冷凍是一種常見(jiàn)的食品貯藏加工方式，其主要目的是通過(guò)接近或低于冰點(diǎn)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(guò)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(diǎn)，食品冷凍可以被分為食品冷卻和食品凍結(jié)兩類(lèi)。然而，食品在進(jìn)行冷凍或冷凍后貯藏及運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)樗至魇?、蛋白質(zhì)變性以及脂類(lèi)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(guò)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(lái)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(diǎn)降低、達(dá)到冰點(diǎn)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(duì)常用抗凍劑的作用機(jī)理、特點(diǎn)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(jī)理

1.1　糖類(lèi)抗凍劑

糖類(lèi)抗凍劑主要包括膠類(lèi)抗凍劑、改性淀粉類(lèi)抗凍劑以及小分子糖類(lèi)抗凍劑，其分子結(jié)構(gòu)中有多個(gè)羥基，具有較強(qiáng)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(lèi)抗凍劑分子結(jié)構(gòu)中的羥基越多，使用其處理過(guò)的冷凍食品抗凍性越強(qiáng)。研究表明，此類(lèi)抗凍劑的主要作用機(jī)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(guò)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(lèi)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(qiáng)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。

1.1.1　膠類(lèi)抗凍劑

膠類(lèi)物質(zhì)在速凍產(chǎn)品的凍結(jié)過(guò)程中，可以減少食品體系中自由水的含量，并可通過(guò)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(guò)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(zhǎng)的速率以及形成的冰晶體的大小。同時(shí)膠類(lèi)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(kāi)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(lèi)物質(zhì)還可以保持生產(chǎn)出食品的品質(zhì)，延長(zhǎng)貨架期。

1.1.2　改性淀粉類(lèi)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(guò)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(lèi)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(qiáng)極性的基團(tuán)，使改性后的淀粉分子極性增強(qiáng)，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(qiáng)的抗凝性。同時(shí)，這些基團(tuán)的引入會(huì)使淀粉分子的空間位阻增大，使其在水中不易聚沉，增強(qiáng)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(guò)程中其結(jié)構(gòu)不易遭受破壞，具有較強(qiáng)的抗凍性。

1.1.3　小分子糖類(lèi)抗凍劑

蔗糖、葡萄糖等小分子糖類(lèi)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(lèi)除了具有以上作用外，還可以降低食品體系冰點(diǎn)。小分子糖類(lèi)通過(guò)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(duì)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(lèi)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(duì)冷凍過(guò)程中冰晶的增大起到控制作用。

1.2　磷酸鹽類(lèi)抗凍劑

在食品加工行業(yè)，尤其是在肉制品的加工、運(yùn)輸及貯藏過(guò)程中，人們通常會(huì)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(lèi)物質(zhì)，此類(lèi)物質(zhì)本身能夠作為抗凍劑，提高食品的抗凍性，還會(huì)與糖類(lèi)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(lèi)抗凍劑的作用機(jī)理主要有3點(diǎn)。①增加離子強(qiáng)度。肉在冷凍時(shí)，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(guò)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(lèi)物質(zhì)是強(qiáng)堿弱酸鹽，其溶液一般顯堿性，同時(shí)又可以作為緩沖物質(zhì)，對(duì)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(qiáng)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(dòng)球蛋白解離為肌動(dòng)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(guò)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(dòng)性和黏度的膠體物質(zhì)，一定程度上增強(qiáng)了肉的抗凍能力。而相比于對(duì)持水能力的改善，磷酸鹽類(lèi)抗凍劑增強(qiáng)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(lèi)抗凍劑

蛋白及其衍生物類(lèi)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(duì)于這類(lèi)具有生物活性的抗凍劑的實(shí)用性研究相對(duì)較少，但通過(guò)現(xiàn)有的研究仍可以發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)抗凍劑作為一種有效的綠色抗凍劑，可作為碳水化合物類(lèi)抗凍劑的可行替代品。同時(shí)，蛋白及其衍生物類(lèi)抗凍劑也是當(dāng)今學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

1.3.1　抗凍蛋白

抗凍蛋白是一類(lèi)可以對(duì)冰晶生長(zhǎng)起抑制作用的蛋白質(zhì)，這種蛋白能夠運(yùn)用滯后效應(yīng)，以非依數(shù)性的形式使食品體系的凝固點(diǎn)降低，而基本不影響其熔點(diǎn)。在抗凍蛋白的作用下，食品體系的熔點(diǎn)與冰點(diǎn)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?lái)源于動(dòng)物、植物、昆蟲(chóng)以及微生物，在冷凍肉制品和水產(chǎn)品中常用的是魚(yú)類(lèi)抗凍蛋白，魚(yú)類(lèi)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(lèi)。

然而，抗凍蛋白的作用機(jī)理，由于其來(lái)源和結(jié)構(gòu)的不同，至今仍然無(wú)定論。目前，關(guān)于抗凍蛋白的作用機(jī)理的主流假說(shuō)是Raymond等在1977年提出的吸附抑制假說(shuō)以及Nutt等在2008年基于分子動(dòng)力學(xué)模擬提出的籠形物固定水假說(shuō)，兩者的共同特點(diǎn)，便是其機(jī)理都是以非依數(shù)性機(jī)制，對(duì)冰晶進(jìn)行一定程度的修飾，從而降低冰點(diǎn)，以及通過(guò)大小冰晶所具有的特殊生長(zhǎng)機(jī)制，改變冰晶形成的形態(tài)，抑制水的重結(jié)晶。

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