גלידה נמס-פריצת דרך בהתנגדות: בקרת מערכת ויציבות קצף באמצעות PGMS, PGE ו-DMG Ternary Blending

ההמסה המהירה של הגלידה בעקבות הפרעה בשרשרת הקרה היא אתגר טכני רב שנים העומד בפני התעשייה, חריפה במיוחד באזורים חמים ובתרחישים לוגיסטיים של מסחר אלקטרוני-. מחקר זה חוקר באופן שיטתי את מנגנוני הרגולציה הסינרגטיים של תערובת מתחלבים טרינריים הכוללת פרופילן גליקול מונוסטארט (PGMS), אסטרים של פוליגליצרול (PGE), ומונוגליצרידים מזוקקים (DMG) על עמידות-המסת גלידה ויציבות קצף. התוצאות מוכיחות שביחס מסה PGMS:PGE:DMG של 5:3:2 ורמת הוספה כוללת של 0.35%, המערכת מציגה ביצועים אופטימליים: זמן ההתכה של 50% משתרע מ-38 דקות (בקרה) ל-67 דקות, החריצה מגיעה ל-92%±3%, וציוני ההערכה החושית הם הגבוהים ביותר מבין כל הקבוצות. עבודה זו מבהירה את מנגנוני הוויסות המיקרו-סטרוקטורליים משלוש נקודות מבט -חוזק סרט הממשק, קצב התאחדות חלקית של שומן ועיכוב התגבשות מחדש של קרח-מספק גם יסודות תיאורטיים וגם קווים מנחים מעשיים לעיצוב הניסוח של גלידה תעשייתית עמידה להמסה-.

מילות מפתח:עמידות-להתכת הגלידה; PGMS; אסטרים של פוליגליצרול; מונוגליצרידים מזוקקים; מיזוג טרנרי; יציבות קצף

גלידה היא מערכת מורכבת מרובת-שלבים המורכבת מכדוריות שומן, גבישי קרח, בועות אוויר ומטריצת תמיסת סוכר. היציבות המבנית שלו רגישה מאוד לתנודות טמפרטורה. ברגע ששרשרת הקור נקטעת, צמיחת גבישי הקרח מואצת, בועות אוויר מתלכדות וכדוריות שומן מתקבצות, מה שמוביל בסופו של דבר לקריסת המוצר ולהידרדרות חושית. תעשיית הגלידה העולמית סובלת מהפסדים כלכליים שנתיים של מאות מיליוני דולרים עקב בעיות האיכות הקשורות להיתוך-. לפיכך, פיתוח תכשירי גלידה בעלי עמידות -להתכה מעולה הפך לדאגה משותפת הן לאקדמיה והן לתעשייה.

מתחלבים ממלאים תפקידים קריטיים מרובים במערכות גלידה: הפחתת מתח של שמן-בממשק המים כדי להקל על אמולסיציית שומן, גרימת התאחדות חלקית של שומן בשלב ההזדקנות לבניית רשת תלת-ת מימדית התומכת בבועות אוויר, וייצוב ממשק הגז-נוזל במהלך הקפאה והקצפה. עם זאת, מתחלבים בודדים מתקשים לעתים קרובות לעמוד בדרישות המשולשות של-התנגדות להתכה, חפיפה ותחושה בפה-DMG מציע עיבוי טוב אך יציבות קצף לא מספקת; PGMS מספקת תכונות אוורור מעולות אך עם זאת שיפור ההתנגדות-להיתוך מוגבלת; PGE מקנה גמישות של סרט ממשק אך קשה לשלוט במדויק בהתאחדות חלקית כאשר משתמשים בו לבד.

בהתבסס על שיקולים אלה, מחקר זה מציע אסטרטגיית מיזוג משולשת הכוללת PGMS/PGE/DMG, שמטרתה למנף את ההשפעות הסינרגטיות של חומרים מתחלבים עם מבנים מולקולריים שונים וערכי HLB כדי לבנות סרט ממשק בעל קשיחות וגמישות, ובכך לשפר בו זמנית את יציבות הקצף- ויציבות קרם נמס.

1 חומרים

PGMS (פרופילן גליקול מונוסטארט, HLB≈3.5, טוהר גדול או שווה ל-95%), PGE (אסטרים של חומצות שומן פוליגליצרול, HLB≈6.0, דרגת פילמור 3-5), ו-DMG (מונוגליצרידים מזוקקים, HLB≈3.8%) היו גבוהים מ- HLB≈3.8% או שווה לכולם מזון{11}ממקור מסחרי. אבקת חלב רזה (תכולת חלבון 34%), שומן חלב נטול מים (תכולת שומן חלב 99.9%), סוכרוז, מוצקי סירופ תירס (DE 42), גואר גאם, קרגינן ותאית מיקרו-גבישית היו כולם מרכיבים באיכות מזון.

2 ניסוח ועיבוד

נוסחת הגלידה הבסיסית כללה: שומן חלב 8.0%, מוצקי חלב ללא שומן 10.5%, סוכרוז 12.0%, מוצקי סירופ תירס 4.0%, וסך הכל מוצקים 36.5%. רמת התוספת הכוללת של מתחלב נקבעה ל-0.35% (w/w של התערובת הכוללת), עם יחסי ערבוב טרינריים שתוכננו כפי שמוצג בטבלה 1. תערובת מייצבת (גואר גאם 0.12%, קרגנין 0.02%, תאית מיקרו-גבישית 0.15%) נשמרה קבועה בכל הקבוצות.

שלבי עיבוד: ערבוב מרכיבים → ערבוב ב-60 מעלות למשך 30 דקות → הומוגניזציה (65 מעלות, שלב ראשון 15 MPa / שלב שני 3 MPa) → פסטור (80 מעלות, 30 שניות)→ קירור מהיר ל-4 מעלות → יישון (4 מעלות, 4 שעות, טמפרטורה נמוכה{10}→ הקפאה והקפאה מתמשכת -5 מעלות) ) → מילוי → התקשות במנהרת פיצוץ (-40 מעלות, 30 דקות) → אחסון ב -18 מעלות .

טבלה 1 עיצוב ניסוי עבור תערובות מתחלב טרנרי

3 שיטות אנליטיות

בדיקת התנגדות-התכה:דגימות גלידה מוקשות (-18 מעלות, צורה גלילית של 100 מ"ל) הונחו על רשת מתכת (רשת של 2 מ"מ) בתוך תא טמפרטורה קבועה- ב-25 מעלות ±0.5 מעלות. זמן הטפטוף הראשון וזמן התכה של 50% מסה נרשמו. יחס התנגדות להיתוך הוגדר כזמן ההתכה של 50% חלקי זה של הבקרה.

מדידת חריגה:המסה של נפח קבוע של גלידה נשקללה לפני ואחרי ההקפאה. חריגה (%)=(מסה לפני הקפאה - מסה לאחר הקפאה) / מסה לאחר הקפאה × 100%.

שיעור התלכדות חלקית של שומן:נקבע על ידי מיצוי ממס-ספקטרופוטומטריית UV. שיעור התאחדות חלקית=תכולת שומן חופשי / תכולת שומן כוללת × 100%.

יציבות קצף:תערובת הגלידה המומסת הוקצפה מחדש-, והזמן הדרוש להפחתה של 50% בנפח הקצף נרשם כמחצית חיי הקצף-.

הערכה חושית:פאנל של 12 מאבחנים מיומנים העריכו את תחושת ההמסה-בפה, החלקות, הקרמיות, תחושת הקרירות והקבילות הכוללת באמצעות סולם נהנתני של 9 נקודות.

1 השפעה של יחס מיזוג על התנגדות-המסה

איור 1 מתאר את התנהגות ההיתוך של גלידה תחת יחסי מתחלב שונים. בקרת T0 (PGMS בלבד) הראתה זמן התכה של 50% של 38 דקות וזמן טפטוף ראשון של 22 דקות. מבין קבוצות התערובת השלישיות, T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) הפגין את הביצועים הטובים ביותר, כאשר זמן ההתכה של 50% הוארך ל-67 דקות-שיפור של 76.3% ביחס לבקרה-וזמן הטפטוף הראשון התעכב ל-41 דקות.

טבלה 2 התכה-התנגדות ופרמטרים מבניים של דגימות גלידה

כאשר תכולת ה-DMG הייתה נמוכה מדי (T1), הסרט הממשק היה חסר קשיחות מספקת, קצב ההתאחדות החלקית היה לא אופטימלי (55%), מבנה רשת הקצף נשאר רופף וההתכה התנהלה במהירות יחסית. לעומת זאת, כאשר תכולת ה-DMG הייתה גבוהה מדי (T5), כדוריות השומן התקבצו לאשכולות שומן גדולים ששיבשו את אחידות הקצף, מה שגרם לירידה ל-72% ולהתנגדות-ההמסה להידרדר בחדות. זה מצביע על קיומו של חלון DMG אופטימלי בתוך מערכת התערובת הטרינרית -יש צורך בשומן גבישי מספיק כדי לבנות את שלד הרשת, אך יש להימנע מהצטברות מוגזמת כדי לשמור על שלמות הבועות.

2 מנגנוני ויסות פנים של התערובת הטרינרית

התנגדות ההיתוך המשופרת- הניתנת על ידי התערובת הטרינרית PGMS/PGE/DMG נובעת ממנגנונים סינרגטיים הפועלים בשלוש רמות:

רמת סרט ממשק:DMG מספקת שכבת ממשק שומן גבישית קשיחה המשמשת כצמתים ומסגרת של רשת הקצף; PGE, עם ערך ה-HLB הגבוה יחסית שלו וגמישות הממשק המעולה שלו, יוצר סרט אלסטי בממשק הנוזל-הגז, מה שמשפר את עמידות הבועה בפני דפורמציה; PGMS תופסת תפקיד ביניים, המסוגלת להתגבש-בשיתוף עם DMG כדי לחזק את חוזק הרשת תוך הפחתת מתח הממשק עם PGE כדי להקל על יצירת בועות אוויר עדינות.

תקנת התלכדות חלקית:התלכדות חלקית של שומן חיונית להיווצרות מבנה קצף גלידה. כאשר שיעור ההתלכדות החלקי נמוך מדי (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%), אשכולות שומן מעוררים התלכדות בועות וקריסה מבנית. שיעור ההתאחדות החלקית של 68% של קבוצת T3 נופל בדיוק בתוך החלון האופטימלי המדווח בספרות (60-75%), מה שמבטיח המשכיות רשת תוך הימנעות מסיכון התמוטטות הקשור לצבירה מוגזמת.

עיכוב גבישי קרח:סרט הממשק ורשת השומן שנוצרו על ידי תערובת מתחלבים טרינריים פועלים כמחסומים פיזיים, ומעכבים את הבשלת גבישי קרח אוסטוולד. לאחר 30 ימי אחסון ב--18 מעלות, קוטר גביש הקרח הממוצע בקבוצת T3 היה 32 מיקרומטר, נמוך משמעותית מ-48 מיקרומטר שנצפו בביקורת- מה שמסביר עוד יותר את הבסיס המיקרו-מבני לעמידות הניתך המצוינת שלו.

3 מסלולים לשיפור יציבות הקצף

יציבות הקצף קובעת את יכולת שימור הצורה של גלידה במהלך תהליך ההיתוך. קבוצת T3 הראתה מחצית חיי קצף- של 34 דקות, בערך פי 1.9 מזה של הביקורת. הספיחה האלסטית של PGE בממשק הנוזל-מהגז מהווה את התורם העיקרי ליציבות הקצף המשופרת-קבוצות הראש ההידרופיליות המרובות שלו יוצרות רשתות קשרי מימן עם מולקולות מים, מה שמגדיל את עובי שכבת ההידרציה של סרט הממשק. במקביל, רשת השומן שנבנתה על ידי DMG ו-PGMS מספקת תמיכה פיזית לבועות אוויר, מעכבת את ניקוז הסרט הנוזל בין הבועות ומעכבת התאחדות הבועות.

4 אימות הערכה חושית

טבלה 3 ציונים תחושתיים של דגימות גלידה (סולם 9 נקודות)

קבוצת T3 השיגה ציון גבוה משמעותית הן מקבוצת הביקורת והן מקבוצת ה-T5 בתחושת נמסות- בפה ובחלקות, מה שמאמת את ההשפעה המכרעת של שיעור התלכדות חלקי מתאים על עדינות המרקם.

בהתבסס על הממצאים של מחקר זה, מומלץ ליצרני גלידות המאמצים את מערכת התערובת הטרינרית PGMS/PGE/DMG לפעול בחלון הניסוח הבא: רמת הוספת מתחלבים כוללת של 0.30-0.40%, עם טווח יחס מסה של PGMS:PGE:DMG של 4.5-5.3.5.2.2.2. ניתן לבצע כוונון עדין בטווח זה לפי תכולת שומן, תכולת מוצקי חלב ללא שומן וסוג המוצר.

כיווני מחקר עתידיים עשויים לכלול חקירת הביצועים של מערכת תערובת משולשת זו ביישומי גלידה-צמחיים, כמו גם את ההשפעה של הרכבים שונים של חומצות שומן (יחסים רוויים/בלתי רוויים) על המאפיינים של סרט הממשק המעורב.