超音波によるアイスクリーム製造の改善

パワー超音波の応用は、高品質のアイスクリームの製造にいくつかの有益な効果をもたらす。超音波処理の主な利点は、アイスクリームの結晶サイズの縮小と凍結の促進です。超音波処理により、品質と消費者の感覚を向上させると同時に、製造コストを削減することができます。

アイスクリーム製造における超音波効果

アイスクリームの製造は、顧客の要求を満たす高品質の甘い食品を得るために、高度な加工を必要とする。アイスクリームの加工工程は、アイスクリームが最も複雑な食品のひとつであるという事実に起因している。アイスクリームは、氷の結晶と凍結していない液体混合物を含んでいる。アイスクリーム製造時に高出力の超音波を当てると、氷結晶の核形成が促進され、凍結プロセスに伴う熱および物質移動プロセスが加速される。これにより、超音波処理によって結晶サイズが小さくなり、アイスクリーム製造における凍結時間が短縮される。MortazaviとTabatabaieの研究によると、20分間の超音波処理により、アイスクリーム製造の凍結時間を約30％短縮できることが示された。

アイスクリーム製造と超音波の利点

アイスクリームの製造には、アイスクリームミックスが必要である。このアイスクリーム・ミックスは、牛乳、粉乳、クリーム、バターまたは植物性脂肪、砂糖、ドライマス、乳化剤、安定剤、果物、ナッツ、香料、着色料などの添加物で構成されている。この特別な混合物はホモジナイズされ、低温殺菌された後、大きな氷の結晶ができるのを防ぐため、凍結工程でゆっくりと撹拌される。これにより、非常に小さな気泡が混ざり合い（いわゆるエアレーション工程）、アイスクリームが泡立ち、滑らかな食感の冷たいデザートができる。超音波は、アイスクリームミックスの全成分の均一な分散を促進し、同時に低温殺菌にも貢献する。 液体食品の超音波殺菌についてはこちらをご覧ください！
その後、アイスクリーム製造の凍結段階で超音波処理を行う。超音波は氷結晶の核生成と成長を促進するため、凍結プロセスが大幅に加速される。同時に、超音波処理によって氷結晶のサイズが小さくなるため、均一で小さな氷結晶が得られる。これにより、アイスクリームに滑らかなテクスチャーと心地よい口当たりが生まれる。 – どちらも消費者から高く評価されている品質属性である。

アイスクリーム製造工程

アイスクリームの製造には5つの段階がある：

1. アイスクリーム・ミックスの準備
2. 均質化、低温殺菌、アイスクリームミックスの熟成
3. 冷凍とエアレーション
4. 成形
5. 硬化と包装

アイスクリーム製造のステップ。
出典：乳製品加工ハンドブック。Tetra Pak Processing Systems AB, Lund, Sweden. p.387.

超音波によるアイスクリームの凍結促進

冷凍の過程で、過冷却水から結晶が形成される。氷結晶の形態は、冷凍食品や半冷凍食品の食感や物理的特性に関して重要な役割を果たす。氷の結晶の大きさと分布は、解凍された組織製品の品質にとって特に重要であるため、アイスクリームの場合、結晶が大きいと氷のような食感になるため、小さい氷の結晶が好まれる。核生成は、結晶化中の結晶サイズ分布を制御する最も重要な要因である。そのため、凍結速度は通常、アイスクリームの氷結晶のサイズとサイズ分布を制御するために使用されるパラメータである。ホイップと冷凍の間に、アイスクリームの滑らかな食感を実現するために空気が注入される。いわゆる "オーバーラン "と呼ばれる空気の注入量は、固形分と水の合計量に比例して、特に特定のレシピに比例します。そのためオーバーランは、アイスクリームの配合や加工工程の違いによって異なる。標準的なアイスクリームのオーバーランは100％で、これは最終製品が同量のアイスクリームミックスと気泡で構成されていることを意味する。
Hielscher社の高性能超音波プロセッサーを使用することで、結晶化を促進し、氷の結晶サイズを小さくし、凍結面の包餡を避けることで、アイスクリームの品質が向上します。アイスクリームの結晶サイズが小さくなり、気泡の分布が改善されるため、より良いコンシステンシーとよりクリーミーな口当たりが得られます。凍結時間が約30％短縮され、凍結時間が大幅に短縮されるため、処理能力が向上し、エネルギー効率の高い製造工程が実現します。

科学的に証明されたソニケーションによるアイスクリームの品質向上

Aslan and Dogan (2021)は、Hielscher社のプローブ型超音波発生装置UP400St（左写真参照）を用いて、アイスクリーム製造における超音波処理の効果を調査した。研究結果は、超音波がキャビテーションによる粒子のサイズ減少を促進することを実証した。超音波処理によって氷の結晶サイズが小さくなるため、アイスクリームや冷凍食品の品質が向上することが明らかになった。氷の結晶はアイスクリームに独特の口当たりを与えるので、粒状構造を防止し、アイスクリームの望ましい滑らかさと柔らかさを達成するために、凍結工程で最小の結晶を得ることが非常に重要である。この研究ではまた、超音波ホモジナイザーはよく分散したエマルジョンを提供すると結論付けている。消費者パネルによる食品感覚と風味のテストでは、超音波ホモジナイゼーションは、より小さな氷の結晶と、それに関連するアイスクリームの心地よい口当たりという消費者の嗜好を満たすのに役立つことが示された。
(アスランとドガン、2021年参照）。

アイスクリーム製造用高性能超音波フードプロセッサー

Hielscher Ultrasonics社は、食品分野でのパワー超音波の応用において長年の経験を有しています。 & 飲料業界をはじめ、多くの産業分野で使用されています。当社の超音波処理装置は、洗浄が容易な（CIP/SIP）ソノトロードとフローセル（ウェットパーツ）を装備しています。
Hielscher Ultrasonicsの工業用超音波処理装置は、24時間365日の連続運転で非常に高い振幅を供給することができます。マイルドから高強度まで振幅を正確に制御することは、超音波処理工程をアイスクリームの製剤特性に合わせて微調整するために重要です。
あらゆるサイズの超音波フードプロセッサーで、ヒールシャー社はアイスクリームを含む食品・飲料製品のバッチ処理および連続処理に信頼性の高いシステムを提供しています。小規模の職人的なジェラート工場では、ソニケーターUP400ST型（400ワット）またはUIP1000hdT型（1000ワット）で十分な処理能力を発揮しますが、工業的なアイスクリーム製造工場では、高スループットのソニケーターUIP6000hdT型（6000ワット）またはUIP16000hdT型（16000ワット）を設置します。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

文献・参考文献