不同貯藏溫度對冰淇淋品質(zhì)及保質(zhì)期的影響研究

劉 丹， 張 慜*， 王麗萍， 黃少軍

（1.江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.海通食品集團股份有限公司，浙江 慈溪315300）

冰淇淋是以飲用水、乳制品、食糖等為主要原料，添加或不添加食用油脂、食品添加劑，經(jīng)混合、滅菌、均質(zhì)、老化、凝凍、硬化等工藝制成的體積膨脹的冷凍飲品[1]。由于其營養(yǎng)豐富，美味可口，深受消費者的喜愛。冰淇淋的標準貯藏溫度為不高于-22℃[1]，但實際貯藏時所用的冷柜常常達不到標準溫度，并伴有溫度波動[2]。冰淇淋產(chǎn)品在不同存放地間運送時對溫度要求較高；零售時，存放冰淇淋的冷柜由于制冷機的間歇化霜過程造成柜內(nèi)的溫度波動[3]。恒溫貯藏時，不同溫度對冰淇淋品質(zhì)的影響程度也不相同。而以往有關溫度波動對冰淇淋品質(zhì)的影響研究集中在比較不同貯藏溫度的優(yōu)劣和溫度波動對品質(zhì)的影響，且定量研究的很少，能夠反映冷凍食品品質(zhì)的指標還不夠明確[2]。

由于配方、工藝、包裝等方面的差異，各類食品具有不同的保質(zhì)期，但我國《預包裝食品標簽標準》（GB7718-2011）沒有對冷凍類食品的保質(zhì)期進行規(guī)定。商家提供的冰淇淋貯藏溫度大多達不到標準貯藏溫度，因此保質(zhì)期也難以估測。通過對冰淇淋保質(zhì)期加速測定方法的研究，可以對各類冰淇淋產(chǎn)品的保質(zhì)期做出相對快速、準確的估測，這對于廠家生產(chǎn)以及消費者購買冰淇淋產(chǎn)品時的安全性具有重要的現(xiàn)實意義。Arrhenius關系式闡述了反應溫度和反應速率之間的關系，此方法已被廣泛應用于各類食品貨架期的預測，但目前應用其對冰淇淋的貨架期進行預測的研究極少。

作者通過定量測定不同貯藏溫度條件下冰淇淋的融化率、水分丟失和體積收縮變化，研究了溫度波動對冰淇淋品質(zhì)的影響。通過加速試驗，應用Arrhenius關系式和Q10模型建立了貨架期預測模型。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

全脂奶粉：雙城雀巢有限公司產(chǎn)品；鮮奶油：上海海通環(huán)宇食品發(fā)展有限公司產(chǎn)品；無鹽黃油：上海海通環(huán)宇食品發(fā)展有限公司產(chǎn)品；白砂糖：億龍源食品有限公司產(chǎn)品；1002IC復合乳化劑：上海海通環(huán)宇食品發(fā)展有限公司產(chǎn)品；牛奶：內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)（集團）股份有限公司產(chǎn)品；刺槐豆膠：上海海通環(huán)宇食品發(fā)展有限公司產(chǎn)品；三聚甘油單硬脂酸酯：上海海通環(huán)宇食品發(fā)展有限公司產(chǎn)品；牛奶香精：上海海通環(huán)宇食品發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.2 儀器與設備

NS1001 L2K型高壓均質(zhì)機：尼魯索爾維公司產(chǎn)品；161-40型冰淇淋機：TAYLOR公司產(chǎn)品。

1.3 冰淇淋配方

冰淇淋配方見表1。

表1 冰淇淋配方Table 1 Formula of ice cream

1.4 冰淇淋生產(chǎn)工藝

原料→混合加熱（60℃水?。|(zhì)（一級20 MPa，二級 10 MPa）→殺菌（85 ℃，30 s）→冷卻→老化（4℃，6 h）→加入香精→凝凍→填充→速凍→包裝→冷藏（-22℃）。

1.5 實驗溫度設計

冰淇淋在低溫（-12、-15、18、-22 ℃）貯藏時不同貯藏溫度對產(chǎn)品品質(zhì)的影響包括：不同溫度恒溫貯藏和波動溫度貯藏兩種情況。實驗設定第一種情況的貯藏溫度為-12、-15、-18、-22℃； 第二種情況的貯藏溫度為：①-22℃貯藏14 d；②-22℃貯藏3 d→-18℃貯藏5 d→-15℃貯藏6 d；③-18℃到0℃波動（0.1 ℃/次）。

1.6 冰淇淋抗融性測定

稱取一定量硬化后的冰淇淋成品，稱重后置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中的金屬網(wǎng)上，金屬網(wǎng)下放一表面皿。開始計時后每隔5 min記錄一次融化的冰淇淋的量，測定總時間為45 min。用融化的量除以總質(zhì)量就得到融化的百分比，再以時間（min）和融化百分比（%）做回歸方程，將斜率作為冰淇淋的融化率[5-6]。

1.7 冰淇淋水分丟失情況測定

分別稱取一定量不同溫度條件下貯藏的冰淇淋樣品于塑料杯中，定時測定樣品質(zhì)量。每次稱重前要將塑料杯外壁上的冰晶除去，并計算出所測樣品的表層面積，從而計算出樣品每平方米表層面積丟失的水分量。

1.8 冰淇淋體積收縮情況測定

凝凍后，取一定量不同溫度條件下貯藏的冰淇淋樣品于塑料杯中，在硬化后定時測定樣品的初始體積。測定方法為：將保鮮膜鋪于樣品表面及塑料杯內(nèi)壁，盡量鋪展保鮮膜，減少保鮮膜的褶皺。再把石英砂倒在保鮮膜上，直到填滿整個塑料杯，道出石英砂，用量筒測定所用石英砂的體積。事先用石英砂測定整個塑料杯的體積，則樣品體積=（塑料杯的體積－所用石英砂體積）。

1.9 貨架期預測

1.9.1 Arrhenius關系式法 Arrhenius關系式表示出了食品的腐敗變質(zhì)速率與貯藏溫度的關系[7-11]：

式中，k為速率常數(shù)；k0為指前因子，是與反應系統(tǒng)物質(zhì)本性有關的經(jīng)驗常數(shù)；Ea為活化能，J/mol，是與反應系統(tǒng)物質(zhì)本性有關的經(jīng)驗常數(shù)；R為氣體常數(shù)，8.3144 J/（mol·K）；T 為絕對溫度，K。

對Arrhenius方程兩側取對數(shù)，得到方程的另一形式：

分別用某個貯藏溫度下的貯藏時間和某一指標變化作為橫縱坐標，作圖。應用指數(shù)方程對圖線進行回歸分析，由指數(shù)形式的回歸方程直接得到該溫度下的反應速率常數(shù)。求得不同高溫下的速率常數(shù)后，用Ink對1/T作圖，可以得到一條斜率為-Ea/R，截距為lnk0的直線。對圖線進行回歸分析得直線方程，從而求得k0和Ea，并代入Arrhenius關系式得到其具體的表達式。

將已經(jīng)求出k0、Ea的Arrhenius表達式代入指數(shù)形式的回歸方程B=B0ekt，得此方程的具體表達式。B為用某一指標作為表征時，產(chǎn)品感官和綜合評價不能被接受的臨界值；B0為低溫時不同溫度下表征指標的初始值，該初始值由指數(shù)形式的回歸方程直接得到；將不同溫度值代入方程B=B0ekt的表達式，便可得出不同溫度下的貯藏時間即貨架期。

1.9.2 Q10模型法 Q10指溫度上升10℃后，反應速率為原來速率的倍數(shù)或者指食品貯存在高于原來儲存溫度10℃的條件下，其貨架期θs的變化率。Q10與活化能間的關系式為[10]：

其中，Ea已知，所以可以求出不同貯藏溫度下的Q10。

Q10的函數(shù)形式如下：

其中，T0為通過感官評定確定貨架期壽命的已知溫度點（℃）；T 為所要求貨架壽命的溫度點（℃），T0＞T；θs為貨架壽命，d。

將用Arrhenius關系式和Q10模型計算出的貨架期進行比較，時間較短的作為最終的貨架期。

2 結果與討論

2.1 不同溫度恒溫貯藏對冰淇淋品質(zhì)的影響

2.1.1 不同溫度恒溫貯藏對冰淇淋融化率的影響抗融能力是衡量冰淇淋品質(zhì)的一個重要指標，融化速率的大小說明了冰淇淋抗融化以及保持原有形態(tài)的能力。相對低的實驗融化速率有助于延長冰淇淋的保存時間[12]，增加冰淇淋對溫度波動的抵抗能力。

由圖1可知，不同溫度恒溫貯藏時，冰淇淋的融化速率都會在一定程度上增大，即抗融能力減小，其中貯藏于-22℃的樣品在整個貯藏期間的融化速率都相對較低。這是由于標準溫度貯藏對硬化過程產(chǎn)生的細小冰晶影響較小，當冰淇淋中的冰晶較小時，融化過程中乳清相的流動道路就會比較曲折，體現(xiàn)為融化緩慢。而較高的貯藏溫度會導致冰晶變大，融化速率也會隨之變快[13]。

圖1 不同溫度恒溫貯藏對冰淇淋抗融性的影響Fig.1 Impact on melting rate of ice cream when stored at different temperatures

2.1.2 不同溫度恒溫貯藏對冰淇淋水分丟失的影響 由圖2可知，-12、-15、-18℃貯藏樣品的水分隨著貯藏時間的延長以線性的速度蒸發(fā)掉。在貯藏的第14 d，每平方米表層面積的水分損失約為400 g。-22℃貯藏的樣品在整個貯藏過程中及第14 d時的水分損失較其他樣品明顯變小，失水率也大大低于其他樣品。第14 d時的每平方米表層面積水分損失約為120 g。低溫貯藏時的水分損失由升華造成，隨著水分逐漸由食品內(nèi)部遷移到外部，食品表面形成小的冰晶，接著，表面水分蒸發(fā)造成食品的重量減少，俗稱“干耗”。食品的失水率隨空氣相對濕度（RH）變化。當處于平衡相對濕度時，食品既不會蒸發(fā)水分，也不會吸收水分；當相對濕度低于平衡相對濕度時，食品表面的水分蒸汽壓大于空氣的水分蒸汽壓，驅(qū)使水分從食品向空氣轉(zhuǎn)移，即失水。且壓差越大，水分蒸發(fā)越快，失水越嚴重。貯藏溫度較高時，水分子移動速度加快，空氣的飽和蒸汽壓增大，能容納更多水蒸氣，導致更快速和更大程度的失水[3]。

圖2 不同溫度恒溫貯藏對冰淇淋表面水分丟失的影響Fig.2 Impact on water loss of ice cream when stored at different temperatures

2.1.3 不同溫度恒溫貯藏對冰淇淋體積收縮的影響 樣品在貯藏期間均出現(xiàn)不同程度的體積收縮，且隨著貯藏溫度的升高，體積收縮越來越嚴重。這是由于：一方面，冰淇淋混合原料在凝凍時會產(chǎn)生細小的空氣氣泡均勻分布在冰淇淋組織中。開始時，組織內(nèi)氣泡的空氣壓力高于外界；外界環(huán)境溫度升高后，空氣壓力隨之升高，當氣泡內(nèi)的氣壓低于外界時，組織陷落而形成收縮。另一方面，冰淇淋貯藏時的冷庫溫度高于硬化室溫度，因此產(chǎn)品溫度將會逐漸上升，冰淇淋表面受熱而逐漸變軟，甚至產(chǎn)生部分融化現(xiàn)象，接近冰淇淋表面的氣泡由于壓力增加而破裂，變軟或融化的冰淇淋陷落，代替逸出的空氣，造成體積收縮。

冰淇淋體積收縮的影響因素主要體現(xiàn)為凝凍過程和環(huán)境溫度的影響。膨脹率過高，則氣泡含量過多，易使組織陷落，導致冰淇淋收縮。且凝凍時，如果形成的冰晶細小，則能使冰淇淋組織致密、堅硬，有效保護氣泡，避免組織收縮。因此凝凍時應控制合適的膨脹率，使形成的冰晶細小均勻。對于環(huán)境溫度控制方面，應采用低溫快速硬化方式。硬化迅速，則組織中形成的冰晶細小，融化速度慢，能有效防止氣泡逸出，減小冰淇淋的收縮程度。

圖3 不同溫度恒溫貯藏時間對冰淇淋體積收縮的影響Fig.3 Impact on volume shrinkage of ice cream when stored at different temperatures

2.2 波動溫度貯藏對冰淇淋品質(zhì)的影響

2.2.1 波動溫度貯藏對冰淇淋融化率的影響 從圖4可以看出，-22℃恒溫貯藏的樣品融化率總體上低于在-22℃貯藏3 d，-18℃貯藏5 d，-15℃貯藏6 d的樣品融化率。-18℃到0℃波動條件下貯藏的樣品融化率低于其他樣品，這種現(xiàn)象在貯藏后期更加明顯。這是由于在-18℃到0℃波動條件下貯藏的產(chǎn)品在貯藏過程中會出現(xiàn)融化，重新結晶，再融化，再重新結晶的現(xiàn)象。冰淇淋融化是由于樣品周圍暖空氣中的熱量傳遞到樣品表面和內(nèi)部，引起冰淇淋中冰結晶的融化所致[14]。多次的融化后重新結晶使冰晶變大，冰晶融化速率加快；且水分子與漿料中其他成分逐漸分離，水分也更容易蒸發(fā)。在融化率測定后期，融化了的冰淇淋中的水分全部蒸發(fā)，剩余的微小脂肪球在融化了的冰淇淋表層形成一層致密的薄膜，鎖住了內(nèi)部的冰淇淋，使其不易滴落，這很可能是-18℃到0℃波動條件下貯藏的樣品融化率大大降低的原因。

2.2.2 波動溫度貯藏對冰淇淋水分丟失的影響波動溫度貯藏時，冰淇淋的水分也會隨著貯藏時間的延長以線性的速度蒸發(fā)掉，如圖5所示。在貯藏的第14 d，采用方式②貯藏的樣品每平方米表層面積水分損失約為280 g，方式③貯藏的樣品約為450 g，而-22℃貯藏的樣品僅約120 g，且貯藏過程中的失水率也大大低于其他樣品。因此，貯藏期間的環(huán)境溫度波動不利于產(chǎn)品水分的保持。溫度波動劇烈時，產(chǎn)品化霜的次數(shù)也隨之增加，或者產(chǎn)品中的冰晶融化和重新結晶的次數(shù)隨之增加?；虮诨瘯r，貯藏空間溫度上升；而結霜或重新結晶，尤其是結霜時，大部分來自于貯藏空間內(nèi)的濕空氣，因此空氣濕度必然降低，這都加大了水分蒸發(fā)的程度[3]。

圖4 貯藏溫度發(fā)生波動性的變化對冰淇淋抗融性的影響Fig.4 Impact on melting rate of ice cream when storage temperature fluctuations

圖5 貯藏溫度發(fā)生波動性的變化對冰淇淋表面水分丟失的影響Fig.5 Impact on water loss of ice cream when storage temperature fluctuations

2.3 貨架期預測

2.3.1 Arrhenius關系式法 對冰淇淋在高溫（-2，-5，-8℃）貯藏條件下的水分隨貯藏時間的變化曲線進行回歸分析，得到回歸方程如表2所示。用Ink對1 000/T作圖，得圖6，即水分丟失的Arrhenius曲線。對此圖線進行回歸分析得直線方程為lnk=51.639-14.358×1 000/T， 由-Ea/R=-14.358，lnk0=51.639 可以計算出，Ea=119.372 kJ/mol，k0=2.67×1 022，由此可得Arrhenius方程：

將Arrhenius方程表達式代入指數(shù)形式的回歸方程B=B0ekt，得此方程的具體表達式：

以水分丟失作為表征指標時，產(chǎn)品感官和綜合評價不能被接受的臨界值B為0.5 kg/m2；B0為低溫時（-12，-15，-18，-22 ℃）不同溫度下表征指標的初始值，該初始值由指數(shù)形式的回歸方程直接得到；將不同溫度值代入方程B=B0ekt的表達式，便可得出不同溫度下的貯藏時間即貨架期，B0與貨架期均列于表3。

表2 冰淇淋水分損失隨時間變化的回歸方程及參數(shù)Table 2 Regression equations and parameters of figure that shows ice cream's water loss over time

表3 冰淇淋在不同貯藏溫度下以水分丟失為指標的貨架期Table 3 Shelf lives of ice creams stored at different temperatureswhen use waterlossasan indicator

圖6 水分丟失的Arrhenius曲線Fig.6 Arrhenius curve when use water loss as an indicator

2.3.2 Q10模型法 已求得活化能Ea=119.372 kJ/（mol·K），Q10與活化能間的關系式為：

Q10的函數(shù)形式如下：

其中，T0為通過感官評定確定貨架期壽命的已知溫度點（℃）；T為所要求貨架壽命的溫度點（℃），T0＞T；θs為貨架壽命，d。

表4、表5列出了不同貯藏溫度的Q10及貨架期。

表4 冰淇淋在不同貯藏溫度下以水分丟失為指標的貨架期Table 4 Shelf lives of ice creams stored at different temperatures when use water loss as an indicator

表5 冰淇淋在不同貯藏溫度下以水分丟失為指標的Q10及貨架期Table 5 Q10and shelf lives of ice creams stored at different temperatures when use water loss as an indicator

將采用兩種方法計算出的貨架期進行比較，時間較短的作為最終的貨架期。因此，以水分丟失為指標， 冰淇淋在-12、-15、-18、-22℃貯藏時的貨架期分別為 45，79，233，601 d。

3 結語

冰淇淋在不同溫度下恒溫貯藏或波動性變化時：抗融性出現(xiàn)不同程度地下降，環(huán)境溫度較高或波動較大會嚴重影響產(chǎn)品抗融性的提高；出現(xiàn)產(chǎn)品表面水分丟失現(xiàn)象，在環(huán)境溫度較高或波動劇烈時丟失嚴重；恒溫貯藏時出現(xiàn)嚴重的體積收縮現(xiàn)象，溫度升高，收縮加劇。因此，可以考慮將抗融性、水分丟失和體積收縮作為指標，對冰淇淋品質(zhì)與溫度的關系進行定量研究。應用Arrhenius關系式，并結合Q10模型，以水分丟失為指標，計算出貯藏在-12，-15，-18，-22℃下的冰淇淋的貨架期分別為45，79，233，601 d。

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