均质在食品工业中被广泛用于稳定乳状液，并改善许多产品的质地、口感和风味，包括牛奶、奶油和冰淇淋混合物。均质化导致分散相的尺寸减小和固体或液体颗粒数量增加。在这个过程中，流体同时受到几种力诱导的现象，如空化、湍流、剪切、摩擦、热、压缩、加速、快速压降和冲击(Phips，1975；Fellows，1988；Paquin，1999；Frigy等人，2000；Roach和Harte，2008)。所有这些力量都随着压力的增加而显著增加。为此，均化技术已经从工作在低于50Mpa(常规压力，CP)的系统发展到工作在高达200Mpa的装置[高压(HP)和超高压均化(UHP)；Floy等人，2000、2002、2003；Desruaux和Marcand，2002；Sandra和Dalgleish，2005；Bouaouina等人，2006；Roach和Harte，2008]。
幽门螺杆菌均质化所涉及的力可能会对食物大分子(脂肪、蛋白质和多糖)产生不同的影响。对于脂肪，均化过程导致较小的脂肪小球和更均匀的尺寸分布，从而限制了相分离的速度。平均脂肪滴大小(D)随着压力(P)的增加而减小，遵循d∝P−m的指数关系，m与施加的压力和系统的脂肪含量有关(菲普斯，1975年；凯斯勒，1981；弗雷等，2000年，2003年；德鲁莫和马尔坎德，2002年)。据报道，在分散相分数较低的乳状液中，m值等于0.6，而在脂肪含量较高时，m值会降低(Fredy等人，2000年)。
关于牛奶蛋白，很少有文献研究动态幽门螺杆菌的均质效应。在油乳剂中，在HP处理>200Mpa后，β-LG和α-LA的一级和二级结构没有观察到变化(Subirade等人，1998年；pa金，1999年；德鲁莫和马尔坎德，2002年)。然而，有人提出，蛋白质结构是通过治疗后略有不同的相互作用而稳定的(Subirade等人，1998)。相比之下，Bouaouina等人(2006年)没有观察到α-LA和β-LG在溶液中的天然结构发生显著变化。关于酪蛋白，已发现可根据施加的压力通过高压均质处理改变其胶束大小(Hayes和Kelly，2003；Sandra和Dalgleish，2005；Roach和Harte，2008)。
关于多糖，Paquin(1999)发现，由于生物聚合物不可逆转的破坏，均质后黄原胶的平均相对分子质量降低。随后观察到了流变性的变化。同样，HP均质处理显著降低了甲基纤维素的平均相对分子质量。被破坏的分子稳定的乳液被发现失去了其剪切变稀行为，并经历了粘度的大幅下降(Flowy等人，2003年)。
冰淇淋是一个多组分系统，其中气泡、冰晶和脂肪球分散在由糖和多糖、牛奶蛋白和盐组成的冷冻浓缩的连续水相中(Goff，1997；Muse和Hartel，2004)。冰淇淋的奶油、质地和融化行为受到冷冻过程中不稳定的脂肪小球部分聚集的强烈影响(马歇尔和阿巴克尔，1996；Goff，1997；Goff等，1999)。脂肪小球的不稳定是通过膜的修饰来促进的，而膜被均质化分解。随后脂肪球膜的重排首先随着乳蛋白的吸附而发生，乳蛋白随后被乳化剂部分取代。新的重组膜变得更弱，因此对冻结剪切力的稳定性大大降低。这有利于不稳定的脂肪球的部分结合，导致稳定气泡和泡沫结构的网络(马歇尔和阿巴克尔，1996；Goff，1997)。
冰淇淋混合物中使用的均质压力通常在6到20Mpa之间，这取决于脂肪含量(马歇尔和阿巴克尔，1996)；关于这些CP的大量文献(Schmidt和Smith，1988,1989；Koxholt等人，2001；Goff，2002等)。高压和超高压最近才在冰淇淋混合物上进行了测试，发表的文章很少(Hayes等人，2003年)。
冰淇淋混合物是一种水胶分散体，根据热力学不相容的概念，蛋白质和多糖的浓度高于相分离阈值，决定了两相水体系(Tolstoguzov，2003)。相分离体系的凝胶化可能导致凝胶充满液体或凝胶状分散颗粒。凝胶是一种多组分体系，具有大量的液体，但表现出类似固体的行为。冰淇淋混合物可以被认为是乳化填充的凝胶；也就是含有分散的脂肪颗粒(填充物)的大分子凝胶。后者可能表现出不同的填料-凝胶基质相互作用，强烈影响结构和流变性(van Vliet，1988)。关于不同均质压力对这种复杂结构的影响，目前还没有文献可用。
在结构方面，分子和生物聚合物的构象和功能性质之间的相互作用类型可以通过稳态剪切流动和动态测试等流变学分析来获得。
本研究的目的是研究不同均质压力对混合冰淇淋中脂肪球大小和分布的影响，以及对混合冰淇淋的结构-性质关系的影响。为此，对不同脂肪含量(5%和8%)的混合物进行了动态光散射、稳态剪切和动态流变学分析，这些混合物在15/3和97/3 MPa下均质，然后在4℃下老化4和20h，并以未均质的混合物为对照。
2.1 配料和冰淇淋混合配方
以下成分被用于制备冰淇淋混合物：商业均质和巴氏杀菌的全脂牛奶和奶油(35%脂肪)和蔗糖(均在当地市场购买)，麦芽糊精(Natural World S.r.l，意大利拉文纳)，30葡萄糖当量葡萄糖(法国Cerestar，Hauboldin Cedex)，脱脂奶粉(Bayerische MilchIndue，德国兰德休特)，浓缩乳清蛋白(Borculo Domo配料，Zwolle，荷兰)，羧甲基纤维素(Comiel r.l，意大利米兰)，瓜尔胶(印度口香糖工业有限公司，印度孟买)，刺槐豆胶(LBG Sinilia s.r.l.，Ragusa，意大利)和脂肪酸单甘酯和双甘酯(Natural World s.r.l.)。制备了两种配方，分别含有5%和8%的脂肪。表1报告了它们的总体构成。
2.2 冰激凌混合加工
将干原料混合在一起，加入65℃的液体原料(牛奶和奶油)中，然后在82℃下巴氏杀菌8分钟，并分成3等份。一部分没有均质(CON)，其余两部分立即在2级模式均质机(Panda 2K，Niro Soavi S.p.A.，Parma，意大利)中均质。常规均质(CP)在一次压力15 Mpa和二次压力3 Mpa、入口温度65~70℃下进行，高压均质(HP)在97 Mpa和3 Mpa、入口温度45~48℃下进行(Hayes等人，2003年)。所有样品的出口温度都不超过80℃。CON、CP和HP混合样品冷却到4℃，在不搅拌的情况下老化4和20h。
2.3 粒度分布分析
使用Nicomp 380 ZLS分析仪(位于加利福尼亚州圣巴巴拉的颗粒大小系统Nicomp)，通过动态光散射法测量混合样品的粒度分布。所有混合样品用解离介质(1%重量/体积十二烷基硫酸钠的水溶液；德国施泰因海姆的Sigma-Aldrich)稀释1：1000。测量参数为恒温25℃、折射率1.333、散射角90°(Con和CP混合样品)和170°(HP样品)。数据整合时间超过3min。对于尺寸分析，使用Nicomp体积加权分布。
2.4 显微结构
采用差示干涉对比模式，在室温下使用光学显微镜(Axiophot，Carl Zeiss，Oberkochen，德国)获得了冰淇淋混合物的放大倍数(1000倍)。样品被放在玻璃显微镜载玻片上，盖上一张玻璃盖片，立即被观察到。
2.5 流变学分析
流变试验通过受控应力流变仪(StressTech流变仪，Reologica Instruments AB，瑞典隆德)在4.0±0.2℃下进行，采用锥板传感器几何形状(锥角4°，直径40 mm)。分析前，将样品放入流变仪中休息5分钟，以使加载过程中产生的应力松弛。
2.6 定常剪切流
在剪切速率从152.5 s⁻¹到0.3160 s⁻¹的范围内，测定了稳定的剪切流动曲线。剪切变薄的样品采用幂定律方程，屈服应力的样品采用Herschel Bulkley方程(Stress Tech2.24软件for Windows，Reologica Instruments AB)。表观粘度(ηAPP)以20s⁻¹的剪切速率测定。
2.7 动态振荡测量
线性粘弹性区域由固定频率为1赫兹的应力扫描确定。力学谱在0.1-10赫兹的频率范围内进行，在线性粘弹性区域内的剪切应力下进行。
2.8 统计分析
对于每个混合样品，至少独立进行3次实验，所有分析至少对样品进行3次。因此，显示的数据是至少9个值的平均值。两均数比较采用t检验，多重比较采用单因素方差分析(F检验)和Tukey’s诚实显著性差异检验。在这两种情况下，平均值之间的差异被认为是统计学意义上的P值<0.05。使用统计发现JMP 3.0 for Windows软件(SAS Institute Inc.，Cary，NC)进行所有统计分析。
3.1 颗粒大小分布
例如，图1显示了CON、CP和HP均质冰淇淋混合物的粒度分布。CoN样品呈双峰分布，主要颗粒群在1,000 nm以上，第二群颗粒在约100-150 nm处(图1A)。CP和HP样品的特征都是单峰分布，相对于CON的主要基团，平均直径较小(图1B，C)。在CON混合物中，主要的组被归因于来自牛奶和奶油的脂肪小球，而据推测，第二组指的是酪蛋白胶束。事实上，商业牛奶在20和10Mpa下均质，然后进行超高温处理，会导致酪蛋白胶束直径在110到270纳米之间(García-Risco等人，2002年)。此外，据报道，酪蛋白胶束只在100Mpa的均质压力下分解(Roach和Harte，2008年)。冰淇淋混合物的CP处理可能会使酪蛋白胶束解聚，因为混合物的粘度比市售牛奶和奶油高。事实上，据报道，随着介质粘度的增加，所产生的压力也会增加(菲普斯，1975)。此外，酪蛋白也可能被CP和HP后产生的新表面积吸附到脂肪上。
图1.A)未均质(CON)；B)在15和3Mpa压力(CP)下均质；C)在97和3Mpa压力(HP)下均质。
如图2所示，尽管用作原料的牛奶和奶油已经进行了工业均质，但均质后脂肪球的平均直径减小了。如上所述，对于酪蛋白胶束的消失，由于混合物的粘度较高，传统的混合物均质将导致相对于CON混合物的脂肪球尺寸进一步减小。此外，尽管CP使平均直径持续减小，但HP仅引起较小的额外减小。众所周知，脂肪小球的大小与施加的压力呈指数关系变化(Kessler，1981；Flowy等人，2000)。在大多数情况下，含有5%脂肪的均质混合物比含有8%脂肪的混合物显示出更小的球状颗粒。事实上，脂肪含量被发现影响了平均直径和均质压力之间的关系，随着脂肪含量的增加，指数的绝对值降低(Kessler，1981；Flowy等人，2000)。Gelin等人也观察到，不同的老化时间对球体大小分布没有影响(1994)和Alvarez等人(2005)。Gelin等人(1994)将这种差异的缺乏归因于这样一个事实，即在老化过程中，脂肪球膜不会出现明显的不稳定，直到冻结发生，以及随之而来的物理变化。
图2. CON=未均质；CP=在15和3 Mpa压力下均质；Hp=在97和3 Mpa压力下均质。不同脂肪含量组内进行统计学分析(Tukey’s HSD检验，P<0.05)，小写字母为5%脂肪含量混合物，大写字母为8%脂肪含量混合物。星号标记统计学上不同的配对(学生t检验，P<0.05)。
3.2 显微结构
图3显示了脂肪含量分别为5%和8%的CON、CP和HP混合物的微观结构。球状元素是脂肪颗粒，与CON混合物相比，CP和HP样品中的脂肪颗粒较小。尺寸的进一步减小并不像用动态光散射测量时那样明显。脂肪含量为8%的HP样本显示出更明显的三维结构。
图3. CON=未均质；CP=在15和3 Mpa压力下均质；Hp=在97和3 Mpa压力下均质。放大倍数1,000×；比例尺=25μm。
3.3 定常剪切流行为
通过恒定剪切流的测定，可以确定作为剪切速率函数的剪切应力曲线。图4显示了5%和8%脂肪冰淇淋混合物放置4和20h的典型的稳定剪切流动曲线。所有样品都是非牛顿的。Con和Cp样品均为剪切变稀，符合幂定律方程(R²=1)。HP样品表现出屈服应力，其特征行为符合Herschel-Bulkley方程(R²=0.999)。在剪切变稀体系中(n<1)，分散的颗粒可能解聚或朝向流动方向，阻力相对较小(Lapasin和Pricl，1995；Aguera和Stanley，1999)。脂肪球和稳定剂(刺槐豆胶和瓜尔豆胶)可能对混合物的剪切变稀行为负责(Cottrell等人，1980；Goff等人，1994)。关于HP混合物，图5中报告的剪切应力与剪切速率的对数曲线使这些样品的塑性行为得到进一步突出(Lapasin和Pricl，1995)。在有屈服点的系统中，网络结构必须在流动之前被打破。更高的屈服应力值标志着8%的脂肪混合物(图4)，这表明系统结构更牢固，根据Rao(2007)的说法，乳状液更稳定。特别是，平均屈服应力值从5%脂肪的HP混合物的约20pa增加到8%脂肪的HP混合物的约80pa。一般来说，屈服应力的大小随着颗粒体积分数的增加、颗粒尺寸的减小和颗粒间作用力的增大而增加(Poslinski等人，1988；Genovese等人，2007)。5%脂肪样品(图4)的流动曲线随着老化而改变，并观察到向更高应力值的转变。同样，5%脂肪CON和CP混合物在20s⁻¹时的表观粘度在老化20h后显著增加(表2)。这是意料之中的，因为老化过程中蛋白质和稳定剂的水合会导致粘度增加(马歇尔和阿巴克尔，1996；戈夫，1997)，可能是因为蛋白质从表面移回血清相。在5%脂肪的HP混合物或任何8%的脂肪混合物中都没有观察到老化效应。后者具有更大的表面积，因此吸附了更多的蛋白质，从而产生了更快的稳定效果。
图4.CON=未均质；Cp=在15和3 Mpa压力下均质；Hp=在97和3 Mpa压力下均质。
CON=未均质；CP=在15和3 Mpa压力下均质；Hp=在97和3 Mpa压力下均质。内矩形：Lapasin和Pricl(1995)报告的理论剪切变薄(A)和塑性(B)行为。
表2 5%脂肪和8%脂肪混合冰淇淋在均质和未均质条件下陈化4小时和20小时后的表观粘度(Pa.s；剪切速率：20 s⁻¹)的平均值和标准差
对于5%脂肪和8%脂肪样品，CP的表观粘度低于CON，而HP的表观粘度高于CON(表2)。Schmidt和Smith(1989)观察到在CP下均质的混合物的粘度降低，接近于本研究中使用的值。这些作者将粘度的降低归因于脂肪球大小的变化。对于较小的脂肪小球，内部阻力小于较大的脂肪小球或线性球状小球。正如Hayes等人报告的那样，高压均质导致混合物的ηAPP显著增加(表2)(2003)，他将粘度的增加归因于更多的被吸收的蛋白质或更紧密地堆积在油-水界面上的蛋白质。加工后的粘度变化在高脂肪含量的样品中更加明显，这些样品的初始ηAPP也更高。同样，Hayes等人(2003)报告说，与5%的脂肪混合物相比，8%脂肪的HP和CP混合物的粘度更高。他们还报告了5%脂肪HP和8%脂肪CP冰淇淋混合物的类似粘度。在目前的情况下，5%脂肪HP混合物的粘度与8%脂肪CON混合物的粘度相当。这种差异可以归因于本研究中使用的混合配方，这与Hayes等人的不同(2003)，主要是因为稳定剂和乳化剂的数量较多。
3.4 动态特性
力学谱在0.1至10赫兹的频率范围内进行，在线性粘弹性区域内的剪切应力下(以前由频率应力扫描确定)。对于HP处理的样品，线性粘弹性范围更宽，并且具有更高的应力值(数据未显示)。临界变形，即表征线性粘弹性极限的最大应变，总是小于约6%。在文献中，据报道，对于强凝胶，线粘弹性应变大约为20%，而对于弱凝胶，线粘弹性应变通常小于5%，但可以小得多(高达1000倍；Ross-Murphy，1995)。在0.1至10赫兹的频率范围内，通过恒定应力下的振荡测量来研究凝胶的性质。图6显示了HP混合物的典型力学谱，其中弹性模数(G‘)始终高于粘性模数(G“)，且两者都与频率略有关系；相角在20~30°之间，也略与频率有关；复数粘度随频率的增加而降低。具有这些特征的体系被称为弱凝胶(Lapasin和Pricl，1995；Ross-Murphy，1995)。所有样品都有类似的趋势，这主要归因于胶体相，包括CON混合物。巴氏杀菌可能会产生粘弹性，这会导致蛋白质变性并有助于凝胶的形成。
尽管所有样品都表现出凝胶性质，但动态弹性系数的绝对值(与1赫兹时相比)有所不同。图7显示了5%和8%脂肪含量的CON、CP和HP冰淇淋混合物在陈化4和20小时时的复数模数(G*)的平均值和标准差。复数模数G*被选为体系强度的指标，其中5%脂肪的CP混合物的G*最低，而8%脂肪的HP的G*最高。与4小时相比，所有5%脂肪混合物在20小时时G*均升高。相反，在8%脂肪样品中，G*几乎不变，这表明较高的脂肪含量对混合物的粘弹性有稳定作用，表观粘度也是如此(表2)。5%和8%脂肪的幽门螺杆菌样本显示出更高的G*。如上所述，冰淇淋混合物可以被认为是充满乳状液的凝胶。HP混合物的弹性模量G‘从5%脂肪混合物中的258pa显著增加到8%脂肪混合物中的1,804pa，因此可以推断，在这些体系中，脂肪起到了相互作用的填充物的作用。这可能是HP处理引起的，因为CP和CON没有表现出G‘的增加。
CON=未均质；Cp=在15和3 Mpa压力下均质；Hp=在97 Mpa和3 Mpa压力下均质。
描述粘弹性系统的另一个有用的参数是比G“：G‘，称为损耗切线(tanδ)，它是材料在频率ω处的粘性/弹性比的量度(Ross-Murphy，1995年)。损耗正切曲线在0.1至10赫兹的频率范围内没有变化(数据未显示)。表3比较了1赫兹频率下的tanδ值。5%和8%脂肪HP混合物的tanδ都低于CP和CON，表明有更有结构的凝胶状体系。HP均质化将赋予体系结构并增强弹性成分，这可能是压力诱导的胶体相互作用和网络形成的结果。通过结合振荡和稳态剪切测量，Cox-Merz叠加规则构成了区分凝胶体系和生物聚合物缠绕溶液的进一步标准。在COX-MERZ叠加中，η与切变率的关系曲线和η*与ω的关系曲线被绘制在同一张图上。图8中报告的结果表明，在所有情况下，曲线都不是重叠的，这是胶体和颗粒凝胶网络的典型特征(Ross-Murphy，1995)。在CON样品中，随着剪切速率和频率的增加，曲线趋于交叉，而在CP混合物中，这一趋势不太明显。在HP混合物中，两条曲线是平行的。两条曲线的收敛是指弱凝胶，而平行是典型的强凝胶(Ross-Murphy，1995)。根据这些数据，CON和CP混合物表现为弱凝胶，而HP样品表现为强凝胶。Flowy等人在模型水包油乳状液上使用了高压均质。(2000)，它们不仅与乳化液滴大小的变化有关，而且与稳定剂分子的性质有关。作者假设，高压和高温同时处理会导致球状蛋白质的展开或部分变性。可以用类似的机制来解释混合冰淇淋的HP结构效应，即HP处理可以导致乳清蛋白和酪蛋白的展开或部分变性，导致胶体相内网络的形成或重排或互穿网络。相比之下，CP压力不会使这种程度的变化成为可能。同样，弗雷等人也是如此。(2002)报道了大豆蛋白稳定的乳液在超高压(250和350Mpa)下均质时具有很强的凝胶型行为。作者认为，当均质压力大于200 Mpa时，二硫键和非共价键(如疏水相互作用、离子和氢键)可能参与了凝胶的形成。
图8.在5%脂肪(左栏)和8%脂肪(右栏)陈化20h的样品中，稳态剪切流动粘度(η)与剪切速率(γ，)和复合粘度(η*)与频率(ω，-)的COX-MERZ叠加。
混合冰淇淋的均质化导致了从双峰到单峰的颗粒尺寸分布变化，随着压力从常规值增加到高值，平均颗粒直径逐渐减小。由于混合配方中用作配料的牛奶和奶油已按常规均质，因此混合物在CP工艺后的颗粒大小和分布的进一步修改可归因于冰淇淋混合物粘度增加的影响。压力越高，脂肪小球的平均直径越小，但脂肪含量最高时，均一化效果有限。
冰淇淋混合物的流变性由分散相和连续相共同决定。在大多数情况下，分散相对粘度起主要作用，而胶体相对粘弹性和凝胶行为起主要作用。脂肪含量越高，粘度越高，动态弹性系数越大。粗蛋白均质化主要影响分散相，在脂肪含量较高的混合物中粘度降低更明显。这一效应与脂肪小球的尺寸减小有关，而粘弹性能仅受该工艺的轻微影响。在高压下进行均质处理，相对于CP而言，颗粒尺寸进一步略有减小，但粘弹性能和表观粘度显著增加。因此，HP处理主要作用于胶体相。
流变学结果表明，未均质和CP的混合物表现为弱凝胶，而HP处理导致凝胶更强，可能是网络重排或互穿网络形成的总体结果，脂肪球表现为活性填充物。应该注意的是，HP工艺在5%脂肪混合物中产生的表观粘度与8%脂肪CON混合物的表观粘度相当。需要进行进一步的研究，以确定混合冰淇淋的HP均质化是否能够生产出具有与高脂冰淇淋相似特性的低脂冰淇淋。
