Abstrakt
Den snabba smältningen av glass efter avbrott i kylkedjan är en långvarig teknisk utmaning som branschen står inför, särskilt akut i varma regioner och e-handelslogistikscenarier. Denna studie undersöker systematiskt de synergistiska regulatoriska mekanismerna för en ternär emulgeringsmedelsblandning bestående av propylenglykolmonostearat (PGMS), polyglycerolestrar (PGE) och destillerade monoglycerider (DMG) på glasssmältningsbeständighet- och skumstabilitet. Resultaten visar att vid ett massförhållande PGMS:PGE:DMG på 5:3:2 och en total tillsatsnivå på 0,35 %, uppvisar systemet optimal prestanda: 50 % härdsmältningstiden sträcker sig från 38 min (kontroll) till 67 min, överskridandet når 92 %±3 %, och sensoriska utvärderingspoäng är de högsta bland alla grupper. Det här arbetet belyser de mikrostrukturella regleringsmekanismerna ur tre perspektiv-gränssnittsfilmstyrka, partiell fettkoalescenshastighet och isrekristallisationsinhibering-och ger både teoretiska grunder och praktiska riktlinjer för formuleringsdesign av industriell smält-glass.
Nyckelord:Glasssmältningsbeständighet-; PGMS; polyglycerolestrar; Destillerade monoglycerider; ternär blandning; Skumstabilitet
Introduktion
Glass är ett komplext flerfas-system som består av fettkulor, iskristaller, luftbubblor och en sockerlösningsmatris. Dess strukturella stabilitet är mycket känslig för temperaturfluktuationer. När väl kylkedjan avbryts accelererar tillväxten av iskristaller, luftbubblor smälter samman och fettkulor samlas, vilket i slutändan leder till produktkollaps och sensorisk försämring. Den globala glassindustrin lider årligen av hundratals miljoner dollar i ekonomiska förluster på grund av smältningsrelaterade-kvalitetsproblem. Att utveckla glassformuleringar med överlägsen smältbeständighet- har därför blivit en gemensam angelägenhet för både den akademiska världen och industrin.
Emulgatorer spelar flera viktiga roller i glasssystem: minskar olje-vattengränsytans spänning för att underlätta fettemulgering, inducerar partiell sammansmältning av fett under åldringsstadiet för att konstruera ett tre-dimensionellt nätverk som stöder luftbubblor och stabilisera gas-vätskegränssnittet under frysning och vispning. Emellertid kämpar enstaka emulgeringsmedel ofta för att samtidigt uppfylla de tredubbla kraven på smält-beständighet, överskridning och känsla i munnen-DMG erbjuder bra förtjockning men otillräcklig skumstabilitet; PGMS tillhandahåller utmärkta luftningsegenskaper men ändå begränsad förbättring av smält-motstånd; PGE ger flexibilitet för gränsytfilm men är svårt att exakt kontrollera partiell koalescens när den används ensam.
Baserat på dessa överväganden föreslår den här studien en ternär blandningsstrategi som involverar PGMS/PGE/DMG, som syftar till att utnyttja de synergistiska effekterna av emulgeringsmedel med olika molekylära strukturer och HLB-värden för att konstruera en gränssnittsfilm som har både styvhet och flexibilitet, vilket samtidigt förbättrar stabiliteten i skummet- för smältning av skum{0}}.
Material och metoder
1 Material
PGMS (propylenglykolmonostearat, HLB≈3,5, renhet Större än eller lika med 95%), PGE (polyglycerolfettsyraestrar, HLB≈6,0, polymerisationsgrad 3-5) och DMG (destillerade monoglycerider, HLB≈3,8%) var högst monoesterhalt än 3,8 %) livsmedelskvalitet, kommersiellt. Skummjölkspulver (proteinhalt 34 %), vattenfritt mjölkfett (mjölkfetthalt 99,9 %), sackaros, fasta majssirapsämnen (DE 42), guargummi, karragenan och mikrokristallin cellulosa var alla ingredienser av livsmedelskvalitet.
2 Formulering och bearbetning
Grundglassformuleringen bestod av: mjölkfett 8,0 %, icke-fetthaltig mjölkfast substans 10,5 %, sackaros 12,0 %, majssirapsfastämnen 4,0 % och total torrsubstans 36,5 %. Den totala emulgeringsmedelstillsatsnivån fixerades till 0,35 % (vikt/vikt av total blandning), med ternära blandningsförhållanden utformade som visas i tabell 1. En stabilisatorblandning (guargummi 0,12 %, karragenan 0,02 %, mikrokristallin cellulosa 0,15 %) hölls konstant över alla grupper.
Bearbetningssteg: ingrediensblandning→omrörning vid 60 grader i 30 min→homogenisering (65 grader, första steget 15 MPa / andra steget 3 MPa)→pastörisering (80 grader, 30 s)→snabb nedkylning till 4 grader →åldring (4 grader, 4 timmar, låg-temperatur infrysning -5 grader kontinuerlig frysning -5 grader) )→fyllning→härdning i sprängtunnel (-40 grader , 30 min)→lagring vid -18 grader .
Tabell 1 Experimentell design för ternära emulgatorblandningar
| Grupp | 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 Analytiska metoder
Smält-motståndstest:Härdade glassprover (-18 grader, 100 ml cylindrisk form) placerades på ett metallgaller (2 mm mesh) inuti en konstant-temperaturkammare vid 25 grader ±0,5 grader. Den första dropptiden och 50 % masssmältningstid registrerades. Smält-resistansförhållandet definierades som 50% nedsmältningstiden dividerad med den för kontrollen.
Överskridningsmätning:Massan av en bestämd volym glass vägdes före och efter frysning. Överskridande (%)=(massa före frysning - massa efter frysning) / massa efter frysning × 100 %.
Fett partiell koalescenshastighet:Bestäms genom lösningsmedelsextraktion-UV-spektrofotometri. Partiell koalescenshastighet=fritt fettinnehåll / total fetthalt × 100 %.
Skumstabilitet:Den smälta glassblandningen -vispades om, och den tid som krävdes för en 50 % minskning av skumvolymen registrerades som halveringstiden för skummet-.
Sensorisk utvärdering:En panel med 12 utbildade bedömare utvärderade smält-munkänsla, jämnhet, krämighet, svalkande känsla och övergripande acceptans med hjälp av en 9-gradig hedonisk skala.
Resultat och diskussion
1 Effekt av blandningsförhållande på smältmotstånd-
Figur 1 visar smältbeteendet för glass under olika emulgeringsmedelsförhållanden. T0-kontrollen (enbart PGMS) uppvisade en 50% smältningstid på 38 min och en första dropptid på 22 min. Bland de ternära blandningsgrupperna visade T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) den bästa prestandan, med 50 % nedsmältningstiden förlängd till 67 min-en 76,3 % förbättring jämfört med kontrollen-och den första dropptiden fördröjd till 41 min.
Tabell 2 Smält-motstånd och strukturella parametrar för glassprover
| Grupp | 50 % härdsmältning (min) | Första droppet (min) | Överskridande (%) | Partiell koalescens (%) | Skum 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 |
När DMG-innehållet var för lågt (T1), saknade gränssnittsfilmen tillräcklig styvhet, den partiella koalescenshastigheten var suboptimal (55%), skumnätverksstrukturen förblev lös och smältningen fortsatte relativt snabbt. Omvänt, när DMG-innehållet var för högt (T5), aggregerade fettkulor till stora fettkluster som störde skumlikformigheten, vilket gjorde att överskridandet sjönk till 72 % och smält-motståndet försämrades kraftigt. Detta indikerar att det finns ett optimalt DMG-fönster inom det ternära blandningssystemet -tillräckligt med kristallint fett behövs för att konstruera nätverksskelettet, men överdriven aggregering måste undvikas för att bevara bubblans integritet.
2 Gränssnittsregleringsmekanismer för den ternära blandningen
Den förbättrade smältbeständigheten- som den ternära blandningen PGMS/PGE/DMG ger härrör från synergistiska mekanismer som fungerar på tre nivåer:
Gränssnittsfilmnivå:DMG tillhandahåller ett styvt kristallint fettskikt som fungerar som noder och ramverk för skumnätverket; PGE, med dess relativt höga HLB-värde och utmärkta flexibilitet i gränssnittet, bildar en elastisk film vid gas-vätskegränsytan, vilket förbättrar bubblans motståndskraft mot deformation; PGMS har en mellanliggande roll, som kan samkristalliseras med DMG för att förstärka nätverksstyrkan samtidigt som den minskar gränsytspänningen med PGE för att underlätta genereringen av fina luftbubblor.
Reglering av partiell koalescens:Partiell sammansmältning av fett är avgörande för bildandet av glassskumstruktur. När den partiella koalescenshastigheten är för låg (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80 %) inducerar fettkluster bubbelkoalescens och strukturell kollaps. Den partiella koalescenshastigheten på 68 % för T3-gruppen faller exakt inom det optimala fönstret som rapporterats i litteraturen (60-75 %), vilket säkerställer nätverkskontinuitet samtidigt som man undviker kollapsrisken i samband med överdriven aggregering.
Iskristallinhibering:Gränsskiktsfilmen och fettnätverket som bildas av den ternära emulgeringsmedelsblandningen fungerar som fysiska barriärer och fördröjer Ostwald-mognaden av iskristaller. Efter 30 dagars lagring vid -18 grader var den genomsnittliga iskristalldiametern i T3-gruppen 32 μm, betydligt lägre än de 48 μm som observerades i kontrollen-, vilket ytterligare förklarar den mikrostrukturella grunden för dess utmärkta smältbeständighet.
3 vägar för skumstabilitetsförbättring
Skumstabilitet bestämmer glassens formhållningsförmåga under smältningsprocessen. T3-gruppen uppvisade en skumhalveringstid- på 34 minuter, ungefär 1,9 gånger så lång som kontrollen. Den elastiska adsorptionen av PGE vid gas-vätskegränssnittet utgör den primära bidragsgivaren till förbättrad skumstabilitet-dess multipla hydrofila hydroxylhuvudgrupper bildar vätebindningsnätverk med vattenmolekyler, vilket ökar hydratiseringsskikttjockleken på gränssnittsfilmen. Samtidigt ger fettnätverket som konstruerats av DMG och PGMS fysiskt stöd för luftbubblor, hindrar vätskefilmsdränering mellan bubblorna och förhindrar bubblornas sammansmältning.
4 Sensorisk utvärdering Validering
Tabell 3 Sensoriska poäng av glassprover (9-gradig skala)
| Grupp | Smält-ner munkänsla | Smidighet | Krämighet | Svalka | Övergripande acceptans |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 fick signifikant högre poäng än både kontroll- och T5-gruppen i smält-munkänsla och jämnhet, vilket validerade den avgörande inverkan av en lämplig partiell koalescenshastighet på texturell finess.
Industriella tillämpningsrekommendationer
Baserat på resultaten av denna studie rekommenderas glasstillverkare som använder det ternära blandningssystemet PGMS/PGE/DMG att arbeta inom följande formuleringsfönster: total emulgeringsmedelstillsatsnivå på 0,30-0,40 %, med ett PGMS:PGE:DMG-massförhållande på 4,5{{5}.5-3.2.1:5.5.2.2. Finjustering inom detta intervall kan utföras enligt fetthalt, fettfri mjölktorrhalt och produkttyp.
Framtida forskningsinriktningar kan inkludera att undersöka prestandan hos detta ternära blandningssystem i växtbaserade-glassapplikationer, såväl som påverkan av olika fettsyrasammansättningar (mättade/omättade förhållanden) på egenskaperna hos den blandade gränssnittsfilmen.
