Abstrakt
Den hurtige smeltning af is efter afbrydelse af kølekæden er en langvarig teknisk udfordring, som industrien står over for, især akut i varme regioner og e-handelslogistikscenarier. Denne undersøgelse undersøger systematisk de synergistiske reguleringsmekanismer af en ternær emulgatorblanding omfattende propylenglycolmonostearat (PGMS), polyglycerolestere (PGE) og destillerede monoglycerider (DMG) på issmelte-modstand og skumstabilitet. Resultaterne viser, at ved et PGMS:PGE:DMG masseforhold på 5:3:2 og et samlet tilsætningsniveau på 0,35%, udviser systemet optimal ydeevne: 50% nedsmeltningstiden strækker sig fra 38 min (kontrol) til 67 min, overløb når 92%±3%, og sensoriske evalueringsgrupper er de højeste blandt alle sanseevalueringsgrupper. Dette arbejde belyser de mikrostrukturelle reguleringsmekanismer ud fra tre perspektiver-grænsefladefilmstyrke, partiel fedtsammensmeltningshastighed og isrekrystallisationsinhibering-og giver både teoretisk grundlag og praktiske retningslinjer for formuleringsdesign af industriel smelte-resistent is.
Nøgleord:Is smelte-modstand; PGMS; polyglycerolestere; Destillerede monoglycerider; ternær blanding; Skum stabilitet
Indledning
Is er et komplekst flerfasesystem, der består af fedtkugler, iskrystaller, luftbobler og en sukkeropløsningsmatrix. Dens strukturelle stabilitet er meget følsom over for temperatursvingninger. Når først kølekæden er afbrudt, accelererer væksten af iskrystal, luftbobler smelter sammen, og fedtkugler samler sig, hvilket i sidste ende fører til produktkollaps og sensorisk forringelse. Den globale isindustri lider af hundredvis af millioner af dollars i årlige økonomiske tab på grund af smeltningsrelaterede-kvalitetsproblemer. At udvikle isformuleringer med overlegen smelte-modstand er således blevet en fælles bekymring for både den akademiske verden og industrien.
Emulgatorer spiller flere vigtige roller i issystemer: reducerer olie-vandgrænsefladespændingen for at lette fedtemulgering, inducerer partiel fedtsammensmeltning under ældningsstadiet for at konstruere et tre-dimensionelt netværk, der understøtter luftbobler, og stabilisering af gas-væskegrænsefladen under frysning og piskning. Enkelte emulgatorer kæmper dog ofte for samtidig at opfylde de tredobbelte krav til smelte-modstand, overløb og mundfornemmelse-DMG tilbyder god fortykkelse, men utilstrækkelig skumstabilitet; PGMS giver fremragende beluftningsegenskaber og dog begrænset forbedring af smelte-modstand; PGE bibringer grænsefladefilmfleksibilitet, men det er vanskeligt præcist at kontrollere delvis koalescens, når det anvendes alene.
Baseret på disse overvejelser foreslår denne undersøgelse en ternær blandingsstrategi, der involverer PGMS/PGE/DMG, med det formål at udnytte de synergistiske virkninger af emulgatorer med forskellige molekylære strukturer og HLB-værdier til at konstruere en grænsefladefilm, der besidder både stivhed og fleksibilitet, og derved samtidig forbedre smeltebestandigheden{0} af skum{0}}.
Materialer og metoder
1 Materialer
PGMS (propylenglycolmonostearat, HLB≈3,5, renhed Større end eller lig med 95%), PGE (polyglycerolfedtsyreestere, HLB≈6,0, polymerisationsgrad 3-5) og DMG (destillerede monoglycerider, HLB≈3,8%) var højst til 90%) eller alle monoesterindhold fødevarekvalitet, kommercielt fremskaffet. Skummetmælkspulver (proteinindhold 34%), vandfrit mælkefedt (mælkefedtindhold 99,9%), saccharose, majssirupstørstof (DE 42), guargummi, carrageenan og mikrokrystallinsk cellulose var alle fødevarekvalitetsingredienser.
2 Formulering og forarbejdning
Basisisformuleringen omfattede: mælkefedt 8,0 %, ikke--fedt mælketørstof 10,5 %, saccharose 12,0 %, majssirupstørstof 4,0 % og total tørstof 36,5 %. Det totale emulgeringsmiddeltilsætningsniveau blev fastsat til 0,35 % (vægt/vægt af total blanding), med ternære blandingsforhold designet som vist i tabel 1. En stabilisatorblanding (guargummi 0,12 %, carrageenan 0,02 %, mikrokrystallinsk cellulose 0,15 %) blev holdt konstant på tværs af alle grupper.
Forarbejdningstrin: ingrediensblanding→omrøring ved 60 grader i 30 min→homogenisering (65 grader, første trin 15 MPa / andet trin 3 MPa)→pasteurisering (80 grader, 30 s)→hurtig afkøling til 4 grader →ældning (4 grader, 4 timer, lav-temperatur nedfrysning -5 grader kontinuerlig nedfrysning -5 grader). )→påfyldning→hærdning i sprængningstunnel (-40 grader, 30 min)→opbevaring ved -18 grader.
Tabel 1 Eksperimentelt design for ternære emulgatorblandinger
| Gruppe | PGMS (%) | PGE (%) | DMG (%) | I alt (%) |
|---|---|---|---|---|
| T0 (kontrol) | 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 Analysemetoder
Smelte-modstandstest:Prøver af hærdet is (-18 grader, 100 ml cylindrisk form) blev placeret på et metalgitter (2 mm mesh) inde i et konstant- temperaturkammer ved 25 grader ±0,5 grader. Den første dryptid og 50 % massenedsmeltningstid blev registreret. Smeltemodstandsforhold blev defineret som 50% nedsmeltningstiden divideret med kontrollens.
Overløbsmåling:Massen af et fast volumen is blev vejet før og efter frysning. Overløb (%)=(masse før frysning - masse efter frysning) / masse efter frysning × 100 %.
Fedt partiel koalescenshastighed:Bestemt ved opløsningsmiddelekstraktion-UV-spektrofotometri. Delvis koalescenshastighed=frit fedtindhold / totalt fedtindhold × 100 %.
Skum stabilitet:Den smeltede isblanding blev gen-pisket, og den tid, der krævedes til en 50 % reduktion i skumvolumen, blev registreret som skumhalveringstiden-.
Sensorisk evaluering:Et panel på 12 uddannede bedømmere evaluerede smeltende-mundfornemmelse, glathed, cremethed, kølig følelse og overordnet accept ved hjælp af en 9-punkts hedonisk skala.
Resultater og diskussion
1 Effekt af blandingsforhold på smeltemodstand-
Figur 1 viser smelteadfærden af is under forskellige emulgatorforhold. T0-kontrollen (PGMS alene) udviste en 50 % nedsmeltningstid på 38 minutter og en første dryptid på 22 minutter. Blandt de ternære blandingsgrupper viste T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) den bedste ydeevne, med 50 % nedsmeltningstiden forlænget til 67 minutter-en 76,3 % forbedring i forhold til kontrollen-og den første dryptid forsinket til 41 minutter.
Tabel 2 Smelte-modstand og strukturelle parametre for isprøver
| Gruppe | 50 % nedsmeltning (min) | Første drop (min.) | Overløb (%) | 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-indholdet var for lavt (T1), manglede grænsefladefilmen tilstrækkelig stivhed, den partielle koalescenshastighed var suboptimal (55%), skumnetværksstrukturen forblev løs, og smeltningen forløb relativt hurtigt. Omvendt, når DMG-indholdet var for højt (T5), samlede fedtkugler sig til store fedtklynger, der forstyrrede skumens ensartethed, hvilket fik overløbet til at falde til 72 % og smelte-modstanden forværredes kraftigt. Dette indikerer eksistensen af et optimalt DMG-vindue i det ternære blandingssystem-der er behov for tilstrækkeligt krystallinsk fedt til at konstruere netværksskelettet, men overdreven aggregering skal undgås for at bevare bobleintegriteten.
2 Grænsefladereguleringsmekanismer i den ternære blanding
Den forbedrede smeltemodstand-, som den ternære blanding PGMS/PGE/DMG giver, stammer fra synergistiske mekanismer, der fungerer på tre niveauer:
Grænsefladefilm niveau:DMG giver et stift krystallinsk fedtgrænsefladelag, der tjener som knudepunkter og ramme for skumnetværket; PGE danner med sin relativt høje HLB-værdi og fremragende grænsefladefleksibilitet en elastisk film ved gas-væskegrænsefladen, hvilket forbedrer boblens modstandsdygtighed over for deformation; PGMS indtager en mellemrolle, der er i stand til at -samkrystallisere med DMG for at forstærke netværksstyrken og samtidig reducere grænsefladespændingen med PGE for at lette dannelsen af fine luftbobler.
Delvis koalescensregulering:Fedt delvis koalescens er afgørende for dannelsen af isskumstruktur. Når den partielle koalescenshastighed er for lav (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%) inducerer fedtklynger boblesammensmeltning og strukturelt sammenbrud. Den partielle koalescensrate på 68 % af T3-gruppen falder præcist inden for det optimale vindue rapporteret i litteraturen (60-75 %), hvilket sikrer netværkskontinuitet og samtidig undgår kollapsrisikoen forbundet med overdreven aggregering.
Iskrystalhæmning:Grænsefladefilmen og fedtnetværket dannet af den ternære emulgatorblanding fungerer som fysiske barrierer, der forsinker Ostwald-modningen af iskrystaller. Efter 30 dages opbevaring ved -18 grader var den gennemsnitlige iskrystaldiameter i T3-gruppen 32 μm, signifikant lavere end de 48 μm, der blev observeret i kontrollen-, hvilket yderligere forklarer den mikrostrukturelle basis for dens fremragende smeltemodstand.
3 veje til forbedring af skumstabilitet
Skumstabilitet bestemmer formfastholdelseskapaciteten af is under smeltningsprocessen. T3-gruppen udviste en skumhalveringstid- på 34 minutter, ca. 1,9 gange kontrollens. Den elastiske adsorption af PGE ved gas-væskegrænsefladen udgør den primære bidragyder til forbedret skumstabilitet-dets multiple hydrofile hydrofile hovedgrupper danner hydrogenbindingsnetværk med vandmolekyler, hvilket øger hydreringslagets tykkelse af grænsefladefilmen. Samtidig giver fedtnetværket, der er konstrueret af DMG og PGMS, fysisk støtte til luftbobler, forhindrer væskefilmdræning mellem bobler og hæmmer boblesammensmeltning.
4 Sensorisk evalueringsvalidering
Tabel 3 Sensoriske resultater af isprøver (9-punkts skala)
| Gruppe | Smelt-mundfølelsen ned | Glathed | Cremethed | Kølighed | Samlet acceptabilitet |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 scorede signifikant højere end både kontrol- og T5-gruppen i smelte-mundfornemmelse og glathed, hvilket validerede den afgørende indflydelse af en passende partiel koalescenshastighed på teksturel finesse.
Industriel anvendelsesanbefalinger
Baseret på resultaterne af denne undersøgelse anbefales isproducenter, der anvender det ternære blandingssystem PGMS/PGE/DMG, at arbejde inden for følgende formuleringsvindue: totalt emulgeringsmiddeltilsætningsniveau på 0,30-0,40 %, med et PGMS:PGE:DMG masseforhold på 4,5{{5}.5-3.5:2.1}8-3.5:2.2. Finjustering inden for dette område kan udføres i henhold til fedtindhold, fedtfri mælketørstofindhold og produkttype.
Fremtidige forskningsretninger kan omfatte undersøgelse af ydeevnen af dette ternære blandingssystem i plante-baserede isapplikationer samt indflydelsen af forskellige fedtsyresammensætninger (mættede/umættede forhold) på egenskaberne af den blandede grænsefladefilm.
