黨美珠 隋繼學(xué) 孫向陽 李長濱

摘要：冰結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)蛋白能夠保證在低溫環(huán)境下冰結(jié)晶的形成，而且還能夠?qū)⒈Y(jié)晶的生成有效地控制在最低范圍內(nèi)。冰結(jié)構(gòu)蛋白屬于蛋白質(zhì)類化合物，因為具有降低冰點、修飾冰晶形態(tài)、抑制重結(jié)晶等方面的特點被廣泛地應(yīng)用于速凍食品加工以及儲存等領(lǐng)域。文章通過對于其進(jìn)行全面的介紹并且對于食品安全方面進(jìn)行了簡單的分析，從而為冰結(jié)構(gòu)蛋白在食品應(yīng)用方面提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：冰結(jié)構(gòu)蛋白;食品安全;應(yīng)用研究

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

冰結(jié)構(gòu)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(zhì)出現(xiàn)冰結(jié)晶的現(xiàn)象。最早發(fā)現(xiàn)冰結(jié)構(gòu)蛋白的是在19世紀(jì)60年代，科學(xué)家Devries在南極的魚類血液中發(fā)現(xiàn)了這種神奇的物質(zhì)，從而開始了關(guān)于速凍食物加工方面的研究工作[1]。通過對冰結(jié)構(gòu)蛋白的深入研究之后發(fā)現(xiàn)，冰結(jié)構(gòu)蛋白普遍存在于魚類、植物、昆蟲、細(xì)菌與真菌等生物體內(nèi)。因為冰結(jié)構(gòu)蛋白具有降低冰點、改變冰晶形態(tài)、抑制重結(jié)晶等主要的功能，所以冰結(jié)構(gòu)蛋白的商業(yè)價值非常大，應(yīng)用前景也十分廣泛。我國對于冰結(jié)構(gòu)蛋白的研究與應(yīng)用也在逐步地推進(jìn)發(fā)展，尤其是2006年我國衛(wèi)生部門將冰結(jié)構(gòu)蛋白列為新型食品添加劑，從此其被廣泛地應(yīng)用于速凍食品中。

一、冰結(jié)構(gòu)蛋白的主要分類

（一）魚類冰結(jié)構(gòu)蛋白

人們最早發(fā)現(xiàn)的冰結(jié)構(gòu)蛋白就是來自南極海洋中魚類的體內(nèi)，所以冰結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)蛋白，比如大西洋鰭等魚類[2]。

（二）昆蟲冰結(jié)構(gòu)蛋白

很多昆蟲在寒冷的冬天都會死亡，但是有相當(dāng)一部分的昆蟲能夠越冬，其中的原因在于這些昆蟲的體內(nèi)也含有冰結(jié)構(gòu)蛋白。這些昆蟲的冰結(jié)構(gòu)蛋白無糖基與魚類的冰結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)蛋白含有一定數(shù)量的半膚氨基酸。

（三）植物冰結(jié)構(gòu)蛋白

生長在寒帶地區(qū)的植物在生長發(fā)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(huán)境會造成植物的分布范圍限制，而且還可能導(dǎo)致植物的質(zhì)量與繁殖受到嚴(yán)重影響。所以很多植物體內(nèi)的冰結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)蛋白主要不是阻止冰晶的形成，而是通過調(diào)控冰晶增長以及一直重結(jié)晶的方式來保護(hù)植物不會受到冰晶增長造成的損傷。

（四）細(xì)菌冰結(jié)構(gòu)蛋白

在加拿大北極地區(qū)的植物根部位置發(fā)現(xiàn)了一種根瘤菌，其耐凍效果在-20℃～50℃之間，因為這種細(xì)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(zhì)，這種蛋白質(zhì)的分子量能夠達(dá)到164ku，并且通過實驗進(jìn)一步證明了這種細(xì)菌的抗凍機(jī)制是冰結(jié)構(gòu)的聚集。

二、冰結(jié)構(gòu)蛋白的抗凍機(jī)制

由于不同的生物體內(nèi)存在的冰結(jié)構(gòu)蛋白都是不同的，而且每種蛋白質(zhì)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(jī)制也會存在很多的差異。在不同機(jī)制的作用下，蛋白質(zhì)和冰結(jié)晶能夠生成很多種不同形態(tài)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(xiàn)在應(yīng)用于食品速凍領(lǐng)域的抗凍機(jī)制是組織冰晶橫向增長的冰結(jié)構(gòu)蛋白，這樣也就說明冰結(jié)晶不會出現(xiàn)球狀的情況。所以根據(jù)這樣的抗凍機(jī)制，能夠進(jìn)一步保證速凍食品呈現(xiàn)出穩(wěn)定、防腐等實用品質(zhì)，而且還能夠根據(jù)人們的喜好來選擇冰結(jié)晶的結(jié)構(gòu)特點，從而形成個性化的速凍食品。

三、冰結(jié)構(gòu)蛋白的活性特點

（一）熱滯活性

冰結(jié)構(gòu)蛋白具有熱滯活性的特點。所謂熱滯活性，就是通過非依數(shù)的形式來降低水溶液的冰點，從而對熔點不產(chǎn)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(jié)構(gòu)蛋白的作用于其自身的屬性呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，而與冰結(jié)構(gòu)的數(shù)量毫無關(guān)系[4]。冰結(jié)構(gòu)蛋白的熱滯活性的特點也被稱之為抗凍作用的非依數(shù)性，即抗凍能力的強弱高低只依賴于冰結(jié)構(gòu)蛋白自身性質(zhì)，與冰結(jié)構(gòu)蛋白數(shù)量的多少沒有關(guān)聯(lián)。

（二）改變冰的生長習(xí)性

抗凍蛋白具有改變冰生長習(xí)性的特點，也就是冰晶形態(tài)效應(yīng)。這種性質(zhì)能夠在不同方面的強弱變化中引起冰晶形態(tài)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(tài)[5]。如果低濃度的冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)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(jié)晶抑制效應(yīng)

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

四、冰結(jié)構(gòu)蛋白在速凍食品領(lǐng)域的具體應(yīng)用

（一）在速凍面制品中的應(yīng)用

1.在冷凍面團(tuán)中的應(yīng)用。冷凍面團(tuán)技術(shù)是食品加工領(lǐng)域新型的一種烘焙技術(shù)。尤其是在大型食品連鎖生產(chǎn)企業(yè)中，為了能夠保證食品達(dá)到統(tǒng)一加工、統(tǒng)一配送等效果，必須要通過冷凍面團(tuán)的方式來保證面團(tuán)在中心工廠實現(xiàn)攪拌、成型、速凍等步驟。在運輸?shù)匠?、商店、快餐店時還必須要進(jìn)行解凍、發(fā)酵以及烤制等步驟。在這些步驟中，如果冷凍面團(tuán)經(jīng)過長時間的冰凍，就會造成面團(tuán)的品質(zhì)下降，進(jìn)而影響口感，而且如果醒發(fā)的時間過長也會造成面團(tuán)的比容減少。在速凍面團(tuán)中添加冰結(jié)構(gòu)蛋白之后，能夠明顯地發(fā)現(xiàn)面團(tuán)的質(zhì)地會更加的柔軟而且穩(wěn)定，其中的原因在于結(jié)冰量的減少[6]。

通過冷誘導(dǎo)的方式，從冬麥草原質(zhì)體中提取分離出具有熱穩(wěn)定的奇異果甜蛋白質(zhì)，并且針對速凍面團(tuán)的超微結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響，會發(fā)現(xiàn)，空白面團(tuán)如果處于冷藏條件下，面筋結(jié)構(gòu)會被破壞，從而減少重結(jié)晶的生成。這樣一來面團(tuán)的空洞減少，從而保護(hù)面筋結(jié)構(gòu)。通過將胡蘿卜冰結(jié)構(gòu)蛋白添加到面團(tuán)之中，進(jìn)一步研究了胡蘿卜冰結(jié)構(gòu)蛋白對于面團(tuán)發(fā)酵能力、面團(tuán)風(fēng)味等方面所產(chǎn)生的影響，并且通過一系列的分析來進(jìn)一步證明了冷凍面團(tuán)在貯藏的過程中可結(jié)冰水含量、面包質(zhì)構(gòu)品質(zhì)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(jié)構(gòu)蛋白之后酵母死亡率會明顯地降低，面團(tuán)的發(fā)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(zhì)地結(jié)構(gòu)并不會受到破壞。

速凍食品在低溫貯藏、運輸?shù)冗^程中，由于冰結(jié)構(gòu)蛋白能夠有效地抑制冰晶的形成與重結(jié)晶的生成，這樣就能夠非常有效地保證面團(tuán)食品質(zhì)地的柔軟，并且還能夠有效地防止?fàn)I養(yǎng)流失。所以冰結(jié)構(gòu)蛋白的應(yīng)用在速凍食品領(lǐng)域中具有非常廣闊的發(fā)展前景，但是目前的冰結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)蛋白的生產(chǎn)成本。

2.在速凍湯圓、水餃等傳統(tǒng)中式食品中的應(yīng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)添加到湯圓之中，并且通過研究分析，對于湯圓的質(zhì)構(gòu)、外觀等方面進(jìn)行了測定，能夠進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)添加冬小麥麩皮冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)之后對于湯圓、速凍水餃等傳統(tǒng)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(huán)境中速凍24小時之后，沒有添加冬小麥麩皮冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的食品會出現(xiàn)開裂的情況。添加了冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的食品不僅在煮熟之后不容易開裂，還能夠始終保持產(chǎn)品的誘人外觀，從而被人們廣泛接受，進(jìn)一步提高收益。

（二）冷凍乳制品中的應(yīng)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(guān)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(zhì)效果越好。如果在運輸、冷藏、銷售等環(huán)節(jié)出現(xiàn)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(chǎn)生影響。通過在冰激凌中添加冰結(jié)構(gòu)蛋白能夠有效地防止冰激凌在貯藏、運輸?shù)冗^程中產(chǎn)生冰晶，而且還會保證冰晶細(xì)小均勻，從而保證口感。

（三）在冷卻/冷凍肉中的應(yīng)用

肉制品在為了保證品質(zhì)，必須通過冷凍或冷藏的方式來進(jìn)行運輸。通過在肉制品中增加冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)，并且減少營養(yǎng)流失。將冰結(jié)構(gòu)蛋白在屠宰線注入動物體內(nèi)，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(shù)量。從而保持肉制品的鮮嫩口感。

（四）在果蔬保鮮中的應(yīng)用

速凍蔬菜在解凍的過程中非常容易出現(xiàn)汁液流失、菜葉軟爛等情況，通過在蔬菜中運用轉(zhuǎn)基因的方式，將冰結(jié)構(gòu)蛋白基因轉(zhuǎn)移到果蔬上并且進(jìn)行正確的運用，能夠進(jìn)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(shù)在應(yīng)用的過程中必須對其潛在的危險以及問題進(jìn)行分析研究，尤其是關(guān)于食品安全方面的技術(shù)。對于冰結(jié)構(gòu)蛋白在速凍食品中的應(yīng)用所進(jìn)行的安全性分析比較復(fù)雜，但是通過長時間的跟蹤調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，添加了冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)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(jīng)明確地將冰結(jié)構(gòu)蛋白作為食品添加劑來應(yīng)用于速凍食品領(lǐng)域，從而進(jìn)一步證明了冰結(jié)構(gòu)蛋白在速凍食品領(lǐng)域中的應(yīng)用是非常安全的。

六、存在的問題

目前來說，冰結(jié)構(gòu)蛋白應(yīng)用于速凍食品領(lǐng)域是未來重要的發(fā)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(jié)構(gòu)蛋白成本較高

盡管冰結(jié)構(gòu)蛋白廣泛地存在于魚類、細(xì)菌、植物等生物體內(nèi)，但是提取獲得冰結(jié)構(gòu)蛋白的技術(shù)并不成熟，加之成本較高，所以盡快降低冰結(jié)構(gòu)蛋白的獲得成本是當(dāng)務(wù)之急，而且還必須要針對新型冰結(jié)構(gòu)蛋白的研究進(jìn)行推廣，從而尋找到可以替代的物質(zhì)[9]。

（二）冰結(jié)構(gòu)蛋白無法實現(xiàn)混合工藝標(biāo)準(zhǔn)

冰結(jié)構(gòu)蛋白無法融入混合標(biāo)準(zhǔn)工藝之中，因為在加工的過程中巴氏殺菌能夠?qū)ΡY(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。盡管冰結(jié)構(gòu)蛋白的生產(chǎn)已經(jīng)趨于商業(yè)化，但是生產(chǎn)出來的產(chǎn)品依然集中在特殊的研究領(lǐng)域。目前來看，速凍食品以及保健品行業(yè)對于冰結(jié)構(gòu)的蛋白的應(yīng)用是最廣泛的，但是它們的產(chǎn)品都是通過轉(zhuǎn)基因酵母菌來進(jìn)行生產(chǎn)的，所以這一轉(zhuǎn)基因技術(shù)被反對組織進(jìn)行抵制。盡管目前對于冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的研究不斷成熟，但是依然有很多方面必須進(jìn)行深入的研究，比如開發(fā)新型高活性冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)或者通過分子生物技術(shù)手段來提高冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的含量。通過快速準(zhǔn)確地測量冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的活性試驗以及檢驗體系。對于冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的合成以及類似物、模擬物等方面的應(yīng)用必須完善。在速凍食品體系中，冰、水、蛋白質(zhì)以及其他物質(zhì)之間的相互反應(yīng)以及安全性還必須要進(jìn)行更加深入的評價[10]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對于高質(zhì)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(jié)構(gòu)蛋白逐漸地進(jìn)入到科學(xué)家研究的視野中。冰結(jié)構(gòu)蛋白能夠降低魚類體內(nèi)的血清、昆蟲或者植物體液中的水溶液冰點等，其溶質(zhì)會比一般的溶質(zhì)要高很多。根據(jù)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(tài)和液態(tài)等兩種形態(tài)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(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括冰結(jié)構(gòu)蛋白的主要分類、冰結(jié)構(gòu)蛋白的抗凍機(jī)制以及冰結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的活性特點，從而進(jìn)一步說明了冰結(jié)構(gòu)蛋白在速凍食品中的應(yīng)用情況以及需要注意的問題，對速凍食品行業(yè)的發(fā)展起到積極的推動作用。

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