Abstrakcyjny
Szybkie topnienie lodów w następstwie zakłócenia łańcucha chłodniczego to długotrwałe wyzwanie techniczne stojące przed branżą, szczególnie dotkliwe w gorących regionach i w scenariuszach logistyki-handlu elektronicznego. W tym badaniu systematycznie badano synergistyczne mechanizmy regulacyjne trójskładnikowej mieszanki emulgatorów zawierającej monostearynian glikolu propylenowego (PGMS), estry poliglicerolu (PGE) i destylowane monoglicerydy (DMG) na odporność-lodów na topienie się i stabilność piany. Wyniki pokazują, że przy stosunku masowym PGMS:PGE:DMG wynoszącym 5:3:2 i całkowitym poziomie dodatku 0,35%, system wykazuje optymalną wydajność: czas topnienia 50% rozciąga się od 38 minut (kontrola) do 67 minut, przekroczenie osiąga 92% ± 3%, a wyniki oceny sensorycznej są najwyższe spośród wszystkich grup. W tej pracy wyjaśniono mechanizmy regulacji mikrostruktury z trzech perspektyw:-wytrzymałości filmu międzyfazowego, szybkości częściowej koalescencji tłuszczu i hamowania rekrystalizacji lodu-zapewniając zarówno podstawy teoretyczne, jak i praktyczne wytyczne dotyczące projektowania receptury lodów przemysłowych-odpornych na topienie.
Słowa kluczowe:Odporność na topnienie lodów-; PGM; estry poligliceryny; Destylowane monoglicerydy; Mieszanie trójskładnikowe; Stabilność piany
Wstęp
Lody to złożony, wielo-fazowy układ składający się z kulek tłuszczu, kryształków lodu, pęcherzyków powietrza i matrycy z roztworu cukru. Jego stabilność strukturalna jest bardzo podatna na wahania temperatury. Po przerwaniu łańcucha chłodniczego wzrost kryształków lodu przyspiesza, pęcherzyki powietrza zlewają się, a kulki tłuszczu gromadzą się, co ostatecznie prowadzi do zapadnięcia się produktu i pogorszenia sensorycznego. Światowy przemysł lodowy ponosi roczne straty ekonomiczne rzędu setek milionów dolarów z powodu problemów z jakością-związanych z topnieniem. Opracowywanie receptur lodów o doskonałej-odporności na topienie stało się zatem wspólnym problemem zarówno środowiska akademickiego, jak i przemysłu.
Emulgatory odgrywają wiele kluczowych ról w systemach lodów: zmniejszają napięcie międzyfazowe olej-woda, aby ułatwić emulgowanie tłuszczu, indukują częściową koalescencję tłuszczu na etapie starzenia w celu utworzenia trójwymiarowej-sieci, która utrzymuje pęcherzyki powietrza oraz stabilizują granicę międzyfazową gaz-ciecz podczas zamrażania i ubijania. Jednak pojedyncze emulgatory często mają trudności z jednoczesnym spełnieniem potrójnych wymagań:-odporności na topienie, wypływu i odczucia w ustach-DMG zapewnia dobre zagęszczenie, ale niewystarczającą stabilność piany; PGMS zapewnia doskonałe właściwości napowietrzające, a jednocześnie ograniczone zwiększenie-odporności na topienie; PGE nadaje elastyczność błonie międzyfazowej, ale trudno jest precyzyjnie kontrolować częściową koalescencję, gdy jest stosowany samodzielnie.
Na podstawie tych rozważań w niniejszym badaniu zaproponowano trójskładnikową strategię mieszania obejmującą PGMS/PGE/DMG, mającą na celu wykorzystanie synergistycznego działania emulgatorów o różnych strukturach molekularnych i wartościach HLB w celu skonstruowania filmu międzyfazowego charakteryzującego się zarówno sztywnością, jak i elastycznością, zwiększając w ten sposób jednocześnie stabilność pianki i odporność-lodów na topienie.
Materiały i metody
1 Materiały
PGMS (monostearynian glikolu propylenowego, HLB≈3,5, czystość większa lub równa 95%), PGE (estry poliglicerolowych kwasów tłuszczowych, HLB≈6,0, stopień polimeryzacji 3-5) i DMG (destylowane monoglicerydy, HLB≈3,8, zawartość monoestrów większa lub równa 90%) spożywczy-pochodzący z komercyjnego źródła. Odtłuszczone mleko w proszku (zawartość białka 34%), bezwodny tłuszcz mleczny (zawartość tłuszczu mlecznego 99,9%), sacharoza, syrop kukurydziany w postaci stałej (DE 42), guma guar, karagen i celuloza mikrokrystaliczna to składniki spożywcze.
2 Formułowanie i przetwarzanie
Podstawowy skład lodów składał się z: tłuszczu mlecznego 8,0%,-odtłuszczonej suchej masy mleka 10,5%, sacharozy 12,0%, syropu kukurydzianego 4,0% i całkowitej suchej masy 36,5%. Całkowity poziom dodatku emulgatora ustalono na 0,35% (w/w całej mieszanki), przy trójskładnikowych proporcjach mieszania zaprojektowanych jak pokazano w Tabeli 1. Mieszankę stabilizatora (guma guar 0,12%, karagen 0,02%, celuloza mikrokrystaliczna 0,15%) utrzymywano na stałym poziomie we wszystkich grupach.
Etapy przetwarzania: mieszanie składników → mieszanie w temperaturze 60 stopni przez 30 minut → homogenizacja (65 stopni, pierwszy etap 15 MPa / drugi etap 3 MPa) → pasteryzacja (80 stopni, 30 s) → szybkie chłodzenie do 4 stopni → starzenie (4 stopnie, 4 godziny, mieszanie na małej-prędkości) → zamrażanie i ubijanie w zamrażarce ciągłej (temperatura na wylocie -5,5 stopnia ) → napełnianie → utwardzanie w tunelu strzałowym (-40 stopni, 30 min) → przechowywanie w temperaturze -18 stopni.
Tabela 1 Projekt eksperymentalny dla trójskładnikowych mieszanek emulgatorów
| Grupa | PGMS (%) | PGE (%) | DMG (%) | Całkowity (%) |
|---|---|---|---|---|
| T0 (sterowanie) | 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 metody analityczne
Test-odporności na topienie:Próbki utwardzonych lodów (-18 stopni, 100 ml, kształt cylindryczny) umieszczono na metalowej siatce (oczko 2 mm) wewnątrz komory o stałej-temperaturze 25 stopni ± 0,5 stopnia. Rejestrowano czas pierwszego kroplenia i czas topnienia 50% masy. Stosunek odporności na topienie zdefiniowano jako czas topnienia 50% podzielony przez czas próby kontrolnej.
Pomiar przekroczenia:Zważono masę ustalonej objętości lodów przed i po zamrożeniu. Przekroczenie (%)=(masa przed zamrożeniem - masa po zamrożeniu) / masa po zamrożeniu × 100%.
Szybkość częściowej koalescencji tłuszczu:Określane metodą ekstrakcji rozpuszczalnikiem-spektrofotometrii UV. Częściowy stopień koalescencji=zawartość wolnego tłuszczu / całkowita zawartość tłuszczu × 100%.
Stabilność piany:Roztopioną mieszankę lodową-ponownie ubijano, a czas wymagany do zmniejszenia objętości piany o 50% rejestrowano jako okres półtrwania- piany.
Ocena sensoryczna:Panel 12 przeszkolonych oceniających ocenił-odczucie rozpływania się w ustach, gładkość, kremowość, uczucie chłodu i ogólną akceptowalność przy użyciu 9-punktowej skali hedonicznej.
Wyniki i dyskusja
1 Wpływ proporcji mieszania na-odporność na topienie
Figura 1 przedstawia topnienie lodów przy różnych proporcjach emulgatora. Kontrola T0 (sam PGMS) wykazywała 50% czas topnienia wynoszący 38 minut i czas pierwszego kroplenia wynoszący 22 minuty. Spośród grup mieszanek trójskładnikowych najlepszą wydajność wykazała T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2), z czasem topnienia o 50% wydłużonym do 67 minut-co stanowi poprawę o 76,3% w porównaniu z grupą kontrolną-, a czas pierwszej kropli opóźniony do 41 minut.
Tabela 2-Odporność na topienie i parametry strukturalne próbek lodów
| Grupa | 50% stopienia (min) | Pierwsza kropla (min) | Przekroczenie (%) | Częściowa koalescencja (%) | Okres półtrwania pianki-(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 |
Gdy zawartość DMG była zbyt niska (T1), warstwa międzyfazowa nie była wystarczająco sztywna, stopień częściowej koalescencji był suboptymalny (55%), struktura sieci pianki pozostawała luźna, a topienie przebiegało stosunkowo szybko. I odwrotnie, gdy zawartość DMG była zbyt wysoka (T5), kuleczki tłuszczu agregowały w duże skupiska tłuszczu, co zakłócało jednorodność piany, powodując spadek przekroczenia do 72% i gwałtowny spadek-odporności na topienie. Wskazuje to na istnienie optymalnego okna DMG w trójskładnikowym systemie mieszanki.-Do zbudowania szkieletu sieci potrzebna jest wystarczająca ilość krystalicznego tłuszczu, ale należy unikać nadmiernej agregacji, aby zachować integralność pęcherzyków.
2 Mechanizmy regulacji międzyfazowej mieszanki trójskładnikowej
Zwiększona odporność na topienie-nadawana przez trójskładnikową mieszankę PGMS/PGE/DMG wynika z mechanizmów synergistycznych działających na trzech poziomach:
Poziom filmu międzyfazowego:DMG zapewnia sztywną warstwę międzyfazową tłuszczu krystalicznego, która służy jako węzły i szkielet sieci piankowej; PGE, dzięki swojej stosunkowo wysokiej wartości HLB i doskonałej elastyczności na granicy faz, tworzy elastyczną powłokę na granicy faz gaz-ciecz, zwiększając odporność pęcherzyka na odkształcenia; PGMS pełni rolę pośrednią i może-współkrystalizować z DMG w celu wzmocnienia wytrzymałości sieci, jednocześnie zmniejszając napięcie międzyfazowe razem z PGE, aby ułatwić wytwarzanie drobnych pęcherzyków powietrza.
Częściowa regulacja koalescencji:Częściowa koalescencja tłuszczu ma kluczowe znaczenie dla powstania struktury pianki lodowej. Gdy stopień częściowej koalescencji jest zbyt niski (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%) skupiska tłuszczu powodują koalescencję pęcherzyków i załamanie strukturalne. 68% współczynnik częściowej koalescencji grupy T3 mieści się dokładnie w optymalnym oknie podanym w literaturze (60-75%), zapewniając ciągłość sieci, unikając jednocześnie ryzyka załamania związanego z nadmierną agregacją.
Hamowanie kryształków lodu:Film międzyfazowy i sieć tłuszczowa utworzona przez trójskładnikową mieszankę emulgatorów działają jak bariery fizyczne, opóźniając dojrzewanie kryształków lodu metodą Ostwalda. Po 30 dniach przechowywania w temperaturze -18 stopni średnia średnica kryształków lodu w grupie T3 wyniosła 32 μm, czyli była znacznie niższa niż 48 μm obserwowana w grupie kontrolnej-, co dodatkowo wyjaśnia mikrostrukturalne podstawy doskonałej odporności na topienie.
3 ścieżki poprawy stabilności piany
Trwałość piany określa zdolność lodów do zachowania kształtu podczas procesu topienia. Grupa T3 wykazywała okres półtrwania- piany wynoszący 34 minuty, około 1,9 razy większy niż w grupie kontrolnej. Elastyczna adsorpcja PGE na granicy faz gaz-ciecz stanowi główny czynnik zwiększający stabilność pianki.-jego liczne hydroksylowe hydrofilowe grupy główne tworzą sieci wiązań wodorowych z cząsteczkami wody, zwiększając grubość warstwy hydratacyjnej filmu międzyfazowego. Jednocześnie sieć tłuszczu zbudowana przez DMG i PGMS zapewnia fizyczne wsparcie dla pęcherzyków powietrza, utrudniając drenaż filmu cieczy pomiędzy pęcherzykami i hamując koalescencję pęcherzyków.
4 Walidacja oceny sensorycznej
Tabela 3. Ocena sensoryczna próbek lodów (skala 9-punktowa)
| Grupa | Rozpływa się-w ustach | Gładkość | Kremowość | Chłód | Ogólna akceptowalność |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Grupa T3 uzyskała znacznie wyższe wyniki niż grupa kontrolna i grupa T5 pod względem rozpływania się w ustach i gładkości, co potwierdza decydujący wpływ odpowiedniej szybkości częściowej koalescencji na finezję tekstury.
Zalecenia dotyczące zastosowań przemysłowych
W oparciu o wyniki tego badania producentom lodów stosującym potrójny system mieszania PGMS/PGE/DMG zaleca się działanie w następującym przedziale recepturowym: całkowity poziom dodatku emulgatora 0,30-0,40%, przy zakresie stosunku masowego PGMS:PGE:DMG 4,5-5,5:2,5-3,5:1,8-2,2. Dostosowanie w tym zakresie można przeprowadzić w zależności od zawartości tłuszczu, zawartości beztłuszczowej suchej masy mleka i rodzaju produktu.
Przyszłe kierunki badań mogą obejmować zbadanie wydajności tego trójskładnikowego układu mieszanki w-lodach roślinnych, a także wpływ różnych składów kwasów tłuszczowych (stosunki nasycone/nienasycone) na właściwości wymieszanej warstwy międzyfazowej.
