《Food Hydrocolloids》：Synergistic Effects of κ-Carrageenan—Polysaccharide Blends on the Rheology and Microstructure of Whipped Cream
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本研究系统探究了κ-卡拉胶（κ-CG）与瓜胶（GG）、黄原胶（XG）单用及复配对打发奶油流变学、泡沫结构及储存稳定性的影响。结果表明，三元混合物（GG:XG=5:5）显著提升泡沫硬度（1418.09±48.14 g，p<0.05），协同形成三维网络，增强弹性模量与剪切恢复，有效抑制奶油分层及持水性损失，为优化产品质地与加工性能提供策略。
崔高阳|刘启晨|严国森|张仁华|庞晓阳|刘璐|王云娜|吕家萍|张书文
中国农业科学院食品科学技术研究所，北京 100193，中国
摘要：
多糖可以有效抑制打发奶油中的物理不稳定现象，包括起泡、析水和泡沫塌陷。然而，不同多糖之间的协同稳定机制仍不清楚。本研究系统地探讨了κ-CG单独使用、二元混合物（κ-CG—GG、κ-CG—XG）和三元混合物（κ-CG—GG—XG）在三个月储存期内对打发奶油的流变性能、乳液稳定性、泡沫微观结构、物理化学性质及析水作用的影响。结果表明，当GG:XG比例为5:5时，所得泡沫的硬度最高（1418.09 ± 48.14 g），显著高于κ-CG-GG（890.57 ± 68.41 g）和κ-CG-XG（1093.16 ± 31.21 g）（p < 0.05）。该体系的弹性模量也更高，剪切恢复能力更强。共聚焦显微镜观察显示泡沫网络更加紧密；稳定性测试表明2小时后泡沫没有塌陷，储存3个月后也未出现析水现象。这些改善归因于XG介导的静电稳定性、κ-CG和GG通过氢键形成的凝胶作用以及GG的空间填充效应，共同形成了一个强化的三维网络。本研究为生产具有优化质地、改善加工性能和增强货架稳定性的高品质打发奶油提供了策略。
引言
打发奶油作为一种典型的充气乳液，以其细腻的口感和丝滑的质地而受到青睐。然而，其复杂的结构——由乳液相（30–40%的乳脂）嵌入在相互连接的气泡网络中——本质上是不稳定的（Peng等人，2018；Wang等人，2023；Xu等人，2022）。在加工和储存过程中，该体系常出现起泡、析水和泡沫塌陷等不稳定现象。这些缺陷源于脂肪颗粒与血清相之间的密度差异以及界面膜的不稳定性（Xu等人，2025），最终导致质地下降和保质期缩短。
为了解决这些问题，食品级亲水胶体——特别是多糖混合物——被越来越多地用于提高乳制品系统的结构稳定性。通过调节流变性能、微观结构和物理化学行为，这些添加剂可以改善泡沫形成、质地和加工性能（Wennerstr?m，2003）。κ-卡拉胶（κ-CG）是一种线性的强阴离子多糖，由于其良好的凝胶性能而在食品工业中得到广泛应用（Li等人，2024）。它常用于冰淇淋、酸奶和巧克力牛奶等乳制品中，以防止血清流失并改善质地。此外，κ-CG还能提高加工肉类（如火腿和香肠）的保水性和切片性（Udo等人，2023），并作为明胶的植物替代品用于甜点、果冻和植物基乳制品中（X. Wang等人，2024）。具体而言，κ-CG通过静电和氢键与酪蛋白相互作用，形成热可逆网络，从而增强持水能力和机械强度（Xu等人，2024）。然而，仅由κ-CG形成的凝胶网络往往过于刚性和粗糙，影响产品的顺滑性和涂抹性。
为了解决这些局限性，Tahmouzi等人（Tahmouzi等人，2023）将κ-CG与中性、高度分支的瓜尔胶（GG）结合使用。这种组合利用分子缠结和氢键来调节结构刚性，混合比例对凝胶强度和频率依赖的流变行为有非线性影响（Lei等人，2022）。Roy等人（Roy等人，2024）证明，用κ-CG–GG稳定的冰淇淋混合物表现出明显的拟塑性行为，表现为较低的流动指数和表观粘度，从而在产品稳定性和加工性能之间取得了平衡。然而，这些研究主要关注宏观流变和物理性质，对微观结构演变或脂肪颗粒聚集机制的洞察有限。
黄原胶（XG）是一种具有强拟塑性的阴离子多糖，在充气乳液系统中也表现出良好的效果（Mohsin等人，2021）。其双螺旋结构抑制了流动停滞，并降低了剪切下的混合阻力，从而提高了多阶段加工过程中的性能（Washington & Brant，2021）。Zeng等人（Zeng等人，2022）报告了κ-CG的线性结构与XG的分支结构之间的互补作用，XG促进了更均匀、更刚性的凝胶网络的形成，提高了粘度和粘附能。先前的研究已充分证明，κ-CG与GG或XG组成的二元多糖体系可以有效改善乳液的流变性能和稳定性（Wu等人，2018；Xu等人，2022）。
然而，目前的研究主要集中在二元体系中的协同效应上，而三元体系中不同多糖之间的关系仍需进一步研究。此外，大多数先前研究关注的是静态、非充气的乳液，重点在于粘度调节和整体稳定性。对于动态充气体系（如打发奶油），二元和三元多糖体系中的潜在协同效应仍知之甚少。特别是，这些协同作用如何影响泡沫硬度相关性质和打发性能尚不清楚。因此，本研究旨在阐明κ-CG、GG和XG在调节打发奶油微观结构和质量属性中的协同作用，特别关注实现最佳泡沫硬度。
因此，本研究系统地研究了κ-CG、GG和XG的单组分和多组分体系。全面评估了这些体系对打发奶油的流变行为、泡沫微观结构、质地性质和物理稳定性的影响。通过将这些多糖混合物比例与宏观性能相关联，本研究阐明了控制打发奶油乳液稳定性和泡沫硬度的协同机制，为打发奶油产品的开发提供了合理的配方策略。
材料
新鲜奶油和生奶来自内蒙古蒙牛乳业股份有限公司（中国内蒙古呼和浩特市），新鲜奶油的脂肪含量为41.36%，蛋白质含量为2.04%，总固形物含量为44.05%；生奶的脂肪含量为3.98%，蛋白质含量为3.50%。κ-CG（凝胶强度≥800 g/cm2，75°C下1%溶液的粘度为1.5% mPa·s，粒径为80–120目）由上海兰威贸易有限公司（中国上海）提供。XG（1%溶液的粘度为1200–1600 mPa·s）
稳态剪切流变性和触变特性
粘度和触变恢复的变化可以作为衡量运输过程对产品质量影响的指标（Chen等人，2025）。如图1a所示，在0.1 - 100 s?1的剪切速率范围内，除NC外所有样品的表观粘度均显著下降。这种剪切稀释现象是拟塑性流体的特征。
结论
在三元κ-CG–GG–XG体系中，稳定性顺序为GG:XG = 5:5 > 3:7 > 7:3。κ-CG与酪蛋白之间的相互作用首先形成了一个脆弱的凝胶框架，随后GG和XG进一步强化了这个框架，形成了一个更为坚固的以κ-CG为主的三维网络。所有测试的GG:XG比例都通过多糖的协同作用提高了打发奶油的品质和稳定性，其中5:5的比例效果最为显著。
CRediT作者贡献声明
张仁华：软件处理、实验研究。
庞晓阳：项目监督、行政管理。
刘璐：软件处理。
王云娜：写作、审稿与编辑、资金获取、概念构思。
吕家萍：方法学设计、实验研究、概念构思。
张书文：写作、审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。
崔高阳：写作、审稿与编辑、初稿撰写、数据整理。
刘启晨：实验研究、数据整理。
未引用参考文献
Biglarian等人，2022；García-Ochoa等人，2000；Wang等人，2024；Xu等人，2022。
利益冲突声明
作者声明与本研究无利益冲突。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（32372378, 32302137）、甘肃省科技重大专项计划（24ZD13NA014）、云南省重大项目（202402AE090033）以及中国农业研究系统-国家乳业技术体系（CARS-36）的资助。
