蛋清基脂肪替代品對冰淇淋的理化性質及微觀結構的影響

張 慧，蔣 艷，吳少福，涂勇剛，楊玲玲，徐明生*

（江西農業大學 江西省天然產物與功能食品重點實驗室，江西 南昌 330045）

冰淇淋主要由氣泡、脂肪顆粒和冰晶網絡三組分構成[1-2]。冰淇淋中的脂肪是影響產品口感、風味和理化性質的主要成分，與其他成分相互作用，以產生良好的質地、口感、乳脂感和整體滑膩感[3]。高品質的冰淇淋通常含有較多的脂肪，而高脂肪同時會帶來高熱量。因此，消費者開始對降脂或低脂肪冰淇淋產生興趣。然而，直接減少脂肪含量會使產品的口感和質量變差，并且與普通冰淇淋相比，降脂或低脂冰淇淋可能具有抗融化和不可接受的質地問題，如粗燥、結冰和風味的缺陷。因此，冰淇淋制造商已經采用乳脂替代品的做法，以生產出滿足注重健康消費者需求的產品。

冰淇淋脂肪替代品通常是由多糖或蛋白質組成的親脂型顆粒。多糖類脂肪替代品廣泛用作產品增稠劑，增加厚度感知[4]。如用糯米淀粉制備的脂肪替代品應用到冰淇淋中，冰淇淋漿液的黏度提高，但硬度降低，含有2%糯米淀粉的低脂冰淇淋與中脂冰淇淋的感官最接近[5]。Dogan等[6]研究了用不同濃度的黃原膠制備的冰淇淋混合物的穩定和動態剪切性質，含有黃原膠的冰淇淋樣品具有強的凝膠狀大分子分散體。蛋白質型脂肪替代品在冰淇淋系統的乳化、攪打和水結合方面起重要作用。它們有助于在混合物中形成氣泡，并且由于其保水的能力，它增加了混合物的黏度并延遲了融化時間[7]。目前，蛋白質為基質的脂肪替代品研究較多的有大豆蛋白、乳清蛋白和牛奶蛋白，比如以牛奶蛋白為基質脂肪替代品，制備的低脂冰淇淋有更高的黏度和硬度[3]；低脂冰淇淋中添加濃縮牛乳蛋白基脂肪替代品，其膨脹率無顯著變化，但是與全脂冰淇淋相比其融化率低，黏度大[8]；大豆蛋白與黃原膠混合，通過酶水解和熱剪切處理產生在減脂冰淇淋中應用的脂肪替代品，適量的添加脂肪替代品有利于冰淇淋的結構化[9]。

蛋清蛋白具備良好的起泡性和膠凝性同時富含多種蛋白質，熱變性中蛋白質緊密結構變得松散，疏水性基團被暴露，經高速剪切后，形成類脂肪的微粒[10]。早期研究脂肪替代品用牛乳蛋白和蛋清蛋白為原料，制備的產品類似奶油的口感應用于一系列乳酸品中[11]。之后有學者也報道過利用蛋清基脂肪替代品降低蛋黃醬中脂肪含量，但會影響蛋黃醬的顏色和外觀[12]。而目前研究以蛋清蛋白基脂肪替代品在冰淇淋中應用相對較少。因此，本實驗主要目的是研究蛋清蛋白基脂肪替代品在冰淇淋生產中的應用。通過對冰淇淋理化性質的測定，從而確定降脂后的冰淇淋配方中脂肪替代品的最佳用量。為以蛋清為基質的脂肪替代品在冰淇淋中的應用提供理論基礎，有利于低脂冰淇淋的開發。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雞蛋、糖 市購；稀奶油（35%脂肪、38.4%總固形物） 雀巢有限公司；黃原膠（食品級） 河南雅輝化工有限公司；全脂奶粉（26.3%脂肪）、脫脂奶粉（0.9%脂肪） 模里西斯商臺紐股份有限公司；復配冰淇淋乳化穩定劑 廣州志澳之風食品有限公司；香精浙江大好家實業有限公司；脂肪熒光染色劑Nile Blue A美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

JY92超微細胞粉碎儀 寧波新藝超聲設備有限公司；GYB60-6S高壓均質機 上海東華高壓均質機廠；DYB-50組合多功能式冰淇淋機 天津市特斯達食品機械科技有限公司；T25分散機 德國IKA公司；TA.XTPLUS質構分析儀 英國Surrey儀器有限公司；R/S-Plus型流變儀 美國Bookfield公司；CKX41倒置熒光顯微鏡 奧林巴斯（深圳）工業有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蛋清基脂肪替代品的制備

分別制備質量分數11%蛋清和質量分數3%黃原膠懸浮液，用檸檬酸調成中性溶液，放入4 ℃冰箱過夜。將蛋清和黃原膠混合，總固形物質量分數為6%，其中黃原膠0.06%，混合后的溶液經攪拌混勻，放在90 ℃水浴鍋中加熱25 min，冰浴。制備的凝膠經超聲細胞粉碎儀破碎10 min后，成為脂肪替代品。

1.3.2 冰淇淋生產工藝

配料混合→均質（二級10 MPa，一級20 MPa）→殺菌（72 ℃，10 min）→老化（4 ℃，12 h）→凝凍出料→硬化（-40 ℃，48 h）。

將0.395 kg/5 kg全脂奶粉、3.56 kg/5 kg稀奶油、0.6 kg/5 kg蔗糖、0.005 kg/5 kg香精、0.025 kg/5 kg乳化穩定劑和0.415 kg/5 kg純凈水混合加熱至50 ℃，緩慢攪拌均勻，使冰淇淋總固形物含量達到47.6%。實驗組分別添加不同含量脂肪替代品代替奶油，同時采用脫脂奶粉和全脂奶粉進行補充調整，保持冰淇淋配料總固形物含量不變。各實驗組具體配料見表1。

表1 冰淇淋實驗分組配料Table 1 Grouping and ingredients of ice cream

1.3.3 蛋清基脂肪替代品的理化性質測定

1.3.3.1 起泡性測定

取樣品5 mL，用分散機在20 000 r/min攪拌2 min，記錄攪拌后泡沫的體積。參考Hammersh?j等[13]的方法計算起泡性。

1.3.3.2 持水性測定

取5 mL樣品加入到15 mL的3 kDa超濾離心管中，3 700 r/min離心15 min，取出用濾紙將表面水分擦干后稱質量。持水性按式（1）計算：

式中：m2為離心后去除水分的離心管質量/g；m1為離心前離心管質量/g；m0為空的離心管質量/g。

1.3.3.3 乳化性測定

參考郭慶[14]的方法略作修改。用凱氏定氮法測蛋白質濃度。取一定濃度3 mL的樣品溶液與1 mL油混合，20 000 r/min攪拌1 min，攪拌后立即從試管底部吸取20 μL不同濃度的乳化液，用0.1%十二烷基硫酸鈉稀釋到5 mL，混勻在波長500 nm處測吸光度。

1.3.4 冰淇淋理化指標的測定

1.3.4.1 質構測定

參考Mahdian等[3]的方法略作修改。將硬化后的冰淇淋放入-18 ℃冷凍24 h后，進行質地測量。樣品直徑30 mm，高度24 mm。選用TPA測量模式，測試條件為測前速率5 mm/s，測中和測后速率均為1 mm/s。下壓距離為7 mm，下壓力為5 g。所有實驗步驟重復5 次。

1.3.4.2 冰淇淋黏度分析

分別測定冰淇淋漿液老化后的黏度以及漿液打發后的黏度。測試黏度隨剪切速率變化的情況。剪切速率范圍為0～300 s-1，測定間隔為2 s。

1.3.4.3 冰淇淋膨脹率的測定

參考Pereira等[15]的方法略作修改。通過比較質量測量膨脹度，分別稱取凝凍前后一定體積的混合料質量量。膨脹率按式（2）計算：

式中：m1為凝凍前相同體積下混合料的質量/g；m2為凝凍后相同體積下的冰淇淋質量/g。

1.3.4.4 冰淇淋融化率的測定

將放在-18 ℃冰箱中的冰淇淋取出，放在篩網上，篩網下放表面皿，表面皿中收集45 min后融化的冰淇淋并稱量質量。參考劉麗[16]的方法，抗融性以融化率表示，融化率越高則表明抗融性越差。融化率按式（3）計算：

1.3.4.5 微觀結構的觀察

利用倒置熒光顯微鏡觀察融化狀態下的冰淇淋氣泡分布。用脂肪熒光染色劑Nile Blue A對融化的冰淇淋染色，用倒置熒光顯微鏡觀察脂肪分布。

1.3.4.6 感官評價

冰淇淋樣品的感官評價在溫度25 ℃條件下進行，使用10 點計分法[17]。冰淇淋的感官特征（堅固度、光滑度、口感和總接受度）由具有正常感覺敏銳度的15 名專門小組成員評估。硬度（0～9，太軟到太硬，5為最佳），平滑度（太粗到太平滑，為最佳），口感（太差到太好，9為最優），總接受度（太差到太好，9為最優）。

1.4 數據統計

采用SPSS 19.0軟件進行方差分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結果與分析

2.1 蛋清和脂肪替代品理化性質比較

表2 脂肪替代品的理化性質Table 2 Physicochemical properties of fat substitute

蛋清基脂肪替代品由于其具備較好的起泡性、持水性以及乳化性常被用于冰淇淋生產。如表2所示，單獨的蛋清脂肪模擬品與加入黃原膠后制備的脂肪模擬品在持水性上無顯著差異，而乳化性和起泡性顯著提高。

2.2 脂肪替代率對冰淇淋硬度的影響

圖1 冰淇淋硬度變化Fig. 1 Changes in ice cream hardness

冰淇淋的硬度是當冰淇淋被施加外力時防止變形的力大小，用脂肪替代品替換不同含量稀奶油會影響冰淇淋的硬度，如圖1所示。冰淇淋硬度的變化隨著脂肪替代品的添加先增大后減小。當脂肪替代率從0%增加到20%時，冰淇淋的硬度明顯降低。這與盧蓉蓉等[18]用乳清蛋白制備低脂冰淇淋的結果相似，由于脂肪替代品的添加提高冰淇淋的膨脹率，從而導致冰淇淋硬度降低。然而，隨著脂肪替代率的增大，冰淇淋的硬度又開始增大。Guinard等[19]認為去除脂肪對冰淇淋硬度有負面影響，隨著脂肪減少，硬度呈現增加的趨勢。因此，在脂肪大量減少時，冰淇淋硬度開始增大。冰淇淋硬度的變化最終歸因于微觀結構的變化，即冰淇淋中的相體積、冰晶大小和脂肪穩定性的變化[20]。

2.3 脂肪替代品對冰淇淋漿液黏度的影響

如圖2A所示，冰淇淋漿液是一個非牛頓型流體，所有漿液黏度均隨剪切速率的增大而逐漸降低。在添加脂肪替代品時，配料黏度明顯上升，并且隨著添加比例的增大，漿液黏度也會增大。添加脂肪替代品，其黏度提高，歸因于水膠體對剪切速率敏感的致密纏結能力[21]。并且，蛋清和黃原膠作為大分子樣品在冰淇淋中應用，它們彼此之間具有分子間力，彼此吸引，更大強度阻礙分子流動[22]，因此溶液表現出更黏稠。

如圖2B所示，發時空氣進入液體中，因此漿液黏度均增大。脂肪替代率增大使漿液黏度增大，如圖2A所示，在打發時，空氣進入，高黏度的漿液易黏附空氣，從而在攪打后冰淇淋的黏度提高。并且隨著脂肪替代率的增大，打發后的黏度增大，在20%時達到最大值。然而當替代率進一步增大時，由于漿液的黏度增大，打發時阻力增大，使得空氣難以進入流體中，因此黏度又呈現下降趨勢。漿液的黏度與冰淇淋的硬度有關，一般而言冰淇淋的黏度大，其硬度也會增加[20]。然而，在低脂和減脂冰淇淋制備中會發現低脂冰淇淋的黏度低，但是硬度高，主要是由于冰晶的存在[23]。因此冰淇淋的硬度不僅受黏度影響，更受冰晶大小和不穩定脂肪水平的影響。

圖2 冰淇淋漿液的表觀黏度Fig. 2 Apparent viscosity of ice cream slurry

2.4 脂肪替代率對冰淇淋膨脹率的影響

圖3 冰淇淋膨脹率的變化Fig. 3 Changes in ice cream overrun

膨脹率是確定空氣含量和冰淇淋質地的重要指標。冰淇淋的膨脹率隨著脂肪替代率的增加先上升后下降。脂肪替代率從0%到15%時，冰淇淋的膨脹率從54.9%增大到72.6%。而當脂肪替代率繼續增大時，膨脹率從72.6%降低到39.5%。從流變學現象可以很好地解釋這一結果，當脂肪替代品被添加入冰淇淋中時，由于蛋清和黃原膠分子可以束縛住冰淇淋中的水分，阻止水分子的遷移，使得冰淇淋的黏度增大。黏度的增加對氣泡有很好的吸附和穩定性作用，然而當冰淇淋系統太黏稠，會阻止劇烈的攪動和空氣進入，膨脹率降低[9]。圖3變化與圖2流變學變化幾乎一致，打發后的冰淇淋漿液黏度變化與膨脹率變化相聯系。并且膨脹率的變化影響著冰淇淋的硬度。冰淇淋的硬度增加，膨脹率降低[20]，因此凝膠硬度的變化與膨脹率變化呈大致相反的趨勢。

2.5 脂肪替代率對冰淇淋融化率的影響

圖4 冰淇淋融化率的變化Fig. 4 Change in melting rate of ice cream

融化率是冰淇淋的重要屬性，影響其感官品質[24]。如圖4所示，冰淇淋的融化率隨著脂肪替代率的增大而改變。當脂肪替代率為5%時，融化率增大，是由于冰淇淋低膨脹率和脂肪的減少增大了冰淇淋的傳熱速率。而當脂肪替代率增大到15%時，冰淇淋融化率降低。這可能是因為脂肪含量雖然減少，但冰淇淋的膨脹率增大，使得熱傳導速率變慢，導致融化率降低。而進一步增大冰淇淋脂肪替代率時，其融化率上升。這是由于乳脂大量的減少提高了冰淇淋的傳熱速率，因此冰淇淋的融化率增加[25]。其次，脂肪替代率為20%～30%時冰淇淋的膨脹率下降，冰淇淋內部空氣少，傳熱速率增大。冰淇淋在熱傳導下內部冰晶融化后，水流入冰淇淋內使冰淇淋料液被稀釋，當稀釋到一定程度后液體滴下，因此融化率也與冰淇淋漿液的黏度相關[20]。一般而言，黏度越大，融化率越低。從未打發冰淇淋配料流變學結果圖2A看，冰淇淋的融化率會越來越低，然而實驗結果與之相反，說明冰淇淋的融化率不僅受黏度影響，更主要受脂肪含量和膨脹率影響。

2.6 冰淇淋融化狀態下氣泡分布

冰淇淋由球形泡沫組成[26]，冰淇淋中的氣泡是維持冰淇淋結構的重要因素。冰淇淋氣泡的平均直徑在40 μm[27]，在冰淇淋制造過程中，由于剪切力的作用，較大的氣泡會破碎形成較小的氣泡。從圖5可以看出，未添加脂肪替代品時，氣泡數量小，分布不均勻。脂肪替代率為30%時，氣泡數量變少，直徑略微增大。脂肪替代率15%時數量較多，氣泡分布均勻，證明該條件下冰淇淋的膨脹率最大。這種變化歸因于冰淇淋配料的流變性質，過高黏度的漿料，分子纏結能力強，難攪動，所以空氣難以進入，氣泡數量少，然而高黏性對氣泡穩定性是有利的，因此能觀察到大氣泡。此外冰淇淋中較高的空氣含量導致較高的黏度，這符合冰淇淋漿液打發后的流變學變化趨勢。同時冰淇淋中氣泡分布的膨脹性會影響熱量傳遞[22]，從而導致融化率降低。

圖5 冰淇淋融化時的氣泡分布Fig. 5 Bubble distribution at ice cream melting

2.7 冰淇淋融化狀態下脂肪分布

脂肪對冰淇淋的口感、質地、結構起著關鍵作用。冰淇淋在凝凍時由于剪切力作用，使脂肪去穩定化，不穩定的脂肪會在乳液中聚集，脂肪球的廣泛聚集最終導致乳液從黏性狀態轉變為凝膠狀液體[28]。脂肪球的直徑范圍為0.04～4.0 μm[29]，從圖6可以看出，未加入脂肪替代品時，存在小粒徑脂肪球，同時也存在脂肪簇，這些脂肪簇可以吸附在氣泡上，從而改變冰淇淋的融化特性和質地。隨著脂肪替代品的添加，脂肪替代率5%時存在較大尺寸的脂肪聚結，進一步添加脂肪替代品，聚結的粒徑減小。在用濃縮的乳蛋白和乳清分離蛋白制備的冰淇淋中觀察到類似的現象[30]。主要是由于大量添加脂肪替代品，使冰淇淋中蛋白質含量增多，乳化作用加強，體系更穩定。更多的脂肪被蛋白質包裹，產生大的空間位阻，阻礙了脂肪聚結。此外，隨著蛋白質濃度的增加，造成吸附層變厚，更大程度上阻止脂肪部分聚結[31]。同時，由于冰淇淋溶液的黏度變化，高黏度的乳液也阻礙了脂肪進一步的聚結[32]。

圖6 冰淇淋融化時的脂肪分布Fig. 6 Fat distribution at ice cream melting

一般而言，大的脂肪聚集體更有利于冰淇淋的抗融。然而，這與本實驗發現的結果相反。在含有5%脂肪替代品時，冰淇淋的抗融性最低，但聚集尺寸大，脂肪聚集的數量相對較少。針對這一現象，Méndez-Velasco等[33]認為可能由于大的脂肪網絡在聚集期間完全融合，導致總體聚集數量減少，脂肪聚集體數量少，融化率相對高。15%脂肪替代率時，脂肪聚集尺寸適中，總聚集數量多，膨脹率高，所以呈現最佳的抗融性。而脂肪替代率20%～30%時，脂肪的聚集數量相對較少，聚集尺寸減小，膨脹率低，導致融化率升高。此外，脂肪的去穩定化對冰淇淋的硬度也有影響。脂肪聚結成大網絡，冰淇淋的硬度增加，因此5%取代率時觀察到增加趨勢。聚集尺寸減小時，硬度下降，但是在脂肪替代率25%～30%時又能觀察到硬度增加，可能由于冰晶存在。

2.8 冰淇淋的感官評價

堅固度表示舌頭解凍冰淇淋所需的力量。平滑度是指將樣品散布到舌頭上感知顆粒感[17]。如圖7所示，在脂肪替代率15%～20%時，與普通冰淇淋相比，冰淇淋口感較軟，而在脂肪替代率25%～30%時，硬度變化無顯著差異。這一結果與冰淇淋質構分析的結果完全一致。冰淇淋的平滑度無顯著變化，由于冰淇淋在加工過程中經過均質，因此平滑度均較好，接近5 分。在脂肪替代率為25%～30%時，冰淇淋的口感和總體接受度都顯著降低。而在脂肪替代率5%～20%時，與未添加脂肪替代品相比，口感與總體接受度均無顯著變化。從感官分析以及結合膨脹率和融化率結果看，脂肪替代率15%為最佳。

圖7 冰淇淋的感官評價Fig. 7 Sensory evaluation of ice cream

3 結 論

脂肪替代品替代不同含量的奶油影響了冰淇淋的物理性質。流變學顯示所有的冰淇淋漿液均為假塑性材料。脂肪替代品的添加提高了漿液的黏度，黏稠性的漿液對冰淇淋膨脹率提高有利，但是過于黏稠的漿液反而降低膨脹率。同時，脂肪替代品的添加改變冰淇淋內部微觀包括氣泡分布、脂肪的聚集尺寸和聚集數量，這些變化最終影響冰淇淋的理化性質。在脂肪替代率15%時，冰淇淋的膨脹率高，不穩定脂肪含量多，導致慢的傳熱速率。因此，脂肪替代率15%時，冰淇淋的融化率低，口腔的可持續性較高。感官評價在脂肪替代率5%～20%時，與未添加脂肪替代品相比，口感和總體接受度均無明顯變化，雖然此時的冰淇淋硬度偏低，口感偏軟。而在脂肪替代率25%～30%時，冰淇淋口感和總體接受度明顯下降。因此，脂肪替代品可以部分替代脂肪用于配制降脂冰淇淋。