冰淇淋凝冻原理研究

摘 要: 阐述了冰淇淋凝冻的作用原理、介绍了混合料中各组分在凝冻过程中的状态变化过程和影响凝冻工艺的因素。

关键词: 冰淇淋 凝冻 原理

中图分类号: T52文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-037-02

1846年,南希??约翰发明了世界上第一台曲柄冰淇淋机,冰淇淋搅拌凝冻的工艺就此形成。在之后的一百多年里,这种美味的食品风靡全球,成为了广大消费者最喜欢的现代食品,然而不论加工冰淇淋所有的原料和设备如何更新,凝冻却始终都是冰淇淋生产中最为关键的环节。

1 凝冻:是冰淇淋生产中最重要的工序之一,是冰淇淋的重量、口感、产量的决定因素

凝冻是将配料、杀菌、均质、老化后的流体状混合料在强制搅刮下进行冰冻,使空气以极微小的气泡状态均匀分布于全部混合料中,在体积逐渐膨胀的同时,由于冷冻而形成半固体状的过程。凝冻使冰淇淋中的水分在形成冰晶时呈微细的冰结晶,这些小冰结晶的产生和形成对于冰淇淋质地的光滑、硬度、可口性及膨胀率来说都是必须的。

2 凝冻在冰淇淋生产中的作用

(1)使混合料更加均匀 为老化阶段添加的香精、色素的均匀混合做好搅拌工作。

(2)赋予冰淇淋好的组织状态和口感 在搅拌、刮刀和低温的作用1下使只能生成4～10μm的均匀小冰晶。从而产生冰淇淋细腻的组织、优良的形体和滑润的口感。

(3)改善产品的膨胀率 一边使液态脂肪被凝固的冻结物包裹一边混入均匀的空气,使冰淇淋的体积增加、质地变松软,适口性提高,同时获得适合的膨胀率。

(4)提高产品稳定性 大量被冻结的小冰晶减少了自由水,混入的空气降低了导热性,从而大大增加了冰淇淋的抗融性。

(5)加快硬化速度 经过预冻结的料液迅速形成半凝固流体,有助于快速硬化成型。

3 凝冻的原理

凝冻过程的第一阶段是当经过老化的物料进入凝冻筒时,物料在低温的条件下显热被迅速吸收,物料温度在2分种以内从老化温度开始迅速下降至冰点的过程。这一段物料被搅打,产生了大量的气泡,脂肪开始聚集,一些脂肪团簇被打开。接下来的阶段随着温度下降至冰点以下,混合料中的纯水开始结冰,刚刚结成的冰层结构又时时被凝冻筒刮下破坏为冰屑,在新产生的冰体系不断完善的过程中,脂肪、气泡很快被包裹、冻结在冰屑层之中。随着自由水的不断减少可溶成分的浓度不断上升,这时温度的下降变得缓慢,但冰点一直在下降,在连续性凝冻机中大量细小的冰晶和空气泡不断生成,液态脂肪被包裹在多壳层固态脂肪表皮之中,少量的显热和大量的潜热连续被放出。在剩余物料浓度上升自由水减少和冰点下降的两个作用下,最终物料达到一种暂时的平衡,即在凝冻筒的环境温度下冻结达到极限,这时出料温度大约在-4℃~-9℃约有33%~67%的水被冻结。而剩余水还将存在于膨化的料液之中。这时的膨化料将成为软质冰淇淋的基础,经过凝冻的冰淇淋形成了一个非常复杂的系统: 0. 5～1μm左右的脂肪球,在凝冻过程中,空气进入混合料液中叫做“膨化”,膨胀率可控制在60 %～130 %之间。凝冻后的冰淇淋是一个充满平均直径为100μm 的空气泡的泡沫体,在一个连续玻璃态的糖浆相中,包含着平均直径大约30μm 的冰晶,非脂乳固体12 %;蔗糖14 %;固态玉米糖浆3. 73 %;稳定剂0. 22 %;总固体40. 05 %。

4 凝冻过程中混合料各组分的状态

(1)脂肪:脂肪球因机械搅拌,频率碰撞增加,从而聚集成脂肪集簇;未冻结的物料占有的空间减小,大量冰晶体的剪切作用将脂肪球切割、挤压变形,并将部分熔点低的脂肪排挤到脂肪球外;脂肪球的内侧粘度增加,乳化剂的亲油基团失去流动性,一些乳化剂结晶或同脂肪共结晶,降低了乳化剂的流动性,使膜的流动性发生变化,脆性增加,濒临破坏,脂肪被不断固化;最终在冻结和机械的双重作用下,导致脂肪球膜破坏,通过熔点低脂肪的粘结作用,形成葡萄串珠状脂肪链,从而构成了冰淇淋的骨架结构。

(2)蛋白质: 凝冻过程中大量的水冻结成冰,使脂肪球膜上的蛋白质部分脱水加之老化后期大量蛋白质解吸脱附,导致乳化剂与蛋白质之间的络合结构被破坏;随着凝冻过程中混合料温度的降低,未冻结相中可溶解成分的浓度有所提高, 使无机盐平衡发生改变,相应提高了阳离子活度,降低了胶体的表面电位,导致蛋白质出现聚结现象。而由蛋白质包覆的脂肪球,由于蛋白质之间的相互作用出现碰撞和粘附,从而形成以蛋白质为联接方式的第二类脂肪簇。从而提高了冰淇淋的奶油感。

(3)糖:在凝冻过程中,由于大量水冻结成冰,相应提高了蔗糖、乳糖、果糖等糖类的浓度,使其粘度迅速提高。当粘度较高的物质迅速冷却、且存在多种分子种类和存在络合物的分子结构时,很容易形成玻璃态。而在冰淇淋的凝冻过程中上述条件均已具备,因而可以认为凝冻过程中的糖类是以玻璃态的形式存在的。同时,对冷冻温度低于- 30 ℃的冰淇淋进行X 射线的衍射分析,糖以无定状态存在,这是充分的论据,因为在凝冻期间如果糖以结晶状态存在,则不可能在硬化过程中形成玻璃态。

(4)空气:在混合料进入凝冻筒之前,空气同时混入其中,膨胀率开始增大,冰淇淋一般含有50%体积的空气,由于转动搅拌器的机械作用,空气被分散成小的空气泡,直径在20~100μm,根据稳定剂和空气膨胀阀的不同使用方式,膨胀率还可做不同调节,一般典型直径为50μm。空气在冰淇淋内的分布越均匀,质构上就越光滑,成品的口感也就越好。而良好的空气分布对于冰淇淋的抗融性和贮藏稳定性有着极大的影响。

(5)水在凝冻中的变化:凝冻过程中混合料中的纯水不断被冻结成冰晶,在成核作用的影响下物料中的游离水以冰晶核为中心形成细小冰晶体不断的生长,冰晶体的生长速率和冰晶核的成核速率显著加快时,可形成细小且众多的冰晶体,构成细腻、柔和的冰淇淋质地;当温度冰点下降接近出料温度时,冰晶核的成核速率仍很高,而冰晶体的生长速率减小了许多,得到最柔和细腻的冰淇淋质地。

冻结初期随着温度的降低,水的冻结比例增长较快,几乎呈线性关系;但随着温度的进一步降低,曲线趋于平缓,糖类和盐类对冻结的影响显得更加突出,水冻结比例增长缓慢。从曲线可知,当凝冻机出料温度为- 5 ℃时,将近50 %的水已冻结为冰,出料温度为-9℃时,冻结水约为67%。

5影响凝冻效果的因素

(1)凝冻出料温度越低,冻结速度越快,冰淇淋口感越好

出料温度越低冰晶生成速度越快,生成的冰晶越小,口感越细腻,味道保持越好,尤其在冰晶成核之后冰晶增长很快但很小。当然,凝冻温度过低,能耗过大,冻结过快,空气混入的时间较短,冰淇淋的膨胀率低;温度过高,则凝冻缓慢,生产效率低下,冰淇淋产品的组织粗糙,且易收缩。

(2)固形物越多,被冻结水分越多,膨胀率越小,口感发硬,抗融性较差。当固形物含量少时,冰点较高,大部分水分结冰,可冻入气体体积减小,将极大地影响到成品的口感和巧克力涂挂性能。膨胀率低的产品,冻结较实较硬,巧克力图案很难均匀分布。固形物过多,尤其是糖类过多,会降低影响水分冻结点,影响水分冻结,不可加多。

(3)凝冻机刮刀锋利程度、空气阀开启程度、搅刮器转速和操作工经验都对产品性能有所影响。

(4)混合料成分及其均质、老化效果也会影响凝冻效果。经过有效均质的产品可以提高凝冻效果并缩短凝冻时间。不同混合料成分也对凝冻工艺有不同要求。

6结束语

凝冻过程是关系到冰淇淋品质的至关重要的一环,加深对凝冻工序的认识,将有助于改进现有冰淇淋研发工艺,开发出更加美味可口的冰淇淋产品。

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