Abstrakt
Den raske smeltingen av iskrem etter avbrudd i kjølekjeden er en langvarig teknisk utfordring som industrien står overfor, spesielt akutt i varme regioner og logistikkscenarier for e-handel. Denne studien undersøker systematisk de synergistiske reguleringsmekanismene til en ternær emulgatorblanding som omfatter propylenglykolmonostearat (PGMS), polyglyserolestere (PGE) og destillerte monoglyserider (DMG) på iskremsmelte-motstand og skumstabilitet. Resultatene viser at ved et masseforhold PGMS:PGE:DMG på 5:3:2 og et totalt tilsetningsnivå på 0,35 %, viser systemet optimal ytelse: 50 % nedsmeltingstiden strekker seg fra 38 minutter (kontroll) til 67 minutter, overløp når 92 %±3 %, og sensoriske evalueringsskår er de høyeste blant alle sanseevalueringsgruppene. Dette arbeidet belyser de mikrostrukturelle reguleringsmekanismene fra tre perspektiver-grensesnittfilmstyrke, partiell fettsammensmeltingshastighet og isrekrystalliseringsinhibering-og gir både teoretisk grunnlag og praktiske retningslinjer for formuleringsdesign av industriell smelte-bestandig iskrem.
Nøkkelord:Iskrem smelte-motstand; PGMS; polyglyserolestere; Destillerte monoglyserider; ternær blanding; Skumstabilitet
Introduksjon
Iskrem er et komplekst flerfasesystem som består av fettkuler, iskrystaller, luftbobler og en sukkerløsningsmatrise. Dens strukturelle stabilitet er svært utsatt for temperatursvingninger. Når kjølekjeden er avbrutt, akselererer iskrystallveksten, luftbobler smelter sammen og fettkuler samler seg, noe som til slutt fører til produktkollaps og sensorisk forringelse. Den globale iskremindustrien lider av hundrevis av millioner dollar i årlige økonomiske tap på grunn av smeltingsrelaterte-kvalitetsproblemer. Å utvikle iskremformuleringer med overlegen smeltebestandighet- har derfor blitt en felles bekymring for både akademia og industri.
Emulgatorer spiller flere kritiske roller i iskremsystemer: reduserer olje-vanngrenseflatespenningen for å lette fettemulgering, induserer delvis fettsammensmelting under aldringsstadiet for å konstruere et tre-dimensjonalt nettverk som støtter luftbobler, og stabiliserer gass-væskegrensesnittet under frysing og pisking. Enkelte emulgatorer sliter imidlertid ofte med å tilfredsstille de tredoble kravene til smelte-motstand, overløp og munnfølelse-DMG gir god fortykning, men utilstrekkelig skumstabilitet; PGMS gir utmerkede lufteegenskaper, men begrenset smelte--motstandsforbedring; PGE gir grenseflatefilmfleksibilitet, men er vanskelig å nøyaktig kontrollere delvis koalescens når den brukes alene.
Basert på disse betraktningene, foreslår denne studien en ternær blandingsstrategi som involverer PGMS/PGE/DMG, som tar sikte på å utnytte de synergistiske effektene av emulgatorer med forskjellige molekylære strukturer og HLB-verdier for å konstruere en grensesnittfilm som har både stivhet og fleksibilitet, og derved samtidig forbedre smeltebestandigheten til skum{0}}.
Materialer og metoder
1 Materialer
PGMS (propylenglykolmonostearat, HLB≈3,5, renhet Større enn eller lik 95%), PGE (polyglyserolfettsyreestere, HLB≈6,0, polymerisasjonsgrad 3-5), og DMG (destillerte monoglyserider, HLB≈3,8%), eller lik monoesterinnhold 90, eller lik monoesterinnhold mat{11}}kommersielt hentet. Skummetmelkpulver (proteininnhold 34%), vannfritt melkefett (melkefettinnhold 99,9%), sukrose, maissirupfaststoffer (DE 42), guargummi, karragenan og mikrokrystallinsk cellulose var alle ingredienser av matvarekvalitet.
2 Formulering og prosessering
Grunniskremformuleringen besto av: melkefett 8,0 %, ikke--melketørrstoff 10,5 %, sukrose 12,0 %, maissirupstørrstoff 4,0 % og totalt tørrstoff 36,5 %. Det totale emulgeringsmiddeltilsetningsnivået ble fastsatt til 0,35 % (vekt/vekt av total blanding), med ternære blandingsforhold utformet som vist i tabell 1. En stabilisatorblanding (guargummi 0,12 %, karragenan 0,02 %, mikrokrystallinsk cellulose 0,15 %) ble holdt konstant på tvers av alle grupper.
Behandlingstrinn: ingrediensblanding→røring ved 60 grader i 30 min→homogenisering (65 grader, første trinn 15 MPa / andre trinn 3 MPa)→pasteurisering (80 grader, 30 s)→rask avkjøling til 4 grader →aldring (4 grader, 4 timer, lav-temperatur nedfrysing -5 grader kontinuerlig nedfrysing -5 grader) )→fylling→herding i sprengningstunnel (-40 grader , 30 min)→lagring ved -18 grader .
Tabell 1 Eksperimentell design for ternære emulgatorblandinger
| Gruppe | PGMS (%) | PGE (%) | DMG (%) | Totalt (%) |
|---|---|---|---|---|
| T0 (kontroll) | 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 Analytiske metoder
Smelte--motstandstest:Herdede iskremprøver (-18 grader, 100 ml sylindrisk form) ble plassert på et metallgitter (2 mm mesh) inne i et konstant-temperaturkammer ved 25 grader ±0,5 grader. Den første drypptiden og 50 % massesmeltetid ble registrert. Smeltemotstandsforhold ble definert som 50 % nedsmeltingstiden delt på kontrollen.
Overløpsmåling:Massen til et fast volum iskrem ble veid før og etter frysing. Overløp (%)=(masse før frysing - masse etter frysing) / masse etter frysing × 100 %.
Fettdelvis koalescenshastighet:Bestemt ved løsningsmiddelekstraksjon-UV-spektrofotometri. Delvis koalescenshastighet=fritt fettinnhold / totalt fettinnhold × 100 %.
Skum stabilitet:Den smeltede iskremblandingen ble -pisket på nytt, og tiden som kreves for en 50 % reduksjon i skumvolumet ble registrert som skumhalveringstiden-.
Sensorisk evaluering:Et panel av 12 trente bedømmere evaluerte nedsmelting- av munnfølelse, glatthet, kremethet, kjølig følelse og generell aksept ved bruk av en 9-punkts hedonisk skala.
Resultater og diskusjon
1 Effekt av blandingsforhold på smeltemotstand-
Figur 1 viser smelteoppførselen til iskrem under forskjellige emulgatorforhold. T0-kontrollen (PGMS alene) viste en 50 % nedsmeltingstid på 38 minutter og en første drypptid på 22 minutter. Blant de ternære blandingsgruppene viste T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) den beste ytelsen, med 50 % nedsmeltingstiden utvidet til 67 min-en 76,3 % forbedring i forhold til kontrollen-og den første drypptiden ble forsinket til 41 minutter.
Tabell 2 Smelte-motstand og strukturelle parametere for iskremprøver
| Gruppe | 50 % nedsmelting (min) | Første drypp (min.) | Overløp (%) | Delvis koalescens (%) | Skums halveringstid-(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 |
Når DMG-innholdet var for lavt (T1), manglet grensesnittfilmen tilstrekkelig stivhet, den partielle koalescenshastigheten var suboptimal (55%), skumnettverkets struktur forble løs, og smeltingen gikk relativt raskt. Omvendt, når DMG-innholdet var overdrevent høyt (T5), samlet fettkuler seg til store fettklynger som forstyrret skummetheten, noe som førte til at overløpet sank til 72 % og smelte-motstanden ble kraftig forverret. Dette indikerer eksistensen av et optimalt DMG-vindu i det ternære blandingssystemet -tilstrekkelig krystallinsk fett er nødvendig for å konstruere nettverksskjelettet, men overdreven aggregering må unngås for å bevare bobleintegriteten.
2 Grensesnittreguleringsmekanismer for den ternære blandingen
Den forbedrede smeltemotstanden -tildelt av den ternære blandingen PGMS/PGE/DMG kommer fra synergistiske mekanismer som opererer på tre nivåer:
Grensesnittfilmnivå:DMG gir et stivt krystallinsk fett-grensesnittlag som fungerer som noder og rammeverk for skumnettverket; PGE, med sin relativt høye HLB-verdi og utmerkede grensefleksibilitet, danner en elastisk film ved gass-væskegrensesnittet, noe som øker boblens motstand mot deformasjon; PGMS har en mellomrolle, i stand til å -samkrystallisere med DMG for å forsterke nettverksstyrken samtidig som den reduserer grensesnittspenningen med PGE for å lette genereringen av fine luftbobler.
Delvis koalescensregulering:Partiell fettsammensmelting er avgjørende for dannelsen av iskremskumstruktur. Når den partielle koalescenshastigheten er for lav (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%), induserer fettklynger boblesammensmelting og strukturell kollaps. Den delvise koalescensraten på 68 % for T3-gruppen faller nøyaktig innenfor det optimale vinduet som er rapportert i litteraturen (60-75 %), og sikrer nettverkskontinuitet samtidig som man unngår kollapsrisiko forbundet med overdreven aggregering.
Iskrystallinhibering:Grenseflatefilmen og fettnettverket dannet av den ternære emulgeringsmiddelblandingen fungerer som fysiske barrierer, og forsinker Ostwald-modningen av iskrystaller. Etter 30 dagers lagring ved -18 grader, var gjennomsnittlig iskrystalldiameter i T3-gruppen 32 μm, betydelig lavere enn de 48 μm som ble observert i kontrollen-, noe som ytterligere forklarer den mikrostrukturelle grunnen for dens utmerkede smeltemotstand.
3 veier for skumstabilitetsforbedring
Skumstabilitet bestemmer formbevaringskapasiteten til iskrem under smelteprosessen. T3-gruppen viste en skumhalveringstid på 34 minutter-, omtrent 1,9 ganger så mye som kontrollen. Den elastiske adsorpsjonen av PGE ved gass-væskegrensesnittet utgjør den primære bidragsyteren til forbedret skumstabilitet-dets multiple hydroksylhydrofile hodegrupper danner hydrogenbindingsnettverk med vannmolekyler, noe som øker hydreringslagets tykkelse på grensesnittfilmen. Samtidig gir fettnettverket konstruert av DMG og PGMS fysisk støtte for luftbobler, hindrer væskefilmdrenering mellom bobler og hemmer boblesammensmelting.
4 Sensorisk evalueringsvalidering
Tabell 3 Sensoriske resultater av iskremprøver (9-punkts skala)
| Gruppe | Smelt-ned munnfølelsen | Glatthet | Kremethet | Kulhet | Generell akseptabilitet |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
T3-gruppen skåret signifikant høyere enn både kontroll- og T5-gruppene i nedsmelting- av munnfølelse og glatthet, noe som bekrefter den avgjørende innflytelsen til en passende delvis koalescenshastighet på teksturell finesse.
Anbefalinger for industriell bruk
Basert på funnene fra denne studien, anbefales iskremprodusenter som tar i bruk PGMS/PGE/DMG ternære blandingssystem å operere innenfor følgende formuleringsvindu: totalt emulgeringsmiddeltilsetningsnivå på 0,30-0,40 %, med et PGMS:PGE:DMG masseforhold på 4,5-5,3,5:2:2. Finjustering innenfor dette området kan utføres i henhold til fettinnhold, fettfri melketørrstoffinnhold og produkttype.
Fremtidige forskningsretninger kan omfatte å undersøke ytelsen til dette ternære blandingssystemet i plantebaserte-iskremapplikasjoner, samt påvirkningen av ulike fettsyresammensetninger (mettede/umettede forhold) på egenskapene til den blandede grensesnittfilmen.
