Öppna frysdörren och där, långt bak, kan vara en gammal kartong med glass som växer ispiggar. Eller en bortglömd frusen lasagne täckt av isiga kristaller. Eller torkning av köttytor om de inte är väl täckta.

Folk kallar ibland detta fenomen "frysbränna, " och det händer när små iskristaller på matens yta avdunstar direkt till ånga utan att först gå igenom den flytande vattenfasen - en process som vetenskapligt kallas sublimering. Denna fuktförlust kan lämna matens ytskikt uttorkade och missfärgade.

Som livsmedelsforskare, Jag kallar den initiala isbildningen på ytan "isrekristallisation" och studerar sätt att bromsa den.

Isomkristallisering skadar och förstör organiska celler - de minsta levande enheterna som finns i djur och växter. Det är lika mycket ett problem när man lagrar skördade matgrödor eller biomedicinskt forskningsmaterial – som cellkulturer – som det är för förvaring av fryst pizza eller ärter, och kan leda till mycket avfall.

Det finns konstgjorda ämnen som förhindrar den här typen av isskador, men få av dem är säkra att äta. Så tillsammans med andra forskare från University of Tennessee och Oak Ridge National Laboratory, Jag jobbar under de kommande tre åren under $550, 000 anslag från National Science Foundation för att identifiera säkra "biobaserade" alternativ - material som redan finns i naturen, inklusive ämnen som härrör från den naturliga mänskliga matsmältningen när mat konsumeras.

Hur sker isomkristallisering?

Livsmedelsindustrin använder "blast freezing" för att undvika bildning av stora iskristaller i fryst mat. Denna process innebär att livsmedel mycket snabbt utsätts för en låg temperatur och en hög hastighet av luftrörelser, vilket gör att maten fryser till en massa av många små kristaller. Små kristaller är mycket mindre skadliga för frusen materia än stora.

Problemet börjar efter att dessa livsmedel har flyttats till vanliga frysar för förvaring, inklusive hemfrysar. Den automatiska avfrostningsfunktionen i sådana enheter innebär att kompressorn slås på och av flera gånger om dagen, sänka och höja temperaturen för att förhindra isbildning. Denna fluktuation smälter delvis isen i maten och fryser den sedan igen, en process som kan skapa större och mer skadliga iskristaller.

Dessa förändringar kan göra maten i bästa fall obehaglig – vem har inte stått ut med att äta frysbrända grönsaker eller en vattnig, tinad jordgubbe? – och i värsta fall oanvändbar.

Enligt en färsk studie av College of William &Marys matsystemforskare Zach Conrad, totala utgifter för mat i USA per person och dag, mellan 2001 och 2016, var $13,27, och värd 3,62 USD av den utgiften, eller 27 %, var bortkastad mat.

Conrad fann att bara 1,4 % av avfallet var fryst mat, uppgår till cirka 5 cent per person och dag, eller $18,25 årligen. Men dessa nickel ger upp till mer än 5,89 miljarder dollar fryst mat som slängs varje år.

Så när marknaden för frysta livsmedel fortsätter att växa, vikten av att minimera eller förhindra isskador blir uppenbar.

Förhindra istillväxt med konstgjorda ämnen

De syntetiska kemikalierna som förhindrar isomkristallisering tenderar att vara giftiga för levande organismer, så deras användbarhet för att skydda mat är mycket begränsad. Genom sin långa och rigorösa granskningsprocess, U.S. Food and Drug Administration har godkänt en konstgjord polymer som kallas polyvinylalkohol, eller PVA, lika säker att använda i livsmedelsförpackningsmaterial, men inte som livsmedelstillsats.

PVA används industriellt för att förhindra isomkristallisering i ämnen som cement och betong, såväl som vid frysning av mänskliga celler, vävnader och organ för att bevara dem för transplantations- och bioteknikanvändning.

Det finns också "halvsyntetiska" föreningar - så märkta eftersom de är gjorda genom att förändra naturligt förekommande material - som lovar att stoppa isskador. De inkluderar ämnen som kallas glykopolymerer och polyamfolyter, som har rapporterats hämma isrekristallisation, bevara celler och öka cellviabiliteten. Många av dessa föreningar är i tidiga stadier av forskning och utveckling, och ännu inte använt kommersiellt. Deras säkerhet för användning i livsmedel har ännu inte bevisats eller godkänts.

Ett säkrare alternativ:Biobaserade lösningar

Jag forskar om alternativ till både syntetiska och halvsyntetiska material som är biobaserade, dvs. baserad på ämnen som redan finns hos människor, djur och växter, och genom naturliga biologiska processer. Jag tror att dessa biobaserade lösningar är särskilt lovande alternativ eftersom de inte involverar onaturlig manipulation.

Till exempel, för äggbearbetningsindustrin, Jag upptäckte hur man använder naturliga peptider som härrör från ägg - korta strängar av aminosyror som också finns i våra tarmar - för att förhindra skador orsakade av frysning på äggulor, istället för att tillsätta salt eller socker till äggulan innan den fryses.

Under vårt anslag från National Science Foundation, mitt team forskar på ämnen som efterliknar funktionerna hos frysskyddsproteiner som finns i kallvattenfiskar eller köldtoleranta växter, som hämmar isrekristallisation och förhindrar istillväxt i deras inre vävnader.

En utmaning är att dessa frysskyddsproteinmolekyler finns i mycket låga koncentrationer i naturen. Detta gör dem mycket kostsamma att utvinna från organismer och producera dem i industriell skala.

Vi forskar om peptider som härrör från både vanliga och unika matproteiner, som sojabönor, mejeri, fisk, kött och insekter. Tack vare forskning av Srinivasan Damodaran vid University of Wisconsin, vi vet redan att små peptider från fiskgelatin och nötkreaturskollagenproteiner är effektiva för att förhindra isomkristallisering i glass. Denna kraft hos peptider varierar mycket beroende på källproteinet, dock, så vi undersöker orsakerna till dessa skillnader.

När vi lär oss mer om dessa peptider och hur man producerar dem i kommersiell skala, Jag tror att de kan vara användbara inom flera branscher, från att förbättra kvaliteten på frysta livsmedel, att öka motståndskraften hos jordbruksgrödor mot minusgrader, för att bättre bevara celler och vävnader, och även vid användning som avisning av vägar och flygplan.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.