張幸運(yùn),鐘秋嬋,王樹欣,易祖欣,王欣語,李明軒,王光強(qiáng),宋子波,艾連中,張匯*
1(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)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(tuán)有限責(zé)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(diǎn)日益受到人們的喜愛。冰晶的大小是評(píng)價(jià)優(yōu)質(zhì)硬式冰淇淋品質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)重要感官指標(biāo),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(chǔ)運(yùn)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(huì)影響冰淇淋的重冰晶。首先是配方因素,HARTEL[3]認(rèn)為冰淇淋配方中增加非脂乳固形物(milk solids not fat,MSNF)含量會(huì)抑制冰晶生長(zhǎng),而甜味劑對(duì)冰淇淋物料的冰點(diǎn)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(zhǎng),糖分子從生長(zhǎng)的晶體表面擴(kuò)散的速度可能會(huì)限制冰晶的生長(zhǎng)速度[6-7]。其次,生產(chǎn)工藝對(duì)冰晶大小也有一定影響,研究認(rèn)為,冰淇淋在凝凍時(shí),高膨脹率(>70%)可能會(huì)影響冰淇淋儲(chǔ)運(yùn)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(chǔ)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(chǔ)存的冰淇淋,重結(jié)晶速率會(huì)更高,DONHOWE等[10]表明,重結(jié)晶速率取決于儲(chǔ)存溫度和溫度波動(dòng)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(zhǎng),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(chǔ)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(jī)制存在爭(zhēng)論。有研究認(rèn)為是因?yàn)橛H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(zhǎng)[11-13];也有人持不同觀點(diǎn),他們認(rèn)為黏度大小與親水膠體對(duì)冰晶生長(zhǎng)的抑制無關(guān)[4, 14-16]。另外,BDLLIGER等[17]等認(rèn)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(xué)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(jìn)一步研究和證實(shí)。
本研究為了探討親水膠體對(duì)糖溶液模擬冷凍過程中冰晶生長(zhǎng)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(jìn)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(cè)定了糖溶液的黏彈性和冰晶大小,進(jìn)而分析糖溶液的流變學(xué)(黏彈性)與冰晶生長(zhǎng)的關(guān)系,探討親水膠體抑制冰晶生長(zhǎng)的作用機(jī)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(zhǎng)貨架期,促進(jìn)冷飲工業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持和科學(xué)參考。
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(tuán);實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。
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(tái),Linkam 公司。
1.3.1 樣品的制備
標(biāo)準(zhǔn)的初始糖溶液組成包括:12.00%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))蔗糖、4.00%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))葡萄糖漿(含1%水)、83.70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))去離子水、0.30%(質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)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(duì)照組中原含水量的0%、15%、30%、45%、60%和75%(質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)),模擬冷凍過程對(duì)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(duì)應(yīng)被濃縮的親水膠體,如表1所示,其中每組測(cè)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?jǐn)?shù))
1.3.2 剪切流變和動(dòng)態(tài)振動(dòng)流變測(cè)量
測(cè)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(cè)量溫度為4 ℃(樣品測(cè)量前需要在冰箱4 ℃放置12 h)。選用Peak Hold程序進(jìn)行測(cè)量,剪切速率為8 s-1,讀取黏度值[19]。振動(dòng)試驗(yàn)選用Oscillation frequency程序進(jìn)行測(cè)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(shí)的儲(chǔ)能模量(G′)和消耗模量(G″)值[17]。每種樣品至少進(jìn)行3次測(cè)量,求平均值。
1.3.3 模擬冷凍過程觀察冰晶生長(zhǎng)變化
冰晶大小的測(cè)量需要用到配備冷熱臺(tái)的低溫顯微系統(tǒng),本研究采用BX51冷凍顯微鏡和BCS196冷臺(tái),測(cè)量時(shí)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(jìn)行程序變溫模擬冰淇淋老化、凝凍、出料、包裝、硬化、包裝、儲(chǔ)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(shí),在冷熱臺(tái)上通過前后左右移動(dòng)視野,拍攝每個(gè)樣品不同位置的冰晶,每個(gè)樣品重復(fù)3次,用ImagePro plus軟件進(jìn)行圖片數(shù)據(jù)分析。
表2 模擬冰淇淋生產(chǎn)溫度與時(shí)間條件的測(cè)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(shí)驗(yàn)平行測(cè)量3次。數(shù)據(jù)均采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS statistics 17.0軟件進(jìn)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(jì)學(xué)意義。
為了探究親水膠體糖溶液的流變性與冰晶生長(zhǎng)的關(guān)系,用Discovery HR-3流變儀對(duì)36組糖溶液的流變參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,包括表觀黏度η、儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″。其中儲(chǔ)能模量G′的變化可以用于表示凝膠硬度和強(qiáng)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(qiáng)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(xué)性質(zhì)(表觀黏度和儲(chǔ)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(duì)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(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在含水量為84.7%時(shí),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(shí),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(chǔ)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(duì)表3和表4數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)構(gòu)成的趨勢(shì)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(diǎn),該點(diǎn)即確定為親水膠體糖溶液表觀黏度隨濃度變化的斷點(diǎn)黏度。根據(jù)此法,計(jì)算得到了不同親水膠體糖溶液的斷點(diǎn)黏度(表3)(由于對(duì)照組的η和G′太小且規(guī)律不明顯,未找到斷點(diǎn))。由表3可知,羅望子膠糖溶液的斷點(diǎn)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(jì)算得到不同親水膠體糖溶液的斷點(diǎn)模量(表4),結(jié)果與斷點(diǎn)黏度的趨勢(shì)一致。這是因?yàn)?,隨著親水膠體糖溶液被濃縮,親水膠體濃度逐漸增大,達(dá)到臨界重疊濃度,聚合物流變學(xué)認(rèn)為,臨界重疊濃度是指當(dāng)聚合物分子所占體積等于溶劑體積時(shí)聚合物的濃度,這時(shí)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(diǎn)是溶液由稀溶液過渡到半稀(或濃溶液)的標(biāo)志[17-18,23-24]。不同親水膠體糖溶液的斷點(diǎn)黏度和斷點(diǎn)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(duì)表觀黏度的影響;b-糖溶液中水含量的變化對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)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(cè)量,儲(chǔ)能模量是在1 Hz振動(dòng)頻率下測(cè)量的
為了找到可靠的斷點(diǎn),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(diǎn)黏度(或模量)歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化,更好地體現(xiàn)不同親水膠體分子之間的差異對(duì)溶液黏彈性的影響并進(jìn)行比較。通過公式(1)對(duì)不同親水膠體糖溶液的斷點(diǎn)黏度和斷點(diǎn)模量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化:
(1)
式中:B為標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)黏度(或模量),m為斷點(diǎn)黏度(或模量),m0為0.30%的親水膠體濃度(初始糖溶液)時(shí)的表觀黏度(或儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)黏度分別為4.12、2.50、3.09、3.43、4.00,標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)模量與標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)黏度趨勢(shì)一致,且羅望子膠的標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)最小,黃原膠的最大。標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)是親水膠體糖溶液在濃縮過程中達(dá)到臨界濃度時(shí)黏彈性增長(zhǎng)幅度的表征,數(shù)值之間的差異反映了不同親水膠體對(duì)溶液流變性質(zhì)的影響,數(shù)值越小,說明在冷凍濃縮時(shí)該親水膠體對(duì)溶液黏彈性影響較小,反之則大。由此表明,羅望子膠對(duì)糖溶液流變性質(zhì)影響最小,黃原膠最大。
通過低溫顯微鏡的溫控程序,對(duì)由不同親水膠體組成的糖溶液進(jìn)行冷凍,并在-20 ℃~-10 ℃進(jìn)行多次(5次)抗熱沖擊實(shí)驗(yàn),比較熱震前后冰晶的生長(zhǎng)情況。圖2為不同親水膠體及對(duì)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(duì)照組樣品的冰晶尺寸最大(圖2-f),瓜爾豆膠組僅次于對(duì)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(duì)照組圖2 不同親水膠體對(duì)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(duì)用低溫顯微鏡放大500倍熱震前后冰晶和直徑進(jìn)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(zhǎng)最慢,而對(duì)照組冰晶生長(zhǎng)最快。冰晶生長(zhǎng)的快慢反映了親水膠體抑制冰晶生長(zhǎng)的能力,而羅望子膠表現(xiàn)最為顯著,表明羅望子膠對(duì)糖溶液的冰晶生長(zhǎng)抑制作用較強(qiáng)。
圖3 不同親水膠體對(duì)抗熱震前后冰晶生長(zhǎng)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(duì)熱震前后冰晶體的面積、縱橫比和直徑等詳細(xì)的冰晶參數(shù)進(jìn)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(jì)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(shí)間;k為重結(jié)晶速率。計(jì)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(zhǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)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(duì)冰淇淋等冷凍甜品的冰晶生長(zhǎng)控制效果極佳,大大降低相關(guān)冷品儲(chǔ)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(zhǎng)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
標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)黏度(或模量)體現(xiàn)了不同親水膠體對(duì)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(xué)性質(zhì)對(duì)冰晶生長(zhǎng)的影響,參考BOLLIGER等[17]的方法,分析標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)黏度(或模量)與冰晶的重結(jié)晶速率進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)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(xué)(黏彈性)性質(zhì)有關(guān)。故可以用標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)黏度(或模量)預(yù)測(cè)和判斷重結(jié)晶速率的大小,并借此評(píng)價(jià)不同親水膠體對(duì)冷品重結(jié)晶保護(hù)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(rèn)為臨界重疊濃度時(shí)多糖分子的重疊或纏結(jié)會(huì)降低溶液中水分子的擴(kuò)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(cè),即斷點(diǎn)濃度對(duì)冰晶生長(zhǎng)的影響,可能是由于多糖分子的重疊糾纏,嚴(yán)重阻礙了水分子向冰晶的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散,延緩了冰晶的生長(zhǎng)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(duì)水分子擴(kuò)散的阻滯能力也不同,并最終影響到對(duì)冰晶生長(zhǎng)的抑制能力。本研究進(jìn)一步證實(shí)和補(bǔ)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(jī)理提供了新思路和理論支持。
a-冰的重結(jié)晶速率與標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)黏度的關(guān)系;b-冰的重結(jié)晶速率與標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)模量的關(guān)系圖4 冰的重結(jié)晶速率與標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)的關(guān)系Fig.4 Relationship between recrystallization rate of ice and normalized breakpoint
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(duì)糖溶液冰晶生長(zhǎng)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(zhǎng)有關(guān),流變學(xué)研究表明糖溶液的標(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)化斷點(diǎn)黏度(或模量),進(jìn)而預(yù)測(cè)和判斷冰的重結(jié)晶,在生產(chǎn)活動(dòng)中節(jié)約成本,提高效率;其中羅望子膠對(duì)減小冰晶尺寸及抑制冰晶生長(zhǎng)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(duì)冷凍甜品重結(jié)晶保護(hù)的機(jī)理還需進(jìn)一步研究,以期更好地為工業(yè)發(fā)展服務(wù)。