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(dá)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(jìn)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。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(rèn)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。

抗凍劑主要功能為利用自身特殊的基團(tuán)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(dá)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(dá)到冰點的速度減慢，以達(dá)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(jìn)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。

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(jìn)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(xì)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。

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(jìn)行處理后，得到的具有特定用途的降解物或衍生物。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(jìn)了磷酸基團(tuán)、羧甲基、羥丙基等具有較強極性的基團(tuán)，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(tuán)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。

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。

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。

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(hù)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(jìn)解膠。磷酸鹽的加入促進(jìn)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。

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。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。

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?？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。

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等在1977年提出的吸附抑制假說以及Nutt等在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(jìn)行一定程度的修飾，從而降低冰點，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。

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