冰淇淋冰晶體再結(jié)晶的抑制作用研究進(jìn)展

薛 磊，劉愛(ài)國(guó), ，劉 園，劉立增，強(qiáng) 鋒，曲睿晶

（1.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津 300134；2.天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；3.江蘇省食品藥品監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210008；4.天津天獅學(xué)院，天津 301700）

近年來(lái)，我國(guó)冰淇淋市場(chǎng)規(guī)模在逐漸擴(kuò)大。根據(jù)中國(guó)綠色食品協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2021 年中國(guó)冰淇淋行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已增長(zhǎng)到1600 億元，是2015 年市場(chǎng)規(guī)模的兩倍[1]。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，2023 年全球冰淇淋市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)到970 億美元[2]。冰淇淋被譽(yù)為“冷飲之王”，是以非脂乳固體、油脂、甜味料、乳化劑、穩(wěn)定劑、飲用水等作為原料及輔料制作而成，因其獨(dú)特的口感深受消費(fèi)者的青睞[3-4]。然而，由于配方中原料的種類(lèi)和含量不同及線(xiàn)上冷鏈物流銷(xiāo)售使得冰淇淋在交付過(guò)程中經(jīng)歷較大的溫度波動(dòng)，從而使得冰淇淋在加工、儲(chǔ)運(yùn)和銷(xiāo)售過(guò)程中發(fā)生不同程度的冰晶體再結(jié)晶現(xiàn)象，使得其口感變差，影響其質(zhì)量。本文綜述了冰晶體的形成過(guò)程主要包括過(guò)冷、成核、生長(zhǎng)和再結(jié)晶的機(jī)理及研究進(jìn)展，冰淇淋原料中的乳化劑、穩(wěn)定劑、甜味料和蛋白質(zhì)與冰晶微觀(guān)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及其對(duì)冰晶體再結(jié)晶的抑制作用，并詳細(xì)介紹了四種新興冷凍技術(shù)，包括超聲波輔助冷凍技術(shù)、磁場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)、高壓輔助冷凍技術(shù)和電場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)對(duì)減小冰淇淋平均晶體尺寸和對(duì)冰淇淋再結(jié)晶的抑制作用，為獲得更高質(zhì)量的產(chǎn)品，適應(yīng)線(xiàn)上銷(xiāo)售趨勢(shì)，研發(fā)新產(chǎn)品及有效測(cè)量和控制溫度波動(dòng)前后產(chǎn)品中冰晶的尺寸及形態(tài)具有重要指導(dǎo)作用。

1 冰晶體的形成過(guò)程

在很大程度上，冰淇淋的貨架期、滑潤(rùn)程度和口感取決于產(chǎn)品中的冰晶尺寸[5]。冰晶尺寸是評(píng)價(jià)冰淇淋品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，冰晶越小，產(chǎn)品越細(xì)膩，口感越好，通常能被人體接受的冰晶直徑＜50 μm[6-7]。冰晶體的形成過(guò)程分為4 個(gè)階段：過(guò)冷、成核、生長(zhǎng)和再結(jié)晶[8]。

1.1 過(guò)冷

當(dāng)液體溫度降低到冰點(diǎn)時(shí)，并不會(huì)立刻有冰晶核的形成。隨著溫度的降低并達(dá)到一定的過(guò)冷點(diǎn)時(shí)，水分子會(huì)不斷地聚集在一起并形成由氫鍵連接的無(wú)定形團(tuán)簇。雖然較低的溫度容易促進(jìn)團(tuán)簇的形成，但是液相中的水分子波動(dòng)使得由氫鍵連接的團(tuán)簇不斷破裂[9-10]。Giudici 等[11]建立了一個(gè)冰淇淋批量生產(chǎn)中結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)冰淇淋冷凍曲線(xiàn)上的最低溫度代表過(guò)冷，到達(dá)過(guò)冷溫度所需的平均時(shí)間為2.4～2.7 min。楊洋等[12]研究脂肪含量對(duì)冰淇淋過(guò)冷點(diǎn)的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著脂肪含量的提高，冰淇淋料液的過(guò)冷溫度有所增加。由于過(guò)冷程度越大，相變時(shí)間越短，晶核瞬間形成的冰量越多，冰晶尺寸就會(huì)越小。因此，過(guò)冷直接關(guān)系到冰的成核速率[13]。

1.2 成核

成核指的是水分子變成非晶態(tài)團(tuán)簇后又轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц窠Y(jié)構(gòu)的過(guò)程[10]。在成核這一隨機(jī)過(guò)程中，經(jīng)歷一定程度的過(guò)冷后，大量來(lái)自三維空間的水分子相互碰撞并聚集在一起，使得非晶態(tài)團(tuán)簇獲得足夠量的水分子，此時(shí)會(huì)存在一個(gè)臨界半徑值r*，非晶態(tài)團(tuán)簇的半徑超過(guò)該臨界值r*，其作為晶核存活的幾率比較大[14-15]。非晶態(tài)團(tuán)簇的形成是成核的第一步。之后隨著這些非晶態(tài)團(tuán)簇的進(jìn)一步碰撞，團(tuán)簇中的分子聚集成晶格并形成穩(wěn)定的核[16]，這是成核的第二步[10]。

根據(jù)吉布斯理論，新相形成所需的自由能變化ΔG 是兩個(gè)項(xiàng)的總和，分別是分子從過(guò)飽和的溶質(zhì)相轉(zhuǎn)移到冰晶相的團(tuán)簇中所產(chǎn)生的自由能變化（即與團(tuán)簇的體積成比例的“體積項(xiàng)”）和由于冰晶界面的形成而產(chǎn)生的自由能變化（即與團(tuán)簇的面積成比例的“表面項(xiàng)”）。因此，球形核的ΔG 為：

式中：ΔG 為吉布斯自由能，kJ/mol；r 為新粒子的半徑，m；γ為表面自由能，kJ/m2；Ω為分子的體積，m3；μ為摩爾吉布斯能，kJ；Δμ=μ溶質(zhì)-μ冰晶＞0 為驅(qū)動(dòng)相變過(guò)程的能量。μ溶質(zhì)和μ冰晶分別為分子在溶質(zhì)和冰晶中的化學(xué)勢(shì)；當(dāng)Δμ=0 時(shí)，系統(tǒng)飽和；當(dāng)Δμ＜0 時(shí)，它處于欠飽和狀態(tài)。

團(tuán)簇大小的增加導(dǎo)致的體積項(xiàng)增加（三次方）比表面項(xiàng)的增加更快（二次方）。因此，兩項(xiàng)的總和決定了總自由能變化ΔG*的最大值，這是等溫和等壓條件下臨界核形成的能量屏障，如圖1 所示。此外，ΔG*還決定成核發(fā)生的速率。

臨界核半徑r*是相變理論中的一個(gè)基本概念，當(dāng)最大時(shí)，臨界核的半徑大小r*的公式如下所示。

式中：r*為臨界核的半徑大小，m；γ為表面自由能，kJ/m2；Ω為分子的體積，m3；μ為摩爾吉布斯能，kJ；Δμ=μ溶質(zhì)-μ冰晶＞0 是驅(qū)動(dòng)相變過(guò)程的能量。μ溶質(zhì)和μ冰晶分別是分子在溶質(zhì)和冰晶中的化學(xué)勢(shì)；當(dāng)Δμ=0 時(shí)，系統(tǒng)飽和；當(dāng)Δμ＜0 時(shí)，它處于欠飽和狀態(tài)[17]。

Chen 等[18]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在慢速凍結(jié)和快速凍結(jié)的條件下，去離子水開(kāi)始成核的時(shí)間分別為774±111 s和508±126 s，這說(shuō)明凍結(jié)速率的提高顯著促進(jìn)了成核過(guò)程的開(kāi)始，有效縮短樣品的相變時(shí)間，從而形成更多的小冰晶。成核包括一次成核和二次成核，一次成核是溶液自發(fā)形成的核，而二次成核是已有晶體或晶體碎片形成的核。一次成核又分為均相成核和非均相成核[16]。均相成核是指液體經(jīng)歷過(guò)冷后因隨機(jī)密度波動(dòng)而自發(fā)形成的核[19]；非均相成核指的是晶核形成于外來(lái)粒子或物體，這些物質(zhì)有助于冰晶體的成核，因此，需要較低的過(guò)冷度便可發(fā)生非均相成核。所以，在多組分食品體系中，與均相成核相比，非均相成核更容易發(fā)生[14]。

1.3 生長(zhǎng)

冰晶是冰淇淋的重要組成部分，冰晶生長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)冰是冰淇淋中最大的缺陷之一[20]。冰晶生長(zhǎng)是當(dāng)穩(wěn)定核形成后，大于臨界尺寸的水分子沿著現(xiàn)有的冰晶表面移動(dòng)，直至到達(dá)晶格位置，然后在現(xiàn)有冰晶上聚集成晶體。冰晶生長(zhǎng)階段受溶質(zhì)分子從冰晶生長(zhǎng)表面的傳質(zhì)和傳熱兩個(gè)不同過(guò)程的控制[15,21]。溶質(zhì)分子從冰晶生長(zhǎng)表面的傳質(zhì)是指一旦晶體開(kāi)始生長(zhǎng)，分子擴(kuò)散和積累在固液兩相界面，即周?chē)乃肿右苿?dòng)到臨界核的表面，溶質(zhì)分子擴(kuò)散到溶液中，這一過(guò)程的速度受水分子擴(kuò)散速度的影響。溶質(zhì)分子從冰晶生長(zhǎng)表面?zhèn)鳠崾侵副Y(jié)晶過(guò)程中會(huì)釋放潛熱，使得固液界面的自由能降低，并形成過(guò)冷度。過(guò)冷度是水的實(shí)際溫度和固液平衡溫度之間的差值。當(dāng)穩(wěn)定核形成后，大于臨界尺寸的分子聚集成可見(jiàn)尺寸的晶體。晶體生長(zhǎng)速率G 和過(guò)冷度ΔTS之間的現(xiàn)象學(xué)關(guān)系為[16,22]：

式中：G 為晶體生長(zhǎng)速率，℃/min；β和n 為常數(shù)。

冰晶體的生長(zhǎng)過(guò)程如圖2 所示。當(dāng)冰淇淋漿料溫度降低到凍結(jié)點(diǎn)以下，沒(méi)有冰晶核形成時(shí)，就會(huì)發(fā)生過(guò)冷。a.當(dāng)冰淇淋漿料達(dá)到凍結(jié)點(diǎn)后，水分子不斷聚集并形成大的無(wú)序聚集體；b.隨著溫度的降低，水分子會(huì)不斷地聚集在一起并形成由氫鍵連接的團(tuán)簇，聚集體核心內(nèi)的分子重新定向分布并形成更合理的幾何結(jié)構(gòu)；c.大量分子聚集在一起，形成熱力學(xué)上穩(wěn)定的聚集體，聚集體有序和穩(wěn)定并形成臨界核；d.隨著非晶態(tài)團(tuán)簇的進(jìn)一步碰撞，團(tuán)簇中的單體聚集成晶格并形成穩(wěn)定的核；e.自由的水分子被吸附到晶體表面，并通過(guò)加入晶格而增大晶體的大?。籪.自由水分子的移動(dòng)[15]。

圖2 冰晶體的生長(zhǎng)過(guò)程[15]Fig.2 Growth process of ice crystals[15]

1.4 再結(jié)晶

在冷凍食品中，冰晶往往不穩(wěn)定，周?chē)h(huán)境的細(xì)微變化都極易引起冰晶的形狀、大小、數(shù)量和完整度等特性發(fā)生變化[23-24]。再結(jié)晶發(fā)生在冰淇淋的加工和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中。發(fā)生再結(jié)晶后，冰晶數(shù)量減少，在較大晶體的表面形成更穩(wěn)定的晶體，即總晶體系統(tǒng)的表面自由能會(huì)降低。冰晶通過(guò)再結(jié)晶不斷生長(zhǎng)，使得晶體平均尺寸增加、直徑增大，導(dǎo)致冰淇淋微觀(guān)結(jié)構(gòu)粗糙，質(zhì)量變劣[25-26]。如Ndoye 等[27]發(fā)現(xiàn)冰淇淋的冰晶尺寸隨著平均儲(chǔ)存溫度和溫度波動(dòng)幅度的增大而增大。因冰淇淋在加工和交付過(guò)程中具有熱力學(xué)不穩(wěn)定的因素，使其在加工過(guò)程和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程都涉及由傳熱和傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)的液-固相變。在加工過(guò)程中，體現(xiàn)的是過(guò)冷形成冰晶核。在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，通過(guò)液-固界面的水?dāng)U散使得冰晶體生長(zhǎng)[28]。如Hagiwara 等[29]發(fā)現(xiàn)冰晶體的再結(jié)晶速率與冷凍濃縮基質(zhì)中的自擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)，并隨著自擴(kuò)散系數(shù)的增大而增大。

再結(jié)晶導(dǎo)致冰晶形狀、數(shù)量的改變，這一過(guò)程主要由三種機(jī)制引起：吸積再結(jié)晶、遷移再結(jié)晶和等質(zhì)量再結(jié)晶。三種驅(qū)動(dòng)再結(jié)晶的機(jī)制如圖3 所示。吸積再結(jié)晶是在未完全凍結(jié)的溶液中，兩個(gè)或多個(gè)相鄰的冰晶通過(guò)表面間的接觸，物理結(jié)合，形成一個(gè)較大的晶體，此過(guò)程主要發(fā)生在再結(jié)晶的早期[30-31]。遷移再結(jié)晶，或稱(chēng)Ostwald 成熟，包括小冰晶融化后的液體流向大冰晶表面并重新聚集，形成更大的結(jié)晶，此過(guò)程主要發(fā)生在再結(jié)晶的后期[28]。等質(zhì)量再結(jié)晶是單個(gè)晶體的質(zhì)量不變而形狀改變，包括晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新組合和晶體邊緣形態(tài)變得光滑，從而形成更銳利和更光滑的晶體[30-31]。

圖3 再結(jié)晶的三種機(jī)制[30-31]Fig.3 Three mechanisms of recrystallization[30-31]

冰晶體再結(jié)晶現(xiàn)象使得冰淇淋的平均晶體尺寸增大，冰晶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，口感變差。因此，需要通過(guò)調(diào)整冰淇淋原料的種類(lèi)及用量來(lái)抑制冰淇淋再結(jié)晶和運(yùn)用一些新興冷凍技術(shù)來(lái)減小冰淇淋平均晶體尺寸和抑制冰晶體再結(jié)晶。

2 冰淇淋原料對(duì)冰晶體的抑制作用

隨著社會(huì)的發(fā)展和消費(fèi)水平的逐漸提高，消費(fèi)者對(duì)食品形、色、香、味、營(yíng)養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)等品質(zhì)要求越來(lái)越高。在冰淇淋原料中，對(duì)冰晶體有抑制作用的物質(zhì)包括乳化劑、穩(wěn)定劑、甜味料和蛋白質(zhì)等，合理利用好這些物質(zhì)，可滿(mǎn)足消費(fèi)者在冰淇淋質(zhì)構(gòu)方面的要求。

2.1 乳化劑對(duì)冰晶體的抑制作用

乳化劑是一種兩親性分子，同時(shí)具有親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)。根據(jù)親水親油平衡值（HLB）可將乳化劑分為親水性乳化劑（HLB＞10）和親油性乳化劑（HLB＜10）[32]。不同類(lèi)型的乳化劑對(duì)冰淇淋漿料的穩(wěn)定性影響不同，對(duì)冰淇淋中冰的再結(jié)晶影響也不同[4]。冰淇淋配方中常用的乳化劑有單硬脂酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯、三聚甘油單硬脂酸酯、丙二醇單硬脂酸酯等[33]。

乳化劑對(duì)冰淇淋中冰的再結(jié)晶有抑制作用。李丹[34]認(rèn)為，當(dāng)冰淇淋漿料中乳化劑的用量占油脂總量的2%時(shí)，冰淇淋混合料的乳狀液較為穩(wěn)定，形成的冰晶較小，結(jié)構(gòu)細(xì)膩。此外，冰淇淋的充氣量更大，結(jié)構(gòu)更加疏松。乳化劑的親水端與水結(jié)合，使冰淇淋漿料中的部分自由水變成結(jié)合水。當(dāng)溫度降低的程度較大時(shí)，結(jié)合水才可以形成較小的晶核，從而達(dá)到抑制冰晶體再結(jié)晶的作用。此外，乳化劑還可以破壞脂肪的穩(wěn)定，能包裹更多和更小的氣泡，影響脂肪球和氣泡之間的界面，并在氣泡之間形成更薄的片層，這是阻礙冰晶生長(zhǎng)的物理障礙[35]，從而達(dá)到降低冰晶尺寸的作用。如Aleong 等[36]發(fā)現(xiàn)丙二醇單硬脂酸酯可以直接與冰晶相互作用，通過(guò)羥基水合作用吸附結(jié)晶晶格中的水，形成α結(jié)晶凝膠，并干擾生長(zhǎng)冰晶的表面?zhèn)鞑?，從而抑制冰淇淋中冰晶的再結(jié)晶。此外，丙二醇單硬脂酸酯在動(dòng)態(tài)冷凍蔗糖溶液中也能有效抑制再結(jié)晶。由此可得出，乳化劑可以通過(guò)羥基水合作用吸附結(jié)晶晶格中的水，降低冰淇淋的再結(jié)晶速率，使冰淇淋漿料的冰晶尺寸降低。

2.2 穩(wěn)定劑對(duì)冰晶體的抑制作用

穩(wěn)定劑，也稱(chēng)膠體，在水中可以形成一種無(wú)定形的膠體溶液[37]。冰淇淋配方中常用的穩(wěn)定劑包括黃原膠、瓜爾膠、卡拉膠、刺槐豆膠、羧甲基纖維素鈉和羅望子膠等[38]。在冰淇淋配料中，添加穩(wěn)定劑的主要目的是使產(chǎn)品質(zhì)地光滑，有較好的均勻性[39]。冰淇淋在儲(chǔ)存期間經(jīng)歷溫度波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定劑可以延緩或減少冰晶體和乳糖晶體的生長(zhǎng)[40-41]。如Flores 等[42]與Bahramparvar 等[43]的研究都表明，與不添加穩(wěn)定劑的冰淇淋相比，添加穩(wěn)定劑的冰淇淋冰晶初始尺寸較小，在經(jīng)歷-25～-10 ℃溫度循環(huán)多次后，冰晶的生長(zhǎng)速度降低。這可能與穩(wěn)定劑的保水性、與脂肪或蛋白質(zhì)的相互作用形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成的空間位阻有關(guān)。

在冰淇淋料液中，穩(wěn)定劑可以與水逐漸結(jié)合，通過(guò)氫鍵與大量水分子相連，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了剩余水相的流動(dòng)性，使料液產(chǎn)生一定的黏稠度和空間障礙以阻止水的擴(kuò)散[26,44]。如Blond 等[45]發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定劑等大分子物質(zhì)可顯著降低結(jié)晶速率。隨著穩(wěn)定劑濃度的增加，使得水分子擴(kuò)散率降低，從而導(dǎo)致溶解速度降低，結(jié)晶速率也會(huì)降低。Kd 等[46]研究了添加刺槐豆膠、瓜爾膠、κ-卡拉膠和ι-卡拉膠中的兩種穩(wěn)定劑對(duì)乳清冰淇淋結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在抑制再結(jié)晶方面，含有ι-卡拉膠的冰淇淋混合物效果最好。樣品儲(chǔ)存3 個(gè)月后，冰晶體的平均直徑為28 μm。而對(duì)于不含添加劑的樣品，冰晶體的平均直徑則為68 μm。原因可能是?-卡拉膠的每個(gè)雙糖都含有兩個(gè)硫酸基團(tuán)，可以與乳清蛋白中結(jié)合的二價(jià)鈣離子形成柔軟的彈性凝膠，產(chǎn)生具有最佳保水能力的良好結(jié)構(gòu)，從而抑制冰晶體的再結(jié)晶。

基于以上分析，在冰淇淋中添加分子中含有羥基，能夠與水分子形成氫鍵的穩(wěn)定劑，或者將具有協(xié)同增效作用的穩(wěn)定劑聯(lián)用可顯著降低冰淇淋混合物中的再結(jié)晶速率，使得冰晶的初始尺寸及經(jīng)歷溫度波動(dòng)循環(huán)后樣品的晶體生長(zhǎng)速度降低，從而起到對(duì)冰晶體生長(zhǎng)的抑制作用。

2.3 甜味料對(duì)冰晶體的抑制作用

冰淇淋配方中的甜味料包括蔗糖、葡萄糖、飴糖、果葡糖漿和山梨糖醇等[33]。甜味料主要通過(guò)降低冰淇淋混合物的凍結(jié)點(diǎn)來(lái)影響冰的結(jié)晶。不同甜味料降低冰淇淋混合物凍結(jié)點(diǎn)的程度不同，這主要取決于甜味料的分子結(jié)構(gòu)和分子量，含有小分子量的分子數(shù)量越多的甜味料更能降低冰淇淋混合物的凍結(jié)點(diǎn)。凍結(jié)點(diǎn)越低，冰晶體生長(zhǎng)越慢[8]。如蘇蕾[47]針對(duì)較為常見(jiàn)的十三種功能性糖醇以及常用糖對(duì)冰淇淋冰晶體尺寸大小的影響進(jìn)行研究，分別觀(guān)測(cè)到小分子量的甜味料如L-阿拉伯糖、麥芽糖醇、蔗糖，以及較大分子量的甜味料如低聚果糖和聚葡萄糖等的糖溶液在模擬冰淇淋凍結(jié)溫度下的冰晶體結(jié)構(gòu)，比較其冰晶體尺寸大小的不同，篩選出添加量為15%的麥芽糖醇形成的冰淇淋冰晶最小。另外，糖分子在生長(zhǎng)晶體表面的擴(kuò)散速度也會(huì)對(duì)冰晶的生長(zhǎng)速度產(chǎn)生影響。此外，甜味料還可以通過(guò)限制液-固界面水的擴(kuò)散速度來(lái)抑制冰晶的生長(zhǎng)速度[8,48]。Klinmalai 等[49]與Sei 等[50]的研究都表明，與蔗糖相比，添加了海藻糖的冰淇淋可以更大程度地延緩冰晶的生長(zhǎng)。以上研究表明，蔗糖和糖醇等對(duì)冰淇淋混合物的冰晶體再結(jié)晶有一定的抑制作用，不同的甜味料的分子結(jié)構(gòu)和分子量不同，其形成的糖溶液在冷凍濃縮基質(zhì)中的水遷移率不同，使得冰晶體再結(jié)晶的抑制能力也不同。

2.4 蛋白質(zhì)對(duì)冰晶體的抑制作用

蛋白質(zhì)對(duì)冰晶體有一定的抑制作用。在冰淇淋配方中，常用的蛋白質(zhì)包括酪蛋白、乳清蛋白、大豆分離蛋白、膠原蛋白、冰結(jié)構(gòu)蛋白等[51]。由于蛋白質(zhì)一般都為大分子量物質(zhì)，會(huì)比其他溶質(zhì)擴(kuò)散得更慢，這可能會(huì)干擾冰結(jié)晶時(shí)晶格的形成[28]。如Liu 等[52]通過(guò)冷凍顯微鏡觀(guān)察研究了不同比例的乳清蛋白和大豆蛋白混合物的保水性及其對(duì)蔗糖溶液冰晶尺寸的影響。當(dāng)乳清蛋白與大豆蛋白混合物的比例為3:7 時(shí)，具有較高的持水能力，形成的冰晶面積為79.49 μm2，平均直徑為8.61 μm，表現(xiàn)出較好的冰晶體抑制作用。原因是在較高溫度的作用下，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生變性并形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，使得冰晶生長(zhǎng)過(guò)程中的未凍結(jié)相濃度增加，并且通過(guò)空間位阻和持水性來(lái)減緩水的流動(dòng)，從而抑制冰晶體的生長(zhǎng)[26]；Lomolino 等[6]研究了添加功能性乳蛋白和穩(wěn)定劑、馬鈴薯蛋白和穩(wěn)定劑、菊粉和穩(wěn)定劑、僅添加穩(wěn)定劑以及不添加穩(wěn)定劑和蛋白的冰淇淋在為期14 d 的溫度波動(dòng)下的冰再結(jié)晶現(xiàn)象。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度波動(dòng)的作用下，冰淇淋會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，使得所有樣品的冰晶大小和形狀都發(fā)生改變。其中，添加功能性乳蛋白和穩(wěn)定劑的冰淇淋的平均冰晶尺寸和標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于其他樣品，形成了均勻的小晶體，溫度波動(dòng)前后平均冰晶尺寸僅增加1.7 倍，而僅添加穩(wěn)定劑的冰淇淋形成了非均勻的晶體，這證明了功能性乳蛋白的存在有利于冰晶的均勻生長(zhǎng)并且對(duì)冰再結(jié)晶現(xiàn)象有一定的抑制作用。

此外，冰結(jié)構(gòu)蛋白是一種廣泛存在的活性蛋白，分為抗凍蛋白和冰成核蛋白。冰結(jié)構(gòu)蛋白的作用是與冰晶表面結(jié)合，導(dǎo)致冰面微彎曲，改變冰晶的形態(tài)，使得冰晶表面積增加，防止體系形成大的冰晶，進(jìn)而阻礙冰晶生長(zhǎng)[53-55]。具體機(jī)制見(jiàn)圖4。

圖4（a）為冰結(jié)構(gòu)蛋白吸附在生長(zhǎng)抑制的冰晶表面，導(dǎo)致其局部彎曲。圖4（b）為冰結(jié)構(gòu)蛋白對(duì)冰再結(jié)晶的抑制機(jī)制。不規(guī)則形狀六邊形為單個(gè)冰晶，在沒(méi)有冰結(jié)構(gòu)蛋白的情況下，由于水越過(guò)晶界遷移到較大的冰晶，較小的冰晶將消失，這被稱(chēng)為冰再結(jié)晶。冰結(jié)構(gòu)蛋白在晶界處結(jié)合到冰晶表面，抑制了冰再結(jié)晶中水的運(yùn)動(dòng)。Regand 等[56]利用顯微鏡研究了溫度波動(dòng)下含有冬小麥草提取物的冰結(jié)構(gòu)蛋白在冰淇淋漿料中的冰再結(jié)晶現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含有冬小麥草提取物的冰結(jié)構(gòu)蛋白可以抑制冰淇淋中的冰晶生長(zhǎng)，冰再結(jié)晶率顯著降低。因?yàn)樵趦鼋Y(jié)過(guò)程中，冰結(jié)構(gòu)蛋白會(huì)從本體溶液遷移到晶體界面，定向形成合適的構(gòu)象，然后在冰晶表面周?chē)鷶U(kuò)散，找到合適的位置后與冰晶格融合，阻止水向冰表面的移動(dòng)，從而抑制冰的再結(jié)晶現(xiàn)象。以上研究表明，冰淇淋中常用的蛋白質(zhì)以及冰結(jié)構(gòu)蛋白會(huì)干擾冰結(jié)晶時(shí)晶格的形成，從而限制冰晶的生長(zhǎng)，抑制冰晶的再結(jié)晶。

3 新興技術(shù)

目前，一些新興冷凍技術(shù)的興起，包括超聲波輔助冷凍技術(shù)、磁場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)、高壓輔助冷凍技術(shù)和電場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)等，通過(guò)不同的原理影響著冷凍產(chǎn)品在凍結(jié)時(shí)冰晶的形成過(guò)程，減少平均晶體尺寸，為解決冰淇淋冰晶體再結(jié)晶難題提供了理論和技術(shù)參考。

3.1 超聲波輔助冷凍技術(shù)

超聲波輔助冷凍是近些年用來(lái)通過(guò)減少冰晶尺寸和加速冷凍過(guò)程來(lái)控制結(jié)晶的新興技術(shù)之一[57-58]。超聲波指頻率高于20 kHz，高于人類(lèi)聽(tīng)力閾值的高頻聲波，其傳播介質(zhì)有固體、液體、氣體和固熔體等[59-60]，超聲波輔助冷凍技術(shù)是將冷凍技術(shù)和超聲波處理技術(shù)相結(jié)合的一種新型冷凍技術(shù)，主要利用的是超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的超聲效應(yīng)，包括空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，并且作用于冷凍過(guò)程時(shí)去除潛熱的相變階段，從而影響冰晶核的形成以及冰晶胚的生長(zhǎng)，提高食品冷凍過(guò)程的速度，因而達(dá)到改善食品冷凍品質(zhì)的目的[61]。此外，超聲波輔助冷凍技術(shù)還可以將大冰晶破碎成更小的碎片，并將它們從傳統(tǒng)的樹(shù)枝狀變?yōu)椴煌?lèi)型的柱狀，對(duì)組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的損傷[62]，從而達(dá)到抑制冰晶體再結(jié)晶的目的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域，如冰淇淋、蔬菜、面團(tuán)和水果等[59]。如Zheng 等[63]發(fā)現(xiàn)在冰淇淋的制作過(guò)程中，應(yīng)用超聲波可以避免冰淇淋表面結(jié)皮和堅(jiān)硬，原因可能是超聲波在冰淇淋介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)，從而引起冰淇淋的快速傳熱和冰晶破碎。Mortazavi 等[64]和Akdeniz 等[65]都發(fā)現(xiàn)在冰淇淋的冷凍過(guò)程中應(yīng)用超聲波可以達(dá)到減小冰晶尺寸和縮短冷凍時(shí)間的效果，從而提高冷凍效率。由于冰淇淋的冰晶大小決定冰淇淋的品質(zhì)，并且冰淇淋中的小冰晶是通過(guò)快速冷凍形成的。因此，超聲波輔助冷凍是一種很有前途的新興技術(shù)，可以通過(guò)縮短冷凍時(shí)間來(lái)快速冷凍，并且產(chǎn)生的空化效應(yīng)會(huì)使冰晶體破碎，從而可以達(dá)到減小冰晶尺寸的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，由于超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，因此，可以通過(guò)測(cè)定不同介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)研究適用于不同樣品的超聲功率與超聲時(shí)間。

3.2 磁場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)

磁場(chǎng)會(huì)影響水的性質(zhì)，如表面張力和粘度、電磁性質(zhì)如介電常數(shù)和電導(dǎo)率、熱力學(xué)性質(zhì)如汽化焓等。應(yīng)用磁場(chǎng)后，水的動(dòng)態(tài)性質(zhì)如擴(kuò)散系數(shù)和分子中的氫鍵結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化[66]。磁場(chǎng)輔助冷凍是一種新興的輔助冷凍技術(shù)，主要利用在冷凍過(guò)程中施加外部磁場(chǎng)，以此來(lái)提高冷凍食品的過(guò)冷度，從而抑制食品中冰核的形成，并加快冷凍速率，以達(dá)到減少冷凍對(duì)食品產(chǎn)生損害的目的[67]。王鵬飛等[68]將磁場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)應(yīng)用于含水量高的果蔬類(lèi)食品中，得到體系中的過(guò)冷度降低、相變過(guò)程的持續(xù)時(shí)間減少、冰晶尺寸減小等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)為磁場(chǎng)的作用使得水分子及其團(tuán)簇產(chǎn)生一個(gè)附加磁矩，擾亂了樣品自身的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致樣品自由擴(kuò)散的能力下降，進(jìn)而抑制樣品中冰晶的生長(zhǎng)。Toledo 等[69]研究磁場(chǎng)對(duì)液態(tài)水的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁場(chǎng)處理后，水分子內(nèi)和水分子間的不同氫鍵網(wǎng)絡(luò)之間存在競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致較大的水分子團(tuán)簇簇間的氫鍵作用減弱，形成簇內(nèi)氫鍵作用更強(qiáng)的較小水分子團(tuán)簇，使得擴(kuò)散系數(shù)降低，導(dǎo)致自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，從而對(duì)冰晶產(chǎn)生一定的影響。以上研究表明，磁場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)可以加快水的凍結(jié)速率，得到均勻細(xì)小的冰晶。這為研究含水量高的冰淇淋對(duì)冰晶生長(zhǎng)的影響提供了一定的思路，并且磁場(chǎng)的存在會(huì)對(duì)冰淇淋中的微生物產(chǎn)生一定的抑制作用，從而進(jìn)一步提升冷凍效果。

3.3 高壓輔助冷凍技術(shù)

高壓輔助冷凍指樣品在恒定壓力下進(jìn)行冷凍，同時(shí)將溫度降至冰點(diǎn)以下，該過(guò)程除了在高壓下進(jìn)行外，其他條件與傳統(tǒng)的大氣條件相同[70]。高壓輔助冷凍技術(shù)的原理是施加高壓后，液態(tài)水的凝固點(diǎn)可以大幅度降低至0 ℃以下，釋放壓力之后，樣品可以獲得較高的過(guò)冷度，在整個(gè)樣品體積內(nèi)可瞬時(shí)形成均勻分布的小冰晶，從而對(duì)樣品的冰晶形成過(guò)程產(chǎn)生影響[71]。Fernandez 等[72]利用高壓輔助冷凍技術(shù)冷凍含有穩(wěn)定劑與不含穩(wěn)定劑的蔗糖溶液，發(fā)現(xiàn)蔗糖溶液凍結(jié)后的冰晶尺寸變小。并且在常溫下易形成凝膠狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑如刺槐豆膠和黃原膠的混合物通過(guò)高壓輔助冷凍技術(shù)使得凝膠效應(yīng)加強(qiáng)，從而限制水分子的擴(kuò)散和冰晶的生長(zhǎng)，使得溶液中的冰晶尺寸變得更小。高壓輔助冷凍的優(yōu)勢(shì)在于壓力瞬間釋放，整個(gè)樣品的結(jié)晶過(guò)程都可以立即發(fā)生，從而在高速率過(guò)程中形成大量冰核，進(jìn)而決定樣品中最終冰晶的形狀、大小和分布[73]。在實(shí)際應(yīng)用中，為了更好地實(shí)時(shí)測(cè)量冰淇淋凍結(jié)的試驗(yàn)過(guò)程，需要精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)條件包括壓力及溫度等。

3.4 電場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)

電場(chǎng)輔助冷凍作為一種控制冰晶的技術(shù)，已被應(yīng)用于食品的冷凍過(guò)程。電場(chǎng)可以分為靜電場(chǎng)和振蕩電場(chǎng)，其中靜電場(chǎng)主要應(yīng)用于冷凍。由于水分子具有偶極結(jié)構(gòu)從而具有強(qiáng)烈的極性，當(dāng)外加電場(chǎng)作用于過(guò)冷水時(shí)，水的偶極極化可以重新排列，從而水分子會(huì)向電場(chǎng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致體系中連接水分子簇的氫鍵變得更強(qiáng)[71,74]，進(jìn)而使得整個(gè)體系的吉布斯自由能降低[75]，成核溫度升高，過(guò)冷度降低以及冰晶成核率的提高[76]。如Wang 等[77]將一種改進(jìn)的高壓靜電場(chǎng)體系應(yīng)用于瓊脂糖凝膠中，結(jié)果表明該體系可以顯著降低凝膠的過(guò)冷度，提高成核速率。此外，隨著靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的增加，冰晶的尺寸逐漸減小。高文宏等[78]研究靜電場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)對(duì)蔗糖溶液中冰晶生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)靜電場(chǎng)能夠抑制水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)從而抑制冰晶生長(zhǎng)。電場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)在冰淇淋凍結(jié)方面的應(yīng)用雖不廣泛，但具有一定的發(fā)展?jié)摿?，可以抑制水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，降低體系的過(guò)冷度，提高冰晶的成核率，減小體系中的冰晶尺寸。

4 結(jié)論

綜上所述，冰淇淋是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定的體系，極易受溫度波動(dòng)的影響，使得體系中的冰晶體微觀(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此，控制冰淇淋在加工、儲(chǔ)運(yùn)和銷(xiāo)售過(guò)程中的冰晶體再結(jié)晶現(xiàn)象意義重大。由于冰淇淋是一個(gè)成分復(fù)雜的體系，冰淇淋原料中所用的乳化劑、穩(wěn)定劑、甜味料和蛋白質(zhì)都對(duì)冰淇淋混合物中冰晶的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，并且不同種乳化劑、穩(wěn)定劑和蛋白質(zhì)間還存在著協(xié)同增效作用，導(dǎo)致冰淇淋體系中冰晶體再結(jié)晶的作用機(jī)理受多種因素相互影響從而很難被闡述清楚。因此，調(diào)整四種冰淇淋原料的用量、研發(fā)出新的原料、將不同種乳化劑、穩(wěn)定劑和蛋白質(zhì)進(jìn)行復(fù)配發(fā)揮其協(xié)同增效作用并且進(jìn)一步研究多種因素之間的相互作用以提高凍結(jié)速率和改善凍結(jié)過(guò)程來(lái)減少冰晶的生成量及大小，降低冰晶對(duì)組織結(jié)構(gòu)的損害是提高冰淇淋品質(zhì)極其有效的方法。此外，雖然目前一些新興技術(shù)，包括超聲波輔助冷凍技術(shù)、磁場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)、高壓輔助冷凍技術(shù)和電場(chǎng)輔助冷凍技術(shù)在冷凍食品方面應(yīng)用廣泛，但是其作用機(jī)理還不夠完善。因此，要獲得組織細(xì)膩、口感較好的冰淇淋，還需要深入研究新興冷凍技術(shù)的原理和工藝參數(shù)及其對(duì)冰淇淋冰晶體再結(jié)晶的抑制作用機(jī)理，或?qū)⒏鞣N新興技術(shù)聯(lián)合使用，將新興冷凍技術(shù)應(yīng)用于冰淇淋冰晶的實(shí)驗(yàn)研究中。在冷凍過(guò)程中，冰晶體再結(jié)晶速率與冰淇淋漿料的導(dǎo)熱系數(shù)及持水能力有一定的相關(guān)性。未來(lái)還可以通過(guò)測(cè)定不同冰淇淋漿料的水分活度及運(yùn)用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)來(lái)測(cè)定冰淇淋漿料內(nèi)自由水的含量，從而得到冰晶體再結(jié)晶與冰淇淋漿料的持水能力之間的關(guān)系，為解決冰淇淋冰晶體再結(jié)晶現(xiàn)象難題提供了理論和技術(shù)參考，使冷凍飲品行業(yè)受益。