Tóm tắt
Sự tan chảy nhanh chóng của kem sau sự gián đoạn của chuỗi lạnh là một thách thức kỹ thuật lâu dài mà ngành phải đối mặt, đặc biệt gay gắt ở các vùng nóng và kịch bản hậu cần thương mại điện tử. Nghiên cứu này nghiên cứu một cách có hệ thống các cơ chế điều hòa hiệp lực của hỗn hợp chất nhũ hóa bậc ba bao gồm propylene glycol monostearate (PGMS), este polyglycerol (PGE) và monoglyceride chưng cất (DMG) đối với khả năng chống tan chảy-kem và độ ổn định bọt. Kết quả chứng minh rằng ở tỷ lệ khối lượng PGMS:PGE:DMG là 5:3:2 và tổng mức bổ sung là 0,35%, hệ thống thể hiện hiệu suất tối ưu: thời gian tan chảy 50% kéo dài từ 38 phút (đối chứng) đến 67 phút, mức tràn đạt 92%±3% và điểm đánh giá cảm quan là cao nhất trong số tất cả các nhóm. Công trình này làm sáng tỏ các cơ chế điều chỉnh vi cấu trúc từ ba góc độ-độ bền màng bề mặt, tốc độ kết tụ một phần chất béo và sự ức chế tái kết tinh băng-cung cấp cả nền tảng lý thuyết và hướng dẫn thực tế cho thiết kế công thức kem chống tan chảy{16}}công nghiệp.
Từ khóa:khả năng chống tan chảy-kem; PGMS; Este polyglycerol; Monoglyceride chưng cất; Pha trộn bậc ba; Tính ổn định của bọt
Giới thiệu
Kem là một hệ thống nhiều pha phức tạp bao gồm các giọt chất béo, tinh thể băng, bọt khí và ma trận dung dịch đường. Sự ổn định về cấu trúc của nó rất dễ bị ảnh hưởng bởi sự biến động nhiệt độ. Một khi chuỗi lạnh bị gián đoạn, sự phát triển của tinh thể băng sẽ tăng tốc, bọt khí kết lại và các giọt chất béo tập hợp lại, cuối cùng dẫn đến sản phẩm bị hỏng và suy giảm cảm giác. Ngành công nghiệp kem toàn cầu chịu thiệt hại kinh tế hàng trăm triệu đô la hàng năm do các vấn đề liên quan đến chất lượng tan chảy. Do đó, việc phát triển các công thức kem có khả năng chống tan chảy-vượt trội đã trở thành mối quan tâm chung của cả giới học thuật và ngành công nghiệp.
Chất nhũ hóa đóng nhiều vai trò quan trọng trong hệ thống kem: giảm sức căng bề mặt dầu{0}}nước để tạo điều kiện cho quá trình nhũ hóa chất béo, tạo ra sự kết tụ một phần chất béo trong giai đoạn lão hóa để xây dựng mạng ba-chiều hỗ trợ bọt khí và ổn định bề mặt chất lỏng khí-trong quá trình đóng băng và đánh kem. Tuy nhiên, các chất nhũ hóa đơn lẻ thường gặp khó khăn trong việc đáp ứng đồng thời ba yêu cầu về-khả năng chống tan chảy, tràn và cảm giác trong miệng-DMG mang lại độ đặc tốt nhưng độ ổn định bọt không đủ; PGMS cung cấp các đặc tính thông khí tuyệt vời nhưng hạn chế khả năng chống tan chảy{6}}; PGE truyền đạt tính linh hoạt của màng giao diện nhưng khó kiểm soát chính xác sự kết hợp một phần khi sử dụng một mình.
Dựa trên những cân nhắc này, nghiên cứu này đề xuất chiến lược pha trộn ba giai đoạn liên quan đến PGMS/PGE/DMG, nhằm tận dụng tác dụng hiệp đồng của chất nhũ hóa với các cấu trúc phân tử và giá trị HLB khác nhau để tạo ra một lớp màng tiếp xúc có cả độ cứng và tính linh hoạt, từ đó đồng thời tăng cường độ ổn định của bọt và khả năng chống tan chảy-của kem.
Vật liệu và phương pháp
1 Vật liệu
PGMS (propylene glycol monostearate, HLB≈3,5, độ tinh khiết Lớn hơn hoặc bằng 95%), PGE (ester của axit béo polyglycerol, HLB≈6,0, mức độ trùng hợp 3-5) và DMG (monoglyceride chưng cất, HLB≈3,8, hàm lượng monoester Lớn hơn hoặc bằng 90%) đều là loại thực phẩm, có nguồn gốc thương mại. Bột sữa gầy (hàm lượng protein 34%), chất béo sữa khan (hàm lượng chất béo sữa 99,9%), sucrose, chất rắn xi-rô ngô (DE 42), guar gum, carrageenan và cellulose vi tinh thể đều là các thành phần cấp thực phẩm.
2 Công thức và chế biến
Công thức kem cơ bản bao gồm: chất béo sữa 8,0%, chất rắn sữa không{1}}chất béo 10,5%, sucrose 12,0%, chất rắn xi-rô ngô 4,0% và tổng chất rắn 36,5%. Tổng lượng bổ sung chất nhũ hóa được cố định ở mức 0,35% (w/w của tổng hỗn hợp), với tỷ lệ pha trộn bậc ba được thiết kế như trong Bảng 1. Hỗn hợp chất ổn định (guar gum 0,12%, carrageenan 0,02%, cellulose vi tinh thể 0,15%) được giữ không đổi trong tất cả các nhóm.
Các bước xử lý: trộn nguyên liệu→khuấy ở 60 độ trong 30 phút→đồng nhất hóa (65 độ , giai đoạn đầu tiên 15 MPa / giai đoạn thứ hai 3 MPa)→tiệt trùng (80 độ , 30 giây)→làm lạnh nhanh đến 4 độ → lão hóa (4 độ , 4 giờ, tốc độ khuấy chậm{10}})→đóng băng và đánh bông trong tủ đông liên tục (nhiệt độ đầu ra -5,5 độ )→làm đầy→làm cứng trong vụ nổ đường hầm (-40 độ, 30 phút)→bảo quản ở -18 độ.
Bảng 1 Thiết kế thí nghiệm cho hỗn hợp chất nhũ hóa bậc ba
| Nhóm | PGMS (%) | PGE (%) | thiệt hại (%) | Tổng cộng (%) |
|---|---|---|---|---|
| T0 (Điều khiển) | 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 phương pháp phân tích
Thử nghiệm khả năng chống tan chảy-:Các mẫu kem cứng (-18 độ , hình trụ 100 mL) được đặt trên lưới kim loại (lưới 2 mm) bên trong buồng nhiệt độ-không đổi ở 25 độ ±0,5 độ . Thời gian nhỏ giọt đầu tiên và thời gian tan chảy khối lượng 50% đã được ghi lại. Tỷ lệ chống nóng chảy được xác định là thời gian tan chảy 50% chia cho thời gian kiểm soát.
Đo lường vượt mức:Khối lượng của một thể tích kem cố định được cân trước và sau khi đông lạnh. Tràn ngập (%)=(khối lượng trước khi đóng băng - khối lượng sau khi đóng băng) / khối lượng sau khi đóng băng × 100%.
Tốc độ kết tụ một phần chất béo:Được xác định bằng phương pháp chiết dung môi-phép đo quang phổ UV. Tỷ lệ kết tụ một phần=hàm lượng chất béo tự do/tổng hàm lượng chất béo × 100%.
Độ ổn định của bọt:Hỗn hợp kem tan chảy được -đánh bông lại và thời gian cần thiết để giảm 50% lượng bọt được ghi lại là thời gian bán hủy-của bọt.
Đánh giá cảm quan:Một hội đồng gồm 12 người đánh giá được đào tạo đã đánh giá-cảm giác tan chảy trong miệng, độ mịn, độ kem, cảm giác mát lạnh và khả năng chấp nhận tổng thể bằng cách sử dụng thang đo khoái cảm 9 điểm.
Kết quả và thảo luận
1 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến khả năng chống tan chảy-
Hình 1 mô tả đặc tính tan chảy của kem theo các tỷ lệ chất nhũ hóa khác nhau. Bộ điều khiển T0 (riêng PGMS) thể hiện thời gian nóng chảy 50% là 38 phút và thời gian nhỏ giọt đầu tiên là 22 phút. Trong số các nhóm pha trộn bậc ba, T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) thể hiện hiệu suất tốt nhất, với thời gian tan chảy 50% kéo dài đến 67 phút-cải thiện 76,3% so với mức kiểm soát-và thời gian nhỏ giọt đầu tiên bị trì hoãn đến 41 phút.
Bảng 2 Độ tan chảy-Các thông số về điện trở và cấu trúc của các mẫu kem
| Nhóm | Tan chảy 50% (phút) | Nhỏ giọt đầu tiên (phút) | Vượt quá (%) | Sự kết hợp một phần (%) | Nửa bọt-Tuổi thọ (phút) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Khi hàm lượng DMG quá thấp (T1), màng tiếp xúc không đủ độ cứng, tốc độ kết tụ một phần dưới mức tối ưu (55%), cấu trúc mạng bọt vẫn lỏng lẻo và quá trình tan chảy diễn ra tương đối nhanh. Ngược lại, khi hàm lượng DMG quá cao (T5), các giọt chất béo kết tụ lại thành các cụm chất béo lớn làm gián đoạn tính đồng nhất của bọt, khiến tỷ lệ tràn giảm xuống 72% và khả năng chống tan chảy-giảm mạnh. Điều này cho thấy sự tồn tại của cửa sổ DMG tối ưu trong hệ thống pha trộn bậc ba-cần có đủ chất béo tinh thể để xây dựng bộ khung mạng nhưng phải tránh kết hợp quá mức để duy trì tính toàn vẹn của bong bóng.
2 Cơ chế điều chỉnh bề mặt của hỗn hợp bậc ba
Khả năng chống tan chảy-tăng cường do hỗn hợp bậc ba PGMS/PGE/DMG mang lại phát sinh từ các cơ chế hiệp đồng hoạt động ở ba cấp độ:
Cấp độ phim giao diện:DMG cung cấp một lớp giao thoa chất béo kết tinh cứng, đóng vai trò là các nút và khung của mạng lưới bọt; PGE, với giá trị HLB tương đối cao và tính linh hoạt tuyệt vời của bề mặt, tạo thành một màng đàn hồi ở bề mặt khí-lỏng, tăng cường khả năng chống biến dạng của bong bóng; PGMS đóng vai trò trung gian, có khả năng-kết tinh với DMG để củng cố sức mạnh mạng đồng thời giảm sức căng bề mặt với PGE để tạo điều kiện tạo ra bọt khí mịn.
Quy định kết hợp một phần:Sự kết tụ một phần chất béo là rất quan trọng cho sự hình thành cấu trúc bọt kem. Khi tốc độ kết hợp một phần quá thấp (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%), các cụm chất béo gây ra sự kết tụ của bong bóng và sự sụp đổ cấu trúc. Tỷ lệ hợp nhất một phần 68% của nhóm T3 nằm chính xác trong khoảng thời gian tối ưu được báo cáo trong tài liệu (60-75%), đảm bảo tính liên tục của mạng đồng thời tránh nguy cơ sụp đổ liên quan đến tập hợp quá mức.
Ức chế tinh thể băng:Màng phân cách và mạng lưới chất béo được hình thành bởi hỗn hợp chất nhũ hóa bậc ba đóng vai trò như những rào cản vật lý, làm chậm quá trình chín của tinh thể băng Ostwald. Sau 30 ngày bảo quản ở nhiệt độ -18 độ , đường kính tinh thể băng trung bình trong nhóm T3 là 32 μm, thấp hơn đáng kể so với 48 μm được quan sát thấy trong đối chứng-điều này giải thích thêm về cơ sở cấu trúc vi mô cho khả năng chống tan chảy tuyệt vời của nó.
3 con đường để tăng cường độ ổn định của bọt
Độ ổn định của bọt quyết định khả năng giữ hình dạng của kem trong quá trình tan chảy. Nhóm T3 có thời gian bán thải bọt-là 34 phút, gấp khoảng 1,9 lần so với nhóm đối chứng. Sự hấp phụ đàn hồi của PGE ở bề mặt phân cách khí{6}}lỏng là yếu tố chính góp phần nâng cao độ ổn định của bọt-nhiều nhóm đầu ưa nước hydroxyl của nó tạo thành mạng lưới liên kết hydro với các phân tử nước, làm tăng độ dày lớp hydrat hóa của màng bề mặt. Đồng thời, mạng lưới chất béo do DMG và PGMS xây dựng cung cấp hỗ trợ vật lý cho bọt khí, cản trở sự thoát nước màng chất lỏng giữa các bong bóng và ức chế sự kết tụ của bong bóng.
4 Xác nhận đánh giá cảm quan
Bảng 3 Điểm cảm quan của các mẫu kem (thang điểm 9)
| Nhóm | Tan chảy-Cảm giác trong miệng | Độ mịn | Độ kem | Sự mát mẻ | Khả năng chấp nhận chung |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Nhóm T3 đạt điểm cao hơn đáng kể so với cả nhóm đối chứng và nhóm T5 về cảm giác tan-trong miệng và độ mịn, xác nhận ảnh hưởng mang tính quyết định của tốc độ kết tụ từng phần thích hợp đối với độ mịn của kết cấu.
Khuyến nghị ứng dụng công nghiệp
Dựa trên những phát hiện của nghiên cứu này, các nhà sản xuất kem áp dụng hệ thống pha trộn bậc ba PGMS/PGE/DMG nên hoạt động trong khoảng thời gian công thức sau: tổng mức bổ sung chất nhũ hóa là 0,30-0,40%, với phạm vi tỷ lệ khối lượng PGMS:PGE:DMG là 4,5-5,5:2,5-3,5:1,8-2,2. Việc tinh chỉnh trong phạm vi này có thể được thực hiện theo hàm lượng chất béo, hàm lượng chất rắn sữa không béo và loại sản phẩm.
Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể bao gồm việc nghiên cứu hiệu quả của hệ thống hỗn hợp bậc ba này trong các ứng dụng làm kem-làm từ thực vật, cũng như ảnh hưởng của các thành phần axit béo khác nhau (tỷ lệ bão hòa/không bão hòa) đến các đặc tính của màng bề mặt được pha trộn.
