听过“冷冻烧伤” 吗,它发生在食物表面的微小冰晶直接蒸发成蒸汽而没有先经过液态水相。这一过程科学上称为升华。这种水分流失会使食物的表层变干并变色。

如何最大限度地减少或防止冰损?食品科学家出妙计

冰重结晶会损害和破坏有机细胞——动物和植物中发现的最小的生命单位。在储存收获的粮食作物或生物医学研究材料(如细胞培养物)时,这与储存冷冻比萨饼或豌豆一样都是一个问题,并且会导致大量浪费。


有人造物质可以防止这种冰损伤,但很少有人可以安全食用。因此,与田纳西大学和橡树岭国家实验室的科学家一起,我将在美国国家科学基金会提供的550,000 美元资助下在接下来的三年里工作,以确定安全的“生物基”选择——已经在自然界中发现的材料,包括物质源自人类食用食物时的自然消化过程。


冰重结晶是如何发生的?


食品工业使用“急速冷冻”来避免冷冻食品中形成大冰晶。这个过程包括将食物非常迅速地暴露在低温和高速空气中,这会导致食物冻结成大量的小晶体。与大晶体相比,小晶体对冷冻物质的破坏要小得多。


在将这些食物转移到常规冰柜(包括家用冰柜)进行储存后,问题就开始了。此类装置的自动除霜功能包括每天多次打开和关闭压缩机,降低和升高温度以防止结冰。这种波动会部分融化食物中的冰,然后将其重新冻结,这一过程可能会产生更大、更具破坏性的冰晶。


这些变化充其量只能使食物变得难吃——谁没有忍受过吃冷冻燃烧的蔬菜或含水解冻的草莓?最坏的情况下无法使用。


根据威廉玛丽学院食品系统研究员扎克康拉德最近的一项研究,2001 年至 2016 年期间,美国每人每天的食品总支出为 13.27 美元,其中价值 3.62 美元,即 27%浪费食物。


康拉德发现,只有 1.4% 的废物涉及冷冻食品,相当于每人每天约 5 美分,或每年 18.25 美元。但这些镍加起来每年浪费的冷冻食品价值超过 58.9 亿美元。


因此,随着冷冻食品市场的持续增长,最大限度地减少或防止冰损的重要性变得显而易见。


用人造物质防止结冰


防止冰重结晶的合成化学物质往往对生物体有毒,因此它们在保护食物方面的作用非常有限。通过漫长而严格的审查过程,美国食品和药物管理局批准了一种称为聚乙烯醇 (PVA) 的人造聚合物,可安全用于食品包装材料,但不能用作食品添加剂。


PVA 在工业上用于防止水泥和混凝土等物质中的冰重结晶,以及冷冻人体细胞、组织和器官以保存它们以供移植和生物技术使用。


还有一些“半合成”化合物——之所以贴上标签,是因为它们是通过改变天然材料制成的——有望遏制冰的破坏。它们包括称为糖聚合物和聚两性电解质的物质,据报道它们可以抑制冰重结晶、保护细胞和增加细胞活力。许多这些化合物处于研究和开发的早期阶段,尚未商业化。它们在食品中使用的安全性尚未得到证明或批准。

如何最大限度地减少或防止冰损?食品科学家出妙计

更安全的替代方案:生物基解决方案


我研究基于生物的合成和半合成材料的替代品,即基于人类、动物和植物中已经发现的物质,并通过自然生物过程。我相信这些基于生物的解决方案是特别有前途的选择,因为它们不涉及非自然操作。


例如,对于鸡蛋加工业,我发现了如何使用源自鸡蛋的天然肽,我们肠道中也发现的短氨基酸链,来防止冷冻对蛋黄造成的损害,而不是之前在蛋黄中添加盐或糖冷冻。


在我们国家科学基金会的资助下,我的团队正在研究模拟冷水鱼或耐寒植物中发现的抗冻蛋白功能的物质,这些蛋白抑制冰重结晶并防止其内部组织中的冰生长。


一个挑战是这些抗冻蛋白分子在自然界中的浓度非常低。这使得从生物体中提取并以工业规模生产它们的成本非常高。


我们正在研究源自常见和独特食物蛋白质的肽,例如大豆、乳制品、鱼、肉和昆虫。由于威斯康星大学的Srinivasan Damodaran的研究,我们已经知道鱼明胶和牛胶原蛋白中的小肽可以有效防止冰淇淋中的冰重结晶。然而,肽的这种能力因来源蛋白质的不同而有很大差异,因此我们正在调查这些差异的原因。


随着我们更多地了解这些肽以及如何以商业规模生产它们,我相信它们可能在多个行业中发挥作用,从提高冷冻食品的质量到提高农作物对冷冻温度的抵抗力,再到更好地保存细胞和纸巾,甚至用于道路和飞机除冰等用途。


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