糖和糖醇对冰晶体大小的影响

陈东，苏蕾，刘爱国

（1.天津市大桥道食品有限公司，天津300350；2.天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津300134）

冰晶体对于冰淇淋的组织结构起着关键性的作用。冰晶体大意味着冰淇淋质构粗糙，其小意味着质构细腻。最原始的冷冻饮品为冰棒，其制作方法很简单。这种冰棒口感较硬，冰碴感较强，在微观层面上，所显示出的则是一整个冰面。随着人们不仅仅满足于解暑止渴，便开始添加蔗糖、饴糖，作为其中的原料，增加其口感。添加蔗糖、饴糖后，冰的微观结构发生变化，整个冰面变成一个个的小冰晶（见图1、图2），这种冰晶状态在口感上体现为有沙粒感、较为酥软，易融化。随着生活水平的提高，消费者对冷冻饮品又有新的要求。不仅要有口感，也要有一定的营养价值。基于此出发点，生产中开始添加葡萄糖。添加葡萄糖后，冰晶体的微观结构又有所不同（见图3）。添加葡萄糖的冷冻饮品冰晶体较蔗糖的大，且冰晶体的间隙较大，感官上则是冰碴感更强。基于口感与营养的需求，现市面上已开始采用功能性糖醇来提高口感和营养价值。无论是在微观还是宏观层面上，都能很好地满足消费者的需求。以麦芽糖醇为例，在微观方面，麦芽糖醇冰晶体小、间隙小；宏观方面，口感细腻，无明显的冰晶感（见图4）。

图1 13%蔗糖形成的冰晶体（1 000倍）Fig.1 13%Sucrose-formed ice crystals（1 000x）

图2 15%饴糖形成的冰晶体（1 000倍）Fig.2 15%Ice crystals formed by caramel（1 000x）

图3 13%葡萄糖形成的冰晶体（1 000倍）Fig.3 13%Glucose-formed ice crystals（1 000x）

图4 13%晶体麦芽糖醇形成的冰晶体（1 000倍）Fig.4 13%Crystalline maltitol formed ice crystals（1 000x）

一般来讲，没有冰晶感的冷冻饮品的品质是较好的。这种感觉来源于制品中的冰晶体，温度的波动对于冰晶体的生长也有着一定的影响[1]。在温度波动的情况下，冰晶体也会相应变化，最终达到一个稳定的状态。不同的冰晶状态来源于不同的糖或糖醇。一些功能性糖醇逐渐走上市场，并受大家的青睐。像低聚果糖、L-阿拉伯糖、山梨醇、聚葡萄糖等，这些糖醇与蔗糖不同，具有一定的生理特性，能够预防龋齿、降低胆固醇、提高营养价值等[2-8]。

在冰晶尺寸大小的研究上，Donhowe等[9]通过将光学显微镜放入冷冻室中测量冰晶尺寸；Ueno等[10]通过微切片图像处理系统分析冷冻稀溶液的冰晶体三维形态和分布；Kopstad G等[11]通过数学关系分析，比较了理论上冰晶分布大小与实际冰晶分布大小的不同；Arellano M等[12]通过集电波反射测量技术在线测量冰冻果子露冻结期间的冰晶大小；Liou K N等[13]分析了冰水含量与冰晶大小的回归关系；但关于糖及糖醇对冰晶的尺寸大小影响的研究鲜有报道。故本文通过冷冻显微镜模拟冻结环境，观察及分析糖及糖醇在冷冻条件下的冰晶的组织结构。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

1.1.1 材料

麦芽糖醇晶体、麦芽糖醇、L-阿拉伯糖、木糖醇、低聚果糖、聚葡萄糖、山梨糖醇（食品级）：山东福田科技集团；饴糖（食品级）：山东鲁州生物科技有限公司；果葡糖浆（食品级）：嘉吉食品有限公司；葡萄糖（食品级）：呼伦贝尔东北阜丰生物科技有限公司；蔗糖（二级）：湛江市金丰糖业有限公司。

1.1.2 仪器

BSA2201电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；搅拌器：德国IKA广州仪科实验室技术有限公司；SB-5200DT超声波清洗机：宁波新芝生物科技股份有限公司；BX51冷冻显微镜：Olympus公司；BCS196冷台：Linkam公司；HWS24型电热恒温水浴锅：上海恒学仪器有限公司；BCD-211U电冰箱：海信（北京）电器。

1.2 方法

1.2.1 载玻片的预处理

结合邢高娃[14]的试验方法，对载玻片进行预处理。载玻片放入盛有蒸馏水的烧杯中，将其置于超声波清洗机中，时间设定为5 min，水温设置为30℃，清洗之后用电吹风机吹干，将其放入小瓶中，备用。

1.2.2 配制糖溶液

本试验均研究质量分数为13%的糖溶液。准确称量39 g的糖（分别有蔗糖、葡萄糖、低聚果糖、L-阿拉伯糖、果葡糖浆、聚葡萄糖、麦芽糖醇晶体、麦芽糖醇液体、木糖醇、山梨醇、饴糖），加入蒸馏水300 mL，进行搅拌，置于电热恒温水浴锅中，加热至85℃，水浴10 min，结束后定容，静置至室温，敷上保鲜膜，置于4℃的电冰箱冷藏室中，冷藏12小时后，备用。

1.2.3 糖溶液的冰晶体测定

结合 Santachiara G[15]、Okita T I[16]、A.A.FLORES等[17]和Srinivasan D[1]的试验方法。选用冷冻显微镜，其通过电脑相连接，以电子屏幕的形式观察冰晶的变化情况。据Cook等[18]的静态冻结方法，结合实际情况，对冰淇淋的生产状态进行模拟。取2 μL左右的溶液，置于载玻片上，并盖上盖玻片。冷冻环境的初始温度设为20℃，保证冻结环境的一致性；样品以10℃/min的速度降至4℃，此时样品的显微系统开始记录；接着以2℃/min的速度降至-25℃，观察冰晶体形成的整体过程及记录冰晶体形成的温度；再以7℃/min升至-6℃，此时温度环境的变化可以促进冰晶体的生长，并使样品经历急剧增长的再结晶；以6℃/min的速度降至-18℃，记录下缓冻后的冰晶大小及状态；最后以10℃/min的速度升至20℃，保证始末温度环境一致。

2 结果与分析

冷冻显微镜通过对温度进行控制进而模拟冰晶体形成的冻结环境，旨在使冰晶形成的环境与冰淇淋冰晶体形成的环境达到一致。在冰淇淋的实际加工生产中，冰晶的大与小、多与少直接影响到产品品质。因此，对糖醇冰晶大小的研究是极为必要的。

2.1 糖醇形成的冰晶体分析

试验结果选取的图案是糖醇溶液形成最稳定冰晶时的状态。在试验过程中，所选取的冰晶并不是其第一次瞬间形成的冰晶，第一次所形成的图像是冰晶与冰晶累积的结果，无法对单个冰晶进行整体分析。采用缓冻的方式，通过升温再降温，融化冰晶重叠面，使冰晶的整体形态具体化后再冻结，进而呈现出所看到的冰晶。在冰晶体形成之后，对冰晶体进行了分类，主要有：较大冰晶（见图5和图6）、中等冰晶（见图7和图8）和较小冰晶（见图9和图10）三类。

2.1.1 形成较大冰晶体的糖醇

在水冻结的过程中，有一部分水被冻结成冰晶体，有一部分没有冻结成冰晶体，这部分自由水吸附到冻结好的冰晶体上就形成了大冰晶[19]见图5和图6。

如图5所示，L-阿拉伯糖形成的冰晶体较大，分布均匀，冰晶体的规则程度较高，冰晶间隙明显。如图6所示，木糖醇形成的冰晶体较大，分布不均，且冰晶的规则程度不高，以大冰晶为主，同时，冰晶间的间隙很大，能够清楚地观察到冰晶的轮廓，透亮度较高。目前，有关于L-阿拉伯糖应用于冷食制品的研究[20-22]，但是木糖醇应用于冷食制品鲜有报道[23-24]，多用于饮料及口香糖等食品中。

2.1.2 形成中等冰晶体的糖醇

中等冰晶见图7和图8。

图5 L-阿拉伯糖形成的冰晶体（1 000倍）Fig.5 Ice crystals formed by L-Arabinose（1 000x）

图6 木糖醇形成的冰晶体（1 000倍）Fig.6 Xylitol formed ice crystals（1 000x）

图7 低聚果糖形成的冰晶体（1 000倍）Fig.7 Ice crystals formed by fructooligosaccharides（1 000x）

图8 山梨醇形成的冰晶体（1 000倍）Fig.8 Sorbitol-formed ice crystals（1 000x）

如图7所示，低聚果糖形成的冰晶体分布不均匀，较为密集，排列杂乱，细小冰晶体较多。冰晶以大冰晶为主，冰晶不够透亮。低聚果糖，一种功能性甜味剂，针对不同人群具有不同的生理效果。因此，使用广泛。低聚果糖的分子结构是由蔗糖和果糖基通过果糖基间的特殊化学键连接起来的[25]。低聚果糖中含有氢键，但氢键较少，且其强度较低，形成的冰晶体较大。

如图8所示，山梨醇形成的冰晶体以小冰晶体居多，但冰晶体的规则程度较为一致，间隙较为明显，能够很清楚地看清冰晶体的轮廓。山梨醇，是一种六元醇，它含有六个羟基，具有亲水性的羟基会紧合自由水，紧合能力较强。随着温度的不断降低，山梨醇溶液逐渐形成如图所示的冰晶，这样的冰晶大小可用于类似于冰棍之类的冷冻饮品中[26]。

低聚果糖和山梨醇所呈现出的冰晶适中，可使用于冷冻饮品中，并能保证其良好的品质。将低聚果糖使用其中，还能提高制品的营养价值[27]，达到两全其美的效果。山梨醇有较强的清凉感且易吸收，将其使用于冷冻饮品中，能使其口感、风味达到事半功倍的效果[28]。同时，其代替蔗糖还具有减肥的功效。

2.1.3 形成较小冰晶体的糖醇

较小冰晶见图9和图10。

图9 聚葡萄糖冰晶图（1 000倍）Fig.9 Polydose ice crystals（1 000x）

图10 麦芽糖醇晶体冰晶图（1 000倍）Fig.10 Crystallogram of maltitol crystals（1 000x）

如图9所示，聚葡萄糖所形成的冰晶体最小、分布较为集中，以小冰晶体居多，冰晶间的间隙较为明显。聚葡萄糖具有高度分支的复杂结构，其是由小分子随机聚合而成的，由于具有不同的聚合度，分子量也相应不同，分子量以162 Da～5 000 Da居多[29]。

如图10所示，晶体麦芽糖醇形成的冰晶体分布较为均匀，冰晶间隙清晰可见，小冰晶居多，也有大冰晶的存在。此糖醇形成的冰晶小而密集，适合用于冰淇淋的生产中。麦芽糖醇，分子量为344.31 Da，其有着其独特的生理特性，如预防龋齿、对钙吸收有着一定的促进作用、不会产生肥胖[30]等。由于麦芽糖醇的甜度较接近于蔗糖，所以其可作为功能性甜味剂独立使用于冰淇淋的加工中，从而替代蔗糖[31-32]。

2.2 冰晶数据处理

纯水的冰点为0℃，冷冻后会随机形成六角形状。纯水在冷冻和冻结的速度较为缓慢的情况下，液态水可能进一步过冷。与此同时，过冷水中会含有许多强四聚体氢键水分子[33]。随着温度的降低，冰晶结构会不断扩大，甚至有可能在瞬间形成大的冰面。但这样的结构不会轻易形成六面体冰晶体[34]。

由于冷冻饮品冻结温度一般在-20℃左右，试验选取和分析的是-18℃时形成的冰晶体。使用的仪器是带有照相功能的冷冻显微镜。通过照片的呈现，可以很细致地观察冰晶变化的整体过程。在温度波动的过程中，通过改变糖醇溶液冻结速度来扩大冰晶蔓延面[35]。在实际生产过程中，冰晶体对冰淇淋的质量影响极大，直接决定着冰淇淋的品质。比如软冰淇淋，希望冰晶体越小越好。

ipwin32软件对冰晶图片进行进一步筛选和处理，可得到糖醇的冰晶尺寸数据，结果见表1。

表1 各种糖醇形成的冰晶体参数Table 1 Ice crystals formed from various sugar alcohols

冰晶体的面积和平均直径可以很直观地反映出冰晶体的大小，纵横比可以反映出冰晶体的尺寸规则程度。形成冰晶越小的糖醇应用于冰淇淋中，其质地会更细腻、口感更光滑。在对这11种糖醇所形成的冰晶体测定之后，根据数据分析，发现所有试验数据基本都会落在一条曲线上。在冰晶大小方面，从冰晶表面到冰晶中心是有一个梯度的[36]。从表1中可以看出，晶体麦芽糖醇、聚葡萄糖形成的冰晶体是最小的。

3 结论

通过试验及数据分析，发现聚葡萄糖和晶体麦芽糖醇所形成的冰晶体尺寸是最小的。由于聚葡萄糖的甜度极低，其可以与其他甜味剂复配应用于冷冻饮品中[37]。对糖及糖醇所形成的冰晶体大小的研究，旨在为冷冻饮品选取甜味料种类提供参考与依据，进而选择与之相对应的糖或糖醇。具有特殊生理功能的冷冻饮品不仅可以满足大众对甜食的需求，而且对身体也不会产生副作用[38]。如今，有的冰淇淋配料已经用麦芽糖醇替代了蔗糖，可见大众已经意识到功能性甜味剂的重要性。这些安全的功能性甜味剂可以作为一种至关重要的食品配料用于生产低热量、高营养的功能性产品，以供儿童、糖尿病病人等特殊人群使用[39]。