超高压处理对冰淇淋浆料及其成品品质的影响

刘容旭，王语聪，谢智鑫，张长戈，赵子伟，刘丹怡*，韩建春，*

（1.黑龙江省绿色食品科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150028；2.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

冰淇淋是以牛奶、奶粉、奶油、白砂糖、稳定剂和乳化剂为主要原料，经混合、均质、灭菌、冷却、老化、凝冻、硬化等一系列生产工艺制成的一种含气泡、冰晶和脂肪液滴的冷冻乳制品[1]。在冰淇淋生产过程中，老化是将混合料在低温下冷藏一定时间，使其在物理上成熟的过程[2]，以便脂肪凝结物、蛋白质和稳定剂发生水合作用，提高浆料的粘度和凝冻时的膨胀率，因此老化工艺在一定程度上决定着产品品质。

超高压技术（ultra-high pressure，UHP）是一种新型的食品加工技术，其作用于蛋白质分子中的氢键、疏水键、离子键等非共价键，能够短时间内把压力均匀传输至蛋白质分子体系中，具有成本低且效率高等优点[3]。国外已有研究表明，酪蛋白在经过超高压处理后，在肠道中能够更容易被消化吸收[4]；同时也可添加到婴幼儿配方乳粉中，提高其吸收消化性。SØRENSEN等[5]的研究发现，适当地延长保压时间和提高压力可以提高酪蛋白稳定性。刘立增等[6]的研究发现，动态超高压能破坏酪蛋白的胶束结构进而影响其功能性，且处理后的酪蛋白经酶解后，水解度、固形物得率和游离氨基酸含量均有所提高。

超高压技术处理冰淇淋浆料能快速打开酪蛋白分子间的非共价键，加速其水合作用，使得冰淇淋浆料中的脂肪快速凝固结晶，形成均匀的小冰晶体[7]。姜雪等[8]的研究发现用超高压处理乳酪、冰淇淋等乳制品后，其凝乳时间可缩短50%～60%，同时可减少形成凝结物的凝乳数量，超高压处理后使得冰淇淋大冰晶数量减少，从而提高了冰淇淋膨胀率。

因此，本试验选取3种常用的冰淇淋稳定剂（卡拉胶、黄原胶、塔拉胶），采用超高压处理技术，在不同压力条件下处理酪蛋白和多糖分子稳定剂复合体系，通过比较冰淇淋浆料在老化处理和超高压处理条件下其乳化性、乳化稳定性、粘度、粒径和荧光强度的变化，以及所制得冰淇淋成品硬度、膨胀率、融化率的变化，研究超高压处理浆料对冰淇淋品质的影响，为扩展超高压技术在食品加工中的应用提供理论性的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱脂乳粉、椰子油：内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司；蔗糖、单甘脂、蔗糖酯：市售；卡拉胶、黄原胶、塔拉胶：丹尼斯克集团；大豆油：哈尔滨九三集团；十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）（分析纯）：上海伊卡生物有限公司；罗丹明B（分析纯）：天津市致远化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

超高压处理设备（UHP-50a）：沈阳人和设备有限公司；Delonghi全自动冰淇淋机（ICK5000）：德国Martin Christ公司；电热恒温水浴锅（DK-98-1）：天津市克兰斯仪器公司；电子分析天平（ALC-310.3）：北京利多奥仪器有限公司；高速均质机（T25）：艾卡（广州）仪器设备有限公司；TA-XT2i型质构仪（TA-XT plus）：英国SMS公司；粒度电位分析仪（Nano-ZS）：英国Malvern公司；高剪切混合乳化机（BME100L）：上海雷磁新径仪器有限公司；荧光分光光度计（F-4500）：日本日立公司；生物显微镜（BS203）：上海颖实达仪器制造有限公司；旋转粘度计（NDJ-8S）：上海平轩科学仪器有限公司；马尔文粒度电位分析仪（Zetasizer Nano ZS90）：上海思百吉仪器系统有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 冰淇淋基础配方

脱脂乳粉15%、稀奶油8%、蔗糖15%、单甘脂0.05%、蔗糖酯0.05%、卡拉胶添加量0.15%、黄原胶添加量0.15%、塔拉胶添加量0.15%。

1.3.2 老化和超高压两种处理方式生产冰淇淋工艺

工艺流程见图1。

图1 老化和超高压两种处理方式生产冰淇淋工艺流程Fig.1 Process flow chart of ice cream production by aging and ultra-high pressure treatment

冰淇淋生产工艺参照李少华等[9]的方法并稍作修改。将1.3.1中的原料与水按照配方比例进行混合，混料温度通常在40℃～50℃。将混合后的原料进行双段式均质处理。灭菌、冷却后，进行对照试验，一部分经过老化工艺处理，即2℃下静置24 h；一部分在常温下进行超高压处理，压力选择分别为50、100、150 MPa和200MPa，时间均为60 min。将老化和超高压处理后的冰淇淋浆料进行乳化性和乳化稳定性、粘度、粒径及荧光强度趋势测定；然后进行凝冻、硬化等工序，得到的冰淇淋成品进行硬度、膨胀率、融化率等指标的测定。

1.3.3 乳化性及乳化稳定性的测定

采用Du等[10]的方法并稍加改动。分别量取以单独添加质量浓度均0.1%的卡拉胶、黄原胶、塔拉胶为稳定剂的冰淇淋浆料8 mL，加入2 mL大豆油于离心管中，设定高速均质机的转速为15 000 r/min，搅拌油水混合液2 min。匀浆停止后，立即用10 μL微量进样器从离心管底部取液体0.5 μL，用0.1%SDS溶液稀释100倍，混匀后测其在500 nm波长处的吸光度。10 min后，再从离心管底部吸取液体测其吸光度。乳化性（emulsionactivityindex，EAI）和乳化稳定性（emulsion stability index，ESI）计算公式如下。

式中：C为样品浓度，g/L；Φ为油相比例；A0为样品初始吸光度；N为稀释倍数；A10为样品放置10 min后的吸光度。

1.3.4 粘度的测定

粘度采用旋转粘度计测定[11]。分别测定老化对照组（2℃下静置24 h）的冰淇淋浆料粘度和经不同压力（50、100、150、200 MPa）超高压处理 60 min 后的冰淇淋浆料粘度，选用1号转子，转速为6 r/min。

1.3.5 ζ-电势和粒径的测量

参照Jiang等[12]的方法并稍作修改。分别取老化处理后和超高压处理后的冰淇淋浆料100 μL，利用0.1 mol/L、pH7.0的磷酸盐缓冲溶液将其混匀稀释250倍，再注入到弯曲毛细管中，在常温下利用马尔文粒度电位分析仪测定样品的粒径。

1.3.6 内源荧光光谱分析

参照Kim等[13]的方法稍作改动。取老化处理后和经超高压处理后的冰淇淋浆料100 μL，利用0.1 mol/L、pH7.0的磷酸盐缓冲溶液将其混匀稀释25倍，参数设定：激发波长为295 nm、发射波长为200 nm～900 nm、狭缝宽度为5 nm、电压为400 mV。

1.3.7 硬度的测定

参照Topcu[14]的方法测定样品的硬度。利用质构仪的检测探头两次下压测定冰淇淋的质地特征曲线，样品为经老化处理和超高压处理后硬化两周的冰淇淋，每个样品均进行3次平行测定。参数设定：测试前探头的下降速度为2 mm/s、测试速度为3 mm/s、测试后探头回程速度为5 mm/s、测试距离为20 mm、触发力为20×10-2N，探头类型为 P/6。

1.3.8 膨胀率的测定

冰淇淋凝冻前后分别量取100mL冰淇淋乳状液和100 mL冰淇淋成品进行称重[15]，膨胀率计算公式如下。

1.3.9 融化率的测定

准确称取一定质量的冰淇淋样品，置于孔径为0.833 mm的不锈钢筛网上，在温度20℃、相对湿度75%的条件下静置1 h，精确称量融化的冰淇淋样品质量[16]。融化率的计算公式如下。

1.4 数据处理

每组试验重复3次，结果以平均值±标准差表示。数据统计分析采用SPSS 20软件，在p值小于0.05水平上进行显著性差异分析，利用Origin 8.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 老化和超高压处理对冰淇淋浆料乳化性及乳化稳定性的影响

EAI和ESI是反映冰淇淋浆料乳化性质的重要指标，浆料的乳化性越好，生产出来的冰淇淋口感和组织形态越好。若要形成乳化性较好的冰淇淋浆料，需要挑选合适的稳定剂。老化和超高压两种处理方式对以卡拉胶、黄原胶、塔拉胶3种多糖分子为稳定剂的冰淇淋浆料乳化性及乳化稳定性的影响见图2。

图2 老化和超高压处理对冰淇淋浆料乳化性的影响Fig.2 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on emulsifiability of ice cream slurry

由图2可知，除150 MPa压力下，3种稳定剂制得的冰淇淋浆料在同一压力处理条件下的乳化性EAI差异均显著（p＜0.05）。与老化组相比，添加卡拉胶的浆料乳化性在 50 MPa～150 MPa条件下差异显著（p＜0.05），添加黄原胶的浆料乳化性在压力为50 MPa～200MPa条件下差异显著（p＜0.05），添加塔拉胶的浆料乳化性在50 MPa条件下差异不显著（p＞0.05），但在100 MPa～200 MPa条件下差异显著（p＜0.05）。添加黄原胶和塔拉胶的浆料乳化性在150 MPa时达到最高值，添加卡拉胶的浆料乳化性与在100 MPa时乳化性差异不显著（p＞0.05），说明超高压能够提升浆料的乳化性，其可能的原因为乳化性代表的是蛋白质吸附在油水界面的能力[17]，由于压力的作用，酪蛋白分子发生降解，极性侧链基团水合的作用增强，使得冰淇淋中酪蛋白伸展，内部基团暴露得更彻底，亲水性增强。当压力达到150 MPa时，酪蛋白分子更快地吸附到油水界面，从而提高了冰淇淋浆料的乳化性。

乳化稳定性是指酪蛋白和多糖分子胶体吸附在油水界面的能力。老化和超高压处理对冰淇淋浆料乳化稳定性的影响见图3。

图3 老化和超高压处理对冰淇淋浆料乳化稳定性的影响Fig.3 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on emulsification stability of ice cream slurry

由图3可知，3种稳定剂制得的冰淇淋浆料在相同压力处理条件下差异均显著（p＜0.05）。与老化组相比，除150 MPa的条件下，添加卡拉胶和塔拉胶浆料的乳化稳定性差异显著（p＜0.05）。与老化组相比，添加黄原胶的浆料乳化稳定性在50 MPa～150 MPa条件下差异显著（p＜0.05）。200 MPa时，卡拉胶、黄原胶和塔拉胶制得的冰淇淋浆料乳化稳定性均达到最大值，分别为97.9%、95.5%、99%。这是因为在超高压的作用下，酪蛋白和大分子多糖会快速形成较厚的亲水界面层，且随着压力的增加，复合体系粘度也增加，有效降低了油水界面的张力；同时蛋白质分子亚基间形成了二硫键，进而提高冰淇淋浆料的乳化稳定性。

2.2 老化和超高压处理对冰淇淋浆料粘度的影响

老化和超高压两种处理方式对以卡拉胶、黄原胶、塔拉胶3种多糖分子为稳定剂的冰淇淋浆料粘度的影响见图4。

图4 老化和超高压处理对冰淇淋浆料粘度的影响Fig.4 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on viscosity of ice cream slurry

由图4可知，在相同压力处理条件下，3种稳定剂的冰淇淋浆料粘度差异均显著（p＜0.05）。与老化组相比，添加卡拉胶和黄原胶浆料的粘度在50 MPa～200 MPa条件下差异显著（p＜0.05），添加黄原胶的浆料粘度在150 MPa和200 MPa条件下差异不显著（p＞0.05）。压力为100 MPa～200 MPa时，与老化组相比，添加塔拉胶的浆料粘度均显著上升（p＜0.05）。在150 MPa时，卡拉胶和塔拉胶制得的冰淇淋浆料粘度均达到最高值，分别为2 404.36 mPa·s和 1 900.65 mPa·s。分析原因一方面为酪蛋白分子经超高压处理后，较大的酪蛋白颗粒被降解成许多小的亚基颗粒分子，使酪蛋白分子在整个体系中所占体积分数增加，因此粘度与浆料的乳化稳定性成正比；另一方面超高压处理使酪蛋白分子和多糖分子之间的相互作用增强，与水分子结合能力增强，提高了浆料复合体系的水化作用[18]。但压力过高，浆料中的脂肪液滴聚合程度加强，脂肪球变大，而酪蛋白分子颗粒直径几乎不再变化，导致粘度会下降。

2.3 老化和超高压处理对冰淇淋浆料粒径分布的影响

老化和超高压两种处理方式对以卡拉胶、黄原胶、塔拉胶3种多糖分子为稳定剂的冰淇淋浆料粒径分布的影响见图5～图7。

图5 老化和超高压处理对卡拉胶冰淇淋浆料粒径分布的影响Fig.5 Effect of aging and ultra-high pressure treatment on particle size distribution of the ice cream slurry prepared with carrageenan as the stabilizer

图6 老化和超高压对黄原胶冰淇淋浆料粒径分布的影响Fig.6 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on particle size distribution of the ice cream slurry prepared with xanthan gum as the stabilizer

图7 老化和超高压处理对塔拉胶冰淇淋浆料粒径分布的影响Fig.7 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on particle size distribution of the ice cream slurry prepared with tara gum as the stabilizer

由图5～图7可知，经超高压处理的添加不同稳定剂制成的冰淇淋浆料相比于老化组朝着粒径减少的方向移动。以图7塔拉胶冰淇淋浆料为例，当压力达到150 MPa时，酪蛋白分子颗粒平均粒径达到最小值。这是由于经超高压处理后的酪蛋白分子颗粒较小、体积分数集中且出现单一峰，这说明在一定的范围内增加压力可以提高超高压处理的效率，同时因为冰淇淋浆料中包含两种相，分别为酪蛋白与多糖的复合体系和独立的不含有大分子物质层，导致在存放期间会发生两相分离，所以粒径分布会出现双峰的现象。程凯丽等[19]的研究表明，高压处理后的β-乳球蛋白（β-LG）分子通过二硫键会发生聚集，蛋白的巯基含量和疏水性均增加，不同压力处理后的蛋白所带电荷不同，整体电势绝对值是随压力的增加而增加，这与本试验压力在150 MPa为最适压力的结果一致。同时超高压处理浆料，能很好地防止液滴之间聚集[20]。因此，随着压力的升高，浆料颗粒平均粒径变小，乳化能力较强，这与前面乳化性的研究结果相吻合。

2.4 老化和超高压处理对冰淇淋浆料荧光强度的影响

老化和超高压两种处理方式对以卡拉胶、黄原胶、塔拉胶3种多糖分子为稳定剂的冰淇淋浆料荧光强度的影响见图8～图10。

图8 老化和超高压处理对卡拉胶冰淇淋浆料荧光光谱的影响Fig.8 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on fluorescence spectra of the ice cream slurry prepared with carrageenan as the stabilizer

图9 老化和超高压处理对黄原胶冰淇淋浆料荧光光谱的影响Fig.9 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on fluorescence spectra of the ice cream slurry prepared with xanthan gum as the stabilizer

图10 老化和超高压处理对塔拉胶冰淇淋浆料荧光光谱的影响Fig.10 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on fluorescence spectra of the ice cream slurry prepared with tara gum as the stabilizer

由图8～图10可知，卡拉胶、黄原胶和塔拉胶制成的冰淇淋浆料在压力为200MPa时，其荧光强度均达到最大值，其中卡拉胶冰淇淋浆料荧光强度最大为1234，并且高于老化组冰淇淋浆料的荧光强度，但是可以看出超高压处理对不同多糖胶体稳定剂的冰淇淋浆料荧光强度影响的变化程度不大。分析其原因：随着超高压压力的升高，冰淇淋原料中酪蛋白分子肽链展开，酪蛋白分子空间构象发生不同程度的变化；同时蛋白质分子会发生去折叠[21]，疏水性基团侧链会重新进行排列，经超高压处理后的酪蛋白分子与老化组相比有着更疏松的空间结构。酪蛋白分子中的色氨酸（Trp）在受到激发后具有发射较强内源荧光的能力，因此当压力达到200 MPa时，越来越多的Try残基明显暴露[22]，其荧光强度明显高于老化过程冰淇淋浆料的荧光强度。

2.5 老化和超高压处理对冰淇淋硬度的影响

老化和超高压两种处理方式对以卡拉胶、黄原胶、塔拉胶3种多糖分子为稳定剂的冰淇淋浆料制得的冰淇淋成品硬度的影响见表1。

表1 老化和超高压处理对冰淇淋硬度的影响Table 1 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on hardness of ice cream

硬度是由酪蛋白分子聚集程度、蛋白质和多糖结合水能力来决定的。如表1所示，除了老化组，在50 MPa～200 MPa条件下，3种稳定剂冰淇淋的硬度差异显著（p＜0.05），且在老化组中添加黄原胶制得的冰淇淋硬度显著低于添加卡拉胶及塔拉胶制得的冰淇淋硬度（p＜0.05）。与老化组相比，压力为 50 MPa～200 MPa时，添加3种稳定剂的冰淇淋硬度差异显著（p＜0.05）。其原因可能是酪蛋白分子和多糖胶体分子经超高压处理后，酪蛋白分子断裂，大量疏水位点开始聚集[23]，游离巯基含量增加，相邻巯基之间发生氧化反应形成了大量的二硫键，酪蛋白分子在二硫键、压力等作用下产生了变性，结合水的能力提高，冰淇淋硬度明显增加。

2.6 老化和超高压处理对冰淇淋膨胀率的影响

影响冰淇淋膨胀率的因素有很多，比如老化条件、原料配比、冰淇淋浆料的凝聚性等，膨胀率的高低决定了冰淇淋组织形态的优劣。老化和超高压两种处理方式对以卡拉胶、黄原胶、塔拉胶3种多糖分子为稳定剂的冰淇淋浆料制得的冰淇淋成品膨胀率的影响见图11。

图11 老化和超高压处理对冰淇淋膨胀率的影响Fig.11 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on expansion rate of ice cream

由图11可知，在同一压力条件下，老化组中添加塔拉胶制得冰淇淋的膨胀率显著低于添加卡拉胶及黄原胶制得冰淇淋的膨胀率（p＜0.05）；压力为50 MPa～150 MPa时，添加卡拉胶、黄原胶及塔拉胶冰淇淋膨胀率差异均不显著（p＞0.05）；压力为200 MPa时，添加卡拉胶制得冰淇淋的融化率显著高于黄原胶及塔拉胶（p＜0.05）。压力为150MPa和200MPa时，添加卡拉胶的冰淇淋膨胀率显著高于老化组（p＜0.05）。除了100MPa，与老化组相比，添加黄原胶的冰淇淋差异显著（p＜0.05）。添加塔拉胶的冰淇淋膨胀率在150 MPa和200 MPa条件下显著高于老化组及50、100 MPa处理组（p＜0.05）。当压力达到200 MPa时，由卡拉胶制成的冰淇淋膨胀率达到最大值50.69%，而老化处理的冰淇淋膨胀率仅仅达到31.07%，超高压处理冰淇淋浆料对其成品品质要比老化处理效果更好。分析其原因为超高压处理加快了酪蛋白分子非共价键水合作用[24]，从而提高了乳状液的起泡性，使得空气能很好地混入其中，降低界面张力，使冰淇淋膨胀率明显提高。

2.7 老化和超高压处理对冰淇淋融化率的影响

老化和超高压两种处理方式对以卡拉胶、黄原胶、塔拉胶3种多糖分子为稳定剂的冰淇淋浆料制得的冰淇淋成品融化率的影响见图12。

图12 老化和超高压处理对冰淇淋融化率的影响Fig.12 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on melting rate of ice cream

由图12可知，在老化处理和50 MPa处理时，3种稳定剂制得冰淇淋融化率差异不显著（p＞0.05），但在100 MPa时，添加卡拉胶的冰淇淋融化率显著低于黄原胶（p＜0.05），且与塔拉胶差异不显著（p＞0.05）。添加黄原胶冰淇淋融化率在150 MPa时显著高于添加卡拉胶和塔拉胶冰淇淋融化率（p＜0.05），添加塔拉胶冰淇淋融化率在200 MPa时显著高于添加卡拉胶和黄原胶冰淇淋融化率（p＜0.05）。压力为 50 MPa～150 MPa时，3种稳定剂制得的冰淇淋融化率整体均呈下降的趋势。在150 MPa和200 MPa条件下的融化率显著低于老化组及 50、100 MPa处理组（p＜0.05）。其中黄原胶在150 MPa时的融化率显著高于 200 MPa（p＜0.05）。压力为150 MPa时，由卡拉胶制成的冰淇淋融化率达到最低值，为51.09%。这是因为胶体的添加更好地避免了冰淇淋在冻结时出现粗大的冰结晶，有助于使混入的空气均匀分布，使体系的气泡保持能力增加，而气泡是热不良导体，从而获得更佳的抗融效果，但融化率过低，会影响冰淇淋的风味物质释放，冰淇淋口感不好[25]。

3 结论

本试验以老化处理作为对照，分别以卡拉胶、黄原胶和塔拉胶多糖胶体稳定剂制得冰淇淋浆料，经超高压处理后所得的冰淇淋成品品质均有所改善。冰淇淋浆料的乳化性、乳化稳定性、粘度，冰淇淋成品的硬度、膨胀率均随压力的变化而变化，试验结果得出3种稳定剂制得的冰淇淋浆料及其成品在150 MPa处显著优于老化组（p＜0.05）；内源荧光光谱分布进一步证明压力对冰淇淋乳化性的提高有着重要作用。综上得出以卡拉胶为稳定剂制得的冰淇淋浆料在经压力为150 MPa、时间60 min处理后可以有效地改善冰淇淋组织形态和物理稳定性，同时为后续研究超高压缩短老化时间的作用机理提供初步的理论基础。