蛋清基脂肪替代品对冰淇淋的理化性质及微观结构的影响

张 慧，蒋 艳，吴少福，涂勇刚，杨玲玲，徐明生*

（江西农业大学 江西省天然产物与功能食品重点实验室，江西 南昌 330045）

冰淇淋主要由气泡、脂肪颗粒和冰晶网络三组分构成[1-2]。冰淇淋中的脂肪是影响产品口感、风味和理化性质的主要成分，与其他成分相互作用，以产生良好的质地、口感、乳脂感和整体滑腻感[3]。高品质的冰淇淋通常含有较多的脂肪，而高脂肪同时会带来高热量。因此，消费者开始对降脂或低脂肪冰淇淋产生兴趣。然而，直接减少脂肪含量会使产品的口感和质量变差，并且与普通冰淇淋相比，降脂或低脂冰淇淋可能具有抗融化和不可接受的质地问题，如粗燥、结冰和风味的缺陷。因此，冰淇淋制造商已经采用乳脂替代品的做法，以生产出满足注重健康消费者需求的产品。

冰淇淋脂肪替代品通常是由多糖或蛋白质组成的亲脂型颗粒。多糖类脂肪替代品广泛用作产品增稠剂，增加厚度感知[4]。如用糯米淀粉制备的脂肪替代品应用到冰淇淋中，冰淇淋浆液的黏度提高，但硬度降低，含有2%糯米淀粉的低脂冰淇淋与中脂冰淇淋的感官最接近[5]。Dogan等[6]研究了用不同浓度的黄原胶制备的冰淇淋混合物的稳定和动态剪切性质，含有黄原胶的冰淇淋样品具有强的凝胶状大分子分散体。蛋白质型脂肪替代品在冰淇淋系统的乳化、搅打和水结合方面起重要作用。它们有助于在混合物中形成气泡，并且由于其保水的能力，它增加了混合物的黏度并延迟了融化时间[7]。目前，蛋白质为基质的脂肪替代品研究较多的有大豆蛋白、乳清蛋白和牛奶蛋白，比如以牛奶蛋白为基质脂肪替代品，制备的低脂冰淇淋有更高的黏度和硬度[3]；低脂冰淇淋中添加浓缩牛乳蛋白基脂肪替代品，其膨胀率无显著变化，但是与全脂冰淇淋相比其融化率低，黏度大[8]；大豆蛋白与黄原胶混合，通过酶水解和热剪切处理产生在减脂冰淇淋中应用的脂肪替代品，适量的添加脂肪替代品有利于冰淇淋的结构化[9]。

蛋清蛋白具备良好的起泡性和胶凝性同时富含多种蛋白质，热变性中蛋白质紧密结构变得松散，疏水性基团被暴露，经高速剪切后，形成类脂肪的微粒[10]。早期研究脂肪替代品用牛乳蛋白和蛋清蛋白为原料，制备的产品类似奶油的口感应用于一系列乳酸品中[11]。之后有学者也报道过利用蛋清基脂肪替代品降低蛋黄酱中脂肪含量，但会影响蛋黄酱的颜色和外观[12]。而目前研究以蛋清蛋白基脂肪替代品在冰淇淋中应用相对较少。因此，本实验主要目的是研究蛋清蛋白基脂肪替代品在冰淇淋生产中的应用。通过对冰淇淋理化性质的测定，从而确定降脂后的冰淇淋配方中脂肪替代品的最佳用量。为以蛋清为基质的脂肪替代品在冰淇淋中的应用提供理论基础，有利于低脂冰淇淋的开发。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鸡蛋、糖 市购；稀奶油（35%脂肪、38.4%总固形物） 雀巢有限公司；黄原胶（食品级） 河南雅辉化工有限公司；全脂奶粉（26.3%脂肪）、脱脂奶粉（0.9%脂肪） 模里西斯商台纽股份有限公司；复配冰淇淋乳化稳定剂 广州志澳之风食品有限公司；香精浙江大好家实业有限公司；脂肪荧光染色剂Nile Blue A美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

JY92超微细胞粉碎仪 宁波新艺超声设备有限公司；GYB60-6S高压均质机 上海东华高压均质机厂；DYB-50组合多功能式冰淇淋机 天津市特斯达食品机械科技有限公司；T25分散机 德国IKA公司；TA.XTPLUS质构分析仪 英国Surrey仪器有限公司；R/S-Plus型流变仪 美国Bookfield公司；CKX41倒置荧光显微镜 奥林巴斯（深圳）工业有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蛋清基脂肪替代品的制备

分别制备质量分数11%蛋清和质量分数3%黄原胶悬浮液，用柠檬酸调成中性溶液，放入4 ℃冰箱过夜。将蛋清和黄原胶混合，总固形物质量分数为6%，其中黄原胶0.06%，混合后的溶液经搅拌混匀，放在90 ℃水浴锅中加热25 min，冰浴。制备的凝胶经超声细胞粉碎仪破碎10 min后，成为脂肪替代品。

1.3.2 冰淇淋生产工艺

配料混合→均质（二级10 MPa，一级20 MPa）→杀菌（72 ℃，10 min）→老化（4 ℃，12 h）→凝冻出料→硬化（-40 ℃，48 h）。

将0.395 kg/5 kg全脂奶粉、3.56 kg/5 kg稀奶油、0.6 kg/5 kg蔗糖、0.005 kg/5 kg香精、0.025 kg/5 kg乳化稳定剂和0.415 kg/5 kg纯净水混合加热至50 ℃，缓慢搅拌均匀，使冰淇淋总固形物含量达到47.6%。实验组分别添加不同含量脂肪替代品代替奶油，同时采用脱脂奶粉和全脂奶粉进行补充调整，保持冰淇淋配料总固形物含量不变。各实验组具体配料见表1。

表1 冰淇淋实验分组配料Table 1 Grouping and ingredients of ice cream

1.3.3 蛋清基脂肪替代品的理化性质测定

1.3.3.1 起泡性测定

取样品5 mL，用分散机在20 000 r/min搅拌2 min，记录搅拌后泡沫的体积。参考Hammershøj等[13]的方法计算起泡性。

1.3.3.2 持水性测定

取5 mL样品加入到15 mL的3 kDa超滤离心管中，3 700 r/min离心15 min，取出用滤纸将表面水分擦干后称质量。持水性按式（1）计算：

式中：m2为离心后去除水分的离心管质量/g；m1为离心前离心管质量/g；m0为空的离心管质量/g。

1.3.3.3 乳化性测定

参考郭庆[14]的方法略作修改。用凯氏定氮法测蛋白质浓度。取一定浓度3 mL的样品溶液与1 mL油混合，20 000 r/min搅拌1 min，搅拌后立即从试管底部吸取20 μL不同浓度的乳化液，用0.1%十二烷基硫酸钠稀释到5 mL，混匀在波长500 nm处测吸光度。

1.3.4 冰淇淋理化指标的测定

1.3.4.1 质构测定

参考Mahdian等[3]的方法略作修改。将硬化后的冰淇淋放入-18 ℃冷冻24 h后，进行质地测量。样品直径30 mm，高度24 mm。选用TPA测量模式，测试条件为测前速率5 mm/s，测中和测后速率均为1 mm/s。下压距离为7 mm，下压力为5 g。所有实验步骤重复5 次。

1.3.4.2 冰淇淋黏度分析

分别测定冰淇淋浆液老化后的黏度以及浆液打发后的黏度。测试黏度随剪切速率变化的情况。剪切速率范围为0～300 s-1，测定间隔为2 s。

1.3.4.3 冰淇淋膨胀率的测定

参考Pereira等[15]的方法略作修改。通过比较质量测量膨胀度，分别称取凝冻前后一定体积的混合料质量量。膨胀率按式（2）计算：

式中：m1为凝冻前相同体积下混合料的质量/g；m2为凝冻后相同体积下的冰淇淋质量/g。

1.3.4.4 冰淇淋融化率的测定

将放在-18 ℃冰箱中的冰淇淋取出，放在筛网上，筛网下放表面皿，表面皿中收集45 min后融化的冰淇淋并称量质量。参考刘丽[16]的方法，抗融性以融化率表示，融化率越高则表明抗融性越差。融化率按式（3）计算：

1.3.4.5 微观结构的观察

利用倒置荧光显微镜观察融化状态下的冰淇淋气泡分布。用脂肪荧光染色剂Nile Blue A对融化的冰淇淋染色，用倒置荧光显微镜观察脂肪分布。

1.3.4.6 感官评价

冰淇淋样品的感官评价在温度25 ℃条件下进行，使用10 点计分法[17]。冰淇淋的感官特征（坚固度、光滑度、口感和总接受度）由具有正常感觉敏锐度的15 名专门小组成员评估。硬度（0～9，太软到太硬，5为最佳），平滑度（太粗到太平滑，为最佳），口感（太差到太好，9为最优），总接受度（太差到太好，9为最优）。

1.4 数据统计

采用SPSS 19.0软件进行方差分析，P＜0.05，差异显著。

2 结果与分析

2.1 蛋清和脂肪替代品理化性质比较

表2 脂肪替代品的理化性质Table 2 Physicochemical properties of fat substitute

蛋清基脂肪替代品由于其具备较好的起泡性、持水性以及乳化性常被用于冰淇淋生产。如表2所示，单独的蛋清脂肪模拟品与加入黄原胶后制备的脂肪模拟品在持水性上无显著差异，而乳化性和起泡性显著提高。

2.2 脂肪替代率对冰淇淋硬度的影响

图1 冰淇淋硬度变化Fig. 1 Changes in ice cream hardness

冰淇淋的硬度是当冰淇淋被施加外力时防止变形的力大小，用脂肪替代品替换不同含量稀奶油会影响冰淇淋的硬度，如图1所示。冰淇淋硬度的变化随着脂肪替代品的添加先增大后减小。当脂肪替代率从0%增加到20%时，冰淇淋的硬度明显降低。这与卢蓉蓉等[18]用乳清蛋白制备低脂冰淇淋的结果相似，由于脂肪替代品的添加提高冰淇淋的膨胀率，从而导致冰淇淋硬度降低。然而，随着脂肪替代率的增大，冰淇淋的硬度又开始增大。Guinard等[19]认为去除脂肪对冰淇淋硬度有负面影响，随着脂肪减少，硬度呈现增加的趋势。因此，在脂肪大量减少时，冰淇淋硬度开始增大。冰淇淋硬度的变化最终归因于微观结构的变化，即冰淇淋中的相体积、冰晶大小和脂肪稳定性的变化[20]。

2.3 脂肪替代品对冰淇淋浆液黏度的影响

如图2A所示，冰淇淋浆液是一个非牛顿型流体，所有浆液黏度均随剪切速率的增大而逐渐降低。在添加脂肪替代品时，配料黏度明显上升，并且随着添加比例的增大，浆液黏度也会增大。添加脂肪替代品，其黏度提高，归因于水胶体对剪切速率敏感的致密缠结能力[21]。并且，蛋清和黄原胶作为大分子样品在冰淇淋中应用，它们彼此之间具有分子间力，彼此吸引，更大强度阻碍分子流动[22]，因此溶液表现出更黏稠。

如图2B所示，发时空气进入液体中，因此浆液黏度均增大。脂肪替代率增大使浆液黏度增大，如图2A所示，在打发时，空气进入，高黏度的浆液易黏附空气，从而在搅打后冰淇淋的黏度提高。并且随着脂肪替代率的增大，打发后的黏度增大，在20%时达到最大值。然而当替代率进一步增大时，由于浆液的黏度增大，打发时阻力增大，使得空气难以进入流体中，因此黏度又呈现下降趋势。浆液的黏度与冰淇淋的硬度有关，一般而言冰淇淋的黏度大，其硬度也会增加[20]。然而，在低脂和减脂冰淇淋制备中会发现低脂冰淇淋的黏度低，但是硬度高，主要是由于冰晶的存在[23]。因此冰淇淋的硬度不仅受黏度影响，更受冰晶大小和不稳定脂肪水平的影响。

图2 冰淇淋浆液的表观黏度Fig. 2 Apparent viscosity of ice cream slurry

2.4 脂肪替代率对冰淇淋膨胀率的影响

图3 冰淇淋膨胀率的变化Fig. 3 Changes in ice cream overrun

膨胀率是确定空气含量和冰淇淋质地的重要指标。冰淇淋的膨胀率随着脂肪替代率的增加先上升后下降。脂肪替代率从0%到15%时，冰淇淋的膨胀率从54.9%增大到72.6%。而当脂肪替代率继续增大时，膨胀率从72.6%降低到39.5%。从流变学现象可以很好地解释这一结果，当脂肪替代品被添加入冰淇淋中时，由于蛋清和黄原胶分子可以束缚住冰淇淋中的水分，阻止水分子的迁移，使得冰淇淋的黏度增大。黏度的增加对气泡有很好的吸附和稳定性作用，然而当冰淇淋系统太黏稠，会阻止剧烈的搅动和空气进入，膨胀率降低[9]。图3变化与图2流变学变化几乎一致，打发后的冰淇淋浆液黏度变化与膨胀率变化相联系。并且膨胀率的变化影响着冰淇淋的硬度。冰淇淋的硬度增加，膨胀率降低[20]，因此凝胶硬度的变化与膨胀率变化呈大致相反的趋势。

2.5 脂肪替代率对冰淇淋融化率的影响

图4 冰淇淋融化率的变化Fig. 4 Change in melting rate of ice cream

融化率是冰淇淋的重要属性，影响其感官品质[24]。如图4所示，冰淇淋的融化率随着脂肪替代率的增大而改变。当脂肪替代率为5%时，融化率增大，是由于冰淇淋低膨胀率和脂肪的减少增大了冰淇淋的传热速率。而当脂肪替代率增大到15%时，冰淇淋融化率降低。这可能是因为脂肪含量虽然减少，但冰淇淋的膨胀率增大，使得热传导速率变慢，导致融化率降低。而进一步增大冰淇淋脂肪替代率时，其融化率上升。这是由于乳脂大量的减少提高了冰淇淋的传热速率，因此冰淇淋的融化率增加[25]。其次，脂肪替代率为20%～30%时冰淇淋的膨胀率下降，冰淇淋内部空气少，传热速率增大。冰淇淋在热传导下内部冰晶融化后，水流入冰淇淋内使冰淇淋料液被稀释，当稀释到一定程度后液体滴下，因此融化率也与冰淇淋浆液的黏度相关[20]。一般而言，黏度越大，融化率越低。从未打发冰淇淋配料流变学结果图2A看，冰淇淋的融化率会越来越低，然而实验结果与之相反，说明冰淇淋的融化率不仅受黏度影响，更主要受脂肪含量和膨胀率影响。

2.6 冰淇淋融化状态下气泡分布

冰淇淋由球形泡沫组成[26]，冰淇淋中的气泡是维持冰淇淋结构的重要因素。冰淇淋气泡的平均直径在40 μm[27]，在冰淇淋制造过程中，由于剪切力的作用，较大的气泡会破碎形成较小的气泡。从图5可以看出，未添加脂肪替代品时，气泡数量小，分布不均匀。脂肪替代率为30%时，气泡数量变少，直径略微增大。脂肪替代率15%时数量较多，气泡分布均匀，证明该条件下冰淇淋的膨胀率最大。这种变化归因于冰淇淋配料的流变性质，过高黏度的浆料，分子缠结能力强，难搅动，所以空气难以进入，气泡数量少，然而高黏性对气泡稳定性是有利的，因此能观察到大气泡。此外冰淇淋中较高的空气含量导致较高的黏度，这符合冰淇淋浆液打发后的流变学变化趋势。同时冰淇淋中气泡分布的膨胀性会影响热量传递[22]，从而导致融化率降低。

图5 冰淇淋融化时的气泡分布Fig. 5 Bubble distribution at ice cream melting

2.7 冰淇淋融化状态下脂肪分布

脂肪对冰淇淋的口感、质地、结构起着关键作用。冰淇淋在凝冻时由于剪切力作用，使脂肪去稳定化，不稳定的脂肪会在乳液中聚集，脂肪球的广泛聚集最终导致乳液从黏性状态转变为凝胶状液体[28]。脂肪球的直径范围为0.04～4.0 μm[29]，从图6可以看出，未加入脂肪替代品时，存在小粒径脂肪球，同时也存在脂肪簇，这些脂肪簇可以吸附在气泡上，从而改变冰淇淋的融化特性和质地。随着脂肪替代品的添加，脂肪替代率5%时存在较大尺寸的脂肪聚结，进一步添加脂肪替代品，聚结的粒径减小。在用浓缩的乳蛋白和乳清分离蛋白制备的冰淇淋中观察到类似的现象[30]。主要是由于大量添加脂肪替代品，使冰淇淋中蛋白质含量增多，乳化作用加强，体系更稳定。更多的脂肪被蛋白质包裹，产生大的空间位阻，阻碍了脂肪聚结。此外，随着蛋白质浓度的增加，造成吸附层变厚，更大程度上阻止脂肪部分聚结[31]。同时，由于冰淇淋溶液的黏度变化，高黏度的乳液也阻碍了脂肪进一步的聚结[32]。

图6 冰淇淋融化时的脂肪分布Fig. 6 Fat distribution at ice cream melting

一般而言，大的脂肪聚集体更有利于冰淇淋的抗融。然而，这与本实验发现的结果相反。在含有5%脂肪替代品时，冰淇淋的抗融性最低，但聚集尺寸大，脂肪聚集的数量相对较少。针对这一现象，Méndez-Velasco等[33]认为可能由于大的脂肪网络在聚集期间完全融合，导致总体聚集数量减少，脂肪聚集体数量少，融化率相对高。15%脂肪替代率时，脂肪聚集尺寸适中，总聚集数量多，膨胀率高，所以呈现最佳的抗融性。而脂肪替代率20%～30%时，脂肪的聚集数量相对较少，聚集尺寸减小，膨胀率低，导致融化率升高。此外，脂肪的去稳定化对冰淇淋的硬度也有影响。脂肪聚结成大网络，冰淇淋的硬度增加，因此5%取代率时观察到增加趋势。聚集尺寸减小时，硬度下降，但是在脂肪替代率25%～30%时又能观察到硬度增加，可能由于冰晶存在。

2.8 冰淇淋的感官评价

坚固度表示舌头解冻冰淇淋所需的力量。平滑度是指将样品散布到舌头上感知颗粒感[17]。如图7所示，在脂肪替代率15%～20%时，与普通冰淇淋相比，冰淇淋口感较软，而在脂肪替代率25%～30%时，硬度变化无显著差异。这一结果与冰淇淋质构分析的结果完全一致。冰淇淋的平滑度无显著变化，由于冰淇淋在加工过程中经过均质，因此平滑度均较好，接近5 分。在脂肪替代率为25%～30%时，冰淇淋的口感和总体接受度都显著降低。而在脂肪替代率5%～20%时，与未添加脂肪替代品相比，口感与总体接受度均无显著变化。从感官分析以及结合膨胀率和融化率结果看，脂肪替代率15%为最佳。

图7 冰淇淋的感官评价Fig. 7 Sensory evaluation of ice cream

3 结 论

脂肪替代品替代不同含量的奶油影响了冰淇淋的物理性质。流变学显示所有的冰淇淋浆液均为假塑性材料。脂肪替代品的添加提高了浆液的黏度，黏稠性的浆液对冰淇淋膨胀率提高有利，但是过于黏稠的浆液反而降低膨胀率。同时，脂肪替代品的添加改变冰淇淋内部微观包括气泡分布、脂肪的聚集尺寸和聚集数量，这些变化最终影响冰淇淋的理化性质。在脂肪替代率15%时，冰淇淋的膨胀率高，不稳定脂肪含量多，导致慢的传热速率。因此，脂肪替代率15%时，冰淇淋的融化率低，口腔的可持续性较高。感官评价在脂肪替代率5%～20%时，与未添加脂肪替代品相比，口感和总体接受度均无明显变化，虽然此时的冰淇淋硬度偏低，口感偏软。而在脂肪替代率25%～30%时，冰淇淋口感和总体接受度明显下降。因此，脂肪替代品可以部分替代脂肪用于配制降脂冰淇淋。