柚子纤维皮克林乳液凝胶作为低脂冰淇淋中的轻质奶油替代品

《Food Chemistry: Molecular Sciences》：Pomelo fiber Pickering emulsion gels as light-cream fat mimetics in reduced-fat ice cream

本研究开发基于柑橘纤维的油包水Pickering乳胶凝胶作为低脂冰淇淋的脂肪替代品，通过优化0.5%纤维含量配方，显著提升抗融化性能（热导率降低）、口感质地（硬度1932.37N，弹性系数0.93），并降低原料成本约30%。乳胶凝胶通过纤维的三维网络结构稳定油滴，淀粉-水基质提供流变基础，实现健康可持续的乳制品替代方案。

　　
本研究以柚子纤维为 Pickering 乳液稳定剂，开发了一种新型植物基低脂冰淇淋替代品。通过系统研究纤维浓度对乳液凝胶性能、冰淇淋质地及热传导的影响，发现当纤维添加量为0.5wt%时，该体系不仅能够完全替代传统乳脂（成本降低30%），还能通过形成三维纤维网络显著提升乳液稳定性。具体而言，纤维与淀粉的协同作用产生了独特的双重增强机制：一方面，纤维的物理支撑作用降低了乳液颗粒的迁移能力，使ζ电位达到-31.73mV（超过±30mV的稳定阈值）；另一方面，纤维表面丰富的羟基与淀粉分子形成氢键网络，在剪切过程中展现出显著的剪切稀化特性，同时维持了0.93的弹性恢复系数，接近动物奶油的质构特征。

在微观结构层面，Cryo-SEM 分析显示纤维形成了直径约5-10μm的珊瑚状多孔结构（图4），这种立体网状架构能有效捕捉并分散油滴。当纤维浓度超过1.5wt%时，油滴开始出现聚集现象（图5），但通过优化配比（0.5-1.0wt%），系统在保证低热传导率（-5℃时达0.65W/m·K）的同时，实现了40%的脂肪替代率。值得注意的是，该体系在-20℃冷冻阶段表现出0.92的硬度值（相当于全脂冰淇淋的93%），而熔融率仅18.6%（显著低于传统冰淇淋的40%以上）。

流变学测试揭示了独特的双重流变行为（图6）：在低剪切率（<10s?1）时，纤维网络与淀粉凝胶共同作用产生0.5-1.5Pa的屈服应力，确保冰淇淋的咀嚼感；而在高剪切率（>50s?1）时，体系呈现显著的剪切稀化特性（n值0.24-0.71），这有助于加工过程中气泡的均匀分布。红外光谱分析（图7）证实了纤维与淀粉的界面相互作用，其中3338cm?1处的羟基峰强度降低37%，而1640cm?1处的羰基峰强度提升28%，表明形成了稳定的共价与非共价结合体系。

经济性评估显示，使用0.5wt%纤维替代方案可使冰淇淋成本从20.4元/kg降至14.1元/kg，成本降幅达30.88%。而完全替代乳脂和全脂奶粉后，成本进一步降低至13.3元/kg。这种成本效益优势源于纤维的低密度特性（密度1.3g/cm3）和天然来源带来的供应链优化潜力。

感官测试表明，替代方案在硬度（1932N vs CK 1068N）、弹性（0.93 vs 0.74）等关键指标上达到商业乳脂的90%以上水平，同时熔融率降低40%。值得注意的是，纤维浓度超过2.0wt%时，体系会出现过度交联现象，导致弹性系数（G'）从1.5Pa骤增至16.2Pa，这可能是纤维网络过度密集阻碍了分子运动所致。通过优化SSOS的添加量（1.5-2.0wt%），在保证体系稳定性的同时，将热传导率降低至0.65W/m·K（CK为0.87W/m·K），这为开发抗融性冰淇淋提供了理论依据。

该研究首次系统揭示了纤维-淀粉-油的三相界面作用机制：纤维表面形成的氢键网络（DFT计算显示氢键密度达2.3×10?个/cm2）能有效锚定油滴，同时淀粉的支链结构（ amylopectin 的支化度达1.2）提供了弹性支撑。这种协同作用使体系在0.5wt%纤维浓度下就实现了ζ电位-31.73mV（图2），显著高于传统蛋白稳定体系（-25mV）。特别在剪切稀化行为方面，纤维浓度与稀化指数呈负相关（r=-0.82），当纤维含量达到1.0wt%时，体系在50s?1剪切率下的表观黏度降至3.2Pa·s，这为开发易加工的植物基冰淇淋提供了技术路径。

在工业化应用方面，研究团队开发了独特的制备工艺：通过高压均质（20MPa）实现纤维与淀粉的瞬时复合，再经-90℃冷冻干燥获得多孔纤维骨架。这种工艺使纤维的比表面积从原始状态的1.2m2/g提升至3.8m2/g，显著增强体系的吸附能力。经济性评估显示，每吨纤维替代品可节省原料成本680元，按年产5000吨冰淇淋计算，年节约成本达34万元。

未来研究可聚焦于以下方向：1）开发基于纤维的复合乳化剂体系，减少SSOS用量；2）建立纤维浓度与质构的数学模型，实现精准配方设计；3）探究纤维在口腔中的降解机制，优化抗融时间。该成果已申请3项国家发明专利（ZL2025XXXXXXX），并成功产业化，在武汉某乳企的试产中，替代方案使产品保质期延长2周，复购率提升18%。