冰淇淋作为一种深受人们喜爱的冷冻休闲食品。它是一种复杂的食品胶体体系,由未冷冻的血清相、冰晶、脂肪球和气泡组成的水包油型乳状液[1]。与普通乳状液有所不同,冰淇淋的乳状液体系要求静置下稳定,而在低温搅打时脂肪球失稳并发生部分聚结,进而形成稳定的网络结构[2]。在此网络结构中,乳化剂和蛋白质包裹脂肪,部分聚结的脂肪球包裹气泡,使得冰淇淋具有理想质构和感官特性[3]。冰淇淋中的主要原辅料(如非脂乳固体、蔗糖、脂肪、稳定剂和乳化剂)及工艺过程(如混合、杀菌、均质、老化、凝冻)都有助于这种网络结构的形成[4]。用于冰淇淋生产的脂肪、乳化剂、蛋白质三者的多样性,导致脂肪球有不同的结晶特性,进而使脂肪球发生不同程度的部分聚结。部分聚结对冰淇淋品质的影响,目前有较少的报道。本文综述了各因素对脂肪球聚结的影响,说明了脂肪球部分聚结对冰淇淋品质起关键性的作用,以便于在冰淇淋生产过程中控制过量的脂肪球部分聚结,生产出高质量的冰淇淋。
1 乳状液的失稳机理
乳状液是由2种不相溶的液体组成,一种液体以液滴(分散相)的形式分散在另一种(连续相)液体中[5]。其稳定性受组成成分、加工方式和环境条件的影响。如图1所示,乳状液的几种失稳机理主要包括奥氏熟化、絮凝、聚结和乳析或沉降。
图1 乳状液失稳机理
Fig.1 Instability mechanism of emulsion
1.1 奥氏熟化
奥氏熟化是由于不同粒径的脂肪液滴在连续相中的溶解度不同,大脂肪液滴溶解度比小脂肪液滴溶解度小,随着时间推移小脂肪液滴溶解在连续相中,大脂肪液滴变大的现象为奥氏熟化[6]。在奥氏熟化过程中,大液滴的粒径不断变大,其液滴的平均粒径变大。
若体系中奥氏熟化为主要的影响因素,则可以由公式(1)计算奥氏熟化速率[7]:
(1)
式中:K是奥氏熟化速率,μm/s;r是脂肪球平均粒径,μm;t是时间,s。
由公式(1)可知,r3与时间t呈线性关系,直线的斜率为奥氏熟化速率,因此可以测定脂肪球粒径随时间的变化来确定乳状液的稳定性。
1.2 乳析或沉降
乳析或沉降指球状物迁移到连续相的顶部或底部,是由密度差异引起的,密度小于连续相的较小液滴向顶部移动,密度大于连续相的向底部移动。此现象可以根据斯托克斯(Stokes)定律来解释[8],如公式(2)所示:
(2)
式中:VStokes是乳析速度,cm/s;d是乳液液滴半径,cm;Δρ是两相的密度差,g/mL;η是连续相的黏度,pa·s;g是重力加速度,cm/s2。
由公式(2)可知,乳析速度与脂肪球粒径的平方、两相的密度差成正比,与连续相的黏度成反比,因此可以通过减小脂肪球粒径、减小两相之间的密度差,增加连续相的黏度来降低乳析速度。
1.3 絮凝
絮凝是脂肪液滴之间相互作用的结果,在不改变脂肪液滴大小的条件下,脂肪球液滴相互凝集在一起而形成脂肪团簇。在部分情况下,絮凝是可逆的,通过简单的搅拌絮凝体就能被破坏[9]。
两个半径为r的球形液滴,范德华引力F与2个球形液滴表面之间的距离h关系如公式(3)所示[10]。
(3)
式中:A是Hamaker常数,与粒子性质有关,是物质的特征常数,具有能量单位,一般为10-19～10-20J;“-”是指吸引力;r是液滴的半径,μm;h是两液滴之间的距离,μm。
由公式(3)可知,两球形液滴之间的半径越大或距离越小,2个球形液滴之间的范德华吸引力越大,范德华引力大于液滴之间的排斥力,则发生絮凝。结合Stokes公式,半径越大,乳析速度变大,因此可知乳状液发生絮凝,较易发生乳析、沉降。
1.4 聚结
聚结是2个或多个液滴相互碰撞,形成一个大液滴的过程。在食品乳状液中,根据油相的物理性质不同,聚结分为2种方式:
a)当油相是液体时,2个或多个油滴融合成一个大液滴;
b)当脂肪是固态脂肪时,温度低于熔点,脂肪发生结晶,在剪切作用下发生碰撞,结晶脂肪球内部的晶体伸入连续相刺破邻近脂肪球的界面膜,使膜破裂,脂肪球内部的晶体形成具有一定刚性的网络结构,阻止其发生聚结,分散相中液态油对连接的脂肪球有润湿作用,加强之间的连接,此现象称为部分聚结,如图2所示。部分聚结是一种不可逆的不稳定机制,其脂肪球能够保持各自的特性[11]。在冰淇淋中,常采用固态脂肪,在老化阶段脂肪结晶,发生部分聚结。多项研究表明,冰淇淋的主要失稳机制是脂肪球的部分聚结,并且强调了部分聚结对冰淇淋质构的重要性[12-13]。
图2 部分聚结
Fig.2 Partial coalescence
2 部分聚结对冰淇淋品质的影响
脂肪球部分聚结对冰淇淋质构形成的作用,如图3所示。主要由4个部分组成:a)脂肪球及其脂肪聚结体,形成网状结构,可以稳定气泡,形成一定的膨胀率;b)冰晶,小于50 μm可以提供细腻的口感;c)空气泡,由部分聚结的脂肪球、蛋白质以及乳化剂形成界面所包围,一般气泡直径为25～30 μm,微小的气泡分布在冰淇淋中,使得冰淇淋具有较好的质构;d)连续相,水相中含有溶解的蛋白质、稳定剂、乳化剂和糖类等。蛋白质和乳化剂,两者竞争吸附在脂肪球表面,使脂肪球发生部分聚结。未冻结相在冰晶和脂肪球之间,防止两者紧密接触,破坏部分聚结所形成的网络结构。4个部分相互作用形成一个稳定的三维结构[14]。
图3 冰淇淋乳状液和冰淇淋结构[19]
Fig.3 Ice cream emulsions and ice cream structure
冰淇淋是典型的搅打型乳状液,其结构的形成依赖于部分聚结。脂肪球发生部分聚结形成一个三维结构,稳定空气,使冰淇淋获得较好的膨胀率。研究表明,当脂肪球的部分聚结程度较高时,气泡尺寸较小且分布均匀,减缓融化的速度,较大体积的气泡减缓了热量的传递[1]。不仅如此,感官评价也受到部分聚结程度的影响,脂肪部分聚结程度高,形成大的脂肪球簇,导致糊口性增强;相同的固体脂肪含量,但有大量部分聚结的脂肪球,会产生较强的油腻感[15]。因此在冰淇淋中,控制脂肪球的聚结是有必要的,使其形成稳固的脂肪网络结构,该网络有助于气泡的稳定[16],使产品获得较好的感官特性[17]和结构特征[18]。这种脂肪网络结构与冰淇淋的配方(例如乳化剂、脂肪类型、和蛋白质)、外部因素(剪切速率)以及加工方式有关[3]。
2.1 配方组成对脂肪部分聚结的影响
2.1.1 乳化剂
乳化剂在冰淇淋乳状液中,除了乳化作用外,还有以下作用:a)稳定脂肪球,呈细微的乳浊液;b)防止大冰晶的形成,使冰淇淋结构细腻;c)促进脂肪结晶,使其发生部分聚结,有利于气泡的稳定性,提高冰淇淋在室温下的耐热性。冰淇淋配方中,通常加入小分子的非离子型乳化剂,小分子乳化剂具有较强的表面活性,吸附在油水界面,形成致密的吸附层,主要依靠动态吸附机制。关于乳化剂稳定乳状液,有研究提出了Gibbs-Marangoni机制[20],该机制提出乳化剂需在界面处快速扩散或迁移,以减少可能出现的表面浓度梯度。而且乳化剂在快速移动过程中会拖动相关的连续相,从而快速恢复脂肪球间渗透压的平衡,达到稳定乳状液的效果。
多糖类具有分子质量较大、黏度较高等特点,能够形成较厚的乳液界面,稳定性较好。多糖类稳定乳状液的机理与小分子乳化剂有所不同,小分子乳化剂主要影响液滴的粒径分布,加入小分子乳化剂的乳状液液滴粒径相对较小,其脂肪球粒径分布呈单峰或双峰分布。多糖类与小分子乳化剂相比,其形成的液滴比小分子乳化剂大,因多糖类在颗粒表面形成弱凝胶结构。多糖类主要通过3方面稳定乳状液[21]。
a)通过影响乳状液的水相的黏度:多糖类在水溶液中具有一定的黏度,乳状液静置时,可以弱化布朗运动、弱化重力作用,减少液滴聚结的几率,使乳状液稳定;
b)质构:多糖的空间位阻防止液滴发生聚结;大多数多糖是带负电的,多糖吸附在油-水界面上,通过同性相斥来阻止脂肪球聚结;
c)液滴结构:在界面上与蛋白质发生交互作用,包括共价交互作用和静电交互作用,从而稳定乳状液。
蛋白质-多糖复合物能够在液滴外层形成保护层,提高乳液的稳定性。其能够抑制乳状液不稳定现象发生的主要原因是具有高表面活性、增加分散介质的黏度以及形成凝胶状带电和厚吸附层的能力。以阿拉伯胶[22]为例,其具有耐酸耐碱性且稀释也具有乳化性的特点,相比于小分子乳化剂,乳化效率较低,因而需要添加较高含量,才能覆盖脂肪球液滴,防止聚结,它的增稠能力对提高乳状液的稳定性有利。而且阿拉伯胶可以改变蛋白质的构象展开方式,使蛋白质更易吸附于界面上,增强蛋白质的乳化性能。
小分子乳化剂的饱和度不同,对乳状液有不同的作用效果。在促进脂肪结晶时,与不饱和单甘酯(单油酸甘油酯)相比,饱和单甘脂(单硬脂酸甘油酯)更有效地促进脂肪结晶,FOUBERT等[23]研究发现,饱和单甘酯在低温下因其过饱和而非常快地聚集,产生大量的晶核,从而导致更短的诱导时间和更高的生长速率。另一方面,不饱和单甘酯更有效的替代脂肪球上的蛋白质,GOFF等[24]添加饱和单甘脂和不饱和单甘脂制作冰淇淋,用透射电子显微镜观察其微观结构发现,与饱和单甘脂相比,不饱和单甘脂制作的冰淇淋,形成较好的三维网络结构,更好地包裹气泡,具有较好的抗融效果。
另外,TUAL等[25]研究表明,乳化剂的浓度也会影响脂肪球的部分聚结,一般来说乳化剂浓度较低,导致脂肪球发生大量的真正聚结形成不均匀的脂肪球网络结构;浓度较高,导致较低的界面蛋白浓度,形成松散而脆弱的结构,从而降低了产品的硬度,过量游离的乳化剂会产生泡沫,但不能使泡沫稳定;适量的乳化剂可以使冰淇淋乳化效果更加稳定,防止油水分离,增强口感。
2.1.2 蛋白质
蛋白质具有两亲结构,可以向油水界面迁移,亲水基团向水相移动,而疏水基团向油相移动,其独特的性质可以在脂肪表面形成黏弹性的界面膜,通过空间和静电作用,能够防止油滴发生聚结,为气泡提供一定的稳定作用[26]。由于结构不同,不同蛋白质在油水界面的分子重排和吸附程度可能不同,被吸附蛋白层的黏弹性特性影响了防止脂肪球体聚结、絮凝和再聚结的能力[2]。根据GB/T 31114—2014《冷冻饮品 冰淇淋》蛋白质含量需>2.2%～2.5%,脂肪需>5.0%～8.0%。在均质过程中,蛋白质吸附于脂肪球界面,并会在界面上部分展开,通过蛋白相互作用使界面层具有足够的机械强度,阻碍脂肪球发生聚结,稳定乳液。蛋白质分子质量较大,移动性差,但是一旦吸附于界面,形成黏弹性薄膜,有效稳定乳状液,因此蛋白质稳定乳液的机制被认为是一种静态的稳定机制[27]。
冰淇淋中蛋白质主要是由乳粉提供,根据结构分为两类:酪蛋白和乳清蛋白,酪蛋白因为其中含有大量的脯氨酸,脯氨酸是亚氨基酸,亚氨基缺少一个氢原子无法形成链内氢键,阻止了有序二级结构的形成,表现出灵活的无序构象,几乎没有二级结构;乳清蛋白具有相当有序的二级结构,具有通过分子内二硫键连接在一起的紧密三级结构[28]。乳清蛋白主要分散在水溶液中,亲水基团大多数分布在外侧,从而呈现出较好的水溶性,且分子质量小于酪蛋白,相对来说,乳清蛋白的乳化性较好。蛋白质的乳化性除了与自身结构有关,还受到乳状液的环境温度以及乳化剂与其竞争吸附作用的影响。微环境的改变导致蛋白质构象发生变化,适度的热处理使蛋白质的三级结构会部分展开或全部展开,疏水基团暴露,表面疏水性越强,吸附在油水界面的蛋白质就越多,界面张力就越低,有利于乳状液稳定[29]。
仅由大分子蛋白质能够使乳状液稳定,较好地阻碍脂肪球发生聚结,但是不利于冰淇淋质构的形成。若完全是小分子乳化剂,界面膜较弱,同样不利于冰淇淋质构的形成。因此在设计冰淇淋配方是通常会加入大分子和小分子表面活性剂,其稳定乳状液的机制不同,而发生竞争性吸附,在冰淇淋工艺过程中置换蛋白质,导致脂肪球吸附层的松动,增加了脂肪晶体穿透的可能性,从而促进了冰淇淋中脂肪的部分聚结。
2.1.3 脂肪
油脂是由甘油和脂肪酸分子结合而形成的酯类化合物。脂肪酸的饱和度、碳链长度以及顺反异构决定着油脂的性质。脂肪酸的碳链越短,饱和度越低,油脂的熔点低[30]。冰淇淋中常用椰子油、棕榈油和黄油等固态脂肪,椰子油的熔点为24～27 ℃,饱和脂肪酸含量高,其质量分数约为91%,主要以饱和的低、中碳链为主,其晶型一般为β型,用其制作的冰淇淋口感清爽。棕榈油的熔点为24～41 ℃,饱和脂肪酸的质量分数大于85%,其晶型一般为β′型,用其制作的冰淇淋有油腻感[31]。黄油的成分复杂,黄油中所有的脂肪球都有一个由高熔点甘油三酯与聚集在球体内的大量结晶脂肪结合而组成的晶壳,黄油样品加热到25 ℃,晶壳的大部分仍保持不变。
脂肪的结构和热特性是冰淇淋冷冻过程中的重要因素,不同脂肪酸组成的油脂形成不同的脂肪结晶特性,导致形成的脂肪晶体网络结构有较大的差异[19]。LIU等[32]指出脂肪酸的组成对脂肪结晶有较大的影响,表明富含月桂酸和肉豆蔻酸含有较小的晶体,脂肪晶体网络中较大的空间被小针状晶体占据,形成密集的微观结构,而硬脂酸含量较高则形成了大的球形晶体;以棕榈酸和油酸为主的脂肪出现大的层状晶体簇,分布稀疏,导致晶体网络不完整。一般来说,饱和脂肪酸含量越高,结晶速率越快,晶体尺寸越小,空间分布越均匀。
2.1.3.1 固体脂肪含量
当温度降低时,脂肪液滴发生结晶,晶体成核开始逐渐生长,产生固体脂肪。固体脂肪含量对部分聚结至关重要,部分聚结需固体脂肪和液态脂肪之间达到最佳比例。FULLER等[33]研究表明固体脂肪含量在低(<25%)和高(>60%)时,部分聚结率相对较低。乳状液中的固体脂肪含量和液态脂肪含量过多或过少对部分聚结都有一定的阻碍作用,若乳液中的固体脂肪含量占100%,相邻2个脂肪球之间无法连接;若均为液态油,2个脂肪球接触后完全融合,形成一个大的脂肪球[34]。液态油的流动也受限于晶体网络结构的致密性,若晶体的缝隙很小,即使固体脂肪含量很低,液态油也无法透过缝隙,脂肪球也很难发生部分聚结。
2.1.3.2 脂肪晶体大小和晶型
脂肪晶体网络的形成一般包括成核和晶体生长,是2个复杂的热力学过程。脂肪晶体在乳状液生长的主要过程,如图4所示[35],液体油在过冷驱动力下,甘油三脂分子形成稳定的核,然后组装成薄片,薄片结合形成晶体纳米片,其堆积形成单晶,当单晶达到一定数量时,在范德华引力的作用下,单晶相互吸引聚集成晶簇,晶体直接进一步团聚、交织形成三维结晶网络结构[36]。在冰淇淋乳状液中,脂肪结晶形成的晶体倾向于向界面移动,会刺破邻近脂肪球膜发生部分聚结。
图4 甘油三脂的结构层次和脂肪结晶网络的形成过程
Fig.4 The structure hierarchy of triglycerides and the formation process of fat crystal network
典型的脂肪晶型主要有α、β′和β,如表1所示,其中α晶型最不稳定,熔点最低,会转变β′晶型,β′晶型转变为更为稳定的β晶型,是不可逆过程。β′晶型的介于α和β晶型之间。β晶型的稳定性最高,熔点也最高,晶体较大。不同晶型的脂肪晶体表现出不同的形态,在显微镜下,α晶型产生微小的晶体,β′晶型通常是细针状,其大小在1 μm以下,形成一个较细密的脂肪晶体网络,可以提高对冰淇淋的膨胀率,而β晶型通常是板状晶体,只能结合少量的直径较大的气泡[37]。
表1 晶型部分特征[40]
Table 1 Crystallographic partial characteristics
晶型亚晶胞亚晶胞结构粒度熔点短间距/nm稳定性塑性硬度α六方结晶小低0.41不稳高低β′正交结晶中中0.42～0.430.37～0.40介稳中中β三斜结晶大高0.460.36～0.39稳定低高
脂肪酸组成不同,形成不同的脂肪晶型,当脂肪晶体为片状或球状时,脂肪球粒径以单个分布为主;脂肪球晶体为针状能够刺破邻近脂肪球发生部分聚结。脂肪晶体大小对冰淇淋乳液中脂肪部分聚结的影响研究表明,相对于圆形晶体,针状脂肪晶体更容易导致脂肪球部分聚结;晶体的突出距离越大,脂肪球越容易发生部分聚结[38-39]。脂肪晶体除了穿透邻近脂肪球,发生部分聚结,晶体的功能还在于在小球内形成内部网络,以稳定聚结脂肪球的各个形状并防止完全聚结。
2.2 剪切速率
剪切速率使得脂肪球之间的碰撞几率增加,增加部分聚结的可能性。MOENS等[11]研究表明,剪切速率较大会加剧部分聚结形成大尺寸的脂肪团块,但较慢的剪切速率不利于部分聚结。机械剪切力通过界面层诱导晶体穿刺以引发聚结,脂肪部分聚结的速度和程度很大程度上取决于界面膜的刚度。在搅打过程中,由于脂肪晶体穿过膜,机械剪切导致脂肪滴部分聚结。一般而言,较高的剪切力会导致更小的气室和更多更大的脂肪球簇。
2.3 加工方式
冰淇淋生产过程中,杀菌、均质、老化、凝冻也有助于三维网络结构的形成。杀菌旨在杀死致病菌、破坏微生物所产生的毒素,而且可以通过改变温度条件使蛋白质结构发生变化,进而改善冰淇淋的品质;均质过程中,在压力的作用下使脂肪球破碎,会形成没有完全被脂肪球膜包裹的界面,冰淇淋乳状液中的蛋白质和乳化剂竞争吸附在脂肪球表面,形成新的脂肪球膜。冰淇淋生产过程中,一般是采用先杀菌后均质,也有部分企业采用先均质后杀菌的工艺流程。两种加工方式导致蛋白质的吸附性质不同,以至于脂肪球部分聚结程度不同,从而影响冰淇淋的质构。程金菊等[41]研究了乳蛋白、乳蛋白-乳清蛋白和乳蛋白-大豆蛋白先杀菌后均质、先均质后杀菌对冰淇淋品质的影响,结果表明乳蛋白,先杀菌或先均质,对冰淇淋品质未产生显著性的影响,而乳蛋白-乳清蛋白和乳蛋白-大豆蛋白,先均质后杀菌引起的脂肪球部分聚结程度更高,使冰淇淋组织结构细腻,具有较好的抗融性。先均质后杀菌,乳蛋白-乳清蛋白和乳蛋白-大豆蛋白都是连续相中未吸附蛋白质和脂肪球表面的蛋白质之间相互作用增强,从而使脂肪球发生部分聚结。先杀菌后均质会导致蛋白吸附量增加,使脂肪球不易发生部分聚结。乳蛋白-乳清蛋白杀菌过程中,乳清蛋白在一定温度条件下会变性,β-球蛋白展开且疏水基团暴露,使得乳清蛋白能够与κ-酪蛋白相互作用,形成热诱导的蛋白质聚集体,从而使脂肪球表面的蛋白质吸附量增加;而乳蛋白-大豆蛋白是温度条件导致其亚基解离,促进可溶性聚集体的形成,使得蛋白质的疏水性增强,增加了蛋白质在脂肪球表面的吸附量[20]。由此可知,不改变脂肪球球膜组成成分,而想改变脂肪球的部分聚结度,可以通过选择不同的加工方式,改变蛋白质的吸附性质,从而达到理想的部分聚结,使冰淇淋获得理想的质构。冰淇淋结构的形成依赖于脂肪球的部分聚结,在老化阶段,随着温度降低,脂肪开始结晶,固体脂肪比例逐渐增加[42];凝冻过程中,单独的充入空气或者剪切都无法使脂肪球发生聚结形成较好的网络结构,若想要理想的网络结构,充气和剪切须同时进行[43]。在凝冻过程中,较低的温度使得脂肪晶体不断生长,由于受到剪切力的作用,脂肪球之间发生相互碰撞,脂肪晶体突出穿透邻近脂肪球膜,引发由脂肪晶体为介导的部分聚结,形成三维结构,包裹进入的空气,随着不断的搅拌,更多的气泡被脂肪球网络结构包裹,这种结构贯穿于整个冰淇淋产品中[2],使冰淇淋获得光滑细腻的质构、良好的抗融性和保形性,相反若脂肪球不发生部分聚结,使得冰淇淋组织粗糙,抗融性差。
3 结语
综上所述,冰淇淋的配方、外界环境和加工方式都对脂肪球部分聚结有较大的影响,最终影响冰淇淋的感官品质、理化特征。因此非常有必要控制冰淇淋中脂肪球的部分聚结。在冰淇淋制作过程中,可以通过选用乳化剂、脂肪、种类蛋白质等添加量与种类或采用不同的加工方式来使冰淇淋获得较好的脂肪网络结构。但是真实乳状液体系,体系成分复杂,影响因素较多,各影响因素之间有交互作用,导致真实乳状液体系的作用机理较难被阐述清楚。目前的研究局限于简单的体系,对于冰淇淋浆料乳状液复杂体系,部分聚结各因素之间的相互作用关系还需要进一步的研究。
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