Abstract
Topirea rapidă a înghețatei în urma întreruperii lanțului de frig este o provocare tehnică de lungă durată cu care se confruntă industria, în special în regiunile fierbinți și în scenariile logistice de comerț electronic. Acest studiu investighează sistematic mecanismele de reglare sinergice ale unui amestec de emulgatori ternar care cuprinde monostearat de propilenglicol (PGMS), esteri de poliglicerină (PGE) și monogliceride distilate (DMG) asupra rezistenței la topitură de înghețată-și stabilității spumei. Rezultatele demonstrează că la un raport de masă PGMS:PGE:DMG de 5:3:2 și un nivel total de adăugare de 0,35%, sistemul prezintă performanțe optime: timpul de topire de 50% se extinde de la 38 min (control) la 67 min, depășirea atinge 92%±3%, iar scorurile evaluării senzoriale sunt cele mai mari dintre toate grupurile. Această lucrare elucidează mecanismele de reglare microstructurală din trei perspective-rezistența filmului interfacial, rata de coalescență parțială a grăsimii și inhibarea recristalizării gheții-oferind atât baze teoretice, cât și orientări practice pentru proiectarea formulării de înghețată industrială rezistentă la topire-.
Cuvinte cheie:rezistență la topire- înghețată; PGMS; esteri de poliglicerol; Monogliceride distilate; Amestecare ternară; Stabilitatea spumei
Introducere
Înghețata este un sistem complex cu mai multe-faze compus din globule de grăsime, cristale de gheață, bule de aer și o matrice de soluție de zahăr. Stabilitatea sa structurală este foarte susceptibilă la fluctuațiile de temperatură. Odată ce lanțul rece este întrerupt, creșterea cristalelor de gheață se accelerează, bulele de aer se unesc și globulele de grăsime se adună, ducând în cele din urmă la prăbușirea produsului și la deteriorarea senzorială. Industria globală a înghețatei suferă pierderi economice anuale de sute de milioane de dolari din cauza problemelor de calitate legate de topire-. Dezvoltarea de formulări de înghețată cu rezistență-superioară la topire a devenit astfel o preocupare comună atât pentru mediul academic, cât și pentru industrie.
Emulgatorii joacă mai multe roluri esențiale în sistemele de înghețată: reducerea tensiunii interfațale de ulei-apă pentru a facilita emulsionarea grăsimii, inducerea coalescenței parțiale a grăsimilor în timpul etapei de îmbătrânire pentru a construi o rețea tri-dimensională care susține bulele de aer și stabilizarea interfeței gaz-lichid în timpul înghețului și baterii. Cu toate acestea, emulgatorii unici se luptă adesea să satisfacă simultan cerințele triple de rezistență la topitură, depășire și senzație în gură-DMG oferă o bună îngroșare, dar o stabilitate insuficientă a spumei; PGMS oferă proprietăți excelente de aerare, dar o îmbunătățire limitată a rezistenței la topire-; PGE conferă flexibilitate filmului interfacial, dar este dificil de controlat cu precizie coalescența parțială atunci când este utilizat singur.
Pe baza acestor considerații, acest studiu propune o strategie de amestecare ternară care implică PGMS/PGE/DMG, având ca scop valorificarea efectelor sinergice ale emulgatorilor cu diferite structuri moleculare și valori HLB pentru a construi un film interfacial care posedă atât rigiditate, cât și flexibilitate, sporind astfel simultan stabilitatea spumei și rezistența la topire a smântânii de gheață.{0}
Materiale și metode
1 Materiale
PGMS (propilenglicol monostearat, HLB≈3,5, puritate mai mare sau egală cu 95%), PGE (esteri ai acizilor grași poliglicerol, HLB≈6,0, grad de polimerizare 3-5) și DMG (monogliceride distilate, HLB≈9%), toate au un conținut mai mare de 8, ≈ 9% de monoester. alimentar{11}, din surse comerciale. Lapte praf degresat (conținut de proteine 34%), grăsime anhidră din lapte (conținut de grăsime din lapte 99,9%), zaharoză, substanțe solide de sirop de porumb (DE 42), gumă de guar, caragenan și celuloză microcristalină au fost toate ingrediente de calitate alimentară.
2 Formulare și prelucrare
Formularea de bază pentru înghețată a cuprins: grăsime din lapte 8,0%, solide de lapte fără grăsimi 10,5%, zaharoză 12,0%, substanțe solide din sirop de porumb 4,0% și solide totale 36,5%. Nivelul total de adăugare a emulgatorului a fost fixat la 0,35% (g/g amestec total), cu rapoarte de amestecare ternare proiectate așa cum se arată în Tabelul 1. Un amestec de stabilizatori (gumă guar 0,12%, caragenan 0,02%, celuloză microcristalină 0,15%) a fost menținut constant în toate grupurile.
Etape de procesare: amestecarea ingredientelor → agitare la 60 de grade timp de 30 de minute → omogenizare (65 de grade, prima treaptă 15 MPa / a doua etapă 3 MPa) → pasteurizare (80 de grade, 30 s) → răcire rapidă la 4 grade → îmbătrânire (4 grade, 4 ore, scădere redusă - agitare continuă la {10}) temperatura -5,5 grade) → umplere → întărire în tunel de sablare (-40 grade, 30 min) → depozitare la -18 grade.
Tabelul 1 Design experimental pentru amestecuri de emulgatori ternari
| Grup | PGMS (%) | PGE (%) | DMG (%) | Total (%) |
|---|---|---|---|---|
| T0 (control) | 0.35 | 0 | 0 | 0.35 |
| T1 | 0.20 | 0.10 | 0.05 | 0.35 |
| T2 | 0.175 | 0.105 | 0.07 | 0.35 |
| T3 (5:3:2) | 0.175 | 0.105 | 0.07 | 0.35 |
| T4 | 0.14 | 0.14 | 0.07 | 0.35 |
| T5 | 0.10 | 0.10 | 0.15 | 0.35 |
3 Metode analitice
Test de rezistență{0}}la topire:Probele de înghețată întărită (-18 grade , 100 ml formă cilindrică) au fost plasate pe o rețea metalică (plasă de 2 mm) în interiorul unei camere cu temperatură constantă- la 25 grade ± 0,5 grade . S-au înregistrat primul timp de picurare și 50% timpul de topire în masă. Raportul rezistență la topire a fost definit ca timpul de topire de 50% împărțit la cel al controlului.
Măsurarea depășirii:Masa unui volum fix de înghețată a fost cântărită înainte și după congelare. Depășire (%)=(masă înainte de înghețare - masă după îngheț) / masă după îngheț × 100%.
Rata de coalescență parțială a grăsimilor:Determinată prin extracție cu solvent-spectrofotometrie UV. Rata de coalescență parțială=conținut de grăsime liberă/conținut total de grăsime × 100%.
Stabilitatea spumei:Amestecul de înghețată topit a fost bătut din nou, iar timpul necesar pentru o reducere cu 50% a volumului spumei a fost înregistrat ca timp de înjumătățire-a spumei.
Evaluare senzorială:Un grup de 12 evaluatori instruiți a evaluat senzația de topire-în gură, netezimea, cremositatea, senzația de răcoare și acceptabilitatea generală folosind o scală hedonică în 9 puncte.
Rezultate și discuții
1 Efectul raportului de amestecare asupra rezistenței la topire-
Figura 1 ilustrează comportamentul de topire al înghețatei în diferite rapoarte de emulgator. Martorul T0 (numai PGMS) a prezentat un timp de topire de 50% de 38 de minute și un timp de prima picurare de 22 de minute. Dintre grupurile de amestec ternare, T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) a demonstrat cea mai bună performanță, cu timpul de topire de 50% extins la 67 de minute-o îmbunătățire cu 76,3% față de control-și timpul de picurare a primului întârziere la 41 de minute.
Tabelul 2 Rezistența la topire-și parametrii structurali ai probelor de înghețată
| Grup | Topire 50% (min) | Prima picurare (min) | Depășire (%) | Coalescență parțială (%) | Durata de viață a spumei -în jumătate (min) |
|---|---|---|---|---|---|
| T0 | 38±2 | 22±1 | 78±4 | 42±3 | 18±2 |
| T1 | 52±3 | 31±2 | 85±3 | 55±4 | 24±3 |
| T2 | 59±2 | 36±2 | 88±2 | 62±3 | 28±2 |
| T3 | 67±3 | 41±2 | 92±3 | 68±3 | 34±3 |
| T4 | 55±2 | 33±2 | 83±4 | 58±4 | 26±2 |
| T5 | 45±3 | 27±2 | 72±5 | 38±4 | 20±3 |
Când conținutul de DMG a fost prea scăzut (T1), filmul interfacial nu avea suficientă rigiditate, rata de coalescență parțială a fost suboptimă (55%), structura rețelei de spumă a rămas liberă și topirea a avut loc relativ rapid. În schimb, atunci când conținutul de DMG a fost excesiv de mare (T5), globulele de grăsime s-au agregat în grupuri mari de grăsime care au perturbat uniformitatea spumei, determinând depășirea la 72% și deteriorarea bruscă a rezistenței la topire-. Aceasta indică existența unei ferestre DMG optime în cadrul sistemului de amestec ternar-este necesară suficientă grăsime cristalină pentru a construi scheletul rețelei, dar trebuie evitată agregarea excesivă pentru a păstra integritatea bulelor.
2 Mecanisme de reglare interfacială a amestecului ternar
Rezistența îmbunătățită la topire-conferită de amestecul ternar PGMS/PGE/DMG provine din mecanismele sinergice care funcționează la trei niveluri:
Nivelul filmului interfacial:DMG oferă un strat interfacial de grăsime cristalină rigidă care servește ca noduri și cadru ale rețelei de spumă; PGE, cu valoarea sa HLB relativ mare și flexibilitatea interfațală excelentă, formează o peliculă elastică la interfața gaz-lichid, sporind rezistența bulei la deformare; PGMS ocupă un rol intermediar, capabil să co-cristalizeze cu DMG pentru a consolida rezistența rețelei, reducând în același timp tensiunea interfacială cu PGE pentru a facilita generarea de bule de aer fine.
Reglarea coalescenței parțiale:Coalescența parțială a grăsimilor este crucială pentru formarea structurii spumei de înghețată. Când rata de coalescență parțială este prea scăzută (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%), clusterele de grăsime induc coalescența bulelor și colapsul structural. Rata de coalescență parțială de 68% a grupului T3 se încadrează tocmai în fereastra optimă raportată în literatură (60-75%), asigurând continuitatea rețelei evitând în același timp riscul de colaps asociat cu agregarea excesivă.
Inhibarea cristalelor de gheață:Filmul interfacial și rețeaua de grăsime formată de amestecul de emulgatori ternar acționează ca bariere fizice, întârziend maturarea Ostwald a cristalelor de gheață. După 30 de zile de depozitare la -18 grade , diametrul mediu al cristalelor de gheață în grupul T3 a fost de 32 μm, semnificativ mai mic decât cei 48 μm observați la control-, explicând în continuare baza microstructurală pentru rezistența sa excelentă la topire.
3 căi pentru îmbunătățirea stabilității spumei
Stabilitatea spumei determină capacitatea de reținere a formei a înghețatei în timpul procesului de topire. Grupul T3 a prezentat un timp de înjumătățire-de spumă de 34 de minute, de aproximativ 1,9 ori mai mare decât cel al martorului. Adsorbția elastică a PGE la interfața gaz-lichid constituie contribuția principală la stabilitatea sporită a spumei-grupele sale multiple hidroxil hidrofile formează rețele de legături de hidrogen cu moleculele de apă, crescând grosimea stratului de hidratare a peliculei interfațale. Simultan, rețeaua de grăsime construită de DMG și PGMS oferă suport fizic pentru bulele de aer, împiedicând drenajul filmului lichid între bule și inhibând coalescența bulelor.
4 Validarea evaluării senzoriale
Tabelul 3 Scorurile senzoriale ale probelor de înghețată (scara de 9 puncte)
| Grup | Topiți-Senzația în gură | Netezime | cremositate | Răcoare | Acceptabilitate generală |
|---|---|---|---|---|---|
| T0 | 5.2 | 6.8 | 6.5 | 6.2 | 6.1 |
| T3 | 7.8 | 7.5 | 7.2 | 7.0 | 7.6 |
| T5 | 5.5 | 5.0 | 6.8 | 6.3 | 5.8 |
Grupul T3 a obținut scoruri semnificativ mai mari decât grupul de control și T5 în ceea ce privește senzația în gură de topire-și netezime, validând influența decisivă a unei rate de coalescență parțială adecvată asupra fineței texturale.
Recomandări pentru aplicații industriale
Pe baza constatărilor acestui studiu, producătorii de înghețată care adoptă sistemul de amestec ternar PGMS/PGE/DMG sunt sfătuiți să opereze în următoarea fereastră de formulare: nivel total de adăugare a emulgatorului de 0,30-0,40%, cu un interval de raport de masă PGMS:PGE:DMG de 4,5{.:5.2.5.2.5. Reglarea fină în acest interval poate fi efectuată în funcție de conținutul de grăsime, conținutul de substanțe solide din lapte fără grăsimi și tipul de produs.
Direcțiile viitoare de cercetare pot include investigarea performanței acestui sistem de amestec ternar în aplicațiile de înghețată pe bază de plante-, precum și influența diferitelor compoziții de acizi grași (raporturi saturate/nesaturate) asupra proprietăților filmului interfacial amestecat.
