Open de deur van de vriezer en daar, helemaal achterin, kan een oude doos ijs zijn met ijspieken. Of een vergeten bevroren lasagne bedekt met ijskristallen. Of het drogen van vleesoppervlakken als ze niet goed bedekt zijn.

Mensen noemen dit fenomeen soms "diepvriesbrand, " en het gebeurt wanneer kleine ijskristallen op het voedseloppervlak direct in damp verdampen zonder eerst door de vloeibare waterfase te gaan - een proces dat wetenschappelijk sublimatie wordt genoemd. Dit vochtverlies kan de oppervlaktelagen van het voedsel uitdrogen en verkleuren.

Als voedingswetenschapper Ik noem de initiële ijsvorming aan het oppervlak "herkristallisatie van ijs" en bestudeer manieren om het te vertragen.

Herkristallisatie van ijs beschadigt en vernietigt organische cellen - de kleinste levende eenheden die in dieren en planten worden aangetroffen. Het is net zo'n probleem bij het bewaren van geoogste voedselgewassen of biomedische onderzoeksmaterialen - zoals celculturen - als voor het bewaren van diepvriespizza's of erwten, en kan tot veel afval leiden.

Er zijn kunstmatige stoffen die dit soort ijsschade voorkomen, maar weinigen van hen zijn veilig om te eten. Dus samen met collega-wetenschappers van de Universiteit van Tennessee en Oak Ridge National Laboratory, Ik werk de komende drie jaar onder een $550, 000 subsidie ​​van de National Science Foundation om veilige "biogebaseerde" opties te identificeren - materialen die al in de natuur worden gevonden, inclusief stoffen die zijn afgeleid van het natuurlijke menselijke verteringsproces wanneer voedsel wordt geconsumeerd.

Hoe vindt herkristallisatie van ijs plaats?

De voedingsindustrie gebruikt "blast freeze" om de vorming van grote ijskristallen in bevroren voedsel te voorkomen. Dit proces houdt in dat voedsel zeer snel wordt blootgesteld aan een lage temperatuur en een hoge mate van luchtverplaatsing, waardoor het voedsel bevriest tot een massa van talrijke kleine kristallen. Kleine kristallen zijn veel minder schadelijk voor bevroren materie dan grote.

Het probleem begint nadat deze voedingsmiddelen zijn verplaatst naar gewone vriezers voor opslag, inclusief thuisvriezers. De automatische ontdooifunctie in dergelijke units houdt in dat de compressor meerdere keren per dag wordt in- en uitgeschakeld, verlagen en verhogen van de temperatuur om ijsvorming te voorkomen. Deze fluctuatie smelt het ijs in het voedsel gedeeltelijk en bevriest het vervolgens opnieuw, een proces dat grotere en meer schadelijke ijskristallen kan creëren.

Deze veranderingen kunnen voedsel op zijn best onverteerbaar maken - wie heeft het niet verdragen van het eten van in de vriezer gebrande groenten of een waterige, ontdooide aardbei? – en in het slechtste geval onbruikbaar.

Volgens een recente studie van Zach Conrad, onderzoeker op het gebied van voedselsystemen van het College of William &Mary, totale uitgaven aan voedsel in de Verenigde Staten per persoon per dag, tussen 2001 en 2016, was $ 13,27, en $ 3,62 aan die uitgaven, of 27%, was weggegooid voedsel.

Conrad ontdekte dat slechts 1,4% van dat afval bevroren voedsel was, ongeveer 5 cent per persoon per dag, of $ 18,25 per jaar. Maar die stuivers vormen samen meer dan $ 5,89 miljard aan verspild bevroren voedsel per jaar.

Dus terwijl de markt voor diepvriesproducten blijft groeien, het belang van het minimaliseren of voorkomen van ijsschade wordt duidelijk.

IJsgroei voorkomen met kunstmatige stoffen

De synthetische chemicaliën die herkristallisatie van ijs voorkomen, zijn meestal giftig voor levende organismen, dus hun nut voor het beschermen van voedsel is zeer beperkt. Via het langdurige en rigoureuze beoordelingsproces, de Amerikaanse Food and Drug Administration heeft een kunstmatig polymeer goedgekeurd, genaamd polyvinylalcohol, of PVA, als veilig voor gebruik in voedselverpakkingsmaterialen, maar niet als voedseladditief.

PVA wordt industrieel gebruikt om herkristallisatie van ijs in stoffen zoals cement en beton te voorkomen, evenals bij het invriezen van menselijke cellen, weefsels en organen om ze te bewaren voor transplantatie en biotechnologische toepassingen.

Er zijn ook "semi-synthetische" verbindingen - zo gelabeld omdat ze zijn gemaakt door natuurlijk voorkomende materialen te veranderen - die veelbelovend zijn voor het terugdringen van ijsschade. Ze omvatten stoffen die glycopolymeren en polyamfolyten worden genoemd, waarvan is gemeld dat ze de herkristallisatie van ijs remmen, behouden cellen en verhogen de levensvatbaarheid van de cellen. Veel van deze verbindingen bevinden zich in de vroege stadia van onderzoek en ontwikkeling, en nog niet commercieel gebruikt. Hun veiligheid voor gebruik in voedsel moet nog worden aangetoond of goedgekeurd.

Een veiliger alternatief:Biobased solutions

Ik onderzoek alternatieven voor zowel synthetische als semi-synthetische materialen die biogebaseerd zijn, dat wil zeggen, op basis van stoffen die al bij mensen worden aangetroffen, dieren en planten, en door natuurlijke biologische processen. Ik geloof dat deze biobased oplossingen vooral veelbelovende opties zijn omdat er geen onnatuurlijke manipulatie bij komt kijken.

Bijvoorbeeld, voor de eierverwerkende industrie, Ik ontdekte hoe ik natuurlijke peptiden die zijn afgeleid van eieren - korte ketens van aminozuren die ook in onze ingewanden worden aangetroffen - kan gebruiken om door bevriezing veroorzaakte schade aan eidooiers te voorkomen, in plaats van zout of suiker aan de dooier toe te voegen voor het invriezen.

Onder onze National Science Foundation subsidie, mijn team doet onderzoek naar stoffen die de functies nabootsen van de antivries-eiwitten die worden aangetroffen in koudwatervissen of koudetolerante planten, die ijsherkristallisatie remmen en ijsgroei in hun interne weefsels voorkomen.

Een uitdaging is dat deze antivries-eiwitmoleculen in de natuur in zeer lage concentraties aanwezig zijn. Dit maakt het erg kostbaar om ze uit organismen te extraheren en op industriële schaal te produceren.

We doen onderzoek naar peptiden die zijn afgeleid van zowel gewone als unieke voedingseiwitten, zoals sojabonen, zuivel, vis, vlees en insecten. Dankzij onderzoek door Srinivasan Damodaran van de Universiteit van Wisconsin, we weten al dat kleine peptiden uit visgelatine en rundercollageeneiwitten effectief zijn in het voorkomen van herkristallisatie van ijs in ijs. Deze kracht van peptiden varieert sterk, afhankelijk van het broneiwit, echter, daarom onderzoeken we de redenen voor deze verschillen.

Naarmate we meer leren over deze peptiden en hoe we ze op commerciële schaal kunnen produceren, Ik denk dat ze nuttig kunnen zijn in verschillende sectoren, van het verbeteren van de kwaliteit van diepvriesproducten, het verhogen van de weerstand van landbouwgewassen tegen vriestemperaturen, om cellen en weefsels beter te bewaren, en zelfs in toepassingen zoals het ontdooien van wegen en vliegtuigen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.