高压加工对工匠冰淇淋混合物流变学和物理性质的影响

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Effects of High-Pressure Processing on Rheological and Physical Properties of Artisanal Ice Cream Mixes

　　

高压加工（HPP）是一种非热技术，作为传统热处理的温和替代方案，越来越多地应用于食品系统。本研究调查了HPP（600 MPa，300秒）对三种成分不同的液态冰淇淋混合物（gelato mixtures）的流变学、物理和热性质的影响：两种水基配方（柠檬和芒果）和一种乳基配方（开心果）。通过振荡幅度测试和温度扫描分析进行流变学表征，以评估混合物的粘弹性行为和结构稳定性。使用差示扫描量热法（DSC）评估与冰结晶和熔化行为相关的热转变。通过膨胀率（overrun）、质构参数和抗融化性评估所得冰淇淋的物理性质。HPP处理未对水基配方的流变学或物理性质引起显著改变。相反，开心果混合物在结构性质上表现出显著变化，表明压力诱导的乳蛋白和脂肪球的重排。这些结构修饰反映在最终产品中，表现出增强的融化稳定性（在20°C下30分钟后平均重量损失减少88.49%）和改善的机械抵抗力（HPP处理的开心果样品具有更高的硬度值以及模量G′和G″的交点向更高应变百分比移动）。本研究提供了关于调控冰淇淋系统中压力诱导修饰的成分因素及其技术意义的见解。研究结果强调了高压加工应用于冰淇淋生产过程的潜力，以通过延长液态混合物的保质期并实现改善的安全性和质量保持来优化手工冰淇淋生产。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

冰淇淋是一种复杂的多相胶体食品系统，包含空气泡、冰晶和脂肪滴悬浮在糖溶液中。手工冰淇淋（artisanal gelato）与普通冰淇淋不同，通常使用新鲜原料、天然香料，并含有较低脂肪和总固形物，但糖含量较高，生产工艺为间歇式，涉及成熟时间和批量冷冻机，导致较低膨胀率（overrun）和更浓密质地。传统巴氏杀菌常用于未加风味原料的液态冰淇淋基料，但高温可能损害热敏成分（如水果风味）。因此，需要一种替代技术来延长液态冰淇淋混合物的保质期，同时保持营养和感官品质。高压加工（HPP）作为一种非热保藏技术，通过破坏非共价键和微生物细胞膜来灭活营养体微生物，且不引起热损伤。本研究旨在应用HPP（600 MPa，300秒）处理三种不同配方的液态冰淇淋混合物（柠檬、芒果为水基，开心果为乳基），评估其对流变学、物理和热性质的影响，并探索其作为延长保质期和优化手工冰淇淋生产过程的潜力。论文发表在《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》。

**主要技术方法**

研究人员采用以下关键方法：使用AV-50X HPP装置（Avure Technologies）对真空包装样品进行600 MPa、300秒处理，处理温度4°C；流变学测量使用Discovery Hybrid流变仪（TA Instruments）进行振荡幅度测试（应变扫描范围2×10^?4%至10³%，角频率10 rad/s，温度?20°C）和温度斜坡分析（从?20°C升温至+15°C，速率1°C/min，应变5×10^?4%）；差示扫描量热法（DSC）使用Setaram DSC 131 EVO，在?50°C至+20°C范围内以2°C/min速率进行两次测温程序，以获取玻璃化转变温度（Tg）和熔化焓（ΔH）；质构分析使用TA-XT2质构仪（Stable Micro Systems）以0.5 cm直径探头穿透50%体积深度，速率0.1 cm/s，得到硬度值（N）；融化速率测定在20°C下，每15分钟测量圆柱形冰淇淋样品（直径5 cm，高2 cm）通过网筛的滴落重量，持续1小时；膨胀率通过比较固定体积容器中液态混合物与最终冰淇淋的重量计算。原料来源：芒果来自Il Filo Tropicale（意大利），柠檬来自Cooperativa Agricola La Torre（意大利），开心果酱和稳定剂来自Fugar Produzione S.p.a.。冰淇淋制备在Cappadonia Gelati S.r.l.工厂进行。

**研究结果**

**3.1 质构、膨胀率和融化速率分析**
通过质构分析、膨胀率测定和融化速率测试，研究人员发现：柠檬和芒果冰淇淋的HPP处理组（HP）与对照组（C）在融化速率上无显著差异；但开心果冰淇淋的HP样品表现出显著更低的融化速率，尤其在30分钟时重量损失减少88.49%（平均），且硬度值更高（P-HP-T0:20.55 N vs P-C-T0:18.18 N，P<0.01），表明HPP处理增强了乳基系统的结构稳定性。膨胀率方面，开心果HP样品在T0和T7时膨胀率较低（如T0:18.48% vs 28.31%），归因于HPP引起的蛋白质和脂肪球网络变化抑制了空气捕获能力；而芒果和柠檬HP样品膨胀率高于对照组（如芒果T0:17.12% vs 16.31%，柠檬T0:25.02% vs 18.35%），分别与芒果果胶的HPP诱导溶解和柠檬酸性条件下水胶体相互作用增强有关。

**3.2 粘弹性性质**
通过振荡幅度分析，研究人员发现：开心果冰淇淋所有样品均表现出类凝胶行为（G′ > G″），且HPP处理样品的交叉点（G′和G″逆转处的应变%）向更高应变值移动（如P-HP-T0:0.45% vs P-C-T0:0.35%），表明HPP增强了结构抵抗变形的能力，与质构和融化稳定性结果一致。温度斜坡分析显示，开心果样品在?12°C左右模量开始下降，轴向力在?5°C时崩溃，HPP处理样品在储存期间（T0至T15）始模量从约10⁵ Pa增至10⁶ Pa，归因于脂肪和蛋白质分子网络的时间依赖性增强。芒果冰淇淋在T0时表现为液态行为（G″ > G′），T7时HPP样品转为固态行为（G′ > G″）且交叉点应变更高（3.02% vs 0.87%），但T15时对照组回归液态行为，而HPP样品保持固态，表明HPP提高了芒果混合物的结构稳定性，可能与果胶的作用有关。柠檬冰淇淋在所有阶段均表现为液态行为（G″ > G′），但模量随储存时间增加（从<10⁵ Pa增至约10⁶ Pa），归因于储存期间相分离导致冰晶更大或更连通，HPP处理未引起显著差异。

**3.3 差示扫描量热法**
通过DSC分析，研究人员发现：开心果样品的热谱图显示多个吸热峰，对应不同成分的熔化。统计双因素方差分析表明，HPP处理显著降低了开心果冰淇淋的熔化焓（ΔH）（HP:134.99 J/g vs C:162.38 J/g，P<0.05），且储存时间也显著影响ΔH，表明HPP改变了蛋白质网络和脂肪球结构，减少了冻结水含量，从而提高了融化稳定性。柠檬和芒果冰淇淋的ΔH和Tg在处理和储存时间上均无显著差异，与流变学和质构结果一致。第二次测温程序（熔化后重新冷冻）显示所有样品均无显著差异，表明HPP主要影响初始结构而非成分相互作用。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，HPP处理对水基配方（柠檬和芒果）的物理性质影响有限，但对乳基配方（开心果）产生显著的结构修饰，包括蛋白质部分变性、脂肪球尺寸减小或再聚集，以及蛋白质膜在油水界面上的吸附增强，从而改善了乳化能力和融化稳定性。这些变化在HPP处理后的开心果样品中表现为更高的硬度、更低的融化速率和更宽线性粘弹区（LVR）。HPP处理对芒果样品的影响可能通过果胶溶解和粘度增加实现，而对柠檬样品的影响则通过酸性条件下水胶体相互作用增强膨胀率。DSC结果进一步证实了开心果系统中网络结构的改变。

结论（翻译自原文）：HPP可以是延长冰淇淋混合物保质期的可行工具（如另一篇未发表的论文中的微生物和感官结果所证实）。柠檬和芒果冰淇淋（水基）在结构方面未显示显著差异，而经HPP处理的开心果冰淇淋（乳基）相对于对照组表现出结构性质的改善，这是由于处理对混合物化学成分的影响。因此，这种冷巴氏杀菌技术有助于优化手工冰淇淋的生产过程，在不显著改变水果基冰淇淋物理性质的前提下，增强乳基产品的融化稳定性。