冷冻甜点中糖类及替代物的抗冻机制与物性调控：基于分子量和水合数的模型系统研究

推荐：为解决减糖冷冻甜点因糖分减少导致的冰晶控制、质地和融化特性劣化问题，研究人员通过模型系统探究不同抗冻剂（AFAs）浓度、分子量（Mw）及有效水合数（hs）对冰含量曲线、血清相黏度和硬度的影响。研究发现hs与分子量正相关，且高黏度血清相延长融化滞后时间，为优化低糖配方提供理论依据。

　　

冷冻甜点如冰淇淋的诱人口感受益于糖分对冰晶形成和质地的调控，但高糖摄入与肥胖等慢性疾病风险相关。然而，减糖面临巨大挑战：糖不仅通过降低冰点抑制冰晶生长，还能增加血清相黏度（serum phase viscosity）和稳定空气细胞。现有低糖产品常出现储存不稳定、硬度增加、融化缓慢等问题，导致消费者接受度下降。如何通过替代成分同时调控冰晶网络和流变特性，成为食品科学领域的核心难题。

为系统解析抗冻剂的作用机制，研究人员构建了仅含水和抗冻剂的模型系统，通过差示扫描量热法（DSC）测定不同温度下的冰含量，推导出包含有效水合数的冰含量理论方程，并关联血清相黏度、硬度和融化参数。研究发现，抗冻剂的有效水合数与分子量呈正比，且随浓度升高而降低。例如，麦芽糊精（Mw=800 g/mol）的h_s达34.5，而乙醇（Mw=46.5 g/mol）仅7.3。低温下h_s普遍增加，但葡萄糖因氢键特性呈现非单调变化。

关键实验技术
研究采用DSC测定-18°C至-2°C的冰含量，通过理论模型计算h_s；使用流变仪测量血清相黏度（模拟-18°C浓缩相）；质构分析仪量化硬度；标准化融化实验记录滞后时间（lag time）和融化速率。

冰含量与有效水合数
冰曲线显示，低分子量抗冻剂（如乙醇）抑制冰晶效果更强。h_s的温度依赖性表明，低温促进水-溶质氢键形成，但葡萄糖因分子结构特殊性出现反常趋势。

物理特性调控
蔗糖血清相黏度最高（362 mPa·s），但其硬度与葡萄糖（黏度60 mPa·s）无显著差异，表明黏度对硬度的贡献存在阈值效应。融化时间仅与冰含量相关，而滞后时间受血清相黏度显著影响，如高黏度蔗糖样品滞后达20分钟。

热传递机制
核心温度分析揭示，高黏度血清相延缓热量传递，导致融化起始温度（onset temperature）降低。例如，蔗糖样品起始温度达-4°C，而低黏度乙醇样品为0°C。

该研究首次通过理论模型量化了抗冻剂水合数与冰含量曲线的关联，揭示了分子量-黏度-硬度的非线性关系，为低糖冷冻甜点的精准设计提供了新范式。然而，模型系统未包含脂肪、蛋白质等成分，未来需在复杂体系中验证结论。论文发表于《Current Research in Food Science》，通讯作者为Elke Scholten和Guido Sala。