γ-聚谷氨酸在冰激凌中的应用研究

梁金钟，毕明月，王风青，李 煜，王翼雪，梅剑秋

（哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室，黑龙江哈尔滨 150076）

γ-聚谷氨酸在冰激凌中的应用研究

梁金钟，毕明月，王风青，李 煜，王翼雪，梅剑秋

（哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室，黑龙江哈尔滨 150076）

在传统冰激凌配方制作的基础上，研究以γ-聚谷氨酸（γ-PGA）为稳定剂和增稠剂的冰激凌工艺，分别以膨胀率、黏度、融化率对冰激凌进行品质的评价为指标；利用单因素试验和Box-Behnken响应曲面试验对冰激凌的制作工艺进行优化，并在此基础上添加γ-PGA作为冰激凌的稳定剂和增稠剂，将γ-PGA与传统冰激凌添加剂进行对比试验研究。结果表明，按添加量为9%的奶粉、11%的淡奶油和11%的白砂糖作为原料，以0.03%的γ-PGA作为稳定剂和增稠剂，经过原料的混合、灭菌、高剪切细化、均质、老化、凝冻、硬化，冰激凌的品质最好，此时膨胀率为67.75%，融化率为35.28%，黏度为2 456.9 m·Ps。

γ-聚谷氨酸；稳定剂；增稠剂；膨胀率；黏度；融化率；冰激凌

0 引言

γ-聚谷氨酸（γ-Polyglutamic acid，γ-PGA）是一种由D-或L-谷氨酸通过α-氨基和γ-羧基形成γ-酰胺键结合而成的阴离子聚合物[1-2]，其具有极强的成纤维性、成膜性、可塑性、阻氧性、黏性、保湿性、极强的吸水性和生物降解性等理化性质[3]，是对人体和环境无毒害的、可生物降解的新型天然高分子[4-6]。

在食品领域，γ-PGA具有很强的食品安全性，可作为保健食品、食品增稠剂、稳定剂和保水剂等[7]，由于γ-PGA具有增稠、稳定的作用，已经被用在冰激凌、果汁饮料等中作为增稠剂和稳定剂[8-9]。

γ-PGA是一种新型安全天然材料，现在工业生产冰激凌常用海藻酸钠、明胶、卡拉胶等食品添加剂，试验将γ-PGA作为稳定剂和增稠剂加入到冰激凌中，以改善油脂固体微粒分散度，减少冰晶形成，提高冰激凌混料黏度，改善冰激凌口感，提高冰激凌的膨胀率和部分抗融化性[10]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

奶粉，大庆乳品厂责任有限公司提供；白砂糖，黑龙江北方糖业股份有限公司提供；淡奶油，爱氏晨曦乳制品进出口有限公司提供；羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、明胶、卡拉胶、果胶、瓜尔豆胶、海藻酸钠，均为天津市大陆化学试剂厂提供产品；γ-聚谷氨酸，实验室自备。

1.2 仪器与设备

NA-6440AEC型冰激凌机，上海日世商贸有限公司产品；G01-280型压力蒸汽灭菌器，成都医疗器械厂产品；电热恒温培养箱、电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产品；电子分析天平，梅特脱勒-托利多仪器（上海）有限公司产品；YJCY-100-60型高压均质机，天津市特斯达食品机械科技有限公司产品；RW20数显型顶置式机械搅拌器，德国IKA公司产品；NDJ-5S型旋转黏度计，上海精密科学设备有限公司产品。

1.3 冰激凌的制备流程

奶粉、白砂糖、增稠剂、稳定剂、糖溶液、γ-PGA→混合料液→冰激凌基液→灭菌→高剪切细化→均质→老化→凝冻→分装→硬化→硬质冰激凌。

1.4 操作要点

1.4.1 原料混合

先加水、脱脂乳、牛乳等液体原料，再添加炼乳、稀奶油等高黏度液体原料，然后再添加白砂糖、脱脂乳粉、无水奶油、乳化剂、稳定剂等固体原料。原料混合的温度通常在40～50℃[11]。

1.4.2 均质

均质通常在60～70℃的条件下进行。采用双段式进行均质，一级均质压力为15～20 MPa，目的是使脂肪球破碎；二级均质压力为2～5 MPa，目的是使破碎的脂肪球分散，防止黏连[11]。

1.4.3 杀菌

混合原料的杀菌通常在77℃左右，避免进行第2次杀菌，否则可能使成品出现蒸煮味，引起品质的下降[11]。

1.4.4 冷却与老化

将均质杀菌的料液迅速冷却并在4℃老化，使混合料液中的脂肪、蛋白质、增稠剂和稳定剂能够充分地进行水合作用[11]。

1.4.5 硬化

将老化后的冰激凌放入-25～-30℃硬化设备中硬化，使其成为硬质冰激凌，然后在-18～-20℃冷柜中冷藏[11]。

1.5 冰激凌的基础配方

冰激凌的基础配方见表1。

表1 冰激凌的基础配方

1.6 冰激凌黏度的测定

采用NDJ-5S型旋转黏度计，测定经4℃老化12 h的冰激凌混料黏度，选用2号转子，转速为12 r/min。

1.7 冰激凌膨胀率的测定

分别称取凝冻前后一定体积的混合料质量，膨胀率依如下公式表示[12]：

1.8 冰激凌融化率的测定

取经硬化后的冰激凌成品置于35℃培养箱中的金属网上，金属网下放置表面皿，计时45 min测融化物质量。抗融性以融化率表示，融化率越低，抗融性越好[13]。

1.9 冰激凌配方单因素试验设计[14-16]

1.9.1 奶粉添加量对冰激凌品质的影响

冰激凌中添加量为10%的淡奶油、12%的白砂糖和0.15%的单甘脂，添加量分别为7%，8%，9%，10%的奶粉进行单因素试验，计算冰激凌的膨胀率、融化率和黏度。

1.9.2 奶油添加量对冰激凌品质的影响

冰激凌中添加量为12%的白砂糖、10%的奶粉和0.15%的单甘脂，添加量分别为9%，10%，11%，12%的淡奶油进行单因素试验，计算冰激凌的膨胀率、融化率和黏度。

1.9.3 白砂糖添加量对冰激凌品质的影响

冰激凌中添加量为10%的淡奶油、10%的奶粉和0.15%的单甘脂，添加量分别为9%，10%，11%，12%的白砂糖进行单因素试验，计算冰激凌的膨胀率、融化率和黏度。

1.10 响应面分析法

选出对冰激凌品质影响显著的3个因素，即奶粉、淡奶油、白砂糖，采用Box-Behnken设计，以冰激凌膨胀率为响应值设计响应面试验。

响应面试验因素与水平设计见表2。

表2 响应面试验因素与水平设计/%

1.11 不同种类的稳定剂对冰激凌品质的影响

在冰激凌最佳配方的基础上，分别添加0.01%，0.02%，0.03%，0.04%的γ-PGA、海藻酸钠、卡拉胶和果胶作为冰激凌的稳定剂，计算冰激凌的膨胀率、融化率和黏度，对冰激凌的品质进行评价。

1.12 不同种类的增稠剂对冰激凌品质的影响

在冰激凌最佳配方的基础上，分别添加0.01%，0.02%，0.03%，0.04%的γ-PGA、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素钠和明胶作为冰激凌的增稠剂，计算冰激凌的膨胀率、融化率和黏度，对冰激凌的品质进行评价。

1.13 感官评价

由10名食品专业学生依据感官评价表，按照各项进行打分，计算总和，即得到每组冰激凌的总体得分。

感官评价见表3。

表3 感官评价

2 结果与分析

2.1 冰激凌最优配方的确定

2.1.1 奶粉添加量对冰激凌品质的影响结果

奶粉添加量的单因素试验见表4。

表4 奶粉添加量的单因素试验

2.1.2 淡奶油添加量对冰激凌品质的影响结果

淡奶油添加量的单因素试验见表5。

表5 淡奶油添加量的单因素试验

2.1.3 白砂糖添加量对冰激凌品质的影响结果

白砂糖添加量的单因素试验见表6。

表6 白砂糖添加量的单因素试验

由表4～表6可知，当奶粉添加量为9%时，冰激凌的品质最好，此时冰激凌的膨胀率为46.43%，融化率为44.48%，黏度为2 398.7 m·Ps；当淡奶油添加量为11%时，冰激凌的品质最好，此时冰激凌的膨胀率为44.41%，融化率为65%，黏度为2 408.1 m·Ps；当白砂糖添加量为11%时，冰激凌的品质最好，此时冰激凌的膨胀率为40.12%，融化率为45.83%，黏度为2 384.4 m·Ps。

2.2 冰激凌工艺响应曲面优化试验

通过单因素试验的分析，以冰激凌的膨胀率为指标，对奶粉、淡奶油、白砂糖3个因素设计响应面试验。采用多元回归分析，拟合二次多项回归模型的Box-Behnken设计。

响应面试验结果与分析见表7，回归模型方程方差分析见表8。

表7 响应面试验结果与分析

表8 回归模型方程方差分析

利用Design Expert软件对表7中的试验数据进行多元回归拟合，得到冰激凌的膨胀率对奶粉、淡奶油、白砂糖的二次多元回归模型方程为：

该回归方程的相关系数R2=0.993 3，说明回归方程的拟合良好，与试验结果有99.3%的符合度；校正系数R2adj=0.984 7，说明本模型具有较高的可信度。各项的方差分析见表8，模型的p＜0.01，说明模型极为显著；失拟项大于0.05，失拟相对误差不显著，从另一方面说明模型较好的拟合度。

2.3 响应曲面分析

对冰激凌中组分含量——奶粉、淡奶油、白砂糖3个因素两两交互进行分析，做出相应的响应曲面。通过等高线的图，可以得出最优试验条件下各因素的取值。由图1可知，（d）和（f）中两因素交互作用显著，（b）中两因素交互作用不明显，这与表8中的方差分析结果一致。

根据回归方程，用Design Expert软件做出响应曲面，考察拟合响应曲面的形状。通过软件的优化可以得到最优的试验配方为奶粉添加量9%，淡奶油添加量11%，白砂糖添加量11%，此时冰激凌的膨胀率为55.73%。

两因素交互作用对冰激凌膨胀率影响的分析见图1。

2.4 稳定剂对冰激凌品质的影响

图1 两因素交互作用对冰激凌膨胀率影响的分析

稳定剂是一种高分子物质，是无定型的胶体物质，使水可以形成胶体溶液，在冰激凌的生产过程中，稳定剂可以与冰激凌混料中的游离水分结合，保持混合料液中适当的黏度，提高乳液的稳定性；在冷冻过程中有助于提高冰激凌的膨胀率，减小融化率，可以预防冰激凌在贮藏时冰晶的生长。

不同种类的稳定剂添加量对冰激凌品质的影响见表9[1]。

由表9可知，冰激凌中当γ-PGA的添加量为0.03%时，冰激凌的品质最好，此时冰激凌的膨胀率为67.75%，融化率为45.28%，黏度为2 433.9 m·Ps。这是由于冰激凌在制作过程中γ-PGA会通过多糖分子之间的作用与蛋白质、多糖相作用，形成凝胶网络结构，持水性和保持气泡的能力较强，γ-PGA作为稳定剂所形成的三维网络中，水会变成结合水，使自由流动的能力减少，增加混料的黏度。

添加不同种类的稳定剂对感官评价的影响见表10。

表9 不同种类的稳定剂添加量对冰激凌品质的影响

由表10可知，通过感官评价打分，γ-PGA在添加量为0.03%时，得分最高，为89分，此时冰激凌的滋味和气味香甜，组织状态比较好，冰激凌很黏稠。

表10 添加不同种类的稳定剂对感官评价的影响/分

2.5 增稠剂对冰激凌品质的影响结果

增稠剂具有亲水性，可以与冰激凌中的自由水结合形成结合水，以减少物料中自由水的数量。增稠剂的使用能提高混合料液的黏度和冰激凌的膨胀率，防止或者抑制冰晶的生长，提高产品的抗融性和保存的稳定性，也可以改善冰激凌的组织结构和形体。

不同种类的增稠剂添加量对冰激凌品质的影响见表11。

表11 不同种类的增稠剂添加量对冰激凌品质的影响

由表11可知，随着瓜尔豆胶添加量的增加，膨胀率呈现先增大后减小的趋势；随着羧甲基纤维素钠添加量的增加，膨胀率先减小后增大，融化率呈现先增大后减小的趋势；随着明胶添加量的增加，膨胀率逐渐减小，融化率先增加后减小；添加相同量的增稠剂时，γ-PGA的黏度相对较好，当γ-PGA的添加量为0.03%时，此时的黏度最好为2 408.6 m·Ps，这是由于冰激凌在制作的过程中γ-PGA会通过多糖分子之间的作用与蛋白质、多糖相作用，形成凝胶网络结构，持水性和保持气泡的能力较强，γ-PGA作为稳定剂所形成的三维网络中，水会变成结合水，使其自由流动的能力减少，所以可以增加混料的黏度。

添加不同种类的增稠剂对感官评价的影响见表12。

表12 添加不同种类的增稠剂对感官评价的影响/分

由表12可知，通过感官评价，γ-PGA在添加量为0.03%时，得分最高，为90分，此时冰激凌的滋味和气味香甜，组织状态比较好，冰激凌很黏稠，口感润滑细腻。

3 结论

通过单因素试验确定了冰激凌的工艺配方，并结合Box-Behnken的中心组合设计及响应曲面分析，建立了冰激凌中奶粉、淡奶油、白砂糖添加量的二次多项式模型，经过显著性检验证明了该模型具有可靠性。最终得到冰激凌中主要物质添加量最优的配方为奶粉添加量9%，淡奶油添加量11%、白砂糖添加量11%时，冰激凌的品质最好，膨胀率为55.73%，与理论值（46.43%） 的相对误差为9.3%，说明利用响应曲面法优化冰激凌配方的条件是可行的。在此配方的基础上，添加γ-PGA为稳定剂和增稠剂的冰激凌，将γ-PGA与传统冰激凌添加剂进行对比试验研究，添加γ-PGA作为稳定剂和增稠剂的冰激凌的膨胀率为67.75%，融化率为35.28%，黏度为2 456.9 m·Ps。

[1]Du Guocheng，Yang Ge，Qu Yinbo，et al.Effects of glycerol on the production of poly（γ-glutamic acid） by Bacillus licheniformis[J].Biothnology and Bioengineering，2002，57：690-756.

[2]洼田英俊，南部洋子，远藤刚.微生物生产的聚γ-谷氨酸的性质 [J].化学与粘合，1994（4）：244-247.

[3]梁金钟，王风青.微生物发酵法合成高分子聚合物γ-PGA的研究 [J].北京工商大学学报（自然科学版），2011，29（1）：24-29.

[4]陈坚.微生物重要代谢产物：发酵生产与过程解析 [M].北京：化学工业出版社，2005：216-218.

[5]Ing Lung Shih，Yun Ti Yu.Simultaneous and selective production of levan and poly（γ-glutamic acid）by Bacillus subtilis[J].Biotechnology Letters，2005，27：103-106.

[6]吕萌，梁金钟，王风青.补料发酵枯草芽孢杆菌合成γ-聚谷氨酸的研究 [J].食品科学，2011，32（23）：225-228.

[7]Qun Wu，Hong Xu，Jinfeng Liang，et al.Contribution of glycerol on production of poly（γ-glutamic acid）in Bacillus subtilis NX-2[J].Biotechnol Lett，2011（33）：1 837-1 840.

[8]孟祥晨，霍贵成.双歧杆菌酸奶生产工艺的优化 [J].食品与发酵工业，2003，29（11）：19-22.

[9]Kunioka M，Furusawa K.Poly（γ-glutamic acid） hydrog prepared from microbial poly（γ-glutamic acid）acd alkaced amine with water-soluble carnodiimide[J].J Appl Polym Sci，1997，65：1 889-1 896.

[10]刘丽，程建军.大豆分离蛋白冰淇淋的研制及其功能特性的研究 [D].哈尔滨：东北农业大学，2013.

[11]何金兰，肖开恩，刘四新，等.椰蓉在冰淇淋中的应用研究 [J].食品工业，2011（6）：31-35.

[12]王军，邵丽琴.冷饮生产工艺与配方 [J].化学与生物工程，2008，12（4）：17-21.

[13]朱川，刘雅，钟芳，等.冰淇淋感官评定方法的建立[J].食品与机械，2001，23（3）：127-131.

[14]陈咏竹，孙启玲.γ-多聚谷氨酸的性质、发酵生产及其应用 [J].微生物学通报，2004，31（1）：122-126.

[15]王利剑，郑水林，陈骏涛，等.硅藻土提纯及其吸附性能研究 [J].非金属矿，2006，29（2）：3-5.

[16]黄金，陈宁.γ-聚谷氨酸的性质与生产方法 [J].氨基酸和生物资源，2004，26（4）：44-48.◇

Study on the Application of γ-Polyglutamic Acid in Ice Cream

LIANG Jinzhong，BI Mingyue，WANG Fengqing，LI Yu，WANG Yixue，MEI Jianqiu
（Key Laboratory for Food Science and Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin，Heilongjiang 150076，China）

Based on the traditional ice cream formula，this study investigate the process of adding γ-Polyglutamic acid as stabilizer and thickener in the ice cream.The evaluation indexes of ice cream are evaluated by the inflation rate，viscosity and melting rate.The production process of ice cream is optimized by single factor test and Box-Behnken response surface analysis. On the basis of the optimized formula of the ice cream，adding γ-PGA as stabilizer and thickener for ice cream，compared γ-PGA with traditional ice cream additives.The results show that：adding 9%of the milk powder，11%of the cream and 11%of the sugar as raw materials，with 0.03%γ-PGA as stabilizer and thickener，after the mixture of raw materials，sterilization，high shear thinning，homogenization，freezing，aging and hardening，the expansion rate is 67.75%，melting rate is 35.28%and the viscosity is 2 456.9 m·Ps.

γ-polyglutamic acid；stabilizer；thickener；inflation rate；viscosity；melting rate；ice cream

TS202.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.12.002

1671-9646（2016）12a-0006-05

2016-10-13

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD32B08）。

梁金钟（1957— ），男，本科，教授，研究方向为微生物学与发酵工程。