張幸運，鐘秋嬋，王樹欣，易祖欣，王欣語，李明軒，王光強，宋子波，艾連中，張匯*

1(上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海食品微生物工程技術(shù)研究中心，上海，200093) 2(云南貓哆哩集團有限責任公司，云南 玉溪，653100)

隨著生活水平的提高，冰淇淋等冷凍甜點日益受到人們的喜愛。冰晶的大小是評價優(yōu)質(zhì)硬式冰淇淋品質(zhì)優(yōu)劣的一個重要感官指標，冰晶越大，產(chǎn)品越粗糙，口感就越差，通常能被人體接受的冰晶<50 μm[1]。冰晶大小是決定冰淇淋質(zhì)量與貨架期的主要因素之一。冰晶的形成過程分為初結(jié)晶和重結(jié)晶，其中重結(jié)晶是在加工階段以及冰淇淋的分配和儲運過程中發(fā)生的，能使平均晶體尺寸增大，導(dǎo)致冰淇淋質(zhì)地粗糙，口感變差[2]，重結(jié)晶是影響冰晶大小的重要因素。

很多因素會影響冰淇淋的重冰晶。首先是配方因素，HARTEL[3]認為冰淇淋配方中增加非脂乳固形物(milk solids not fat，MSNF)含量會抑制冰晶生長，而甜味劑對冰淇淋物料的冰點有顯著影響[4-5]。另外，糖可以通過限制傳質(zhì)速率來抑制冰晶的生長，糖分子從生長的晶體表面擴散的速度可能會限制冰晶的生長速度[6-7]。其次，生產(chǎn)工藝對冰晶大小也有一定影響，研究認為，冰淇淋在凝凍時，高膨脹率(>70%)可能會影響冰淇淋儲運過程中的重結(jié)晶過程[8]。最后，除了配方和生產(chǎn)工藝因素，儲藏溫度也很大程度地影響著重結(jié)晶過程，HAGIWARA等[9]指出，在較高溫度下儲存的冰淇淋，重結(jié)晶速率會更高，DONHOWE等[10]表明，重結(jié)晶速率取決于儲存溫度和溫度波動幅度。

為了控制和減少冰淇淋重結(jié)晶的發(fā)生，除了控制以上因素，在冰淇淋配方中添加一定量的親水膠體作為穩(wěn)定劑也可明顯降低重結(jié)晶速率，抑制或延緩冰晶生長，從而控制冰晶大小。冰淇淋中常添加的親水膠體穩(wěn)定劑有卡拉膠、刺槐豆膠、羧甲基纖維素(carboxymethylcellulose，CMC)等或其復(fù)配物。研究表明，親水膠體穩(wěn)定劑可影響冰淇淋制造過程中冰的重結(jié)晶過程，并通過提高存儲過程中的抗熱震性來改善冰淇淋質(zhì)地[2]。然而，關(guān)于親水膠體穩(wěn)定劑抑制冰重結(jié)晶的機制存在爭論。有研究認為是因為親水膠體通過增加冰晶周圍未冷凍相的黏度，而抑制了冰晶的生長[11-13]；也有人持不同觀點，他們認為黏度大小與親水膠體對冰晶生長的抑制無關(guān)[4, 14-16]。另外，BDLLIGER等[17]等認為可能是親水膠體改變了冷凍濃縮相的黏彈性等的流變學特性而降低了重結(jié)晶速率。因此，親水膠體是否通過改變冷凍濃縮相的黏度或者流變特性而抑制重結(jié)晶需要進一步研究和證實。

本研究為了探討親水膠體對糖溶液模擬冷凍過程中冰晶生長的影響，制備了一系列含水量逐漸減少的親水膠體糖溶液進行冷凍濃縮的模擬，并分別使用DHR-3旋轉(zhuǎn)流變儀和BX5冷凍顯微鏡測定了糖溶液的黏彈性和冰晶大小，進而分析糖溶液的流變學(黏彈性)與冰晶生長的關(guān)系，探討親水膠體抑制冰晶生長的作用機理，并篩選出性能優(yōu)良的親水膠體，為降低冷凍甜品的重結(jié)晶率，提高產(chǎn)品品質(zhì)和延長貨架期，促進冷飲工業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持和科學參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蔗糖，漳州市白玉蘭精糖有限公司；葡萄糖漿(75%，42 DE)，嘉吉投資(中國)有限公司；黃原膠(xanthan gum，XG，80)、羧甲基纖維素(carboxyl methyl cellulose，CMC，702201-Shui CMH)、刺槐豆膠(locust bean gum，LBG，246)、瓜爾豆膠(guar gum，GG，250-C),丹尼斯克(中國)有限公司；羅望子膠(tamarind seed polysaccharide，TSP)，云南貓哆哩集團；實驗用水均為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

Discovery HR-3旋轉(zhuǎn)流變儀，美國TA儀器公司；BX51冷凍顯微鏡，Olympus公司；BCS196冷臺，Linkam 公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

標準的初始糖溶液組成包括：12.00%(質(zhì)量分數(shù))蔗糖、4.00%(質(zhì)量分數(shù))葡萄糖漿(含1%水)、83.70%(質(zhì)量分數(shù))去離子水、0.30%(質(zhì)量分數(shù))的親水膠體(黃原膠、羅望子膠、瓜爾豆膠、羧甲基纖維素、刺槐豆膠)攪拌溶解，作為樣品組，初始糖溶液(不含親水膠體)作為對照組。參考BOLLIGER等[17]和GOFF等[18]的方法，通過依次去除樣品組和對照組中原含水量的0%、15%、30%、45%、60%和75%(質(zhì)量分數(shù))模擬冷源濃縮過程，使溶液中含水量分別變?yōu)?4.70%、72.00%、59.29%、46.59%、33.88%和21.18%(質(zhì)量分數(shù))，模擬冷凍過程對冰淇淋等冷凍甜品料液的影響，得到不同含水量的親水膠體糖溶液以及對應(yīng)被濃縮的親水膠體，如表1所示，其中每組測樣中的固體含量比率是不變的，僅僅降低了其水分含量的0%～75%。

表1 不同糖溶液含水量中親水膠體含量 單位:%(質(zhì)量分數(shù))

1.3.2 剪切流變和動態(tài)振動流變測量

測試方法與參數(shù)設(shè)置：使用Discovery HR-3旋轉(zhuǎn)流變儀，選用直徑為40 mm的不銹鋼平板系統(tǒng)，板間距設(shè)為1 000 μm，測量溫度為4 ℃(樣品測量前需要在冰箱4 ℃放置12 h)。選用Peak Hold程序進行測量，剪切速率為8 s-1，讀取黏度值[19]。振動試驗選用Oscillation frequency程序進行測量，頻率范圍設(shè)定為0.1～10 Hz，應(yīng)變值設(shè)為2%(屬線性黏彈區(qū)范圍)，溫度為4 ℃，取1 Hz時的儲能模量(G′)和消耗模量(G″)值[17]。每種樣品至少進行3次測量，求平均值。

1.3.3 模擬冷凍過程觀察冰晶生長變化

冰晶大小的測量需要用到配備冷熱臺的低溫顯微系統(tǒng)，本研究采用BX51冷凍顯微鏡和BCS196冷臺，測量時用移液槍量取1.5 μL樣品溶液于載玻片上，蓋上蓋玻片，放入冷凍室，進行程序變溫模擬冰淇淋老化、凝凍、出料、包裝、硬化、包裝、儲藏和熱震過程[20]，如表2所示。最終程序結(jié)束后，通過顯微鏡觀察500倍下的冰晶圖像。用顯微鏡觀察冰晶大小時，在冷熱臺上通過前后左右移動視野，拍攝每個樣品不同位置的冰晶，每個樣品重復(fù)3次，用ImagePro plus軟件進行圖片數(shù)據(jù)分析。

表2 模擬冰淇淋生產(chǎn)溫度與時間條件的測定程序Table 2 A program for measuring the temperature and time conditions of simulated ice cream production

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

所有實驗平行測量3次。數(shù)據(jù)均采用均值±標準差表示。采用SPSS statistics 17.0軟件進行單因素方差分析及多重比較分析，P<0.05為差異顯著，有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同親水膠體對模擬冷凍濃縮糖溶液流變性質(zhì)的影響

為了探究親水膠體糖溶液的流變性與冰晶生長的關(guān)系，用Discovery HR-3流變儀對36組糖溶液的流變參數(shù)進行測量，包括表觀黏度η、儲能模量G′和損耗模量G″。其中儲能模量G′的變化可以用于表示凝膠硬度和強度的變化，反映分子鏈間的相互作用，其值越大，則形成的凝膠硬度和強度越高[21-22]。表3和表4分別顯示了在糖溶液濃縮過程中，不同親水膠體糖溶液含水量從84.70%到21.18%的流變學性質(zhì)(表觀黏度和儲能模量)。由表3和表4可以看出，不同親水膠體糖溶液的η和G′均隨糖溶液含水量的降低而增大，而對照組糖溶液的η和G′變化規(guī)律不明顯。不同親水膠體糖溶液之間進行比較，發(fā)現(xiàn)在含水量為84.7%時，羅望子膠的η和G′最小，分別為0.02 Pa·s和0.09 Pa，而黃原膠的η和G′最大，分別為0.25 Pa·s和1.81 Pa，其他親水膠體從大到小依次為瓜爾豆膠、羧甲基纖維素和刺槐豆膠；在含水量為21.18%時，羅望子膠的η和G′分別為1.21 Pa·s和3.40 Pa，而刺槐豆膠的η和G′最大，分別為7.24 Pa·s和42.14 Pa，其他親水膠體η從大到小依次為羧甲基纖維素、瓜爾豆膠和黃原膠，G′從大到小依次為瓜爾豆膠、羧甲基纖維素和黃原膠。

表3 含不同親水膠體糖溶液在模擬冷凍過程中表觀黏度的變化 單位:Pa·s

表4 含不同親水膠體糖溶液在模擬冷凍過程中儲能模量的變化 單位:Pa

為了探討η和G′與糖溶液去除水量的關(guān)系，對表3和表4數(shù)據(jù)進行線性擬合，如圖1-a和圖1-b所示。由圖1-a可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷凍進行，糖溶液被濃縮，水含量降低，不同親水膠體糖溶液的η均增大，但在增大過程中，數(shù)據(jù)點構(gòu)成的趨勢線斜率發(fā)生了變化。為此，采用二階正反向有限差分法尋找η值發(fā)生突變的臨界點，該點即確定為親水膠體糖溶液表觀黏度隨濃度變化的斷點黏度。根據(jù)此法，計算得到了不同親水膠體糖溶液的斷點黏度(表3)(由于對照組的η和G′太小且規(guī)律不明顯，未找到斷點)。由表3可知，羅望子膠糖溶液的斷點黏度最小，而黃原膠的最大，這可能與親水膠體本身性質(zhì)有關(guān)。采用相同方法，根據(jù)圖1-b計算得到不同親水膠體糖溶液的斷點模量(表4)，結(jié)果與斷點黏度的趨勢一致。這是因為，隨著親水膠體糖溶液被濃縮，親水膠體濃度逐漸增大，達到臨界重疊濃度，聚合物流變學認為，臨界重疊濃度是指當聚合物分子所占體積等于溶劑體積時聚合物的濃度，這時多糖分子線圈彼此糾纏重疊，開始發(fā)生物理相互作用，表現(xiàn)為宏觀上糖溶液的黏彈性急劇增大，斷點是溶液由稀溶液過渡到半稀(或濃溶液)的標志[17-18,23-24]。不同親水膠體糖溶液的斷點黏度和斷點模量不同，這可能與親水膠體分子組成、結(jié)構(gòu)及其分子相互作用關(guān)系有關(guān)。

a-糖溶液中水含量的變化對表觀黏度的影響;b-糖溶液中水含量的變化對儲能模量的影響圖1 不同親水膠體糖溶液在模擬冷凍濃縮過程中溶液表觀黏度和儲能模量的變化Fig.1 Changes of apparent viscosity and storage modulus of different hydrocolloids in the process of simulated freeze concentration注：表觀黏度是在8 s-1剪切速率下測量，儲能模量是在1 Hz振動頻率下測量的

為了找到可靠的斷點，參考BOLLIGER等[17]的方法。由于不同親水膠體的黏彈性差別很大，故有必要把斷點黏度(或模量)歸一化、標準化，更好地體現(xiàn)不同親水膠體分子之間的差異對溶液黏彈性的影響并進行比較。通過公式(1)對不同親水膠體糖溶液的斷點黏度和斷點模量進行標準化：

(1)

式中：B為標準化斷點黏度(或模量)，m為斷點黏度(或模量)，m0為0.30%的親水膠體濃度(初始糖溶液)時的表觀黏度(或儲能模量)，由此可得，不同親水膠體(黃原膠、羅望子膠、瓜爾豆膠、羧甲基纖維素和刺槐豆膠)糖溶液的標準化斷點黏度分別為4.12、2.50、3.09、3.43、4.00，標準化斷點模量分別是5.47、2.32、4.26、4.79、4.80。結(jié)果顯示，不同親水膠體的標準化斷點模量與標準化斷點黏度趨勢一致，且羅望子膠的標準化斷點最小，黃原膠的最大。標準化斷點是親水膠體糖溶液在濃縮過程中達到臨界濃度時黏彈性增長幅度的表征，數(shù)值之間的差異反映了不同親水膠體對溶液流變性質(zhì)的影響，數(shù)值越小，說明在冷凍濃縮時該親水膠體對溶液黏彈性影響較小，反之則大。由此表明，羅望子膠對糖溶液流變性質(zhì)影響最小，黃原膠最大。

2.2 不同親水膠體對糖溶液冰晶大小的影響

通過低溫顯微鏡的溫控程序，對由不同親水膠體組成的糖溶液進行冷凍，并在-20 ℃～-10 ℃進行多次(5次)抗熱沖擊實驗，比較熱震前后冰晶的生長情況。圖2為不同親水膠體及對照組熱震后重結(jié)晶的冰晶體成像，可以看出，羅望子膠組樣品的冰晶尺寸最小(圖2-b)，對照組樣品的冰晶尺寸最大(圖2-f)，瓜爾豆膠組僅次于對照組(圖2-c)，在不同親水膠體中冰晶尺寸最大。

a-黃原膠;b-羅望子膠;c-瓜爾豆膠;d-羧甲基纖維素;e-刺槐豆膠;f -對照組圖2 不同親水膠體對糖溶液冰晶重結(jié)晶形成的影響(熱震5次后，×500)Fig.2 Effects of different hydrocolloids on the formation of ice crystal

為了比較不同糖溶液熱震前后冰晶尺寸的差異，采用圖像分析軟件ImagePro plus軟件對用低溫顯微鏡放大500倍熱震前后冰晶和直徑進行數(shù)據(jù)分析，如圖3所示。由圖3中可知，羅望子膠組冰晶直徑最小且熱震前后差別最小，說明在熱震期間冰晶生長最慢，而對照組冰晶生長最快。冰晶生長的快慢反映了親水膠體抑制冰晶生長的能力，而羅望子膠表現(xiàn)最為顯著，表明羅望子膠對糖溶液的冰晶生長抑制作用較強。

圖3 不同親水膠體對抗熱震前后冰晶生長的影響Fig.3 Effect of different hydrocolloids on ice crystal growth before and after thermal shock

采用ImagePro plus軟件對熱震前后冰晶體的面積、縱橫比和直徑等詳細的冰晶參數(shù)進行分析，如表5所示。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(guī)則程度，參考HAGIWARA等[25]的方法，根據(jù)公式(2)計算熱震的后半徑：

(2)

式中：r0為熱震前半徑；r為熱震后半徑；t為熱震時間；k為重結(jié)晶速率。計算不同親水膠體糖溶液的重結(jié)晶速率k；k值的大小反映了熱震期間冰晶生長的快慢。由表5可知，在控制重結(jié)晶能力上，羅望子膠的冰晶大小及重結(jié)晶速率最低，其熱震后的冰晶直徑和重結(jié)晶速率分別為3.11 μm和1.66 μm3/h，遠遠小于對照組的8.37 μm和62.45 μm3/h；瓜爾豆膠和羧甲基纖維素僅次于羅望子膠，它們的重結(jié)晶速率分別為10.78、11.17 μm3/h，黃原膠的重結(jié)晶速率最大，為18.11 μm3/h。結(jié)果表明，羅望子膠對冰淇淋等冷凍甜品的冰晶生長控制效果極佳，大大降低相關(guān)冷品儲藏期間重結(jié)晶帶來的損失，是一種優(yōu)良的冰晶穩(wěn)定劑，這與孫利軍[26]論述的一致。

表5 不同親水膠體糖溶液在熱震前后冰晶生長情況及其重結(jié)晶速率Table 5 Ice crystal growth and recrystallization rate of different hydrocolloids before and after thermal shock

2.3 親水膠體糖溶液的流變性對冰晶生長的影響

標準化斷點黏度(或模量)體現(xiàn)了不同親水膠體對溶液流變性質(zhì)的影響，為了研究冷凍過程中親水膠體糖溶液(未冷凍相)的流變學性質(zhì)對冰晶生長的影響，參考BOLLIGER等[17]的方法，分析標準化斷點黏度(或模量)與冰重結(jié)晶速率的關(guān)系，如圖4-a和圖4-b所示。對標準化斷點黏度(或模量)與冰晶的重結(jié)晶速率進行線性擬合，其線性相關(guān)系數(shù)r2分別為0.92和0.95，均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，顯示標準化斷點值越高，重結(jié)晶速率越大，表明冰的重結(jié)晶與冷凍濃縮溶液的流變學(黏彈性)性質(zhì)有關(guān)。故可以用標準化斷點黏度(或模量)預(yù)測和判斷重結(jié)晶速率的大小，并借此評價不同親水膠體對冷品重結(jié)晶保護的優(yōu)劣以及篩選出性能優(yōu)良的冰晶穩(wěn)定劑。BOLLIGER等[17]認為臨界重疊濃度時多糖分子的重疊或纏結(jié)會降低溶液中水分子的擴散速率，并根據(jù)RODD等[23]和YING等[24]關(guān)于臨界重疊濃度的研究和理解，可以作出推測，即斷點濃度對冰晶生長的影響，可能是由于多糖分子的重疊糾纏，嚴重阻礙了水分子向冰晶的轉(zhuǎn)移擴散，延緩了冰晶的生長速率。不同的親水膠體可能由于分子質(zhì)量、分子組成及結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致臨界重疊濃度、分子之間的相互作用不同，從而對水分子擴散的阻滯能力也不同，并最終影響到對冰晶生長的抑制能力。本研究進一步證實和補充了親水膠體通過影響溶液的流變性控制冰重結(jié)晶的結(jié)論，為研究親水膠體控制冰重結(jié)晶的機理提供了新思路和理論支持。

a-冰的重結(jié)晶速率與標準化斷點黏度的關(guān)系;b-冰的重結(jié)晶速率與標準化斷點模量的關(guān)系圖4 冰的重結(jié)晶速率與標準化斷點的關(guān)系Fig.4 Relationship between recrystallization rate of ice and normalized breakpoint

3 結(jié)論

本研究通過流變和低溫顯微鏡技術(shù)，分析了在模擬冷凍濃縮過程中，不同親水膠體對糖溶液冰晶生長的影響。結(jié)果表明，在冷凍濃縮過程中，親水膠體糖溶液的流變性與冰晶生長有關(guān)，流變學研究表明糖溶液的標準化斷點黏度(或模量)與重結(jié)晶速率具有良好的線性相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)r2分別0.92和0.95)，因此可以通過控制添加親水膠體的種類，借以得到不同的標準化斷點黏度(或模量)，進而預(yù)測和判斷冰的重結(jié)晶，在生產(chǎn)活動中節(jié)約成本，提高效率；其中羅望子膠對減小冰晶尺寸及抑制冰晶生長的作用尤其顯著，是一種性能優(yōu)良的冰晶穩(wěn)定劑。本研究為冷飲工業(yè)發(fā)展中，親水膠體控制冷凍甜品中冰晶的大小以及羅望子膠的推廣應(yīng)用方面提供一定理論支持。但是親水膠體尤其羅望子膠對冷凍甜品重結(jié)晶保護的機理還需進一步研究，以期更好地為工業(yè)發(fā)展服務(wù)。