Chất nhũ hóa trong kem: Cách chúng ngăn chặn sự hình thành tinh thể băng và phân tích so sánh các loại khác nhau

Kem là một hệ thống thực phẩm phức tạp không ổn định về mặt nhiệt động. Trong quá trình chế biến, bảo quản, vận chuyển và bán hàng, sự dao động nhiệt độ gây ra sự kết tinh lại của tinh thể đá, làm tăng kích thước tinh thể và dẫn đến kết cấu thô ráp và hương vị kém. Mặc dù chất nhũ hóa thường chỉ được thêm vào với tỷ lệ 0,1% -0,4% trong kem nhưng chúng đóng vai trò quan trọng trong việc ức chế sự hình thành tinh thể băng và cải thiện chất lượng sản phẩm. Bài viết này xây dựng một cách có hệ thống các cơ chế khoa học mà chất nhũ hóa ngăn chặn sự hình thành tinh thể băng và tiến hành phân tích so sánh các chất nhũ hóa thường được sử dụng khác nhau bao gồm monoglyceride chưng cất phân tử, este sucrose, Tween 80 và este sorbitan, cho thấy những ưu điểm và hạn chế tương ứng của chúng, cung cấp tài liệu tham khảo lý thuyết để tối ưu hóa công thức kem.

Kem được người tiêu dùng yêu thích vì giàu dinh dưỡng và hương vị độc đáo, nhưng tính chất không ổn định về mặt nhiệt động của nó đặt ra những thách thức trong quá trình chế biến và bảo quản. Trong khi công thức trộn kem và điều kiện xử lý cơ học đông lạnh là những yếu tố quan trọng trong việc tạo ra món kem ngon thì hiệu quả của chất nhũ hóa cũng rất quan trọng. Chất nhũ hóa không chỉ cải thiện sự phân tán chất béo, thúc đẩy sự kết hợp không khí và tăng cường khả năng tạo bọt mà quan trọng hơn là chúngngăn ngừa và kiểm soát sự hình thành các tinh thể băng thô, cải thiện khả năng chịu nhiệt và ổn định bảo quản của kem. Bài viết này sẽ khám phá sâu hơn cách các chất nhũ hóa đạt được chức năng này và so sánh hiệu suất của các chất nhũ hóa khác nhau.

Việc ngăn chặn sự hình thành tinh thể băng bằng chất nhũ hóa không đạt được thông qua một con đường duy nhất mà thông qua các tương tác lý hóa đa cấp. Dựa trên nghiên cứu hiện tại, các cơ chế cốt lõi có thể được tóm tắt theo bốn khía cạnh sau:

1 Thúc đẩy sự kết tụ một phần của chất béo để tạo thành mạng lưới ba chiều-ổn định

Vai trò độc đáo nhất của chất nhũ hóa trong kem là thúc đẩy "sự kết tụ một phần" của chất béo. Trong quá trình đông lạnh, chất nhũ hóa có thể thay thế một số protein được hấp phụ trên bề mặt các giọt chất béo, làm giảm tính ổn định bề mặt của các giọt chất béo. Điều này gây ra sự kết tụ và kết tụ thích hợp của các hạt chất béo dưới sự khuấy trộn cơ học, tạo thành cấu trúc mạng ba chiều. Cấu trúc mạng lưới này trở thành “bộ khung” của kem, có khả năng:

• Ngăn chặn sự di chuyển của nước: Mạng lưới chất béo ổn định giữ nước chưa đóng băng trong các vùng cực nhỏ, hạn chế sự di chuyển của phân tử nước, do đó ức chế sự phát triển và tái kết tinh của tinh thể băng.
• Ổn định cấu trúc bong bóng: Mạng lưới chất béo bao bọc các bong bóng, ngăn ngừa sự kết tụ hoặc thoát ra của bong bóng, giúp kết cấu kem mịn hơn và đồng đều hơn.

Nghiên cứu xác nhận rằng hỗn hợp kem không có chất nhũ hóa, sau khi đông lạnh, duy trì sự phân tán chất béo mịn mà không hình thành cơ cấu tổ chức; đồng thời thêm 0,15% monoglyceride chưng cất phân tử làm cho các hạt chất béo kết tụ và tạo thành cấu trúc mạng, trở thành khung kem và ổn định bong bóng.

2 Giảm sức căng bề mặt, cải thiện phân phối nước

Là chất hoạt động bề mặt, chất nhũ hóa làm giảm sức căng bề mặt ở các bề mặt tiếp xúc dầu{0}}nước và không khí-nước. Điều này mang lại hai lợi ích:

• Thúc đẩy sự phân tán chất béo tốt: Chất nhũ hóa làm cho các hạt chất béo mịn hơn và phân bố đồng đều hơn, cải thiện độ ổn định của nhũ tương.
• Ảnh hưởng đến việc phân phối nước không đóng băng: Tương tác giữa chất nhũ hóa và protein làm thay đổi đặc tính bề mặt, ảnh hưởng gián tiếp đến sự sắp xếp và hành vi di chuyển của phân tử nước.

3 Tương tác với Protein, Tăng cường màng bề mặt

Chất nhũ hóa có thể tương tác với protein (đặc biệt là protein sữa) để tạo thành phức hợp hấp phụ trên bề mặt giọt chất béo. Màng giao diện tổng hợp này sở hữu độ bền cơ học và độ đàn hồi vượt trội, có khả năng:

• Đóng gói các hạt chất béo hiệu quả hơn
• Duy trì tính toàn vẹn bề mặt trong quá trình dao động nhiệt độ
• Ức chế sự tạo mầm không đồng nhất của tinh thể băng tại các bề mặt

4 Điều chỉnh động học phát triển của tinh thể băng

Sự hiện diện của chất nhũ hóa cũng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động phát triển của tinh thể băng. Bằng cách hấp phụ trên bề mặt tinh thể băng hoặc tác động đến quá trình truyền khối ở mặt trước phát triển của tinh thể băng, một số chất nhũ hóa nhất định có thể:

• Giảm tốc độ tăng trưởng tinh thể băng
• Thay đổi hình thái tinh thể băng, làm cho chúng mịn hơn và đồng đều hơn
• Ức chế quá trình chín Ostwald trong quá trình kết tinh lại

Các loại chất nhũ hóa khác nhau thể hiện các đặc tính khác nhau trong việc ức chế sự hình thành tinh thể băng và cải thiện chất lượng kem do sự khác biệt về cấu trúc phân tử, giá trị cân bằng ưa nước{0}}lipophilic (HLB) và cơ chế hoạt động. Phần này cung cấp so sánh chi tiết của một số chất nhũ hóa thường được sử dụng.

So sánh hiệu suất của các chất nhũ hóa kem thông thường

1 dòng Monoglyceride

Monoglyceride (bao gồm monoglyceride chưng cất phân tử và monoglyceride ưa nước) là một trong những chất nhũ hóa được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất kem.

Monoglyceride chưng cất phân tử (HLB=3.8)có tính ưa mỡ mạnh và thúc đẩy hiệu quả sự kết tụ một phần chất béo trong kem, hình thành các cấu trúc mạng ba chiều ổn định. Nghiên cứu cho thấy rằng so với Tween 80, kem có monoglyceride chưng cất phân tử có độ tràn cao hơn và khả năng chống tan chảy tốt hơn. Cơ chế hoạt động của chúng bao gồm: trong quá trình đông lạnh, monoglyceride có thể làm tan lớp protein hấp phụ trên bề mặt giọt chất béo, làm thay đổi hành vi kết tụ chất béo.

Monoglyceride ưa nước (HLB=10.5)thể hiện các đặc tính hiệu suất khác nhau. Các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng monoglyceride ưa nước làm tăng đáng kể độ cứng của kem khi thêm 0,4%, với khả năng chống tan chảy tối ưu ở mức bổ sung này; trong phạm vi 0% -0,6%, tác động của chúng lên xu hướng kháng tan chảy ngược lại với xu hướng của polyglycerol monoglyceride và sucrose ester-13

2 dòng Sucrose Ester

Este sucrose là một loại chất hoạt động bề mặt không ion được hình thành bằng quá trình este hóa sucrose và axit béo, với giá trị HLB có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi độ dài chuỗi axit béo và mức độ este hóa.

Sucrose Ester-13 (HLB=13)VàSucrose Ester-S1170 (HLB=11)đều là chất nhũ hóa tương đối ưa nước. Nghiên cứu chỉ ra rằng ngoại trừ ở mức bổ sung 0,4%, sucrose ester-13 và polyglycerol monoglyceride thúc đẩy khả năng chống tan chảy ở các mức độ khác nhau tại các điểm thử nghiệm khác. Sucrose ester-S1170 cho thấy những thay đổi đáng kể về độ ổn định nhũ tương trong phạm vi bổ sung 0,6% -1,0%, với độ ổn định tối ưu ở mức 0,8%.

Nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra rằng sucrose ester S1670 (ưa nước hơn) làm giảm sự kết tụ một phần chất béo và đẩy nhanh quá trình tan chảy của kem, tương phản rõ rệt với tác dụng của monoglyceride lipophilic. Điều này chỉ ra rằng bằng cách chọn các este sucrose có giá trị HLB khác nhau, độ cứng và đặc tính tan chảy của kem có thể được "điều chỉnh".

3 Dòng Tween 80 và Sorbitan Ester

Tween 80 (Polysorbate 80, HLB=15) và este Sorbitan (Span, HLB≈4-5) là một cặp chất nhũ hóa thường được sử dụng khác.

Giữa 80là chất nhũ hóa ưa nước mạnh giúp ổn định hiệu quả nhũ tương dầu-trong-nước. Trong kem, nó thúc đẩy sự phân tán đồng đều của chất béo, ngăn cản sản phẩm phát triển kết cấu "bơ". Tuy nhiên, so với monoglyceride, Tween 80 cho kết quả độ tràn thấp hơn và khả năng chống tan chảy kém hơn. Ngoài ra, các nghiên cứu gần đây đã làm dấy lên mối lo ngại về tác động của Tween 80 đối với sức khỏe đường ruột; Theo xu hướng nhãn sạch, một số nhà sản xuất có xu hướng giảm sử dụng.

Este Sorbitan(chẳng hạn như Span 60, Span 80) là chất nhũ hóa ưa mỡ mạnh thích hợp cho hệ thống nước-trong-dầu. Trong kem, chúng cung cấp cấu trúc và tăng tính đồng nhất của sản phẩm. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, este sorbitan thường được kết hợp với Tweens để cân bằng các đặc tính ưa nước{6}} ưa nước và đạt được độ ổn định sản phẩm tốt hơn. Span 60 kết hợp với Tween 60 là một cặp lãi kép cổ điển.

4 tiến bộ nghiên cứu gần đây: Ứng dụng Diacylglycerol

Một nghiên cứu gần đây được công bố vào năm 2024 đã khám phá tiềm năng ứng dụng của diacylglycerol giàu axit lauric{1}}làm nguyên liệu lipid cho kem. Nghiên cứu cho thấy diacylglycerol được điều chế từ dầu dừa và stearin hạt cọ thể hiện khả năng hình thành mạng lưới kết tinh chất béo tuyệt vời, với độ cứng cao hơn 1,4 lần so với dầu và mỡ truyền thống. Nghiên cứu đã nghiên cứu sâu hơn về tác dụng của glycerin monostearate, sucrose ester S1170 và S1670 đối với hiệu quả của kem diacylglycerol:

• Monoglyceride ưa mỡ: Thúc đẩy quá trình tạo mầm bề mặt, tăng mức độ kết dính một phần và độ cứng của nhũ tương
• S1670 (ester sucrose ưa nước): Giảm sự kết tụ một phần, tăng tốc quá trình nóng chảy

Nghiên cứu này cung cấp các lựa chọn vật liệu lipid mới để phát triển các loại kem-có khả năng chống tan chảy với độ cứng và đặc tính tan chảy phù hợp.

1 Sự cần thiết của việc tổng hợp

Trong các ứng dụng thực tế, một chất nhũ hóa đơn lẻ thường không thể đáp ứng đồng thời tất cả các yêu cầu. Việc kết hợp các chất nhũ hóa khác nhau có thể tạo ra tác dụng hiệp đồng, đạt được kết quả tốt hơn so với việc chỉ sử dụng bất kỳ chất nhũ hóa đơn lẻ nào. Ưu điểm của việc ghép bao gồm:

• Kiểm soát giá trị HLB chính xác: Bằng cách trộn các chất nhũ hóa HLB-cao và HLB{1}}thấp theo tỷ lệ, có thể đạt được giá trị HLB lý tưởng cần thiết cho pha dầu mục tiêu
• Các hiệu ứng đa cơ chế bổ sung: Các chất nhũ hóa khác nhau có thế mạnh trong việc thúc đẩy sự kết tụ chất béo, ổn định bong bóng và ảnh hưởng đến sự phát triển của tinh thể băng
• Tối ưu hóa chi phí: Lãi gộp hợp lý có thể giảm chi phí tổng thể mà vẫn đảm bảo hiệu quả

2 cách kết hợp lãi kép cổ điển

Monoglyceride kết hợp với Sucrose Este: Monoglyceride (HLB thấp) thúc đẩy sự kết tụ một phần chất béo để hình thành các cấu trúc mạng lưới; este sucrose (HLB cao) mang lại sự ổn định nhũ tương và cải thiện sự phân phối nước. Sự kết hợp của chúng có thể đồng thời tối ưu hóa mạng lưới chất béo và độ ổn định của pha nước.

Este Sorbitan kết hợp với Tweens: Đây là cặp chất nhũ hóa cổ điển. Span 60 (HLB thấp) trộn với Tween 60 (HLB cao) theo các tỷ lệ khác nhau có thể bao gồm nhiều giá trị HLB, thích ứng với các yêu cầu pha dầu khác nhau. Trong kem, hỗn hợp này cân bằng độ đặc của sản phẩm và độ ổn định của nhũ tương.

Monoglyceride kết hợp với Carrageenan/Guar Gum: Việc kết hợp chất nhũ hóa với chất ổn định cũng quan trọng không kém. Nghiên cứu cho thấy rằng với monoglyceride làm chất nhũ hóa, kết hợp với carrageenan và guar gum (tổng chất ổn định bổ sung 0,25%, carrageenan:guar gum=1:1,5), độ nhớt của hỗn hợp kem có thể đạt 1036,5 cp, với điểm cảm quan cao nhất.

3 Tối ưu hóa các cấp độ bổ sung

Nghiên cứu chỉ ra rằng tác động của chất nhũ hóa đến chất lượng kem không chỉ đơn giản là tuyến tính. Lấy monoglyceride làm ví dụ, chúng thể hiện khả năng chống nóng chảy tối ưu khi thêm 0,4%. Sucrose ester-S1170 cho thấy độ ổn định nhũ tương tốt nhất ở mức 0,8%. Điều này cho thấy rằng các nhà lập công thức cần xác định mức bổ sung tối ưu thông qua các thử nghiệm đối với các sản phẩm và điều kiện sử dụng cụ thể.

Chất nhũ hóa ngăn chặn hiệu quả sự hình thành các tinh thể băng thô và đảm bảo kết cấu mịn, tinh tế của kem thông qua nhiều cơ chế: thúc đẩy sự kết tụ một phần chất béo để hình thành cấu trúc mạng ba chiều, giảm sức căng bề mặt để cải thiện sự phân phối nước, tương tác với protein để tăng cường màng bề mặt và điều chỉnh động lực phát triển của tinh thể băng

Các chất nhũ hóa khác nhau thể hiện hiệu quả khác nhau trong việc ức chế sự hình thành tinh thể băng và cải thiện chất lượng kem do sự khác biệt về giá trị HLB và cấu trúc phân tử:

• Monoglyceride chưng cất phân tử(HLB=3.8) vượt trội trong việc thúc đẩy sự hình thành mạng lưới chất béo, cải thiện khả năng chống tràn và tan chảy
• Dòng este sucrosecó thể "điều chỉnh" độ cứng và đặc tính tan chảy của kem bằng cách chọn các sản phẩm có giá trị HLB khác nhau
• Giữa 80(HLB=15) có khả năng nhũ hóa mạnh nhưng khả năng chống tràn và tan chảy thấp hơn so với monoglyceride
• Este Sorbitan(HLB≈4-5) thường được kết hợp với Tweens để cân bằng hiệu suất sản phẩm

Trong tương lai, với nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng đối với các sản phẩm có nhãn-sạch, việc phát triển các chất nhũ hoá có nguồn-tự nhiên, hiệu suất cao-đã trở thành điểm nóng nghiên cứu. Trong khi đó, việc đạt được tác dụng hiệp đồng của chất nhũ hóa thông qua công nghệ trộn và tối ưu hóa chính xác mức độ bổ sung sẽ vẫn là hướng quan trọng để cải thiện chất lượng kem.