透明质酸分子量对冰淇淋理化性质及流变学特性的影响

《Food Science & Nutrition》：Effect of Hyaluronic Acid Molecular Weight on Physicochemical and Rheological Properties of Ice Cream

　　

本研究评估了不同分子量的透明质酸（hyaluronic acid，HA）对冰淇淋理化性质及流变学特性的影响。冰淇淋配方采用一致的基料，处理组包括含0.3%商业稳定剂-乳化剂复配物的对照样品（IC-C）及4个分别添加0.3%分子量为320 kDa（IC-1）、980 kDa（IC-2）、1550 kDa（IC-3）和2550 kDa（IC-4）透明质酸的处理样品。研究人员对冰淇淋浆料及成品冰淇淋均进行了分析以评估其功能特性。在冰淇淋样品中评估了膨胀率、硬度、粘附性及融化速率，而在浆料中评估了乳化稳定性（以乳析指数表示）及流变学特性（储能模量G′、损耗模量G″及黏度）。实验重复三次。结果表明，透明质酸处理对膨胀率无显著影响（p > 0.05）。然而，透明质酸对质构及流变学特性的影响取决于其分子量。与IC-1及对照组相比，IC-3和IC-4表现出显著更高的硬度（p < 0.05）及更低的融化速率（p < 0.05）。随着透明质酸分子量的增加，乳化稳定性得到改善，表现为21天内乳析指数值降低。流变学分析显示，随着透明质酸分子量的增加，储能模量、损耗模量及黏度均升高。总体而言，在本研究条件下，较高分子量（1550和2550 kDa）的透明质酸改善了冰淇淋的多项测定指标，显示出作为结构化配料的潜力。然而，由于对照配方同时含有稳定剂和乳化剂，本研究结果并不能证明透明质酸可完全替代传统的稳定剂-乳化剂体系。

论文解读

一、研究背景与目的

冰淇淋是世界上最受欢迎的乳制甜品之一，以其细腻的质地、丰富的风味和清爽的口感而备受青睐。然而，高品质冰淇淋的生产面临诸多技术挑战，其中最关键的是在货架期内维持稳定的结构、理想的质构和一致的感官品质。这主要源于冰淇淋本身是一种复杂的部分冷冻乳液体系，包含气泡、脂肪球、冰晶和连续水相。因此，配方设计必须严格控制冰重结晶、融化行为以及冷冻、储存和流通过程中的结构稳定性。

为解决上述问题，多糖类稳定剂被广泛应用于冰淇淋配方中，以控制水分迁移、抑制冰重结晶并改善整体质构。常用的稳定剂如瓜尔胶、卡拉胶、刺槐豆胶和羧甲基纤维素钠（CMC）已被证明能够提高黏度和冻融稳定性。然而，根据其浓度及与其他成分的相互作用，这些稳定剂可能带来不良质构属性，如过度胶黏感。这促使研究者探索能够提供更优功能特性同时保持理想感官品质的替代多糖。

透明质酸（hyaluronic acid，HA）因其高水结合能力而被视为食品体系中潜在的功能性配料。其保水能力有助于提高黏度、改善质构并增强多种食品基质的稳定性。在乳制品中，透明质酸已被报道可增强持水能力并影响结构特性。透明质酸是一种天然存在的线性多糖，由β-1,4-D-葡萄糖醛酸和β-1,3-N-乙酰氨基葡萄糖的重复二糖单元组成，其结构赋予高负电荷密度，使其能够结合大量水分并形成黏性体系。透明质酸功能性的另一重要特征是其取决于分子量（molecular weight，MW）。市售透明质酸的分子量范围从数千道尔顿到超过3000 kDa不等，高分子量透明质酸通常与更高的黏度和更显著的黏弹行为相关，而低分子量透明质酸的结构贡献有限。

目前，美国食品药品监督管理局（FDA）尚未批准透明质酸作为通用食品添加剂用于所有食品类别。但透明质酸已在日本、韩国、中国及欧盟部分地区获准用于食品和功能性产品。尽管透明质酸已在多种乳制品应用中有所探索，但关于其分子量对冰淇淋理化及流变学特性影响的信息仍然有限。因此，本研究旨在评估不同分子量透明质酸作为稳定配料时对冰淇淋理化、流变及质构特性的影响。

二、研究内容与结论概述

研究人员以0.3%商业稳定剂-乳化剂复配物为对照，分别以0.3%不同分子量（320、980、1550和2550 kDa）的透明质酸替代，制备冰淇淋样品。结果表明，透明质酸处理对膨胀率无显著影响，但高分子量透明质酸（≥980 kDa）显著提高了硬度、降低了融化速率、改善了乳化稳定性并增强了流变学特性。其中，1550和2550 kDa分子量的透明质酸在改善冰淇淋多项品质指标方面表现最佳，显示出作为结构化配料的潜力。然而，由于对照配方同时含有稳定剂和乳化剂，而透明质酸处理组未添加乳化剂，本研究结果不能证明透明质酸可完全替代传统稳定剂-乳化剂体系。

三、主要技术方法

研究人员采用以下关键技术方法开展实验：冰淇淋浆料和冰淇淋的制备采用热混合机（thermomixer）混合原料，经85°C、20 s巴氏杀菌后于4°C老化过夜（约12–16 h），再经间歇式冰淇淋机（Vevor，中国）加工15 min制得冰淇淋，于?20°C硬化至少24 h后进行后续分析。乳化稳定性采用乳析指数（creaming index，CI）测定，将50 mL浆料于4°C储存21天，每7天评估相分离程度。流变学特性采用安东帕流变仪（Anton Paar MCR 92，奥地利）配备25 mm平行板几何测量，在4°C下测定储能模量（G′）、损耗模量（G″）及表观黏度。膨胀率通过固定体积容器中浆料与成品冰淇淋的重量差计算。硬度和粘附性采用TA.XT2质构分析仪（Texture Technologies Corp.，美国）进行单轴穿刺测试，使用直径6.35 mm不锈钢球探头，穿刺深度3 mm，样品温度控制在?20°C。融化速率将100 ± 1 g半球形冰淇淋样品置于40目不锈钢丝网上，于25°C恒温箱中测定3小时内每15分钟的累积滴落质量，以融化曲线线性段的斜率计算。统计分析采用Costat 6.303软件，单参数指标使用单因素方差分析（ANOVA），乳析指数采用双因素方差分析，显著性水平为p < 0.05，均值比较采用最小显著差数法（LSD）检验。

四、研究结果

4.1 冰淇淋浆料和冰淇淋制备

在制备和加工过程中未遇到显著困难，但各处理间存在明显差异，主要体现在黏度和老化期间的浆料稳定性方面。IC-C和IC-1样品黏度明显低于其他处理，且老化过程中出现轻微可见分离；其余配方在整个老化期间保持均匀一致性，表明其稳定性更好。

4.2 冰淇淋浆料

4.2.1 浆料样品的乳析指数：所有样品在4°C储存21天内乳析指数均逐渐升高。双因素方差分析显示处理与储存时间之间存在显著交互作用（p < 0.05）。对照组（ICM-C）和ICM-1（320 kDa透明质酸）在第21天乳析指数最高，超过40%，表明储存稳定性较差。ICM-3（1550 kDa）和ICM-4（2550 kDa）的乳析指数显著较低，其中ICM-4在21天后仍表现出极低的乳析现象，表明高分子量透明质酸改善了乳化稳定性。

4.2.2 浆料样品的流变学分析：损耗模量（G″）和储能模量（G′）均随角频率增加而升高，呈现典型黏弹行为。透明质酸分子量与G′和G″值呈明显正相关，ICM-4（2550 kDa）模量最高，其次为ICM-3（1550 kDa）和ICM-2（980 kDa），ICM-1（320 kDa）和对照组（ICM-C）显著较低。随透明质酸分子量增加，浆料黏度也相应增加，ICM-4在整个剪切速率范围内黏度最高，对照浆料（ICM-C）最低。

4.3 冰淇淋分析

4.3.1 膨胀率：所有样品间膨胀率无显著差异（p > 0.05），数值范围为IC-2和IC-3的29.20%至ICM-C的30.86%。所有样品相对较低的膨胀率可能归因于小型间歇式冰淇淋冷冻机对充气效率的限制。

4.3.2 硬度和粘附性穿刺测试：透明质酸分子量对冰淇淋硬度有显著影响（p < 0.05）。对照组（IC-C）和IC-1（320 kDa）的硬度显著低于IC-2、IC-3和IC-4（980、1550和2550 kDa）。IC-2、IC-3和IC-4之间无显著差异，但均显著硬于对照组和IC-1，表明分子量≥980 kDa的透明质酸与更高的硬度相关。所有样品均呈现负粘附值，表明具有内聚行为。尽管IC-2粘附性最高，但处理间无显著差异（p > 0.05）。

4.3.3 融化速率：含高分子量透明质酸的样品，特别是IC-4（2550 kDa）和IC-3（1550 kDa），其融化速率显著低于IC-1（320 kDa）和对照组（IC-C），表明高分子量透明质酸改善了冰淇淋的抗融化和结构稳定性。

五、讨论总结与结论翻译

本研究的总体结果表明，添加不同分子量的透明质酸可显著影响冰淇淋及冰淇淋浆料的理化性质和流变学特性。透明质酸对膨胀率无显著影响，但对硬度、融化速率、乳化稳定性和流变行为等关键品质属性产生积极影响。高分子量透明质酸（≥980 kDa），尤其是2550 kDa，导致硬度和黏度增加、融化速率降低及乳析指数值降低，表明结构完整性、热稳定性和乳化稳定性得到改善。流变学分析证实透明质酸分子量与储能模量、损耗模量及表观黏度之间存在强正相关，表明高分子量透明质酸处理组形成了更稳定和内聚的基质。

本研究的一个关键局限性在于对照与透明质酸处理组之间的配方差异。对照含有稳定剂-乳化剂复配物，而透明质酸处理组未添加乳化剂。因此，该比较不能单独分离稳定剂类型的影响，观察到的差异可能部分源于透明质酸体系中乳化剂的缺失。因此，研究结果不应被解释为与传统稳定剂-乳化剂体系的直接等同或完全替代。需要进一步开展匹配乳化剂体系的研究，并结合微观结构和感官分析，以确定透明质酸完全替代的潜力。

结论：本研究证明透明质酸对冰淇淋理化及流变学特性的影响取决于其分子量。虽然未观察到对膨胀率的显著影响，但较高分子量的透明质酸（≥980 kDa）与硬度增加、融化速率降低、乳化稳定性改善及流变学特性增强相关。高分子量透明质酸（特别是1550和2550 kDa）改善了所测冰淇淋配方的多项指标，可能作为冷冻乳制甜品体系中的结构化配料或部分替代成分具有潜力。然而，由于对照配方同时含有稳定剂和乳化剂，这些结果不能证明可完全替代传统稳定剂-乳化剂体系。需要进一步开展包含等效配方体系和额外结构分析的研究，以更好地理解透明质酸在冰淇淋应用中的作用。