不同加工方式和蛋白組成下冰淇淋脂肪球低溫失穩研究

程金菊 王 東 李曉東

(1.東北農業大學食品學院， 哈爾濱 150030; 2.東北農業大學乳品科學教育部重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

均質和殺菌是冰淇淋生產中必不可少的工藝環節，對產品質量起到至關重要的作用。在實際生產中，一般是先對混合料進行殺菌，然后進行均質。如果均質設備的無菌狀態控制不當，將會嚴重影響冰淇淋的質量，因此，對于設備條件較差的企業，往往是先對混合料進行均質，然后進行殺菌。65℃、30 min是常用的殺菌強度[1]。然而，殺菌熱處理過程容易引起熱敏感蛋白結構的改變，進而導致蛋白質吸附特性的變化[2-3]，冰淇淋漿料攪打凝凍過程中，脂肪球的失穩作用受表面蛋白質和乳化劑吸附特性的影響，因此，加工工藝順序的不同可能會影響脂肪球的失穩作用和冰淇淋質構的形成過程。

牛乳或脫脂乳粉是冰淇淋生產中最主要的蛋白質來源。近年來，隨著食品工業的發展，乳清蛋白和大豆蛋白也被用作重要的蛋白質原料，用來部分替代乳蛋白，以降低產品的生產成本，增加產品多樣性和健康功能多樣性[4-5]。然而，乳清蛋白和大豆蛋白屬于球狀蛋白，相比于乳蛋白中的主要成分酪蛋白，對熱比較敏感。因此，在用乳清蛋白或大豆蛋白部分替代乳蛋白時，蛋白質結構和吸附特性的改變可能引起脂肪球失穩程度的變化。

冰淇淋結構的形成在很大程度上取決于脂肪球的部分聚結失穩。在攪打凝凍過程中，發生部分聚結失穩的脂肪鏈，形成貫穿于半固態產品的網絡結構，這種網絡結構能夠穩定充入氣泡，使混合料在擠壓過程中獲得較好的干爽度，從而使冰淇淋獲得較好的膨脹度和抗融性[6-8]。目前，尚未見殺菌和均質工藝順序不同對混合漿料中脂肪球失穩作用影響的研究報道。本文探究加工方式和蛋白質組成對脂肪球低溫失穩作用和冰淇淋質構的影響，為混合蛋白冰淇淋的開發提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫脂乳粉(Skimmed milk powder，SMP，33.4%蛋白質)，新西蘭恒天然集團；乳清濃縮蛋白(Whey protein concentrate，WPC，80%蛋白質)，美國Hilmar公司；大豆分離蛋白(Soy protein isolate，SPI，90%蛋白質)，哈高科大豆食品有限責任公司；椰子油，市購；蔗糖脂肪酸酯(SE)和羧甲基纖維素鈉(CMC)，丹尼斯克有限公司。

1.2 儀器與設備

NS1001L型高壓均質機，意大利Niro Soavi公司；K9840型凱氏定氮蒸餾儀，海能儀器股份有限公司；Malvern Kinexus型流變儀、Malvern 2000型粒度分析儀，英國Malvern公司；IC6308C型全自動冰淇淋機，上海客浦電器有限公司。

1.3 研究方法與指標測定

1.3.1冰淇淋漿料制備及冰淇淋生產工藝

冰淇淋含4%蛋白質、14%蔗糖、10%椰子油、0.3%蔗糖脂肪酸酯、0.25%羧甲基纖維素。調整SMP、SPI、WPC的質量，使蛋白質質量分數為恒定值(4%)。固形物含量利用乳糖進行調節，使非脂固形物含量一致。

根據課題組之前的研究結果[9]，當乳清濃縮蛋白與脫脂乳粉的蛋白質量比為7∶3以及大豆分離蛋白與脫脂乳粉的蛋白質量比為3∶7時，更利于冰淇淋結構的形成。故采用這兩種蛋白質組成來考察加工方式對脂肪球失穩作用的影響，分別記為SMP3WPC7和SMP7SPI3，以SMP作為對照。

采用均質前殺菌或者均質后殺菌兩種不同加工方式：①配料混合→殺菌(65℃,30 min)→均質(一級20 MPa，二級4 MPa)→老化(4℃，12 h)→攪打凝凍→硬化。②配料混合→均質(一級20 MPa，二級4 MPa)→殺菌(65℃,30 min)→老化(4℃，12 h)→攪打凝凍→硬化。以不殺菌處理作為對照。

1.3.2脂肪球粒度測定

采用Malvern 2000型粒度分析儀測定乳液中脂肪球粒度分布[9]。測定前，采用蒸餾水或2%十二烷基硫酸鈉(SDS)對樣品進行100倍稀釋。SDS能夠使結合作用弱的脂肪球分離，因此用于區分脂肪球之間的聚集度與部分聚結度[10]。聚集度表征脂肪球之間聚集在一起的水平，計算公式為

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

(1)

式中D4,3(water)——用水稀釋時乳液的粒度

D4,3(SDS)——用SDS溶液稀釋時乳液的粒度

部分聚結度表征脂肪球通過晶體形成脂肪鏈或者脂肪聚結體的程度，是不可逆變化過程，計算公式為

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

(2)

式中D4,3(SDS)WE——用SDS稀釋時攪打凝凍樣品的粒度

D4,3(SDS)E——用SDS稀釋時未攪打凝凍漿料的粒度

1.3.3脂肪球表面蛋白質吸附量測定

取一定質量乳液于30℃下離心(15 000g，60 min)，收集上層乳化相，對其中的蛋白質和脂肪進行定量分析[9]。計算脂肪球表面蛋白質吸附量的公式為

ρ=P/(FA)

(3)

式中ρ——表面蛋白質吸附量

P——蛋白質質量分數

F——脂肪質量分數

A——由粒度分析儀測得的脂肪球比表面積

1.3.4流變學性質測定

采用Malvern Kinexus型流變儀(錐板40 mm、2°)在4℃下對冰淇淋老化液進行剪切速率掃描(掃描速率0.01～100 s-1)。采用Herschel-Bulkley模型對其流變學參數進行擬合。Herschel-Bulkley方程可表示為

τ=τ0+Kγn

(4)

式中τ——剪切應力

τ0——屈服應力

γ——剪切速率

K——稠度系數

n——流體行為指數

1.3.5冰淇淋的膨脹率測定

冰淇淋的膨脹率計算公式為

OV=(m0-m1)/m1×100%

(5)

式中m0——攪打之前特定體積的冰淇淋漿料的質量

m1——攪打凝凍后同體積的冰淇淋質量

圖1 加工方式和蛋白質組成對脂肪球粒度分布的影響Fig.1 Effects of processing patterns and protein compositions on fat particle distribution

1.3.6冰淇淋的融化率測定

取硬化后的冰淇淋置于金屬網上，金屬網下面放置燒杯，在室溫(20℃)條件下融化冰淇淋，每10 min記錄一次燒杯內融化冰淇淋的質量，持續90 min，作融化質量(m)與時間(t)的曲線，該曲線的斜率即為冰淇淋的融化率，單位為g/(g·min)。

1.3.7冰淇淋微觀結構觀察

采用電子顯微鏡觀察融化狀態下冰淇淋的氣泡結構，利用Image J軟件分析氣泡直徑。

1.4 感官評價

冰淇淋的感官評價在25℃條件下進行，感官評價人員由具有正常感覺敏感度和食品專業背景的15名(女10名，男5名)專門小組成員組成，經培訓后對冰淇淋進行感官評價，包括：風味口感(0～10分，氧化及異味到非常好)；組織形態(0～5分，冰晶感到非常細膩)；色澤外觀(0～5分，色澤異常到非常好)。

1.5 數據統計

采用SPSS 20.0軟件進行數據方差分析(p<0.05)，繪圖采用Origin 9.2軟件。

2 結果與分析

2.1 脂肪球粒度分布

由圖1可知，SMP冰淇淋漿料的粒度分布不受加工方式的影響(圖1a)，均呈現單峰分布。SMP3WPC7的冰淇淋漿料(圖1b)，不經殺菌處理時粒度分布為單峰。采用均質前殺菌時，粒度仍呈現單峰分布，但是相比未殺菌處理，峰形向右移動，粒度增大。熱特性研究發現，乳清蛋白在加熱溫度為60℃時即開始變性[11]，還有研究表明，即使溫度未達到變性溫度，脂肪滴在均質破碎過程中會引起溫度瞬時增加，熱和壓力的雙重效應會引起乳清蛋白的變性，使蛋白質發生聚集[12]。同時，熱處理過程中，乳清蛋白中的β-乳球蛋白與酪蛋白膠束表面的毛發狀κ-酪蛋白能夠通過二硫鍵發生結合，β-乳球蛋白和α-乳白蛋白也能夠發生結合，形成蛋白質的聚集體[13]，蛋白質聚集體的產生可能導致蛋白質在脂肪球表面的吸附速率降低，從而使脂肪球粒度變大[14]。而采用均質后殺菌時，粒度呈雙峰分布，這是由于采用均質后殺菌引起脂肪球表面的蛋白質和連續相中未吸附蛋白質之間相互作用增強，從而使脂肪球通過橋連聚集連接在一起[15]。SMP7SPI3的冰淇淋漿料中(圖1c)，未經殺菌處理的脂肪球粒度呈單峰分布。大豆分離蛋白的主要組分7S和11S的變性溫度分別為68℃和85℃[2]，β-大豆伴球蛋白的變性溫度為63℃[16]。采用均質前殺菌導致其亞基解離[2]，并改變其界面活性，因此脂肪球粒度呈雙峰分布。而采用均質后殺菌，脂肪球粒度分布呈現3個峰，這說明均質后殺菌增強了脂肪球表面蛋白質和未吸附蛋白質的結合作用，進而促進了脂肪球的聚集。

漿料經過攪打凝凍后的粒度分布如圖1d～1f所示。可以看出，相比未攪打的漿料，3種蛋白質組成的冰淇淋經過攪打凝凍后，都在較大粒度范圍內(10～100 μm)出現了分布峰。這是由于脂肪球中的一部分脂肪發生了結晶，脂肪晶體刺破脂肪球以及相鄰脂肪球的界面膜，使脂肪球形成了不可逆的脂肪聚結體或者脂肪鏈[17-20]。

由表1可知，經過攪打凝凍之后，脂肪球的粒度比漿料粒度顯著增大，這說明脂肪球在攪打凝凍過程中發生了失穩，不同加工方式對于SMP的漿料和攪打乳液粒度以及攪打凝凍后失穩程度(聚集度和部分聚結度)沒有顯著影響(p>0.05)，但是對于SMP3WPC7和SMP7SPI3，均質后殺菌的冰淇淋漿料和攪打乳液的D4,3(water)以及脂肪球的聚集度和部分聚結度都要高于均質前殺菌處理，采用均質后殺菌處理時的部分聚結度分別為282.19%和252.70%。這說明采用乳清濃縮蛋白或大豆分離蛋白部分替代乳蛋白時，采用均質后殺菌更有利于脂肪球的低溫失穩。

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

圖2 加工方式和蛋白質組成對表面蛋白吸附量及蛋白質替代率的影響Fig.2 Effects of processing patterns and protein compositions on protein surface coverage and displaced rate of protein

2.2 蛋白質吸附特性

由圖2(圖中不同字母表示差異顯著，下同)可知，對于SMP冰淇淋漿料(圖2a)，加工方式不同并未引起脂肪球表面蛋白質吸附量的變化(p>0.05)；而對于SMP3WPC7和SMP7SPI3，相比于未殺菌，采用均質前殺菌和均質后殺菌這兩種加工方式都導致表面蛋白質吸附量增加，但是均質前殺菌引起的增加量較高。如前所述，這是由于在殺菌過程中，部分乳清濃縮蛋白和大豆分離蛋白變性導致了蛋白質聚集體的產生，增加了其在脂肪球表面的吸附量。這種結果與文獻[14]對乳清蛋白熱處理研究結果一致，證明均質前熱處理會增加脂肪球表面蛋白質吸附量。對酪蛋白和大豆蛋白的混合溶液熱處理研究發現，即使在95℃條件下，兩者也不會發生相互作用[21]，而β-大豆伴球蛋白在殺菌過程中發生解離，解離后能夠促進可溶性聚集體的形成[2,22]，這種可溶性聚集體增加了蛋白質的疏水性，促進其在脂肪球表面的吸附。

由圖2b可知，經過攪打凝凍之后，表面蛋白質吸附量降低，這是由于一部分蛋白質在凝凍攪打過程中被蔗糖酯競爭性解吸下來[23-24]。從圖2c中可以看出，對SMP3WPC7和SMP7SPI3，采用均質前殺菌和均質后殺菌，都降低了攪打凝凍后蛋白質的替代率。而采用均質前殺菌的加工方式，蛋白質的替代率要低于均質后殺菌，這與形成了蛋白質的聚集體有關。

2.3 流變學特性

由圖3a可知，3種蛋白質組成的冰淇淋漿料的黏度都隨著剪切速率的增加，呈逐漸下降的趨勢，因此，具有剪切稀化的特性。采用Herschel-Bulkley模型，對穩態剪切過程中的剪切應力和剪切速率進行擬合，發現擬合曲線參數R2>0.998，說明Herschel-Bulkley模型可準確地描述冰淇淋漿料的流變學行為。冰淇淋漿料的稠度系數和流體行為指數如圖3b、3c所示。由圖3b可知，SMP漿料的稠度系數不受加工方式的影響，而對于SMP3WPC7，未殺菌和采用均質前殺菌的加工方式沒有顯著性差異(p>0.05)。均質后殺菌的稠度系數高于均質前殺菌和未殺菌，這是由于均質后殺菌引起脂肪球的聚集造成的(圖1b)。對于SMP7SPI3，加工方式對漿料的稠度系數沒有顯著影響(p>0.05)。

圖3 加工方式和蛋白質組成對冰淇淋漿料流變學特性和參數的影響Fig.3 Effects of processing patterns and protein compositions on rheological property and parameters of ice cream emulsion

由圖3c可知，流體行為指數n為0～1，因此，冰淇淋漿料為假塑性流體。對于SMP而言，加工方式對流體行為指數未產生顯著影響，而在SMP3WPC7和SMP7SPI3的冰淇淋漿料中，均質后殺菌比均質前殺菌的n降低，剪切稀化作用更顯著，這是因為均質后殺菌引起的脂肪球聚集，使其在剪切過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溫失穩對冰淇淋質構形成的影響

圖4 加工方式和蛋白質組成對冰淇淋質構的影響Fig.4 Effects of processing patterns and protein compositions on texture of ice cream

冰淇淋的膨脹率如圖4a所示，采用乳清濃縮蛋白或大豆分離蛋白對乳蛋白進行部分替代后，其膨脹率增加。由圖2可知，對于SMP3WPC7和SMP7SPI3，脂肪球的表面蛋白質吸附量較SMP低，因此，連續相中的蛋白質含量較高，起泡性較強[27]，使冰淇淋的膨脹率提高。加工方式并未對SMP冰淇淋的膨脹率產生顯著影響(p>0.05)。而對于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋，相比于未殺菌，均質前和均質后殺菌均使膨脹率提高，造成這一結果是由于均質前殺菌熱處理使蛋白質疏水性增加，而均質后殺菌使脂肪球聚集，這些變化都有利于空氣泡充入后被更好地包裹，空氣泡體積增加，因此膨脹率增加。均質后殺菌的加工方式更有利于空氣泡的包裹，因此，膨脹率增加更為顯著(p<0.05)。

不同加工方式下冰淇淋的融化率如圖4b所示，SMP冰淇淋的融化率高于SMP3WPC7和SMP7SPI3；冰淇淋的融化特性與脂肪球部分聚結度密切相關，脂肪球發生部分聚結后，形成的脂肪鏈結構逐漸取代空氣泡周圍的蛋白質，并包裹在氣泡的周圍，增加攪打充入氣泡的穩定性，降低冰淇淋的融化率[28-29]。由表1可知，攪打凝凍后，脂肪球部分聚結度在SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋中高于SMP冰淇淋，因此，其抗融性更強。同時，由于均質前殺菌引起蛋白質發生變性聚集和攪打凝凍的蛋白質替代率降低，使部分聚結失穩作用減弱，因此，相比于未殺菌，均質前殺菌使SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋的融化率升高，而均質后殺菌未對融化率產生顯著性影響(p>0.05)。

冰淇淋的硬度如圖4c所示，SMP3WPC7和SMP7SPI3的硬度低于SMP，這是由于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋漿料的黏度高于SMP(圖3b)，較高的黏度阻礙了冰淇淋在儲藏過程中冰晶的生長。而對于同一蛋白組成的冰淇淋而言，不同加工方式間硬度無顯著差異(p>0.05)，這表明冰晶的生長特性未受到加工方式的影響。

冰淇淋的氣泡是維持冰淇淋結構的重要因素，從圖5可以看出，在SMP(圖5a～5c)冰淇淋中，采用均質后殺菌時(圖5c)，氣泡分布更為均勻，氣泡平均直徑為35 μm。在SMP3WPC7冰淇淋中(圖5d～5f)，不同加工方式下氣泡的分布情況無顯著區別，氣泡平均直徑為33 μm。在SMP7SPI3冰淇淋中(圖5g～5i)氣泡分布均勻，數量較多，氣泡尺寸較小，平均直徑為19 μm，均質后殺菌時大氣泡的數量更少(圖5i)，分布更為均一，這也證明該條件下其膨脹率更高。

綜上，對于SMP冰淇淋，其膨脹率、抗融性、硬度等質構特性不受加工方式的影響；對于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋，均質后殺菌能夠使其獲得更理想的質構特性。

圖5 冰淇淋的氣泡顯微鏡圖像Fig.5 Optical micrographs of air cells for ice cream

2.5 冰淇淋的感官評價

以上結果表明，采用均質后殺菌獲得的冰淇淋的質構特性更優，尤其在乳清濃縮蛋白和大豆分離蛋白對乳蛋白進行部分替代的配方組成中。因此，對采用均質后殺菌加工方式的冰淇淋進行感官評價，結果如表2所示。

表2 冰淇淋的感官評價結果Tab.2 Sensory properties of ice cream

感官評價總分為20分，評價標準參照國內外冰淇淋感官評價要求，SMP、SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋得分都高于17分。SMP冰淇淋具有較強的奶香味、無冰晶砂礫感、適口松軟、組織狀態細膩平滑、呈現淡黃色、形體優良；SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋的奶香味較弱，組織結構更為細膩，SPI的部分替代使冰淇淋具有輕微的豆香，色澤較白，兩者在組織形態和色澤外觀方面無顯著差異(p>0.05)。

3 結論

(1)在全部由乳蛋白(脫脂乳粉)組成的冰淇淋漿料中，均質前殺菌和均質后殺菌兩種加工方式對脂肪球粒度、失穩程度、表面蛋白吸附量以及流變學特性并未產生顯著影響。

(2)在用乳清濃縮蛋白和大豆分離蛋白對乳蛋白進行部分替代的混合蛋白冰淇淋漿料中，均質前殺菌引起蛋白質變性和聚集，均質后殺菌增大了脂肪球表面蛋白和未吸附蛋白間的相互作用，使脂肪球發生聚集。兩種加工方式均使脂肪球粒度增大、表面蛋白質吸附量增加和蛋白質替代率下降。相比均質前殺菌，采用均質后殺菌引起的脂肪球部分聚結失穩度更高，此時SMP3WPC7、SMP7SPI3兩種混合蛋白冰淇淋的部分聚結度分別為282.19%和252.70%，更有利于冰淇淋質構的形成，獲得的冰淇淋膨脹率、抗融性、氣泡均勻度更佳。