不同加工方式和蛋白组成下冰淇淋脂肪球低温失稳研究

程金菊 王 东 李晓东

(1.东北农业大学食品学院， 哈尔滨 150030; 2.东北农业大学乳品科学教育部重点实验室， 哈尔滨 150030)

0 引言

均质和杀菌是冰淇淋生产中必不可少的工艺环节，对产品质量起到至关重要的作用。在实际生产中，一般是先对混合料进行杀菌，然后进行均质。如果均质设备的无菌状态控制不当，将会严重影响冰淇淋的质量，因此，对于设备条件较差的企业，往往是先对混合料进行均质，然后进行杀菌。65℃、30 min是常用的杀菌强度[1]。然而，杀菌热处理过程容易引起热敏感蛋白结构的改变，进而导致蛋白质吸附特性的变化[2-3]，冰淇淋浆料搅打凝冻过程中，脂肪球的失稳作用受表面蛋白质和乳化剂吸附特性的影响，因此，加工工艺顺序的不同可能会影响脂肪球的失稳作用和冰淇淋质构的形成过程。

牛乳或脱脂乳粉是冰淇淋生产中最主要的蛋白质来源。近年来，随着食品工业的发展，乳清蛋白和大豆蛋白也被用作重要的蛋白质原料，用来部分替代乳蛋白，以降低产品的生产成本，增加产品多样性和健康功能多样性[4-5]。然而，乳清蛋白和大豆蛋白属于球状蛋白，相比于乳蛋白中的主要成分酪蛋白，对热比较敏感。因此，在用乳清蛋白或大豆蛋白部分替代乳蛋白时，蛋白质结构和吸附特性的改变可能引起脂肪球失稳程度的变化。

冰淇淋结构的形成在很大程度上取决于脂肪球的部分聚结失稳。在搅打凝冻过程中，发生部分聚结失稳的脂肪链，形成贯穿于半固态产品的网络结构，这种网络结构能够稳定充入气泡，使混合料在挤压过程中获得较好的干爽度，从而使冰淇淋获得较好的膨胀度和抗融性[6-8]。目前，尚未见杀菌和均质工艺顺序不同对混合浆料中脂肪球失稳作用影响的研究报道。本文探究加工方式和蛋白质组成对脂肪球低温失稳作用和冰淇淋质构的影响，为混合蛋白冰淇淋的开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱脂乳粉(Skimmed milk powder，SMP，33.4%蛋白质)，新西兰恒天然集团；乳清浓缩蛋白(Whey protein concentrate，WPC，80%蛋白质)，美国Hilmar公司；大豆分离蛋白(Soy protein isolate，SPI，90%蛋白质)，哈高科大豆食品有限责任公司；椰子油，市购；蔗糖脂肪酸酯(SE)和羧甲基纤维素钠(CMC)，丹尼斯克有限公司。

1.2 仪器与设备

NS1001L型高压均质机，意大利Niro Soavi公司；K9840型凯氏定氮蒸馏仪，海能仪器股份有限公司；Malvern Kinexus型流变仪、Malvern 2000型粒度分析仪，英国Malvern公司；IC6308C型全自动冰淇淋机，上海客浦电器有限公司。

1.3 研究方法与指标测定

1.3.1冰淇淋浆料制备及冰淇淋生产工艺

冰淇淋含4%蛋白质、14%蔗糖、10%椰子油、0.3%蔗糖脂肪酸酯、0.25%羧甲基纤维素。调整SMP、SPI、WPC的质量，使蛋白质质量分数为恒定值(4%)。固形物含量利用乳糖进行调节，使非脂固形物含量一致。

根据课题组之前的研究结果[9]，当乳清浓缩蛋白与脱脂乳粉的蛋白质量比为7∶3以及大豆分离蛋白与脱脂乳粉的蛋白质量比为3∶7时，更利于冰淇淋结构的形成。故采用这两种蛋白质组成来考察加工方式对脂肪球失稳作用的影响，分别记为SMP3WPC7和SMP7SPI3，以SMP作为对照。

采用均质前杀菌或者均质后杀菌两种不同加工方式：①配料混合→杀菌(65℃,30 min)→均质(一级20 MPa，二级4 MPa)→老化(4℃，12 h)→搅打凝冻→硬化。②配料混合→均质(一级20 MPa，二级4 MPa)→杀菌(65℃,30 min)→老化(4℃，12 h)→搅打凝冻→硬化。以不杀菌处理作为对照。

1.3.2脂肪球粒度测定

采用Malvern 2000型粒度分析仪测定乳液中脂肪球粒度分布[9]。测定前，采用蒸馏水或2%十二烷基硫酸钠(SDS)对样品进行100倍稀释。SDS能够使结合作用弱的脂肪球分离，因此用于区分脂肪球之间的聚集度与部分聚结度[10]。聚集度表征脂肪球之间聚集在一起的水平，计算公式为

FD=(D4,3(water)-D4,3(SDS))/D4,3(SDS)×100%

(1)

式中D4,3(water)——用水稀释时乳液的粒度

D4,3(SDS)——用SDS溶液稀释时乳液的粒度

部分聚结度表征脂肪球通过晶体形成脂肪链或者脂肪聚结体的程度，是不可逆变化过程，计算公式为

PCD=(D4,3(SDS)WE-D4,3(SDS)E)/D4,3(SDS)E×100%

(2)

式中D4,3(SDS)WE——用SDS稀释时搅打凝冻样品的粒度

D4,3(SDS)E——用SDS稀释时未搅打凝冻浆料的粒度

1.3.3脂肪球表面蛋白质吸附量测定

取一定质量乳液于30℃下离心(15 000g，60 min)，收集上层乳化相，对其中的蛋白质和脂肪进行定量分析[9]。计算脂肪球表面蛋白质吸附量的公式为

ρ=P/(FA)

(3)

式中ρ——表面蛋白质吸附量

P——蛋白质质量分数

F——脂肪质量分数

A——由粒度分析仪测得的脂肪球比表面积

1.3.4流变学性质测定

采用Malvern Kinexus型流变仪(锥板40 mm、2°)在4℃下对冰淇淋老化液进行剪切速率扫描(扫描速率0.01～100 s-1)。采用Herschel-Bulkley模型对其流变学参数进行拟合。Herschel-Bulkley方程可表示为

τ=τ0+Kγn

(4)

式中τ——剪切应力

τ0——屈服应力

γ——剪切速率

K——稠度系数

n——流体行为指数

1.3.5冰淇淋的膨胀率测定

冰淇淋的膨胀率计算公式为

OV=(m0-m1)/m1×100%

(5)

式中m0——搅打之前特定体积的冰淇淋浆料的质量

m1——搅打凝冻后同体积的冰淇淋质量

图1 加工方式和蛋白质组成对脂肪球粒度分布的影响Fig.1 Effects of processing patterns and protein compositions on fat particle distribution

1.3.6冰淇淋的融化率测定

取硬化后的冰淇淋置于金属网上，金属网下面放置烧杯，在室温(20℃)条件下融化冰淇淋，每10 min记录一次烧杯内融化冰淇淋的质量，持续90 min，作融化质量(m)与时间(t)的曲线，该曲线的斜率即为冰淇淋的融化率，单位为g/(g·min)。

1.3.7冰淇淋微观结构观察

采用电子显微镜观察融化状态下冰淇淋的气泡结构，利用Image J软件分析气泡直径。

1.4 感官评价

冰淇淋的感官评价在25℃条件下进行，感官评价人员由具有正常感觉敏感度和食品专业背景的15名(女10名，男5名)专门小组成员组成，经培训后对冰淇淋进行感官评价，包括：风味口感(0～10分，氧化及异味到非常好)；组织形态(0～5分，冰晶感到非常细腻)；色泽外观(0～5分，色泽异常到非常好)。

1.5 数据统计

采用SPSS 20.0软件进行数据方差分析(p<0.05)，绘图采用Origin 9.2软件。

2 结果与分析

2.1 脂肪球粒度分布

由图1可知，SMP冰淇淋浆料的粒度分布不受加工方式的影响(图1a)，均呈现单峰分布。SMP3WPC7的冰淇淋浆料(图1b)，不经杀菌处理时粒度分布为单峰。采用均质前杀菌时，粒度仍呈现单峰分布，但是相比未杀菌处理，峰形向右移动，粒度增大。热特性研究发现，乳清蛋白在加热温度为60℃时即开始变性[11]，还有研究表明，即使温度未达到变性温度，脂肪滴在均质破碎过程中会引起温度瞬时增加，热和压力的双重效应会引起乳清蛋白的变性，使蛋白质发生聚集[12]。同时，热处理过程中，乳清蛋白中的β-乳球蛋白与酪蛋白胶束表面的毛发状κ-酪蛋白能够通过二硫键发生结合，β-乳球蛋白和α-乳白蛋白也能够发生结合，形成蛋白质的聚集体[13]，蛋白质聚集体的产生可能导致蛋白质在脂肪球表面的吸附速率降低，从而使脂肪球粒度变大[14]。而采用均质后杀菌时，粒度呈双峰分布，这是由于采用均质后杀菌引起脂肪球表面的蛋白质和连续相中未吸附蛋白质之间相互作用增强，从而使脂肪球通过桥连聚集连接在一起[15]。SMP7SPI3的冰淇淋浆料中(图1c)，未经杀菌处理的脂肪球粒度呈单峰分布。大豆分离蛋白的主要组分7S和11S的变性温度分别为68℃和85℃[2]，β-大豆伴球蛋白的变性温度为63℃[16]。采用均质前杀菌导致其亚基解离[2]，并改变其界面活性，因此脂肪球粒度呈双峰分布。而采用均质后杀菌，脂肪球粒度分布呈现3个峰，这说明均质后杀菌增强了脂肪球表面蛋白质和未吸附蛋白质的结合作用，进而促进了脂肪球的聚集。

浆料经过搅打凝冻后的粒度分布如图1d～1f所示。可以看出，相比未搅打的浆料，3种蛋白质组成的冰淇淋经过搅打凝冻后，都在较大粒度范围内(10～100 μm)出现了分布峰。这是由于脂肪球中的一部分脂肪发生了结晶，脂肪晶体刺破脂肪球以及相邻脂肪球的界面膜，使脂肪球形成了不可逆的脂肪聚结体或者脂肪链[17-20]。

由表1可知，经过搅打凝冻之后，脂肪球的粒度比浆料粒度显著增大，这说明脂肪球在搅打凝冻过程中发生了失稳，不同加工方式对于SMP的浆料和搅打乳液粒度以及搅打凝冻后失稳程度(聚集度和部分聚结度)没有显著影响(p>0.05)，但是对于SMP3WPC7和SMP7SPI3，均质后杀菌的冰淇淋浆料和搅打乳液的D4,3(water)以及脂肪球的聚集度和部分聚结度都要高于均质前杀菌处理，采用均质后杀菌处理时的部分聚结度分别为282.19%和252.70%。这说明采用乳清浓缩蛋白或大豆分离蛋白部分替代乳蛋白时，采用均质后杀菌更有利于脂肪球的低温失稳。

表1 脂肪球粒度和失稳程度Tab.1 Fat particle size and fat destabilization index

图2 加工方式和蛋白质组成对表面蛋白吸附量及蛋白质替代率的影响Fig.2 Effects of processing patterns and protein compositions on protein surface coverage and displaced rate of protein

2.2 蛋白质吸附特性

由图2(图中不同字母表示差异显著，下同)可知，对于SMP冰淇淋浆料(图2a)，加工方式不同并未引起脂肪球表面蛋白质吸附量的变化(p>0.05)；而对于SMP3WPC7和SMP7SPI3，相比于未杀菌，采用均质前杀菌和均质后杀菌这两种加工方式都导致表面蛋白质吸附量增加，但是均质前杀菌引起的增加量较高。如前所述，这是由于在杀菌过程中，部分乳清浓缩蛋白和大豆分离蛋白变性导致了蛋白质聚集体的产生，增加了其在脂肪球表面的吸附量。这种结果与文献[14]对乳清蛋白热处理研究结果一致，证明均质前热处理会增加脂肪球表面蛋白质吸附量。对酪蛋白和大豆蛋白的混合溶液热处理研究发现，即使在95℃条件下，两者也不会发生相互作用[21]，而β-大豆伴球蛋白在杀菌过程中发生解离，解离后能够促进可溶性聚集体的形成[2,22]，这种可溶性聚集体增加了蛋白质的疏水性，促进其在脂肪球表面的吸附。

由图2b可知，经过搅打凝冻之后，表面蛋白质吸附量降低，这是由于一部分蛋白质在凝冻搅打过程中被蔗糖酯竞争性解吸下来[23-24]。从图2c中可以看出，对SMP3WPC7和SMP7SPI3，采用均质前杀菌和均质后杀菌，都降低了搅打凝冻后蛋白质的替代率。而采用均质前杀菌的加工方式，蛋白质的替代率要低于均质后杀菌，这与形成了蛋白质的聚集体有关。

2.3 流变学特性

由图3a可知，3种蛋白质组成的冰淇淋浆料的黏度都随着剪切速率的增加，呈逐渐下降的趋势，因此，具有剪切稀化的特性。采用Herschel-Bulkley模型，对稳态剪切过程中的剪切应力和剪切速率进行拟合，发现拟合曲线参数R2>0.998，说明Herschel-Bulkley模型可准确地描述冰淇淋浆料的流变学行为。冰淇淋浆料的稠度系数和流体行为指数如图3b、3c所示。由图3b可知，SMP浆料的稠度系数不受加工方式的影响，而对于SMP3WPC7，未杀菌和采用均质前杀菌的加工方式没有显著性差异(p>0.05)。均质后杀菌的稠度系数高于均质前杀菌和未杀菌，这是由于均质后杀菌引起脂肪球的聚集造成的(图1b)。对于SMP7SPI3，加工方式对浆料的稠度系数没有显著影响(p>0.05)。

图3 加工方式和蛋白质组成对冰淇淋浆料流变学特性和参数的影响Fig.3 Effects of processing patterns and protein compositions on rheological property and parameters of ice cream emulsion

由图3c可知，流体行为指数n为0～1，因此，冰淇淋浆料为假塑性流体。对于SMP而言，加工方式对流体行为指数未产生显著影响，而在SMP3WPC7和SMP7SPI3的冰淇淋浆料中，均质后杀菌比均质前杀菌的n降低，剪切稀化作用更显著，这是因为均质后杀菌引起的脂肪球聚集，使其在剪切过程中抵抗剪切作用的能力降低[25-26]。

2.4 不同加工方式下脂肪球低温失稳对冰淇淋质构形成的影响

图4 加工方式和蛋白质组成对冰淇淋质构的影响Fig.4 Effects of processing patterns and protein compositions on texture of ice cream

冰淇淋的膨胀率如图4a所示，采用乳清浓缩蛋白或大豆分离蛋白对乳蛋白进行部分替代后，其膨胀率增加。由图2可知，对于SMP3WPC7和SMP7SPI3，脂肪球的表面蛋白质吸附量较SMP低，因此，连续相中的蛋白质含量较高，起泡性较强[27]，使冰淇淋的膨胀率提高。加工方式并未对SMP冰淇淋的膨胀率产生显著影响(p>0.05)。而对于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋，相比于未杀菌，均质前和均质后杀菌均使膨胀率提高，造成这一结果是由于均质前杀菌热处理使蛋白质疏水性增加，而均质后杀菌使脂肪球聚集，这些变化都有利于空气泡充入后被更好地包裹，空气泡体积增加，因此膨胀率增加。均质后杀菌的加工方式更有利于空气泡的包裹，因此，膨胀率增加更为显著(p<0.05)。

不同加工方式下冰淇淋的融化率如图4b所示，SMP冰淇淋的融化率高于SMP3WPC7和SMP7SPI3；冰淇淋的融化特性与脂肪球部分聚结度密切相关，脂肪球发生部分聚结后，形成的脂肪链结构逐渐取代空气泡周围的蛋白质，并包裹在气泡的周围，增加搅打充入气泡的稳定性，降低冰淇淋的融化率[28-29]。由表1可知，搅打凝冻后，脂肪球部分聚结度在SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋中高于SMP冰淇淋，因此，其抗融性更强。同时，由于均质前杀菌引起蛋白质发生变性聚集和搅打凝冻的蛋白质替代率降低，使部分聚结失稳作用减弱，因此，相比于未杀菌，均质前杀菌使SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋的融化率升高，而均质后杀菌未对融化率产生显著性影响(p>0.05)。

冰淇淋的硬度如图4c所示，SMP3WPC7和SMP7SPI3的硬度低于SMP，这是由于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋浆料的黏度高于SMP(图3b)，较高的黏度阻碍了冰淇淋在储藏过程中冰晶的生长。而对于同一蛋白组成的冰淇淋而言，不同加工方式间硬度无显著差异(p>0.05)，这表明冰晶的生长特性未受到加工方式的影响。

冰淇淋的气泡是维持冰淇淋结构的重要因素，从图5可以看出，在SMP(图5a～5c)冰淇淋中，采用均质后杀菌时(图5c)，气泡分布更为均匀，气泡平均直径为35 μm。在SMP3WPC7冰淇淋中(图5d～5f)，不同加工方式下气泡的分布情况无显著区别，气泡平均直径为33 μm。在SMP7SPI3冰淇淋中(图5g～5i)气泡分布均匀，数量较多，气泡尺寸较小，平均直径为19 μm，均质后杀菌时大气泡的数量更少(图5i)，分布更为均一，这也证明该条件下其膨胀率更高。

综上，对于SMP冰淇淋，其膨胀率、抗融性、硬度等质构特性不受加工方式的影响；对于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋，均质后杀菌能够使其获得更理想的质构特性。

图5 冰淇淋的气泡显微镜图像Fig.5 Optical micrographs of air cells for ice cream

2.5 冰淇淋的感官评价

以上结果表明，采用均质后杀菌获得的冰淇淋的质构特性更优，尤其在乳清浓缩蛋白和大豆分离蛋白对乳蛋白进行部分替代的配方组成中。因此，对采用均质后杀菌加工方式的冰淇淋进行感官评价，结果如表2所示。

表2 冰淇淋的感官评价结果Tab.2 Sensory properties of ice cream

感官评价总分为20分，评价标准参照国内外冰淇淋感官评价要求，SMP、SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋得分都高于17分。SMP冰淇淋具有较强的奶香味、无冰晶砂砾感、适口松软、组织状态细腻平滑、呈现淡黄色、形体优良；SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋的奶香味较弱，组织结构更为细腻，SPI的部分替代使冰淇淋具有轻微的豆香，色泽较白，两者在组织形态和色泽外观方面无显著差异(p>0.05)。

3 结论

(1)在全部由乳蛋白(脱脂乳粉)组成的冰淇淋浆料中，均质前杀菌和均质后杀菌两种加工方式对脂肪球粒度、失稳程度、表面蛋白吸附量以及流变学特性并未产生显著影响。

(2)在用乳清浓缩蛋白和大豆分离蛋白对乳蛋白进行部分替代的混合蛋白冰淇淋浆料中，均质前杀菌引起蛋白质变性和聚集，均质后杀菌增大了脂肪球表面蛋白和未吸附蛋白间的相互作用，使脂肪球发生聚集。两种加工方式均使脂肪球粒度增大、表面蛋白质吸附量增加和蛋白质替代率下降。相比均质前杀菌，采用均质后杀菌引起的脂肪球部分聚结失稳度更高，此时SMP3WPC7、SMP7SPI3两种混合蛋白冰淇淋的部分聚结度分别为282.19%和252.70%，更有利于冰淇淋质构的形成，获得的冰淇淋膨胀率、抗融性、气泡均匀度更佳。