Astratto
Il rapido scioglimento del gelato a seguito dell'interruzione della catena del freddo è una sfida tecnica di lunga data che il settore deve affrontare, particolarmente grave nelle regioni calde e negli scenari logistici dell'e-commerce. Questo studio indaga sistematicamente i meccanismi di regolamentazione sinergici di una miscela di emulsionanti ternari comprendente glicole propilenico monostearato (PGMS), esteri di poliglicerolo (PGE) e monogliceridi distillati (DMG) sulla resistenza allo scioglimento del gelato-e sulla stabilità della schiuma. I risultati dimostrano che con un rapporto di massa PGMS:PGE:DMG di 5:3:2 e un livello di aggiunta totale dello 0,35%, il sistema mostra prestazioni ottimali: il tempo di fusione del 50% si estende da 38 minuti (controllo) a 67 minuti, il sovraccarico raggiunge il 92%±3% e i punteggi di valutazione sensoriale sono i più alti tra tutti i gruppi. Questo lavoro chiarisce i meccanismi di regolazione microstrutturale da tre prospettive-resistenza del film interfacciale, velocità di coalescenza parziale del grasso e inibizione della ricristallizzazione del ghiaccio-fornendo sia basi teoriche che linee guida pratiche per la progettazione della formulazione di gelati industriali resistenti allo scioglimento-.
Parole chiave:Resistenza allo scioglimento del gelato-; PGMS; Esteri del poliglicerolo; Monogliceridi distillati; Miscelazione ternaria; Stabilità della schiuma
Introduzione
Il gelato è un complesso sistema multifase-composto da globuli di grasso, cristalli di ghiaccio, bolle d'aria e una matrice di soluzione zuccherina. La sua stabilità strutturale è altamente suscettibile alle fluttuazioni di temperatura. Una volta interrotta la catena del freddo, la crescita dei cristalli di ghiaccio accelera, le bolle d'aria si fondono e i globuli di grasso si aggregano, portando infine al collasso del prodotto e al deterioramento sensoriale. L'industria globale del gelato subisce centinaia di milioni di dollari in perdite economiche annuali a causa di problemi di qualità-correlati allo scioglimento. Lo sviluppo di formulazioni di gelato con resistenza allo scioglimento-superiore è quindi diventato una preoccupazione condivisa sia dal mondo accademico che dall'industria.
Gli emulsionanti svolgono molteplici ruoli critici nei sistemi di gelato: riducono la tensione interfacciale di olio-acqua per facilitare l'emulsificazione dei grassi, inducendo la coalescenza parziale del grasso durante la fase di invecchiamento per costruire una rete tridimensionale che supporti le bolle d'aria e stabilizzando l'interfaccia gas-liquido durante il congelamento e la mantecazione. Tuttavia, i singoli emulsionanti spesso faticano a soddisfare contemporaneamente i tripli requisiti di resistenza allo scioglimento-, overrun e sensazione in bocca-DMG offre un buon addensamento ma una stabilità della schiuma insufficiente; PGMS offre eccellenti proprietà di aerazione ma un limitato miglioramento della resistenza allo scioglimento-; Il PGE conferisce flessibilità al film interfacciale ma è difficile controllare con precisione la coalescenza parziale se usato da solo.
Sulla base di queste considerazioni, questo studio propone una strategia di miscelazione ternaria che coinvolge PGMS/PGE/DMG, con l'obiettivo di sfruttare gli effetti sinergici di emulsionanti con diverse strutture molecolari e valori HLB per costruire un film interfacciale che possieda sia rigidità che flessibilità, migliorando così contemporaneamente la stabilità della schiuma e la resistenza allo scioglimento-del gelato.
Materiali e metodi
1 Materiali
PGMS (propilenglicole monostearato, HLB≈3,5, purezza maggiore o uguale al 95%), PGE (esteri di poligliceroli di acidi grassi, HLB≈6,0, grado di polimerizzazione 3-5) e DMG (monogliceridi distillati, HLB≈3,8, contenuto di monoestere maggiore o uguale al 90%) erano tutti di qualità alimentare-di provenienza commerciale. Latte scremato in polvere (contenuto proteico 34%), grasso del latte anidro (contenuto di grassi del latte 99,9%), saccarosio, solidi di sciroppo di mais (DE 42), gomma di guar, carragenina e cellulosa microcristallina erano tutti ingredienti di qualità alimentare.
2 Formulazione ed elaborazione
La formulazione base del gelato comprendeva: grassi del latte 8,0%, solidi del latte non grassi 10,5%, saccarosio 12,0%, solidi di sciroppo di mais 4,0% e solidi totali 36,5%. Il livello totale di aggiunta dell'emulsionante è stato fissato allo 0,35% (p/p della miscela totale), con rapporti di miscelazione ternari progettati come mostrato nella Tabella 1. Una miscela di stabilizzanti (gomma guar 0,12%, carragenina 0,02%, cellulosa microcristallina 0,15%) è stata mantenuta costante in tutti i gruppi.
Fasi di lavorazione: miscelazione degli ingredienti→agitazione a 60 gradi per 30 minuti→omogeneizzazione (65 gradi, primo stadio 15 MPa / secondo stadio 3 MPa)→pastorizzazione (80 gradi, 30 s)→raffreddamento rapido a 4 gradi →invecchiamento (4 gradi, 4 ore, agitazione a bassa-velocità)→congelamento e mantecazione in congelatore continuo (temperatura di uscita -5,5 gradi )→riempimento→indurimento in tunnel di scoppio (-40 gradi, 30 min)→stoccaggio a -18 gradi.
Tabella 1 Progetto sperimentale per miscele di emulsionanti ternarie
| Gruppo | PGMS (%) | PGE (%) | DMG (%) | Totale (%) |
|---|---|---|---|---|
| T0 (controllo) | 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 Metodi analitici
Test di resistenza-al fusione:I campioni di gelato indurito (-18 gradi, forma cilindrica da 100 ml) sono stati posizionati su una griglia metallica (maglia da 2 mm) all'interno di una camera a temperatura costante-a 25 gradi ±0,5 gradi. Sono stati registrati il primo tempo di gocciolamento e il tempo di fusione della massa al 50%. Il rapporto di resistenza alla fusione è stato definito come il tempo di fusione del 50% diviso per quello del controllo.
Misurazione del superamento:La massa di un volume fisso di gelato è stata pesata prima e dopo il congelamento. Overrun (%)=(massa prima del congelamento - massa dopo il congelamento) / massa dopo il congelamento × 100%.
Tasso di coalescenza parziale del grasso:Determinato mediante estrazione con solvente-spettrofotometria UV. Tasso di coalescenza parziale=contenuto di grassi liberi/contenuto di grassi totali × 100%.
Stabilità della schiuma:La miscela di gelato sciolta è stata ri-montata e il tempo richiesto per una riduzione del 50% del volume della schiuma è stato registrato come emivita della schiuma-.
Valutazione sensoriale:Un gruppo di 12 valutatori qualificati ha valutato la sensazione di fusione-in bocca, la morbidezza, la cremosità, la sensazione di freschezza e l'accettabilità generale utilizzando una scala edonica a 9 punti.
Risultati e discussione
1 Effetto del rapporto di miscelazione sulla-resistenza allo scioglimento
La Figura 1 illustra il comportamento di scioglimento del gelato con diversi rapporti di emulsionante. Il controllo T0 (solo PGMS) ha mostrato un tempo di fusione del 50% di 38 minuti e un tempo di primo gocciolamento di 22 minuti. Tra i gruppi di miscele ternarie, T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) ha dimostrato le prestazioni migliori, con un tempo di fusione del 50% esteso a 67 minuti-un miglioramento del 76,3% rispetto al controllo-e il tempo di primo gocciolamento ritardato a 41 minuti.
Tabella 2 Resistenza allo-scioglimento e parametri strutturali dei campioni di gelato
| Gruppo | Fusione al 50% (min) | Primo Gocciolamento (min) | Superamento (%) | Coalescenza Parziale (%) | Metà-durata della schiuma (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 |
Quando il contenuto di DMG era troppo basso (T1), il film interfacciale mancava di rigidità sufficiente, il tasso di coalescenza parziale non era ottimale (55%), la struttura della rete di schiuma rimaneva allentata e la fusione procedeva in modo relativamente rapido. Al contrario, quando il contenuto di DMG era eccessivamente elevato (T5), i globuli di grasso si aggregavano in grandi ammassi di grasso che alteravano l'uniformità della schiuma, facendo scendere il superamento al 72% e provocando un brusco deterioramento della resistenza allo scioglimento-. Ciò indica l'esistenza di una finestra DMG ottimale all'interno del sistema di miscela ternaria -è necessario grasso cristallino sufficiente per costruire lo scheletro della rete, ma è necessario evitare un'aggregazione eccessiva per preservare l'integrità delle bolle.
2 Meccanismi di regolazione interfacciale della miscela ternaria
La maggiore resistenza allo scioglimento-conferita dalla miscela ternaria PGMS/PGE/DMG deriva da meccanismi sinergici che operano a tre livelli:
Livello della pellicola interfacciale:DMG fornisce uno strato interfacciale di grasso cristallino rigido che funge da nodi e struttura della rete di schiuma; Il PGE, con il suo valore HLB relativamente alto e l'eccellente flessibilità interfacciale, forma una pellicola elastica all'interfaccia gas-liquido, migliorando la resistenza della bolla alla deformazione; PGMS occupa un ruolo intermedio, in grado di co-cristallizzare con DMG per rafforzare la forza della rete riducendo allo stesso tempo la tensione interfacciale con PGE per facilitare la generazione di sottili bolle d'aria.
Regolazione della coalescenza parziale:La coalescenza parziale del grasso è fondamentale per la formazione della struttura della schiuma del gelato. Quando il tasso di coalescenza parziale è troppo basso (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%), gli ammassi di grasso inducono la coalescenza delle bolle e il collasso strutturale. Il tasso di coalescenza parziale del 68% del gruppo T3 rientra esattamente nella finestra ottimale riportata in letteratura (60-75%), garantendo la continuità della rete evitando il rischio di collasso associato ad un'eccessiva aggregazione.
Inibizione dei cristalli di ghiaccio:La pellicola interfacciale e la rete di grasso formata dalla miscela ternaria dell'emulsionante agiscono come barriere fisiche, ritardando la maturazione Ostwald dei cristalli di ghiaccio. Dopo 30 giorni di conservazione a -18 gradi, il diametro medio dei cristalli di ghiaccio nel gruppo T3 era di 32 μm, significativamente inferiore ai 48 μm osservati nel controllo-spiegando ulteriormente le basi microstrutturali della sua eccellente resistenza allo scioglimento.
3 percorsi per migliorare la stabilità della schiuma
La stabilità della schiuma determina la capacità di mantenimento della forma del gelato durante il processo di fusione. Il gruppo T3 ha mostrato un'emivita della schiuma-di 34 minuti, circa 1,9 volte quella del controllo. L'adsorbimento elastico del PGE all'interfaccia gas-liquido costituisce il fattore principale che contribuisce a migliorare la stabilità della schiuma-i suoi molteplici gruppi di testa idrossili idrofili formano reti di legami idrogeno con le molecole d'acqua, aumentando lo spessore dello strato di idratazione del film interfacciale. Allo stesso tempo, la rete di grasso costruita da DMG e PGMS fornisce supporto fisico per le bolle d'aria, ostacolando il drenaggio del film liquido tra le bolle e inibendo la coalescenza delle bolle.
4 Convalida della valutazione sensoriale
Tabella 3 Punteggi sensoriali dei campioni di gelato (scala a 9 punti)
| Gruppo | Fonde-la sensazione in bocca | Levigatezza | Cremosità | Freschezza | Accettabilità complessiva |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Il gruppo T3 ha ottenuto punteggi significativamente più alti sia rispetto al gruppo di controllo che rispetto ai gruppi T5 in termini di sensazione di fusione-in bocca e morbidezza, confermando l'influenza decisiva di un tasso di coalescenza parziale appropriato sulla finezza strutturale.
Raccomandazioni per l'applicazione industriale
Sulla base dei risultati di questo studio, ai produttori di gelato che adottano il sistema di miscela ternaria PGMS/PGE/DMG si consiglia di operare entro la seguente finestra di formulazione: livello totale di aggiunta di emulsionante di 0,30-0,40%, con un intervallo di rapporti di massa PGMS:PGE:DMG di 4,5-5,5:2,5-3,5:1,8-2,2. La regolazione fine all'interno di questo intervallo può essere eseguita in base al contenuto di grassi, al contenuto di solidi non grassi del latte e al tipo di prodotto.
Le direzioni future della ricerca potrebbero includere lo studio delle prestazioni di questo sistema di miscela ternaria nelle applicazioni di gelato a base vegetale-, nonché l'influenza di diverse composizioni di acidi grassi (rapporti saturi/insaturi) sulle proprietà della pellicola interfacciale miscelata.
