亲水胶体对糖溶液模拟冷冻过程中冰晶生长的影响

张幸运，钟秋婵，王树欣，易祖欣，王欣语，李明轩，王光强，宋子波，艾连中，张汇*

1(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海食品微生物工程技术研究中心，上海，200093) 2(云南猫哆哩集团有限责任公司，云南 玉溪，653100)

随着生活水平的提高，冰淇淋等冷冻甜点日益受到人们的喜爱。冰晶的大小是评价优质硬式冰淇淋品质优劣的一个重要感官指标，冰晶越大，产品越粗糙，口感就越差，通常能被人体接受的冰晶<50 μm[1]。冰晶大小是决定冰淇淋质量与货架期的主要因素之一。冰晶的形成过程分为初结晶和重结晶，其中重结晶是在加工阶段以及冰淇淋的分配和储运过程中发生的，能使平均晶体尺寸增大，导致冰淇淋质地粗糙，口感变差[2]，重结晶是影响冰晶大小的重要因素。

很多因素会影响冰淇淋的重冰晶。首先是配方因素，HARTEL[3]认为冰淇淋配方中增加非脂乳固形物(milk solids not fat，MSNF)含量会抑制冰晶生长，而甜味剂对冰淇淋物料的冰点有显著影响[4-5]。另外，糖可以通过限制传质速率来抑制冰晶的生长，糖分子从生长的晶体表面扩散的速度可能会限制冰晶的生长速度[6-7]。其次，生产工艺对冰晶大小也有一定影响，研究认为，冰淇淋在凝冻时，高膨胀率(>70%)可能会影响冰淇淋储运过程中的重结晶过程[8]。最后，除了配方和生产工艺因素，储藏温度也很大程度地影响着重结晶过程，HAGIWARA等[9]指出，在较高温度下储存的冰淇淋，重结晶速率会更高，DONHOWE等[10]表明，重结晶速率取决于储存温度和温度波动幅度。

为了控制和减少冰淇淋重结晶的发生，除了控制以上因素，在冰淇淋配方中添加一定量的亲水胶体作为稳定剂也可明显降低重结晶速率，抑制或延缓冰晶生长，从而控制冰晶大小。冰淇淋中常添加的亲水胶体稳定剂有卡拉胶、刺槐豆胶、羧甲基纤维素(carboxymethylcellulose，CMC)等或其复配物。研究表明，亲水胶体稳定剂可影响冰淇淋制造过程中冰的重结晶过程，并通过提高存储过程中的抗热震性来改善冰淇淋质地[2]。然而，关于亲水胶体稳定剂抑制冰重结晶的机制存在争论。有研究认为是因为亲水胶体通过增加冰晶周围未冷冻相的黏度，而抑制了冰晶的生长[11-13]；也有人持不同观点，他们认为黏度大小与亲水胶体对冰晶生长的抑制无关[4, 14-16]。另外，BDLLIGER等[17]等认为可能是亲水胶体改变了冷冻浓缩相的黏弹性等的流变学特性而降低了重结晶速率。因此，亲水胶体是否通过改变冷冻浓缩相的黏度或者流变特性而抑制重结晶需要进一步研究和证实。

本研究为了探讨亲水胶体对糖溶液模拟冷冻过程中冰晶生长的影响，制备了一系列含水量逐渐减少的亲水胶体糖溶液进行冷冻浓缩的模拟，并分别使用DHR-3旋转流变仪和BX5冷冻显微镜测定了糖溶液的黏弹性和冰晶大小，进而分析糖溶液的流变学(黏弹性)与冰晶生长的关系，探讨亲水胶体抑制冰晶生长的作用机理，并筛选出性能优良的亲水胶体，为降低冷冻甜品的重结晶率，提高产品品质和延长货架期，促进冷饮工业的发展提供技术支持和科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蔗糖，漳州市白玉兰精糖有限公司；葡萄糖浆(75%，42 DE)，嘉吉投资(中国)有限公司；黄原胶(xanthan gum，XG，80)、羧甲基纤维素(carboxyl methyl cellulose，CMC，702201-Shui CMH)、刺槐豆胶(locust bean gum，LBG，246)、瓜尔豆胶(guar gum，GG，250-C),丹尼斯克(中国)有限公司；罗望子胶(tamarind seed polysaccharide，TSP)，云南猫哆哩集团；实验用水均为去离子水。

1.2 仪器与设备

Discovery HR-3旋转流变仪，美国TA仪器公司；BX51冷冻显微镜，Olympus公司；BCS196冷台，Linkam 公司。

1.3 方法

1.3.1 样品的制备

标准的初始糖溶液组成包括：12.00%(质量分数)蔗糖、4.00%(质量分数)葡萄糖浆(含1%水)、83.70%(质量分数)去离子水、0.30%(质量分数)的亲水胶体(黄原胶、罗望子胶、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素、刺槐豆胶)搅拌溶解，作为样品组，初始糖溶液(不含亲水胶体)作为对照组。参考BOLLIGER等[17]和GOFF等[18]的方法，通过依次去除样品组和对照组中原含水量的0%、15%、30%、45%、60%和75%(质量分数)模拟冷源浓缩过程，使溶液中含水量分别变为84.70%、72.00%、59.29%、46.59%、33.88%和21.18%(质量分数)，模拟冷冻过程对冰淇淋等冷冻甜品料液的影响，得到不同含水量的亲水胶体糖溶液以及对应被浓缩的亲水胶体，如表1所示，其中每组测样中的固体含量比率是不变的，仅仅降低了其水分含量的0%～75%。

表1 不同糖溶液含水量中亲水胶体含量 单位:%(质量分数)

1.3.2 剪切流变和动态振动流变测量

测试方法与参数设置：使用Discovery HR-3旋转流变仪，选用直径为40 mm的不锈钢平板系统，板间距设为1 000 μm，测量温度为4 ℃(样品测量前需要在冰箱4 ℃放置12 h)。选用Peak Hold程序进行测量，剪切速率为8 s-1，读取黏度值[19]。振动试验选用Oscillation frequency程序进行测量，频率范围设定为0.1～10 Hz，应变值设为2%(属线性黏弹区范围)，温度为4 ℃，取1 Hz时的储能模量(G′)和消耗模量(G″)值[17]。每种样品至少进行3次测量，求平均值。

1.3.3 模拟冷冻过程观察冰晶生长变化

冰晶大小的测量需要用到配备冷热台的低温显微系统，本研究采用BX51冷冻显微镜和BCS196冷台，测量时用移液枪量取1.5 μL样品溶液于载玻片上，盖上盖玻片，放入冷冻室，进行程序变温模拟冰淇淋老化、凝冻、出料、包装、硬化、包装、储藏和热震过程[20]，如表2所示。最终程序结束后，通过显微镜观察500倍下的冰晶图像。用显微镜观察冰晶大小时，在冷热台上通过前后左右移动视野，拍摄每个样品不同位置的冰晶，每个样品重复3次，用ImagePro plus软件进行图片数据分析。

表2 模拟冰淇淋生产温度与时间条件的测定程序Table 2 A program for measuring the temperature and time conditions of simulated ice cream production

1.3.4 数据分析

所有实验平行测量3次。数据均采用均值±标准差表示。采用SPSS statistics 17.0软件进行单因素方差分析及多重比较分析，P<0.05为差异显著，有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 不同亲水胶体对模拟冷冻浓缩糖溶液流变性质的影响

为了探究亲水胶体糖溶液的流变性与冰晶生长的关系，用Discovery HR-3流变仪对36组糖溶液的流变参数进行测量，包括表观黏度η、储能模量G′和损耗模量G″。其中储能模量G′的变化可以用于表示凝胶硬度和强度的变化，反映分子链间的相互作用，其值越大，则形成的凝胶硬度和强度越高[21-22]。表3和表4分别显示了在糖溶液浓缩过程中，不同亲水胶体糖溶液含水量从84.70%到21.18%的流变学性质(表观黏度和储能模量)。由表3和表4可以看出，不同亲水胶体糖溶液的η和G′均随糖溶液含水量的降低而增大，而对照组糖溶液的η和G′变化规律不明显。不同亲水胶体糖溶液之间进行比较，发现在含水量为84.7%时，罗望子胶的η和G′最小，分别为0.02 Pa·s和0.09 Pa，而黄原胶的η和G′最大，分别为0.25 Pa·s和1.81 Pa，其他亲水胶体从大到小依次为瓜尔豆胶、羧甲基纤维素和刺槐豆胶；在含水量为21.18%时，罗望子胶的η和G′分别为1.21 Pa·s和3.40 Pa，而刺槐豆胶的η和G′最大，分别为7.24 Pa·s和42.14 Pa，其他亲水胶体η从大到小依次为羧甲基纤维素、瓜尔豆胶和黄原胶，G′从大到小依次为瓜尔豆胶、羧甲基纤维素和黄原胶。

表3 含不同亲水胶体糖溶液在模拟冷冻过程中表观黏度的变化 单位:Pa·s

表4 含不同亲水胶体糖溶液在模拟冷冻过程中储能模量的变化 单位:Pa

为了探讨η和G′与糖溶液去除水量的关系，对表3和表4数据进行线性拟合，如图1-a和图1-b所示。由图1-a可以发现，随着冷冻进行，糖溶液被浓缩，水含量降低，不同亲水胶体糖溶液的η均增大，但在增大过程中，数据点构成的趋势线斜率发生了变化。为此，采用二阶正反向有限差分法寻找η值发生突变的临界点，该点即确定为亲水胶体糖溶液表观黏度随浓度变化的断点黏度。根据此法，计算得到了不同亲水胶体糖溶液的断点黏度(表3)(由于对照组的η和G′太小且规律不明显，未找到断点)。由表3可知，罗望子胶糖溶液的断点黏度最小，而黄原胶的最大，这可能与亲水胶体本身性质有关。采用相同方法，根据图1-b计算得到不同亲水胶体糖溶液的断点模量(表4)，结果与断点黏度的趋势一致。这是因为，随着亲水胶体糖溶液被浓缩，亲水胶体浓度逐渐增大，达到临界重叠浓度，聚合物流变学认为，临界重叠浓度是指当聚合物分子所占体积等于溶剂体积时聚合物的浓度，这时多糖分子线圈彼此纠缠重叠，开始发生物理相互作用，表现为宏观上糖溶液的黏弹性急剧增大，断点是溶液由稀溶液过渡到半稀(或浓溶液)的标志[17-18,23-24]。不同亲水胶体糖溶液的断点黏度和断点模量不同，这可能与亲水胶体分子组成、结构及其分子相互作用关系有关。

a-糖溶液中水含量的变化对表观黏度的影响;b-糖溶液中水含量的变化对储能模量的影响图1 不同亲水胶体糖溶液在模拟冷冻浓缩过程中溶液表观黏度和储能模量的变化Fig.1 Changes of apparent viscosity and storage modulus of different hydrocolloids in the process of simulated freeze concentration注：表观黏度是在8 s-1剪切速率下测量，储能模量是在1 Hz振动频率下测量的

为了找到可靠的断点，参考BOLLIGER等[17]的方法。由于不同亲水胶体的黏弹性差别很大，故有必要把断点黏度(或模量)归一化、标准化，更好地体现不同亲水胶体分子之间的差异对溶液黏弹性的影响并进行比较。通过公式(1)对不同亲水胶体糖溶液的断点黏度和断点模量进行标准化：

(1)

式中：B为标准化断点黏度(或模量)，m为断点黏度(或模量)，m0为0.30%的亲水胶体浓度(初始糖溶液)时的表观黏度(或储能模量)，由此可得，不同亲水胶体(黄原胶、罗望子胶、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素和刺槐豆胶)糖溶液的标准化断点黏度分别为4.12、2.50、3.09、3.43、4.00，标准化断点模量分别是5.47、2.32、4.26、4.79、4.80。结果显示，不同亲水胶体的标准化断点模量与标准化断点黏度趋势一致，且罗望子胶的标准化断点最小，黄原胶的最大。标准化断点是亲水胶体糖溶液在浓缩过程中达到临界浓度时黏弹性增长幅度的表征，数值之间的差异反映了不同亲水胶体对溶液流变性质的影响，数值越小，说明在冷冻浓缩时该亲水胶体对溶液黏弹性影响较小，反之则大。由此表明，罗望子胶对糖溶液流变性质影响最小，黄原胶最大。

2.2 不同亲水胶体对糖溶液冰晶大小的影响

通过低温显微镜的温控程序，对由不同亲水胶体组成的糖溶液进行冷冻，并在-20 ℃～-10 ℃进行多次(5次)抗热冲击实验，比较热震前后冰晶的生长情况。图2为不同亲水胶体及对照组热震后重结晶的冰晶体成像，可以看出，罗望子胶组样品的冰晶尺寸最小(图2-b)，对照组样品的冰晶尺寸最大(图2-f)，瓜尔豆胶组仅次于对照组(图2-c)，在不同亲水胶体中冰晶尺寸最大。

a-黄原胶;b-罗望子胶;c-瓜尔豆胶;d-羧甲基纤维素;e-刺槐豆胶;f -对照组图2 不同亲水胶体对糖溶液冰晶重结晶形成的影响(热震5次后，×500)Fig.2 Effects of different hydrocolloids on the formation of ice crystal

为了比较不同糖溶液热震前后冰晶尺寸的差异，采用图像分析软件ImagePro plus软件对用低温显微镜放大500倍热震前后冰晶和直径进行数据分析，如图3所示。由图3中可知，罗望子胶组冰晶直径最小且热震前后差别最小，说明在热震期间冰晶生长最慢，而对照组冰晶生长最快。冰晶生长的快慢反映了亲水胶体抑制冰晶生长的能力，而罗望子胶表现最为显著，表明罗望子胶对糖溶液的冰晶生长抑制作用较强。

图3 不同亲水胶体对抗热震前后冰晶生长的影响Fig.3 Effect of different hydrocolloids on ice crystal growth before and after thermal shock

采用ImagePro plus软件对热震前后冰晶体的面积、纵横比和直径等详细的冰晶参数进行分析，如表5所示。晶体的面积和平均直径可以很直观地反映出冰晶体的大小，纵横比可以反映出冰晶体的尺寸规则程度，参考HAGIWARA等[25]的方法，根据公式(2)计算热震的后半径：

(2)

式中：r0为热震前半径；r为热震后半径；t为热震时间；k为重结晶速率。计算不同亲水胶体糖溶液的重结晶速率k；k值的大小反映了热震期间冰晶生长的快慢。由表5可知，在控制重结晶能力上，罗望子胶的冰晶大小及重结晶速率最低，其热震后的冰晶直径和重结晶速率分别为3.11 μm和1.66 μm3/h，远远小于对照组的8.37 μm和62.45 μm3/h；瓜尔豆胶和羧甲基纤维素仅次于罗望子胶，它们的重结晶速率分别为10.78、11.17 μm3/h，黄原胶的重结晶速率最大，为18.11 μm3/h。结果表明，罗望子胶对冰淇淋等冷冻甜品的冰晶生长控制效果极佳，大大降低相关冷品储藏期间重结晶带来的损失，是一种优良的冰晶稳定剂，这与孙利军[26]论述的一致。

表5 不同亲水胶体糖溶液在热震前后冰晶生长情况及其重结晶速率Table 5 Ice crystal growth and recrystallization rate of different hydrocolloids before and after thermal shock

2.3 亲水胶体糖溶液的流变性对冰晶生长的影响

标准化断点黏度(或模量)体现了不同亲水胶体对溶液流变性质的影响，为了研究冷冻过程中亲水胶体糖溶液(未冷冻相)的流变学性质对冰晶生长的影响，参考BOLLIGER等[17]的方法，分析标准化断点黏度(或模量)与冰重结晶速率的关系，如图4-a和图4-b所示。对标准化断点黏度(或模量)与冰晶的重结晶速率进行线性拟合，其线性相关系数r2分别为0.92和0.95，均表现出良好的相关性，显示标准化断点值越高，重结晶速率越大，表明冰的重结晶与冷冻浓缩溶液的流变学(黏弹性)性质有关。故可以用标准化断点黏度(或模量)预测和判断重结晶速率的大小，并借此评价不同亲水胶体对冷品重结晶保护的优劣以及筛选出性能优良的冰晶稳定剂。BOLLIGER等[17]认为临界重叠浓度时多糖分子的重叠或缠结会降低溶液中水分子的扩散速率，并根据RODD等[23]和YING等[24]关于临界重叠浓度的研究和理解，可以作出推测，即断点浓度对冰晶生长的影响，可能是由于多糖分子的重叠纠缠，严重阻碍了水分子向冰晶的转移扩散，延缓了冰晶的生长速率。不同的亲水胶体可能由于分子质量、分子组成及结构的差异，导致临界重叠浓度、分子之间的相互作用不同，从而对水分子扩散的阻滞能力也不同，并最终影响到对冰晶生长的抑制能力。本研究进一步证实和补充了亲水胶体通过影响溶液的流变性控制冰重结晶的结论，为研究亲水胶体控制冰重结晶的机理提供了新思路和理论支持。

a-冰的重结晶速率与标准化断点黏度的关系;b-冰的重结晶速率与标准化断点模量的关系图4 冰的重结晶速率与标准化断点的关系Fig.4 Relationship between recrystallization rate of ice and normalized breakpoint

3 结论

本研究通过流变和低温显微镜技术，分析了在模拟冷冻浓缩过程中，不同亲水胶体对糖溶液冰晶生长的影响。结果表明，在冷冻浓缩过程中，亲水胶体糖溶液的流变性与冰晶生长有关，流变学研究表明糖溶液的标准化断点黏度(或模量)与重结晶速率具有良好的线性相关性(相关系数r2分别0.92和0.95)，因此可以通过控制添加亲水胶体的种类，借以得到不同的标准化断点黏度(或模量)，进而预测和判断冰的重结晶，在生产活动中节约成本，提高效率；其中罗望子胶对减小冰晶尺寸及抑制冰晶生长的作用尤其显著，是一种性能优良的冰晶稳定剂。本研究为冷饮工业发展中，亲水胶体控制冷冻甜品中冰晶的大小以及罗望子胶的推广应用方面提供一定理论支持。但是亲水胶体尤其罗望子胶对冷冻甜品重结晶保护的机理还需进一步研究，以期更好地为工业发展服务。