冰淇淋是一种备受大家喜爱的冷冻饮品。随着冰淇淋消费市场的不断扩大,人们开始更加关注其营养价值[1]。近年来,出于健康考虑,大众对高蛋白和植物性食品的兴趣逐渐增加,具有高蛋白含量和植物成分的冰淇淋因此成为市场上备受关注的产品。目前,国家标准规定清型冰淇淋的蛋白质含量应不少于2.5 g/100 g,而国内销售的冰淇淋大多在2.5%～3.2%。有研究表明,近88%的消费者期待冰淇淋中增加蛋白质,并愿意接受高蛋白含量的冰淇淋[2]。然而,增加蛋白质可能对冰淇淋的贮藏稳定性产生不利影响。目前大多数研究集中在添加乳蛋白以增加蛋白含量,但这会损害冰淇淋的质地特性。研究表明,增加蛋白质含量会降低脂肪聚并程度,导致冰淇淋融化速率加快[3]。此外,使用乳清分离蛋白增加蛋白质含量会减少脂肪球的破乳,增加体系的黏度,从而影响冰淇淋的口感和质地[4]。一项研究还发现,通过添加浓缩乳清蛋白和浓缩乳蛋白,将蛋白质浓度从3.7%增至7%后,高蛋白冰淇淋在热波动后出现明显的体积收缩和塌陷,这与冰晶和气泡的稳定性有关[5]。因此,如何在满足消费者期望的同时确保冰淇淋的质构品质稳定性,是一个亟待解决的问题。

大豆分离蛋白作为植物基蛋白中能与乳蛋白媲美的蛋白质,其来源广泛,成本较低、富含人体必需氨基酸,不含胆固醇,不含抗生素[6]。此外,它还具备一定的乳化特性[7]。CHEN等[8]研究发现,大豆蛋白水解产物能够通过提高脂肪失稳程度来改善冰淇淋的融化速率,有望成为脱脂奶粉的潜在替代来源。HEI等[9]研究则指出,经过热处理和酶交联的大豆分离蛋白制成的乳液具有出色的冻融稳定性,适用于植物基冰淇淋的制备。然而,值得注意的是,如果将大豆分离蛋白作为冰淇淋的唯一蛋白来源,可能会对冰淇淋的质构性质产生不利影响。AKESOWAN[10]研究表明,当冰淇淋中的蛋白成分全部由大豆分离蛋白构成时,冰淇淋的硬度和黏度会显著增加。

目前已有一些研究采用植物基蛋白与乳蛋白复配的方法以提高冰淇淋的品质,然而,其影响机制尚不明确。尤燕莉等[11]采用全大豆与全脂奶粉复配,在复配质量比为3∶7时,制得的双蛋白冰淇淋具有更高的膨胀率和更好的抗融性。连家威等[12]采用大豆分离蛋白和浓缩乳清蛋白按1∶1的质量比制成双蛋白,添加至含10%脱脂奶粉的冰淇淋中,发现当添加量为10%时,制得的冰淇淋在硬度、融化率和感官评分方面表现更出色。

因此,本研究拟通过动植物基蛋白复配的方法,改善单一蛋白在高蛋白含量下的冰淇淋融化、收缩塌陷、硬度等质构特性,旨在为改善高蛋白冰淇淋的质构性质提供理论指导并满足大众对健康饮食的需求。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱脂奶粉,新西兰恒天然集团;浓缩乳清蛋白粉,上海雨桂贸易有限公司;大豆分离蛋白粉,临沂山松生物制品有限公司;蔗糖,太古糖业(中国)有限公司;麦芽糊精,河南中泰食化有限公司;精炼椰子油,嘉里粮油(天津)有限公司;瓜尔胶、黄原胶、卡拉胶,河南万邦化工科技有限公司;单硬脂酸甘油酯,内蒙古乳液技术研究院有限公司;乳糖,郑州百思特食品添加剂有限公司;聚葡萄糖,泰莱食品配料(南通)有限公司;纯净水,花之味(无锡)饮用水有限公司。

1.2 仪器和设备

MAZ3000激光粒度仪,英国马尔文仪器公司;DHR3流变仪,美国TA仪器公司;TA-XT plus物性分析仪,英国Stable Micro Systems公司;RUNCHEN Frunt-N05凝冻机,上海润辰实业有限公司;J20冷冻离心机,美国贝克曼公司;M2酶标仪,美国分子仪器公司;Panda Plus 2000高压均质机,意大利GEA Niro Soavi公司;IKA T18高速分散机,德国IKA公司;DCAT 25全自动表面张力仪,德国迪飞仪器公司;CTE-SE7 506-05F紧凑型高低温试验箱,中科赛凌(北京)科技有限公司;ICA-3M工业冷水机组,上海康赛制冷设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 冰淇淋基础配方

基础配方中脂肪含量为9%(质量分数)、蔗糖含量为9%(质量分数)、添加乳糖使所有样品总糖含量为18.5%(质量分数)、添加聚葡萄糖填充使所有样品总固形物含量为38%(质量分数),以排除糖和固形物含量对实验结果的干扰。各原料的质量占比如表1所示,其中,蛋白粉提供所有的蛋白来源分别为脱脂奶粉(skimmed milk powder,SMP)、浓缩乳清蛋白(whey protein concentrate,WPC),大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI),制得样品分别记为SMP、WPC、SPI。蛋白粉基础组成成分为:SMP(34%蛋白、54%乳糖,质量分数)、WPC(34%蛋白、50%乳糖,质量分数)、SPI(90%蛋白,质量分数,无乳糖)。本研究设置一种普通蛋白含量(3%,质量分数)和一种高蛋白含量(5%,质量分数)。在普通蛋白含量下,设置了单一蛋白种类组;在高蛋白含量下,设置了单一蛋白种类组以及动植物基蛋白复配组(SMP/SPI和WPC/SPI),蛋白比例设置为3∶1、1∶1、1∶3。

1.3.2 冰淇淋制作工艺

冰淇淋制作工艺如图1所示,先将原料进行称量与混合,将胶、糖、蛋白粉、乳化剂等干粉料准确称量并充分混合与椰油独立分装;高速搅拌:将称量好的纯净水加热至70 ℃后,先倒入干粉料,待搅拌至无明显结块后再倒入液体原料(椰油),搅拌转速1 100 r/min,搅拌25 min,使原料充分溶解;高速分散:将混料进行高速分散,转速11 000 r/min维持5 min;定容:用70 ℃热水将混料定容至初始体积,以弥补在搅拌和高速分散过程中因高温散失的水分,保证固形物含量不变;均质:混料保持在70 ℃左右进行一次均质,一级均质压力15 MPa,二级均质压力3 MPa;立即冷却:将混料置于冷水机中迅速降温至4 ℃;老化:迅速降温至4 ℃后转移至4 ℃冰箱中冷藏过夜;凝冻搅打:将老化后的浆料倒入凝冻机中进行凝冻,使用3oz一次性杯子盛装软质冰淇淋;硬化:将制得的软质冰淇淋迅速置于-40 ℃冰箱内速冻3 h后转移至-20 ℃冰箱硬化。

1.3.3 膨胀率测定

用相同的3oz一次性纸杯分别对冰淇淋浆料和软质冰淇淋进行称重[13],膨胀率计算如公式(1)所示:

膨胀率

(1)

式中:m0为冰淇淋浆料的质量;m为凝冻后相同体积软冰淇淋的质量。

1.3.4 融化特性测定

将硬化24 h后的冰淇淋从3oz一次性杯中取出并置于8目筛网上,筛网下放置盛器和电子天秤,在25 ℃、湿度为50%下每隔5 min记录一次滴落冰淇淋样品的质量,共计180 min,以时间为横坐标,以冰淇淋质量损失百分比为纵坐标,绘制冰淇淋融化曲线,同时记录冰淇淋的第一滴滴落时间和180 min时的终点融化率;融化速率为冰淇淋开始滴落时到质量损失平台期的斜率。

1.3.5 热收缩性质测定

使用高低温试验箱对冰淇淋的热收缩性质进行测定,温度程序设置为:-25 ℃稳定10 min后,以2 ℃/min速率升温至25 ℃,维持1 h;然后以-1 ℃/min速率降温至-25 ℃,维持1 h;再以2 ℃/min速率升温至25 ℃,维持1 h;然后以-1 ℃/min速率降温至-25 ℃,维持1 h,以此往复循坏48 h;热波动结束后,将样品转移至-80 ℃的冰箱内冷冻1 h。测量时用4 ℃的水沿杯壁灌入缝隙,直至液面与杯口平齐,记录灌入水的体积,即为冰淇淋收缩塌陷的体积[14]。

1.3.6 粒径分布测定

采用MAZ3000激光粒度仪测定冰淇淋浆料老化前,后及冰淇淋融化后的粒径分布[13]。椰油和水的折射率分别为1.450和1.333,吸收值0.001,遮光率为9%～11%。

1.3.7 脂肪聚并程度

根据冰淇淋融化后的粒径分布情况,脂肪聚并程度计算如公式(2)所示:

脂肪聚并程度

(2)

1.3.8 界面性质测定

1.3.8.1 界面张力

使用全自动表面张力仪DCAT测定水油界面张力。按照本研究冰淇淋基础配方配制油相和水相,油相中包含油脂和单甘酯,水相中包含水和蛋白质,其中水相在70 ℃下提前水合3 h。选择PT11标准铂金片测量,本研究中测量时下相为水相,上相为油相。空白组(椰油+水)界面张力平均值为22.46 mN/m。降低的水油界面张力=空白组界面张力-样品的界面张力。

1.3.8.2 界面蛋白含量

参考PATTON等[15]的方法并稍作修改,采用BCA试剂盒的方法测定界面蛋白含量。取适量冰淇淋浆料于离心管中,置于冷冻离心机内,4 ℃,15 000×g离心,30 min,离心后用一次性针头吸取下清液层溶液,并用0.22 μm一次性针头式过滤器过滤。以牛血清蛋白作为标准蛋白测定下清液中未吸附到界面的蛋白含量。待冰淇淋浆料老化过夜后重复上述操作进行测定,得到老化前、老化后界面蛋白含量值,计算如公式(3)所示:

(3)

式中:T为界面蛋白含量,mg/m2;d3,2为乳液中油滴的面积平均粒径,μm;Ф为乳液中油的体积分数,%;Cinitial为离心前乳液中蛋白质量浓度,mg/mL;Cserum为离心后未吸附层蛋白质量浓度,mg/mL。

1.3.9 硬度与黏附力测定

取硬化48 h后冰淇淋样品测定其硬度与黏附力。探头型号为P5/Cylinder stainless,触发力为10 g,测试中探头速度为2 mm/s,压缩距离为20 mm。

1.3.10 流变学性质测定

1.3.10.1 黏度

采用旋转流变仪测定冰淇淋浆料老化后的黏度。夹具选用直径为40 mm、角度为4°的椎板,间隙设置为1 cm。在4 ℃下测定0.1～100 s-1剪切速率条件下的黏度变化。

1.3.10.2 黏弹性

采用旋转流变仪测定冰淇淋浆料老化后的黏弹性。夹具选用直径为40 mm的平板,在4 ℃,1 Hz恒定频率下测定样品的线性黏弾区,并在线性黏弹区中测定冰淇淋样品的黏弹性模量,测定模式为:应变水平为0.7%,频率范围为0.1～10 Hz。以对数取点方式采集数据,记录储能模量(G′)、损耗模量(G″)以及损耗角正切值(tanφ)。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016和Origin 2021对数据进行处理和绘制图表,使用SPSS 23.0对数据进行显著性分析,P<0.05时,在统计学上差异显著。

2 结果与分析

2.1 单一蛋白对高蛋白冰淇淋质构品质的影响

2.1.1 蛋白种类对高蛋白冰淇淋融化特性的影响

2.1.1.1 膨胀率

膨胀率是冰淇淋的重要特性,会影响冰淇淋的质构性质以及在贮藏运输过程中的稳定性[16]。SOFJAN等[16]研究表明膨胀率增加,冰淇淋硬度降低,抗融性增强。因此本研究为避免膨胀率带来的额外影响,选取膨胀率水平相近的样品进行测定。由不同蛋白制成的冰淇淋膨胀率为78%～81%(表2)。

2.1.1.2 融化特性

冰淇淋的融化特性受蛋白含量、蛋白种类、脂肪聚并程度、膨胀率、黏度等因素影响。由图2及表2可以得出,随着蛋白含量增加,SMP、WPC、SPI冰淇淋整体的抗融性下降。但值得注意的是,SPI含量增加,第一滴滴落的时间延长,这可能与SPI具有较好的保水能力及冰淇淋具有更高的黏度有关。在5%蛋白含量下,SMP的融化速率、终点融化率均最低,抗融化性质最好;SPI的起滴时间最长,但开始融化后即会以较快速度融化至完全。

2.1.2 蛋白种类对高蛋白冰淇淋热收缩性质的影响

有研究表明高蛋白、固形物、膨胀率、外部温度波动都会促进冰淇淋的收缩,但影响机制需进一步探索[14,17]。由图3可知,在蛋白含量增加的情况下,冰淇淋的收缩体积均有不同程度的增加,抗收缩塌陷能力下降,尤其是SMP与WPC样品,这可能是由于脂肪聚并程度下降所致。而3%-SPI与5%-SPI样品的收缩体积均在2 mL以内,表明SPI的抗收缩塌陷能力较强,3%-WPC与5%-WPC样品收缩体积在4 mL以下,表明WPC也具有较好的抗热收缩的能力。冰淇淋在经过温度波动后的体积收缩情况如图4所示。

2.2 动植物基蛋白复配对高蛋白冰淇淋质构品质的影响

2.2.1 动植物基蛋白复配对高蛋白冰淇淋融化特性的影响

2.2.1.1 膨胀率

为避免膨胀率对冰淇淋的质构特性带来额外影响,本研究选取膨胀率水平相近的动植物基蛋白复配的高蛋白冰淇淋样品进行测定,膨胀率为77.6%～80.7%(表3),样品间无显著性差异。

2.2.1.2 融化特性

动植物基蛋白复配组冰淇淋的融化特性如图5所示。冰淇淋第一滴滴落时间、融化速率、终点融化率见表3。对比发现,当SPI的比例增加时,冰淇淋的抗融化性能也相应提高,特别是5%-WPC∶SPI=1∶3的样品,这是因为它具有更高的脂肪聚并程度,形成了更紧密的脂肪网络结构。同时,此样品体系也显示出最高的黏度,这进一步延缓了冰淇淋的融化速度。类似的研究结果也得到了其他研究人员的验证,例如AKESOWAN[10]的研究表明,SPI会显著增加冰淇淋的黏度,并降低其融化速度。他们认为这是因为SPI具有与水分子结合的能力,形成了稳定的凝胶结构,进而减缓了水分子在融化过程中的自由移动。另外,WU等[18]的研究也表明,冰淇淋的融化速率与脂肪聚并程度呈负相关;黏度越高,冰淇淋的抗融化性能越好。LIU等[19]研究也证实了脂肪聚并程度对冰淇淋的保型能力具有重要影响,脂肪聚并程度高的冰淇淋更能保持其形状。

2.2.2 动植物基蛋白复配对高蛋白冰淇淋热收缩性质的影响

由图6可知,在高蛋白含量下,通过SMP、WPC与SPI复配,结果表明,在加入不同比例SPI后,收缩体积都有明显的下降,能达到并优化3%-SMP时的保型效果,但抗收缩塌陷能力与SPI含量增加并没有很明显的一一对应关系。动植物基蛋白复配冰淇淋在经过温度波动后的体积收缩情况如图7所示。

2.2.3 粒径分布、脂肪聚并程度、界面性质对冰淇淋融化特性的影响

2.2.3.1 粒径分布

粒径分布是冰淇淋浆料重要的特性之一,它会直接影响冰淇淋浆料的稳定性、冰淇淋成品的融化特性和整体质量性质[20]。由图8可知,在加入SPI的6种高蛋白复配样品中,老化前后的粒径即呈现三峰趋势分布,浆料的初始粒径偏大,加入SPI的浆料粒径更倾向于大粒径范围分布,乳化效果不如2种乳蛋白来源,原因可能是SPI的溶解度相对较低,可能存在一些大颗粒物,在均质化后不能快速包围脂肪球形成界面膜,使脂滴的粒径增加;也有研究表明,老化后冰淇淋浆料粒径呈现双峰和三峰也和均质化条件有关[20]。

2.2.3.2 脂肪聚并程度

动植物基蛋白复配组冰淇淋脂肪聚并程度如表3所示。对比发现,2组均表现出随着SPI比例的增加,脂肪聚并程度呈现上升的规律,这也与冰淇淋的抗融特性呈正相关。冰淇淋的抗融性质深受脂肪聚并程度影响,LIU等[21]表明脂肪聚并程度越高,冰淇淋的融化速率和终点融化率会得到改善,这也与本研究的结果类似。

2.2.3.3 界面性质

水-油界面张力与冰淇淋乳液的稳定性密切相关。通过测定加入蛋白与乳化剂的水油界面张力,可以体现出蛋白质与乳化剂在界面上的表面活性与竞争吸附行为。由图9可知,复配组均表现出类似的趋势,即随着SPI比例的增加,界面张力降低程度越高,这或许是球状结构的大豆蛋白更容易被小分子乳化剂从界面上解吸下来,使界面张力大幅下降所致。

界面蛋白含量可以较好反映出蛋白质吸附在水油界面膜上的情况。界面蛋白解吸量可以从侧面反映在乳化剂不变的前提下,蛋白种类变化所引起的乳化剂与蛋白在界面上的竞争吸附关系。界面蛋白含量与界面蛋白解吸量如图10所示。由图10-a、图10-b可知,在2种复配组中体现出随SPI比例的增加,界面蛋白含量呈增加趋势。程金菊等[22]也发现,当SPI占比高时,脂肪球蛋白质吸附量更高。由图10-c、图10-d可知,在2种高蛋白复配组中,均表现出随SPI比例的增加,界面蛋白解吸量逐渐上升,脂肪聚并程度与之呈现正相关趋势。结合界面张力特性,可以得出,随SPI比例增加,水-油界面张力降低,界面蛋白解吸量升高,脂肪球聚并程度上升,冰淇淋抗融性增强,尤其体现在WPC与SPI复配组中。

2.2.4 硬度、流变学性质对冰淇淋融化特性的影响

2.2.4.1 硬度与黏附力

冰淇淋的硬度是指冰淇淋受到外部作用力时抵抗变形的能力[23],黏附力则可以模拟人口腔中臼齿咀嚼冰淇淋时糊口的程度。如图11所示,在2种高蛋白动植物基复配组中基本符合随着SPI占比的增加,冰淇淋的硬度上升的规律,可以说明SPI会增加冰淇淋的硬度。其中,5%-WPC∶SPI=1∶3样品的硬度最高,其抗融性也最优,原因是其脂肪聚并程度最高,样品体系黏度最高导致的。HIDAS等[24]研究也表明冰淇淋的表观黏度与硬度存在很强的相关性。此外,SMP与SPI复配的3个样品表现出硬度越高,抗融性越好。

在复配组中,黏附力随着SPI的占比增加而增加,加入SPI的复配组样品黏附力都显著高于单一蛋白的样品,证明SPI可以提高冰淇淋的黏附性。本研究中,冰淇淋的黏附力和浆料的黏度基本呈正相关。

2.2.4.2 流变学性质

复配组冰淇淋浆料的黏度如图12所示。复配组冰淇淋均表现出随着SPI比例的增加,浆料的黏度上升,说明SPI会增加冰淇淋浆料的黏度,结合抗融性质,可以得出SPI比例增加,浆料的黏度增加,冰淇淋的抗融性增强。在复配比例相同的条件下,WPC与SPI复配的冰淇淋浆料黏度更高。WU等[18]研究表明,黏度的增加会延长冰淇淋的起滴时间,增强抗融性。

冰淇淋浆料的储能模量G′和损耗模量G″可分别表示浆料的类固体行为和黏性流体行为[25]。复配组冰淇淋浆料的黏弹性如图13所示,损耗角正切值见表3。所有样品的黏性模量和弹性模量均随着频率的增加而上升。由表3可知,所有样品tanφ值小于1,均偏向于弹性特征,且随着SPI占比增加,弹性特征增强,冰淇淋的硬度与其呈正相关。因此可以得出,SPI会提高冰淇淋浆料的弹性特征,增加凝冻搅打后冰淇淋的硬度。

3 结论

本研究探究动植物基蛋白复配对高蛋白冰淇淋质构品质的影响,以进一步改善高蛋白冰淇淋在运输贮藏过程中的质构稳定性。结果表明:

a)在单一蛋白组中,高蛋白含量使SMP、WPC冰淇淋整体的抗融性下降,抗塌陷能力减弱;使SPI冰淇淋的融化速率上升,但起滴时间有所延长,抗塌陷能力较稳定。

b)在高蛋白动植物基复配组中,2组均随着SPI比例增加,抗融性提高,原因是水油界面张力降低程度增加,界面蛋白解吸量升高,使脂肪聚并程度更高,同时流动相黏度上升,硬度增加共同所致,其中硬度受冰淇淋浆料的黏度、tanφ、脂肪聚并程度影响较大,黏附力与浆料的黏度呈正相关;抗塌陷能力均较良好。

综合考量冰淇淋各质构品质,在高蛋白含量下,WPC∶SPI=1∶1(质量比)可以较好地提高冰淇淋的抗融性、抗收缩塌陷能力,且不会大幅增加冰淇淋的硬度。本研究为动植物基高蛋白冰淇淋的开发以及从蛋白的角度如何保持高蛋白冰淇淋在运输贮藏过程中的质构稳定性提供了依据和参考。

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Effects of animal- and plant-based proteins on texture quality of high-protein ice cream

WANG Jianze1,2,3,4, CHEN Ling1,4, XIA Yixun1,2,3,4, ZHONG Fang1,2,3*

1(School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)
2(Science Center for Future Foods, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)
3(Collaborative Innovation Center of Food Safety and Quality Control in Jiangsu Province, Wuxi 214122, China)
4(Jiaxing Institute of Future Food, Jiaxing 314015, China)

ABSTRACT To ensure that high-protein ice cream can achieve the texture stability of current ice cream with ordinary protein content, the study investigated the performance of ice cream prepared with skimmed milk powder, whey protein concentrate, and soy protein isolate at ordinary protein content (3%) and high protein content (5%), and used different animal- and plant-based proteins (skimmed milk powder and soy protein isolate, whey protein concentrate, and soy protein isolate) to overcome the negative impacts of high protein content on texture properties.Results showed that at high protein concentrations, the overall melting resistance of skimmed milk powder and whey protein concentrate ice cream decreased and the anti-collapse ability weakened.The melting rate of soy protein isolate ice cream increased, but the dripping time was extended and the anti-collapse ability was relatively stable.Increasing the proportion of soy protein isolate in the compound system could improve the melt resistance and obtain relatively good and stable collapse resistance, but the hardness and adhesion would increase significantly.Among samples, when the mass ratio of whey protein concentrates and soy protein isolate was 1∶1, each texture property was relatively balanced, and better texture quality of high-protein ice cream could be obtained.

Key words ice cream; high-protein; animal- and plant-based; texture quality

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.038494

引用格式：王剑泽,陈羚,夏熠珣,等.动植物基蛋白对高蛋白冰淇淋质构品质的影响[J].食品与发酵工业,2024,50(24):18-27.WANG Jianze,CHEN Ling,XIA Yixun, et al.Effects of animal- and plant-based proteins on texture quality of high-protein ice cream[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(24):18-27.

第一作者：硕士研究生(钟芳教授为通信作者,E-mail:fzhong@jiangnan.edu.cn)

基金项目：国家自然科学青年基金项目(32302282,32001628);江苏省自然科学青年基金项目(BK20210460)

收稿日期：2024-01-05,改回日期:2024-03-13