Food science, food industrial technology on blog

เคยสงสัยกันบ้างไหมครับว่าบรรดาสิ่งมีชีวิตที่อยู่ตามขั้วโลกไม่ว่าจะเป็น ปลา, แมลง, จุลินทรีย์ มีกลไกในการป้องกันการแข็งตัวของระบบลำเลียงสารภายในร่างกายได้อย่างไร หลายคนก็อาจจะตอบได้ว่า ถ้าเป็นพวกปลากระดูกแข็งส่วนใหญ่ ที่เป็นสัตว์เลือดเย็นที่อุณหภูมิของร่างกายผันตามสิ่งแวดล้อม ส่วนบรรดาปลากระดูกอ่อนเช่น ฉลาม ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นสัตว์เลือดอุ่น ก็มีวิธีในการทำให้ร่างกายอบอุ่นคือ มันจะว่ายน้ำตลอดเวลาและว่ายเร็วด้วยเพื่อเร่งการเผาผลาญ ทำให้ร่างกายอุ่นขึ้น..  ในขณะที่บรรดาหมีก็จะมีชั้นไขมัน+ไขมัน, ส่วนเพนกวิน, แมวน้ำ, วอลลัสก็จะมีชั้นไขมันที่หนาเตอะ นั่นก็ถูกครึ่งหนึ่งครับ ทีนี้ลองมาดูระบบเลือดของสัตว์เขตหนาว ในน้ำเลือด หรือ พลาสมา มีองค์ประกอบเป็นน้ำมากกว่า 90% ที่เหลือก็จะเป็นแร่ธาตุต่างๆ แล้วอุณหภูมิเยือกแข็งก็ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเสียด้วย แล้วเราๆท่านๆก็คงจะทราบกันดีนะครับว่า น้ำบริสุทธิ์มีอุณหภูมิจุดเยือกแข็ง 0^oC และจะต่ำกว่านี้ได้..ถ้ามีองค์ประกอบของแร่ธาตุอื่นๆปะปนอยู่ด้วย

ที่ผิวหน้าของผิวน้ำ อาจจะปกคลุมด้วยน้ำแข็งหนา แต่ใต้แผ่นน้ำแข็งนั้นอาจจะไม่ได้แข็งตัวตามไปด้วย โดยอุณหภูมิของน้ำอาจจะอยู่ราวๆ -2^oC เท่านั้น แต่ๆๆ ถ้าเราใช้คอมมอนเซนส์ อุณหภูมิจุดเยือกแข็งของเลือดในสัตว์เหล่านั้นไม่น่าจะต่ำไปกว่าอุณหภูมิของน้ำทะเลที่เต็มไปด้วยเกลือ อ้าวว..แล้วอะไรคือ กุญแจในการเอาตัวรอดละครับ

มารู้จักกับ  Antifreeze protein กัน

Antifreeze protein หรือ Ice structuring proteins[1]  คือหัวใจสำคัญของการที่เลือดไม่แข็งตัว ภายใต้สภาวะเย็นยะเยือก โดยประเภทของ Antifreeze protein นั้นแบ่งตามโครงสร้าง และองค์ประกอบก็จะแบ่งได้เป็น 5 กลุ่ม องค์ประกอบหลักๆของ Antifreeze protein ก็จะเป็น กรดอะมิโนพวกอะลานีน (Alanine), ธรีโอนีน(Threonine), แอสปาร์ติค(Aspartic) และในบางประเภทจะมีแป้งเป็นองค์ประกอบด้วย เราเรียกกลุ่มที่มีแป้งเป็นองค์ประกอบว่า Glycoprotein ในส่วนนี้ใครอยากทำความเข้าใจลึกกว่านี้ ก็ลองเข้าไปอ่านใน wiki เอานะจ๊ะ โครงสร้างของบรรดา Antifreeze protein เหล่านี้จะเป็นเกลียว ซึ่งมีความสเถียรมาก แล้วด้วยความที่เป็นโปรตีนจึงมีสมบัติความเป็น amphipathic คือมีทั้งส่วนชอบน้ำ และไม่ชอบน้ำ

กลไกในการทำงานของ Antifreeze protein คือการทำให้โครงร่างผลึกน้ำแข็งไม่เกาะเกี่ยวกันเป็นตาข่ายร่างแหใหญ่จนไปทิ่มแทงเซลล์ให้ได้รับการบาดเจ็บ ใครเคยอาบน้ำเย็นจัดๆ หรือ กระโดดลงสระน้ำเย็นๆบ้าง เราจะรู้สึกเหมือนกับว่า ข้างในผิวหนังเราเหมือนมีเข็มทิ่มใ่ช่ไหมครับ นั่นก็เพราะของเหลวภายในร่างกายที่แข็งตัว มันทิ่มแทงเซลล์ภายในร่างกายเรานั่นเอง

นอกเรื่องไปไกลพอสมควร.. ตอนแรกผมคิดเหมือนกันนะว่า การที่เลือดไม่แข็งตัวเนี่ยมันเกี่ยวกับสมบัติคอลลิเกทีฟของสารละลายหรือเปล่า ซึ่งที่จริงแล้วไม่เกี่ยวเลย! การแข็งตัวของเลือดก็ยังเกิดขึ้นตามปกติ แต่แทนที่มันจะเกาะเกี่ยวกันเป็นผลึกน้ำแข็งขนาดใหญ่ก็ไม่เกิดขึ้น เพราะจะมี Antifreeze protein คอยมากั้นกลาง ทำให้ขนาดของผลึกน้ำแข็งในเลือดไม่แผ่อาณาเขตเป็นผลึกขนาดใหญ่ เมื่อเราเอามาส่องด้วยกล้ิองกำลังขยายสูงๆ จะพบว่า สารละลาย(หรือเลือด)ที่มีAntifreeze protein จะมีขนาดของผลึกที่เล็ก และเกิดละเอียดมาก

ทำไมผลึกน้ำแข็งเมื่อเจอกับ Antifreeze protein ถึงมีขนาดเล็กล่ะ? จากภาพข้างบน ผลึกน้ำแข็งจะอยู่ในลักษณะปีรามิดสองด้าน เพราะว่าแต่ละเซลล์นั้นไม่สามารถที่จะรวมกันเป็นผลึกขนาดใหญ่ได้นั่นเอง  ตรงนี้..ผมพยายามจะอธิบายให้เข้าใจง่ายที่สุดนะครับ

กลไกการเกิดผลึกปีรามิดสองด้าน ก็จะไปตามภาพประกอบทางขวามือ โดย Antifreeze prote ที่อยู่กระจายตัวกันไปจับบริเวณขอบแนวหน้าของผลึกน้ำแข็ง เฉพาะที่ขยายตัวออกมาในแนวนอน บรรดา Antifreeze protein (หกเหลี่ยมสีเทาๆ) เนี่ยนะจะมีลักษณะเป็นเกลียว ผมไม่รู้ว่าจะวาดยังไง ก็เลยวาดเป็นหกเหลี่ยม ติดๆกันไปซะเลย..

ผลึกน้ำแข็งจะค่อยๆโตขึ้นๆ โดยปกติแล้วในการโตของผลึก จะมีขยายออกไปในแนวเดียวเท่านั้น แต่เมื่อไปชนกับ Antifreeze protein ก็จะเกิดการยึดเหนี่ยวกัน ทำให้ มันโตต่อไปในแนวเดิมไม่ได้ ทีนี้ทำยังไงละครับ เมื่อไปทางเดิมไม่ได้ ผลึกน้ำแข็งมันก็เลยต้องป่องออกทางข้างแทน จนในที่สุดจะเกิดเป็นผลึกน้ำแข็งที่เป็นทรงปีรามิด และในที่สุดไปต่อไม่ได้ ผลึกน้ำแข็งก็จะหยุดขยายอาณาเขตออกไป

ซึ่งถ้าเป็นแข็งตัวของน้ำบริสุทธิทั่วๆไป ผลึกน้ำแข็งจะโตไปเรื่อยๆไม่สิ้นสุด แล้วการที่ทำให้แข็งตัวช้าๆ ก็ยังทำให้ผลึกน้ำแข็งมีขนาดใหญ่ สะเปะสะปะกว่าการแช่แข็งแบบเร็ว ทีนี้ถ้าเราเปรียบเทียบระหว่าง Antifreeze protein ที่พบในแมลงบ้าง จะพบว่ามี  Antifreeze protein activity สูงกว่าในปลาถึง10 เท่าเลยนะครับ[2]

เปรียบเทียบขนาดของโครงร่างผลึกน้ำแข็งปกติ กับ ผลึกที่มี Antifreeze protein ร่วมด้วย

(AFPคือ Antifreeze protein นะจ๊ะ)

การใช้ Antifreeze protein กับอาหาร

มีรายงานการใช้ Antifreeze protein กับไอศครีม[3] เพื่อปรับปรุงลักษณะเนื้อสัมผัส ตัวอย่างไอศครีมจะถูกแช่แข็งที่อุณหภูมิ -80^oC จากนั้นก็จะนำไปเก็บที่อุณหภูมิระหว่าง -6 ถึง-8 ^oC เพื่อทำการศึกษาการเปลี่ยนแปลงการตกผลึกซ้ำในเวลา 1ชั่วโมง โดยผลของการศึกษาพบว่าไอศครีมที่มี Antifreeze protein จะมีขนาดของผลึกน้ำแข็งเล็กกว่าอย่างเ็ห็นได้ชัด

ในอีกการศึกษาหนึ่ง[4] มีการฉีด Antifreeze protein ในปริมาณ 0.01mg/kg เข้าสู่เนื้อแกะก่อนการฆ่า 1 หรือ 24ชั่วโมง เพื่อศึกษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์แกะสดแช่แข็งที่เก็บรักษาที่อุณหภูมิ -20^oC เป็นเวลา 2-16สัปดาห์ โดยผลการทดลองที่ได้พบว่าจ้ำเลือด และขนาดผลึกมีขนาดเล็กลงอย่างเห็นได้ชัด

เอกสารอ้างอิงเพิ่มเติม

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Antifreeze_protein
2. Graham, L.A., Yih-Cheung, L., Walker, V.K. and Davies, P.L.(1997) `Hyperactive Antifreeze Protein from Beetles' in Nature388, 727±728
3. Warren, C.J., Mueller, G.M. and McKown, R.L. (1992) `Ice Crystal Growth Suppression Polypeptides and Methods of Preparation'. US Patent 5 118, 792
4. Payne, S.R. and Young O.A., (1995) `Effects of Pre-slaughter Administration of Antifreeze Proteins on Frozen Meat Quality' in Meat Sci. 41, 147-155