冰淇淋生产的基本步骤包括配料、巴氏杀菌、均质、冷却、老化、添加香料、凝冻、包装、硬化贮存、分配销售。其生产工艺流程如图6-36所示：
图6-36 冰淇淋生产工艺流程图
混合料的生产包括称重或度量原辅料、混合、巴氏杀菌、均质、冷却和贮存。
不同品种的冰淇淋，有不同的配方组合。表6-13列出了商业化冰淇淋及相关产品的概略组成。
设计冰淇淋配方需考虑混合料的成本、混合料的特性（黏度、冰点等）、消费者的口味、质量标准、产品的竞争力以及产品的形体和组织状态等。冰淇淋的加工工艺和冷冻方式影响着混合料的特性，其成分对冰淇淋的特性也有重要的影响。
乳脂肪与风味的浓厚、组织的丰润圆滑、形体的强弱、保形性有密切的关系。其作用有增进风味，抑制水分结晶的粗大化，使成品有柔润细腻的感觉。脂肪经均质处理后，直径大的脂肪球被粉碎，可使冰淇淋混合料黏度增加，在凝冻时增加膨胀率。乳脂肪也是风味化合物的良好载体和增强剂。乳脂肪不能降低冰点，但过多地脂肪阻碍了搅打速率；脂肪含量过高也限制了消费，增加了成本。乳脂肪的最佳来源是新鲜稀奶油，也可从牛乳、冷冻稀奶油、塑性稀奶油、奶油、全脂乳粉、全脂炼乳中获得。可用棕榈油、人造奶油、精炼植物油等替代部分乳脂肪。
表6-13 商业化冰淇淋及相关产品的概略组成 单位：%
续表
注：∗TMS总乳固形物。
（一）混合料的配制
冰淇淋混合料主要由乳品组分、糖类、稳定剂及其他甜味剂组成，有时也添加蛋制品。确定冰淇淋混合料的配方需要考虑：冰淇淋中脂肪的含量；冰淇淋品种、形体及组织状态；混料量；各组分的成本及来源。冰淇淋混合原料的计算，应按各类冰淇淋产品质量标准，用数学方法来计算各种原料的配比数量，从而保证所制成的产品质量符合技术要求。因此，冰淇淋混合原料的计算，即为冰淇淋混合原料的标准化。标准化是现代化生产的一个重要标志，高度的现代化离不开高度的标准化。没有标准化，就没有统一的技术标准。没有标准化，就无法试制、开发新产品。没有标准化，食品的风味与营养价值就会受到影响。冰淇淋生产的首要步骤是配料。配料可以进行小规模的分批操作，组分经称重、计量后投入料缸；也可以利用先进的混合料设备大批地进行自动化、连续操作。
在现代乳品工业中，计算机广泛地用来计算冰淇淋的配料。操作人员输入产品的编码、批号、原料组分（如稀奶油、炼乳）的脂肪、非脂乳固体等的含量，计算机可以根据已存储的配方计算出各组分的需要量。计算结果传输给程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。操作人员启动系统，PLC可以控制相关的管道、阀门将原辅料组分称重度量后投入混料缸。另外，计算机系统还可以给出一段时间后原料组分的消耗量；保持每批生产的投料记录；计算混合料的成本等。计算机配料较人工计算方法快捷的多。一般小厂可以采用手工法计算冰淇淋的配料。
1. 混合料的平衡
平衡的混合料是指组分、构成协调可以生产出质量优良的冰淇淋混合料。即使这种冰淇淋出现缺陷也不是由混合料组成或组分构成的变化引起。例如酸败味、饲料味、不洁味不能通过改变混合料的组分浓度而消除，这些缺陷就不能说明混合料不平衡。而其他缺陷如：①香味不足：香精浓度不够；②丰韵度不够：脂肪含量低；③砂状感：非脂乳固体浓度太高；④质地软：总固形物或稳定剂含量低。可以通过改变混合料的组成而避免，这些缺陷表明混合料不平衡。
另外，必须明白平衡的混合料必须经过特定的加工才可以生产出质量良好的冰淇淋。有的混合料对周转快的冰淇淋是适宜的，但对于周转慢的冰淇淋而言贮存时间长可能出现砂状感。有的混合料对分批式冷冻机而言是平衡的，但对于连续式冷冻却是不适宜的。原料的来源不同，混合料可能会出现不平衡。混合料中的脂肪由奶油引入，可以加入蛋黄固形物提高搅打性，达到混合料的平衡；如果混合料由甜性奶油制备，可以不添加蛋黄固形物。了解每种组分的优点、不足及其作用，在选择适宜组成、混合料的平衡方面有重要意义。表6-14列出了冰淇淋组分的优点和不足。
表6-14 冰淇淋组分的优点与不足
一般而言，平衡混合料中总固形物含量在36%～42%，总乳固形物含量在20%～26%。这种平衡的混合料并不适合乳冰、雪比特或食用冰。进一步地，倾向于添加非脂乳固体，减小脂肪、糖、香料的质量分数，以提高冰淇淋的营养价值。
2. 混合料的特性
冰淇淋混合料是复杂的物理化学体系。混合料中一些物质如乳糖、盐组分以真溶液状态存在；乳蛋白质、稳定剂、不溶性甜味剂、部分磷酸盐以胶体悬浮液存在；其他的如脂肪球以粗分散系存在。
真溶液存在的物质分子小，呈离子状态，与水的亲和力强。胶体体系中的物质呈颗粒状，带与溶剂相反的电荷，相互间的吸引力使其共存于悬浮液中。粒子的电荷也使它们彼此排斥，尤其发生碰撞时，有利于悬浮液的稳定。有时悬浮液中的物质对溶剂没有足够的引力，无法在悬浮液稳定存在。如果粒子不带电荷，对水的亲和力弱，就会出现沉降。这种悬浮液称为疏水性体系。另一方面，不带电荷、与水亲和力强的物质也可以稳定存在于悬浮液中，这种体系称为亲水性体系。
胶态悬浮液对外界的变化非常敏感。冰淇淋体系是复杂的理化体系，许多因素影响着混合料的特性。粗分散系的物质不能均匀地进行分散，相对比重高于悬浮介质，就会沉淀；相对比重低于悬浮介质，就会上浮。
可以将冰淇淋混合料看作是水包油型乳浊液：分散相为乳脂肪，连续相是酪蛋白酸钙-磷酸钙胶束、蛋白质、碳水化合物以及矿物元素组成。基于颗粒大小，连续相可以看作是胶态体系和真溶液的混合体系。这种复杂的乳浊液体系可以经受冷冻、机械搅拌和浓缩等加工工序。考虑到在此条件下脂肪球、酪蛋白胶束及乳糖固有的不稳定性，充气是非常必要的。
具有实际重要意义的混合料的特性包括：稳定性、密度、酸度、表面张力、界面张力、黏度、吸附作用、冰点和搅打速率。
（1）混合料的稳定性 混合料的稳定性是指胶体体系中乳蛋白质以及乳浊液中乳脂肪对分离的抗性。混合料的不稳定导致乳蛋白质凝固或沉淀；在混合料老化过程中脂肪、乳清以及糖浆的分离。
混合料稳定性的高低，对冰淇淋的质量有重要的影响。混合料的稳定性高，制成的产品品质稳定。不至于出现同一批投料中质量出现大幅波动的现象。
混合料稳定性的影响因素有：
均质：均质是为了使脂肪球成为高度分散的小脂肪球。这些脂肪球受到一层界面层的包围，该层具有水合力，使脂肪球可以稳定的存在。
无机盐：很多无机盐（如磷酸钠、磷酸镁、氧化镁、碳酸氢钠等）有助于增加混合料的稳定性，添加量为0.02%～0.04%。
乳化剂：其主要作用是使呈微细粒子状态的脂肪球，呈微细的乳浊状态，使混合料成为稳定性高的料液。
酸度：混合料的酸度若超过正常，易于在加工时产生结块，影响稳定性。
其他影响因素：脂肪与非脂乳干物质的比例、热处理条件、冷冻工艺、老化时间等。
图6-37 悬浮液的种类及稳定性
①水化作用：最稳定的悬浮液是亲水性体系，粒子既高度水化又带有一定的电荷[如图6-37（1）]；次稳定的是粒子带有电荷但没有水化[如图6-37（2）]；较不稳定的粒子不带电荷但有水化作用[如图6-37（3）]；最不稳定的悬浮液，粒子既不带电荷又没有产生水化作用[如图6-37（4）]。
影响乳蛋白质水化的因素有：温度、热处理条件、盐类、酸碱度和均质工艺。
低温下冰淇淋混合料中的胶体物质水化作用强，经热处理蛋白质发生化学变化，蛋白质对水的亲和力增加。钙盐与钠盐、钾盐相比对蛋白质的水化作用负面影响更大。柠檬酸盐或磷酸盐与酪蛋白的水合作用可以用下述平衡式进行表示：
酪蛋白酸钙+柠檬酸钠⇔酪蛋白酸钠+柠檬酸钙
酪蛋白酸钙+磷酸钠⇔酪蛋白酸钠+磷酸钙
促使反应向酪蛋白酸钠方向移动的电荷增加了酪蛋白的水化度。在pH 6.2～6.4水化作用最强。两段均质可以增加结合水；一段均质则可以降低结合水的能力。
②乳化稳定性：混合料的稳定性与乳浊液（脂肪球）和胶态体系（蛋白质）的稳定性有关。冰淇淋均质的目的是使脂肪球变为微细的颗粒，达到高度的分散。均质混合料中的脂肪球被界面层包围，界面层有复合蛋白质组成，形成水化作用，界面层厚度达0.3μm。内部液体产生的粘着力使脂肪乳浊液在冷冻搅拌过程中保持稳定，增加了泡沫的抗性。
冰淇淋中乳脂肪的分散状态表明使脂肪球分散的力有：均质时的剪切作用、破碎作用以及爆破作用；带电引起的相互之间的斥力。使脂肪球聚集的力有：均质后脂肪球之间的碰撞、小脂肪球的布朗运动；脂肪球周围吸附层的黏附力；近距离时脂肪球间的界面张力；料液中脂肪的浓度等。
高温增加了脂肪球表面的电量，减小了聚集现象的发生；柠檬酸盐以及磷酸盐增加了负电荷也降低了聚集现象的发生。低温和添加钙盐则增加了聚集发生的几率。
最好保持冰淇淋中脂肪原有的分散状态，利于维持乳浊液的稳定。脂肪球聚集的程度与其表面特性有关。乳脂肪去乳化作用的第一步是脂肪球表面部分或全部呈疏水状态。脂肪球处于部分固化状态，包含适宜比例的液态、结晶部分，第二阶段开始出现。聚集作用产生时，一定量的液态脂肪从脂肪球中挤压出来。液态脂肪黏附在脂肪球膜的外层，当脂肪球彼此接近时，液态脂肪就会发生融合。
低温条件下，仅存在小量的液态脂肪，不会出现聚集。冷冻改变了脂肪球膜特性，在融化过程中脂肪球聚集成团，液态脂肪平铺在脂肪球膜的外层，脂肪球呈疏水状态。
在特定的介质中运用光学方法可以检测冰淇淋内部结构中的脂肪球。检测到脂肪球分散在未冷冻部分中，单个分散在气泡周围或以链状排列。脂肪球以链状或簇状排列与脂肪含量以及搅打工艺有关。
影响冰淇淋中脂肪的稳定性的因素之一是凝冻工序。在搅拌和冷冻浓缩过程中脂肪球开始聚集。聚集开始时脂肪球聚集物象串串葡萄。脂肪球聚集的速率受搅拌程度、蛋白质稳定性、脂肪的熔点、凝冻温度、乳化剂、稳定剂、糖及盐含量有关。
冰淇淋的干燥度（Dryness）直接与乳化液的不稳定性有关，脂肪球聚集达到最大时冰淇淋达到最大程度地坚挺度和干燥度。
最近的研究表明冰淇淋的干燥度和坚挺度与乳脂肪球的聚集有关。脂肪球的聚集引起融化缓慢，这可能是流动性差引起的。在连续式凝冻机中脂肪球的聚集是有益的。
如果聚集作用进行过烈，在软质冰淇淋中可能得到类似奶油条的冰淇淋。脂肪球携带的负电荷在搅拌期间会被部分或完全中和。理想的冰淇淋是脂肪球聚集程度高但不会形成类似奶油条的冰淇淋。该条件下的冰淇淋可能具有适宜的组织结构、保形性、干燥度、坚挺度和良好的丰腴感。
更冷、更坚挺的冰淇淋混合料引起更快的搅拌速率。在较长时间的凝冻，温度越高，搅拌进行的越缓慢。
有些乳化剂倾向使脂肪球不稳定，增加了搅打性。冰淇淋融化后虽不能保持光滑的组织，但是即使放置在室温时也能较多地保持冰淇淋原有的状态，表明脂肪乳化液不稳定。凝冻温度的降低可以引起更为干燥的产品，不稳定的脂肪更多，脂肪的搅打性增加。
（2）混合料的密度 冰淇淋混合料的密度随组成而发生变化。混合料的相对密度可以用密度计或用密度瓶法进行测定。也可以通过下式进行计算混合料在15.6℃时的相对密度：
Wolff对非脂乳固体使用1.601替代了1.58。研究表明混合料的相对密度在1.0544～1.1232之间。
（3）混合料的酸度 通常混合料的酸度随冰淇淋含有的非脂乳固体的质量分数有关，可以由非脂乳固体的质量分数乘以0.018因子计算得出。11%非脂乳固体的混合料的酸度通常为0.198%。冰淇淋混合料的pH为6.3。冰淇淋混合料的酸度和pH与混合料的组成相关。非脂乳固体含量增加，酸度增加，pH降低。不同非脂乳固体含量的混合料酸度和pH见表6-15。
表6-15 不同组成的混合料的酸度和pH
注：∗酸度以乳酸计。
使用新鲜的质量优良的乳制品配制混合料，其酸度在正常范围内。冰淇淋混合料的酸度是由乳蛋白质、盐类和溶解的气体有关。乳制品细菌的增殖可能引起酸度的增加。混合料酸度在正常值之上，表明存在增加的酸度。高酸度可能引起混合料粘度的加大、搅拌速率下降、风味变劣、稳定性降低、在巴氏杀菌中引起蒸煮味或凝固。
（4）无机盐的影响 冰淇淋中的矿物盐类有利于控制凝冻过程中混合料的搅打性和脂肪的分离，赋予冰淇淋制品适宜的坚挺度、光滑感和其他特性。研究表明，磷酸钠、磷酸镁、氧化钙、氧化镁、碳酸钠可以增进产品的风味、保形性、组织结构和其他特性。
钠离子强烈的湿效应可能抵消或完全消除钠离子对蛋白质的有益反应。柠檬酸钠和磷酸氢二钠是有效的蛋白质稳定剂。氧化钙、氧化镁以及碳酸盐类可以控制混合料的特性。
研究了柠檬酸钠、磷酸氢二钠、焦磷酸钠对软质冰淇淋中乳脂肪搅打特性的影响。添加0.10%的盐类是比较适宜的，添加量过高可能引起不良风味和过高的混合料的黏度。
（5）混合料的黏度 黏度反映了流体流动的抗性，是抵抗流体滑动时的内部摩擦力。冰淇淋混合料具有一定的黏度对混合料的搅打特性及空气的滞留具有重要的意义。黏度是冰淇淋混合料的重要特性。混合料的黏度受以下因素的影响：
①温度：温度与黏度关系密切。一般温度升高黏度降低；反之，则黏度升高。
②总固形物含量：一般是总固形物含量越多，浓度越高，则黏度越大；反之，则黏度越小。所以，在混合料中应控制总固形物的含量在42%以下。
③稳定剂：稳定剂是影响黏度最大的成分。海藻酸钠对黏度的影响比明胶大得多，应用较少的海藻酸钠就能起到提高黏度的效果。
④混合料的加工工艺：混合料需经过多道加工工序，这些工序所实施的不同加工条件，对黏度的影响很大。对混合料黏度影响最大的加工工艺是巴氏杀菌、均质和老化。
⑤混合料成分的种类和性质：各种成分对混合料黏度的影响也不同，如脂肪、无机盐对黏度有一定的影响。
已经对混合料黏度的起因和影响作了许多研究，但对多大的黏度是最适宜的以及如何准确测量黏度并无准确的答案。曾经认为高黏度是有利的；但对于现代设备的快速凝冻而言低黏度的混合料看来更为适宜。总而言之，随着黏度的增加，冰淇淋的抗融性增加，形体的光滑性增加，搅打速率降低。黏度认为是伴随这些特性而不是引起良好搅打特性、保形性、质构的起因。因此，不仅要有平衡的混合料而且要经过适宜的加工工序以生产适宜搅打特性、保形性好的产品。在该条件下必须保证要有适宜的黏度。
黏度可以以绝对或相对值进行表示。广泛应用的绝对黏度单位是厘泊。20℃时水的绝对黏度是1.005mPa·s。冰淇淋混合料具有表观黏度，随着搅拌作用的进行，黏度逐渐降低；基本黏度是在表观黏度消失之后所表现的黏度。冰淇淋混合料的基本黏度在50～300mPa·s。研究表明冰淇淋混合料可以看作是黏性体系而不是塑性体系。
（6）表面张力 表面张力来自液体表面分子之间的引力，使液体表现类薄膜的特性。分子之间的引力越大，表面张力就越大；反之，液体表面之间的引力越小，表面张力就越低。
表面张力的单位是达因。对冰淇淋表面张力的研究是很有限的。研究表明增加新鲜制备混合料的表面张力是困难的；但加入乳化剂可以降低混合料的表面张力。冰淇淋混合料的表面张力值在48～53达因之间。
（7）冰点 冰淇淋的冰点与可溶性组分有关，随组成不同而发生变化。12%脂肪、11%非脂乳固体、15%糖类、0.3%稳定剂、61.7%水组成的混合料的冰点为-2.5℃。高糖、高非脂乳固体的混合料的冰点为-3.06℃；高脂肪、低非脂乳固体或低糖含量的混合料的冰点大致为-1.39℃。
一般而言，冰淇淋混合料起始冰点为-2.78～-2.22℃之间。当潜热从冰淇淋混合料中移去后，开始形成冰结晶，可溶性组分得到一次浓缩，对剩余的可溶性组分而言存在新的冰点。图6-38为冰淇淋混合料的典型冷冻曲线。
图6-38 冰淇淋混合料的典型冷冻曲线
（8）搅打速率 搅打至一定膨胀率的时间短，说明搅打速率高。较高的加工温度、正确的均质、混合料的老化均可以提高混合料的搅打性。较小的脂肪球、较少的堆积均可以提高搅打性。奶油、无水奶油、冷冻稀奶油制备的混合料脂肪分散性差，搅打性差。蛋黄固形物、新鲜稀奶油制备的混合料搅打性好，这与卵磷脂-蛋白质复合物中存在的卵磷脂有关。乳化剂也可以提高搅打性。非脂乳固体含量的变化对搅打性无显著影响；非脂乳固体质量的变化具有一定的重要性。凝冻机本身的构造和操作也决定了冰淇淋混合料是否可以达到最佳的搅打性。
搅打速率可以通过测量分批式凝冻机中冷冻的混合料在1min间隔内膨胀率的变化而确定。一般而言，在凝冻过程开始3min内，混合料受冻；7min内可以达到90%的膨胀率。搅打速率高，混合料可以在5min内达到90%的膨胀率。膨胀率较低，达到90%的膨胀率需要8min或更长的时间。
（二）杀菌
Tayor研究了冰淇淋生产方式、设备及生产的布局，认为四种方法可以用来制备混合料：①大批配料、进行连续式高温短时巴氏杀菌；②小批罐内配料、进行高温短时巴氏杀菌；③大批配料、进行分批巴氏杀菌；④小批罐内配料、分批巴氏杀菌。以上四种方法经常使用，小规模生产采用方法④；中等规模的生产采用方法②或③；大规模生产常采用方法①。最经济的方法是方法④，因为设备简单、生产成本低。
混合料进行巴氏杀菌的目的主要有：采用加热方法杀死食品中的病原菌与非病原菌，保证消费者的健康；杀死料液中绝大多数的非病原菌，以保证冰淇淋的卫生指标；通过杀菌工序挥发掉一些不利于产品风味的蛋腥气；延长冰淇淋的保质期；在加热过程中利于混合料组分的溶解；在巴氏杀菌温度下均质效果好。
美国公共健康协会建议的巴氏杀菌制度见表6-16。
表6-16 冰淇淋混合料的巴氏杀菌制度∗
注：∗美国公共健康协会推荐。
目前有采用更高的巴氏杀菌温度的倾向。有研究表明，121.1℃杀菌会产生蒸煮味，这与设备的种类也有关系。但使用98.9～104.4℃的杀菌温度效果最佳。
与分批式巴氏杀菌相比，连续杀菌稳定剂用量减少25%～35%。适合于高温杀菌的稳定剂主要有CMC-Na、卡拉胶以及褐藻胶。连续式杀菌有以下优点：①冷源、热源可以重复应用；②可以长时间连续操作；③可以进行循环清洗。
（三）均质
物料经过杀菌后即可进入均质工序。
杀菌后的料液要及时进行均质。因此均质前要做好均质机的清洗与消毒工作。在用95～100℃的热水进行消毒时，最好在均质前5min内完成，以免用过冷的均质设备进行均质时，料液中的脂肪会因突冷而凝聚。均质时间要快，生产效率高，可以防止料液中的脂肪球因在杀菌缸内停留时间过长而聚集。
控制混合原料的温度和均质压力是很重要的，它们对混合原料的凝冻搅拌和制品的形体组织有密切的关系。在较低的温度（48.9～54.4℃）下均质，料液的黏度大，则均质效果不良，需延长搅拌凝冻时间；当在最佳温度（62.8～76.7℃）下均质时，凝冻搅拌所需时间可以缩短；如若在高于80℃的温度下均质，则会促进脂肪聚集，且会使膨胀率降低。均质压力过低，脂肪乳化效果不佳，会影响制品的质地与形体；若均质压力过高，使混合料粘度过大，凝冻搅拌时空气不易混入。这样为了达到所要求的膨胀率，则需延长凝冻搅拌时间。
（四）冷却与老化
1. 混合料的冷却
混合料经过均质处理后，温度在60℃左右，应将其迅速冷却，适应老化的需要。
（1）冷却的目的
①防止脂肪上浮：混合料经过均质后，大脂肪球变成了小脂肪微粒，但这时的性能并不稳定，温度高黏度低，脂肪易于聚集、上浮，而当温度迅速降低，黏度增大，脂肪就难以聚集和上浮。
②适应老化操作的需要：混合料的老化温度为2～4℃。使物料迅速冷却，可以适应老化操作的需要，缩短工艺操作时间。
③提高产品质量：均质后的物料温度较高，微生物增殖，会使物料的酸度增加，风味逸散；而迅速降低料温，可以避免这些缺陷，稳定产品质量。
（2）冷却设备 用于混合料冷却的设备较多，常用的有圆筒式冷热缸、板式热交换器等。前者结构简单，易于操作，但生产不连续，生产能力较低；后者是较完善的快速冷却设备，冷却速度快，生产能力大，冷却效果好。
2. 混合料的老化
混合料的老化是将混合原料在2～4℃的低温下保持一定时间，进行物理成熟。
（1）老化的目的 迅速降低料液的温度，提高料液的黏度，防止料液出现脂肪上浮现象，同时也使微细的脂肪球的质地变硬；防止料液的酸度增加；促使料液中的蛋白质、脂肪及增稠剂等物料充分地溶胀水化，增强料液的持久性与稳定性，防止游离水析出；挥发掉一部分不良气体；提高黏度，可以缩短搅拌和凝冻时间，提高生产效率，并可改善冰淇淋的组织状态。
（2）老化过程的理化变化 冰淇淋混合料的老化是冰淇淋生产过程中凝冻前的一个重要工序。混合料在老化期间发生了如下的变化过程：乳蛋白质的水合作用；稳定剂的完全水合作用；液体脂肪的结晶作用；蛋白质的解吸作用。
①乳蛋白质的水合作用：当冰淇淋的混合料由巴氏杀菌温度冷却到老化温度时，酪蛋白胶束的物理结构逐渐发生变化，更多的亲水性分子结构舒展，与水结合。酪蛋白胶束充分水化需1～2h，否则不能达到充分的水合。
在混合料杀菌期间乳清蛋白发生部分变性，导致弯曲的乳清蛋白分子舒展开。在老化期间部分变性的乳清蛋白有效地与水结合达到类似于酪蛋白的水合作用，即3g水/1g蛋白质。发生在老化期间的水合作用，使混合料的黏度增加。
②稳定剂的完全水合作用：稳定剂具有亲水作用，与冰淇淋中的自由水结合成为结合水。尽管混合料在加热期间稳定剂已经完全溶解，但是还需要一定时间使稳定剂完全水合。在混合料冷却至老化温度及以后的老化过程中，有大量的水分子与稳定剂结合，水被有效地束缚在稳定剂所形成的三维网状物中。这种网状物的形成是由于单个稳定剂分子间和分子内部或几个分子间同乳蛋白质结合，水被有效地束缚固定。不同稳定剂其完全水合作用的时间不同。
③液态脂肪的结晶：冰淇淋混合料的结晶速度和结晶程度的影响有两个重要的因素：乳化剂单甘酯的作用；脂肪的类型。
单甘酯的作用：混合料老化开始的1h之内，脂肪结晶显著。冰淇淋混合料中没有乳化剂时，5℃老化1h，固体脂肪含量达75%；乳化剂单甘酯存在时，老化1h固体脂肪含量就可达85%。另外，脂肪球中甘油三酯的汇集在以后的凝冻操作中有两个重要作用：结晶的刚性外层赋予小球一定的机械强度；处于小球中的液体甘油三酯在凝冻时的机械作用下容易挤出，有助于在空气泡表面形成保护层。
脂肪的类型：长链的不饱和脂肪酸的结晶增加，脂肪结晶相对较少，且结晶比较缓慢。如果脂肪结晶不适当会导致冰淇淋口感质量差和贮藏稳定性低。(www.xing528.com)
④蛋白质的解吸作用：在30℃以上脂肪和乳化剂融化时，脂肪-蛋白质强烈的相互作用促进了酪蛋白胶束的吸附。当物料冷却到5℃以下时，靠近脂肪-水界面的乳化剂结晶导致脂肪结晶，削弱蛋白质-脂肪的结合。同时，界面乳蛋白的水合作用增加，导致大部分β-酪蛋白从脂肪球分离。出现了蛋白质的解吸作用。加入乳化剂单甘酯后将加速蛋白质的解吸。解吸是一个缓慢的过程，要达到完全的解吸需要很长的时间。
3. 老化的温度和时间
混合原料经过均质后，应立即转入冷却设备中，迅速冷却至老化温度（2～4℃）。如果混合原料温度较高（大于5℃），则易出现脂肪分离出来；但亦不宜低于0～1℃，否则容易产生冰结晶，影响质地。冷却过程可以在板式热交换器或圆筒式冷却缸中进行。
老化时间长短与温度有关。例如在2～4℃时，进行老化需要延续4h；而在0～1℃，则需2h即可；而高于6℃时，即使延长了老化时间也得不到良好的效果。
老化持续时间与混合原料的组成成分有关。干物质愈多，黏度愈高，老化所需的时间则愈短。一般制品老化时间为2～24h。现由于制造设备的改进和乳化剂、稳定剂性能的提高，老化时间可以缩短。有时，老化可以分为两个阶段进行，将混合原料在冷却缸中先冷却至15～18℃，并在此温度保持2～3h，此时混合原料中明胶溶胀，比在低温下更充分，然后将混合原料冷却至2～3℃保持3～4h。这样进行老化时，混合原料的黏度可以大大提高，并能缩短老化时间，还能使明胶的耗用量减少20%～30%。
（五）凝冻
凝冻是冰淇淋制造中的一个重要工序。它是将混合原料在强制搅拌下进行凝冻。这样可使空气呈极微小的气泡状态均匀分布于混合原料中，而使水分中有一部分（20%～40%）呈微细的冰结晶，体积膨胀。冰淇淋混合料成为半固体。凝冻搅拌是冰淇淋形成的最后一道极为重要的工序，是冰淇淋的比重、可口性、产量的决定因素。
1. 凝冻目的
（1）使混合料更加均匀 由于均质后的混合料，还需添加香精及色素等，在凝冻时，通过不停的搅拌，可使混合料液中的各成分进一步混合均匀。
（2）使冰淇淋组织更加细腻 凝冻是在-6～-2℃的低温下进行的，这时混合料中的水分会结成冰，但是由于搅拌的作用，水分只能形成4～10μm的小结晶且大小均匀，因而使冰淇淋的组织更加细腻、形体优良、口感滑润。
（3）通过凝冻搅拌能得到合适的膨胀率 冰淇淋具有松软的组织，这主要是因为在凝冻搅拌的同时也将空气混入冰淇淋料液中，空气变成微小的气泡，使冰淇淋容积增加，也使冰淇淋形成优良的组织和形体，使产品更加适口、柔润和松软。另外，细微的空气泡均匀分布于冰淇淋的组织中，可起到稳定和阻止热传导的作用。搅拌器的搅动可防止冰淇淋混合料因凝冻而结成冰屑，尤其是在冰淇淋凝冻机筒壁部分。
（4）可加速硬化成形过程 由于搅拌凝冻是在低温下操作，因而能使冰淇淋料液冻结成为具有一定硬度的半固体，经包装后可较快成形硬化。
2. 冰淇淋的形成原理
在凝冻机内的料液通过凝冻搅拌使料液的温度下降及外界空气的混入，浓郁的料液逐渐变为浓厚、体积膨大的固态，这是一个物理变化过程。
冰淇淋的形成大体经过以下三个阶段：
第一阶段——液态阶段。假定料液的温度为5℃，经过2～3min的凝冻与搅拌过程后，料液的温度从5℃降低到2～3℃。由于料液的温度尚高，仍未达到使空气混入的条件，故这个阶段称为液态阶段。
第二阶段——半固态阶段。继续将料液凝冻搅拌2～3min，此时料液的温度降至-2～-1℃，料液的黏度也显著提高。由于料液的黏度提高了，外界的空气趁机大量混入，料液开始变得浓厚而体积膨胀，这个阶段称为半固态阶段。
第三阶段——固态阶段。此阶段为料液即将形成冰淇淋的最后阶段。经过半固态阶段以后，继续凝冻搅拌料液3～4min。此时，料液的温度已降至-6～-4℃，在温度继续下降的同时，外界的空气继续混入，并不断地被料液层层包围，这时冰淇淋料液内的空气含量已接近饱和。由于整个料液的体积不断膨胀与扩大，而机内的凝冻搅拌仍在继续。此时，从凝冻搅拌机的窥视孔往里看，就会看到一层层犹如长带似的更浓厚的固态物质，此阶段即是固态阶段。
由于料液的配方不同，老化的温度与老化的时间不一，再加上机内冷剂的供应量不一和操作技术不同。因此，每次的凝冻搅拌时间不能千篇一律，对三个不同的阶段要掌握好。
在通常情况下，只要配方稳定，均质与老化条件适当，再加上熟练的凝冻操作技术，使冰淇淋达到适宜的膨胀率是完全可能的。
3. 凝冻时混合料的理化变化
混合料在凝冻时，受到低温、搅刮器搅打等作用，将发生冰点下降、产生过冷、凝结温度不固定等现象。
（1）冰点不断下降 当混合料被降温至冰点时，液态水变成冰结晶粒出现在混合料内，这些冰晶实际上是固体的纯水，使混合料中含水量减少，而糖类和其他溶解成分浓度更大，造成了混合料液态部分的冰点略为降低。这样，若使混合料中产生更多的冰晶，就必须使其温度再行降低。然而要使液态水变成固态的冰晶，就必须排除熔化潜热。此过程中，混合料的温度不会明显变动。图6-39为冰淇淋混合料的温度下降曲线。
（2）产生过冷现象 当水溶液温度由冰点下降至0℃以下而尚未凝结的现象，称为过冷现象。混合料在凝冻时的过冷现象，会给产品质量带来一些不利的影响。如使产品质量粗糙。但是在凝冻时由于有搅刮器在不停地进行搅刮，会使过冷现象得以缓和。为了减轻和防止局部过冷，可以控制制冷量，不使凝结温度过低；不要每次出料时完全出尽，让少量冰晶在凝冻筒内，起着降低导热的作用。
图6-39 冰淇淋混合料的温度下降曲线
图6-38表明添加明胶的混合物未产生过冷现象，这是因为明胶黏度增加，妨碍混合料的对流，与凝冻机冷却面接触的一部分呈过冷状态，变成晶种，容易产生结晶。
（3）凝结温度不定 冰淇淋混合料是由很多原、辅料配制而成，而且各种配方的成分比例配比不同，凝结温度不定，所以对混合料来说没有固定的凝结曲线。
表6-17列出了在不同采样温度时冰淇淋中水分的冻结率。
表6-17 不同采样温度时冰淇淋中水分的冻结率
由表6-17可以看出，凝冻过程第一阶段约33%～67%的水分冻结；硬化阶段约23%～57%的水分冻结。
在混合料中能形成有真溶液的有乳糖、蔗糖和乳中的盐类，特别是钠、钾、镁的氯化物、柠檬酸盐及磷酸盐等。而其中的氯化钙是一种具有很低共熔点的物质，达到-55℃，所以要使混合料全部凝结，至少要低于这个温度。一般冷库的温度也在-40℃以上。在此温度，冰淇淋混合料仅是保持一定的冻结程度。
（4）产生冰结晶 冰淇淋在凝结过程中约有30%～50%的水分凝结成冰结晶。为了获得细腻的组织，关键在于形成细微的冰结晶。
料液在凝结器中经过剧烈的搅拌使黏附在凝结器壁上的一部分冰淇淋被刮刀刮下，有效地形成细微的冰结晶进入到冰淇淋中。如果刮刀钝，或刮刀与筒壁间隙超过0.2～0.3mm，刮下的一层的冰结晶就不会足够的细小，会使成品组织粗糙，在凝结过程中要定期检查刮刀和进行磨修。只有刮刀在锋利的情况下转动才能加速细小晶体的形成。同时随着凝结的进行，料液的浓度不断相对地增加，使没有凝结的部分黏度上升，黏度增加能使溶液中分子扩散能力相应地减弱，这样就阻碍晶体的活动。结晶缓慢，但会造成普遍结晶，产生无数细小的晶体。
4. 冰淇淋的物理结构
冰淇淋的物理结构极为复杂，它是由气相、液相与固相三相组成的。在气相中，气泡包含着冰结晶，均匀分散在冰淇淋的液相中，冰结晶由水凝结而成，平均直径为4.5～5μm，冰晶之间的平均距离为0.6～0.8μm；在液相中，固态超微粒的蛋白质与部分不溶性盐类，又均匀分布于呈溶液状的砂糖、乳糖、可溶性盐中。因此，冰淇淋是一种以可塑性的泡沫乳浊液结构为主要特征的三相多分散体系。冰淇淋中所含的空气泡肉眼无法看到，只有在高级显微镜下才能观察到。这些气泡的直径为10～120μm，在这种条件下，冰淇淋的膨胀率要达到100%是没有问题的。
水和气是冰淇淋的重要组成，但容易被忽视。水是连续相，可以液态、固态或液固共存状态存在。冰淇淋中的水分来自液态乳制品和添加的水分。添加的水分需要经过净化处理。空气分布在由液态水、冰结晶或固化的脂肪球组成的水-油（脂肪）乳化液中。水和气的界面是通过未冷冻物料的薄膜来稳定的。脂肪球的界面覆盖一层乳化脂的物质。
冰淇淋中的空气有重要的意义。空气影响着产品的质量，影响产品利润。有些冷冻机使用空气过滤器来保证空气的质量。有研究者将液氮注入混合料进行冷冻。也有将CO2注入冰淇淋，取代空气，得到优质的产品。
冰淇淋的质地细腻与否与冰结晶体的大小和形状有关。由于冰淇淋料液中含有65%左右的水分，当凝冻到达水的冰点时，在冰淇淋半固态阶段的后期，冰淇淋中出现结晶是不可避免的。冰结晶体的大小与其排列形状有关，而冰结晶体的形态又与凝冻速度的快慢有关，若凝冻速度缓慢，则料液内的水分子有足够的时间形成六角形晶体；若凝冻速度加快，则料液中的水分子形成不规则的树枝形晶体；当凝冻速度再高时，料液内的水分子又会形成球形晶体；在极高的凝冻速度下，水分子形成细微的球形晶体。在正常的生产条件下，冰淇淋中的结晶体就是在后一种条件下形成的。冰淇淋内的水的结晶体越小，其形体就越光滑。有经验的技师与工程技术人员根据凝冻冰淇淋的表面状态，即光滑或毛粗程度，就能够辨别出冰淇淋凝冻质量的好坏。
5. 凝冻温度
冰淇淋混合原料的凝冻温度与含糖量有关，而其他成分则影响不大。
混合原料在凝冻过程中的水分冻结是逐渐形成的。在未冻结部分中的水分中，糖的浓度越高，其冰点越低，则有更多的水结成冰晶。
因此，冰淇淋凝冻时水分越多，硬化则越困难。在降低冰淇淋温度时，每降低一度，其硬化所需的时间就可缩短10%～20%，但凝冻温度不得低于-6℃。因为温度太低会造成冰淇淋不易从凝冻机内放出。
如果冰淇淋的温度较低和控制制冷剂的温度较低，则凝冻操作时间可缩短，但其缺点为所制冰淇淋的膨胀率较低，空气不易混入，而且空气混合不均匀，组织不疏松，缺乏持久性。
如果凝冻时冰淇淋温度高，非脂乳固体含量多，含糖量高，稳定剂含量高等均能使凝冻时间过长。其缺点是：成品组织粗并有脂肪微粒存在；冰淇淋组织易发生收缩现象。
6. 凝冻机
凝冻机是冰淇淋制造工程最重要的设备。工业用冷冻机，有间歇式和连续式两种。就冷冻方式而言，有夹层冷盐水式以及利用氨、氟利昂R-22等冷媒蒸发带冷却夹层直接膨胀冷冻式两种。
凝冻机的作用：将混合料的成分与添加物混合均匀；将混合料冷却到适合灌装、包装的温度与硬度，冷冻为半固体状；使制品凝冻、组织细腻，混合料中的水分40%～50%形成冰结晶为标准，低温凝冻机的冰结晶可达70%～75%；保证适当的膨胀率。
（六）冰淇淋的膨胀率
1. 冰淇淋的膨胀
冰淇淋的膨胀是指混合原料在凝冻操作时，空气被混合入冰淇淋中，成为极小的气泡，而使冰淇淋的体积增加而言，这种现象称为增容。此外，因为凝冻的关系，混合原料中绝大部分水分的体积亦稍有膨胀。冰淇淋的膨胀率，则系指冰淇淋体积增加的百分率而言。
冰淇淋体积膨胀的作用，可使混合原料凝冻与硬化后得到优良的组织与形体，其品质比不膨胀或膨胀不够的冰淇淋适口，且更为柔润与松散，又因空气中的微泡均匀地分布于冰淇淋组织中，有稳定和阻止热传导的作用，可使冰淇淋成型硬化后较持久不融化。但如果冰淇淋的膨胀率控制不当，则得不到优良的品质。膨胀率过高，则组织松软；过低时，则组织坚实。由于空气以极微小气泡的形式均匀分布于冰淇淋组织中，空气是热的不良导体，热传导作用大大降低，使产品抗融化作用大大增强，在成型后持久不融，提高了稳定性。
冰淇淋制造时应控制一定的膨胀率，以便使它能具有优良的组织和形体。表6-18列出了冰淇淋制品的膨胀率。
表6-18 冰淇淋制品的膨胀率 单位：%
冰淇淋的膨胀率按其体积增长量与开始形成体积之间关系来决定。冰淇淋混合原料及体积增加曲线如图6-40所示。曲线（1）为凝冻过程混合原料的温度曲线；曲线（2）为凝冻过程混合原料的体积增加曲线。
膨胀率的计算公式为：
式中 B——膨胀率，%
VI——冰淇淋的体积，L
VM——混合料的体积，L
图6-40 冰淇淋混合原料凝冻及体积增加曲线
如以质量进行计算，则计算公式如下：
式中 B——膨胀率，%
mI——1L冰淇淋的质量，kg
mM——1L混合原料的质量，kg
2. 影响冰淇淋膨胀率的因素
在制造冰淇淋中适当地控制膨胀率，是凝冻操作中的重要环节。为了达到这个目的，对影响冰淇淋膨胀率的各种因素，必须加以适当地控制，现将影响膨胀率的因素叙述如下：
（1）乳脂肪 乳脂肪含量与混合原料的黏度有关，如其含量多，则黏度高，影响空气的吸入。黏度适宜凝冻搅拌时空气容易混入。
（2）非脂乳固体 混合原料中非脂乳固体含量高，能提高膨胀率。但非脂乳固体中的乳糖结晶，乳酸的产生及部分蛋白质凝固，则会降低冰淇淋的膨胀率。
（3）糖分 一般生产中，都需要添加糖分，其含量约为16%～18%。混合原料中糖分含量过高，可使冰点降低，凝冻搅拌时间加长，有碍膨胀率的提高。
（4）稳定剂 如用量适当则能提高膨胀率；但其用量过高，则黏度增强，空气不易混入，而影响膨胀率。
（5）乳化剂 适量的鸡蛋白，可使膨胀率增加。
（6）混合原料的均质 适当的均质压力，一般都在14.7～17.6MPa，对改善冰淇淋的组织状态有很大的关系。压力过低，脂肪乳化效果不好，就会影响产品的质地和外观。压力过大，会使混合料的黏度增加，凝冻时空气不易混入，为了达到适宜的膨胀率，则需延长凝冻搅拌时间。另外在均质时温度高于80℃，则会促进脂肪聚集，造成膨胀率的下降。
（7）混合料的老化 老化的适宜温度是在2～4℃，保持一定的时间，进行物理成熟，目的在于使蛋白质、脂肪、凝结物和稳定剂等物料充分水化溶胀，提高黏度，利于凝冻搅拌时提高膨胀率，改善冰淇淋的组织结构。
（8）混合原料的凝冻 凝冻操作是否得当，对于冰淇淋的膨胀率有密切关系。如果凝冻时，冰淇淋温度较低，控制制冷剂的温度也较低，则凝冻时间也会相应的减少，导致冰淇淋的膨胀率降低。其他如凝冻搅拌器的结构及其转速对膨胀率同样有密切关系，故要得到适宜的膨胀率，除控制上述因素外，尚需有丰富的操作经验或采用仪表控制。
（七）冰淇淋的成形、硬化与贮存
1. 冰淇淋的成形
凝冻后的冰淇淋，为了符合便于贮藏、运输以及销售的需要，根据销售的要求进行分装成形。不经成形的冰淇淋可以作为软质冰淇淋销售。冰淇淋的成形较为简单。包装容器有纸质和塑料两类。而成形的形状有砖状、杯状、块状、锥状、带棒块状、异形状等多种。
关于冰淇淋的分装成型，系根据所制产品品种形态要求，采用各种不同类型的成型设备来进行的。冰淇淋成型设备类型很多，目前我国常采用冰砖灌装机、纸杯灌装机、小冰砖切块机、连续回转式冰淇淋凝冻机、异形冰淇淋灌装机、双色冰淇淋灌装机等。
2. 冰淇淋的硬化
为了保证冰淇淋的质量以及便于销售与贮藏运输，因此已凝冻的冰淇淋在分装和包装后，必须进行一定时间的低温冷冻过程，以固定冰淇淋的组织状态，并完成在冰淇淋中形成极细小的冰结晶过程，使其保证一定的松软与硬度，此称为冰淇淋的硬化。
经凝冻的冰淇淋必须及时进行快速分装，并送至冰淇淋硬化室或连续硬化装置中进行硬化。冰淇淋凝冻后不及时进行分装和硬化，则表面部分的冰淇淋易受热融化，如再经低温冷冻，则形成粗大的冰结晶，降低品质。
冰淇淋硬化的情况，对品质有着密切的关系。硬化迅速，则冰淇淋融化少，组织中冰结晶细，产品细腻润滑；若硬化迟缓，则部分冰淇淋融化，冰的结晶粗而多，成品组织粗糙，品质低劣。
（1）硬化设施 冰淇淋的硬化设备因企业的规模、条件不同，而采用不同的形式。
①速冻室：速冻室的温度一般保持在-25～-23℃。速冻室根据冷却的氨盘管摆设方法不同，分为天棚盘管式、水平棚盘管式、垂直盘管式、强制通风单元冷却器等。强制通风单元冷却器，是将氨盘管按箱形紧凑地排列，空气由其间通过被冷却到-40～-35℃，经高速螺旋风扇排入硬化室。最近工厂多采用这种方式。包装好的制品堆放于速冻室中时要使其四周完全置于流动的冷空气的包围之中。
②速冻隧道：在大批量生产的工厂，为了加速硬化和保证产品质量，可采用快速冻结设备——速冻隧道硬化室。冰淇淋制品经传送带送入冷冻隧道，隧道内装有高能力的冷冻蒸发器，并配备高速风扇，保证冷空气按一定的速度吹过需要硬化的产品。图6-41为螺旋式速冻隧道。
③液氮：液氮的沸点为-195.5℃，对食品的冷冻很有效。氮气在化学上是不活泼的气体，所以也无制品的变化及危险性。
冰淇淋的冷冻硬化使用液氮时，冷冻快速组织良好；并能适应制品的多样化。硬化的方式有液氮喷雾法、浸泡法等。目前实用的为喷雾法。液氮价格较贵，但冷冻设备本身不需要动力，设备费用较低。冻结1kg的食品约需液氮0.8～1.2kg。
灌装于一定容器的-3℃的冰淇淋，从硬化装置的入口到出口，冰淇淋的温度可降至-16℃左右，时间为7～8min。
图6-41 螺旋式速冻隧道
④盐水硬化设备：利用冷冻盐水为载冷剂，放入盐水槽中，另将待硬化冰淇淋置于盐水槽中，使其降温而硬化，其冷冻温度为-25～-30℃，硬化时间为12～16h。
⑤冰盐硬化设备：碎冰块占75%、盐占25%的冰盐混合物，可获得-17.8℃的低温，将待硬化冰淇淋置于这种冰盐混合物中，也可以达到要求，其硬化时间约为14～18h。
此外，也有采用固体二氧化碳（干冰）进行冷却的，因其融化后变成二氧化碳而分散，没有融化水，在贮藏运输等方面都比较方便。
（2）影响冰淇淋硬化的因素 冰淇淋在硬化过程中的硬化时间取决于以下几个因素：
①冰淇淋的品种、包装规格、大小：如大冰砖在同一条件下比中冰砖硬化时间长一些，而50～100g的纸杯冰淇淋硬化时间比中冰砖快些。包装容器的导热性也是影响硬化的重要的因素。包装后，导热性差，硬化时间长。成形的尺寸越小，传热越快，越容易达到速冻要求。表6-19列出了在速冻室中不同硬化条件、不同分装形式的硬化时间。
表6-19 冰淇淋的硬化时间（空气温度：-22℃） 单位：h
②速冻室中冷空气的流动方式：无鼓风装置的为自然对流，速冻时间长；有鼓风装置的为强制对流，速冻时间短。
③强制对流的循环速度：如室内空气流速为1m/s，中冰砖硬化6～8h；如室内空气流速达3m/s，只需要3～5h。
④制品堆装方式：堆装时，箱与箱之间要有一定的距离，最好间隔2～4cm，不宜过于紧密，否则也会影响速冻效果。
⑤由凝冻机流出的冰淇淋温度高0.5℃，硬化时间约增加10%～15%。
⑥混合料中脂肪含量低、冰点高则硬化时间缩短；反之，硬化时间延长。
⑦膨胀率增加，所含气泡多，降低传热系数，硬化有略微增加的趋势。
3. 冰淇淋的贮藏
硬化后的冰淇淋可以立即销售；也可从硬化设备输出后，应立即装箱，运至冷库贮藏，贮藏时间一般不超过10d。待检验合格即可作为成品投放市场销售。
冰淇淋的贮藏温度以-20℃为标准，库内的相对湿度为85%～90%，产品贮藏时的库温不可忽高忽低。若达到-18℃以上时，则冰淇淋的一部分冻结水分溶解。再降低温度时，组织状态明显粗糙化；更有甚者，由于温度变化促进乳糖的再结晶与砂状化。冷库蒸发器设计为单、双排顶管和墙管。如能采用氨泵强制供液，则蒸发器的传热系数提高，蒸发面积可以减少，以节约初装费。产品堆放时要注意分期、分批和品种的不同。堆放的高度一般不超过1.2～1.4m。为了提高库位的利用率，在库的周围和中间设堆货木架。库中设有回笼间、风幕等设施。
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