孫先保,宋紅,王江梅,吳艷,周煒

1(揚(yáng)州市揚(yáng)大康源乳業(yè)有限公司,江蘇 揚(yáng)州,225004)2(上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院,上海,200240) 3(山東省濰坊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,山東 濰坊,261041)

控制冰晶尺寸對(duì)冷凍食品品質(zhì)至關(guān)重要。添加抗凍劑是有效控制冰晶形成、生長和重結(jié)晶的重要方法,如滲透型小分子(二甲基亞砜、甲醇、甘油等)、非滲透型小分子(單、雙糖)、非滲透型聚合物、合成聚合物、納米材料和水凝膠等作為抑冰劑已經(jīng)得到了廣泛研究和應(yīng)用[1]。然而,這些抗凍劑潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)及可能引入的感官變化往往不適合食品添加和應(yīng)用。近年來,天然來源的大分子抗凍劑提供了活性可調(diào)、生物相容的選擇。如生物來源的抗凍(糖)蛋白可以通過“吸附抑制”機(jī)制產(chǎn)生熱滯效應(yīng)、抑制冰重結(jié)晶和修飾冰晶形態(tài)[2],已被證實(shí)對(duì)冷凍食品具有優(yōu)良的保護(hù)能力[3-5]。然而,天然抗凍(糖)蛋白來源少、不利于規(guī)?；a(chǎn)以及潛在的健康隱患使其食品工業(yè)化應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。除此之外,持續(xù)研究發(fā)現(xiàn)一些天然多糖,如卡拉膠[6-7]、納米纖維素[8-9]以及冷適應(yīng)性生物來源的多糖[10-11]具有抗凍活性,其中一些作為穩(wěn)定劑已在冷凍食品中得到了廣泛應(yīng)用。天然多糖具有廣泛的可及性、再生性、無毒性和健康益處[12],是開發(fā)理想食品冷凍保護(hù)劑的潛在候選者。

目前,天然多糖抑制冰晶生長的確切機(jī)制尚未明晰,只有少數(shù)多糖具有可觀的冰重結(jié)晶抑制活性,其活性差異取決于多糖的結(jié)構(gòu)類型[6]。近期針對(duì)卡拉膠、納米纖維素、瓜爾豆膠等多糖穩(wěn)定劑的研究表明,多糖溶液的黏度或凝膠化并不能解釋其冰晶生長抑制活性,而是可能與抗凍蛋白冰結(jié)合作用類似的機(jī)制發(fā)揮作用[6-8]。CARILLO等[10]通過分子模擬技術(shù)發(fā)現(xiàn)一種從嗜冷海洋細(xì)菌Colwelliapsychrerythraea34H中提取的多糖可以形成特殊的“膠囊”結(jié)構(gòu),與冰晶表面通過特定的氫鍵作用結(jié)合而抑制冰晶生長;而GUERREIRO等[11]發(fā)現(xiàn)胞外多糖FucoPol表現(xiàn)出非依數(shù)性、濃度依賴性的冰點(diǎn)增加效應(yīng),認(rèn)為多糖鏈水合參與界面冰-水相互作用可能解釋其冷凍保護(hù)作用。

羅望子多糖(tamarind seed polysaccharide,TSP)是從羅望子(TamarindusindicaL.)種仁中提取純化的一種半乳糖木葡聚糖,由β-D-(1→4)-葡聚糖的纖維素骨架以及半乳糖和木糖的分支組成的九糖重復(fù)單元[13]。木葡聚糖的特殊結(jié)構(gòu)賦予TSP良好的水合性和熱震穩(wěn)定性,可以改善冷凍面團(tuán)[14]、肉[15]等制品的凍融和貯藏穩(wěn)定性。據(jù)日本Dsp Gokyo公司2014年的技術(shù)通報(bào)(https://www.fc.sumitomo-pharma.co.jp/en/)顯示,TSP可以穩(wěn)定冰淇淋中的冰晶尺寸,推薦其用于冷凍甜品冰晶穩(wěn)定劑。作為一種極具開發(fā)潛力的天然大分子冷凍保護(hù)劑,尚缺乏系統(tǒng)的研究來理解TSP對(duì)冰晶生長的抑制效應(yīng)。為此,本文通過研究TSP的冰重結(jié)晶抑制活性、重結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、冰晶生長習(xí)性以及對(duì)水溶液相變的熱力學(xué)影響,系統(tǒng)理解該多糖對(duì)冰晶生長的抑制效應(yīng),為其食品應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

羅望子多糖(TSP,純度90.1%;蛋白含量1.1%,水分8.8%,灰分0.3%,均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)),云南貓哆哩集團(tuán)食品有限公司,進(jìn)一步純化(80 ℃加熱溶解、離心、4倍體積95%乙醇沉淀、凍干),達(dá)到98.95%純度;聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG,黏均分子質(zhì)量Mv約為100 000 g/mol)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA,純度95%,重均分子質(zhì)量Mw為89 000～98 000 g/mol),上海麥克林生化有限公司;其他化學(xué)品均為分析級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

多角度激光散射凝膠色譜系統(tǒng),美國Wyatt技術(shù)公司;Olympus BX51顯微鏡配置Canon EOS 500D SLR相機(jī),日本Olympus公司;BCS196生物低溫控制臺(tái),英國Linkam科學(xué)儀器公司;差示掃描量熱(differential scanning calorimetry,DSC)儀2500,美國TA儀器公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 尺寸排阻色譜和多角度激光散射(size exclusion chromatography-multi-angle laser light scattering,SEC-MALLS)分析

采用高效尺寸排阻色譜初步分析TSP的溶液分子特征。配制不同質(zhì)量濃度(1、2、5 mg/mL)的多糖溶液,80 ℃下持續(xù)攪拌至完全溶解,4 ℃下過夜,離心(10 000×g,10 min)去除不溶物后上樣分析。該色譜系統(tǒng)包括多角度激光散射(multi-angle laser light scattering,MALLS)檢測(cè)器、示差折光檢測(cè)器和紫外檢測(cè)器,采用SB-G 6B保護(hù)柱串聯(lián)SB-805 HQ和SB-803 HQ分析柱,流動(dòng)相為0.1 mol/L NaNO3,流速0.5 mL/min,柱溫35 ℃,上樣量100 μL。其中,TSP水溶液(25 ℃)的示差折光指數(shù)增量(dn/dc)為0.145 mg/mL。采用ASTRA 7.1.3軟件分析樣品的重均分子質(zhì)量(Mw)、數(shù)均分子質(zhì)量(Mn)、多分散指數(shù)(PDI=Mw/Mn)和z-均回轉(zhuǎn)半徑(rz)等分子特征參數(shù)。

1.3.2 “蔗糖三明治”冰重結(jié)晶試驗(yàn)

以49%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的蔗糖溶液為空白體系,研究添加TSP對(duì)冰重結(jié)晶過程的影響。通過不同蔗糖、純水、TSP質(zhì)量比配制含0.01%～0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)多糖的樣品溶液,含1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)PEG和1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)PVA分別作為陰性對(duì)照和陽性對(duì)照[16]。吸取約1.5 μL樣品溶液滴加于2塊玻片(直徑12 mm)間,浸油密封,置于冷臺(tái)。將樣品以30 ℃/min迅速降溫至-40 ℃誘導(dǎo)形成多冰晶,保持2 min,以10 ℃/min升溫至-8 ℃,維持30 min。等溫(-8 ℃)退火期間,觀察并記錄冰晶的生長過程,樣品臺(tái)內(nèi)外均緩慢流通N2防止環(huán)境水凝結(jié)霧化影響觀察視野。獨(dú)立重復(fù)3次試驗(yàn),采用ImageJ軟件測(cè)量每張圖片中至少50個(gè)冰晶的尺寸,取3次測(cè)量的平均值。

1.3.3 冰重結(jié)晶動(dòng)力學(xué)

基于Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)理論描述的Ostwald熟化過程[17],研究冰重結(jié)晶過程中的生長動(dòng)力學(xué)。如果冰重結(jié)晶過程是由水分子通過中間液相從小冰晶向大冰晶的擴(kuò)散主導(dǎo),那么LSW理論認(rèn)為晶體的平均半徑r隨時(shí)間演變應(yīng)遵循公式(1):

(1)

其中,r0,重結(jié)晶t=0 min時(shí)的初始平均半徑;kd,重結(jié)晶的速率常數(shù)。試驗(yàn)采用49%蔗糖溶液體系可以確保Ostwald熟化(或遷移重結(jié)晶)占主導(dǎo)地位的較大的非凍結(jié)液相比例。因此,在半徑r隨時(shí)間t的演變過程中,重結(jié)晶的速率常數(shù)kd可以通過公式(1)線性回歸之間的斜率確定。

1.3.4 動(dòng)態(tài)冰晶修飾試驗(yàn)

在含0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))TSP的蔗糖模型溶液(含質(zhì)量分?jǐn)?shù)49%的蔗糖水溶液)中觀察單冰晶生長的動(dòng)態(tài)變化,含0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的PEG和0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))PVA分別作為陰性和陽性對(duì)照,研究樣品添加對(duì)冰晶生長形貌的影響。如1.3.2節(jié)所述,將樣品溶液降低至-40 ℃后升溫至-8 ℃,等溫退火30 min,隨后以0.5 ℃/min升溫直到視野中的冰晶僅剩無幾,再以0.1 ℃/min緩慢冷卻,期間觀察單冰晶生長的形貌變化。

1.3.5 差示掃描量熱法分析

采用差示掃描量熱法研究樣品溶液的量熱行為,數(shù)據(jù)采集從25 ℃開始(平衡1 min),以3 ℃/min降溫至-70 ℃(等溫1 min),再以相同速率升溫至25 ℃(等溫1 min)。測(cè)試樣品為0.01%～1.5% TSP、1%PEG和1%PVA的水溶液,空密封鋁皿作為參照,至少進(jìn)行3次獨(dú)立的DSC測(cè)試。使用儀器配置的TRIOS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,確定溶液平均凍結(jié)/非均相成核溫度(Tf)、平均融化溫度(Tm)以及相應(yīng)的平均焓值(結(jié)晶焓ΔHc,融化焓ΔHm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 羅望子多糖分子特征的初步分析

采用SEC-MALLS初步研究TSP在不同濃度下的分子特征。基于色譜峰(圖1)計(jì)算的相關(guān)分子特征參數(shù)結(jié)果如表1所示,TSP的Mw和Mn濃度依賴性降低,1、2和5 mg/mL質(zhì)量濃度下檢測(cè)的Mw分別為1.97×106、1.18×106和0.98×106Da,而rz分別為67.9、58.7和55.5 nm。此外,通過主要分子質(zhì)量分布區(qū)間和rz的函數(shù)關(guān)系可以研究TSP溶液中主要的分子構(gòu)象差異(圖1-b～圖1-d)。理想情況下,斜率為0.33代表球形構(gòu)象,斜率為0.5～0.6代表隨機(jī)線圈,而斜率1代表剛性棒狀構(gòu)象[18]。因此,TSP在質(zhì)量濃度為2 mg/mL時(shí)斜率為0.565,表明該濃度下TSP呈柔性線圈構(gòu)象;TSP在質(zhì)量濃度5 mg/mL時(shí)斜率為0.477,說明構(gòu)象趨于緊湊,介于球形和柔性隨機(jī)線圈結(jié)構(gòu)之間;而低質(zhì)量濃度(1 mg/mL)TSP顯示獨(dú)特的U-型分布,這是高支化聚合物的典型特征。這種現(xiàn)象可以用伴隨發(fā)生的相反分離機(jī)制來解釋,即在小的洗脫體積下,正常的尺寸排阻分離機(jī)制占優(yōu)勢(shì),此時(shí)小的洗脫片段的多分散性可以忽略;而在較大的洗脫體積下,洗脫的小分子質(zhì)量多糖與延遲的高分子質(zhì)量聚合物共流出,增加了洗脫“片段”的多分散性。因?yàn)榫礁霃诫S多分散性的增加比Mw更加顯著,所以曲線隨著多分散系數(shù)的增加而向上位移,形成獨(dú)特的U型曲線[19]。上述結(jié)果表明,TSP的溶液分子構(gòu)象具有復(fù)雜的濃度依賴性。

a-不同濃度TSP的HPSEC-MALLS色譜圖;b-1 mg/mL TSP的均方回轉(zhuǎn)半徑分布圖;c-2 mg/mL TSP的均方回轉(zhuǎn)半徑分布圖; d-5 mg/mL TSP的均方回轉(zhuǎn)半徑分布圖圖1 不同濃度TSP的HPSEC-MALLS色譜圖和均方回轉(zhuǎn)半徑分布圖Fig.1 HPSEC-MALLS-RI chromatograms and distribution of z-average radius of gyration (rz) for TSP at different concentrations

表1 SEC-MALLS分析的TSP分子特征Table 1 Molecular characteristic of TSP from SEC-MALLS analysis

2.2 羅望子多糖的冰重結(jié)晶抑制活性

如圖2所示,“蔗糖三明治”冰重結(jié)晶試驗(yàn)退火過程(Ostwald熟化)中,冰晶尺寸逐漸增大,而總冰晶數(shù)量減少?？瞻讓?duì)照(質(zhì)量分?jǐn)?shù)49%蔗糖溶液)和陰性對(duì)照(空白對(duì)照49%蔗糖溶液中含1%PEG)退火30 min后的冰晶尺寸比含TSP溶液中的冰晶更大(圖3),而含PVA溶液中的冰晶最小,表明TSP具有顯著的冰重結(jié)晶抑制活性,但活性遠(yuǎn)低于PVA。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.01%～0.5%)TSP溶液中冰晶在退火30 min后的尺寸分布如圖4-a所示,與未添加TSP的溶液相比,添加TSP后形成的冰晶尺寸分布更窄,當(dāng)TSP質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.01%增加到0.25%時(shí),冰晶分布趨向更小的尺寸。然而,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到0.5%時(shí),尺寸分布反而變寬,粒徑變大。尺寸分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示,空白組和陰性對(duì)照形成的冰晶平均半徑分別為6.08和5.46 μm,添加0.25%TSP形成的冰晶半徑為3.05 μm,而添加0.5%TSP的冰晶半徑為3.71 μm,這與肉眼觀察到的結(jié)果一致。值得注意的是,這里沒有顯示PVA溶液的冰晶尺寸分布,因?yàn)?%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))PVA在30 min內(nèi)幾乎完全抑制冰重結(jié)晶,冰晶尺寸幾乎沒有變化,因此很難進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量?？偟膩碚f,TSP從0.01%到0.25%范圍內(nèi)顯示劑量依賴性活性增加,而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.5%時(shí)活性略有降低。

圖2 等溫退火過程中的冰晶生長過程(Ostwald熟化)Fig.2 Growth process of ice grains during annealing (Ostwald ripening)

a-49%蔗糖;b-49%蔗糖+1%PEG;c-49%蔗糖+1%PVA; d-49%蔗糖+0.1%TSP;e-49%蔗糖+0.25%TSP; f-49%蔗糖+0.5%TSP圖3 冰重結(jié)晶過程中等溫(-8 ℃)退火30 min后的 冰晶顯微圖片F(xiàn)ig.3 Micrographs of ice crystals grown after annealing 30 min at -8 ℃

如圖4-b所示,重結(jié)晶過程中冰晶平均半徑的三次方隨時(shí)間的變化可以采用線性生長函數(shù)擬合(R2>0.9),表明測(cè)試溶液中的冰重結(jié)晶動(dòng)力學(xué)由LSW理論提出的水分子擴(kuò)散主導(dǎo)[17]。如表2所示,與空白蔗糖溶液的冰重結(jié)晶速率相比(kd=9.93 μm3/min),含TSP溶液的冰重結(jié)晶速率常數(shù)顯著降低,其中0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))TSP溶液中的冰晶生長速率最慢,kd為0.98 μm3/min,而0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))TSP中冰晶的生長速率略有增加,kd為2.20 μm3/min。

a-冰晶尺寸分布;b-冰晶生長動(dòng)力學(xué)(t=2～30 min)圖4 冰晶尺寸分布和重結(jié)晶動(dòng)力學(xué)Fig.4 Ice size distribution and recrystallization kinetics

表2 冰晶的尺寸分布統(tǒng)計(jì)和生長速率常數(shù)Table 2 Ice crystals size distribution and growth rate constants (kd)

2.3 冰晶生長習(xí)性

動(dòng)態(tài)冰晶修飾試驗(yàn)中不同溶液中的冰晶生長形貌如圖5所示,空白溶液(49%蔗糖)中的冰晶呈圓形,少數(shù)呈拉長狀。添加PEG對(duì)冰晶的生長形貌沒有顯著影響,表明其與冰晶界面沒有明顯的相互作用,而PVA可以與特定冰晶表面結(jié)合[20],因此顯示較強(qiáng)的冰晶形貌修飾能力,含PVA的蔗糖溶液中冰晶均呈針狀和拉長狀。與上述對(duì)照組相比,TSP溶液中形成少量的針狀和不規(guī)則冰晶,暗示TSP與冰晶表面可能存在弱的相互作用。

a-49%蔗糖;b-49%蔗糖+PEG;c-49%蔗糖+TSP; d-49%蔗糖+PVA圖5 不同溶液中的冰晶生長形貌Fig.5 Growth morphology of ice crystals of different solutions

2.4 量熱行為分析

采用差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry,DSC)研究TSP對(duì)溶液相變的熱力學(xué)影響。如圖6所示(數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3),純水在-15.18 ℃附近的過冷溫度范圍凍結(jié),隨后的升溫過程中凍結(jié)相在-0.81 ℃附近融化。TSP溶液的凍結(jié)溫度(Tf)降低,表明在溶液緩慢冷卻過程中TSP抑制了(非均相)成核,其中0.01%、0.1%、0.25%和0.5%TSP的冰點(diǎn)抑制溫度(ΔTf,TSP溶液初始凍結(jié)溫度與空白對(duì)照初始凍結(jié)溫度的差值)分別為-1.74、-4.36、-6.43、-6.15 ℃。而當(dāng)TSP質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到1.5%時(shí),ΔTf為-2.96 ℃。在當(dāng)前測(cè)試條件和濃度范圍內(nèi),TSP溶液沒有表現(xiàn)出玻璃化轉(zhuǎn)變和冷結(jié)晶事件。在隨后的加熱過程中,TSP溶液的融點(diǎn)溫度沒有顯著變化。作為對(duì)照,1%PEG和1%PVA的ΔTf分別為-2.78和-8.52 ℃,而Tm比空白組略低。

a-凍結(jié)行為;b-融化行為圖6 TSP水溶液的DSC分析Fig.6 DSC analysis of TSP aqueous samples

表3 樣品溶液的熱力學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Summary of thermodynamic data of samples

3 討論

為發(fā)展高品質(zhì)冷凍食品,長期以來,科學(xué)界一直關(guān)注于合成的小分子抗凍劑,但天然來源的多糖大分子提供了生物相容的替代性選擇。利用天然多糖抑制冰晶生長(重結(jié)晶)的研究一直在持續(xù),但很少具有可觀的抗凍活性[12],仍需持續(xù)發(fā)掘自然界中具有顯著抗凍能力的食品多糖資源,并進(jìn)一步理解其發(fā)揮抗凍活性的潛在機(jī)理。

在本研究中,SEC-MALLS結(jié)果初步顯示TSP在溶液中具有濃度依賴性構(gòu)象變化,可能是因?yàn)榉肿幼跃奂袨樗耓21],這種復(fù)雜的溶液行為可能會(huì)影響其冷凍保護(hù)活性。冰重結(jié)晶抑制試驗(yàn)采用高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(49%)蔗糖體系可以避免假陽性[16],其產(chǎn)生低冰相分離的冰晶可以進(jìn)一步定量冰晶生長的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),為TSP應(yīng)用于冷凍甜品提供了更為精確的研究模型。結(jié)果顯示,TSP具有優(yōu)良的冰晶生長抑制能力,且活性受濃度變化影響。值得注意的是,TSP和合成聚合物PVA相比,活性較低,但和其他已報(bào)道的具有抗凍活性的天然多糖如卡拉膠[6]、瓜爾膠和納米纖維素[8]等相比,TSP表現(xiàn)出較高的競爭潛力。和生物低溫保存不同,一些食品應(yīng)用如冰淇淋等需要小冰晶賦予產(chǎn)品理想的口感,因此可以認(rèn)為TSP用于冰淇淋等冷凍甜品的新型抑冰劑具有較大潛力。

冰重結(jié)晶動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)顯示在實(shí)際應(yīng)用中多糖濃度篩選的重要性,如在當(dāng)前條件下,0.25%TSP(而非0.5%)顯示最高的冰重結(jié)晶抑制活性。這種濃度依賴性但非持續(xù)性增加的活性變化也提示我們進(jìn)一步探索TSP抑制冰晶生長的潛在作用機(jī)制。LI等[8, 22]研究發(fā)現(xiàn),多糖類穩(wěn)定劑的冰重結(jié)晶抑制活性與未凍結(jié)相中穩(wěn)定劑濃度和冰晶總表面積的比值相關(guān),且顯示時(shí)間依賴性冰晶表面覆蓋,為多糖類大分子的冰結(jié)合機(jī)制提供了有力證據(jù)。顯然,當(dāng)前研究結(jié)果也表明TSP的溶液黏度與冰重結(jié)晶抑制活性并不相關(guān),且TSP顯示一定(較弱)的冰晶形貌修飾活性,這些結(jié)果支持了多糖與冰晶相互作用的推測(cè)。因此,當(dāng)多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.5%時(shí),TSP進(jìn)入不同的鏈糾纏狀態(tài)或自聚集趨于更加緊密的結(jié)構(gòu),可能改變了與冰晶表面的結(jié)合行為(相互作用可及性降低),導(dǎo)致活性略有降低。然而,當(dāng)前結(jié)果并未排除由于未凍結(jié)相冷凍濃縮而凝膠化的影響。

此外,重結(jié)晶過程中的冰晶大小也受到初始成核行為的影響。盡管采用DSC測(cè)定溶液凍結(jié)溫度存在一些預(yù)期的隨機(jī)變化,但總體趨勢(shì)非常明顯。TSP對(duì)非均相成核溫度具有一定的抑制效應(yīng),但不呈線性濃度依賴性增大。基于Gibbs-Thomson效應(yīng),凍結(jié)溫度降低可以解釋為聚合物與冰晶相互作用誘導(dǎo)形成曲率的結(jié)果[23]。PVA可以與冰晶表面特定的氫鍵結(jié)合,具有較強(qiáng)的凍結(jié)溫度抑制能力,但TSP與冰晶表面的弱相互作用似乎不足以解釋其有效的凍結(jié)溫度抑制能力。因此,TSP抑制冰晶生長(重結(jié)晶)可能存在更加復(fù)雜的作用機(jī)制。此外,TSP在測(cè)試濃度范圍內(nèi)未顯示任何玻璃化轉(zhuǎn)變或冷結(jié)晶事件,表明在當(dāng)前測(cè)試質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1.5%時(shí)不會(huì)通過玻璃化食品系統(tǒng)發(fā)揮冷凍保護(hù)作用。

水化動(dòng)力學(xué)對(duì)碳水化合物基抗凍劑具有非常重要的意義[24],大多數(shù)親水性多糖與水分子的相互作用會(huì)擾動(dòng)水的氫鍵網(wǎng)絡(luò),從而影響水的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。CHEN等[25]通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究表明,吸附在TSP周圍的水分子擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于體相水(僅相當(dāng)于體相水的15%)。因此,不難推測(cè)TSP水合會(huì)影響體相水分子到冰/水界面(準(zhǔn)液層)擴(kuò)散的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)[24-25],從而影響冰的生長和重結(jié)晶。從這點(diǎn)來說,濃度增大導(dǎo)致活性降低可能與分子聚集增加了局部的脫水合作用有關(guān)。然而,目前尚缺乏多糖類大分子與冰晶表面相互作用以及通過水氫鍵網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)抑制冰晶生長的直接證據(jù),需要進(jìn)一步的工作來確證并闡明其分子和原子細(xì)節(jié)。

4 結(jié)論

本研究系統(tǒng)評(píng)估了TSP的冰晶生長抑制效率。 結(jié)果表明,TSP具有優(yōu)良的冰重結(jié)晶抑制活性,其中0.25%TSP對(duì)冰重結(jié)晶的抑制效果最好。單冰晶形貌變化暗示TSP與冰晶表面可能存在較弱的相互作用,量熱分析顯示TSP具有一定的冰點(diǎn)抑制效應(yīng)而對(duì)融點(diǎn)沒有顯著影響。推測(cè)TSP的抑冰機(jī)理可能和其與冰晶表面的弱相互作用和水化動(dòng)力學(xué)有關(guān),但仍需進(jìn)一步證據(jù)確證并闡明其作用的分子和原子細(xì)節(jié)?？偟膩碚f,利用天然TSP作為新型食品抑冰劑具有巨大潛力,但目前針對(duì)大分子抗凍劑的活性和實(shí)際應(yīng)用效果的聯(lián)系仍未得到充分理解,需在實(shí)際食品體系中進(jìn)一步研究。