奇亞籽皮多糖對(duì)冰淇淋乳化穩(wěn)定性及品質(zhì)的影響

劉婷婷，張閃閃，趙文婷，陳玥彤，張艷榮,*

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食用菌加工技術(shù)集成科研基地，吉林 長(zhǎng)春 130118；3.吉林省糧食精深加工與副產(chǎn)物高效利用技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130118；4.吉林省糧食精深加工與高效利用工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130118）

奇亞籽為奇亞（Silva hispanicaL.）（學(xué)名芡歐鼠尾草）的種子，主要分布于墨西哥南部和危地馬拉北部[1]。奇亞籽皮多糖是奇亞籽皮遇水膨脹后表皮形成的一層特殊的黏液質(zhì)，俗稱奇亞籽膠[2]。相關(guān)研究表明，奇亞籽皮多糖是一種純天然植物性多糖，也是一種新型親水性膠體[3]。近幾年，關(guān)于奇亞籽皮多糖理化特性及應(yīng)用的研究成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。Justyna等[4]發(fā)現(xiàn)純化后奇亞籽膠純度達(dá)93.8%，且奇亞籽膠具有高持水性（可達(dá)自身質(zhì)量的23 倍）。Timilsena等[5]報(bào)道奇亞籽皮多糖顯著降低油-水界面的表面張力，其乳化特性和表面活性與阿拉伯膠、瓜爾膠等常見(jiàn)多糖相當(dāng)。劉婷婷等[6]研究發(fā)現(xiàn)較高質(zhì)量濃度的奇亞籽皮多糖能顯著增強(qiáng)乳狀液的穩(wěn)定性，有望成為一種天然安全的乳化穩(wěn)定劑。

冰淇淋清涼消暑，是深受人們喜愛(ài)的一種冷凍休閑食品[7-8]。冰淇淋品質(zhì)的好壞主要受冰淇淋內(nèi)部氣泡、脂肪顆粒和冰晶影響，為防止加工或貯藏過(guò)程中冰晶的增加，降低融化率，一般加入適量增稠劑及乳化穩(wěn)定劑提高冰淇淋品質(zhì)[9]。冰淇淋中常用乳化穩(wěn)定劑主要有單甘酯、羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉等[10]。隨著消費(fèi)者對(duì)食品安全的重視，關(guān)于尋求天然健康冰淇淋食品添加劑成為冷飲食品加工業(yè)的重中之重。因奇亞籽皮多糖的高持水性、膠凝特性、乳化特性及增稠作用，使其可應(yīng)用于冰淇淋中，起到乳化穩(wěn)定的作用[11]。

本實(shí)驗(yàn)主要將奇亞籽皮多糖應(yīng)用于冰淇淋冷飲食品生產(chǎn)中，研究不同質(zhì)量濃度（0.5、1.0、1.5、2.0 mg/mL）奇亞籽皮多糖對(duì)冰淇淋漿料黏度、乳化穩(wěn)定性和冰淇淋膨脹率、融化率、質(zhì)構(gòu)、氣泡分布情況及微觀結(jié)構(gòu)等性質(zhì)的影響規(guī)律，探索奇亞籽皮多糖應(yīng)用于冰淇淋等冷飲食品中的潛能，為奇亞籽皮多糖應(yīng)用于冰淇淋等食品中提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

奇亞籽皮多糖由實(shí)驗(yàn)室自制；綿白糖 北京糖業(yè)集團(tuán)有限公司；全脂乳粉 雙城雀巢有限公司；麥芽糊精（食品級(jí)） 河南萬(wàn)邦實(shí)業(yè)有限公司；單脂肪酸甘油酯（食品級(jí)） 廣州嘉德樂(lè)生化科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AR522CN電子天平 奧豪斯儀器有限公司；SRRFC1281S恒溫冷藏柜 大連三洋有限公司；TR-928冰淇淋機(jī) 北京盛美卓越電器有限公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀英國(guó)SMS公司；Malvern Mastersizer 3000E激光粒度分析儀英國(guó)馬爾文儀器有限公司；Turbiscan AGS多重光散射穩(wěn)定性分析儀 法國(guó)Formulaction儀器公司；DHR-1流變儀 美國(guó)TA公司；Phenom冷凍電子顯微鏡荷蘭飛納科學(xué)儀器有限公司；SZX10體視顯微鏡 上海浦和光電科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 冰淇淋的制備

原輔料預(yù)處理→混合→殺菌與二次殺菌→過(guò)濾→均質(zhì)→冷卻、老化→澆?！搴灐鷥鼋Y(jié)→脫?！b→冷藏→成品。

操作要點(diǎn)：1）原、輔料預(yù)處理：按照配方準(zhǔn)確稱取全脂乳粉、綿白糖、添加劑和奇亞籽皮多糖，分別加水充分溶解；2）調(diào)配、殺菌、過(guò)濾：原輔料混合調(diào)配，加熱至90 ℃以上，保持15 min左右，采用0.15 mm（100 目）孔徑篩網(wǎng)過(guò)濾雜質(zhì)及不溶物；3）高壓均質(zhì)：將過(guò)濾后的漿料于25 MPa、45 ℃條件下均質(zhì)處理；4）冷卻、老化：將均質(zhì)后的漿料于4 ℃冷藏老化10 h以上；5）凝凍、罐裝封口：將老化成熟的漿料加入到冰淇淋機(jī)料池中，開(kāi)啟攪拌及制冷等凝凍過(guò)程，待凝凍過(guò)程穩(wěn)定后，且漿料溫度為-8～-10 ℃時(shí)出料，制得軟質(zhì)冰淇淋，隨后進(jìn)行罐裝與包裝；6）速凍硬化：將軟質(zhì)冰淇淋置于-18～-25 ℃低溫冰柜速凍，即制得硬質(zhì)冰淇淋；7）檢測(cè)：對(duì)冰淇淋成品進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)。

1.3.2 冰淇淋膨脹率的測(cè)定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]的方法，稱取相同體積凝凍前、凝凍后冰淇淋漿料質(zhì)量，冰淇淋膨脹率按式（1）計(jì)算：

式中：m1為凝凍前質(zhì)量/g；m2為凝凍后質(zhì)量/g。

1.3.3 冰淇淋融化率的測(cè)定

參照Pereira等[14]的方法，稱取適量的硬質(zhì)冰淇淋成品置于實(shí)驗(yàn)器材篩網(wǎng)上，于室內(nèi)溫度25 ℃、相對(duì)濕度75%條件下放置45 min，分別記錄冰淇淋融化前、后質(zhì)量，同時(shí)記錄冰淇淋開(kāi)始滴落的時(shí)間。冰淇淋融化率按式（2）計(jì)算：

式中：m3為融化前冰淇淋漿料質(zhì)量/g；m4為融化后冰淇淋漿料質(zhì)量/g。

1.3.4 冰淇淋漿料的粒徑分布

參照劉婷婷等[6]的操作方法，利用激光粒度分析儀通過(guò)激光衍射技術(shù)確定不同質(zhì)量濃度奇亞籽皮多糖的冰淇淋漿料粒徑分布情況。測(cè)定參數(shù)：使用濕分散法分析，樣品折射率為1.510，水的折光率為1.330，測(cè)試溫度為25 ℃。

1.3.5 冰淇淋漿料的流變特性

按照楊嘉丹等[15]的方法，采用直徑為40 mm的不銹鋼錐板夾具，設(shè)置間隙1.0 mm，于25 ℃測(cè)量，吸取量固定為1.5 mL。在剪切速率范圍為0.01～500 s-1內(nèi)，考察不同質(zhì)量濃度奇亞籽皮多糖對(duì)冰淇淋漿料表觀黏度的影響。

通過(guò)冪律模型公式描述溶液的流變特性，如式（3）所示：

式中：ηs為表觀黏度/（Pa·s）；K為稠度系數(shù)；γ為剪切速率/s-1；n為冪律指數(shù)。

1.3.6 冰淇淋漿料的穩(wěn)定性

將樣品置于樣品池中，以掃描模式運(yùn)行，測(cè)試溫度25 ℃，每隔40 μm采集透射光和背散射光數(shù)據(jù)，對(duì)冰淇淋漿料的穩(wěn)定性進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，用穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)（turbiscan stability index，TSI）表征樣品的乳化穩(wěn)定性。

1.3.7 冰淇淋質(zhì)地剖面分析

參照He Wenmeng等[16]的方法，采用TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀對(duì)冰淇淋質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行測(cè)定。質(zhì)構(gòu)儀探頭采用P/5探頭（直徑5 mm），測(cè)試條件：?jiǎn)?dòng)速率7 mm/s，測(cè)試速率2 mm/s，探入深度20 mm，觸發(fā)力20 g。將冰淇淋置于冰箱中貯存2 d后，實(shí)驗(yàn)前提前取出并室溫放置10 min后進(jìn)行測(cè)試。

1.3.8 冰淇淋質(zhì)地冷凍電子掃描顯微鏡觀察

在配備了冷凍傳輸裝置的掃描電子掃描顯微鏡中進(jìn)行操作，取約2～3 mm3體積的冰淇淋成品放置到樣品臺(tái)中，并迅速于-25 ℃冷卻樣品，隨后將樣品轉(zhuǎn)移到冷凍傳輸裝置上（-25 ℃）。并于-25 ℃，電壓10 kV、5 000 倍條件下進(jìn)行觀察分析。

1.3.9 冰淇淋體視顯微鏡觀察

利用體視顯微鏡對(duì)冰淇淋中氣泡的分布及形態(tài)進(jìn)行觀察，取適量融化的冰淇淋樣品固定于載玻片上，并采用SZX10體視顯微鏡50 倍鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 冰淇淋的膨脹率和融化率結(jié)果

表1 冰淇淋膨脹率與融化率測(cè)定結(jié)果Table 1 Effect of chia seed coat polysaccharide on overrun and melting rate of ice cream

膨脹率是評(píng)價(jià)冰淇淋質(zhì)地、抗融性及感官特性好壞的重要指標(biāo)[17]。由表1可以看出，隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的增加，空氣吸入量增加，冰淇淋膨脹率不斷提高，當(dāng)奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度大于1.5 mg/mL時(shí)，冰淇淋膨脹率漲幅縮小。原因可能是隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度增大，漿料黏度升高，提高漿料充氣量，進(jìn)而改善了冰淇淋的膨脹率[18]?？瞻讟悠返娜诨首畲?，且融化率隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的增加而顯著降低。當(dāng)奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL時(shí)，融化率為（16.30±2.08）%，達(dá)到最低值，抗融性最高，可能是由于奇亞籽皮多糖分子的持水性，束縛了水分子的遷移，降低冰晶的融化速度，延緩冰淇淋的融化，提高冰淇淋的抗融性[19]。

2.2 冰淇淋漿料粒度大小及分布結(jié)果

圖1 奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度對(duì)冰淇淋漿料粒度分布的影響Fig.1 Effect of chia seed coat polysaccharide on particle size distribution of ice cream slurry

由圖1可以看出，隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的增加，冰淇淋漿料的粒度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但漿料粒度集中分布在1 μm以下，增加程度較小，漿料平均粒徑在0.5 μm左右，這與董彥夫等[20]的研究結(jié)果相似。相對(duì)于空白冰淇淋漿料粒度，添加奇亞籽皮多糖的冰淇淋粒度均大于空白冰淇淋漿料粒度，但總體上奇亞籽皮多糖的質(zhì)量濃度對(duì)冰淇淋漿料粒度大小及分布影響不大，可能是由于后期均質(zhì)等加工工藝對(duì)冰淇淋漿料粒度產(chǎn)生成一定影響，促使?jié){料粒度均一化。

2.3 冰淇淋漿料的流變特性結(jié)果

圖2 奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度對(duì)冰淇淋表觀黏度的影響Fig.2 Effect of chia seed coat polysaccharide on the apparent viscosity of ice cream

表2 不同質(zhì)量濃度的奇亞籽皮多糖冰淇淋漿料冪律參數(shù)Table 2 Power-Law parameters of ice cream slurry with chia seed polysaccharide at different concentrations

如圖2、表2所示，隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的增加，冰淇淋漿料的表觀黏度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在低剪切速率下，冰淇淋漿料表觀黏度較大，而在高剪切速率下，其表觀黏度較小，表明冰淇淋漿料表現(xiàn)為剪切稀化溶液現(xiàn)象。對(duì)比空白樣品，添加奇亞籽皮多糖的冰淇淋漿料的剪切稀化現(xiàn)象更為顯著。剪切稀化現(xiàn)象有助于冰淇淋口感的提升以及方便產(chǎn)品的生產(chǎn)加工[21]。而且結(jié)果顯示，表觀黏度與抗融性具有相關(guān)性，表觀黏度越大，冰淇淋的抗融性越強(qiáng)。Javidi等[22]證明較高黏度的冰淇淋漿料具有良好的抗融性。

2.4 冰淇淋漿料的穩(wěn)定性結(jié)果

圖3 奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度對(duì)冰淇淋TSI的影響Fig.3 Effect of chia seed coat polysaccharide on TSI of ice cream

TSI是指背散射率的變化與時(shí)間軸交匯形成的面積，TSI越大，穩(wěn)定性越差，且TSI越小，冰淇淋漿料的穩(wěn)定性越好，反之亦然[23]。從圖3可以看出，空白樣品與含0.5 mg/mL質(zhì)量濃度的奇亞籽皮多糖冰淇淋的TSI差異不顯著，但隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度增加，冰淇淋漿料的TSI逐漸減小，即表明穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。隨著奇亞籽皮多糖在冰淇淋體系內(nèi)的增加，體系內(nèi)形成更多的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在多糖持水性、持油性及空間位阻的作用下，使?jié){料黏度增加，進(jìn)而阻礙溶質(zhì)分子的遷移，減少物質(zhì)間的相互作用，增強(qiáng)漿料的穩(wěn)定性[6]；并且2.0 mg/mL質(zhì)量濃度的奇亞籽皮多糖表現(xiàn)出最高的抗融性，這說(shuō)明奇亞籽皮多糖對(duì)冰淇淋組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更高的穩(wěn)定性。

2.5 冰淇淋質(zhì)構(gòu)測(cè)定結(jié)果

表3 奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度對(duì)冰淇淋質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 3 Effect of chia seed coat polysaccharide on texture properties of ice cream

冰淇淋質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定主要包括彈性、硬度、黏附性及咀嚼性4 個(gè)指標(biāo)。其中冰淇淋的硬度是當(dāng)冰淇淋被施加外力時(shí)防止變形的力，是證明冰淇淋的結(jié)構(gòu)性質(zhì)好壞的指標(biāo)之一[24]。由表3可以看出，隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的增加，冰淇淋的硬度隨之降低。這可能由于奇亞籽皮多糖可以增加漿料的黏度，提高凝凍過(guò)程中充氣能力，促使冰淇淋硬度降低[25-26]。一般冰淇淋硬度會(huì)受到冰淇淋漿料黏度及流變特性的影響，增加漿料黏度及降低漿料中溶質(zhì)分子遷移率會(huì)影響漿料中冰晶的形成速度以及尺寸大小，進(jìn)而影響冰淇淋硬度[27]。結(jié)果表明，冰淇淋硬度與漿料的表觀黏度呈負(fù)相關(guān)。這與Kurt等[28]用木瓜籽粉制備冰淇淋的結(jié)果相似，由于木瓜籽粉的添加提高冰淇淋的黏度，從而導(dǎo)致冰淇淋硬度降低。黏附性主要反映了冰淇淋的黏性特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果與漿料流變黏度測(cè)定結(jié)果相符，當(dāng)奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度升高時(shí)，黏附性升高。彈性指標(biāo)主要反映冰淇淋穩(wěn)定特性。冰淇淋的彈性隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的升高而增大，這可能是因?yàn)槠鎭喿哑ざ嗵橇己玫哪z特性，促使冰淇淋結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[11]。咀嚼性一般是硬度體現(xiàn)，彈性的增加也會(huì)致使咀嚼性增大。綜上所述，隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的升高，冰淇淋的質(zhì)構(gòu)特性得到進(jìn)一步的改善。

2.6 冰淇淋的冷凍電子顯微鏡觀察結(jié)果

如圖4所示，奇亞籽皮多糖的添加量對(duì)冰淇淋的微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響。如圖4A所示，空白樣品其微觀結(jié)構(gòu)粗糙，呈雜亂狀，以及有明顯的白色顆粒狀，原因可能是乳化劑及穩(wěn)定劑加入量過(guò)少，膠體與乳粉粉顆粒不能很好地相容，乳粉脂肪顆粒不能均勻的分散于冰淇淋混料中，致使乳脂析出，從而抑制冰淇淋的膨脹率[28]。圖4B～E顯示，隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度增加，冰淇淋的微觀結(jié)構(gòu)更加有序致密。這說(shuō)明奇亞籽皮多糖可以起到一定乳化及穩(wěn)定的作用，可能由于其良好的持水性、持油性及乳液穩(wěn)定性[6]，有效改善冰淇淋混料的分散性，降低冰淇淋中油脂的表面張力，增強(qiáng)混料黏稠度，提高空氣混入量，控制冰晶形成速度及大小，從而使冰淇淋質(zhì)地更加有序、光滑與致密[9,29]。這一結(jié)果與質(zhì)構(gòu)分析及膨脹度的結(jié)果一致，且在質(zhì)量濃度大于1.5 mg/mL時(shí)，冰淇淋微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)更加致密、整潔、有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 不同質(zhì)量濃度奇亞籽皮多糖冰淇淋的典型冷凍電鏡圖（×5 000）Fig.4 Typical frozen electron microscopic images of ice cream with different concentrations of chia seed coat polysaccharide (× 5 000)

2.7 冰淇淋的體視顯微鏡觀察結(jié)果

冰淇淋中氣泡大小以及均勻程度是決定冰淇淋結(jié)構(gòu)的重要因素[30]。如圖5A所示，空白樣品的氣泡直徑較大，氣泡數(shù)量較少，且分布不均勻，主要是因?yàn)槿鄙偃榛€(wěn)定劑在凝凍過(guò)程中控制充氣作用，從而影響冰淇淋漿料起泡性及膨脹率。當(dāng)添加不同質(zhì)量濃度奇亞籽皮多糖后（圖5B～E），冰淇淋中氣泡形態(tài)發(fā)生顯著變化，其氣泡數(shù)量增多，且分布更加均勻；當(dāng)添加奇亞籽皮多糖的質(zhì)量濃度達(dá)到2.0 mg/mL時(shí)，冰淇淋中氣泡直徑較均一，氣泡密度增大，分布均勻，表明冰淇淋微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性更好，這與冰淇淋冷凍電子顯微鏡觀察結(jié)果一致。并且隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的增加，冰淇淋漿料的氣泡形態(tài)及分布更加有規(guī)則，可能主要是奇亞籽皮多糖增加了漿料的黏度，使凝凍過(guò)程中乳粉脂肪附聚在氣泡周圍更加穩(wěn)定，增加了冰淇淋的膨脹率[31]，同時(shí)，冰淇淋的氣泡膨脹性影響熱傳導(dǎo)作用，進(jìn)而降低冰淇淋融化率的結(jié)果[32]。

圖5 添加不同質(zhì)量濃度奇亞籽皮多糖對(duì)冰淇淋氣泡分布的影響Fig.5 Effect of chia seed coat polysaccharide on the bubble size distribution of ice cream

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)主要研究不同質(zhì)量濃度的奇亞籽皮多糖對(duì)冰淇淋品質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)特性以及漿料乳化穩(wěn)定性的影響規(guī)律，探索奇亞籽皮多糖應(yīng)用于冰淇淋中的潛能。結(jié)果表明，隨著奇亞籽皮多糖質(zhì)量濃度的增加，冰淇淋漿料的乳化穩(wěn)定性及冰淇淋的膨脹率、表觀黏度及質(zhì)構(gòu)特性（彈性、黏附性、咀嚼性）提高，融化率和硬度降低，冰淇淋中氣泡分布更加均勻，氣泡數(shù)量增多，氣泡大小均一。當(dāng)奇亞籽皮多糖添加量大于1.5 mg/mL時(shí)，冰淇淋具有較高的抗融性及乳化穩(wěn)定性，且微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為有序致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與空白冰淇淋樣品對(duì)比，無(wú)論是冰淇淋的品質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)特性還是乳化穩(wěn)定性等方面，添加奇亞籽皮多糖的冰淇淋都優(yōu)于空白冰淇淋樣品。綜上所述，奇亞籽皮多糖是一種重要的新型食品原料，可使冰淇淋具有良好的質(zhì)構(gòu)特性、膨脹率、抗融性與乳化穩(wěn)定性。將天然奇亞籽皮多糖應(yīng)用于冰淇淋生產(chǎn)中，不僅可取代部分或全部乳化穩(wěn)定劑，而且改善了冰淇淋固有的品質(zhì)特征，同時(shí)為奇亞籽皮多糖應(yīng)用于冰淇淋等冷飲食品中提供理論依據(jù)。