稀奶油：流体特性、质构特性和表观黏度

稀奶油是以乳为原料，分离加工制成的脂肪含量为10.0%～80.0%的产品。稀奶油常作为蛋糕裱花或乳化剂等应用在面包、蛋糕等焙烤食品行业。稀奶油在搅打前主要表现是流体特性，搅打后成了半固体，表现为流变特性或者质构特性。食品流变特性是食品在力的作用下表现出来的弹性力学和黏性等流体力学的性质，对食品运输、传送、加工、货架期以及食品口感都起着非常重要的作用，特别是食品在加工过程中，通过对食品流变学特性的研究，不仅可以了解其结构的变化规律，还可以间接的监控食品质量的稳定性。近年来，很多研究者对搅打稀奶油流变学特性进行了研究，Camacho等研究了角豆胶和γ-卡拉胶对奶油流变学特性的影响，发现当胶质量分数为0～0.1%时对奶油冻融过程具有良好的保护性。Kristensen和Ihara K K发现乳制品的搅打特性和流变学特性随温度、浓度等物理状态变化而变化，如温度可影响稀奶油脂肪聚集率和气泡的大小。市场上常用的稀奶油中脂肪的质量分数为35%～40%，属于非牛顿流体中假塑性流体，其在15℃下的表观黏度随剪切速率增大而减小，且越来越趋于平缓（图3-25）。

图3-25 稀奶油表观黏度随剪切速率的变化图

刘洁研究了剪切速率、温度以及盐离子浓度对稀奶油黏度的影响。如表3-11所示，盐离子的添加提高了稀奶油的黏度，其中钠离子添加量对稀奶油黏度的改变不显著，而钙离子加入使稀奶油黏度增大，且非牛顿流体系数明显增加（表3-12），原因可能是稀奶油中有大量酪蛋白，由于酪蛋白含有大量的脯氨酸，并且脯氨酸通常不发生化学反应而且酪蛋白也没有双硫键，因此它没有明显的二级结构，脯氨酸疏水性较弱，形成酪蛋白胶束。钙离子被束缚在酪蛋白胶束中，因此酪蛋白中对钙离子比较敏感，钙离子加入增大了奶油黏度，使其非牛顿流体特性增强。由表3-13可看出稀奶油添加盐离子，其活化能E_a也随之增大，这说明奶油盐离子浓度的增加，其稀奶油流动时所需的能量也相应增加，也就是增加了稀奶油流动的困难程度。同时由于稀奶油黏度随温度升高而降低，因此在工业生产中为了增加稀奶油的流动性，可以采取适当升温的方法。

表3-11 添加不同浓度盐离子（Na⁺、Ca²⁺）的稀奶油黏度

表3-12 添加不同浓度盐离子（Na⁺、Ca²⁺）稀奶油的Herschel-Bulkley模型参数（n、K、R²）及其拟合情况

表3-13 添加不同浓度盐离子（Na⁺、Ca²⁺）稀奶油的Arrhenius模型参数（E_a、K、R²）及其拟合情况

邝婉湄研究了搅打稀奶油的流变及结构。搅打过程中搅打奶油黏度曲线如图3-26所示。随着剪切速率的增加，所有样品的表观黏度均呈下降趋势。当剪切速率大于40s^-1时，表观黏度趋于定值。由图3-26可知，搅打奶油是典型的假塑性流体，即剪切稀化。这是由于剪切作用使搅打奶油内部的网络结构被破坏或发生重组，导致表观黏度降低。随着剪切进行，搅打奶油内部的液滴逐渐形成最佳定向取向，表观黏度趋于平稳，之后即使继续提高剪切速率也不会继续发生剪切变稀。此外，在同一剪切速率作用下，随着搅打时间延长，搅打奶油的表观黏度急剧升高。

图3-26 搅打过程中搅打奶油表观黏度的变化

—○—0min —■—1min —□—2min —▲—3min —▽—4min —▼—5min —△—6min

在低剪切速率范围内，与搅打前乳浊液的表观黏度相比，搅打开始后搅打奶油的表观黏度迅速升高。按搅打过程中搅打奶油表观黏度的变化将大致其分成三个阶段。第一阶段为搅打初期（0～1min）。当剪切速率为0.5s^-1时，搅打1min后表观黏度比搅打前升高了近10倍，在此阶段气泡开始充入乳浊液体系中，但此时泡沫结构十分不稳定，泡沫易破裂或消泡。第二阶段为搅打中期（2～4min）。当剪切速率为0.5s^-1时，搅打2～4min后的表观黏度从39.5Pa·s升至87.9Pa·s，此阶段搅打奶油逐渐从O/W型乳浊液转变成W/O型泡沫结构。第三阶段为搅打后期（5～6min）。相同剪切速率下，搅打5min和6min后的表观黏度均比前1min升高近1倍。此阶段开始进入过度搅打阶段，搅打奶油组织从细腻紧致变得粗糙，光泽逐渐变暗。

搅打过程中搅打奶油屈服应力的变化趋势如图3-27所示。值得注意的是，此处测得的屈服应力为动态屈服应力。对于搅打奶油而言，屈服应力是决定其涂抹性和稳定性的重要指标，反映的是挤压裱花所需用到的最小的力。屈服应力应该控制在一个适当的范围内，既方便从裱花袋中挤出造型不至于费时费力，也要达到一定的硬挺度使裱花造型稳定。由图3-27可知，搅打奶油的屈服应力随着搅打过程的进行而上升，如同表观黏度一样，按屈服应力的变化也能将搅打过程大致其分成三个阶段。第一阶段为搅打初期（0～1min）。搅打奶油的屈服应力由搅打前的（0.66±0.53）Pa增大至（5.40±0.12）Pa。第二阶段为搅打中期（2～4min）。搅打2～4min后的屈服应力从（26.38±0.85）Pa迅速增大至（97.3±3.07）Pa。第三阶段为搅打后期（5～6min）。屈服应力的增长速度放慢，从（102.40±0.50）Pa增至（128.25±2.15）Pa。影响屈服应力的因素有颗粒体积分数、颗粒大小和粒子间相互作用力的强度。一般来说，屈服应力能反映内部网络结构的强度，在搅打奶油体系中，与由部分聚结脂肪形成的三维网络结构的强度相关。搅打奶油的硬挺度和可塑性由其泡沫结构决定。搅打过程中亚微观结构的变化可以反映搅打奶油内部泡沫结构的组织状态：搅打初期体系内气泡分布十分不均匀，相互之间的距离较远，并以大气泡为主；搅打中期体系内则以小气泡为主，气泡之间通过以脂肪部分聚结体为主的吸附层进行交联，在此阶段搅打奶油的半固态状的泡沫结构基本形成；搅打后期小气泡均匀分布，排列紧密，泡沫结构完全形成。随着搅打进行，搅打奶油的泡沫结构从无到有，从不稳定到稳定，其对应的部分聚结脂肪网络结构的强度也逐渐增大，因此搅打奶油的屈服应力随之上升。此外，屈服应力与表观黏度之间显著性相关（p＜0.05）。

图3-27 搅打过程中搅打奶油屈服应力的变化

由图3-28可知，初始状态的G′随搅打的进行而增大；随后进入的剪切阶段以恒定的剪切速率（60s^-1）模拟人口腔咀嚼剪切的过程，所有样品均表现出剪切变稀的趋势，且表观黏度随搅打的进行而升高；最后的动态振荡时间扫描阶段实际上是恢复阶段，G′随搅打进行呈先增大后减小的趋势。在恢复阶段中，经过20～30s的恢复时间，G′已恢复至平稳状态，之后即使延长恢复时间，G′的增量也是微乎其微的。

图3-28 搅打过程中搅打奶油触变性的时间变化曲线

—○—0min —■—1min —□—2min —▲—3min —▽—4min —▼—5min —△—6min

注：黑色图标及线条为G′，灰色图标及线条为η。(www.xing528.com)

搅打过程中搅打奶油蠕变-恢复行为的变化如图3-29所示。蠕变阶段考察样品对恒定加载的应力产生相应的形变-时间变化，而恢复阶段则是考察样品在撤去加载应力后的形变-时间变化。由图3-29可知，在瞬间施加一个恒定应力后，随着搅打进行，搅打奶油样品瞬间响应产生的瞬间弹性应变呈总体下降趋势。所有样品的应变都随着施加应力时间延长而增大。由于平衡弹性形变（γ）是指在一定的应力作用下蠕变过程达到平衡状态（即形变的斜率不再发生变化）时的弹性形变，可以反映内部结构的强度。随着搅打进行，γ逐渐减小，且在搅打前期搅打前后γ的减小幅度较大。此外，搅打中期后样品的γ与初期相比剧烈下降。蠕变柔量（J）是弹性模量的倒数，一般与样品的柔性相关。高柔量的样品内部结构较弱，而低柔量的样品内部结构较强或者较僵硬。

图3-29 搅打过程中搅打奶油蠕变-恢复行为的变化

—○—0min —■—1min —□—2min —▲—3min —▽—4min —▼—5min —△—6min

时间扫描结果反映了搅打奶油在贮藏过程中的黏弹性响应。G^∗可以表征样品反抗施加应变的总阻力，同时反映样品弹性和黏性组分对其刚性的贡献。搅打过程中搅打奶油的振荡时间扫描结果如图3-30所示。在30min测试过程中，G^∗缓慢增大，且变化幅度较小。搅打开始前3min内，G^∗的上升幅度较大，搅打3min以后G^∗的上升幅度减小，说明搅打使搅打奶油的刚性增强，稳定性也相应提高。

频率扫描结果反映了搅打奶油对频率的黏弹性响应。搅打过程中搅打奶油动态振荡频率扫描结果如图3-31所示。随着振荡频率的增大，搅打奶油的G′普遍增加，其中搅打初期的G′增加幅度较大。搅打0～2min后，频率扫描结果反映了搅打奶油对频率的黏弹性响应，且随频率增大而减小，搅打3～6min后的G″的变化趋势则与之相反。随着搅打进行，搅打奶油的G′逐渐增大，其中搅打2min前后的G′的变化幅度剧烈，说明搅打2min是其泡沫结构开始形成关键点。而搅打初期G″则相差不大，搅打中期和后期的G″则随搅打时间延长而增大。

图3-30 搅打过程中搅打奶油的振荡时间扫描结果

—■—1min —□—2min —▲—3min —▽—4min —▼—5min —△—6min

图3-31 搅打过程中搅打奶油的振荡频率扫描结果

—○—0min —■—1min —□—2min —▲—3min —▽—4min —▼—5min —△—6min

（1）弹性模量；（2）黏性模量

邝婉湄研究了搅打稀奶油的质构特性，质构特性是评价搅打奶油品质的重要指标，搅打过程中搅打奶油质构特性的变化如表3-14所示。搅打的0～2min时，搅打奶油处于较黏稠的液体状，泡沫结构尚未基本形成，其硬度达不到质构仪的可测量范围；搅打3min后，搅打奶油的硬度、稠度、内聚性和黏度均随着搅打时间的延长而显著性增加（p＜0.05）；在搅打至6min时，搅打奶油泡沫结构开始变粗糙，体系硬度达到最大值。搅打奶油的硬度、稠度、内聚性和黏度与其脂肪部分聚结率和界面蛋白浓度有关。邝婉湄研究了Span 60用量对搅打奶油的质构特性的影响如表3-15所示。测定搅打4min后的搅打奶油的硬度、稠度、内聚性、黏度四个指标，发现四个指标均随着Span 60用量的增大而呈现先减小后增大的趋势，最小值出现在Span 60用量为0.6%时。影响食品可口性的因素有很多，质构特性却是其中的重要因素之一。对于搅打奶油而言，Span 60用量对质构特性有显著性影响。这主要有如下两个方面的原因：①脂肪部分聚结；②界面蛋白吸附层。脂肪部分聚结越快且程度越高，界面蛋白吸附层的含量越高，上述四个指标参数越大。

表3-14 搅打过程中搅打奶油的质构特性

注：同一列数值后面不同的字母表示差异显著（p＜0.05）。

表3-15 Span60用量对搅打奶油的质构特性的影响

注：同一列数值后面不同的字母表示差异显著（p＜0.05）。