常用抗冻剂及其在冷链食品工业中的应用

◎ 孙国皓

（西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100）

冷冻是一种常见的食品贮藏加工方式，其主要目的是通过接近或低于冰点的温度处理食品，改善食品加工或保藏特性。食品冷冻加工的过程主要包括降低温度和保持温度两部分，根据食品最终达到的温度是否低于食品的冰点，食品冷冻可以被分为食品冷却和食品冻结两类。然而，食品在进行冷冻或冷冻后贮藏及运输的过程中，常常会因为水分流失、蛋白质变性以及脂类氧化等多种原因而发生品质劣变[1]。因此，为改善食品的冷冻特性，防止其在冷冻加工、贮藏过程中发生品质变化，人们尝试了许多不同的方法。在众多的方法中，添加抗冻剂被认为是一种较有效的方法，在近些年愈发受到人们的关注[2]。

抗冻剂主要功能为利用自身特殊的基团以及空间结构，与食品中蛋白质等容易在冷冻条件下发生变性的物质发生相互作用，导致蛋白质在冷冻的条件下不易发生变性，以此来达到稳定食品在冷冻融解循环中的品质，即赋予食品抗冻性，使食品的冰点降低、达到冰点的速度减慢[3-4]，以达到改善食品冷冻加工特性的目的。本文对常用抗冻剂的作用机理、特点以及在食品加工中的应用进行概述。

1 常用抗冻剂及其作用机理

1.1 糖类抗冻剂

糖类抗冻剂主要包括胶类抗冻剂、改性淀粉类抗冻剂以及小分子糖类抗冻剂，其分子结构中有多个羟基，具有较强的亲水性，能与食品中的自由水相互作用。大多数情况下，这类抗冻剂分子结构中的羟基越多，使用其处理过的冷冻食品抗冻性越强。研究表明，此类抗冻剂的主要作用机理不是与食品中的蛋白质直接结合，也不是代替食品中蛋白质表面的结合水，而是通过改变存在于蛋白质分子中的水的状态与性质，间接发挥作用。在这些具有抗冻特性的糖类物质的作用下，蛋白质中水的表面张力和结合水的含量增加，不易与蛋白质外水化层发生分离，增强蛋白质的稳定性[5]。

1.1.1 胶类抗冻剂

胶类物质在速冻产品的冻结过程中，可以减少食品体系中自由水的含量，并可通过与食品中某些组分发生相互作用而形成较稳定的结构，从而提高了食品在进行冷冻加工贮藏过程中的稳定性，降低了食品中自由水凝固和冰晶体积增长的速率以及形成的冰晶体的大小。同时胶类物质也可以与食品中的淀粉、蛋白质等成分发生相互作用而形成网状结构，从而改善食品的组织结构，降低冷冻制品的开裂率，使产品表面更加光滑、细腻，质地更加良好；此外，胶类物质还可以保持生产出食品的品质，延长货架期[6]。

1.1.2 改性淀粉类抗冻剂

改性淀粉即变性淀粉，是一种以甘薯淀粉、马铃薯淀粉以及玉米淀粉等为原料，经过物理方法、化学方法和酶法以及综合使用上述几种方法进行处理后，得到的具有特定用途的降解物或衍生物[7]。由于改性淀粉类物质在原有的淀粉结构基础上引进了磷酸基团、羧甲基、羟丙基等具有较强极性的基团，使改性后的淀粉分子极性增强，亲水能力得到大幅改善，并赋予改性后的淀粉一定的吸水、保水性、较高的透明度及较强的抗凝性。同时，这些基团的引入会使淀粉分子的空间位阻增大，使其在水中不易聚沉，增强了分散体系的稳定性。因此，加入了改性淀粉后的食品在冷冻过程中其结构不易遭受破坏，具有较强的抗 冻性[8]。

1.1.3 小分子糖类抗冻剂

蔗糖、葡萄糖等小分子糖类常作为甜味剂加入速冻食品中，以改善食品的风味或色泽。并且，这些小分子糖类除了具有以上作用外，还可以降低食品体系冰点。小分子糖类通过氢键、范德华力与食品中的自由水结合，减少了自由水含量，限制了自由水对食品体系的结构稳定性所产生的影响。此外，小分子糖类物质的胶乳还可以增加食品体系的黏度以及玻璃化转化温度，从而对冷冻过程中冰晶的增大起到控制作用[9]。

1.2 磷酸盐类抗冻剂

在食品加工行业，尤其是在肉制品的加工、运输及贮藏过程中，人们通常会添加磷酸盐、三聚磷酸盐以及六偏磷酸盐等复合磷酸盐类物质，此类物质本身能够作为抗冻剂，提高食品的抗冻性，还会与糖类抗冻剂产生明显的协同作用，提高食品抗冻效果，因而两者常复配使用[10]。

磷酸盐类抗冻剂的作用机理主要有3 点。①增加离子强度。肉在冷冻时，其中的蛋白质易发生变性，复合磷酸盐的加入，可以增大肌原纤维的空间结构，增加其中结合水的含量，并稳定蛋白质表面的水分子层，保护蛋白的空间结构，减少冷冻过程中的冷冻变性现象，并提高蛋白质保水性。②降低酸度。由于磷酸盐类物质是强碱弱酸盐，其溶液一般显碱性，同时又可以作为缓冲物质，对肉制品的酸度起到一定的调节与缓冲作用，维持产品的pH，减小食品中蛋白质的变性程度，使之保持较强的弹性以及保水能力。③破坏蛋白质的胶体结构，促进解胶。磷酸盐的加入促进了肉中肌动球蛋白解离为肌动蛋白和肌球蛋白，加快了肌原纤维结构破坏，使具有盐溶性的肌球蛋白从肌原纤维网状结构中脱离，提高了肉的持水能力。此外，在此过程中产生了大量结构松弛的短链骨架，其中的一部分成为了具有一定流动性和黏度的胶体物质，一定程度上增强了肉的抗冻能力。而相比于对持水能力的改善，磷酸盐类抗冻剂增强食品抗冻性的作用较弱，因而常与其他抗冻剂一同被添加到冷冻食品中[11-12]。

1.3 蛋白及其衍生物类抗冻剂

蛋白及其衍生物类抗冻剂是环保且高效，分为抗冻蛋白和蛋白衍生物。虽然目前对于这类具有生物活性的抗冻剂的实用性研究相对较少，但通过现有的研究仍可以发现，此类抗冻剂作为一种有效的绿色抗冻剂，可作为碳水化合物类抗冻剂的可行替代品[13]。同时，蛋白及其衍生物类抗冻剂也是当今学术界研究的热点[12]。

1.3.1 抗冻蛋白

抗冻蛋白是一类可以对冰晶生长起抑制作用的蛋白质，这种蛋白能够运用滞后效应，以非依数性的形式使食品体系的凝固点降低，而基本不影响其熔点。在抗冻蛋白的作用下，食品体系的熔点与冰点之间产生了差异，冰晶形态也发生改变，冰晶体积增大也受到了一定的抑制[14-16]。抗冻蛋白主要来源于动物、植物、昆虫以及微生物，在冷冻肉制品和水产品中常用的是鱼类抗冻蛋白，鱼类抗冻蛋白根据结构不同，可以被分为I 型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型以及抗冻糖蛋白等5 类[17]。

然而，抗冻蛋白的作用机理，由于其来源和结构的不同，至今仍然无定论。目前，关于抗冻蛋白的作用机理的主流假说是Raymond 等[18]在1977 年提出的吸附抑制假说以及Nutt 等[19]在2008 年基于分子动力学模拟提出的笼形物固定水假说，两者的共同特点，便是其机理都是以非依数性机制，对冰晶进行一定程度的修饰，从而降低冰点[20]，以及通过大小冰晶所具有的特殊生长机制，改变冰晶形成的形态，抑制水的重结晶[12]。

1.3.2 蛋白衍生物类抗冻剂

作为抗冻剂的蛋白衍生物大多是由蛋白质经特异性的酶作用水解而得到的长短不同的蛋白水解物。在这些蛋白质的水解产物中，具有较强抗冻作用的便是抗冻肽。抗冻肽主要以食源性蛋白源为原料，通过特异性的酶切位点水解获得，具有可控、高效的特点[21]。由于抗冻肽作为抗冻剂时可以在很大程度上缓解由于大量使用磷酸盐类抗冻剂而导致的钙吸收减弱[22]，以及由于使用糖类抗冻剂而造成对糖尿病人群带来的威胁[23]，因此，它被人们认为是一种极具应用前景的新型抗冻剂。

抗冻肽的作用机理与抗冻蛋白类似，均可由吸附抑制假说进行解释，汪少芸等研究认为，具有特定长度及结构的抗冻肽，能在形成的冰晶表面内与水分子形成氢键，并通过氢键紧密地吸附在冰核的表面，从而起到改变冰晶生长方向、抑制冰晶生长及冰的重结晶的作用[24]。

2 抗冻剂在食品冷冻加工中的应用

2.1 抗冻剂在畜肉类以及水产品加工中的应用

研究表明，在肉制品中添加抗冻蛋白等抗冻剂可以赋予肉类抗冻性，使得其在冷冻加工、贮藏过程中品质的劣变减少[25]。此外，通过大量研究，人们已经将抗冻剂成功应用于鲤鱼、鳙鱼、文蛤、扇贝和南美白对虾等多种水产品及其制品的生产、运输、贮藏中[12]。罗永康等研究发现将由0.3%的多聚磷酸盐、2%蔗糖以及2%山梨醇混合而成的复合抗冻剂添加到鲢鱼鱼糜中，制得的产品具有较好的抗蛋白冷冻变性作用[26]。Mastanjević 等在前人使用麦芽糖、海藻糖等单糖类抗冻剂的基础上，增加了经物理、化学因素改性后的木薯淀粉以及大麦淀粉，发现抗冻剂的加入可以有效地改善鸡糜冷冻后的色泽、硬度、咀嚼性和弹性等质构性质，增加了其商品价值[27]。此外，也有研究者将从北极鳕鱼体内提取出的抗冻蛋白溶液注射进待屠宰的羔羊体内，并在完成屠宰，制成冷冻肉后利用显微镜对肉进行观察，结果发现注入的抗冻蛋白可以防止羊肉在冷冻过程中形成大块冰晶，减小冰晶对组织细胞的损伤，降低了产品的汁液流失率[28]。

2.2 抗冻剂在冷冻面制品中的应用

冷冻过程中，酵母细胞易受损伤而发生破裂，对生理活性、发酵力和产气量产生影响。同时，由于酵母细胞破裂时会释放出具有较强还原性的谷胱甘肽，破坏面筋网络结构，使面团的保气性下降，导致产品感官品质变差[29]。而在制备冷冻面团时，除了选用抗冻能力较强的酵母外，加入一定量的抗冻剂也是一种常用的提高面团品质的方法。加入的抗冻剂不仅能保护面团中的酵母细胞，维持其原有的发酵能力，还能显著抑制冷冻面团的水分迁移与流失，可以有效阻止冰晶的形成以及晶体的增大，保护面筋结构，提高面团的膨胀和持气能力，使产品具有良好品质，避免出现冻裂和面团萎缩现象[30]。冷冻馒头改良剂便是一种典型的冷冻面制品抗冻剂，它的加入可以在很大程度上防止由于酵母细胞破裂而造成的面筋蛋白变性，并保持面筋的持水及持气的能力[29]。此外，在应用于冷冻面制品的众多食品抗冻剂中，抗冻肽作为一种新型、绿色且抗冻能力较强的食品抗冻剂，近年来，在冷冻面团制品的低温加工、保藏过程中的应用越来越多。其中，孙丽洁等[31]成功将抗冻肽应用于一般冷冻面团，李灵等[32]、张莉[33]等也将抗冻肽应用于冷冻马铃薯面团的加工过程中。

2.3 抗冻剂在水果蔬菜的加工以及贮藏中的应用

自20 世纪60 年代末，研究人员便开始研究抗冻蛋白的应用，但抗冻蛋白降低冰点的能力较弱，作用效果无法与常用的蔗糖、山梨醇等抗冻剂的效果产生显著差异。此外，由于抗冻蛋白的自然生产量极低，因此并不具备作为抗冻剂的成熟条件。然而，在近几十年，基因工程技术的高速发展，为抗冻蛋白的深入应用打下了坚实的基础。通常，人们运用DNA 重组技术，将控制合成抗冻蛋白的基因转移到目标果蔬上，并使之表达，得到具有抗冻特性的新品种果蔬。通过这种方式，人们对果蔬的抗冻特性进行了改良，使果蔬的抗寒能力得到了根本上的提高，使其采后加工贮藏能力有所提高，延长了某些果蔬的贮藏寿命[19]。1984 年，美洲拟蝶中抗冻蛋白的基因序列被阐明[34]。随后，Georges等将编码抗冻蛋白的基因转移到玉米中，得到了具有抗冻特性的玉米新品种[35]。此外，人们还将从鱼体内提取的AFPI 抗冻蛋白渗入到植物叶和茎的组织中，并测定处理后植物茎、叶的冰点，结果发现其冰点均降低了至少1.8 ℃。这表明植物茎干、叶片等可以通过浸泡鱼抗冻蛋白的方式获得抗冻活性，降低植物细胞内冰晶形成的速度，以防止组织结构受到损伤而引起其感官以及食用品质的下降[36]。可见，通过将食品抗冻剂应用于果蔬贮藏及加工中，可以极大地提升果蔬对不良环境的抗性，从而提高产量、降低成本。

3 结语

随着冷冻食品加工行业的蓬勃发展，我国的冷链正不断地完善。作为一种能够改变食品冷冻特性的食品添加剂，抗冻剂受到了人们越来越多的关注。尽管不同类别的抗冻剂的作用机理以及应用场合不尽相同，但无论哪种食品，在使用了抗冻剂后，冻结后产生的冰晶均小于未添加时食品中所形成的冰晶大小，这在很大程度上防止了由于冰晶颗粒过大而造成的组织和细胞的机械损伤，因此食品抗冻剂至今仍具有较高的研究价值。同时，由于近些年来食品冷冻技术的快速发展，加上抗冻剂的传统应用方式存在浓度难以控制、处理后难以保障抗冻剂在食品中分布均匀等问题，所以研究更加高效且安全的抗冻剂，以及将抗冻剂的利用与新兴食品冷冻技术相结合，仍是今后的科研工作者努力探索的方向。