冰淇淋口感的关键：微观结构优化

生产冰淇淋的要素之一是调节空气的含量，以膨胀体积计算，即混入的空气相对于初始混合物的体积分数。在搅打过程中混入空气和保持空气的能力显然是一个重要的经济考虑，其稳定性质是至关重要的。一般来说，越贵的冰淇淋膨胀体积越小。空气通常是在冷冻阶段于冷冻仓内利用搅打器混入到冰淇淋中。

冰晶的生长和冰晶的稳定性是冰淇淋口感的关键因素。通常，较快的冷却速率产生较小的结晶，通过刮板冷却表面的物理破坏作用将进一步减小冰晶的大小，因此提高了产品的细腻程度。在冰淇淋的初始冷冻阶段，冰晶没有完全形成，需要在较低温度下硬化一段时间，使其最大程度地生长。任何溶质的冷却过程都产生了两相：晶体冰相和“无定形”共晶相。冰和共晶之间的平衡随溶液中溶质的浓度和贮藏温度的变化而变化。当冰晶发生时，共晶相浓度增加，共晶相的黏度增加，结晶的形成速率减小。正是这个原因，在初始冷冻阶段的形成是不完全的，需要经过硬化阶段以达到冰相和共晶相两相的平衡。

一般来说，冰淇淋应贮藏在-18℃或更低的温度下，以使冰相和共晶相达到最佳的平衡状态。冰淇淋中可溶性总固形物应在24～27g/100g，这类固形物通常来自糖、非脂乳固形物（包括蛋白质、乳糖以及矿物质和维生素）和其他的功能性配料（如稳定剂、乳化剂和冷冻改良剂），它们决定了冰淇淋配方的平衡性。在测定混合物中非脂乳固形物与糖的比例时，需要考虑乳糖结晶的问题，乳糖比多数糖更易结晶，会引起最终冰淇淋产品的“起砂”问题。冰淇淋既要求溶质的平衡，也要求糖和脂肪的平衡。

冰淇淋生产中关键结构是冰晶、气泡、脂肪滴和酪蛋白微粒。一般来说，观察样品冰晶时需要处于冷冻状态。Berger和White报道了用于研究冰晶大小的一种在-14.4℃戊醇和煤油混合物中制作的冰淇淋软标本[图3-16（1）]。光学显微镜利用偏振光可以区分冰晶和糖的结晶，如乳糖晶体。Chang和Hartel在研究中也使用了该技术，使标本升温至-6℃，从而允许气泡上升到载玻片的顶部，通过调焦可以辨别出来。冰淇淋可在低温箱内切片，在显微镜上用低温镜台观察，这种方法在一定程度上比简单的软标本更易控制，但是在切片时冰晶可能会破裂。图3-16（2）为冰淇淋在低温下的剖面图。

图3-16 低温镜台光学显微镜显示的冰淇淋中的冰晶

（1）戊醇-煤油中的软标本；（2）冰淇淋的低温剖面图

注：切片的冰淇淋使单个结晶更分散，在冰晶中也有一些破裂的痕迹。

扫描电镜（SEM）或低温扫描电镜（cryo-SEM）也可以用于冰淇淋的分析，并已成为一种最通用的研究冰淇淋微观结构的方法。图3-17为低温扫描电镜制作的一个典型显微镜图；可以分辨出气泡和冰晶，让冰晶在包埋和分析前升华，能得到冰晶基质的其他信息。脂肪滴的分布可以在生产过程中用光学显微镜研究，这样可以研究不同均质压力、乳化剂和稳定剂的影响。图3-18所示为冰淇淋乳化液的一个典型光学显微镜图。

图3-17 低温扫描电镜分析得到的冰淇淋全视图

注：i代表冰晶间的桥接区域；白色箭头指示冰晶间的一个桥接；黑色箭头指示较小的冰晶。

图3-18 冰淇淋乳化液的光学显微镜图

然而，Berger和White指出冰淇淋中有一部分脂肪滴比在光学显微镜下看到的要小，他们用电镜研究了这种分布的细节。在这种情况下，利用冷冻蚀刻制备透射电镜分析用的标本，这种方法可以显现较小的脂肪滴和酪蛋白微粒，图3-19为一个典型的冷冻蚀刻透射电镜图。

图3-19 冰淇淋的冷冻蚀刻标本的透射电镜图

（1）冰晶i和气泡a的全视图；（2）气泡与脂肪滴被膜脂肪f和共晶相中的酪蛋白微粒c的详细视图

另一种制备透射电镜样品的方法是薄切片。就冰淇淋来说，这要求用冷冻置换法使标本缓慢地脱水和维持低温深入树脂（图3-20）。一般来说，这个过程需要几天时间使样品缓慢地从-20℃升温至0℃。这项技术是由Goff提出的，也被Garcia-Nevarez等用于研究使用超滤乳生产的冰淇淋，这项技术特别适用于观察酪蛋白微粒和空气-共晶界面的性质。

冷冻置换技术也可被用于制备光学显微镜切片（图3-21），Lewis阐述了在冷冻置换过程中如何用荧光染料浸润标本和用共焦光学显微镜分析树脂包埋的样品提供冰淇淋的三维视图，这在测定冰淇淋熟化时冰晶间的连接非常有用。另外，Smith等报道了冰淇淋显微镜技术的详细内容。(www.xing528.com)

图3-20 薄切片冷冻置换冰淇淋的透射电镜图

（1）气泡A、冰晶I和蛋白质内含物P的全视图；（2）酪蛋白微粒c和乳脂肪球f的局部视图

图3-21 冷冻置换冰淇淋切片的光学显微镜图

注：可见长大冰晶（箭头所示）和冰晶的总体分布。

利用上述技术，已经吸引了大量投资进入冰淇淋技术的开发中，冰淇淋结构和功能的相关内容可在Marshall和Arbuckle以及Marshall的综述中找到。

一般来说，食品显微镜方法在20世纪早期就已经建立起来，冰淇淋的早期研究探索了冰晶生长和冰淇淋感官评价之间的关系。概括来说，在冰淇淋贮藏过程中温度波动致使冰晶生长，如果长成较大的冰晶，那么产品的“冰冻性”增加。通过观察冰晶的生长已经研究了稳定剂对这个过程的影响，Barford报道了此种方法的一个实例。低温扫描电镜更详细的观测表明，冰晶生长的中间过程更复杂，可能包括冰晶在冰淇淋中通过“点熔接”连接单个冰晶形成的网状结构中的一种“黏结”结构的形成。图3-22为这些特征。冰晶的生长最终致使气泡结构的收缩和塌陷，图3-23为塌陷冰淇淋的低温扫描电镜图。

气泡稳定性是显微镜方法协助控制冰淇淋功能性的另一个方面。总体上，吸附到空气界面上的蛋白质促进和维持泡沫的形成。Zhang和Goff用免疫金标记技术追踪β-酪蛋白和β-乳球蛋白在空气界面上的存留时间，分析EDTA在酪蛋白微粒解聚中的影响；两位作者还研究了稳定剂在空气界面上对蛋白质的竞争性取代。众所周知，低含量的脂肪是蛋白质泡沫的消除剂，所以冰淇淋中的气泡稳定性取决于混合物脂肪的乳化程度。冷冻蚀刻样品研究表明了游离脂肪的重要性。图3-19所示为在气泡表面的脂肪液滴和游离区域，该研究者提出少量脂肪导致的不稳定性可一定程度上改善冰淇淋风味的释放，但过多时会产生油腻的口感。

图3-22 冰淇淋的低温扫描电镜图

（1）和共聚视图表示出冰晶i间的桥接，a是一个气泡；（2）整体共聚成像可得到单色二维图像不能实现的三维绘图，在三维图像中可以看到连接冰晶的三维基质

图3-23 塌陷冰淇淋的低温扫描电镜图

注：可见大而不规则的空隙V。

在肥胖症和龋齿方面，冰淇淋不是一种健康食品，因此开发了低脂的冰淇淋，并可使用一些代糖（Tharp，2004）。冷冻置换制备样品的共聚显微镜方法被用于研究海藻糖代替蔗糖的效果（Bannatyne，2001），图3-24是一组蔗糖替代率为50%和100%的冰淇淋的结构变化。这些图表明海藻糖取代后产生一种共晶相被冰晶破坏程度更高的结构，包括-20～-2℃的温度下进行加载/渗透试验，表明蔗糖冰淇淋比海藻糖取代的样品在升温时软化得更快。

图3-24 用海藻糖、50 ∶50海藻糖和蔗糖混合物和蔗糖制作的冷冻置换冰淇淋的共聚焦显微镜视图

（1）海藻糖；（2）50:50海藻糖和蔗糖混合物；（3）蔗糖

注：随着海藻糖含量的增加其对共晶相有更强的破坏。