超音波で改善するアイスクリーム製造

高出力超音波の適用は、高品質なアイスクリームの製造にいくつもの有益な効果をもたらします。超音波処理の主な利点には、アイスクリーム中の結晶サイズの縮小と凍結の促進があります。これにより、超音波処理は品質と消費者が感じる感覚を改善すると同時に、製造コストを削減します。

アイスクリーム製造における超音波の効果

アイスクリームの製造では、顧客の要求を満たす高品質な甘味食品を得るために、高度な加工が必要です。加工工程が複雑になる主な理由は、アイスクリームが最も複雑な食品の一つであることにあります。アイスクリームは泡であると同時にエマルションでもあり、氷結晶と凍結していない液状混合物を含んでいます。アイスクリーム製造中に高出力超音波を適用すると、氷結晶の核生成を促進し、凍結過程に伴う熱および物質の移動を加速できます。これにより、超音波処理は結晶サイズを縮小し、アイスクリーム製造時の凍結時間を短縮します。MortazaviとTabatabaieの研究では、20 minの超音波処理によって、アイスクリーム加工時の凍結時間を約30%短縮できることが示されました。

アイスクリーム製造と超音波の利点

アイスクリーム製造には、アイスクリームミックスが必要です。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、乾燥固形分、乳化剤、安定剤に加え、果物、ナッツ、香料、着色料などの添加物で構成されます。この特別な混合物を均質化して低温殺菌した後、大きな氷結晶の形成を防ぐため、凍結過程でゆっくりとかき混ぜます。その際、非常に小さな気泡を混ぜ込む、いわゆる空気混入工程によってアイスクリームを泡立て、滑らかな食感の冷たいデザートに仕上げます。超音波処理は、アイスクリームミックスのすべての成分を均一に分布させると同時に、低温殺菌にも寄与します。 液状食品の超音波低温殺菌について、詳しくはこちらをご覧ください！
続いて、アイスクリーム製造の凍結段階で超音波処理を適用します。超音波処理は氷結晶の核生成と成長を促進するため、凍結過程が大幅に加速されます。同時に、超音波処理は氷結晶のサイズを縮小し、均一に小さな氷結晶を形成します。これにより、アイスクリームに滑らかな食感と心地よい口当たりがもたらされます – どちらも消費者から高く評価される品質特性です。

アイスクリームの製造工程

アイスクリームの製造には五つの段階があります：

1. アイスクリームミックスの調製
2. アイスクリームミックスの均質化、低温殺菌、エージング
3. 凍結と空気混入
4. 成形と型への充填
5. 硬化と包装

アイスクリームの製造工程。
出典：Dairy Processing Handbook。Tetra Pak Processing Systems AB, Lund, Sweden発行。p.387。

超音波によるアイスクリーム凍結の促進

凍結過程では、過冷却水から結晶が形成されます。氷結晶の形態は、凍結食品および半凍結食品の食感と物理的特性において重要な役割を果たします。組織構造を持つ食品を解凍した際の品質には、氷結晶のサイズと分布が特に重要です。アイスクリームでは、大きな結晶が氷のような食感を生じさせるため、より小さな氷結晶が好まれます。核生成は、結晶化中の結晶サイズ分布を制御するうえで最も重要な要因です。そのため、通常は凍結速度をパラメーターとして、アイスクリーム中の氷結晶のサイズとサイズ分布を制御します。泡立てと凍結の際には、アイスクリームの滑らかな食感を得るために空気を注入します。注入する空気の量を示す、いわゆる「オーバーラン」は、固形分と水の合計体積に比例するように – 個々のレシピに合わせて – 調整されます。そのため、オーバーランはアイスクリームの配合や加工フローによって異なります。標準的なアイスクリームのオーバーランは100%で、これは最終製品が等しい体積のアイスクリームミックスと気泡で構成されることを意味します。
Hielscherの高性能超音波プロセッサーを使用すると、結晶化の促進、氷結晶サイズの縮小、凍結面への付着層の形成防止によって、アイスクリームの品質が向上します。アイスクリーム中の氷結晶サイズの縮小と気泡分布の改善により、より良好な性状と、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、凍結が大幅に速くなることで、処理能力が高まり、製造工程のエネルギー効率も向上します。

科学的に実証：超音波処理によるアイスクリームの品質向上

AslanとDogan（2021）は、Hielscherのプローブ型超音波処理装置UP400Stを使用して、アイスクリーム製造に対する超音波処理の効果を調査しました（左の写真参照）。研究結果は、超音波がキャビテーションによって粒子サイズの縮小を促進することを示しました。超音波処理によってより小さな氷結晶が形成されたことから、アイスクリームおよび冷凍食品の品質が向上することが明らかになりました。氷結晶はアイスクリームに特有の口当たりを与えるため、ざらついた構造を防ぎ、求められる滑らかさと柔らかさを実現するには、凍結過程で最も小さな結晶を得ることが非常に重要です。この研究では、超音波による均質化によって、十分に分散したエマルションが得られることも結論づけられました。消費者パネルによる食品の官能特性と風味の評価では、アイスクリームの超音波均質化が、より小さな氷結晶と、それに伴う心地よい口当たりによって、消費者の好みを満たすのに役立つことが示されました。
（Aslan and Dogan, 2021参照）

アイスクリーム製造用の高性能超音波食品プロセッサー

Hielscher Ultrasonicsは、食品・飲料産業をはじめ、多くの産業分野で高出力超音波の適用に長年の経験を有しています。当社の超音波プロセッサーには、洗浄しやすいソノトロードとフローセル（接液部）が装備されています（定置洗浄CIP／定置滅菌SIP）。
Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波処理装置は、24/7の連続運転で非常に高い振幅を供給できます。低い強度から高い強度まで振幅を精密に制御することは、アイスクリーム配合で目標とする製品特性に合わせて超音波処理工程を微調整するために重要です。
Hielscherは、あらゆるサイズの超音波食品プロセッサーを揃え、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対応する信頼性の高いシステムを提供しています。小規模な手作りジェラート店では、超音波処理装置UP400St（400ワット）またはUIP1000hdT（1000ワット）が十分な処理能力を提供する一方、工業規模のアイスクリーム製造施設では、高い処理能力を持つ超音波処理装置UIP6000hdT（6000ワット）またはUIP16000hdT（16,000ワット）を設置します。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています：

文献／参考文献

• Mortazavi, A. and Tabatabaie, F. (2008): Study of Ice Cream Freezing Process after Treatment with Ultrasound. World Appl. Sci. J 4, 188-190.
• Aslan Türker, Duygu; Dogan, Mahmut (2021): Effects of ultrasound homogenization on the structural and sensorial attributes of ice cream: optimization with Taguchi and data envelopment analysis. Journal of Food Measurement and Characterization 15, 2021, 1-11.
• Vildan Akdeniz, A. Sibel Akalın (2019): New approach for yoghurt and ice cream production: High-intensity ultrasound. Trends in Food Science & Technology, Volume 86, 2019. 392-398.
• Petzold, G. and Aguilera, J. M. (2009): Ice Morphology: Fundamentals and Technological Applications in Foods. Food Biophysics Vol.4, No. 4, 378-396.
• Dairy Processing Handbook. Published by Tetra Pak Processing Systems AB, S-221 86 Lund, Sweden. p.387.