超高壓處理對冰淇淋漿料及其成品品質的影響

劉容旭，王語聰，謝智鑫，張長戈，趙子偉，劉丹怡*，韓建春，*

（1.黑龍江省綠色食品科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150028；2.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

冰淇淋是以牛奶、奶粉、奶油、白砂糖、穩定劑和乳化劑為主要原料，經混合、均質、滅菌、冷卻、老化、凝凍、硬化等一系列生產工藝制成的一種含氣泡、冰晶和脂肪液滴的冷凍乳制品[1]。在冰淇淋生產過程中，老化是將混合料在低溫下冷藏一定時間，使其在物理上成熟的過程[2]，以便脂肪凝結物、蛋白質和穩定劑發生水合作用，提高漿料的粘度和凝凍時的膨脹率，因此老化工藝在一定程度上決定著產品品質。

超高壓技術（ultra-high pressure，UHP）是一種新型的食品加工技術，其作用于蛋白質分子中的氫鍵、疏水鍵、離子鍵等非共價鍵，能夠短時間內把壓力均勻傳輸至蛋白質分子體系中，具有成本低且效率高等優點[3]。國外已有研究表明，酪蛋白在經過超高壓處理后，在腸道中能夠更容易被消化吸收[4]；同時也可添加到嬰幼兒配方乳粉中，提高其吸收消化性。S?RENSEN等[5]的研究發現，適當地延長保壓時間和提高壓力可以提高酪蛋白穩定性。劉立增等[6]的研究發現，動態超高壓能破壞酪蛋白的膠束結構進而影響其功能性，且處理后的酪蛋白經酶解后，水解度、固形物得率和游離氨基酸含量均有所提高。

超高壓技術處理冰淇淋漿料能快速打開酪蛋白分子間的非共價鍵，加速其水合作用，使得冰淇淋漿料中的脂肪快速凝固結晶，形成均勻的小冰晶體[7]。姜雪等[8]的研究發現用超高壓處理乳酪、冰淇淋等乳制品后，其凝乳時間可縮短50%～60%，同時可減少形成凝結物的凝乳數量，超高壓處理后使得冰淇淋大冰晶數量減少，從而提高了冰淇淋膨脹率。

因此，本試驗選取3種常用的冰淇淋穩定劑（卡拉膠、黃原膠、塔拉膠），采用超高壓處理技術，在不同壓力條件下處理酪蛋白和多糖分子穩定劑復合體系，通過比較冰淇淋漿料在老化處理和超高壓處理條件下其乳化性、乳化穩定性、粘度、粒徑和熒光強度的變化，以及所制得冰淇淋成品硬度、膨脹率、融化率的變化，研究超高壓處理漿料對冰淇淋品質的影響，為擴展超高壓技術在食品加工中的應用提供理論性的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫脂乳粉、椰子油：內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司；蔗糖、單甘脂、蔗糖酯：市售；卡拉膠、黃原膠、塔拉膠：丹尼斯克集團；大豆油：哈爾濱九三集團；十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）（分析純）：上海伊卡生物有限公司；羅丹明B（分析純）：天津市致遠化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

超高壓處理設備（UHP-50a）：沈陽人和設備有限公司；Delonghi全自動冰淇淋機（ICK5000）：德國Martin Christ公司；電熱恒溫水浴鍋（DK-98-1）：天津市克蘭斯儀器公司；電子分析天平（ALC-310.3）：北京利多奧儀器有限公司；高速均質機（T25）：艾卡（廣州）儀器設備有限公司；TA-XT2i型質構儀（TA-XT plus）：英國SMS公司；粒度電位分析儀（Nano-ZS）：英國Malvern公司；高剪切混合乳化機（BME100L）：上海雷磁新徑儀器有限公司；熒光分光光度計（F-4500）：日本日立公司；生物顯微鏡（BS203）：上海穎實達儀器制造有限公司；旋轉粘度計（NDJ-8S）：上海平軒科學儀器有限公司；馬爾文粒度電位分析儀（Zetasizer Nano ZS90）：上海思百吉儀器系統有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 冰淇淋基礎配方

脫脂乳粉15%、稀奶油8%、蔗糖15%、單甘脂0.05%、蔗糖酯0.05%、卡拉膠添加量0.15%、黃原膠添加量0.15%、塔拉膠添加量0.15%。

1.3.2 老化和超高壓兩種處理方式生產冰淇淋工藝

工藝流程見圖1。

圖1 老化和超高壓兩種處理方式生產冰淇淋工藝流程Fig.1 Process flow chart of ice cream production by aging and ultra-high pressure treatment

冰淇淋生產工藝參照李少華等[9]的方法并稍作修改。將1.3.1中的原料與水按照配方比例進行混合，混料溫度通常在40℃～50℃。將混合后的原料進行雙段式均質處理。滅菌、冷卻后，進行對照試驗，一部分經過老化工藝處理，即2℃下靜置24 h；一部分在常溫下進行超高壓處理，壓力選擇分別為50、100、150 MPa和200MPa，時間均為60 min。將老化和超高壓處理后的冰淇淋漿料進行乳化性和乳化穩定性、粘度、粒徑及熒光強度趨勢測定；然后進行凝凍、硬化等工序，得到的冰淇淋成品進行硬度、膨脹率、融化率等指標的測定。

1.3.3 乳化性及乳化穩定性的測定

采用Du等[10]的方法并稍加改動。分別量取以單獨添加質量濃度均0.1%的卡拉膠、黃原膠、塔拉膠為穩定劑的冰淇淋漿料8 mL，加入2 mL大豆油于離心管中，設定高速均質機的轉速為15 000 r/min，攪拌油水混合液2 min。勻漿停止后，立即用10 μL微量進樣器從離心管底部取液體0.5 μL，用0.1%SDS溶液稀釋100倍，混勻后測其在500 nm波長處的吸光度。10 min后，再從離心管底部吸取液體測其吸光度。乳化性（emulsionactivityindex，EAI）和乳化穩定性（emulsion stability index，ESI）計算公式如下。

式中：C為樣品濃度，g/L；Φ為油相比例；A0為樣品初始吸光度；N為稀釋倍數；A10為樣品放置10 min后的吸光度。

1.3.4 粘度的測定

粘度采用旋轉粘度計測定[11]。分別測定老化對照組（2℃下靜置24 h）的冰淇淋漿料粘度和經不同壓力（50、100、150、200 MPa）超高壓處理 60 min 后的冰淇淋漿料粘度，選用1號轉子，轉速為6 r/min。

1.3.5 ζ-電勢和粒徑的測量

參照Jiang等[12]的方法并稍作修改。分別取老化處理后和超高壓處理后的冰淇淋漿料100 μL，利用0.1 mol/L、pH7.0的磷酸鹽緩沖溶液將其混勻稀釋250倍，再注入到彎曲毛細管中，在常溫下利用馬爾文粒度電位分析儀測定樣品的粒徑。

1.3.6 內源熒光光譜分析

參照Kim等[13]的方法稍作改動。取老化處理后和經超高壓處理后的冰淇淋漿料100 μL，利用0.1 mol/L、pH7.0的磷酸鹽緩沖溶液將其混勻稀釋25倍，參數設定：激發波長為295 nm、發射波長為200 nm～900 nm、狹縫寬度為5 nm、電壓為400 mV。

1.3.7 硬度的測定

參照Topcu[14]的方法測定樣品的硬度。利用質構儀的檢測探頭兩次下壓測定冰淇淋的質地特征曲線，樣品為經老化處理和超高壓處理后硬化兩周的冰淇淋，每個樣品均進行3次平行測定。參數設定：測試前探頭的下降速度為2 mm/s、測試速度為3 mm/s、測試后探頭回程速度為5 mm/s、測試距離為20 mm、觸發力為20×10-2N，探頭類型為 P/6。

1.3.8 膨脹率的測定

冰淇淋凝凍前后分別量取100mL冰淇淋乳狀液和100 mL冰淇淋成品進行稱重[15]，膨脹率計算公式如下。

1.3.9 融化率的測定

準確稱取一定質量的冰淇淋樣品，置于孔徑為0.833 mm的不銹鋼篩網上，在溫度20℃、相對濕度75%的條件下靜置1 h，精確稱量融化的冰淇淋樣品質量[16]。融化率的計算公式如下。

1.4 數據處理

每組試驗重復3次，結果以平均值±標準差表示。數據統計分析采用SPSS 20軟件，在p值小于0.05水平上進行顯著性差異分析，利用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 老化和超高壓處理對冰淇淋漿料乳化性及乳化穩定性的影響

EAI和ESI是反映冰淇淋漿料乳化性質的重要指標，漿料的乳化性越好，生產出來的冰淇淋口感和組織形態越好。若要形成乳化性較好的冰淇淋漿料，需要挑選合適的穩定劑。老化和超高壓兩種處理方式對以卡拉膠、黃原膠、塔拉膠3種多糖分子為穩定劑的冰淇淋漿料乳化性及乳化穩定性的影響見圖2。

圖2 老化和超高壓處理對冰淇淋漿料乳化性的影響Fig.2 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on emulsifiability of ice cream slurry

由圖2可知，除150 MPa壓力下，3種穩定劑制得的冰淇淋漿料在同一壓力處理條件下的乳化性EAI差異均顯著（p＜0.05）。與老化組相比，添加卡拉膠的漿料乳化性在 50 MPa～150 MPa條件下差異顯著（p＜0.05），添加黃原膠的漿料乳化性在壓力為50 MPa～200MPa條件下差異顯著（p＜0.05），添加塔拉膠的漿料乳化性在50 MPa條件下差異不顯著（p＞0.05），但在100 MPa～200 MPa條件下差異顯著（p＜0.05）。添加黃原膠和塔拉膠的漿料乳化性在150 MPa時達到最高值，添加卡拉膠的漿料乳化性與在100 MPa時乳化性差異不顯著（p＞0.05），說明超高壓能夠提升漿料的乳化性，其可能的原因為乳化性代表的是蛋白質吸附在油水界面的能力[17]，由于壓力的作用，酪蛋白分子發生降解，極性側鏈基團水合的作用增強，使得冰淇淋中酪蛋白伸展，內部基團暴露得更徹底，親水性增強。當壓力達到150 MPa時，酪蛋白分子更快地吸附到油水界面，從而提高了冰淇淋漿料的乳化性。

乳化穩定性是指酪蛋白和多糖分子膠體吸附在油水界面的能力。老化和超高壓處理對冰淇淋漿料乳化穩定性的影響見圖3。

圖3 老化和超高壓處理對冰淇淋漿料乳化穩定性的影響Fig.3 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on emulsification stability of ice cream slurry

由圖3可知，3種穩定劑制得的冰淇淋漿料在相同壓力處理條件下差異均顯著（p＜0.05）。與老化組相比，除150 MPa的條件下，添加卡拉膠和塔拉膠漿料的乳化穩定性差異顯著（p＜0.05）。與老化組相比，添加黃原膠的漿料乳化穩定性在50 MPa～150 MPa條件下差異顯著（p＜0.05）。200 MPa時，卡拉膠、黃原膠和塔拉膠制得的冰淇淋漿料乳化穩定性均達到最大值，分別為97.9%、95.5%、99%。這是因為在超高壓的作用下，酪蛋白和大分子多糖會快速形成較厚的親水界面層，且隨著壓力的增加，復合體系粘度也增加，有效降低了油水界面的張力；同時蛋白質分子亞基間形成了二硫鍵，進而提高冰淇淋漿料的乳化穩定性。

2.2 老化和超高壓處理對冰淇淋漿料粘度的影響

老化和超高壓兩種處理方式對以卡拉膠、黃原膠、塔拉膠3種多糖分子為穩定劑的冰淇淋漿料粘度的影響見圖4。

圖4 老化和超高壓處理對冰淇淋漿料粘度的影響Fig.4 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on viscosity of ice cream slurry

由圖4可知，在相同壓力處理條件下，3種穩定劑的冰淇淋漿料粘度差異均顯著（p＜0.05）。與老化組相比，添加卡拉膠和黃原膠漿料的粘度在50 MPa～200 MPa條件下差異顯著（p＜0.05），添加黃原膠的漿料粘度在150 MPa和200 MPa條件下差異不顯著（p＞0.05）。壓力為100 MPa～200 MPa時，與老化組相比，添加塔拉膠的漿料粘度均顯著上升（p＜0.05）。在150 MPa時，卡拉膠和塔拉膠制得的冰淇淋漿料粘度均達到最高值，分別為2 404.36 mPa·s和 1 900.65 mPa·s。分析原因一方面為酪蛋白分子經超高壓處理后，較大的酪蛋白顆粒被降解成許多小的亞基顆粒分子，使酪蛋白分子在整個體系中所占體積分數增加，因此粘度與漿料的乳化穩定性成正比；另一方面超高壓處理使酪蛋白分子和多糖分子之間的相互作用增強，與水分子結合能力增強，提高了漿料復合體系的水化作用[18]。但壓力過高，漿料中的脂肪液滴聚合程度加強，脂肪球變大，而酪蛋白分子顆粒直徑幾乎不再變化，導致粘度會下降。

2.3 老化和超高壓處理對冰淇淋漿料粒徑分布的影響

老化和超高壓兩種處理方式對以卡拉膠、黃原膠、塔拉膠3種多糖分子為穩定劑的冰淇淋漿料粒徑分布的影響見圖5～圖7。

圖5 老化和超高壓處理對卡拉膠冰淇淋漿料粒徑分布的影響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

圖6 老化和超高壓對黃原膠冰淇淋漿料粒徑分布的影響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

圖7 老化和超高壓處理對塔拉膠冰淇淋漿料粒徑分布的影響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

由圖5～圖7可知，經超高壓處理的添加不同穩定劑制成的冰淇淋漿料相比于老化組朝著粒徑減少的方向移動。以圖7塔拉膠冰淇淋漿料為例，當壓力達到150 MPa時，酪蛋白分子顆粒平均粒徑達到最小值。這是由于經超高壓處理后的酪蛋白分子顆粒較小、體積分數集中且出現單一峰，這說明在一定的范圍內增加壓力可以提高超高壓處理的效率，同時因為冰淇淋漿料中包含兩種相，分別為酪蛋白與多糖的復合體系和獨立的不含有大分子物質層，導致在存放期間會發生兩相分離，所以粒徑分布會出現雙峰的現象。程凱麗等[19]的研究表明，高壓處理后的β-乳球蛋白（β-LG）分子通過二硫鍵會發生聚集，蛋白的巰基含量和疏水性均增加，不同壓力處理后的蛋白所帶電荷不同，整體電勢絕對值是隨壓力的增加而增加，這與本試驗壓力在150 MPa為最適壓力的結果一致。同時超高壓處理漿料，能很好地防止液滴之間聚集[20]。因此，隨著壓力的升高，漿料顆粒平均粒徑變小，乳化能力較強，這與前面乳化性的研究結果相吻合。

2.4 老化和超高壓處理對冰淇淋漿料熒光強度的影響

老化和超高壓兩種處理方式對以卡拉膠、黃原膠、塔拉膠3種多糖分子為穩定劑的冰淇淋漿料熒光強度的影響見圖8～圖10。

圖8 老化和超高壓處理對卡拉膠冰淇淋漿料熒光光譜的影響Fig.8 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on fluorescence spectra of the ice cream slurry prepared with carrageenan as the stabilizer

圖9 老化和超高壓處理對黃原膠冰淇淋漿料熒光光譜的影響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

圖10 老化和超高壓處理對塔拉膠冰淇淋漿料熒光光譜的影響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

由圖8～圖10可知，卡拉膠、黃原膠和塔拉膠制成的冰淇淋漿料在壓力為200MPa時，其熒光強度均達到最大值，其中卡拉膠冰淇淋漿料熒光強度最大為1234，并且高于老化組冰淇淋漿料的熒光強度，但是可以看出超高壓處理對不同多糖膠體穩定劑的冰淇淋漿料熒光強度影響的變化程度不大。分析其原因：隨著超高壓壓力的升高，冰淇淋原料中酪蛋白分子肽鏈展開，酪蛋白分子空間構象發生不同程度的變化；同時蛋白質分子會發生去折疊[21]，疏水性基團側鏈會重新進行排列，經超高壓處理后的酪蛋白分子與老化組相比有著更疏松的空間結構。酪蛋白分子中的色氨酸（Trp）在受到激發后具有發射較強內源熒光的能力，因此當壓力達到200 MPa時，越來越多的Try殘基明顯暴露[22]，其熒光強度明顯高于老化過程冰淇淋漿料的熒光強度。

2.5 老化和超高壓處理對冰淇淋硬度的影響

老化和超高壓兩種處理方式對以卡拉膠、黃原膠、塔拉膠3種多糖分子為穩定劑的冰淇淋漿料制得的冰淇淋成品硬度的影響見表1。

表1 老化和超高壓處理對冰淇淋硬度的影響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、蛋白質和多糖結合水能力來決定的。如表1所示，除了老化組，在50 MPa～200 MPa條件下，3種穩定劑冰淇淋的硬度差異顯著（p＜0.05），且在老化組中添加黃原膠制得的冰淇淋硬度顯著低于添加卡拉膠及塔拉膠制得的冰淇淋硬度（p＜0.05）。與老化組相比，壓力為 50 MPa～200 MPa時，添加3種穩定劑的冰淇淋硬度差異顯著（p＜0.05）。其原因可能是酪蛋白分子和多糖膠體分子經超高壓處理后，酪蛋白分子斷裂，大量疏水位點開始聚集[23]，游離巰基含量增加，相鄰巰基之間發生氧化反應形成了大量的二硫鍵，酪蛋白分子在二硫鍵、壓力等作用下產生了變性，結合水的能力提高，冰淇淋硬度明顯增加。

2.6 老化和超高壓處理對冰淇淋膨脹率的影響

影響冰淇淋膨脹率的因素有很多，比如老化條件、原料配比、冰淇淋漿料的凝聚性等，膨脹率的高低決定了冰淇淋組織形態的優劣。老化和超高壓兩種處理方式對以卡拉膠、黃原膠、塔拉膠3種多糖分子為穩定劑的冰淇淋漿料制得的冰淇淋成品膨脹率的影響見圖11。

圖11 老化和超高壓處理對冰淇淋膨脹率的影響Fig.11 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on expansion rate of ice cream

由圖11可知，在同一壓力條件下，老化組中添加塔拉膠制得冰淇淋的膨脹率顯著低于添加卡拉膠及黃原膠制得冰淇淋的膨脹率（p＜0.05）；壓力為50 MPa～150 MPa時，添加卡拉膠、黃原膠及塔拉膠冰淇淋膨脹率差異均不顯著（p＞0.05）；壓力為200 MPa時，添加卡拉膠制得冰淇淋的融化率顯著高于黃原膠及塔拉膠（p＜0.05）。壓力為150MPa和200MPa時，添加卡拉膠的冰淇淋膨脹率顯著高于老化組（p＜0.05）。除了100MPa，與老化組相比，添加黃原膠的冰淇淋差異顯著（p＜0.05）。添加塔拉膠的冰淇淋膨脹率在150 MPa和200 MPa條件下顯著高于老化組及50、100 MPa處理組（p＜0.05）。當壓力達到200 MPa時，由卡拉膠制成的冰淇淋膨脹率達到最大值50.69%，而老化處理的冰淇淋膨脹率僅僅達到31.07%，超高壓處理冰淇淋漿料對其成品品質要比老化處理效果更好。分析其原因為超高壓處理加快了酪蛋白分子非共價鍵水合作用[24]，從而提高了乳狀液的起泡性，使得空氣能很好地混入其中，降低界面張力，使冰淇淋膨脹率明顯提高。

2.7 老化和超高壓處理對冰淇淋融化率的影響

老化和超高壓兩種處理方式對以卡拉膠、黃原膠、塔拉膠3種多糖分子為穩定劑的冰淇淋漿料制得的冰淇淋成品融化率的影響見圖12。

圖12 老化和超高壓處理對冰淇淋融化率的影響Fig.12 Effects of aging and ultra-high pressure treatment on melting rate of ice cream

由圖12可知，在老化處理和50 MPa處理時，3種穩定劑制得冰淇淋融化率差異不顯著（p＞0.05），但在100 MPa時，添加卡拉膠的冰淇淋融化率顯著低于黃原膠（p＜0.05），且與塔拉膠差異不顯著（p＞0.05）。添加黃原膠冰淇淋融化率在150 MPa時顯著高于添加卡拉膠和塔拉膠冰淇淋融化率（p＜0.05），添加塔拉膠冰淇淋融化率在200 MPa時顯著高于添加卡拉膠和黃原膠冰淇淋融化率（p＜0.05）。壓力為 50 MPa～150 MPa時，3種穩定劑制得的冰淇淋融化率整體均呈下降的趨勢。在150 MPa和200 MPa條件下的融化率顯著低于老化組及 50、100 MPa處理組（p＜0.05）。其中黃原膠在150 MPa時的融化率顯著高于 200 MPa（p＜0.05）。壓力為150 MPa時，由卡拉膠制成的冰淇淋融化率達到最低值，為51.09%。這是因為膠體的添加更好地避免了冰淇淋在凍結時出現粗大的冰結晶，有助于使混入的空氣均勻分布，使體系的氣泡保持能力增加，而氣泡是熱不良導體，從而獲得更佳的抗融效果，但融化率過低，會影響冰淇淋的風味物質釋放，冰淇淋口感不好[25]。

3 結論

本試驗以老化處理作為對照，分別以卡拉膠、黃原膠和塔拉膠多糖膠體穩定劑制得冰淇淋漿料，經超高壓處理后所得的冰淇淋成品品質均有所改善。冰淇淋漿料的乳化性、乳化穩定性、粘度，冰淇淋成品的硬度、膨脹率均隨壓力的變化而變化，試驗結果得出3種穩定劑制得的冰淇淋漿料及其成品在150 MPa處顯著優于老化組（p＜0.05）；內源熒光光譜分布進一步證明壓力對冰淇淋乳化性的提高有著重要作用。綜上得出以卡拉膠為穩定劑制得的冰淇淋漿料在經壓力為150 MPa、時間60 min處理后可以有效地改善冰淇淋組織形態和物理穩定性，同時為后續研究超高壓縮短老化時間的作用機理提供初步的理論基礎。