肉制品食品抗凍劑的作用機制及其應用研究進展

王 哲，王曉雯，張新笑，王靈娟，秦曉娟，徐為民,，王道營,*，鄒 燁,*

（1.江蘇省農業科學院農產品加工所，江蘇 南京 210014；2.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；3.南京欽潤生物科技有限公司，江蘇 南京 211100）

冷凍是一種通過降低和保持溫度，以達到改善保鮮貯藏、運輸特性的食品加工方式。隨著食品冷凍行業快速發展和社會生活節奏加快，消費者對食品的要求越來越嚴格，不僅要求種類豐富，同時更多地注重食品營養價值及品質。冷凍技術在食品貯存、運輸、加工工業中起著很重要作用[1]。

冷凍肉制品在低溫條件下，會導致其中酶活性下降，自由水的流動性、溶解性減弱，致使肉質品中的各類生化反應速率減慢，并使大部分微生物生長受到抑制，最終達到延長食品保藏期、改變其加工特性的目的。在冷凍條件下細胞內水分子會形成大量冰晶而造成體積膨脹，使食材的細胞組織破裂，因此在解凍時會出現“滲水現象”。大冰晶還會導致乳狀液破乳、泡沫結構坍塌和凝膠結構破壞。同時冷凍過程中還會產生濃縮效應，使得肉制品的顏色、氣味和口感均出現比較大的變化[2]。

目前，已有多種方法用于改善肉制品在冷凍時受到的損害，如大幅降低冷凍溫度、改進冷凍設備等[1]，但存在成本高、操作復雜的缺點。而食品抗凍劑作為一種能有效、方便、快速提高食品生產、貯藏和運輸全過程的添加劑，是近幾年國內外研究的熱點。各類食品抗凍劑在面制品、肉制品、乳制品中有著廣泛應用。本文總結分析了食品抗凍劑的研究進展，并重點結合其在國內外肉制品冷凍中的應用情況，以期為肉制品冷凍工藝發展指明新方向。

1 食品抗凍劑的種類及作用機制

1.1 糖類抗凍劑

糖類抗凍劑種類有很多，包括單糖、寡糖、多糖、變性淀粉、膠體等，但應用并不相同。有些糖類通過改變蛋白質中水分的狀態和性質，以防止水分子與蛋白質分離，直接對蛋白質起到保護作用[3]；有些通過乳化的方式影響冷凍食品內部結構。目前，商業糖類抗凍劑主要為木薯變性淀粉為代表的多糖和海藻糖為代表的小分子糖。其特點都是具有較強的親水性，能與冷凍肉制品中的自由水相互作用，從而降低肉制品冷凍后的失水率。

1.1.1 木薯變性淀粉抗凍劑

木薯變性淀粉是一種以甘薯、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉等為原料，經過化學、物理、酶法綜合處理后，得到的具有特定用途的衍生物[4]，將其應用于肉制品中可以提高貯存質量和品質。木薯變性淀粉具有良好的吸水性，促進自由水向結合水轉化，減少水分遷移[5]。并且良好的吸水性可以極大程度降低可凍結水含量，進而抑制冰晶形成，有效減少冷凍貯存期間造成的肉制品汁液流失、質構劣化等。李璐等[6]對不同木薯變性淀粉在芋圓制作中的應用效果展開研究，發現木薯變性淀粉可提高芋圓的保水率、色澤度。當變性淀粉添加量為60%左右時，芋圓的感官品質和冷藏穩定性達到最佳。此外，超過50%的肉制品在制作中離不開淀粉。Zhang Fengliang等[7]通過對木薯變性淀粉在火腿腸制作工藝中的應用進行分析并得出結論，木薯變性淀粉可以明顯增加火腿腸產品黏聚性與彈性，降低咀嚼性、硬度，改善口感，提高色澤和彈性[8]，原因可能是木薯變性淀粉富含磷酸基團、羧甲基、羥丙基等具有較強極性的基團，親水能力得到大幅改善。這些基團的引入會增強分散體系穩定性，因此有良好的持水性以及抗凍融性。但是通過查閱大量相關文獻得出，在冷凍食品中添加木薯變性淀粉后抗凍效果會出現先上升后下降的情況，因此木薯變性淀粉的添加不宜過量[9]。

1.1.2 海藻糖抗凍劑

海藻糖作為一種非還原性糖，能夠很好地保護食品大分子和組織結構。海藻糖化學性質非常穩定，具有對抗多種有害刺激損傷、提高抗凍保水效果、持水能力和凝膠凍融穩定性的作用[10]。目前研究者對于海藻糖的抗凍機制還沒有確定的結論，較認可的有“水替代”“優先排阻”或“玻璃態”3 種假說。“玻璃態”學說認為海藻糖在冷凍干燥條件下會包裹住相近的分子，形成一種糖分玻璃體[10]。這種玻璃體會導致基質內的分子運動減少，化學反應速率下降。尤其在低溫條件下，能夠維持生物分子一定的生物結構。在肉制品冷凍過程中，由于溫度降低，大部分水被凍結，食品內部溶液黏度會升高，形成玻璃態。而“水替代”與“優先排阻”學說認為海藻糖不是優先與食品中的蛋白質結構相互作用，而是直接與水結合，使它們從蛋白質中的溶劑化層脫離，進而使蛋白質的體積和可移動性降低，最終使蛋白質結構更加緊密、保持穩定。研究表明，海藻糖主要作用機理不是與食品中的蛋白質直接結合，也不是代替食品中蛋白質表面的結合水，而是通過改變存在于蛋白質分子中的水分狀態與性質，間接發揮作用[11]。在冷凍肉制品中添加海藻糖除了能降低冰點外，還可以改善食品的色澤和風味[12]。任婷婷等[13]研究發現超聲配合海藻糖的添加顯著提高了冷凍干燥羅非魚片復水率，抗拉伸阻力以及咀嚼性等質構特性均有不同程度增強。這是由于海藻糖具有一定程度的保鮮作用，在對食品玻璃態起到促進作用的同時，減少冰晶增長，進而減少冰晶對細胞造成機械損傷、剪切力、質構性質的影響等。商用海藻糖成本低、抗凍效果好，因此海藻糖是糖類抗凍劑中最具有前景的種類之一。

1.2 磷酸鹽類抗凍劑

磷酸鹽抗凍劑是食品中常用的保水劑，其能增加餡料保水能力、降低解凍后水分流失率。磷酸鹽類抗凍劑常與抗凍效果更強的糖類抗凍劑復配使用，可產生明顯的協同作用，極大程度提高抗凍效果[14]。磷酸鹽抗凍劑有2 個抗凍作用機制。首先，磷酸鹽呈弱堿性，可以作為緩沖物質，對肉制品等食品在冷凍過程中產生的酸進行中和，進而保持食品原有的彈性和水分[15]。此外磷酸鹽解離肌動球蛋白的能力可以使肉制品中的肌動球蛋白解離為肌動蛋白和肌球蛋白，肌球蛋白具有鹽溶性，可以在肌原纖維中脫離后提高肉制品保水性，并且在這個過程中會產生一種具有流動性和黏度的膠體物質，增加肉制品的抗凍能力[16]。李振坤等[17]通過研究復合抗凍劑中磷酸鹽對黃鰭棘鯛抗凍效果的影響，使用磷酸鹽優化的復合抗凍劑浸泡黃鰭棘鯛與空白組同在-18 ℃下凍藏30 d后，其魚肉蛋白質溶解度、魚糜破斷力和破斷距離都更接近新鮮魚糜。張小利[18]將蝦仁浸泡在不同配比復合磷酸鹽、海藻糖與山梨糖醇的抗凍劑中，測定蝦仁凍融后的解凍損失率、水分含量及分布、持水力、鹽溶性蛋白、總巰基含量、質構特性并觀察微觀結構變化以評價各抗凍劑的效果。結果表明，添加復合磷酸鹽、海藻糖、山梨糖醇的復配抗凍劑可以顯著提高蝦仁與水的結合能力，較好地抑制凍融過程中冰晶對肌肉組織的破壞[12]。磷酸鹽類抗凍劑具有調節食品冷凍時酸度的能力，而且使用方便、價格低廉，多應用于肉類冷凍保護。但是磷酸鹽類抗凍劑對人體的影響還存在爭議，磷酸鹽能夠對骨骼健康造成潛在危害[19]。磷酸鹽能夠影響鈣的吸收和利用，從而影響骨骼健康。長期高劑量磷酸鹽攝入可能導致骨質疏松和骨折等問題[16]。此外，磷酸鹽還可能對腎臟健康產生負面影響。人體需要通過尿液排出多余的磷酸鹽，但長期過量攝入會導致腎臟負擔加重，可能導致腎結石和腎功能障礙等問題。

目前研究重點多放在降低磷酸鹽類抗凍劑在冷凍肉制品添加時的危害和尋找磷酸鹽類抗凍劑的替代品。

1.3 蛋白及其衍生物類抗凍劑

蛋白類抗凍劑分為抗凍蛋白和蛋白衍生物類抗凍劑。蛋白類抗凍劑是當今學術界研究的熱點，此類抗凍劑具有生物活性，可作為碳水化合物類的替代品。

1.3.1 抗凍蛋白抗凍劑

抗凍蛋白存在于不同生物體中，如植物、昆蟲和魚。抗凍蛋白避免了這些生物體中冰晶的形成，使它們能夠在高寒地區生存。與其他抗凍劑相比，抗凍蛋白具有安全性高、資源豐富、抗凍特性突出等特點[20]。抗凍蛋白的作用機制是黏連在已經形成的冰晶上，進而抑制冰晶繼續生長[21]。抗凍蛋白的性質是基于它們的熱滯容量對晶體形態修改和對冰晶重結晶抑制[22]，改變冰晶生長行為，其中抑制冰晶重結晶最為重要。抗凍蛋白的作用機制目前還沒有準確定論，有吸附抑制學說、偶極子-偶極子假說、氫原子結合模型、剛體能量學說、冰核抑制學說等[23-25]。科研人員普遍認同是基于吸附抑制理論，其詳細說明了氫鍵和疏水鍵（殘基）的具體作用和結構特征[26]。吸附抑制理論假說的特性是對冰晶進行一定修飾，從而降低冰點，以及通過大小冰晶所具有的生長方式，改變冰晶形成的形態，抑制水分重結晶[27]。抗凍蛋白在降低冷凍溫度方面比任何其他已知的溶質分子有效500 倍。當溫度降低到一定程度時，冰結晶開始形成小的冰分子，由于范德華力、疏水相互作用及氫鍵作用，在冰核表面會吸附抗凍蛋白分子，抗凍蛋白分子會抑制冰晶分子的生長同時降低冰點，使冰晶不能聚集增大，稱為冰的再結晶抑制。目前抗凍蛋白用于保持各種冷藏和冷凍食品質量，在動植物保護以及醫學上都有廣泛應用。目前已發現的抗凍蛋白分為5 類，來自南極魚科及北部鱈魚體內[28]。抗凍蛋白雖然抗凍效果較好且安全性高，但抗凍蛋白天然來源較少，嚴重制約了其在食品行業中的廣泛應用[29]。研究表明，抗凍蛋白的抗凍活性片段只存在于局部的特異多肽鏈結構域，其抗凍活性并不是整體蛋白質在起作用，因此通過特異性酶切位點水解，能夠獲得具有抗凍特性的多肽，這也極大彌補了抗凍蛋白資源不足的缺點，具有可控、高效的制備特點[30]。盡管體外、體內和人體研究表明抗凍蛋白無毒，但其安全性仍然是一個有爭議的問題[31]，因此需要開展進一步研究以擴大對抗凍蛋白的認識，降低其大規模生產成本，并保證使用的安全性。

1.3.2 蛋白衍生物類抗凍劑

蛋白衍生物是由蛋白質經特異型水解得到的蛋白水解產物，其中抗凍效果較好的又稱為抗凍肽[32]。抗凍肽不同于抗凍蛋白，是一類將明膠用生物酶水解后，經抗凍活性檢驗、篩選、純化得到的多肽物質[33]。另外經圓二色光譜研究發現，雪蚤抗凍蛋白的二級結構大部分呈現為無規卷曲，而明膠也同樣含有大量無規卷曲，經水解得到的多肽也大部分是無規卷曲的二級結構[34]。綜合來看，抗凍肽的抗凍機制與抗凍蛋白相似具有一定科學依據。為得到較強抗凍作用的抗凍肽，研究人員以食源性蛋白質原料，通過特異性酶切位點水解，得到具有可控、顯著抗凍效果的抗凍肽[35]。路晶[36]通過抗凍肽對生鮮肉冷凍保護作用的研究發現，抗凍肽可以有效減少豬肉肌原纖維蛋白在冷凍過程中的冷凍損傷，保持肌原纖維蛋白的完整性和穩定性。抗凍蛋白雖然符合低卡低糖的健康理念，卻由于極少的產量和高昂的成本，使得其在食品工業中很難大量生產應用[37]。抗凍多肽取材自各種食用明膠及動物皮膚組織提取的明膠等，具有價格低廉、易獲取及增加邊角料等副產物的再利用。因此，它被研究者們認為是具有良好前景的新型抗凍劑。不同抗凍劑對比如表1所示。

表1 不同抗凍劑對比Table 1 Comparison of different antifreeze agents

2 抗凍劑對肉制品中蛋白質性質與結構的影響

對于水產及肉制品而言，凍藏過程中常存在蛋白質變性問題。肉類蛋白質冷凍變性是指在凍藏過程中，肉類蛋白質因受到物理或化學因素的影響喪失分子內部原有高度規律性，引起空間結構變化，導致理化性質和生物學性質改變冷凍變性嚴重影響肉制品的風味、口感及持水性，造成肉類品質嚴重下降。

2.1 抗凍劑對肉制品鹽溶性蛋白含量的影響

鹽溶性蛋白又稱肌原纖維蛋白，在肉制品冷凍時，由于氫鍵或疏水鍵的形成，以及二硫鍵和離子間相互作用引起蛋白質變性[39-42]，從而導致肌原纖維蛋白減少，其鹽溶性下降，通常作為評價蛋白質變性程度的指標。Liu Chong等[43]研究發現，海鰻魚糜中加入10%低聚糖冷凍7、14 d后，對照組和加低聚糖樣本的鹽溶性蛋白含量分別為35.5、47.8 mg/g和29.1、42.1 mg/g。這說明加入低聚糖對抑制魚糜冷凍變性有較明顯的效果。徐毓謙[44]在研究復合抗凍劑在冷凍調理牛肉制品中的應用發現，通過添加食品抗凍劑可以有效提高鹽溶性蛋白溶解量和鹽溶性蛋白凝膠保水性，并且可以有效減緩冷凍牛肉制品品質的劣變現象。現如今多采用低溫速凍的方式對肉制品處理，降低冷凍過程中鹽溶性蛋白的流失，而添加食品抗凍劑與其相比有著方便、快捷、節約成本的優點。

2.2 抗凍劑對肉制品巰基含量的影響

巰基是蛋白質分子中最具有反應活性的基團。牛羊肉、海鮮中富含肌球蛋白分子，其中含有大量活性巰基[45]。低溫冷凍的情況下，肌球蛋白分子結構發生變化可能導致其活性巰基暴露，進而氧化形成二硫鍵，巰基因氧化和聚集變性使其含量減少[46]。而添加食品抗凍劑后可較好地阻礙蛋白質構型發生變化，抑制巰基暴露，從而抑制二硫鍵形成。Lian Zeping等[47]發現，向紅狗鱈魚糜中同時加入藻酸鹽和糖類抗凍劑進行復配，在-20 ℃貯藏17 周后，其與對照組的巰基含量分別減少約15%和35%，表明加入抗凍劑可顯著抑制巰基含量減少，提高魚糜品質。

2.3 抗凍劑對肉制品表面疏水性的影響

表面疏水性是影響分子間相互作用的關鍵因素。在低溫冷凍條件下，蛋白質可因變性而發生構型變化使原先位于蛋白質分子內部的疏水性氨基酸殘基暴露，疏水性基團的降解會導致蛋白質表面疏水性增加。Herrera等[48]研究發現魚糜中加入聚葡萄糖、拉克替醇、葡萄糖漿和蔗糖-山梨醇，減少肌動球蛋白表面疏水性殘基暴露，使魚糜蛋白表面疏水性降低，并通過魚糜內部分子間疏水作用發生的聚集，改善冷凍魚糜品質。

3 常見抗凍劑在冷凍肉制品中的應用

常見食品抗凍劑包括木薯變性淀粉、海藻糖、抗凍蛋白等。這些抗凍劑單獨或復配使用在肉制品進行降溫保鮮的過程中，能夠保護細胞膜，讓鮮度與營養在解凍后還原至原有的狀況，進而起到冷凍保鮮的作用。

3.1 木薯變性淀粉的應用

在預制菜品熱銷的當下，新鮮肉類經過“蒸煮-冷凍-二次加熱食用”會導致肉制品內部組織因冰晶增長而發生損傷，導致凝膠性能不足、產品質量下降。木薯變性淀粉因其廉價易得、支鏈基團占比高、在加熱糊化時膨脹吸水、可極大提高凍融穩定性而廣泛應用于冷凍工業中。預制菜肉品中添加木薯變性淀粉，會在加熱過程中糊化膨脹填充因冰晶增長產生的縫隙進而減輕冰晶對細胞內部的損傷，并增加鮮肉組織交聯程度[49]。木薯變性淀粉在冷凍肉中的應用不僅體現在抗凍上，還兼具增加色澤、提高彈性等。

3.2 海藻糖的應用

海藻糖溫和爽口，還具有低齲齒性、矯味、保鮮等特性，使其在食品行業多個領域的應用都能獲得良好效能。海藻糖添加于海鮮肉制品中，有利于防止脫水，防止蛋白質在冷凍、高溫或干燥時變性[43]，且能非常有效地保護蛋白質分子的天然結構，使其風味和質地保持不變。研究發現海藻糖可有效防止羅非魚片在冷凍過程中發生蛋白質變性[20]、提高冷凍豬肉保水性及改善冷凍豬肉的品質[21]。山梨糖醇可提高發酵香腸保水性、改善肉糜品質[22-23]及抗蛋白冷凍變性[24]。檸檬酸鈉可提高魚糜及重組牛肉的保水性[25-26]。此外，新鮮的魚在長時間冷凍貯藏時會因微生物腐敗而產生三甲胺，且新鮮程度越低，產生的三甲胺越多。在冷凍運輸前加入海藻糖，能顯著抑制三甲胺生成、減少腥味產生、保持魚口味新鮮。此外雞肉等禽畜肉類的臊臭味主要成分也能被海藻糖所抑制[12]。

3.3 抗凍蛋白的應用

抗凍蛋白的研究雖然起步晚，但是其抗凍效果顯著且綠色環保，一直是研究熱點。根據抗凍蛋白的特點，近年來科學家將研究重點放在抗凍蛋白與基因工程研究上，運用DNA重組技術將控制合成抗凍蛋白的基因轉移到目標中，并使之表達，得到的新品種具有很強的抗凍特性。目前發現的抗凍蛋白可以通過降低體系冰點、改變冰晶形態、抑制冰晶生長來防止低溫脅迫對生物體造成傷害[50]。在低溫冷鏈肉制品領域，如添加抗凍多肽的肉片、肉糜制品、海鮮等，在生產配方、加工、貯藏和分銷等環節均可顯著減小冰晶尺寸、重結晶和低溫劣變，顯著提高產品品質，延長產品貨架期。

3.4 抗凍劑的應用前景

中國現在已經成為世界上最大的冷藏集裝箱以及冷凍和冷藏食品進口國，相關研究院預測，未來10 年我國冷凍肉制品食品行業仍將處于成長期，預計復合年增長率10%左右。冷凍保存運輸技術給人們帶來很多便利，其飛速發展之后也遇到瓶頸，而食品抗凍劑是突破這個瓶頸的關鍵。隨著冷凍肉制品加工行業的蓬勃發展，食品抗凍劑的應用愈發廣泛，除在傳統肉制品中應用，食品抗凍劑在其他冷凍食品抗凍保護也有顯著效果。

4 結 語

隨著國家食品安全的政策支持與人們生活方式的改變，冷凍行業的發展對肉制品品質、營養和安全等方面有著極為重大的意義。食品抗凍劑因易獲取、成本低、應用廣、能夠有效改變肉制品冷凍特性的優點而受到了研究者關注。盡管不同類別食品抗凍劑的作用機制以及應用種類不同，但無論畜禽還是海鮮，在使用食品抗凍劑后，肉制品組織細胞凍結后產生的冰晶均會較未添加抗凍劑時顯著下降，緩解由于冰晶顆粒過大而造成的組織和細胞膜的機械損傷；同時，由于近些年來肉類預制菜市場的高速增長，冷鏈物流技術的快速發展，加上消費者對果蔬、肉制品以及海產等各個種類食品及其冷凍產品需求量呈現出持續增長態勢。傳統食品抗凍劑的應用方式存在物料添加難以把握、不同種類應用范圍單一、添加后難以保障抗凍劑在食品中分布均勻等問題。因此研究以抗凍蛋白、抗凍肽為代表的更加高效、安全的食品抗凍劑，對于提高我國裝備制造和冷鏈物流競爭力和增加肉制品經濟價值具有重要意義。將食品抗凍劑與新興肉制品冷凍技術相結合，是今后科研人員重點探索的方向，食品抗凍劑在我國肉制品冷凍行業中必將會有廣闊前景。