糖和糖醇對冰晶體大小的影響

陳東，蘇蕾，劉愛國

（1.天津市大橋道食品有限公司，天津300350；2.天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津300134）

冰晶體對于冰淇淋的組織結構起著關鍵性的作用。冰晶體大意味著冰淇淋質構粗糙，其小意味著質構細膩。最原始的冷凍飲品為冰棒，其制作方法很簡單。這種冰棒口感較硬，冰碴感較強，在微觀層面上，所顯示出的則是一整個冰面。隨著人們不僅僅滿足于解暑止渴，便開始添加蔗糖、飴糖，作為其中的原料，增加其口感。添加蔗糖、飴糖后，冰的微觀結構發生變化，整個冰面變成一個個的小冰晶（見圖1、圖2），這種冰晶狀態在口感上體現為有沙粒感、較為酥軟，易融化。隨著生活水平的提高，消費者對冷凍飲品又有新的要求。不僅要有口感，也要有一定的營養價值。基于此出發點，生產中開始添加葡萄糖。添加葡萄糖后，冰晶體的微觀結構又有所不同（見圖3）。添加葡萄糖的冷凍飲品冰晶體較蔗糖的大，且冰晶體的間隙較大，感官上則是冰碴感更強。基于口感與營養的需求，現市面上已開始采用功能性糖醇來提高口感和營養價值。無論是在微觀還是宏觀層面上，都能很好地滿足消費者的需求。以麥芽糖醇為例，在微觀方面，麥芽糖醇冰晶體小、間隙小；宏觀方面，口感細膩，無明顯的冰晶感（見圖4）。

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

圖2 15%飴糖形成的冰晶體（1 000倍）Fig.2 15%Ice crystals formed by caramel（1 000x）

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

圖4 13%晶體麥芽糖醇形成的冰晶體（1 000倍）Fig.4 13%Crystalline maltitol formed ice crystals（1 000x）

一般來講，沒有冰晶感的冷凍飲品的品質是較好的。這種感覺來源于制品中的冰晶體，溫度的波動對于冰晶體的生長也有著一定的影響[1]。在溫度波動的情況下，冰晶體也會相應變化，最終達到一個穩定的狀態。不同的冰晶狀態來源于不同的糖或糖醇。一些功能性糖醇逐漸走上市場，并受大家的青睞。像低聚果糖、L-阿拉伯糖、山梨醇、聚葡萄糖等，這些糖醇與蔗糖不同，具有一定的生理特性，能夠預防齲齒、降低膽固醇、提高營養價值等[2-8]。

在冰晶尺寸大小的研究上，Donhowe等[9]通過將光學顯微鏡放入冷凍室中測量冰晶尺寸；Ueno等[10]通過微切片圖像處理系統分析冷凍稀溶液的冰晶體三維形態和分布；Kopstad G等[11]通過數學關系分析，比較了理論上冰晶分布大小與實際冰晶分布大小的不同；Arellano M等[12]通過集電波反射測量技術在線測量冰凍果子露凍結期間的冰晶大小；Liou K N等[13]分析了冰水含量與冰晶大小的回歸關系；但關于糖及糖醇對冰晶的尺寸大小影響的研究鮮有報道。故本文通過冷凍顯微鏡模擬凍結環境，觀察及分析糖及糖醇在冷凍條件下的冰晶的組織結構。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

1.1.1 材料

麥芽糖醇晶體、麥芽糖醇、L-阿拉伯糖、木糖醇、低聚果糖、聚葡萄糖、山梨糖醇（食品級）：山東福田科技集團；飴糖（食品級）：山東魯州生物科技有限公司；果葡糖漿（食品級）：嘉吉食品有限公司；葡萄糖（食品級）：呼倫貝爾東北阜豐生物科技有限公司；蔗糖（二級）：湛江市金豐糖業有限公司。

1.1.2 儀器

BSA2201電子天平：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；攪拌器：德國IKA廣州儀科實驗室技術有限公司；SB-5200DT超聲波清洗機：寧波新芝生物科技股份有限公司；BX51冷凍顯微鏡：Olympus公司；BCS196冷臺：Linkam公司；HWS24型電熱恒溫水浴鍋：上海恒學儀器有限公司；BCD-211U電冰箱：海信（北京）電器。

1.2 方法

1.2.1 載玻片的預處理

結合邢高娃[14]的試驗方法，對載玻片進行預處理。載玻片放入盛有蒸餾水的燒杯中，將其置于超聲波清洗機中，時間設定為5 min，水溫設置為30℃，清洗之后用電吹風機吹干，將其放入小瓶中，備用。

1.2.2 配制糖溶液

本試驗均研究質量分數為13%的糖溶液。準確稱量39 g的糖（分別有蔗糖、葡萄糖、低聚果糖、L-阿拉伯糖、果葡糖漿、聚葡萄糖、麥芽糖醇晶體、麥芽糖醇液體、木糖醇、山梨醇、飴糖），加入蒸餾水300 mL，進行攪拌，置于電熱恒溫水浴鍋中，加熱至85℃，水浴10 min，結束后定容，靜置至室溫，敷上保鮮膜，置于4℃的電冰箱冷藏室中，冷藏12小時后，備用。

1.2.3 糖溶液的冰晶體測定

結合 Santachiara G[15]、Okita T I[16]、A.A.FLORES等[17]和Srinivasan D[1]的試驗方法。選用冷凍顯微鏡，其通過電腦相連接，以電子屏幕的形式觀察冰晶的變化情況。據Cook等[18]的靜態凍結方法，結合實際情況，對冰淇淋的生產狀態進行模擬。取2 μL左右的溶液，置于載玻片上，并蓋上蓋玻片。冷凍環境的初始溫度設為20℃，保證凍結環境的一致性；樣品以10℃/min的速度降至4℃，此時樣品的顯微系統開始記錄；接著以2℃/min的速度降至-25℃，觀察冰晶體形成的整體過程及記錄冰晶體形成的溫度；再以7℃/min升至-6℃，此時溫度環境的變化可以促進冰晶體的生長，并使樣品經歷急劇增長的再結晶；以6℃/min的速度降至-18℃，記錄下緩凍后的冰晶大小及狀態；最后以10℃/min的速度升至20℃，保證始末溫度環境一致。

2 結果與分析

冷凍顯微鏡通過對溫度進行控制進而模擬冰晶體形成的凍結環境，旨在使冰晶形成的環境與冰淇淋冰晶體形成的環境達到一致。在冰淇淋的實際加工生產中，冰晶的大與小、多與少直接影響到產品品質。因此，對糖醇冰晶大小的研究是極為必要的。

2.1 糖醇形成的冰晶體分析

試驗結果選取的圖案是糖醇溶液形成最穩定冰晶時的狀態。在試驗過程中，所選取的冰晶并不是其第一次瞬間形成的冰晶，第一次所形成的圖像是冰晶與冰晶累積的結果，無法對單個冰晶進行整體分析。采用緩凍的方式，通過升溫再降溫，融化冰晶重疊面，使冰晶的整體形態具體化后再凍結，進而呈現出所看到的冰晶。在冰晶體形成之后，對冰晶體進行了分類，主要有：較大冰晶（見圖5和圖6）、中等冰晶（見圖7和圖8）和較小冰晶（見圖9和圖10）三類。

2.1.1 形成較大冰晶體的糖醇

在水凍結的過程中，有一部分水被凍結成冰晶體，有一部分沒有凍結成冰晶體，這部分自由水吸附到凍結好的冰晶體上就形成了大冰晶[19]見圖5和圖6。

如圖5所示，L-阿拉伯糖形成的冰晶體較大，分布均勻，冰晶體的規則程度較高，冰晶間隙明顯。如圖6所示，木糖醇形成的冰晶體較大，分布不均，且冰晶的規則程度不高，以大冰晶為主，同時，冰晶間的間隙很大，能夠清楚地觀察到冰晶的輪廓，透亮度較高。目前，有關于L-阿拉伯糖應用于冷食制品的研究[20-22]，但是木糖醇應用于冷食制品鮮有報道[23-24]，多用于飲料及口香糖等食品中。

2.1.2 形成中等冰晶體的糖醇

中等冰晶見圖7和圖8。

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

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

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

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

如圖7所示，低聚果糖形成的冰晶體分布不均勻，較為密集，排列雜亂，細小冰晶體較多。冰晶以大冰晶為主，冰晶不夠透亮。低聚果糖，一種功能性甜味劑，針對不同人群具有不同的生理效果。因此，使用廣泛。低聚果糖的分子結構是由蔗糖和果糖基通過果糖基間的特殊化學鍵連接起來的[25]。低聚果糖中含有氫鍵，但氫鍵較少，且其強度較低，形成的冰晶體較大。

如圖8所示，山梨醇形成的冰晶體以小冰晶體居多，但冰晶體的規則程度較為一致，間隙較為明顯，能夠很清楚地看清冰晶體的輪廓。山梨醇，是一種六元醇，它含有六個羥基，具有親水性的羥基會緊合自由水，緊合能力較強。隨著溫度的不斷降低，山梨醇溶液逐漸形成如圖所示的冰晶，這樣的冰晶大小可用于類似于冰棍之類的冷凍飲品中[26]。

低聚果糖和山梨醇所呈現出的冰晶適中，可使用于冷凍飲品中，并能保證其良好的品質。將低聚果糖使用其中，還能提高制品的營養價值[27]，達到兩全其美的效果。山梨醇有較強的清涼感且易吸收，將其使用于冷凍飲品中，能使其口感、風味達到事半功倍的效果[28]。同時，其代替蔗糖還具有減肥的功效。

2.1.3 形成較小冰晶體的糖醇

較小冰晶見圖9和圖10。

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

圖10 麥芽糖醇晶體冰晶圖（1 000倍）Fig.10 Crystallogram of maltitol crystals（1 000x）

如圖9所示，聚葡萄糖所形成的冰晶體最小、分布較為集中，以小冰晶體居多，冰晶間的間隙較為明顯。聚葡萄糖具有高度分支的復雜結構，其是由小分子隨機聚合而成的，由于具有不同的聚合度，分子量也相應不同，分子量以162 Da～5 000 Da居多[29]。

如圖10所示，晶體麥芽糖醇形成的冰晶體分布較為均勻，冰晶間隙清晰可見，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，適合用于冰淇淋的生產中。麥芽糖醇，分子量為344.31 Da，其有著其獨特的生理特性，如預防齲齒、對鈣吸收有著一定的促進作用、不會產生肥胖[30]等。由于麥芽糖醇的甜度較接近于蔗糖，所以其可作為功能性甜味劑獨立使用于冰淇淋的加工中，從而替代蔗糖[31-32]。

2.2 冰晶數據處理

純水的冰點為0℃，冷凍后會隨機形成六角形狀。純水在冷凍和凍結的速度較為緩慢的情況下，液態水可能進一步過冷。與此同時，過冷水中會含有許多強四聚體氫鍵水分子[33]。隨著溫度的降低，冰晶結構會不斷擴大，甚至有可能在瞬間形成大的冰面。但這樣的結構不會輕易形成六面體冰晶體[34]。

由于冷凍飲品凍結溫度一般在-20℃左右，試驗選取和分析的是-18℃時形成的冰晶體。使用的儀器是帶有照相功能的冷凍顯微鏡。通過照片的呈現，可以很細致地觀察冰晶變化的整體過程。在溫度波動的過程中，通過改變糖醇溶液凍結速度來擴大冰晶蔓延面[35]。在實際生產過程中，冰晶體對冰淇淋的質量影響極大，直接決定著冰淇淋的品質。比如軟冰淇淋，希望冰晶體越小越好。

ipwin32軟件對冰晶圖片進行進一步篩選和處理，可得到糖醇的冰晶尺寸數據，結果見表1。

表1 各種糖醇形成的冰晶體參數Table 1 Ice crystals formed from various sugar alcohols

冰晶體的面積和平均直徑可以很直觀地反映出冰晶體的大小，縱橫比可以反映出冰晶體的尺寸規則程度。形成冰晶越小的糖醇應用于冰淇淋中，其質地會更細膩、口感更光滑。在對這11種糖醇所形成的冰晶體測定之后，根據數據分析，發現所有試驗數據基本都會落在一條曲線上。在冰晶大小方面，從冰晶表面到冰晶中心是有一個梯度的[36]。從表1中可以看出，晶體麥芽糖醇、聚葡萄糖形成的冰晶體是最小的。

3 結論

通過試驗及數據分析，發現聚葡萄糖和晶體麥芽糖醇所形成的冰晶體尺寸是最小的。由于聚葡萄糖的甜度極低，其可以與其他甜味劑復配應用于冷凍飲品中[37]。對糖及糖醇所形成的冰晶體大小的研究，旨在為冷凍飲品選取甜味料種類提供參考與依據，進而選擇與之相對應的糖或糖醇。具有特殊生理功能的冷凍飲品不僅可以滿足大眾對甜食的需求，而且對身體也不會產生副作用[38]。如今，有的冰淇淋配料已經用麥芽糖醇替代了蔗糖，可見大眾已經意識到功能性甜味劑的重要性。這些安全的功能性甜味劑可以作為一種至關重要的食品配料用于生產低熱量、高營養的功能性產品，以供兒童、糖尿病病人等特殊人群使用[39]。