华南理工大学孙大文院士：将耐寒动物仿生抗冻策略引入食品冷冻工业

近日，华南理工大学孙大文院士在食品领域国际期刊Food Hydrocolloids（IF = 9.147）在线发表题为“Bio-inspiredeutectogelsenabled by binary natural deep eutectic solvents (NADESs):Interfacial anti-frosting, freezing-tolerance, and mechanisms”的研究型论文，初步探索了二元天然深共晶溶剂（NADESs）实现的仿生共晶凝胶在食品冷冻工业界面抗冻/抗霜方面的可应用性。该研究揭示了共晶凝胶“吸附-抑制”的抗冻机理，进一步证实了基于NADESs的仿生共晶凝胶在食品冷冻工业界面抗冻/抗霜方面的巨大应用潜力。华南理工大学孙大文院士为本文唯一通讯作者。

成果介绍：

迄今，商业冷冻食品已有140多年的历史。然而，食品冷冻工业中的积冰积霜问题一直是制约行业进一步发展的难题。在食品冷冻和后续的冻藏过程中，设备表面严重的积冰积霜将导致设备传热效率下降，制冷量降低和能耗升高。此外，抛开工程问题本身，冷冻食品的质量也会相应大幅下降。当前，诸如超疏水、注液自润滑表面等被动界面抗冻材料已得到学界广泛关注，但由于该类材料成品或制备过程中涉及的有毒有害成分可能引发有关食品安全的关切。因此，食品冷冻工业迫切需要一种由完全满足食品安全的原材料所构建的界面抗冻材料，用以解决食品冷冻工业中面临的积冰积霜问题。

受耐寒动物启发的仿生抗冻策略有望解决上述问题。NADESs特指一大类天然生物代谢物的复合物，主要单体组分包括糖、有机酸、多元醇和胆碱衍生物，其广泛存在于一些耐寒性动植物体内。各单体组分本身可作为氢键供体或氢键受体参与体系氢键缔合，当以特定摩尔比例混合时，强烈的电荷离域作用将大幅降低混合体系的共晶点，使NADESs在常温甚至是极端低温下亦能呈现液态。该团队早先的研究（https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.131150）表明，NADESs是一种有效的温度响应型界面抗冻剂。当体系温度下降时，NADESs将形成更强健的氢键超分子网络，从而有效限制水分子的迁移与定向重排，使得过冷水难以参与形成晶核。

受树蛙、白蚯蚓等耐寒生物启发，本研究首先制备了包括Pro:Glc (5:3)、Pro:Glc (1:1)和Pro:Sor (1:1)在内的三种二元NADESs，与海藻酸钠共混后，经液态浇铸与离子置换诱导交联得到具有夹层结构的二维平面共晶凝胶（PG53、PG11和PS11）。研究者对共晶凝胶进行了包括静态接触角、FTIR、XPS、表面3D形貌、机械特性、吸湿特性等在内的基本表征，重点考察了共晶凝胶的低温耐受性和在极端条件下的界面抗霜能力。通过对共晶凝胶的临界吸附湿度与极端温度波动循环下的热力学特性的研究，提出并证实了共晶凝胶“吸附-抑制”的抗冻机理。结果表明，PS11在极端模拟环境下（-20℃、90% RH）表现出最好的界面抗霜能力，2小时后的霜覆盖面积仅为36.31%。在商业冷柜中的放大实验进一步显示，PS11表面在一周后仍几乎无霜覆盖，个别肉眼可见的霜晶仍处于最早期的晶体生长阶段。表面形貌结果证实，PS11优异的抗霜能力得益于其更加粗糙且具有更多、更尖锐的山峰状的表面结构为其提供了更大的有效水分捕获面积。梯度吸湿实验证实，共晶凝胶具有更低的临界吸附湿度（49% RH ~ 55%RH），使其可以更加有效地捕获环境水分。此外，处于平衡吸湿的共晶凝胶在20℃~ -80℃的循环温度波动测试下仅发生玻璃态转变（Tg:-58.6°C ∼ -50.5°C），表明共晶凝胶捕获的水分被牢牢锁在体系内，且在极端低温下无法冻结。

该研究初步探索了二元NADESs实现的仿生共晶凝胶在食品冷冻工业界面抗冻/抗霜方面的可应用性，揭示了共晶凝胶“吸附-抑制”的抗冻机理，为仿生界面抗冻材料在食品冷冻工业上的应用提供了一种更加绿色、安全、环境友好的策略。

附 图：

图文摘要

图1. 基于NADESs的共晶凝胶的制备流程

图2：共晶凝胶的层厚及截面结构表征

图3：共晶凝胶的外观、静态接触角及红外光谱信息

图4：共晶凝胶在极端条件下的界面抗霜能力

图5：共晶凝胶的表面3D形貌解析

图6：共晶凝胶的机械特性及其低温耐受性

图7：共晶凝胶的吸湿特性

图8：共晶凝胶在极端温度波动循环下的热力学特性

参考文献：

https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.107568

专家简介：

孙大文（Da-Wen Sun），中国致公党中央委员，中国侨联特聘专家，国务院侨务办公室专家咨询委员会委员。欧洲科学院（欧洲人文和自然科学院）院士，爱尔兰皇家科学院院士，波兰科学院院士，国际食品科学院院士，国际农业与生物系统工程科学院院士，国际制冷科学院院士。国际著名期刊《Food andBioprocess Technology》创刊者和主编。

荣获国际农业与生物系统工程委员会（CIGR）杰出奖，英国皇家机械工程师学会“食品工程师年度人物”，凤凰卫视“影响世界华人大奖”，国际食品保护协会“冷冻食品基金会冷冻研究奖”，国际工程与食品协会终身成就奖，“CIGR荣誉主席”等多项国际大奖， 2015年至2021年连续七年荣获科睿唯安全球“高被引科学家”称号。位居全球排名10万以内的顶尖科学家名单第514位。

在世界著名杂志和国际会议上发表了1000篇论文，出版专著17部，共有600多篇论文被SCI收录（Web of Science统计的学术h指数为106，SCOPUS统计的学术h指数为115，Google Scholar 统计的学术h指数为132）。71篇论文入选ESI农学“高被引论文”，全球排名第一位（2020.01）。

2011年底起回到华南理工大学工作以来，迄今为止（2020年11月）在Web of Science网站上可以检索到的文章中，共有209篇是以华南理工大学食品科学与工程学院作为第一作者单位的论文，其中高被引论文42篇，JCR一区论文157篇，影响因子大于6的65篇。高被引论文数占华南理工大学全校和食品科学与工程学院的比例分别为14%和45%。其中2篇入选中国百篇最具影响国际学术论文，为华南理工大学唯一入选的两篇论文。

授权中国发明专利63件，美英日等发明专利10件，申请国际PCT专利9项。2019年至2021年连续两年每年培养科睿唯安全球“高被引科学家”2人。荣获2014年度广东省科学技术奖一等奖（排名第二），2016年度教育部科技进步奖二等奖（排名第一），2018年度中国轻工业联合会科学技术进步奖一等奖（排名第二），2018年度广东省科技进步奖一等奖（排名第一），2020年度安徽省科技进步奖二等奖（排名第三）。

编辑/责编：张睿梅

为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在宁波和西宁成功召开前两届“动物源食品科学与人类健康国际研讨会”的基础上，将与郑州轻工业大学、河南农业大学、河南工业大学、河南科技学院、许昌学院于2022年5月7-8日在河南郑州共同举办“2022年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。欢迎相关专家、学者、企业家参加此次国际研讨会。