アイスクリーム中の乳化剤: 氷結晶の形成を防ぐ仕組みとさまざまな種類の比較分析

アイスクリームは熱力学的に不安定な複雑な食品システムです。加工、保管、輸送、販売中に温度変化により氷の結晶が再結晶し、結晶が大きくなり、食感がざらざらして味が悪くなります。乳化剤は通常、アイスクリームにわずか 0.1% ～ 0.4% しか添加されませんが、氷結晶の形成を抑制し、製品の品質を向上させる上で重要な役割を果たします。この論文では、乳化剤が氷の結晶の形成を防ぐ科学的メカニズムを系統的に詳しく説明し、分子蒸留モノグリセリド、ショ糖エステル、トゥイーン 80、ソルビタン エステルなどの一般的に使用されるさまざまな乳化剤の比較分析を実施して、それぞれの利点と限界を明らかにし、アイスクリーム配合の最適化のための理論的参考資料を提供します。

アイスクリームは、その豊富な栄養と独特の味で消費者に愛されていますが、その熱力学的に不安定な性質により、加工や保存中に課題が生じます。おいしいアイスクリームを作るには、アイスクリームミックスの配合や冷凍機械加工条件が重要な要素ですが、乳化剤の有効性も重要です。乳化剤は、脂肪の分散を改善し、空気の取り込みを促進し、起泡能力を高めるだけでなく、さらに重要なことに、粗い氷の結晶の形成を防止および制御します、アイスクリームの耐熱性と保存安定性が向上します。この記事では、乳化剤がこの機能をどのように達成するのかを詳しく調査し、さまざまな乳化剤の性能を比較します。

乳化剤による氷結晶の形成の防止は、単一の経路ではなく、複数レベルの物理化学的相互作用によって実現されます。{0}}既存の研究に基づくと、中核となるメカニズムは次の 4 つの側面に要約できます。

1 脂肪の部分的な凝集を促進して安定した三次元ネットワークを形成する-

アイスクリームにおける乳化剤の最もユニークな役割は、脂肪の「部分的な合体」を促進することです。凍結プロセス中に、乳化剤により脂肪球表面に吸着された一部のタンパク質が置き換えられ、脂肪球の界面安定性が低下する可能性があります。これにより、機械的撹拌下で脂肪球の適切な凝集と合体が引き起こされ、三次元ネットワーク構造が形成されます。-。このネットワーク構造はアイスクリームの「骨格」となり、次のことが可能になります。

• 水の移動を物理的にブロックする：安定した脂肪ネットワークが未凍結の水を微細領域内に閉じ込め、水分子の移動を制限し、氷結晶の成長と再結晶化を抑制します。
• 気泡構造の安定化：脂肪のネットワークが気泡を包み込み、気泡の合体や脱出を防ぎ、アイスクリームの質感をより細かく均一にします。

研究により、乳化剤を含まないアイスクリームミックスは、冷凍後、組織構造を形成せずに微細な脂肪分散を維持することが確認されています。一方、0.15%の分子蒸留モノグリセリドを添加すると、脂肪粒子が凝集してネットワーク構造を形成し、アイスクリームの骨格となり、泡を安定させます。

2 界面張力を軽減し、水の分布を改善する

界面活性剤としての乳化剤は、油{0}}水と空気-水の界面での界面張力を低下させます。これにより、次の 2 つの利点がもたらされます。

• 脂肪の微細分散を促進：乳化剤が脂肪粒子をより細かく均一に分散させ、エマルジョンの安定性を向上させます。
• 不凍水の分布に影響を与える: 乳化剤とタンパク質の間の相互作用は界面特性を変化させ、水分子の配置と移動挙動に間接的に影響を与えます。

3 タンパク質と相互作用し、界面膜を強化

乳化剤はタンパク質（特に乳タンパク質）と相互作用して、脂肪球表面に吸着される複合体を形成します。この複合界面フィルムは優れた機械的強度と弾性を備えており、次のことが可能です。

• 脂肪球をより効果的にカプセル化
• 温度変動時の界面の完全性の維持
• 界面での氷結晶の不均一核生成の抑制

4 氷結晶の成長速度の調節

乳化剤の存在も、氷結晶の成長挙動に直接影響を与える可能性があります。特定の乳化剤は、氷の結晶表面に吸着したり、氷の結晶成長最前線での物質移動プロセスに影響を与えることにより、次のことが可能になります。

• 氷の結晶の成長速度を低下させる
• 氷の結晶の形態を変更し、より細かく均一にします。
• 再結晶中のオストワルド熟成を抑制する

乳化剤の種類が異なると、分子構造、親水性親油性バランス（HLB）値、作用機序の違いにより、氷結晶の形成を抑制し、アイスクリームの品質を改善する際にさまざまな特性を示します。このセクションでは、一般的に使用されるいくつかの乳化剤を詳細に比較します。

一般的なアイスクリーム用乳化剤の性能比較

1 モノグリセリドシリーズ

モノグリセリド (分子蒸留モノグリセリドおよび親水性モノグリセリドを含む) は、アイスクリーム製造で最も一般的に使用される乳化剤の 1 つです。

分子蒸留モノグリセリド (HLB=3.8)強い親油性を持ち、アイスクリーム中の脂肪の部分的な合一を効果的に促進し、安定した三次元ネットワーク構造を形成します。-研究によると、Tween 80 と比較して、分子蒸留モノグリセリドを含むアイスクリームはオーバーランが高く、溶融耐性が優れていることがわかっています。その作用機序には以下が含まれます。凍結プロセス中に、モノグリセリドは脂肪球表面に吸着したタンパク質層を溶解させ、脂肪凝集挙動を変化させます。

親水性モノグリセリド (HLB=10.5)異なるパフォーマンス特性を示します。研究の結果、親水性モノグリセリドは 0.4% 添加するとアイスクリームの硬度が大幅に増加し、この添加レベルで最適な溶融耐性が得られることがわかりました。 0% ～ 0.6% の範囲では、溶融抵抗に対するそれらの効果は、ポリグリセロール モノグリセリドおよびスクロース エステル-13 の効果とは逆の傾向にあります。

2 ショ糖エステルシリーズ

スクロースエステルは、スクロースと脂肪酸のエステル化によって形成される非イオン性界面活性剤の一種で、脂肪酸鎖長とエステル化度を変えることでHLB値を広範囲に調整できます。

スクロースエステル-13 (HLB=13)そしてスクロースエステル-S1170 (HLB=11)どちらも比較的親水性の高い乳化剤です。研究によると、0.4%の添加を除いて、スクロースエステル-13およびポリグリセロールモノグリセリドは、他の試験点でさまざまな程度の溶融耐性を促進します。スクロースエステル-S1170 は、0.6% ～ 1.0% の添加範囲内でエマルジョンの安定性に大きな変化を示し、最適な安定性は 0.8% です。

最近の研究では、スクロースエステル S1670 (より親水性が高い) が、脂肪の部分的な合一を減少させ、アイスクリームの融解プロセスを促進し、親油性モノグリセリドの効果とは明らかに対照的であることが判明しました。これは、異なるHLB値を持つスクロースエステルを選択することによって、アイスクリームの硬さと溶ける挙動を「調整」できることを示しています。

3 Tween 80 およびソルビタンエステルシリーズ

Tween 80 (ポリソルベート 80、HLB=15) とソルビタン エステル (スパン、HLB ≒ 4-5) も、よく使用される乳化剤のペアです。

トゥイーン80は親水性の高い乳化剤であり、水中油型エマルションを効果的に安定化します。{0}{1}アイスクリームでは、脂肪の均一な分散を促進し、製品が「バターのような」食感になるのを防ぎます。ただし、モノグリセリドと比較すると、Tween 80 はオーバーランが低く、溶融耐性が劣ります。さらに、最近の研究では、腸の健康に対するトゥイーン 80 の影響についての懸念が生じています。クリーンラベルの傾向を受けて、一部のメーカーはラベルの使用を減らす傾向にあります。

ソルビタンエステル(Span 60、Span 80 など) は、油中水系に適した親油性の高い乳化剤です。--アイスクリームでは、それらは構造を提供し、製品の一貫性を高めます。ただし、実際の用途では、親水性-のバランスをとり、より優れた製品の安定性を達成するために、ソルビタン エステルを Tweens と組み合わせることがよくあります。スパン 60 とトゥイーン 60 の組み合わせは、古典的な配合ペアです。

4 最近の研究の進歩: ジアシルグリセロールの応用

2024 年に発表された最近の研究では、ラウリン酸が豊富なジアシルグリセロールのアイスクリーム用脂質材料としての応用可能性が検討されています。{1}研究の結果、ヤシ油とパーム核ステアリンから調製したジアシルグリセロールは、従来の油脂に比べて硬度が1.4倍以上高く、優れた脂肪結晶ネットワーク形成能を示すことが判明した。この研究では、ジアシルグリセロールアイスクリームの性能に対するモノステアリン酸グリセリン、スクロースエステル S1170、および S1670 の影響をさらに調査しました。

• 親油性モノグリセリド：界面核生成を促進し、部分融合度およびエマルション剛性を増加させます。
• S1670（親水性ショ糖エステル）：部分的な合体を減少させ、溶融プロセスを促進します

この研究は、調整された硬さと溶ける挙動を備えた溶けにくいアイスクリームを開発するための新しい脂質材料の選択肢を提供します。{0}

1 配合の必要性

実際の用途では、単一の乳化剤がすべての要件を同時に満たすことができないことがよくあります。異なる乳化剤を配合すると相乗効果が得られ、単一の乳化剤を単独で使用するよりも優れた結果が得られます。複合化の利点は次のとおりです。

• 正確なHLB値制御: 高-HLB乳化剤と低-HLB乳化剤を比例して混合することで、目的の油相に必要な理想的なHLB値を達成できます
• 相補的な複数のメカニズムの効果-: 異なる乳化剤は、脂肪の合一を促進し、泡を安定させ、氷の結晶の成長に影響を与える点でそれぞれの強みを持っています。
• コストの最適化：合理的な配合により、効果を確保しながら全体のコストを削減できます。

2 つの古典的な配合の組み合わせ

モノグリセリドとスクロースエステルの組み合わせ：モノグリセリド（低HLB）は脂肪の部分的な合体を促進し、ネットワーク構造を形成します。スクロースエステル (高HLB) はエマルジョンの安定性を提供し、水の分散を改善します。それらの組み合わせにより、脂肪ネットワークと水相の安定性を同時に最適化できます。

ソルビタンエステルとトゥイーンの組み合わせ：これは古典的な乳化剤のペアです。スパン 60 (低 HLB) と Tween 60 (高 HLB) をさまざまな割合で混合すると、さまざまな油相要件に適応して、広範囲の HLB 値をカバーできます。アイスクリームでは、この配合により製品の粘稠度とエマルションの安定性のバランスが保たれます。

モノグリセリドとカラギーナン/グアーガムの組み合わせ: 乳化剤と安定剤を配合することも同様に重要です。研究によると、乳化剤としてモノグリセリドを使用し、カラギーナンおよびグアーガムと組み合わせると（安定剤の合計添加量 0.25%、カラギーナン：グアーガム=1:1.5）、アイスクリームミックスの粘度は最高の官能スコアで 1036.5 cp に達する可能性があります。

3 加算レベルの最適化

研究によると、乳化剤がアイスクリームの品質に与える影響は単純に直線的ではないことがわかっています。モノグリセリドを例にとると、0.4% の添加で最適な溶融抵抗を示します。スクロースエステル-S1170 は、0.8% で最高のエマルジョン安定性を示します。このことは、配合者が特定の製品や使用条件について実験を通じて最適な添加レベルを決定する必要があることを示唆しています。

乳化剤は、粗い氷の結晶の形成を効果的に防止し、脂肪の部分的な合一を促進して三次元網目構造を形成し、界面張力を低下させて水の分布を改善し、タンパク質と相互作用して界面膜を強化し、氷の結晶の成長速度を調節するなど、複数のメカニズムを通じてアイスクリームの繊細で滑らかな質感を確保します。-

異なる乳化剤は、HLB 値と分子構造の違いにより、氷結晶の形成を抑制し、アイスクリームの品質を改善する際にさまざまな性能を示します。

• 分子蒸留モノグリセリド(HLB=3.8) 脂肪ネットワークの形成促進に優れ、オーバーラン耐性と溶融耐性を向上させます。
• ショ糖エステルシリーズ異なるHLB値の製品を選択することで、アイスクリームの硬さと溶ける挙動を「調整」できます
• トゥイーン80(HLB=15) は強力な乳化能力を持っていますが、モノグリセリドと比較してオーバーラン耐性と溶融耐性が低くなります。
• ソルビタンエステル(HLB≈4-5) は、製品のパフォーマンスのバランスを取るためにトゥイーンと組み合わせられることがよくあります

今後、クリーンラベル製品に対する消費者の需要が高まる中、天然由来の高効率乳化剤の開発が研究の注目の的となっています。{1}{1}{2}{2}一方、配合技術と添加量の正確な最適化により乳化剤の相乗効果を実現することは、今後もアイスクリームの品質向上の重要な方向性となります。