Apri la porta del congelatore e lì, modo nella parte posteriore, potrebbe essere una vecchia scatola di gelato con punte di ghiaccio in crescita. O una lasagna ghiacciata dimenticata ricoperta di cristalli ghiacciati. Oppure essiccamento delle superfici della carne se non ben coperte.

La gente a volte chiama questo fenomeno "bruciatura da congelamento, " e succede quando minuscoli cristalli di ghiaccio sulla superficie del cibo evaporano direttamente in vapore senza prima passare attraverso la fase liquida dell'acqua, un processo scientificamente chiamato sublimazione. Questa perdita di umidità può lasciare gli strati superficiali del cibo secchi e scoloriti.

Come scienziato alimentare, Chiamo la formazione iniziale del ghiaccio superficiale "ricristallizzazione del ghiaccio" e studio i modi per rallentarla.

La ricristallizzazione del ghiaccio danneggia e distrugge le cellule organiche, le più piccole unità viventi presenti negli animali e nelle piante. È un problema tanto quando si conservano le colture alimentari raccolte o i materiali di ricerca biomedica, come le colture cellulari, quanto lo è per la conservazione di pizza o piselli surgelati, e può portare a molti sprechi.

Esistono sostanze artificiali che prevengono questo tipo di danno da ghiaccio, ma pochi di loro sono sicuri da mangiare. Quindi, insieme ai colleghi scienziati dell'Università del Tennessee e dell'Oak Ridge National Laboratory, Lavorerò per i prossimi tre anni sotto i 550 dollari, 000 sovvenzione della National Science Foundation per identificare opzioni sicure "a base biologica":materiali già trovati in natura, comprese le sostanze derivate dal naturale processo di digestione umana quando il cibo viene consumato.

Come avviene la ricristallizzazione del ghiaccio?

L'industria alimentare utilizza il "congelamento rapido" per evitare la formazione di grandi cristalli di ghiaccio negli alimenti congelati. Questo processo comporta l'esposizione degli alimenti molto rapidamente a una bassa temperatura e un'elevata velocità di movimento dell'aria, che fa congelare il cibo in una massa di numerosi piccoli cristalli. I cristalli piccoli sono molto meno dannosi per la materia congelata rispetto a quelli grandi.

Il problema inizia dopo che questi alimenti vengono spostati nei normali congelatori per la conservazione, compresi i congelatori domestici. La funzione di sbrinamento automatico in tali unità prevede l'accensione e lo spegnimento del compressore più volte al giorno, abbassare e alzare la temperatura per prevenire la formazione di ghiaccio. Questa fluttuazione scioglie parzialmente il ghiaccio nel cibo e poi lo ricongela, un processo che può creare cristalli di ghiaccio più grandi e dannosi.

Questi cambiamenti possono rendere il cibo nel migliore dei casi sgradevole:chi non ha sopportato di mangiare verdure bruciate nel congelatore o una bevanda acquosa, fragola scongelata? – e nel peggiore dei casi inutilizzabile.

Secondo un recente studio del ricercatore del sistema alimentare del College of William &Mary Zach Conrad, spesa totale per il cibo negli Stati Uniti per persona al giorno, tra il 2001 e il 2016, era di $ 13,27, e $ 3,62 di quella spesa, o 27%, era cibo sprecato.

Conrad ha scoperto che solo l'1,4% di quei rifiuti riguardava alimenti congelati, pari a circa 5 cent a persona al giorno, o $ 18,25 all'anno. Ma quei nichelini si sommano a oltre 5,89 miliardi di dollari di cibo congelato sprecato ogni anno.

Quindi, mentre il mercato dei surgelati continua a crescere, l'importanza di ridurre al minimo o prevenire i danni da ghiaccio diventa evidente.

Prevenire la crescita del ghiaccio con sostanze artificiali

Le sostanze chimiche sintetiche che impediscono la ricristallizzazione del ghiaccio tendono ad essere tossiche per gli organismi viventi, quindi la loro utilità per la protezione degli alimenti è molto limitata. Attraverso il suo lungo e rigoroso processo di revisione, la Food and Drug Administration degli Stati Uniti ha approvato un polimero artificiale chiamato alcol polivinilico, o PVA, sicuro per l'uso in materiali di imballaggio alimentare, ma non come additivo alimentare.

Il PVA viene utilizzato industrialmente per prevenire la ricristallizzazione del ghiaccio in sostanze come cemento e calcestruzzo, così come quando si congelano le cellule umane, tessuti e organi per conservarli per trapianti e usi biotecnologici.

Ci sono anche composti "semi-sintetici", così etichettati perché sono prodotti alterando materiali naturali, che promettono di arginare i danni del ghiaccio. Comprendono sostanze chiamate glicopolimeri e poliamfoliti, che sono stati segnalati per inibire la ricristallizzazione del ghiaccio, preservare le cellule e aumentare la vitalità cellulare. Molti di questi composti sono nelle prime fasi di ricerca e sviluppo, e non ancora utilizzato commercialmente. La loro sicurezza per l'uso negli alimenti deve ancora essere dimostrata o approvata.

Un'alternativa più sicura:soluzioni a base biologica

Cerco alternative ai materiali sia sintetici che semisintetici che sono a base biologica, ovvero, a base di sostanze già presenti nell'uomo, animali e piante, e attraverso processi biologici naturali. Credo che queste soluzioni a base biologica siano opzioni particolarmente promettenti perché non comportano manipolazioni innaturali.

Ad esempio, per l'industria della lavorazione delle uova, Ho scoperto come utilizzare peptidi naturali derivati ​​dalle uova - brevi stringhe di amminoacidi presenti anche nelle nostre viscere - per prevenire danni causati dal congelamento ai tuorli d'uovo, piuttosto che aggiungere sale o zucchero al tuorlo prima del congelamento.

Con la nostra sovvenzione della National Science Foundation, il mio team sta ricercando sostanze che imitano le funzioni delle proteine ​​antigelo presenti nei pesci d'acqua fredda o nelle piante tolleranti al freddo, che inibiscono la ricristallizzazione del ghiaccio e prevengono la crescita del ghiaccio nei loro tessuti interni.

Una sfida è che queste molecole proteiche antigelo sono presenti in natura in concentrazioni molto basse. Ciò li rende molto costosi da estrarre dagli organismi e produrli su scala industriale.

Stiamo conducendo ricerche su peptidi derivati ​​da proteine ​​alimentari sia comuni che uniche, come la soia, latticini, pesce, carne e insetti. Grazie alla ricerca di Srinivasan Damodaran dell'Università del Wisconsin, sappiamo già che i piccoli peptidi della gelatina di pesce e le proteine ​​del collagene bovino sono efficaci nel prevenire la ricristallizzazione del ghiaccio nel gelato. Questo potere dei peptidi varia notevolmente a seconda della proteina di origine, però, quindi stiamo indagando le ragioni di queste differenze.

Man mano che impariamo di più su questi peptidi e su come produrli su scala commerciale, Credo che possano essere utili in diversi settori, dal miglioramento della qualità degli alimenti surgelati, aumentare la resistenza delle colture agricole alle temperature di congelamento, per preservare meglio cellule e tessuti, e anche in usi come lo sbrinamento di strade e aerei.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.