乳清蛋白凝胶颗粒作为清洁标签Pickering稳定剂在冷冻酸奶中的功能评价及产品优化

《Journal of Dairy Science》：Whey protein gel particles as clean-label pickering stabilizers in frozen yogurt

　　

研究人员评估了乳清蛋白凝胶颗粒（whey protein gel particles）作为冷冻酸奶中合成稳定剂替代物的清洁标签（clean-label）方案。选择冷冻酸奶作为模型体系，是因为其低脂含量和酸性pH值对维持稳定泡沫（foam）和乳液（emulsion）结构构成挑战。将乳清蛋白凝胶颗粒掺入混合料中，改善了空气掺入量（overrun）、泡沫稳定性（foam stability）和脂肪球粒径（fat globule size）的调控，从而降低融化速度并增强产品稳定性。感官评价（sensory evaluation）显示，甜度和酸奶风味未发生改变；然而，可感知到纸板味（cardboard flavor）和涩感（astringency），这为未来配方优化提供了方向。

论文解读

冷冻酸奶作为低脂冷冻乳制品，既需保持冰淇淋般的质构，又需承载酸奶的酸味和健康形象。其低脂肪含量减少了传统冰淇淋中脂肪网络对空气细胞的结构支撑，同时较低的pH值使泡沫和乳液体系更易发生排水、聚结和歧化失稳。为获得稳定产品，生产中常依赖合成乳化剂和稳定剂，如单双甘油酯、聚山梨酯80和卡拉胶，但这些成分与当前清洁标签（clean-label，指配料表简短、使用消费者易识别的天然成分）趋势相悖。乳清蛋白浓缩物（whey protein concentrate，WPC）本身是乳制品中常用的可识别原料，但其天然态蛋白难以提供足够稳定的界面膜。通过热处理和pH调控可使乳清蛋白形成凝胶颗粒，并借助Pickering稳定化（Pickering stabilization，即固体颗粒不可逆吸附于油水或气液界面形成机械屏障）提升稳定性。因此，研究人员以冷冻酸奶为模型体系，系统评估WPC凝胶颗粒替代合成稳定剂的效果。

研究人员制备了最终pH分别为4.0、4.5、5.0的WPC凝胶颗粒（P4.0、P4.5、P5.0），以部分替代脱脂奶粉（nonfat dry milk，NDM）的方式加入冷冻酸奶混合料，同时设置NDM对照（CONTROL）和WPC粉末处理组（WPC）。通过测定水相颗粒的起泡性与泡沫稳定性、冷冻酸奶混合料中脂肪球粒径、ζ电位（zeta potential）和流变学特性，再分析成品冷冻酸奶的膨胀率、融化性能及描述性感官属性，将颗粒功能与最终产品表现联系起来。总体结果显示，WPC凝胶颗粒能改善空气掺入、提高泡沫稳定性、增强混合料乳化和黏度，并最终提高冷冻酸奶的膨胀率和抗融性，同时不影响甜味、酸奶风味等关键属性；但也带来可感知的纸板味和涩感。该研究首次从水性颗粒体系一直延伸到冷冻酸奶成品的物理和感官评价，为开发无合成稳定剂的清洁标签冷冻酸奶提供了新依据。

主要技术方法：首先将WPC储备液（12%蛋白，pH 7.0）于85℃加热30 min形成凝胶，经超声破碎后调pH至4.0、4.5或5.0；冷冻酸奶混合料（5.2%脂肪、7%蛋白）含35%酸奶、17.1%稀奶油和16.6%糖，处理组用WPC或颗粒替代部分NDM，经75℃/20 s巴氏杀菌和超声均质。使用打泡器生成泡沫，以膨胀率和排水量评价起泡性及泡沫稳定性；用Mastersizer 3000测定粒径，Zetasizer Nano ZS测定ζ电位，Kinexus流变仪测定黏度并以Power Law模型拟合。成品用批式冷冻机制备，测定膨胀率、诱导时间和滴漏速率。描述性感官分析（descriptive sensory analysis，DA）由9名训练面板成员（n=9，6女3男，年龄20–26岁）完成，样本来自美国密苏里大学，研究获该校伦理审查委员会批准。

研究结果如下。

**WPC凝胶颗粒表征**：粒径测定显示三种颗粒均为双峰分布，主峰占比超过77%，D_[3,2]分别为P4.0 18.1±0.23 μm、P4.5 12.5±0.83 μm、P5.0 20.0±1.06 μm，P4.5显著小于其他两种。打泡结果显示三种颗粒的膨胀率无显著差异（132–190%），但泡沫稳定性随pH不同而显著变化：P4.0最稳定，60 min内无排水；P5.0最差，20 min排水率达30±7.1%。说明凝胶颗粒最终pH显著影响其界面稳定性。

**冷冻酸奶混合料表征**：脂肪球粒径测定中，CONTROL呈多峰分布并出现约100 μm的大颗粒，表明乳液明显失稳；含WPC凝胶颗粒的混合料均呈单峰分布，D_[4,3]降至14.8–16.9 μm，乳化性能大幅改善。ζ电位方面，CONTROL为?9.14±0.43 mV；YP4.0和YP4.5的负电荷显著降低，YP5.0与CONTROL相近，这与混合料pH接近酪蛋白等电点（isoelectric point，pI）约4.6有关。流变结果显示，所有混合料均呈剪切变稀行为（n<1），含颗粒处理的稠度系数K值显著升高、流动指数n显著降低，黏度增加。起泡能力实验中，CONTROL的膨胀率仅为5±0%，YP4.0、YP4.5、YP5.0分别达到62.5±10.1%、95.0±7.1%、118±3%，显著改善。泡沫稳定性实验中，CONTROL在20 min内排水超过80%；YP5.0最稳定，40 min内无排水；YP4.5次之，10 min内无排水；YP4.0在5 min后即开始排水。混合料中的稳定性排序与单一颗粒体系不同，提示脂肪球乳化状态和最终pH共同影响泡沫稳定。

**冷冻酸奶成品表征**：成品膨胀率测定中，CONTROL仅为13.4±1.0%，WPC为20.3±2.6%，FYP4.5和FYP5.0分别达到25.3±4.5%和31.1±1.8%，凝胶颗粒处理显著提高空气掺入量。融化性能方面，CONTROL的诱导时间为12.2 min，WPC为9.18 min，两者无显著差异；FYP4.5和FYP5.0分别为19.6 min和27.7 min，显著延长；滴漏速率从CONTROL的0.53 g/min降至FYP4.5和FYP5.0的0.08 g/min，抗融性显著增强。描述性感官分析中，含凝胶颗粒的样品光泽度和白度降低，硬度和咀嚼性升高，冰感和奶油感无显著差异；甜味、酸奶风味及其后味均未发生显著变化，但FYP5.0的纸板味显著增强，FYP4.5的纸板后味最高，两种颗粒处理的涩感均显著高于对照，这可能与热处理引起的WPC氧化和蛋白变性暴露疏水残基有关。

讨论与结论：研究人员指出，单一水相中WPC凝胶颗粒的起泡行为并不能完全预测其在冷冻酸奶混合料中的表现，说明乳化状态、pH和颗粒-脂肪球相互作用具有重要作用。连续相黏度增加和Pickering界面吸附是产品稳定性改善的关键机制，但黏度并不能解释所有观察结果，颗粒尺寸、ζ电位和pH同样影响泡沫稳定性。风味缺陷提示可通过优化加热温度、pH或对WPC进行脱酰胺处理来减轻。翻译研究结论如下：本研究首次将乳清蛋白浓缩物凝胶颗粒在水相中的功能特性与冷冻酸奶混合料及成品的物理和感官性质联系起来。WPC凝胶颗粒增强的起泡性转化为冷冻酸奶混合料中更好的乳化、更高的连续相黏度和更强的泡沫稳定性，尽管仅凭水相行为并不能持续预测最终表现，凸显了乳化和pH的重要性。加入WPC凝胶颗粒提高了膨胀率并改善了抗融性，诱导时间较对照最多延长2.3倍，滴漏速率降低约85%，主要归因于连续相黏度增加和Pickering稳定化。关键风味属性未受影响，但纸板味、纸板后味和涩感增加，可能源于WPC的热诱导改性。未来研究应重点关注消费者尺度感官评价、储存和微结构稳定性以及WPC凝胶颗粒的放大生产。