近来低温学的发展使应用致冷设备制作微粒形状的冰激凌成为可能。这 样的制作冰激凌的方法在美国专利No.5,126,156中作了详细的描述，该专利 在此并入作为参考。储存应用低温学技术制作的微粒冰激凌有时必需要采用 专门的设备。这是因为一些微粒冰激凌需要的储存温度不能高于-35。为 了即时食用，一些微粒冰激凌可以储存在温度不高于-20的制冷器中，仍 不会丧失其流动特性。然而，长期储存在这样的温度条件下是不可行的，因 为冰激凌产品最终会粘在一起并不再是自由流动的。
遗憾的是，在通常的乳品零售店的常规制冷器显示的冷冻温度范围在 -10和+0之间，并在一小时的除霜周期(defrost cycle)也会有额外的临时 的10的升温(确切的时期和温度可变化)。因此，常规零售店的乳品制冷 器可在+10维持长达一小时的时间。更糟糕的是，一些零售店的乳品制冷 器不是一直在最适条件下运转，或泄漏或在某方面需要维修，因此这些制冷 器可能会在短时期内达到+15。家庭用制冷器更稳定，通常温度变化范围 在0和+5之间。它们有除霜周期但通常不影响其内部的温度。在任何 一种情况下，采用传统方法制作的微粒冰激凌都不能耐受这样的温度而没有 粘在一起或彻底融化。因此，制作能储存在通常的零售乳品箱环境下的微粒 冰激凌的方法是我们渴望的。
附图简述
图1为本发明的横截面前视图；
图2A为蔗糖分子；
图2B为三氯半乳蔗糖分子；
图3为赤藓糖醇分子；和
图4为木糖醇分子。
优选实施方案的详细描述
在详细解释本发明公开的实施方案之前，可以理解本发明不限于对下面 具体列出详细资料的应用，因为本发明可有其他实施方案。同样，在这里运 用的术语是为了描述而不是限制。
图1显示按照本发明最优实施方案构建的用于产生自由流动的珠子56 的致冷处理器。致冷处理器10包括冷冻室12，其最优选锥形罐的形状，在 此能保存液态制冷剂。冷冻室12有内壳14和外壳16。为了增加室12的热 效率在内壳14和外壳16之间安放了隔热材料18。也提供了通风孔20来给 壳14和16之间的隔热区通风。所述冷冻室12，如图1所示，是由腿22支 撑的独立的单元。
制冷剂24，优选液氮，通过制冷剂入口26进入制冷室12。所述制冷剂 24通过入口26导入室12以使在冷冻室中的液体制冷剂维持预定的水平，因 为一些制冷剂24可由于蒸发或偶然产生的其它方式而损耗。从冷冻室12中 的液态制冷剂24的表面蒸发的气态制冷剂主要通过出口29排到空气中去， 所述出口29与文丘里喷嘴(venturi nozzle)形状的真空设备30相连。冷冻的珠 子56通过安装在冷冻室12基部的产品出口32取出。
带有调节门38的环境空气进口28和带有调节门39的出口29用来调整 从液态制冷剂24表面蒸发的气态制冷剂的水平，以使所述处理器10内不积 累过量的压力而且加料装置40内的液体组合物不会发生冻结。
加料盘48接收来自传递源50的液体组分。通常，泵(未显示)驱动液 体组合物通过传输管52进入加料盘48。预混装置54容许几种组分按照预定 的浓度混合以传输到加料盘48，这几种组合物中不要求全部必须是液体，例 如可以是粉状调味剂或其它尺寸足够小而不会引起加料装置40堵塞的添加 剂。
为了产生大小均一的冷冻产品珠子56，需要将均一大小的液体组合物小 滴58通过气体扩散室46加料到冷冻室12。加料盘48的设计同加料装置40 一致，从而形成理想特性的小滴58。所述冷冻产品以珠子形状存在，所述的 珠子是当液体组合物小滴58在气体扩散室46中接触到制冷剂蒸汽，并随后 在冷冻室12中接触到液体制冷剂24时形成的。在所述珠子56形成后它们 落到室1 2的底部。传送系统在出口32连接在室12底部，以将珠子56螺旋 推进或携带进入包装和分配网络用于后面的传输和消耗。所述珠子56已经 到达所述出口32之后，它们是完全自由-流动的而且不粘在一起。
真空装置30与空气入口28和调节门38相配合，于是环境空气流经所 述入口到加料装置40周围，以保证没有液体组合物在此冻结。这是通过在 气体扩散室46的对面安装真空装置30和空气入口28来完成的，这样一来， 通过真空装置30驱动引入的环境空气与加料装置排成直线。在该结构内， 环境空气在所述加料装置周围流动，将其加热到足够的温度，以抑制加料装 置流动通路内冷冻液体组合物的形成。通常为空气压缩机形式的空气源60， 同真空装置30相连，以提供适当的吸力来产生要求的环境空气流动。
如前所述，本发明的目的是提高本发明的珠子56的凝固点。这是因为 珠子56能储存在如前述的温度变化范围为-10° F至+0° F之间，且偶尔会升 高到+10° F的家用制冷器或常规零售店的乳品制冷器中的本发明是在商业上 有利的。一种实现此目的的方法是减少形成所述珠子56的液体组合物的凝 固点降低(freeze point depression)，尽管不应认为本发明仅限于此。
大多数冰激凌由空气、水、乳脂、脱脂奶固体(NMS)、甜味剂、乳化 剂和香料的混合物组成。美国农业部规定，冰激凌通过在搅拌的同时冷冻含 有至少10％的乳脂和20％的总奶固体(TMS)的巴氏灭菌的冰激凌混合物制 成。完成的冰激凌产品必须重至少4.5lb/gal且每加仑必须含有至少1.6磅食 物固体或总固体(TS)。然而最少量的总食物固体必须为35.6％。低于这些界 限是不允许的，或者如果一个指标低于界限，那么成品不能贴上冰激凌的标 签。
形成所述珠子56的本发明的冰激凌混合物的凝固点可以通过调整一种 或多种上述成分来提高，而且一些调整彼此组合作用更佳。第一种成分是非 乳固体(NMS)含量，第二种是稳定剂，第三种是乳化剂、第四种是总固体 (TS)含量，第五种也可能是最复杂的是甜味剂含量。
非乳固体(NMS)
NMS或血清固体提高冰激凌的质地，有助于提供强度(body)和耐咀嚼性 (chew resistance)，并且可能比乳脂便宜。然而，乳脂可以被NMS取代，但 在美国联邦政府要求下，只能多至14％。乳清固体，包括改良的乳清产品， 也可以被NMS取代，但在美国联邦政府要求下，不能超过全部混合物中总 NMS的25％。
在本发明中蛋黄固体(egg yolk solid)也能用做NMS。蛋黄固体能使得到 的冰激凌具有精美的口味，也改善其强度和质地。蛋黄固体也改善脂肪结构 的形成，推测是由于在卵磷酯-蛋白复合物中存在卵磷酯的原因，所述卵磷 酯可以起到同乳化剂同样的作用。蛋黄固体几乎不影响凝固点降低，食用价 值高，但遗憾的是会增加所述混合物的成本。
在本发明的冰激凌混合物中，干乳清固体(dry whey solid)也能用做NMS， 因为乳清固体相对便宜。乳清是牛奶中的水样部分，并包含了牛奶中的大部 分乳糖。如前所述，美国联邦标准允许用至多25％的NMS代替乳清固体。 然而，未处理的乳清能造成较低的凝固点并使最终的冰激凌产品可能具有沙 质、颗粒状感觉。讲到此，越来越多乳清产品是可用的，它们经过加工以具 有高蛋白、减少的乳糖含量和更高的分子量。这更高的分子量又意味着这些 经加工的乳清产品减少了所述总混合物的凝固点降低。
一种加工乳清以具有更理想的特性的方法是通过称为超滤的过程，在超 滤过程中，乳清溶液重复地通过滤除高分子量成分，如高-蛋白乳清的膜，而 通过具有低分子量的成分，如水、盐和乳糖。此过程产生的产物称作乳清蛋 白浓缩物(WPCs)。
稳定剂
在本发明的冰激凌中应用稳定剂的主要目的是增加混合物的粘性，以稳 定所述混合物来防止乳清分离(wheying off)或分离，在储存过程中尤其是在 温度波动也称热休克的时间过程中延缓或减少冰和乳糖晶体生长，减慢水分 (moisture)从所述产品向包装或空气的迁移，使产品均匀并抗融化，并提供食 用过程中柔滑的质地。延迟冰晶生长是特别有价值的，因为在所述珠子56 中较小的冰晶使最终的冰激凌产品有更好的味道和口感。
本发明的稳定剂也必须具有可供食用的中性风味，而不会影响冰激凌应 有的风味。尽管稳定剂在初始冷冻时对冰晶的大小影响很小或没有影响，但 稳定剂限制了重结晶(其中发生融化然后重新冷冻)过程中冰晶的生长速度。 这能归因于一系列的因素，包括冰晶本身的表面吸附，改变了温度波动过程 中水扩散到生长着的冰晶表面的速度，并改变了溶质和大分子从生长着的冰 晶表面扩散出去的速度。
另外，许多鱼、昆虫、细菌和植物在它们的天然环境中通过分泌多组蛋 白质而具有耐受或避免冻结的能力，这些蛋白质具有降低它们的凝固点的能 力(抗冷冻蛋白)，和/或抵抗冰重结晶的速度(冰结构化蛋白(ice structuring protein)或ISP)。当ISP被引进冰激凌混合物中作为稳定剂或起到支持稳定 剂的作用时，所述的ISP吸附到冰晶的表面，因此阻止冰在晶体表面的进一 步生长。在稳定剂不是十分有效或在配方中不合需要时ISP是人们渴望的。
在本发明的冰激凌混合物中，使用的另一种稳定剂是角叉菜聚糖 (carrageenan)，它担当第二种水胶体(hydrocolloid)，防止乳清从冰激凌混合物 中分离，这是由其它稳定剂的不相容性而引起的非理想的状态。在通常的使 用水平，在热的冰激凌混合物中角叉菜聚糖对其粘度的贡献非常小，所述热 的冰激凌混合物作为较早提及的巴氏灭菌过程的一部分被加热。然而，随着 冰激凌混合物冷却，所述稳定剂角叉菜聚糖在40℃左右经历构型变化，从 卷曲变化为螺旋。所述的螺旋形式产生使粘性增加的结构并生成易被剪切力 破坏的脆弱的凝胶体。这种凝胶体能够容纳悬浮液中的分散的微粒，而且当 它冷却后，能帮助稳定酪蛋白微团，阻止进一步的相分离。这增加了在冰激 凌混合物中蛋白和多糖富含相(polysacchararide rich phase)分离的阻力，因此 增加了所得的冰激凌融化的阻力。
稳定剂，除了其它功能之外，也负责吸收有时存在于所述冰激凌混合物 中的自由水。稳定剂也用于提供(give)冰激凌的质地、强度、硬度和改变 冰激凌的融化特性。这些在微粒冰激凌如本发明的微粒冰激凌中尤为重要， 因为形成的珠子56是球形的并因此产生了自由流动的特性，这些特性对于 商业的成功是至关重要的。所述的稳定剂通过结合未冻结的任何自由水并阻 止自由水冷冻形成大的不合需要的晶体尺寸来实现这一点，所述的晶体尺寸 更常见于常规的冰激凌或在制冷器中时间过长的冰激凌中。
乳化剂
在本发明的冰激凌混合物中乳化剂通常和稳定剂整合在一起，尽管它们 实现的功能与稳定剂非常不同。乳化剂用于产生两种天然不混合的液体的稳 定的悬浮液。在冰激凌中，这两种液体是脂肪溶液和水。冰激凌的胶体结构 开始于所述混合物作为简单乳状液，连同部分结晶的脂肪小球的分散相，所 述分散相由蛋白质和表面活性剂和水组成的界面层环绕。为保持这些成分稳 定的悬浮，使用乳化剂。所述的乳化剂降低冰激凌混合物中脂肪/水的界面张 力，导致蛋白质从所述脂肪小球表面的置换，从而又降低了所述脂肪小球的 稳定性，因此允许珠子56的冷冻过程中所述脂肪小球的部分聚结 (coalescence)。在最终的冰激凌产品中，这种部分聚结导致有益于质地和融 化特性的脂肪结构的形成。冰激凌的质地是重要的质量特征，因为质地是结 构的感官表现。
在冷冻阶段，在冰激凌混合物的乳化剂中形成了冰晶的另一种分散相。 气泡和冰晶通常的大小范围在20μM到50μM并被依赖于温度的非冻结相 (unfrozen phase)环绕。另外，如前所述部分结晶的脂肪相在冷冻过程中进行 部分聚结，从而产生部分环绕气泡的成团的脂肪体的网络，由此产生一些固 体-样结构。乳化剂可以包括甘油单酯和甘油二酯，尽管在本发明中甘油二酯 是优选的，因为它们有较高的原子量。甘油酯的概念将在下文中进行更为详 细的讨论，但就满足目前需要来说甘油酯常常同甜味剂关联在一起。因此， 依赖于所使用的甜味剂的类型，甜味剂也能够作为乳化剂。
通常的凝固点(Freezing Point in general)
为了能理解下一个参数，总固体(TS)，具体地描述冷冻过程是有必要 的。冰激凌的凝固点是由其中可溶性组分的浓度决定的。甜味剂固体的量和 乳糖的浓度能影响任何冰激凌混合物的凝固点。然而，当潜热从水中去除并 形成冰晶时，由于残存的溶液相对于可溶性组分变得更浓而确立了新的凝固 点。当越来越多的水变成冰时，剩余的液相变得愈加粘稠，因为冰基本上是 纯水，在冰晶形成的过程中其它分子被排除在外。因此，冰激凌混合物的非 凝固相的凝固点被降低。
在冷冻冰激凌的过程中，通过水的结晶和溶质的浓缩(称为冷冻浓缩)， 凝固点持续降低，于是所述混合物的温度持续地但以较慢的速度降低。因此， 上面(图1)所提到的制冷剂24不仅必须移除由于结晶产生的熔解的潜热， 而且为了降低冰激凌浆体的温度而必须移除显热。
当溶解的物质的浓度增加到某一点，在该点仅有大约18-20％的初始水 保持没有冻结，所述混合物的凝固点达到某一温度，在此温度下没有更多的 冰形成。该点经常被称为玻璃转化温度(glass transition temperature)。在此状 态中，所述冰激凌中的水甚至在非常低的温度绝不会完全冻结。在常规制造 和储存温度，很大部分的水仍保持液态，这是影响冰激凌稳定性的有利因素。 引入ISPs能帮助指示冰激凌混合物何时达到玻璃态。
虽然如此，在冷冻过程中形成恰当数量的冰不足以保证高质量的冰激 凌。冰晶的平均大小和尺寸分布对冰激凌的平滑度和营养价值有很大影响。 本发明的冷冻操作有意制造出大部分的小晶体由此产生具有光滑口感的冰 激凌。这部分归因于所述冰激凌小滴58冷冻成珠子56的速度。由于冷冻过 程非常迅速，至多花费大约两分钟，冰晶形成快得多而且小得多。在此提及 的许多其他因素也导致在珠子56内形成较小的冰晶。
尽管许多因素影响冰激凌的口感，通常理解为多数冰晶的大小应该小于 50uM，并希望在20uM左右。如果许多晶体大于此，这样的冰激凌会让 人感到粗糙或多冰。
总固体(TS)
在所述冰激凌混合物中用总固体替换水，因此可以增加营养价值和混合 物粘度并改善强度和质地。例如，蛋黄固体可以减少所得到的冰激凌的冻结 时间。在得到的冰激凌中总固体的百分比的增加使冰水的百分比降低，这能 改进味道和质地。在冷冻的冰激凌中，水以液体和固体两种形态存在，由于 并非所有水的冻结都归因于加入的溶质对于凝固点降低的影响。所述固/液比 率影响所述冰激凌的硬度。
甜味剂
众所周知，糖在溶液中不会离解，因此含有多种糖的溶液的凝固点能够 由它们的浓度和分子量进行准确地计算。许多冰激凌混合物应用蔗糖作为甜 味剂，其具有2.5°F的凝固点降低。以三氯半乳蔗糖代替蔗糖，可能地与其 他糖或甜味剂组合，可以减少此凝固点降低。这样的替代可以增加凝固点(减 少所述的凝固点降低)。
三氯半乳蔗糖是通过将糖转化为无热量、无碳水化合物的甜味剂而制成 的。如图2A和2B所示，这种转化过程是选择性地将蔗糖分子上的三个氢- 氧(羟基)基团用氯原子取代。这在糖的内部将蔗糖(图2A)转化为三氯 半乳蔗糖(图2B)，所述的三氯半乳蔗糖基本上是惰性的并具有比蔗糖更高 的分子量。这是因为羟基基团的原子量约为17，而氯原子的原子量约为35.3， 由此产生大约18.3原子单位的差异。这种差异乘以三则意味着三氯半乳蔗糖 和蔗糖的分子量存在明显的差异。其结果是品尝起来象糖的稳定的甜味剂， 但由于其较高的分子量所以具有比蔗糖更少的凝固点降低。
食用后，三氯半乳蔗糖经过人体而没有被分解为能量，因此其没有热量。 三氯半乳蔗糖被认为比糖甜600倍，而且在巴氏灭菌处理过程中保持稳定。 所述的巴氏灭菌可以使冰激凌混合物的温度升高到40℃。然而，由于三氯半 乳蔗糖比蔗糖甜得多，所以和蔗糖不同，难以也使用三氯半乳蔗糖作为NFS 或TS。这是因为要达到特定的甜度所需的三氯半乳蔗糖的体积比蔗糖要少 几个数量级。因此，任何以大量体积使用三氯半乳蔗糖的尝试将会使得到的 冰激凌混合物过甜。
尽管三氯半乳蔗糖是由糖制成的，但人体不将它识别为糖或者碳水化合 物。而且，三氯半乳蔗糖不被人体代谢，因此三氯半乳蔗糖是无卡路里的， 而且不影响血糖水平。三氯半乳蔗糖对碳水化合物的代谢或胰岛素的分泌也 没有影响。
存在着一组糖醇，称做多元醇(polyol)。这些多元醇是一些糖和醇之间的 杂合物。多元醇其中包括赤藓糖醇(erythritol)、木糖醇(xylitol)和麦芽糖醇 (maltitol)。在冰激凌混合物中包含这些具体的糖醇导致血糖指标降得更低， 这适合于糖尿病患者。然而，这些糖醇除了适合作为甜味剂以外，也能够起 到增稠/膨胀剂或NMS的作用，而且也能作为冰结晶的抑制剂。而且，多元 醇不会导致龋齿。这是因为多元醇抗口腔细菌的代谢，所述的代谢分解糖和 淀粉以产生特殊的能导致牙釉质丧失和牙洞形成的酸。因此，多元醇是不生 龋齿的。
一种在本发明中作为甜味剂有用的多元醇是赤藓糖醇，其具有极好的热 稳定性。甚至在160℃的高温赤藓糖醇也不分解。这在制备冰激凌混合物的 必需步骤巴氏灭菌过程中是有利的。然而，赤藓糖醇作为单糖，如图3所示， 具有比蔗糖更低的分子量，并且仅有四个碳原子。
对患有糖尿病的人来说赤藓糖醇也是安全的。单一剂量和14天的临床 研究表明赤藓糖醇不影响血清葡萄糖或胰岛素的水平。在患有糖尿病的人身 上进行的临床研究断定，赤藓糖醇可安全地用于在为患有糖尿病的人特殊配 制的食物中代替蔗糖。
另一种在本发明中用作甜味剂的多元醇是木糖醇，其如图4所示，具有 5个而不是6个碳原子。木糖醇的五碳分子有口腔细菌很难消化的强的化学 键。因此，当食用含有木糖醇的食物时，这些口腔细菌种群就会死亡且数量 下降。因此，含有木糖醇的食物产生较少的龋齿。
另一种用于本发明的多元醇是麦芽糖醇。麦芽糖醇也被称作氢化麦芽 糖，它是二糖，具有可与蔗糖相比较的分子量。
聚葡萄糖是低热量膨胀剂，能够在很高浓度使用而不影响粘性，也因为 它的高分子量，所以聚葡萄糖具有明显少于蔗糖的凝固点降低。
葡萄糖，作为单糖，产生比蔗糖、麦芽糖或乳糖这些二糖更多的凝固点 降低。然而，也可以使用小部分的葡萄糖作为本发明的冰激凌混合物的成分 而不会明显影响凝固点。最后，也能使用天冬甜素(aspartame)、乙酰舒泛 (acesulfame)K、neotame和糖精(saccharin)作为本发明中的甜味剂。由于 Neotame具有比蔗糖高得多的分子量(C20H30N2O5)，所以它是特别有利 的。
尽管已经具体参照本发明优选的实施方案详尽地描述了本发明的各方 面，但可以理解的是，能够在如本文所述的本发明的精神和范围内进行变化 和修改。预期可在不背离如在下列的权利要求中描述的本发明的精神和范围 的前提下对本发明的系统的排列和操作进行各种改变。