奇亚籽皮多糖对冰淇淋乳化稳定性及品质的影响

刘婷婷，张闪闪，赵文婷，陈玥彤，张艳荣,*

（1.吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118；2.农业农村部食用菌加工技术集成科研基地，吉林 长春 130118；3.吉林省粮食精深加工与副产物高效利用技术创新重点实验室，吉林 长春 130118；4.吉林省粮食精深加工与高效利用工程研究中心，吉林 长春 130118）

奇亚籽为奇亚（Silva hispanicaL.）（学名芡欧鼠尾草）的种子，主要分布于墨西哥南部和危地马拉北部[1]。奇亚籽皮多糖是奇亚籽皮遇水膨胀后表皮形成的一层特殊的黏液质，俗称奇亚籽胶[2]。相关研究表明，奇亚籽皮多糖是一种纯天然植物性多糖，也是一种新型亲水性胶体[3]。近几年，关于奇亚籽皮多糖理化特性及应用的研究成为国内外关注的热点。Justyna等[4]发现纯化后奇亚籽胶纯度达93.8%，且奇亚籽胶具有高持水性（可达自身质量的23 倍）。Timilsena等[5]报道奇亚籽皮多糖显著降低油-水界面的表面张力，其乳化特性和表面活性与阿拉伯胶、瓜尔胶等常见多糖相当。刘婷婷等[6]研究发现较高质量浓度的奇亚籽皮多糖能显著增强乳状液的稳定性，有望成为一种天然安全的乳化稳定剂。

冰淇淋清凉消暑，是深受人们喜爱的一种冷冻休闲食品[7-8]。冰淇淋品质的好坏主要受冰淇淋内部气泡、脂肪颗粒和冰晶影响，为防止加工或贮藏过程中冰晶的增加，降低融化率，一般加入适量增稠剂及乳化稳定剂提高冰淇淋品质[9]。冰淇淋中常用乳化稳定剂主要有单甘酯、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠等[10]。随着消费者对食品安全的重视，关于寻求天然健康冰淇淋食品添加剂成为冷饮食品加工业的重中之重。因奇亚籽皮多糖的高持水性、胶凝特性、乳化特性及增稠作用，使其可应用于冰淇淋中，起到乳化稳定的作用[11]。

本实验主要将奇亚籽皮多糖应用于冰淇淋冷饮食品生产中，研究不同质量浓度（0.5、1.0、1.5、2.0 mg/mL）奇亚籽皮多糖对冰淇淋浆料黏度、乳化稳定性和冰淇淋膨胀率、融化率、质构、气泡分布情况及微观结构等性质的影响规律，探索奇亚籽皮多糖应用于冰淇淋等冷饮食品中的潜能，为奇亚籽皮多糖应用于冰淇淋等食品中提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

奇亚籽皮多糖由实验室自制；绵白糖 北京糖业集团有限公司；全脂乳粉 双城雀巢有限公司；麦芽糊精（食品级） 河南万邦实业有限公司；单脂肪酸甘油酯（食品级） 广州嘉德乐生化科技有限公司。

1.2 仪器与设备

AR522CN电子天平 奥豪斯仪器有限公司；SRRFC1281S恒温冷藏柜 大连三洋有限公司；TR-928冰淇淋机 北京盛美卓越电器有限公司；TA-XT Plus质构仪英国SMS公司；Malvern Mastersizer 3000E激光粒度分析仪英国马尔文仪器有限公司；Turbiscan AGS多重光散射稳定性分析仪 法国Formulaction仪器公司；DHR-1流变仪 美国TA公司；Phenom冷冻电子显微镜荷兰飞纳科学仪器有限公司；SZX10体视显微镜 上海浦和光电科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 冰淇淋的制备

原辅料预处理→混合→杀菌与二次杀菌→过滤→均质→冷却、老化→浇模→插签→冻结→脱模→包装→冷藏→成品。

操作要点：1）原、辅料预处理：按照配方准确称取全脂乳粉、绵白糖、添加剂和奇亚籽皮多糖，分别加水充分溶解；2）调配、杀菌、过滤：原辅料混合调配，加热至90 ℃以上，保持15 min左右，采用0.15 mm（100 目）孔径筛网过滤杂质及不溶物；3）高压均质：将过滤后的浆料于25 MPa、45 ℃条件下均质处理；4）冷却、老化：将均质后的浆料于4 ℃冷藏老化10 h以上；5）凝冻、罐装封口：将老化成熟的浆料加入到冰淇淋机料池中，开启搅拌及制冷等凝冻过程，待凝冻过程稳定后，且浆料温度为-8～-10 ℃时出料，制得软质冰淇淋，随后进行罐装与包装；6）速冻硬化：将软质冰淇淋置于-18～-25 ℃低温冰柜速冻，即制得硬质冰淇淋；7）检测：对冰淇淋成品进行品质检测。

1.3.2 冰淇淋膨胀率的测定

根据相关文献[12-13]的方法，称取相同体积凝冻前、凝冻后冰淇淋浆料质量，冰淇淋膨胀率按式（1）计算：

式中：m1为凝冻前质量/g；m2为凝冻后质量/g。

1.3.3 冰淇淋融化率的测定

参照Pereira等[14]的方法，称取适量的硬质冰淇淋成品置于实验器材筛网上，于室内温度25 ℃、相对湿度75%条件下放置45 min，分别记录冰淇淋融化前、后质量，同时记录冰淇淋开始滴落的时间。冰淇淋融化率按式（2）计算：

式中：m3为融化前冰淇淋浆料质量/g；m4为融化后冰淇淋浆料质量/g。

1.3.4 冰淇淋浆料的粒径分布

参照刘婷婷等[6]的操作方法，利用激光粒度分析仪通过激光衍射技术确定不同质量浓度奇亚籽皮多糖的冰淇淋浆料粒径分布情况。测定参数：使用湿分散法分析，样品折射率为1.510，水的折光率为1.330，测试温度为25 ℃。

1.3.5 冰淇淋浆料的流变特性

按照杨嘉丹等[15]的方法，采用直径为40 mm的不锈钢锥板夹具，设置间隙1.0 mm，于25 ℃测量，吸取量固定为1.5 mL。在剪切速率范围为0.01～500 s-1内，考察不同质量浓度奇亚籽皮多糖对冰淇淋浆料表观黏度的影响。

通过幂律模型公式描述溶液的流变特性，如式（3）所示：

式中：ηs为表观黏度/（Pa·s）；K为稠度系数；γ为剪切速率/s-1；n为幂律指数。

1.3.6 冰淇淋浆料的稳定性

将样品置于样品池中，以扫描模式运行，测试温度25 ℃，每隔40 μm采集透射光和背散射光数据，对冰淇淋浆料的稳定性进行跟踪监测，用稳定性动力学指数（turbiscan stability index，TSI）表征样品的乳化稳定性。

1.3.7 冰淇淋质地剖面分析

参照He Wenmeng等[16]的方法，采用TA-XT Plus质构仪对冰淇淋质构特性进行测定。质构仪探头采用P/5探头（直径5 mm），测试条件：启动速率7 mm/s，测试速率2 mm/s，探入深度20 mm，触发力20 g。将冰淇淋置于冰箱中贮存2 d后，实验前提前取出并室温放置10 min后进行测试。

1.3.8 冰淇淋质地冷冻电子扫描显微镜观察

在配备了冷冻传输装置的扫描电子扫描显微镜中进行操作，取约2～3 mm3体积的冰淇淋成品放置到样品台中，并迅速于-25 ℃冷却样品，随后将样品转移到冷冻传输装置上（-25 ℃）。并于-25 ℃，电压10 kV、5 000 倍条件下进行观察分析。

1.3.9 冰淇淋体视显微镜观察

利用体视显微镜对冰淇淋中气泡的分布及形态进行观察，取适量融化的冰淇淋样品固定于载玻片上，并采用SZX10体视显微镜50 倍镜对样品进行观察。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 冰淇淋的膨胀率和融化率结果

表1 冰淇淋膨胀率与融化率测定结果Table 1 Effect of chia seed coat polysaccharide on overrun and melting rate of ice cream

膨胀率是评价冰淇淋质地、抗融性及感官特性好坏的重要指标[17]。由表1可以看出，随着奇亚籽皮多糖质量浓度的增加，空气吸入量增加，冰淇淋膨胀率不断提高，当奇亚籽皮多糖质量浓度大于1.5 mg/mL时，冰淇淋膨胀率涨幅缩小。原因可能是随着奇亚籽皮多糖质量浓度增大，浆料黏度升高，提高浆料充气量，进而改善了冰淇淋的膨胀率[18]。空白样品的融化率最大，且融化率随着奇亚籽皮多糖质量浓度的增加而显著降低。当奇亚籽皮多糖质量浓度为2.0 mg/mL时，融化率为（16.30±2.08）%，达到最低值，抗融性最高，可能是由于奇亚籽皮多糖分子的持水性，束缚了水分子的迁移，降低冰晶的融化速度，延缓冰淇淋的融化，提高冰淇淋的抗融性[19]。

2.2 冰淇淋浆料粒度大小及分布结果

图1 奇亚籽皮多糖质量浓度对冰淇淋浆料粒度分布的影响Fig.1 Effect of chia seed coat polysaccharide on particle size distribution of ice cream slurry

由图1可以看出，随着奇亚籽皮多糖质量浓度的增加，冰淇淋浆料的粒度呈现增大趋势，但浆料粒度集中分布在1 μm以下，增加程度较小，浆料平均粒径在0.5 μm左右，这与董彦夫等[20]的研究结果相似。相对于空白冰淇淋浆料粒度，添加奇亚籽皮多糖的冰淇淋粒度均大于空白冰淇淋浆料粒度，但总体上奇亚籽皮多糖的质量浓度对冰淇淋浆料粒度大小及分布影响不大，可能是由于后期均质等加工工艺对冰淇淋浆料粒度产生成一定影响，促使浆料粒度均一化。

2.3 冰淇淋浆料的流变特性结果

图2 奇亚籽皮多糖质量浓度对冰淇淋表观黏度的影响Fig.2 Effect of chia seed coat polysaccharide on the apparent viscosity of ice cream

表2 不同质量浓度的奇亚籽皮多糖冰淇淋浆料幂律参数Table 2 Power-Law parameters of ice cream slurry with chia seed polysaccharide at different concentrations

如图2、表2所示，随着奇亚籽皮多糖质量浓度的增加，冰淇淋浆料的表观黏度呈现上升趋势，在低剪切速率下，冰淇淋浆料表观黏度较大，而在高剪切速率下，其表观黏度较小，表明冰淇淋浆料表现为剪切稀化溶液现象。对比空白样品，添加奇亚籽皮多糖的冰淇淋浆料的剪切稀化现象更为显著。剪切稀化现象有助于冰淇淋口感的提升以及方便产品的生产加工[21]。而且结果显示，表观黏度与抗融性具有相关性，表观黏度越大，冰淇淋的抗融性越强。Javidi等[22]证明较高黏度的冰淇淋浆料具有良好的抗融性。

2.4 冰淇淋浆料的稳定性结果

图3 奇亚籽皮多糖质量浓度对冰淇淋TSI的影响Fig.3 Effect of chia seed coat polysaccharide on TSI of ice cream

TSI是指背散射率的变化与时间轴交汇形成的面积，TSI越大，稳定性越差，且TSI越小，冰淇淋浆料的稳定性越好，反之亦然[23]。从图3可以看出，空白样品与含0.5 mg/mL质量浓度的奇亚籽皮多糖冰淇淋的TSI差异不显著，但随着奇亚籽皮多糖质量浓度增加，冰淇淋浆料的TSI逐渐减小，即表明稳定性逐渐增强。随着奇亚籽皮多糖在冰淇淋体系内的增加，体系内形成更多的三维网状结构，在多糖持水性、持油性及空间位阻的作用下，使浆料黏度增加，进而阻碍溶质分子的迁移，减少物质间的相互作用，增强浆料的稳定性[6]；并且2.0 mg/mL质量浓度的奇亚籽皮多糖表现出最高的抗融性，这说明奇亚籽皮多糖对冰淇淋组织结构产生了更高的稳定性。

2.5 冰淇淋质构测定结果

表3 奇亚籽皮多糖质量浓度对冰淇淋质构特性的影响Table 3 Effect of chia seed coat polysaccharide on texture properties of ice cream

冰淇淋质构特性的测定主要包括弹性、硬度、黏附性及咀嚼性4 个指标。其中冰淇淋的硬度是当冰淇淋被施加外力时防止变形的力，是证明冰淇淋的结构性质好坏的指标之一[24]。由表3可以看出，随着奇亚籽皮多糖质量浓度的增加，冰淇淋的硬度随之降低。这可能由于奇亚籽皮多糖可以增加浆料的黏度，提高凝冻过程中充气能力，促使冰淇淋硬度降低[25-26]。一般冰淇淋硬度会受到冰淇淋浆料黏度及流变特性的影响，增加浆料黏度及降低浆料中溶质分子迁移率会影响浆料中冰晶的形成速度以及尺寸大小，进而影响冰淇淋硬度[27]。结果表明，冰淇淋硬度与浆料的表观黏度呈负相关。这与Kurt等[28]用木瓜籽粉制备冰淇淋的结果相似，由于木瓜籽粉的添加提高冰淇淋的黏度，从而导致冰淇淋硬度降低。黏附性主要反映了冰淇淋的黏性特性。实验测定结果与浆料流变黏度测定结果相符，当奇亚籽皮多糖质量浓度升高时，黏附性升高。弹性指标主要反映冰淇淋稳定特性。冰淇淋的弹性随着奇亚籽皮多糖质量浓度的升高而增大，这可能是因为奇亚籽皮多糖良好的凝胶特性，促使冰淇淋结构更加稳定[11]。咀嚼性一般是硬度体现，弹性的增加也会致使咀嚼性增大。综上所述，随着奇亚籽皮多糖质量浓度的升高，冰淇淋的质构特性得到进一步的改善。

2.6 冰淇淋的冷冻电子显微镜观察结果

如图4所示，奇亚籽皮多糖的添加量对冰淇淋的微观结构有显著影响。如图4A所示，空白样品其微观结构粗糙，呈杂乱状，以及有明显的白色颗粒状，原因可能是乳化剂及稳定剂加入量过少，胶体与乳粉粉颗粒不能很好地相容，乳粉脂肪颗粒不能均匀的分散于冰淇淋混料中，致使乳脂析出，从而抑制冰淇淋的膨胀率[28]。图4B～E显示，随着奇亚籽皮多糖质量浓度增加，冰淇淋的微观结构更加有序致密。这说明奇亚籽皮多糖可以起到一定乳化及稳定的作用，可能由于其良好的持水性、持油性及乳液稳定性[6]，有效改善冰淇淋混料的分散性，降低冰淇淋中油脂的表面张力，增强混料黏稠度，提高空气混入量，控制冰晶形成速度及大小，从而使冰淇淋质地更加有序、光滑与致密[9,29]。这一结果与质构分析及膨胀度的结果一致，且在质量浓度大于1.5 mg/mL时，冰淇淋微观结构呈现更加致密、整洁、有序的网络结构。

图4 不同质量浓度奇亚籽皮多糖冰淇淋的典型冷冻电镜图（×5 000）Fig.4 Typical frozen electron microscopic images of ice cream with different concentrations of chia seed coat polysaccharide (× 5 000)

2.7 冰淇淋的体视显微镜观察结果

冰淇淋中气泡大小以及均匀程度是决定冰淇淋结构的重要因素[30]。如图5A所示，空白样品的气泡直径较大，气泡数量较少，且分布不均匀，主要是因为缺少乳化稳定剂在凝冻过程中控制充气作用，从而影响冰淇淋浆料起泡性及膨胀率。当添加不同质量浓度奇亚籽皮多糖后（图5B～E），冰淇淋中气泡形态发生显著变化，其气泡数量增多，且分布更加均匀；当添加奇亚籽皮多糖的质量浓度达到2.0 mg/mL时，冰淇淋中气泡直径较均一，气泡密度增大，分布均匀，表明冰淇淋微观结构的稳性更好，这与冰淇淋冷冻电子显微镜观察结果一致。并且随着奇亚籽皮多糖质量浓度的增加，冰淇淋浆料的气泡形态及分布更加有规则，可能主要是奇亚籽皮多糖增加了浆料的黏度，使凝冻过程中乳粉脂肪附聚在气泡周围更加稳定，增加了冰淇淋的膨胀率[31]，同时，冰淇淋的气泡膨胀性影响热传导作用，进而降低冰淇淋融化率的结果[32]。

图5 添加不同质量浓度奇亚籽皮多糖对冰淇淋气泡分布的影响Fig.5 Effect of chia seed coat polysaccharide on the bubble size distribution of ice cream

3 结 论

本实验主要研究不同质量浓度的奇亚籽皮多糖对冰淇淋品质特性、结构特性以及浆料乳化稳定性的影响规律，探索奇亚籽皮多糖应用于冰淇淋中的潜能。结果表明，随着奇亚籽皮多糖质量浓度的增加，冰淇淋浆料的乳化稳定性及冰淇淋的膨胀率、表观黏度及质构特性（弹性、黏附性、咀嚼性）提高，融化率和硬度降低，冰淇淋中气泡分布更加均匀，气泡数量增多，气泡大小均一。当奇亚籽皮多糖添加量大于1.5 mg/mL时，冰淇淋具有较高的抗融性及乳化稳定性，且微观结构表现为有序致密的网络结构。与空白冰淇淋样品对比，无论是冰淇淋的品质特性、结构特性还是乳化稳定性等方面，添加奇亚籽皮多糖的冰淇淋都优于空白冰淇淋样品。综上所述，奇亚籽皮多糖是一种重要的新型食品原料，可使冰淇淋具有良好的质构特性、膨胀率、抗融性与乳化稳定性。将天然奇亚籽皮多糖应用于冰淇淋生产中，不仅可取代部分或全部乳化稳定剂，而且改善了冰淇淋固有的品质特征，同时为奇亚籽皮多糖应用于冰淇淋等冷饮食品中提供理论依据。