吃葱缘鞍自礊樵?，通過特異性的酶切位點水解獲得，具有可控、高效的特點[21]。由于抗凍肽作為抗凍劑時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糖尿病人群帶來的威脅[23]，因此，它被人們認為是一種極具應(yīng)用前景的新型抗凍劑。

抗凍肽的作用機理與抗凍蛋白類似，均可由吸附抑制假說進行解釋，汪少蕓等研究認為，具有特定長度及結(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，并通過氫鍵緊密地吸附在冰核的表面，從而起到改變冰晶生長方向、抑制冰晶生長及冰的重結(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、貯藏過程中品質(zhì)的劣變減少[25]。此外，通過大量研究，人們已經(jīng)將抗凍劑成功應(yīng)用于鯉魚、鳙魚、文蛤、扇貝和南美白對蝦等多種水產(chǎn)品及其制品的生產(chǎn)、運輸、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魚糜中，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)，增加了其商品價值[27]。此外，也有研究者將從北極鱈魚體內(nèi)提取出的抗凍蛋白溶液注射進待屠宰的羔羊體內(nèi)，并在完成屠宰，制成冷凍肉后利用顯微鏡對肉進行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)注入的抗凍蛋白可以防止羊肉在冷凍過程中形成大塊冰晶，減小冰晶對組織細胞的損傷，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

冷凍過程中，酵母細胞易受損傷而發(fā)生破裂，對生理活性、發(fā)酵力和產(chǎn)氣量產(chǎn)生影響。同時，由于酵母細胞破裂時會釋放出具有較強還原性的谷胱甘肽，破壞面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使面團的保氣性下降，導(dǎo)致產(chǎn)品感官品質(zhì)變差[29]。而在制備冷凍面團時，除了選用抗凍能力較強的酵母外，加入一定量的抗凍劑也是一種常用的提高面團品質(zhì)的方法。加入的抗凍劑不僅能保護面團中的酵母細胞，維持其原有的發(fā)酵能力，還能顯著抑制冷凍面團的水分遷移與流失，可以有效阻止冰晶的形成以及晶體的增大，保護面筋結(jié)構(gòu)，提高面團的膨脹和持氣能力，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的食品抗凍劑，近年來，在冷凍面團制品的低溫加工、保藏過程中的應(yīng)用越來越多。其中，孫麗潔等[31]成功將抗凍肽應(yīng)用于一般冷凍面團，李靈等[32]、張莉[33]等也將抗凍肽應(yīng)用于冷凍馬鈴薯面團的加工過程中。

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，研究人員便開始研究抗凍蛋白的應(yīng)用，但抗凍蛋白降低冰點的能力較弱，作用效果無法與常用的蔗糖、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)用打下了堅實的基礎(chǔ)。通常，人們運用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，得到具有抗凍特性的新品種果蔬。通過這種方式，人們對果蔬的抗凍特性進行了改良，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，并測定處理后植物莖、葉的冰點，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其冰點均降低了至少1.8 ℃。這表明植物莖干、葉片等可以通過浸泡魚抗凍蛋白的方式獲得抗凍活性，降低植物細胞內(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]。可見，通過將食品抗凍劑應(yīng)用于果蔬貯藏及加工中，可以極大地提升果蔬對不良環(huán)境的抗性，從而提高產(chǎn)量、降低成本。

3 結(jié)語

隨著冷凍食品加工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國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，抗凍劑受到了人們越來越多的關(guān)注。盡管不同類別的抗凍劑的作用機理以及應(yīng)用場合不盡相同，但無論哪種食品，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大而造成的組織和細胞的機械損傷，因此食品抗凍劑至今仍具有較高的研究價值。同時，由于近些年來食品冷凍技術(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。