冰結構蛋白在速凍食品中的應用研究進展

黨美珠 隋繼學 孫向陽 李長濱

摘要：冰結構蛋白又稱為抗凍蛋白，能夠有效地提高生物的抗凍能力。冰結構蛋白能夠保證在低溫環境下冰結晶的形成，而且還能夠將冰結晶的生成有效地控制在最低范圍內。冰結構蛋白屬于蛋白質類化合物，因為具有降低冰點、修飾冰晶形態、抑制重結晶等方面的特點被廣泛地應用于速凍食品加工以及儲存等領域。文章通過對于其進行全面的介紹并且對于食品安全方面進行了簡單的分析，從而為冰結構蛋白在食品應用方面提供一定的參考依據。

關鍵詞：冰結構蛋白;食品安全;應用研究

中圖分類號：Q-1? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）41-0107-03

冰結構蛋白，英文全稱為ice structuring proteins，簡稱ISPs，又被稱為熱滯蛋白或抗凍蛋白，其能夠有效地防止蛋白質出現冰結晶的現象。最早發現冰結構蛋白的是在19世紀60年代，科學家Devries在南極的魚類血液中發現了這種神奇的物質，從而開始了關于速凍食物加工方面的研究工作[1]。通過對冰結構蛋白的深入研究之后發現，冰結構蛋白普遍存在于魚類、植物、昆蟲、細菌與真菌等生物體內。因為冰結構蛋白具有降低冰點、改變冰晶形態、抑制重結晶等主要的功能，所以冰結構蛋白的商業價值非常大，應用前景也十分廣泛。我國對于冰結構蛋白的研究與應用也在逐步地推進發展，尤其是2006年我國衛生部門將冰結構蛋白列為新型食品添加劑，從此其被廣泛地應用于速凍食品中。

一、冰結構蛋白的主要分類

（一）魚類冰結構蛋白

人們最早發現的冰結構蛋白就是來自南極海洋中魚類的體內，所以冰結構蛋白主要存在于齒魚類、貝氏肩鰲魚類的血液中。高緯度海域中的魚類也存在冰結構蛋白，比如大西洋鰭等魚類[2]。

（二）昆蟲冰結構蛋白

很多昆蟲在寒冷的冬天都會死亡，但是有相當一部分的昆蟲能夠越冬，其中的原因在于這些昆蟲的體內也含有冰結構蛋白。這些昆蟲的冰結構蛋白無糖基與魚類的冰結構蛋白相類似，都含有非常多的親水性氨基酸。其中有40%-59%的氨基酸能夠形成氫鍵。而且有些昆蟲的冰結構蛋白含有一定數量的半膚氨基酸。

（三）植物冰結構蛋白

生長在寒帶地區的植物在生長發育的過程中，對于抗寒因子的依賴程度很高，尤其是對于植物的生長、繁殖與分布起到了決定性的作用[3]。一般來說，低溫環境會造成植物的分布范圍限制，而且還可能導致植物的質量與繁殖受到嚴重影響。所以很多植物體內的冰結構蛋白不僅具有抗凍的效果，而且還具有抗病的功能。植物冰結構蛋白主要不是阻止冰晶的形成，而是通過調控冰晶增長以及一直重結晶的方式來保護植物不會受到冰晶增長造成的損傷。

（四）細菌冰結構蛋白

在加拿大北極地區的植物根部位置發現了一種根瘤菌，其耐凍效果在-20℃～50℃之間，因為這種細菌能夠在5℃的溫度條件下生成一種具有抗凍活性的蛋白質，這種蛋白質的分子量能夠達到164ku，并且通過實驗進一步證明了這種細菌的抗凍機制是冰結構的聚集。

二、冰結構蛋白的抗凍機制

由于不同的生物體內存在的冰結構蛋白都是不同的，而且每種蛋白質控制冰晶生長的方向也不相同，所以在這種情況下它們的抗凍機制也會存在很多的差異。在不同機制的作用下，蛋白質和冰結晶能夠生成很多種不同形態的冰晶，可以是針狀、可以是球狀，也可以是菱形等形狀。我們現在應用于食品速凍領域的抗凍機制是組織冰晶橫向增長的冰結構蛋白，這樣也就說明冰結晶不會出現球狀的情況。所以根據這樣的抗凍機制，能夠進一步保證速凍食品呈現出穩定、防腐等實用品質，而且還能夠根據人們的喜好來選擇冰結晶的結構特點，從而形成個性化的速凍食品。

三、冰結構蛋白的活性特點

（一）熱滯活性

冰結構蛋白具有熱滯活性的特點。所謂熱滯活性，就是通過非依數的形式來降低水溶液的冰點，從而對熔點不產生影響，這種冰點與熔點之間的差值被稱為熱滯活性。如果冰點與熔點之間的差值越大，則熱滯活性的特點也就越大，所以說冰結構蛋白的作用于其自身的屬性呈現正相關的關系，而與冰結構的數量毫無關系[4]。冰結構蛋白的熱滯活性的特點也被稱之為抗凍作用的非依數性，即抗凍能力的強弱高低只依賴于冰結構蛋白自身性質，與冰結構蛋白數量的多少沒有關聯。

（二）改變冰的生長習性

抗凍蛋白具有改變冰生長習性的特點，也就是冰晶形態效應。這種性質能夠在不同方面的強弱變化中引起冰晶形態方面的改變，冰通常情況下會以晶格的生長方式來形成，為此冰晶格會平行地生長，而很少垂直地生長，所以這種情況下冰晶格的形狀是扁圓的狀態[5]。如果低濃度的冰結構蛋白質會先抑制冰晶沿著晶格基面的生長，那么冰晶格的六邊柱表面會更加的明顯，但是在高濃度的冰結構蛋白質的影響之下，冰晶格還是會在垂直方向明顯地生長，最終形成錐形晶體。

（三）重結晶抑制效應

冰結構蛋白質還具有重結晶抑制效果，尤其是在低于熔點幾度的溫度下，冰結構具有重結晶的成長趨勢，即小冰晶被大冰晶取代，并且逐漸凝結成冰塊。但是冰結構蛋白質能夠對冰結晶的生成速度進行控制，從而保證冰結構的組織冰晶中的大小和形狀變慢，從而減輕重結晶的造成的損傷。通常情況下，在耐凍植物的內部以及耐旱昆蟲體內，重結晶抑制作用要比熱滯效應更加重要，因為通過冰結構蛋白質能夠有效地避免冰結晶體對細胞組織造成傷害，為此重結晶化抑制作用也要比冰晶生長的抑制作用更加有效地達到。通常只需要很少的冰結構蛋白質就能夠起到非常有效的重結晶抑制效應。

四、冰結構蛋白在速凍食品領域的具體應用

（一）在速凍面制品中的應用

1.在冷凍面團中的應用。冷凍面團技術是食品加工領域新型的一種烘焙技術。尤其是在大型食品連鎖生產企業中，為了能夠保證食品達到統一加工、統一配送等效果，必須要通過冷凍面團的方式來保證面團在中心工廠實現攪拌、成型、速凍等步驟。在運輸到超市、商店、快餐店時還必須要進行解凍、發酵以及烤制等步驟。在這些步驟中，如果冷凍面團經過長時間的冰凍，就會造成面團的品質下降，進而影響口感，而且如果醒發的時間過長也會造成面團的比容減少。在速凍面團中添加冰結構蛋白之后，能夠明顯地發現面團的質地會更加的柔軟而且穩定，其中的原因在于結冰量的減少[6]。

通過冷誘導的方式，從冬麥草原質體中提取分離出具有熱穩定的奇異果甜蛋白質，并且針對速凍面團的超微結構所產生的影響，會發現，空白面團如果處于冷藏條件下，面筋結構會被破壞，從而減少重結晶的生成。這樣一來面團的空洞減少，從而保護面筋結構。通過將胡蘿卜冰結構蛋白添加到面團之中，進一步研究了胡蘿卜冰結構蛋白對于面團發酵能力、面團風味等方面所產生的影響，并且通過一系列的分析來進一步證明了冷凍面團在貯藏的過程中可結冰水含量、面包質構品質以及香氣等方面能夠變得更好。這樣也就說明添加了胡蘿卜冰結構蛋白之后酵母死亡率會明顯地降低，面團的發酵能力也會增強，從而減少面包的硬度，增加面包的比容，這樣能夠保證解凍之后的面包在烘焙以后還能夠保留面包原有的香氣，而且質地結構并不會受到破壞。

速凍食品在低溫貯藏、運輸等過程中，由于冰結構蛋白能夠有效地抑制冰晶的形成與重結晶的生成，這樣就能夠非常有效地保證面團食品質地的柔軟，并且還能夠有效地防止營養流失。所以冰結構蛋白的應用在速凍食品領域中具有非常廣闊的發展前景，但是目前的冰結構蛋白成本較高，所以在未來的研究中必須要有效地降低冰結構蛋白的生產成本。

2.在速凍湯圓、水餃等傳統中式食品中的應用。對于速凍湯圓、速凍水餃等需要熱水煮熟的食品，一旦出現開裂的情況必然會影響到食品的口感，也會造成浪費[7]。所以通過將冬小麥麩皮冰結構蛋白質添加到湯圓之中，并且通過研究分析，對于湯圓的質構、外觀等方面進行了測定，能夠進一步發現添加冬小麥麩皮冰結構蛋白質之后對于湯圓、速凍水餃等傳統中式食品的影響具有非常重要的作用，不僅能夠明顯地減弱硬度，而且還能夠增加彈性值。而且通過對比，在-60℃以下的環境中速凍24小時之后，沒有添加冬小麥麩皮冰結構蛋白質的食品會出現開裂的情況。添加了冰結構蛋白質的食品不僅在煮熟之后不容易開裂，還能夠始終保持產品的誘人外觀，從而被人們廣泛接受，進一步提高收益。

（二）冷凍乳制品中的應用

常見的冷凍乳制品就是冰激凌。人們在選擇冰激凌的過程中最為關注的就是冰激凌的冰晶。所以冰晶體越小越少就證明冰激凌的品質效果越好。如果在運輸、冷藏、銷售等環節出現大量的冰晶體不僅會影響冰激凌的外觀，而且對于冰激凌的口感也會產生影響。通過在冰激凌中添加冰結構蛋白能夠有效地防止冰激凌在貯藏、運輸等過程中產生冰晶，而且還會保證冰晶細小均勻，從而保證口感。

（三）在冷卻/冷凍肉中的應用

肉制品在為了保證品質，必須通過冷凍或冷藏的方式來進行運輸。通過在肉制品中增加冰結構蛋白質能夠有效地防止肉制品滲水或者冰晶的生成，從而維持肉制品中的組織結構，并且減少營養流失。將冰結構蛋白在屠宰線注入動物體內，在宰殺之后肉制品能夠有效地降低冰晶體的體積以及液滴數量。從而保持肉制品的鮮嫩口感。

（四）在果蔬保鮮中的應用

速凍蔬菜在解凍的過程中非常容易出現汁液流失、菜葉軟爛等情況，通過在蔬菜中運用轉基因的方式，將冰結構蛋白基因轉移到果蔬上并且進行正確的運用，能夠進一步改善速凍蔬菜的新鮮程度。

五、安全性分析

任何一項技術在應用的過程中必須對其潛在的危險以及問題進行分析研究，尤其是關于食品安全方面的技術。對于冰結構蛋白在速凍食品中的應用所進行的安全性分析比較復雜，但是通過長時間的跟蹤調查研究發現，添加了冰結構蛋白質的速凍食品對于人體安全并無影響[8]。而且目前為止，我國已經明確地將冰結構蛋白作為食品添加劑來應用于速凍食品領域，從而進一步證明了冰結構蛋白在速凍食品領域中的應用是非常安全的。

六、存在的問題

目前來說，冰結構蛋白應用于速凍食品領域是未來重要的發展趨勢，但是目前為止還沒有得到廣泛推廣。具體存在以下兩方面的問題。

（一）冰結構蛋白成本較高

盡管冰結構蛋白廣泛地存在于魚類、細菌、植物等生物體內，但是提取獲得冰結構蛋白的技術并不成熟，加之成本較高，所以盡快降低冰結構蛋白的獲得成本是當務之急，而且還必須要針對新型冰結構蛋白的研究進行推廣，從而尋找到可以替代的物質[9]。

（二）冰結構蛋白無法實現混合工藝標準

冰結構蛋白無法融入混合標準工藝之中，因為在加工的過程中巴氏殺菌能夠對冰結構蛋白質的性質產生一定的影響。盡管冰結構蛋白的生產已經趨于商業化，但是生產出來的產品依然集中在特殊的研究領域。目前來看，速凍食品以及保健品行業對于冰結構的蛋白的應用是最廣泛的，但是它們的產品都是通過轉基因酵母菌來進行生產的，所以這一轉基因技術被反對組織進行抵制。盡管目前對于冰結構蛋白質的研究不斷成熟，但是依然有很多方面必須進行深入的研究，比如開發新型高活性冰結構蛋白質或者通過分子生物技術手段來提高冰結構蛋白質的含量。通過快速準確地測量冰結構蛋白質的活性試驗以及檢驗體系。對于冰結構蛋白質的合成以及類似物、模擬物等方面的應用必須完善。在速凍食品體系中，冰、水、蛋白質以及其他物質之間的相互反應以及安全性還必須要進行更加深入的評價[10]。

隨著科學技術的發展，人們對于高質量的生活以及事物要求也再不斷地增多。為了滿足速凍食物口感與外觀方面的要求，冰結構蛋白逐漸地進入到科學家研究的視野中。冰結構蛋白能夠降低魚類體內的血清、昆蟲或者植物體液中的水溶液冰點等，其溶質會比一般的溶質要高很多。根據重量濃度來計算的話要高出兩倍。這樣就說明一般的溶液的熔點是固態和液態等兩種形態之間的這樣就說明冰點與熔點是相通的。本文通過對于冰結構蛋白質進行了詳細的介紹，包括冰結構蛋白的主要分類、冰結構蛋白的抗凍機制以及冰結構蛋白質的活性特點，從而進一步說明了冰結構蛋白在速凍食品中的應用情況以及需要注意的問題，對速凍食品行業的發展起到積極的推動作用。

參考文獻：

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[10]郭玉華，曾名勇.水產抗凍蛋白的研究進展及在水產行業的應用前景[J].中國食品添加劑，2007，（05）：60-65.