Эмульгаторы в мороженом: как они предотвращают образование кристаллов льда и сравнительный анализ разных типов

Мороженое представляет собой термодинамически нестабильную сложную пищевую систему. Во время обработки, хранения, транспортировки и продажи колебания температуры вызывают рекристаллизацию кристаллов льда, увеличивая размер кристаллов и приводя к грубой текстуре и плохому вкусу. Хотя эмульгаторы обычно добавляются в мороженое в количестве всего 0,1–0,4%, они играют решающую роль в подавлении образования кристаллов льда и улучшении качества продукта. В этой статье систематически разрабатываются научные механизмы, с помощью которых эмульгаторы предотвращают образование кристаллов льда, и проводится сравнительный анализ различных обычно используемых эмульгаторов, включая молекулярно-дистиллированные моноглицериды, сложные эфиры сахарозы, Твин 80 и сложные эфиры сорбитана, выявляя их соответствующие преимущества и ограничения, предоставляя теоретические ссылки для оптимизации рецептуры мороженого.

Мороженое любимо потребителями за его питательную ценность и уникальный вкус, но его термодинамически нестабильный характер создает проблемы при обработке и хранении. Хотя рецептура смеси для мороженого и условия механической обработки замораживания являются важными факторами в создании вкусного мороженого, эффективность эмульгаторов также имеет решающее значение. Эмульгаторы не только улучшают дисперсию жира, способствуют включению воздуха и повышают пенообразующую способность, но, что более важно, онипредотвращать и контролировать образование крупных кристаллов льда, улучшая термостойкость мороженого и стабильность при хранении. В этой статье мы подробно рассмотрим, как эмульгаторы выполняют эту функцию, и сравним эффективность различных эмульгаторов.

Предотвращение образования кристаллов льда с помощью эмульгаторов достигается не за счет одного пути, а за счет многоуровневых физико-химических взаимодействий. Основываясь на существующих исследованиях, основные механизмы можно резюмировать в следующих четырех аспектах:

1. Содействие частичному слиянию жира с образованием стабильной трехмерной-сети

Самая уникальная роль эмульгаторов в мороженом – способствовать «частичному слипанию» жира. В процессе замораживания эмульгаторы могут вытеснять некоторые белки, адсорбированные на поверхности жировых шариков, снижая межфазную стабильность жировых шариков. Это вызывает соответствующую агломерацию и слияние жировых шариков при механическом перемешивании, образуя трехмерную сетчатую структуру. Эта сетевая структура становится «скелетом» мороженого, способным:

• Физическое блокирование миграции воды: Стабильная жировая сеть удерживает незамерзшую воду в микроскопических областях, ограничивая движение молекул воды, тем самым препятствуя росту и рекристаллизации кристаллов льда.
• Стабилизация пузырьковой структуры: Жировая сетка инкапсулирует пузырьки, предотвращая их слипание или выход, делая текстуру мороженого более тонкой и однородной.

Исследования подтверждают, что смесь для мороженого без эмульгаторов после замораживания сохраняет тонкую дисперсию жира, не образуя организационной структуры; в то время как добавление 0,15% молекулярно-дистиллированных моноглицеридов приводит к агломерации частиц жира и образованию сетчатой ​​структуры, становящейся каркасом мороженого и стабилизирующей пузырьки.

2. Уменьшение межфазного натяжения и улучшение распределения воды.

Являясь поверхностно-активными веществами, эмульгаторы снижают межфазное натяжение на границах раздела масла-воды и воздуха-воды. Это дает два преимущества:

• Содействие тонкому диспергированию жира: Эмульгаторы делают частицы жира более мелкими и более равномерно распределяются, улучшая стабильность эмульсии.
• Влияние на распределение незамерзшей воды: Взаимодействие между эмульгаторами и белками изменяет межфазные свойства, косвенно влияя на расположение молекул воды и поведение миграции.

3. Взаимодействие с белками, укрепление межфазной пленки

Эмульгаторы могут взаимодействовать с белками (особенно с молочными белками) с образованием комплексов, адсорбируемых на поверхности жировых шариков. Эта композитная межфазная пленка обладает превосходной механической прочностью и эластичностью и способна:

• Более эффективная инкапсуляция жировых шариков
• Сохранение целостности межфазного слоя при колебаниях температуры
• Подавление гетерогенного зарождения кристаллов льда на границах раздела

4. Регуляция кинетики роста кристаллов льда

Присутствие эмульгаторов также может напрямую влиять на процесс роста кристаллов льда. Адсорбируясь на поверхности кристаллов льда или влияя на процессы массообмена на фронтах роста кристаллов льда, некоторые эмульгаторы могут:

• Уменьшить скорость роста кристаллов льда
• Изменить морфологию кристаллов льда, сделав их более мелкими и однородными.
• Подавить созревание Оствальда во время рекристаллизации.

Различные типы эмульгаторов обладают разными характеристиками ингибирования образования кристаллов льда и улучшения качества мороженого из-за различий в молекулярной структуре, значениях гидрофильного-липофильного баланса (ГЛБ) и механизмов действия. В этом разделе представлено подробное сравнение нескольких часто используемых эмульгаторов.

Сравнение производительности обычных эмульгаторов для мороженого

1 серия моноглицеридов

Моноглицериды (включая молекулярно-дистиллированные моноглицериды и гидрофильные моноглицериды) являются одними из наиболее часто используемых эмульгаторов в производстве мороженого.

Молекулярно-дистиллированные моноглицериды (HLB=3.8)обладают сильной липофильностью и эффективно способствуют частичному слипанию жира в мороженом, образуя стабильные трехмерные сетевые структуры. Исследования показывают, что по сравнению с Tween 80 мороженое с молекулярно-дистиллированными моноглицеридами имеет более высокую растекаемость и лучшую устойчивость к плавлению. Механизм их действия заключается в следующем: во время процесса замораживания моноглицериды могут вызывать растворение слоя белка, адсорбированного на поверхности жировых шариков, изменяя поведение агломерации жира.

Гидрофильные моноглицериды (HLB=10.5)имеют разные эксплуатационные характеристики. Исследования показали, что гидрофильные моноглицериды значительно повышают твердость мороженого при добавлении 0,4%, обеспечивая оптимальную устойчивость к плавлению при этом уровне добавления; в диапазоне 0–0,6% их влияние на устойчивость к плавлению противоположно влиянию моноглицеридов полиглицерина и эфира сахарозы-13.

2 серии эфиров сахарозы

Эфиры сахарозы представляют собой класс неионогенных поверхностно-активных веществ, образующихся путем этерификации сахарозы и жирных кислот, при этом значения ГЛБ регулируются в широком диапазоне за счет изменения длины цепи жирных кислот и степени этерификации.

Эфир сахарозы-13 (HLB=13)иЭфир сахарозы-S1170 (HLB=11)оба являются относительно гидрофильными эмульгаторами. Исследования показывают, что, за исключением добавления 0,4%, сложный эфир сахарозы-13 и моноглицериды полиглицерина в различной степени повышают устойчивость к плавлению в других контрольных точках. Эфир сахарозы-S1170 демонстрирует значительные изменения стабильности эмульсии в диапазоне добавок 0,6–1,0% с оптимальной стабильностью при 0,8%.

Недавние исследования показали, что эфир сахарозы S1670 (более гидрофильный) уменьшает частичное слипание жира и ускоряет процесс плавления мороженого, резко контрастируя с действием липофильных моноглицеридов. Это указывает на то, что путем выбора сложных эфиров сахарозы с различными значениями ГЛБ можно «индивидуализировать» твердость и характеристики плавления мороженого.

3 серии Tween 80 и эфиров сорбитана

Твин 80 (Полисорбат 80, HLB=15) и сложные эфиры сорбитана (Span, HLB≈4-5) — еще одна часто используемая пара эмульгаторов.

Твин 80 — сильно гидрофильный эмульгатор, который эффективно стабилизирует масло-в-водных эмульсиях. В мороженом он способствует равномерному диспергированию жира, не позволяя продукту приобретать «маслянистую» текстуру. Однако по сравнению с моноглицеридами Tween 80 приводит к меньшему биению и худшему сопротивлению плавлению. Кроме того, недавние исследования вызвали обеспокоенность по поводу воздействия Tween 80 на здоровье кишечника; В соответствии с тенденцией к «чистой этикетке» некоторые производители стремятся сократить ее использование.

Сорбитановые эфиры(такие как Span 60, Span 80) представляют собой сильно липофильные эмульгаторы, подходящие для воды-в-масляных системах. В мороженом они придают структуру и улучшают консистенцию продукта. Однако на практике сложные эфиры сорбитана часто комбинируют с твинами, чтобы сбалансировать гидрофильные-липофильные свойства и добиться лучшей стабильности продукта. Span 60 в сочетании с Tween 60 представляет собой классическую компаундирующую пару.

4 последних научных достижения: применение диацилглицеринов

В недавнем исследовании, опубликованном в 2024 году, изучалась возможность применения диацилглицеринов, богатых лауриновой кислотой, в качестве липидных материалов для мороженого. Исследование показало, что диацилглицерины, полученные из кокосового масла и пальмоядрового стеарина, демонстрируют превосходную способность к образованию сети кристаллизации жира, а твердость более чем в 1,4 раза выше, чем у традиционных масел и жиров. В исследовании дополнительно изучалось влияние моностеарата глицерина, эфира сахарозы S1170 и S1670 на характеристики диацилглицеринового мороженого:

• Липофильные моноглицериды: Способствует межфазному зародышеобразованию, повышает степень частичной коалесценции и жесткость эмульсии.
• S1670 (гидрофильный эфир сахарозы): Уменьшение частичной коалесценции, ускорение процесса плавления.

Это исследование предлагает новые варианты липидных материалов для разработки -устойчивого к плавлению мороженого с индивидуально подобранной твердостью и поведением при плавлении.

1. Необходимость начисления процентов

В практическом применении один эмульгатор часто не может одновременно удовлетворить все требования. Соединение различных эмульгаторов может дать синергетический эффект, достигая лучших результатов, чем использование любого отдельного эмульгатора. К преимуществам компаундирования относятся:

• Точный контроль значения ГЛБ: Путем смешивания эмульгаторов с высоким-ГЛБ и низким-ГЛБ в пропорциях можно достичь идеального значения ГЛБ, необходимого для целевой масляной фазы.
• Дополнительные эффекты мульти-механизма: Различные эмульгаторы обладают сильными свойствами, способствующими коалесценции жира, стабилизации пузырьков и влиянию на рост кристаллов льда.
• Оптимизация затрат: Разумное составление рецептуры может снизить общие затраты, обеспечивая при этом эффективность.

2 классические комбинации рецептур

Моноглицериды в сочетании с эфирами сахарозы: Моноглицериды (с низким содержанием ГЛБ) способствуют частичному слипанию жиров с образованием сетчатых структур; эфиры сахарозы (высокий ГЛБ) обеспечивают стабильность эмульсии и улучшают распределение воды. Их комбинация может одновременно оптимизировать стабильность жировой сети и водной фазы.

Эфиры сорбитана в сочетании с Tweens: Это классическая пара эмульгаторов. Span 60 (низкий HLB), смешанный с Tween 60 (высокий HLB) в различных пропорциях, может охватывать широкий диапазон значений HLB, адаптируясь к различным требованиям масляной фазы. В мороженом эта рецептура уравновешивает консистенцию продукта и стабильность эмульсии.

Моноглицериды в сочетании с каррагинаном/гуаровой камедью: Не менее важно смешивать эмульгаторы со стабилизаторами. Исследования показывают, что при использовании моноглицеридов в качестве эмульгатора в сочетании с каррагинаном и гуаровой камедью (общее содержание стабилизатора 0,25%, каррагинан:гуаровая камедь=1:1,5) вязкость смеси для мороженого может достигать 1036,5 сП с наивысшими сенсорными показателями.

3 Оптимизация дополнительных уровней

Исследования показывают, что влияние эмульгаторов на качество мороженого не является просто линейным. Если взять в качестве примера моноглицериды, то они демонстрируют оптимальную устойчивость к плавлению при добавке 0,4%. Эфир сахарозы-S1170 демонстрирует наилучшую стабильность эмульсии при 0,8%. Это говорит о том, что разработчикам рецептур необходимо определять оптимальные уровни добавления посредством экспериментов для конкретных продуктов и условий использования.

Эмульгаторы эффективно предотвращают образование крупных кристаллов льда и обеспечивают нежную, гладкую текстуру мороженого посредством нескольких механизмов: способствуют частичному слипанию жира с образованием трехмерных сетчатых структур, уменьшают межфазное натяжение для улучшения распределения воды, взаимодействуют с белками для укрепления межфазных пленок и регулируют кинетику роста кристаллов льда.

Различные эмульгаторы демонстрируют разную эффективность в ингибировании образования кристаллов льда и улучшении качества мороженого из-за различий в значениях ГЛБ и молекулярных структурах:

• Молекулярно-дистиллированные моноглицериды(HLB=3.8) превосходно способствует образованию жировых сетей, повышает устойчивость к вздутию и плавлению
• Серия эфиров сахарозыможет «подгонять» твердость мороженого и поведение при его плавлении, выбирая продукты с разными значениями ГЛБ.
• Твин 80(HLB=15) обладает сильной эмульгирующей способностью, но более низкой устойчивостью к вздутию и плавлению по сравнению с моноглицеридами.
• Сорбитановые эфиры(HLB≈4-5) часто комбинируются с Tweens, чтобы сбалансировать производительность продукта.

В будущем, с ростом потребительского спроса на продукцию с чистой-маркировкой, разработка высокоэффективных-эмульгаторов из природного-источника- стала горячей точкой исследований. Между тем, достижение синергетического эффекта эмульгаторов за счет технологии компаундирования и точной оптимизации уровней добавления останется важным направлением улучшения качества мороженого.