Modyfikacja powierzchni mleka pełnego w proszku premium: wykorzystanie niskiej lepkości ACETEM i wysokiej hydrofilowości PGE na powierzchni cząstek proszku

Pełne mleko w proszku od dawna stanowi techniczne wąskie gardło w zakresie natychmiastowego rozpuszczania, szczególnie w zimnej wodzie, ze względu na wysoką zawartość tłuszczu i wyraźną hydrofobowość powierzchni. Chociaż konwencjonalny proces natryskiwania lecytyną jest stosowany na skalę przemysłową od dziesięcioleci, nadal nie zapewnia on szybkości zwilżania, stabilności przechowywania i zachowania smaku. W artykule zaproponowano nowatorską strategię modyfikacji powierzchni opartą na synergistycznym połączeniu ACETEM (acetylowane mono- i diglicerydy kwasów tłuszczowych, E472a) i PGE (estry poliglicerolu kwasów tłuszczowych, E475). Niska wartość HLB (2–3) i właściwości ACETEM o niskiej-podobnej do cieczy-lepkości umożliwiają mu skuteczną infiltrację i zwilżanie warstwy wolnego tłuszczu na powierzchni cząstek mleka w proszku, tworząc w ten sposób pierwotną granicę powinowactwa hydrofobowego. Tymczasem szeroki-zakres wartości HLB (3–13) i wysoka hydrofilowość PGE nadają niezbędne kanały hydrofilowe na powierzchni cząstek, umożliwiając wodzie szybką penetrację porowatej struktury aglomeratów. W porównaniu z tradycyjnym procesem natryskiwania lecytyny, system powlekania gradientowego ACETEM/PGE wykazuje znaczące zalety w zakresie czasu zwilżania w zimnej wodzie (8–10 stopni), dyspergowalności i ochrony przed utlenianiem-przy przechowywaniu, przy pełnej zgodności z unijnymi i międzynarodowymi normami dotyczącymi dodatków do żywności. W artykule przedstawiono systematyczną demonstrację zarówno mechanizmów chemii międzyfazowej, jak i perspektyw realizacji procesów, oferując nową ścieżkę techniczną błyskawicznego udoskonalenia najwyższej jakości mleka pełnego w proszku.

Pełne mleko w proszku to sproszkowany produkt mleczny wytwarzany ze świeżego mleka krowiego w procesach obejmujących standaryzację, pasteryzację, zagęszczanie i suszenie rozpyłowe. W przeciwieństwie do odtłuszczonego mleka w proszku, mleko pełne w proszku zachowuje naturalny smak tłuszczu mlecznego i-rozpuszczalnych w tłuszczach składników odżywczych, dzięki czemu jest szeroko poszukiwane w najwyższej jakości odżywkach dla niemowląt, odżywkach w proszku dla dorosłych, śmietankach do kawy i premiksach piekarniczych.

Jednakże zawartość tłuszczu w pełnym mleku w proszku zazwyczaj przekracza 26–28%, a podczas suszenia rozpyłowego i późniejszej obróbki około 0,5–3% wolnego tłuszczu migruje na powierzchnię cząstek, tworząc powłokę na granulkach mleka w proszku. Ta warstwa wolnego tłuszczu wykazuje silną hydrofobowość, co utrudnia cząsteczkom wody przedostawanie się przez powierzchnię i przenikanie do wnętrza cząstek, poważnie pogarszając w ten sposób zwilżalność i dyspergowalność proszku. Kąt zwilżania wody w pełnym mleku w proszku wynosi zazwyczaj około 50 stopni, a w niektórych przypadkach przekracza 90 stopni, w którym to momencie infiltracja wody jest praktycznie całkowicie utrudniona. Ta powierzchnia hydrofobowa stanowi podstawową przyczynę trudności w odtwarzaniu pełnego mleka w proszku w zimnej wodzie.

Aby rozwiązać ten problem, od lat 60. XX wieku w branży szeroko przyjęto proces natryskiwania aglomeracji i lecytyny, podczas którego roztwór lecytyny w oleju roślinnym natryskuje się na cząstki aglomerowanego mleka w proszku w złożu fluidalnym po suszeniu rozpyłowym. Badania wykazały, że opryski lecytyną mogą skrócić czas zwilżania odtłuszczonego mleka w proszku z ponad 300 sekund do około 8,9 sekundy, co stanowi niezwykłą poprawę. Niemniej jednak sama lecytyna ma kilka nieodłącznych ograniczeń, w tym wysoką zawartość wielonienasyconych kwasów tłuszczowych (około 50–60% kwasu linolowego w dostępnej w handlu lecytynie sojowej), podatność na utlenianie prowadzące do-nieodpowiedniego smaku oraz ograniczoną stabilność termiczną-, które stają się coraz bardziej widoczne w przypadku wymagań dotyczących wydłużonego-okresu przydatności do spożycia produktów premium.

W ostatnich latach szybki rozwój syntetycznych niejonowych emulgatorów- dostarczył nowych opcji narzędzi do modyfikacji powierzchni proszków mlecznych. Wśród nich ACETEM (acetylowane mono- i diglicerydy kwasów tłuszczowych) i PGE (estry poliglicerolu kwasów tłuszczowych) wraz z ich uzupełniającymi się strukturami molekularnymi, zróżnicowanymi wartościami HLB i przestrajalną aktywnością powierzchniową wykazują znaczny potencjał jako częściowe lub całkowite alternatywy dla tradycyjnej lecytyny. Celem tego artykułu jest systematyczna analiza zachowania międzyfazowego tych dwóch emulgatorów, zbadanie mechanizmów fizykochemicznych leżących u podstaw ich synergistycznego działania na powierzchni cząstek pełnego mleka w proszku oraz dostarczenie wytycznych referencyjnych dotyczących optymalizacji receptur przemysłowych.

1 Skład powierzchni cząstek i mechanizm zwilżania

Zachowanie zwilżające cząstek mleka w proszku zależy od dwóch czynników: składu powierzchni i mikrostruktury. Z punktu widzenia składu powierzchni, podczas procesu suszenia rozpyłowego na powierzchni cząstek tworzy się wyraźny gradient składu wynikający z dyfuzyjnej migracji substancji rozpuszczonych w kropelkach i zróżnicowanej aktywności powierzchniowej-hydrofobowy tłuszcz mleczny i wolne kwasy tłuszczowe mają tendencję do gromadzenia się w najbardziej zewnętrznej warstwie cząstek, podczas gdy hydrofilowa laktoza i białka są zamknięte we wnętrzu. Ten rozkład składu „hydrofobowy na zewnątrz, hydrofilowy wewnątrz” powoduje, że kąt zwilżania wody cząstek pełnego mleka w proszku jest znacznie większy niż w przypadku odtłuszczonego mleka w proszku (około 20 stopni), co bezpośrednio utrudnia przenikanie wody. Z mikrostrukturalnego punktu widzenia cząstki konwencjonalnego-suszonego rozpyłowo mleka w proszku są drobne (D90 zwykle wynosi dziesiątki mikrometrów) i mają wąskie szczeliny; nawet jeśli wodzie uda się przebić przez powierzchnię, jest ona łatwo blokowana przez zjawiska kapilarne pomiędzy małymi cząsteczkami, co powoduje powstawanie grudek charakteryzujących się „mokrą powierzchnią zewnętrzną i suchym wnętrzem”.

Zatem osiągnięcie natychmiastowego rozpuszczenia pełnego mleka w proszku wymaga jednoczesnego rozwiązania dwóch aspektów: zmiany składu chemicznego powierzchni cząstek w celu zmniejszenia jej hydrofobowości oraz zwiększenia rozmiaru cząstek przy jednoczesnym tworzeniu porowatej struktury zapewniającej kanały dla infiltracji wody.

2 Zalety i ograniczenia konwencjonalnego procesu natryskiwania lecytyny

Natryskiwanie lecytyną stanowi najbardziej dojrzałą technologię modyfikacji powierzchni w obecnej praktyce przemysłowej. Jego mechanizm działania można opisać w następujący sposób: hydrofilowe grupy cząsteczek lecytyny (czwartorzędowa amoniowa grupa czołowa fosfatydylocholiny) zakotwiczają się na zewnętrznej stronie powierzchni cząsteczki, podczas gdy hydrofobowe łańcuchy ogonowe osadzają się w warstwie wolnego tłuszczu, tworząc w ten sposób hydrofilowy film międzyfazowy, który zmniejsza kąt zwilżania z ponad 50 stopni do prawie zera.

Jednakże proces natryskiwania lecytyną podlega kilku nieodłącznym i trudnym--przezwyciężeniom ograniczeniom. Po pierwsze, około 50–60% kwasów tłuszczowych w dostępnej w handlu lecytynie sojowej to kwas linolowy (C18:2), wysoce wielonienasycony kwas tłuszczowy, który łatwo ulega autoutlenianiu podczas przechowywania, wydzielając „fasolowy” lub „farbowy”-zapach-, ryzyko posmaku, które staje się znaczące w ciągu 12–24 miesięcznego okresu przydatności do spożycia pełnego mleka w proszku. Po drugie, lecytyna jest wrażliwa termicznie i może ulegać częściowej degradacji w warunkach podwyższonej temperatury podczas natryskiwania w złożu fluidalnym. Po trzecie, warstwa hydrofilowa utworzona po natryskiwaniu lecytyny to film mono- lub oligomolekularny, który jest podatny na odrywanie w wyniku ścierania podczas wibracji podczas transportu i{{14}długiego przechowywania, co prowadzi do osłabienia właściwości zwilżających. Ograniczenia te zapewniają jasne okno technologiczne dla wprowadzenia nowych syntetycznych emulgatorów.

1 ACETEM: Hydrofobowy modyfikator międzyfazowy o niskiej{{1}lepkości

ACETEM (acetylowane mono- i diglicerydy kwasów tłuszczowych, E472a) to nie-jonowy emulgator wytwarzany w wyniku acetylowania mono- i diglicerydów kwasów tłuszczowych bezwodnikiem octowym. Występuje w postaci mlecznobiałego proszku lub płatków stałych o temperaturze topnienia w zakresie 25–40 stopni w zależności od stopnia acetylacji, wartości HLB wynoszącej 2–3 i klasyfikacji jako emulgator typu woda-w-oleju (W/O). Jest nierozpuszczalny w zimnej wodzie, gorącej wodzie i zimnych olejach, ale rozpuszczalny w gorących olejach.

Najważniejszą właściwością fizyczną ACETEM jest jego zdolność do znacznego zmniejszania lepkości układów na bazie tłuszczu-. Wprowadzenie grup acetylowych zmienia zachowanie krystalizacyjne cząsteczki glicerydu.-Nie-acetylowane monoglicerydy są stałe i woskowate w temperaturze otoczenia, podczas gdy ACETEM, wraz ze wzrostem stopnia acetylacji, wykazuje obniżającą się temperaturę topnienia i może występować w postaci cieczy lub pół-stałej w temperaturze pokojowej. Funkcja-zmniejszania lepkości ACETEM została potwierdzona przemysłowo w zastosowaniach takich jak polewy karmelowe i czekoladowe, gdzie „zmniejsza lepkość i zapewnia równomierne rozprowadzenie tłuszczu”. W śmietankach do kawy i śmietankach-niemlecznych ACETEM „wspomaga równomierne rozproszenie tłuszczu, zwiększa stabilność emulsji i przyczynia się do białego, gładkiego odczucia w ustach”.

W kontekście modyfikacji powierzchni mleka w proszku, płynna-o niskiej-lepkości charakterystyczna ACETEM umożliwia skuteczne rozprowadzanie po warstwie wolnego tłuszczu na powierzchni cząstek. W przeciwieństwie do stałych, woskowych konwencjonalnych monoglicerydów, ciekły ACETEM w temperaturach natryskiwania charakteryzuje się doskonałą płynnością, co pozwala na szybką infiltrację nieregularnych szczelin i porów na powierzchni cząstek, tworząc jednolitą hydrofobową warstwę międzyfazową. Chociaż ta warstwa międzyfazowa sama w sobie jest hydrofobowa, jej kluczową funkcją jestuszczelnić odsłonięte miejsca wolnego tłuszczu, zapobiegając „połknięciu” późniejszej powłoki hydrofilowej (PGE) i utracie jej skuteczności przez znajdującą się pod nią hydrofobową warstwę tłuszczu. Można to określić jako „podkład międzyfazowy”-tworzący stabilny stan powierzchni zapewniający mocne zakotwiczenie warstwy hydrofilowej.

2 PGE: Modyfikator powierzchni hydrofilowej z możliwością regulacji wartości HLB

PGE (estry poliglicerolu i kwasów tłuszczowych, E475) to nie-jonowy środek powierzchniowo czynny wytwarzany w wyniku estryfikacji poligliceryny o różnym stopniu polimeryzacji i naturalnych kwasów tłuszczowych. Występuje w postaci bladożółtego proszku lub granulowanego ciała stałego, jest łatwo rozpuszczalny w olejach, tłuszczach i rozpuszczalnikach organicznych, takich jak etanol, i może dyspergować w gorącej wodzie. PGE charakteryzuje się doskonałą-odpornością na wysokie temperatury i stabilnością na kwasy.

Podstawową zaletą PGE jestregulowana hydrofilowość. By varying the℃of polymerization of the polyglycerol moiety (from diglycerol to decaglycerol) and the type and℃of substitution of fatty acids, the HLB value of PGE can be precisely adjusted across a broad range of 3 to 13, with hydrophilicity and lipophilicity changing markedly depending on these structural parameters. Among them, PGE products with higher HLB values (>10) należą do kategorii „hydrofilowych monoglicerydów”, posiadających silne właściwości emulgujące i doskonałą aktywność międzyfazową. W literaturze dobrze udokumentowano, że „[PGE] dodany do produktów mlecznych może zwiększyć ich natychmiastową rozpuszczalność”.

Hydrofilowość PGE wynika z jego licznych wiązań eterowych (C-O-C) i końcowych grup hydroksylowych (-OH) w obrębie grupy czołowej poliglicerolu, które są zdolne do tworzenia rozległej sieci wiązań wodorowych z cząsteczkami wody, tworząc w ten sposób silnie uwodnioną warstwę międzyfazową na powierzchni cząsteczki. Kiedy cząsteczki PGE zakotwiczają się poprzez swoje hydrofobowe łańcuchy ogonowe we wstępnej warstwie tłuszczu poddanej obróbce ACETEM-, z grupami poliglicerolowymi wystającymi na zewnątrz, na cząstki mleka w proszku nanoszona jest „hydrofilowa odzież wierzchnia”. Taka konstrukcja strukturalna umożliwia cząsteczkom wody w kontakcie z cząstką szybką penetrację warstwy hydrofilowej PGE i szybką dyfuzję do wnętrza cząsteczki poprzez gładką powierzchnię styku zagruntowaną ACETEM-.

3 Synergistyczny mechanizm modyfikacji powierzchni systemu dwuskładnikowego

Międzyfazowa komplementarność chemiczna pomiędzy ACETEM i PGE wynika z ich wyraźnych różnic we właściwościach fizycznych:

Mechanizm synergiczny obu można opisać jako:powłoka gradientowaproces. Po pierwsze, ciekły ACETEM, dzięki swojej niskiej lepkości i dużemu powinowactwu do tłuszczów i olejów, równomiernie rozprowadza się po powierzchni cząsteczki, zwilżając i częściowo uszczelniając hydrofobowe miejsca wolnego tłuszczu, tworząc podstawową „wyrównującą warstwę międzyfazową”. Zadaniem tej warstwy jest eliminowanie mikroskopijnych nierówności na powierzchni tłuszczu, stwarzając dogodne warunki dla równomiernego pokrycia późniejszej powłoki hydrofilowej. Następnie cząsteczki PGE zakotwiczają się poprzez hydrofobowe interakcje pomiędzy ich łańcuchami ogonowymi a warstwą ACETEM, przy czym hydrofilowe grupy główne poligliceryny są skierowane na zewnątrz, tworząc drugorzędną „hydrofilową warstwę zewnętrzną”. Ta gradientowa struktura „hydrofobowa wewnętrzna, hydrofilowa zewnętrzna” w pełni wykorzystuje zawartość lipidów właściwą cząsteczce mleka w proszku jako matrycy zakotwiczającej, jednocześnie unikając problemu nierównomiernego pokrycia, który może wystąpić, gdy hydrofilowe emulgatory są natryskiwane bezpośrednio na powierzchnię-odrzucającą tłuszcz.

Pod względem dyspergowalności i natychmiastowej rozpuszczalności, niska-lepkość ACETEM może ułatwiać umiarkowaną-adhezję międzycząstkową podczas procesu aglomeracji, przyczyniając się do tworzenia bardziej stabilnej porowatej struktury aglomeratu. Obfite kanały kapilarne w porowatych aglomeratach są niezbędne do osiągnięcia szybkiej rekonstytucji, a „umiarkowana kleistość” zapewniana przez ACETEM precyzyjnie zwiększa wytrzymałość mechaniczną aglomeratów, nie powodując nadmiernego zbrylania. Z kolei silna hydrofilowość PGE sprawia, że ​​gdy woda zetknie się z powierzchnią cząsteczki, szybko przesuwa się ona wzdłuż warstwy hydrofilowej do wewnętrznych porów aglomeratu, kończąc zwilżanie i tonięcie w ciągu kilku sekund.

1 Projekt procesu natryskiwania

Dwuskładnikowy proces natryskiwania z modyfikacją powierzchni ACETEM/PGE można wdrożyć w istniejących systemach ze złożem fluidalnym linii do produkcji pełnego mleka w proszku bez konieczności-modyfikacji sprzętu na dużą skalę. Zalecany przebieg procesu jest następujący: baza-suszonego rozpyłowo mleka w proszku wchodzi do złoża fluidalnego-pierwszego stopnia w celu aglomeracji i granulacji; następnie przechodzi do złoża fluidalnego-drugiego etapu powlekania, gdzie mieszany roztwór emulgatora ACETEM i PGE (rozpuszczony w oleju roślinnym-spożywczym, takim jak MCT lub wysoko-oleinowy olej słonecznikowy, w całkowitym stężeniu 10%–20%) jest równomiernie natryskiwany na powierzchnię cząstek za pomocą podwójnej{{10}dyszy cieczowej. Temperatura natryskiwania jest kontrolowana w zakresie 50–65 stopni, co pozwala utrzymać niską-lepkość, płynność-podobną do cieczy ACETEM, zapewniając jednocześnie odpowiednie rozpuszczanie i dyspersję PGE.

2 Preparat referencyjny i oczekiwane dawkowanie

W oparciu o międzyfazowe mechanizmy synergistyczne ACETEM i PGE oraz obowiązujące standardy stosowania dodatków do żywności, zalecana dawka referencyjna jest następująca (jako procent całkowitej masy suchej masy mleka w proszku):

Ten zakres dawkowania jest zasadniczo porównywalny z zakresem konwencjonalnego procesu natryskiwania lecytyny (0,2–0,3%), co pozwala uzyskać poprawę funkcjonalności w rozsądnych ramach kosztów. Zgodnie z chińską normą GB 2760 maksymalny dozwolony poziom stosowania PGE w modyfikowanym mleku w proszku i modyfikowanej śmietanie w proszku wynosi 10,0 g/kg; ACETEM może być stosowany zgodnie z Dobrą Praktyką Produkcyjną (GMP), w pełni spełniając tym samym wymogi regulacyjne. Kwasy tłuszczowe stosowane w kombinacji ACETEM/PGE są głównie nasycone (kwas stearynowy) lub o niskim stopniu nienasycenia, co zapewnia doskonałą stabilność oksydacyjną w porównaniu z lecytyną sojową bogatą w wielonienasycone kwasy tłuszczowe-, co znacznie zmniejsza ryzyko utleniania tłuszczu w pełnym mleku w proszku w okresie przydatności do spożycia wynoszącym 12–24 miesięcy.

3 Oczekiwane wskaźniki wydajności

Warto zauważyć, że osiągnięcie szybkiego zwilżenia i dyspersji wmieszaniny-lodu i wody o temperaturze 8–10 stopnistanowi kluczowy wymóg techniczny dla najwyższej jakości napojów instant, takich jak koktajle proteinowe typu instant z zimną wodą i odżywki w proszku dla sportowców uprawiających sporty na świeżym powietrzu. Produkty natryskiwane lecytyną- wykazują znacznie zmniejszoną aktywność powierzchniową w niskich temperaturach, podczas gdy oczekuje się, że kombinacja ACETEM/PGE, wykorzystująca odporność PGE na-niskie temperatury i zdolność ACETEM do wyrównywania temperatury-topnienia-, powinna utrzymać doskonałe właściwości zwilżające w warunkach niskich-temperatur.

W artykule systematycznie analizowano synergiczne mechanizmy i potencjał zastosowania ACETEM i PGE w ulepszaniu instantyzacji pełnego mleka w proszku. Badanie pokazuje, że obie strategie powlekania gradientowego mogą skutecznie pokonać ograniczenia funkcjonalne tradycyjnych procesów natryskiwania z jednym-emulgatorem: ACETEM wykorzystuje swoją niską lepkość i doskonałą zdolność do rozprowadzania, aby zbudować jednolitą pierwotną warstwę międzyfazową, uszczelniającą miejsca hydrofobowe wolnego tłuszczu; PGE, opierając się na swojej regulowanej wysokiej hydrofilowości, tworzy zewnętrzny kanał hydratacyjny, nadając powierzchni cząstek doskonałą zdolność zwilżania zimną wodą. Ta kombinacja ulepsza konstrukcję międzyfazową z „monomolekularnej warstwy hydrofilowej” do „gradientowej granicy funkcjonalnej” i oczekuje się, że zapewni synergiczną poprawę wydajności natychmiastowego rozpuszczania w niskiej-temperaturze, stabilności podczas przechowywania i ochrony przed utlenianiem.

Przyszłe kierunki badań mogą skupiać się na: (1) dokładnym wpływie różnych stopni acetylacji ACETEM i stopniach polimeryzacji PGE na kinetykę zwilżania, ustanawiając ilościowy model zależności „struktura–właściwość”; (2) ocena przydatności tego złożonego systemu do wytwarzania-roślinnych alternatyw mleka w proszku (np. mleka owsianego w proszku, mleka kokosowego w proszku); (3) integrację technologii modyfikacji powierzchni ACETEM/PGE z kapsułkowaniem i uwalnianiem-mikroelementów rozpuszczalnych w tłuszczach (witaminy A, D, E) w celu opracowania-produktów z pełnego mleka w proszku o podwójnej funkcji, zdolnych do „natychmiastowego rozpuszczania + dostarczania składników odżywczych”. Ponieważ światowy rynek mleka w proszku premium coraz bardziej wymaga natychmiastowej rozpuszczalności w zimnej- wodzie i czystych-etykiet, strategie mieszania syntetycznych emulgatorów oparte na precyzyjnym projektowaniu powierzchni międzyfazowych będą miały szerokie perspektywy zastosowania.