התמודדות עם סביבות-גבוהות גזירה: תחרות בין פנים ושמירה על יציבות של PGPR ו-DATEM במהלך הומוגניזציה של משקאות חלבונים מבוססי-צמחים

ההומוגניזציה של משקאות חלבונים על בסיס-צמחי מייצגת סביבה-ת גבוהה מאוד. תחת הכוחות המשולבים של הומוגניזציה בלחץ גבוה- וגזירה אינטנסיבית, שלב השמן מתפזר בכוח לטיפות בקנה מידה מיקרוני-, וחומרים מתחלבים חייבים להשלים ספיחה, כיוון וארכיטקטורת הסרט בתוך חלון זמן דחוס במיוחד. PGPR (פוליגליצרול פוליריצינולאט) ו-DATEM (אסטרים של חומצה טרטרית דיאצטיל של מונו- ודיגליצרידים), שני מתחלבים בעלי קוטביות ותצורות מולקולריות שונות באופן ניכר, מציגים התנהגויות תחרותיות ומשלימות בולטות בתנאי גזירה- גבוהים. מאמר זה מנתח את ההיגיון הסינרגיסטי של PGPR ו-DATEM במהלך הומוגזציה של משקאות חלבונים מבוססי-צמחים משלוש נקודות מבט-תרמודינמיקה של ממשק פנים, סידור מחדש מולקולרי המושרה על ידי גזירה, ומנגנוני שימור יציבות-וחוקר את ההשפעות הלא{13}}לינאריות של יחס תערובת יציבות.

האמולסיפיקציה של משקאות חלבונים על בסיס-צמחי (כגון חלב סויה, חלב שקדים וחלב שיבולת שועל) היא ביסודהתהליך שאינו-שיווי משקל. הומוגניזרים בלחץ גבוה- מפעילים שיעורי גזירה המגיעים ל-105105-106106 s-1-1, מותחים ופורעים את שלב השמן לטיפות דקות תוך מיקרו-שניות. תהליך זה מציג שני אתגרים קריטיים:

1. קצב חידוש ממשק מהיר במיוחד: ממשקי מים-שנפט החדשים נחשפים בהמוניהם ברגע. מתחלבים חייבים להשלים ספיחהבטווחי זמן של מיקרו-שנייה-עד-מילישניות, או טיפות יתלכדו במהירות עקב מתח מופרז של הממשק.
2. כוחות הרסניים של מערבולות וקוויטציה: ירידת הלחץ הפתאומית על פני שסתום ההומוגנית מפעילה קוויטציה, ויוצרת טמפרטורות גבוהות מקומיות וגלי הלם שיכולים לקרוע לגזרים-סרטי ממשק שכבר נוצרו.

בסביבות כאלה, המהירות הגירהוקצב יצירת-סרטשל מתחלבים הופכים לפרמטרים המכריעים להצלחת האמולסיפיקציה-ולא ערכי HLB שיווי משקל בלבד.

1. PGPR: ה"מפיץ איטי" בעל משקל-מולקולרי- גבוה, ליפופילי חזק

המבנה המולקולרי של PGPR כולל עמוד שדרה של פוליגליצרול עם שרשראות חומצה ריצינולאית מרובות, כאשר משקלים מולקולריים נעים בדרך כלל בין 2000-4000 Da-שעולים בהרבה על מתחלבי מולקולות קטנות-הרגילות. הליפופיליות שלו חזקה במיוחד, כאשר המסיסות בשלב השמן עולה בהרבה על זו במים.

יתרונות: לאחר ספיגה בממשק המים-שמן, PGPR יוצר אסרט ממשק עבה עם ויסקו אלסטי במיוחדעם הפרעה סטרית מעולה נגד התלכדות טיפות.

חסרונות: משקלו המולקולרי הגדול מביא למקדם דיפוזיה נמוך בשלב המימי ולנדידה איטית לממשקים חדשים שנוצרו. בתנאי גזירה- גבוהים, "האיטיות" הזו עלולה לגרום לה להחמיץ את החלון האופטימלי לעיסוק בממשק הממשק.

2. DATEM: משקל-מולקולרי-בינוני, "מגיב מהיר" קוטבי חזק

המשקל המולקולרי של DATEM נע בדרך כלל בין 500-800 דא. קבוצות חומצת הטרטרית הדיאצטיל שלה מעניקות קוטביות חזקה משמעותית מ-PGPR. יש לו מסיסות הן בשלבי שמן ומים, אך נוטה להתרכז באזור הממשק.

יתרונות: גודל מולקולרי קטן וקוטביות חזקה מעניקים ל-DATEM קצבי דיפוזיה וספיחת פנים מהירים בצורה ניכרת בשלב המימי בהשוואה ל-PGPR. במהלך הומוגניזציה גבוהה-, DATEM יכוללהגיע תחילה לממשקים החדשים שנוצרו, מפחית במהירות את מתח הממשק ומונע התלכדות טיפות.

חסרונות: סרטי ממשק שנוצרו על ידי DATEM בלבד הם דקים יחסית ומוגבלים מבחינה מכנית. במהלך אחסון ממושך או עיקור תרמי, הסרט עלול לעבור התכווצות או ספיחה, מה שיוביל להקרמה או הפרדת שמן.

במערכות משקאות חלבונים מבוססות-צמחים המכילות גם PGPR וגם DATEM, ספיחת הממשק במהלך ההומוגנית מציגהרצף כרונולוגיבמקום שיתוף{0}}שלם

שלב 1: "העיסוק הראשון-המוביל" של DATEM

ברגע שבו שסתום ההומוגניות נפתח, נחשפות כמויות אדירות של ממשקי מים- של שמן זה עתה. DATEM, עם המשקל המולקולרי הקטן שלו ויכולת הדיפוזיה המימית-חזקה יותר,משלים את הספיחה הראשונית תוך מיקרו שניות, מוריד במהירות את מתח הממשק מהערך הגבוה בהתחלה. מטרת הליבה בשלב זה היאלמנוע התלכדות טיפה מיידיתולרכוש זמן לבניית סרט ממשק לאחר מכן

שלב 2: "חיזוק הגעה מאוחר- של PGPR

לאחר ש-DATEM מסיים את הכיבוש הראשוני, סרט הממשק נשאר רופף יחסית. PGPR נודד באיטיות משלב השמן לכיוון הממשק, תוך שימוש במבנה השרשרת הרב- שלו כדימשתלבים במרווחים בין מולקולות DATEM, יוצר סרט ממשק היברידי של "רשת חודרת". התוספת של PGPR מגדילה באופן משמעותי את עובי הסרט ואת הצמיגות, ומספקת ייצוב סטרי לטווח ארוך- לטיפות.

שלב 3: שיתוף תחרותי-ספיחה של חלבונים

חלבונים מהצומח (כגון חלבון סויה וחלבון אפונה) הם עצמם מתחלבים מקרו-מולקולריים. במהלך ההומוגיזציה, מולקולות חלבון גם נודדות לכיוון הממשק. השכבה-מייצבת מראששנוצר על ידי תערובת PGPR-DATEM בממשק מדכאת ביעילות צבירה מוגזמת של חלבון וקישור צולב- לא-ספציפי בממשק, ומונעת היווצרות של רשתות חלבון שבירות שעלולות להיקרע במהלך עיקור תרמי.

1. חלונות פרופורציה

במשקאות חלבונים על בסיס-צמחי (תכולת שומן כוללת 1%-3%), יחסי תערובת PGPR-DATEM המומלצים הם בדרך כלל:

מינון מתחלב כוללנע בדרך כלל בין 8%-12% מתכולת השומן.

2. תיאום פרמטר תהליך

• טמפרטורת הומוגניזציה: מסיסות שלב השמן וקצב הנדידה של PGPR- משתפרים עם עליית הטמפרטורה. טמפרטורת הומוגניזציה של60-70 מעלותמומלץ-גבוהה מספיק עבור נזילות PGPR במהלך בניית הממשק, אך לא גבוהה עד כדי פגיעה בפעילות הממשק של DATEM.
• לחץ הומוגניזציה: הומוגניזציה דו--שלבית עם לחץ ראשוני של 25-35 MPa ולחץ משני של 5-10 MPa מקלה על "האינטרקלציה המשנית" של PGPR. השלב הראשוני משיג פיזור ראשוני; השלב המשני מספק כוח מניע נוסף להגירה העמוקה של PGPR משלב הנפט לממשק.
• מספר מעברים: לאחר מעבר בודד, סרט הממשק ההיברידי נשאר במצב גרם יציב. אם העיבוד מאפשר,שני מעברי מחזורלשפר משמעותית את השילוב של PGPR בסרט הממשק.

במערכת חלב סויה המכילה 2% שמן סויה ו-3% חלבון בסך הכל, הושוו היציבות של שלוש תכשירים במשך 7 ימים לאחר ההומוגניות:-

פֵּשֶׁר:

• DATEM לבדה ייצרה את גודל החלקיקים ההתחלתי הקטן ביותר (תחליב מהיר מעולה), אך הציג את העלייה הגדולה ביותר בגודל החלקיקים לאחר 7 ימים, מה שמעיד על יציבות בלתי מספקת של סרט הממשק לטווח ארוך-.
• PGPR לבדו הניב את גודל החלקיקים הראשוני הגדול ביותר (חושף את חולשת ההגירה האיטית-), אך את העלייה הקטנה ביותר בגודל החלקיקים של 7- ימים, ואימתה את קשיחות הסרט לטווח ארוך שלו.
• ההתערובת השיגה בו זמנית גודל חלקיקים ראשוני קטן ויציבות-לטווח ארוך, עם אינדקס קרם הנמוך משמעותית מכל אחת מהמערכות מתחלבות-יחידות.

הדרישות שסביבות-גזירה גבוהות מצילות על מתחלבים הן בעצם אאתגר כפול של "מהירות" ו"יציבות".תערובת ה-PGPR-DATEM, באמצעות מנגנון "הגעה-ראשון-תחזקות הגעה מאוחרת-בזמן, בונה מערכת ממשק פנים מאוזנת באופן דינמי במהלך הומוגניזציה של משקאות מבוססי-צמחים. עבור מהנדסי ניסוחים, להבנת ההיגיון הזמני מאחורי תחרות הממשק הזו יש ערך מעשי הרבה יותר מאשר שינון ערכי ה-HLB של שני מתחלבים. פתרון אמולסיפיקציה מעולה באמת הוא תמיד כזה שמוצא את קו שיווי המשקל הדינמי בין מהירות וקשיחות השייך למוצר עצמו.