程金菊 王 東 李曉東
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150030)
均質(zhì)和殺菌是冰淇淋生產(chǎn)中必不可少的工藝環(huán)節(jié),對產(chǎn)品質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。在實(shí)際生產(chǎn)中,一般是先對混合料進(jìn)行殺菌,然后進(jìn)行均質(zhì)。如果均質(zhì)設(shè)備的無菌狀態(tài)控制不當(dāng),將會(huì)嚴(yán)重影響冰淇淋的質(zhì)量,因此,對于設(shè)備條件較差的企業(yè),往往是先對混合料進(jìn)行均質(zhì),然后進(jìn)行殺菌。65℃、30 min是常用的殺菌強(qiáng)度[1]。然而,殺菌熱處理過程容易引起熱敏感蛋白結(jié)構(gòu)的改變,進(jìn)而導(dǎo)致蛋白質(zhì)吸附特性的變化[2-3],冰淇淋漿料攪打凝凍過程中,脂肪球的失穩(wěn)作用受表面蛋白質(zhì)和乳化劑吸附特性的影響,因此,加工工藝順序的不同可能會(huì)影響脂肪球的失穩(wěn)作用和冰淇淋質(zhì)構(gòu)的形成過程。
牛乳或脫脂乳粉是冰淇淋生產(chǎn)中最主要的蛋白質(zhì)來源。近年來,隨著食品工業(yè)的發(fā)展,乳清蛋白和大豆蛋白也被用作重要的蛋白質(zhì)原料,用來部分替代乳蛋白,以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,增加產(chǎn)品多樣性和健康功能多樣性[4-5]。然而,乳清蛋白和大豆蛋白屬于球狀蛋白,相比于乳蛋白中的主要成分酪蛋白,對熱比較敏感。因此,在用乳清蛋白或大豆蛋白部分替代乳蛋白時(shí),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和吸附特性的改變可能引起脂肪球失穩(wěn)程度的變化。
冰淇淋結(jié)構(gòu)的形成在很大程度上取決于脂肪球的部分聚結(jié)失穩(wěn)。在攪打凝凍過程中,發(fā)生部分聚結(jié)失穩(wěn)的脂肪鏈,形成貫穿于半固態(tài)產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定充入氣泡,使混合料在擠壓過程中獲得較好的干爽度,從而使冰淇淋獲得較好的膨脹度和抗融性[6-8]。目前,尚未見殺菌和均質(zhì)工藝順序不同對混合漿料中脂肪球失穩(wěn)作用影響的研究報(bào)道。本文探究加工方式和蛋白質(zhì)組成對脂肪球低溫失穩(wěn)作用和冰淇淋質(zhì)構(gòu)的影響,為混合蛋白冰淇淋的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
脫脂乳粉(Skimmed milk powder,SMP,33.4%蛋白質(zhì)),新西蘭恒天然集團(tuán);乳清濃縮蛋白(Whey protein concentrate,WPC,80%蛋白質(zhì)),美國Hilmar公司;大豆分離蛋白(Soy protein isolate,SPI,90%蛋白質(zhì)),哈高科大豆食品有限責(zé)任公司;椰子油,市購;蔗糖脂肪酸酯(SE)和羧甲基纖維素鈉(CMC),丹尼斯克有限公司。
NS1001L型高壓均質(zhì)機(jī),意大利Niro Soavi公司;K9840型凱氏定氮蒸餾儀,海能儀器股份有限公司;Malvern Kinexus型流變儀、Malvern 2000型粒度分析儀,英國Malvern公司;IC6308C型全自動(dòng)冰淇淋機(jī),上??推蛛娖饔邢薰?。
1.3.1冰淇淋漿料制備及冰淇淋生產(chǎn)工藝
冰淇淋含4%蛋白質(zhì)、14%蔗糖、10%椰子油、0.3%蔗糖脂肪酸酯、0.25%羧甲基纖維素。調(diào)整SMP、SPI、WPC的質(zhì)量,使蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為恒定值(4%)。固形物含量利用乳糖進(jìn)行調(diào)節(jié),使非脂固形物含量一致。
根據(jù)課題組之前的研究結(jié)果[9],當(dāng)乳清濃縮蛋白與脫脂乳粉的蛋白質(zhì)量比為7∶3以及大豆分離蛋白與脫脂乳粉的蛋白質(zhì)量比為3∶7時(shí),更利于冰淇淋結(jié)構(gòu)的形成。故采用這兩種蛋白質(zhì)組成來考察加工方式對脂肪球失穩(wěn)作用的影響,分別記為SMP3WPC7和SMP7SPI3,以SMP作為對照。
采用均質(zhì)前殺菌或者均質(zhì)后殺菌兩種不同加工方式:①配料混合→殺菌(65℃,30 min)→均質(zhì)(一級(jí)20 MPa,二級(jí)4 MPa)→老化(4℃,12 h)→攪打凝凍→硬化。②配料混合→均質(zhì)(一級(jí)20 MPa,二級(jí)4 MPa)→殺菌(65℃,30 min)→老化(4℃,12 h)→攪打凝凍→硬化。以不殺菌處理作為對照。
1.3.2脂肪球粒度測定
采用Malvern 2000型粒度分析儀測定乳液中脂肪球粒度分布[9]。測定前,采用蒸餾水或2%十二烷基硫酸鈉(SDS)對樣品進(jìn)行100倍稀釋。SDS能夠使結(jié)合作用弱的脂肪球分離,因此用于區(qū)分脂肪球之間的聚集度與部分聚結(jié)度[10]。聚集度表征脂肪球之間聚集在一起的水平,計(jì)算公式為
FD=(D4,3(water)-D4,3(SDS))/D4,3(SDS)×100%
(1)
式中D4,3(water)——用水稀釋時(shí)乳液的粒度
D4,3(SDS)——用SDS溶液稀釋時(shí)乳液的粒度
部分聚結(jié)度表征脂肪球通過晶體形成脂肪鏈或者脂肪聚結(jié)體的程度,是不可逆變化過程,計(jì)算公式為
PCD=(D4,3(SDS)WE-D4,3(SDS)E)/D4,3(SDS)E×100%
(2)
式中D4,3(SDS)WE——用SDS稀釋時(shí)攪打凝凍樣品的粒度
D4,3(SDS)E——用SDS稀釋時(shí)未攪打凝凍漿料的粒度
1.3.3脂肪球表面蛋白質(zhì)吸附量測定
取一定質(zhì)量乳液于30℃下離心(15 000g,60 min),收集上層乳化相,對其中的蛋白質(zhì)和脂肪進(jìn)行定量分析[9]。計(jì)算脂肪球表面蛋白質(zhì)吸附量的公式為
ρ=P/(FA)
(3)
式中ρ——表面蛋白質(zhì)吸附量
P——蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)
F——脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)
A——由粒度分析儀測得的脂肪球比表面積
1.3.4流變學(xué)性質(zhì)測定
采用Malvern Kinexus型流變儀(錐板40 mm、2°)在4℃下對冰淇淋老化液進(jìn)行剪切速率掃描(掃描速率0.01~100 s-1)。采用Herschel-Bulkley模型對其流變學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合。Herschel-Bulkley方程可表示為
τ=τ0+Kγn
(4)
式中τ——剪切應(yīng)力
τ0——屈服應(yīng)力
γ——剪切速率
K——稠度系數(shù)
n——流體行為指數(shù)
1.3.5冰淇淋的膨脹率測定
冰淇淋的膨脹率計(jì)算公式為
OV=(m0-m1)/m1×100%
(5)
式中m0——攪打之前特定體積的冰淇淋漿料的質(zhì)量
m1——攪打凝凍后同體積的冰淇淋質(zhì)量
圖1 加工方式和蛋白質(zhì)組成對脂肪球粒度分布的影響Fig.1 Effects of processing patterns and protein compositions on fat particle distribution
1.3.6冰淇淋的融化率測定
取硬化后的冰淇淋置于金屬網(wǎng)上,金屬網(wǎng)下面放置燒杯,在室溫(20℃)條件下融化冰淇淋,每10 min記錄一次燒杯內(nèi)融化冰淇淋的質(zhì)量,持續(xù)90 min,作融化質(zhì)量(m)與時(shí)間(t)的曲線,該曲線的斜率即為冰淇淋的融化率,單位為g/(g·min)。
1.3.7冰淇淋微觀結(jié)構(gòu)觀察
采用電子顯微鏡觀察融化狀態(tài)下冰淇淋的氣泡結(jié)構(gòu),利用Image J軟件分析氣泡直徑。
冰淇淋的感官評(píng)價(jià)在25℃條件下進(jìn)行,感官評(píng)價(jià)人員由具有正常感覺敏感度和食品專業(yè)背景的15名(女10名,男5名)專門小組成員組成,經(jīng)培訓(xùn)后對冰淇淋進(jìn)行感官評(píng)價(jià),包括:風(fēng)味口感(0~10分,氧化及異味到非常好);組織形態(tài)(0~5分,冰晶感到非常細(xì)膩);色澤外觀(0~5分,色澤異常到非常好)。
采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析(p<0.05),繪圖采用Origin 9.2軟件。
由圖1可知,SMP冰淇淋漿料的粒度分布不受加工方式的影響(圖1a),均呈現(xiàn)單峰分布。SMP3WPC7的冰淇淋漿料(圖1b),不經(jīng)殺菌處理時(shí)粒度分布為單峰。采用均質(zhì)前殺菌時(shí),粒度仍呈現(xiàn)單峰分布,但是相比未殺菌處理,峰形向右移動(dòng),粒度增大。熱特性研究發(fā)現(xiàn),乳清蛋白在加熱溫度為60℃時(shí)即開始變性[11],還有研究表明,即使溫度未達(dá)到變性溫度,脂肪滴在均質(zhì)破碎過程中會(huì)引起溫度瞬時(shí)增加,熱和壓力的雙重效應(yīng)會(huì)引起乳清蛋白的變性,使蛋白質(zhì)發(fā)生聚集[12]。同時(shí),熱處理過程中,乳清蛋白中的β-乳球蛋白與酪蛋白膠束表面的毛發(fā)狀κ-酪蛋白能夠通過二硫鍵發(fā)生結(jié)合,β-乳球蛋白和α-乳白蛋白也能夠發(fā)生結(jié)合,形成蛋白質(zhì)的聚集體[13],蛋白質(zhì)聚集體的產(chǎn)生可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)在脂肪球表面的吸附速率降低,從而使脂肪球粒度變大[14]。而采用均質(zhì)后殺菌時(shí),粒度呈雙峰分布,這是由于采用均質(zhì)后殺菌引起脂肪球表面的蛋白質(zhì)和連續(xù)相中未吸附蛋白質(zhì)之間相互作用增強(qiáng),從而使脂肪球通過橋連聚集連接在一起[15]。SMP7SPI3的冰淇淋漿料中(圖1c),未經(jīng)殺菌處理的脂肪球粒度呈單峰分布。大豆分離蛋白的主要組分7S和11S的變性溫度分別為68℃和85℃[2],β-大豆伴球蛋白的變性溫度為63℃[16]。采用均質(zhì)前殺菌導(dǎo)致其亞基解離[2],并改變其界面活性,因此脂肪球粒度呈雙峰分布。而采用均質(zhì)后殺菌,脂肪球粒度分布呈現(xiàn)3個(gè)峰,這說明均質(zhì)后殺菌增強(qiáng)了脂肪球表面蛋白質(zhì)和未吸附蛋白質(zhì)的結(jié)合作用,進(jìn)而促進(jìn)了脂肪球的聚集。
漿料經(jīng)過攪打凝凍后的粒度分布如圖1d~1f所示??梢钥闯?,相比未攪打的漿料,3種蛋白質(zhì)組成的冰淇淋經(jīng)過攪打凝凍后,都在較大粒度范圍內(nèi)(10~100 μm)出現(xiàn)了分布峰。這是由于脂肪球中的一部分脂肪發(fā)生了結(jié)晶,脂肪晶體刺破脂肪球以及相鄰脂肪球的界面膜,使脂肪球形成了不可逆的脂肪聚結(jié)體或者脂肪鏈[17-20]。
由表1可知,經(jīng)過攪打凝凍之后,脂肪球的粒度比漿料粒度顯著增大,這說明脂肪球在攪打凝凍過程中發(fā)生了失穩(wěn),不同加工方式對于SMP的漿料和攪打乳液粒度以及攪打凝凍后失穩(wěn)程度(聚集度和部分聚結(jié)度)沒有顯著影響(p>0.05),但是對于SMP3WPC7和SMP7SPI3,均質(zhì)后殺菌的冰淇淋漿料和攪打乳液的D4,3(water)以及脂肪球的聚集度和部分聚結(jié)度都要高于均質(zhì)前殺菌處理,采用均質(zhì)后殺菌處理時(shí)的部分聚結(jié)度分別為282.19%和252.70%。這說明采用乳清濃縮蛋白或大豆分離蛋白部分替代乳蛋白時(shí),采用均質(zhì)后殺菌更有利于脂肪球的低溫失穩(wěn)。
表1 脂肪球粒度和失穩(wěn)程度Tab.1 Fat particle size and fat destabilization index
圖2 加工方式和蛋白質(zhì)組成對表面蛋白吸附量及蛋白質(zhì)替代率的影響Fig.2 Effects of processing patterns and protein compositions on protein surface coverage and displaced rate of protein
由圖2(圖中不同字母表示差異顯著,下同)可知,對于SMP冰淇淋漿料(圖2a),加工方式不同并未引起脂肪球表面蛋白質(zhì)吸附量的變化(p>0.05);而對于SMP3WPC7和SMP7SPI3,相比于未殺菌,采用均質(zhì)前殺菌和均質(zhì)后殺菌這兩種加工方式都導(dǎo)致表面蛋白質(zhì)吸附量增加,但是均質(zhì)前殺菌引起的增加量較高。如前所述,這是由于在殺菌過程中,部分乳清濃縮蛋白和大豆分離蛋白變性導(dǎo)致了蛋白質(zhì)聚集體的產(chǎn)生,增加了其在脂肪球表面的吸附量。這種結(jié)果與文獻(xiàn)[14]對乳清蛋白熱處理研究結(jié)果一致,證明均質(zhì)前熱處理會(huì)增加脂肪球表面蛋白質(zhì)吸附量。對酪蛋白和大豆蛋白的混合溶液熱處理研究發(fā)現(xiàn),即使在95℃條件下,兩者也不會(huì)發(fā)生相互作用[21],而β-大豆伴球蛋白在殺菌過程中發(fā)生解離,解離后能夠促進(jìn)可溶性聚集體的形成[2,22],這種可溶性聚集體增加了蛋白質(zhì)的疏水性,促進(jìn)其在脂肪球表面的吸附。
由圖2b可知,經(jīng)過攪打凝凍之后,表面蛋白質(zhì)吸附量降低,這是由于一部分蛋白質(zhì)在凝凍攪打過程中被蔗糖酯競爭性解吸下來[23-24]。從圖2c中可以看出,對SMP3WPC7和SMP7SPI3,采用均質(zhì)前殺菌和均質(zhì)后殺菌,都降低了攪打凝凍后蛋白質(zhì)的替代率。而采用均質(zhì)前殺菌的加工方式,蛋白質(zhì)的替代率要低于均質(zhì)后殺菌,這與形成了蛋白質(zhì)的聚集體有關(guān)。
由圖3a可知,3種蛋白質(zhì)組成的冰淇淋漿料的黏度都隨著剪切速率的增加,呈逐漸下降的趨勢,因此,具有剪切稀化的特性。采用Herschel-Bulkley模型,對穩(wěn)態(tài)剪切過程中的剪切應(yīng)力和剪切速率進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)擬合曲線參數(shù)R2>0.998,說明Herschel-Bulkley模型可準(zhǔn)確地描述冰淇淋漿料的流變學(xué)行為。冰淇淋漿料的稠度系數(shù)和流體行為指數(shù)如圖3b、3c所示。由圖3b可知,SMP漿料的稠度系數(shù)不受加工方式的影響,而對于SMP3WPC7,未殺菌和采用均質(zhì)前殺菌的加工方式?jīng)]有顯著性差異(p>0.05)。均質(zhì)后殺菌的稠度系數(shù)高于均質(zhì)前殺菌和未殺菌,這是由于均質(zhì)后殺菌引起脂肪球的聚集造成的(圖1b)。對于SMP7SPI3,加工方式對漿料的稠度系數(shù)沒有顯著影響(p>0.05)。
圖3 加工方式和蛋白質(zhì)組成對冰淇淋漿料流變學(xué)特性和參數(shù)的影響Fig.3 Effects of processing patterns and protein compositions on rheological property and parameters of ice cream emulsion
由圖3c可知,流體行為指數(shù)n為0~1,因此,冰淇淋漿料為假塑性流體。對于SMP而言,加工方式對流體行為指數(shù)未產(chǎn)生顯著影響,而在SMP3WPC7和SMP7SPI3的冰淇淋漿料中,均質(zhì)后殺菌比均質(zhì)前殺菌的n降低,剪切稀化作用更顯著,這是因?yàn)榫|(zhì)后殺菌引起的脂肪球聚集,使其在剪切過程中抵抗剪切作用的能力降低[25-26]。
圖4 加工方式和蛋白質(zhì)組成對冰淇淋質(zhì)構(gòu)的影響Fig.4 Effects of processing patterns and protein compositions on texture of ice cream
冰淇淋的膨脹率如圖4a所示,采用乳清濃縮蛋白或大豆分離蛋白對乳蛋白進(jìn)行部分替代后,其膨脹率增加。由圖2可知,對于SMP3WPC7和SMP7SPI3,脂肪球的表面蛋白質(zhì)吸附量較SMP低,因此,連續(xù)相中的蛋白質(zhì)含量較高,起泡性較強(qiáng)[27],使冰淇淋的膨脹率提高。加工方式并未對SMP冰淇淋的膨脹率產(chǎn)生顯著影響(p>0.05)。而對于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋,相比于未殺菌,均質(zhì)前和均質(zhì)后殺菌均使膨脹率提高,造成這一結(jié)果是由于均質(zhì)前殺菌熱處理使蛋白質(zhì)疏水性增加,而均質(zhì)后殺菌使脂肪球聚集,這些變化都有利于空氣泡充入后被更好地包裹,空氣泡體積增加,因此膨脹率增加。均質(zhì)后殺菌的加工方式更有利于空氣泡的包裹,因此,膨脹率增加更為顯著(p<0.05)。
不同加工方式下冰淇淋的融化率如圖4b所示,SMP冰淇淋的融化率高于SMP3WPC7和SMP7SPI3;冰淇淋的融化特性與脂肪球部分聚結(jié)度密切相關(guān),脂肪球發(fā)生部分聚結(jié)后,形成的脂肪鏈結(jié)構(gòu)逐漸取代空氣泡周圍的蛋白質(zhì),并包裹在氣泡的周圍,增加攪打充入氣泡的穩(wěn)定性,降低冰淇淋的融化率[28-29]。由表1可知,攪打凝凍后,脂肪球部分聚結(jié)度在SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋中高于SMP冰淇淋,因此,其抗融性更強(qiáng)。同時(shí),由于均質(zhì)前殺菌引起蛋白質(zhì)發(fā)生變性聚集和攪打凝凍的蛋白質(zhì)替代率降低,使部分聚結(jié)失穩(wěn)作用減弱,因此,相比于未殺菌,均質(zhì)前殺菌使SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋的融化率升高,而均質(zhì)后殺菌未對融化率產(chǎn)生顯著性影響(p>0.05)。
冰淇淋的硬度如圖4c所示,SMP3WPC7和SMP7SPI3的硬度低于SMP,這是由于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋漿料的黏度高于SMP(圖3b),較高的黏度阻礙了冰淇淋在儲(chǔ)藏過程中冰晶的生長。而對于同一蛋白組成的冰淇淋而言,不同加工方式間硬度無顯著差異(p>0.05),這表明冰晶的生長特性未受到加工方式的影響。
冰淇淋的氣泡是維持冰淇淋結(jié)構(gòu)的重要因素,從圖5可以看出,在SMP(圖5a~5c)冰淇淋中,采用均質(zhì)后殺菌時(shí)(圖5c),氣泡分布更為均勻,氣泡平均直徑為35 μm。在SMP3WPC7冰淇淋中(圖5d~5f),不同加工方式下氣泡的分布情況無顯著區(qū)別,氣泡平均直徑為33 μm。在SMP7SPI3冰淇淋中(圖5g~5i)氣泡分布均勻,數(shù)量較多,氣泡尺寸較小,平均直徑為19 μm,均質(zhì)后殺菌時(shí)大氣泡的數(shù)量更少(圖5i),分布更為均一,這也證明該條件下其膨脹率更高。
綜上,對于SMP冰淇淋,其膨脹率、抗融性、硬度等質(zhì)構(gòu)特性不受加工方式的影響;對于SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋,均質(zhì)后殺菌能夠使其獲得更理想的質(zhì)構(gòu)特性。
圖5 冰淇淋的氣泡顯微鏡圖像Fig.5 Optical micrographs of air cells for ice cream
以上結(jié)果表明,采用均質(zhì)后殺菌獲得的冰淇淋的質(zhì)構(gòu)特性更優(yōu),尤其在乳清濃縮蛋白和大豆分離蛋白對乳蛋白進(jìn)行部分替代的配方組成中。因此,對采用均質(zhì)后殺菌加工方式的冰淇淋進(jìn)行感官評(píng)價(jià),結(jié)果如表2所示。
表2 冰淇淋的感官評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Sensory properties of ice cream
感官評(píng)價(jià)總分為20分,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照國內(nèi)外冰淇淋感官評(píng)價(jià)要求,SMP、SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋得分都高于17分。SMP冰淇淋具有較強(qiáng)的奶香味、無冰晶砂礫感、適口松軟、組織狀態(tài)細(xì)膩平滑、呈現(xiàn)淡黃色、形體優(yōu)良;SMP3WPC7和SMP7SPI3冰淇淋的奶香味較弱,組織結(jié)構(gòu)更為細(xì)膩,SPI的部分替代使冰淇淋具有輕微的豆香,色澤較白,兩者在組織形態(tài)和色澤外觀方面無顯著差異(p>0.05)。
(1)在全部由乳蛋白(脫脂乳粉)組成的冰淇淋漿料中,均質(zhì)前殺菌和均質(zhì)后殺菌兩種加工方式對脂肪球粒度、失穩(wěn)程度、表面蛋白吸附量以及流變學(xué)特性并未產(chǎn)生顯著影響。
(2)在用乳清濃縮蛋白和大豆分離蛋白對乳蛋白進(jìn)行部分替代的混合蛋白冰淇淋漿料中,均質(zhì)前殺菌引起蛋白質(zhì)變性和聚集,均質(zhì)后殺菌增大了脂肪球表面蛋白和未吸附蛋白間的相互作用,使脂肪球發(fā)生聚集。兩種加工方式均使脂肪球粒度增大、表面蛋白質(zhì)吸附量增加和蛋白質(zhì)替代率下降。相比均質(zhì)前殺菌,采用均質(zhì)后殺菌引起的脂肪球部分聚結(jié)失穩(wěn)度更高,此時(shí)SMP3WPC7、SMP7SPI3兩種混合蛋白冰淇淋的部分聚結(jié)度分別為282.19%和252.70%,更有利于冰淇淋質(zhì)構(gòu)的形成,獲得的冰淇淋膨脹率、抗融性、氣泡均勻度更佳。
農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2020年8期