Модифікація поверхні сухого незбираного молока преміум-класу: використання низької в'язкості ACETEM і високої гідрофільності PGE на поверхні частинок порошку

Сухе незбиране молоко довгий час було технічною проблемою миттєвого розчинення, особливо в холодній воді, через високий вміст жиру та виражену гідрофобність поверхні. Незважаючи на те, що звичайний процес розпилення лецитину був індустріалізований десятиліттями, він все ще не досягає швидкості змочування, стабільності при зберіганні та збереження смаку. У цьому документі пропонується нова стратегія модифікації поверхні, заснована на синергічній комбінації ACETEM (ацетильованих моно- і дигліцеридів жирних кислот, E472a) і PGE (полігліцеринових ефірів жирних кислот, E475). Низьке значення ГЛБ (2–3) і характеристики -подібної до рідини низької{9}}в’язкості ACETEM дозволяють йому ефективно проникати та змочувати шар вільного жиру на поверхні частинок сухого молока, таким чином створюючи первинну гідрофобну афінну поверхню. У той же час широкий -діапазон значень HLB (3–13) і висока гідрофільність PGE створюють необхідні гідрофільні канали на поверхні частинок, що дозволяє воді швидко проникати в пористу структуру агломератів. Порівняно з традиційним процесом розпилення лецитину система градієнтного покриття ACETEM/PGE демонструє значні переваги щодо часу змочування в холодній воді (8–10 градусів), здатності до диспергування та -захисту від окислення протягом терміну зберігання, з повною відповідністю стандартам Європейського Союзу та міжнародним стандартам харчових добавок. Ця стаття забезпечує систематичну демонстрацію як механізмів міжфазної хімії, так і точки зору реалізації процесу, пропонуючи новий технічний шлях для покращення інстантізації сухого цільного молока преміум-класу.

Сухе незбиране молоко – це порошкоподібний молочний продукт, виготовлений зі свіжого коров’ячого молока шляхом стандартизації, пастеризації, концентрації та розпилювальної сушки. На відміну від сухого знежиреного молока, незбиране сухе молоко зберігає природний смак молочного жиру та жиророзчинних поживних речовин, що робить його широко затребуваним у дитячих сумішах преміум-класу, поживних порошках для дорослих, кавових вершках і пекарських преміксах.

Однак вміст жиру в сухому незбираному молоці зазвичай перевищує 26–28 %, а під час сушіння розпиленням і подальшої обробки приблизно 0,5–3 % вільного жиру мігрує на поверхню частинок, утворюючи покриття на гранулах сухого молока. Цей шар вільного жиру демонструє сильну гідрофобність, що ускладнює проникнення молекул води на поверхню та проникнення всередину частинок, тим самим серйозно погіршуючи змочуваність і здатність до диспергування порошку. Кут контакту води з незбираним сухим молоком зазвичай становить близько 50 градусів, а в деяких випадках перевищує 90 градусів, тоді проникнення води практично повністю перешкоджає. Ця поверхнева гідрофобна характеристика є основною причиною труднощів відновлення сухого цільного молока в холодній воді.

Щоб вирішити цю проблему, з 1960-х років промисловість широко запровадила процес розпилення агломерації з лецитином, у якому розчин лецитину в рослинній олії розпилюють на частинки агломерованого сухого молока в псевдозрідженому шарі після сушіння розпиленням. Дослідження показали, що розпилення лецитину може скоротити час змочування сухого знежиреного молока з понад 300 секунд до приблизно 8,9 секунд, що є значним покращенням. Незважаючи на це, сам лецитин має ряд властивих обмежень, у тому числі високий вміст поліненасичених жирних кислот (приблизно 50–60% лінолевої кислоти в комерційному соєвому лецитині), сприйнятливість до окислення, що призводить до появи неприємних-присмаків, і обмежену термостабільність-недоліки, які стають дедалі очевиднішими під час тривалого використання. вимоги до -терміну придатності продуктів преміум-класу.

В останні роки швидкий розвиток синтетичних не-іонних емульгаторів забезпечив нові інструменти для модифікації поверхні молочних порошків. Серед них ACETEM (ацетильовані моно- і дигліцериди жирних кислот) і PGE (полігліцеринові ефіри жирних кислот) з їхньою комплементарною молекулярною структурою, диференційованими значеннями HLB і регульованою поверхневою активністю демонструють значний потенціал як часткова або повна альтернатива традиційному лецитину. Ця стаття має на меті систематичний аналіз міжфазної поведінки цих двох емульгаторів, дослідження фізико-хімічних механізмів, що лежать в основі їхньої синергічної дії на поверхні частинок незбираного сухого молока, і надання довідкових рекомендацій для оптимізації промислових рецептур.

1 Склад поверхні частинок і механізм змочування

Змочуваність частинок сухого молока визначається двома факторами: складом поверхні та мікроструктурою. З точки зору складу поверхні, під час процесу розпилювального сушіння на поверхні частинок утворюється виражений градієнт композиції внаслідок дифузійної міграції розчинених речовин усередині краплі та диференціальної активності поверхні-гідрофобний молочний жир і вільні жирні кислоти мають тенденцію накопичуватися у зовнішньому шарі частинок, тоді як гідрофільна лактоза та білки інкапсульовані всередині. Цей композиційний розподіл «гідрофобний зовнішній вигляд, гідрофільний внутрішній» призводить до того, що кут контакту з водою частинок сухого цільного молока є значно більшим, ніж у сухого знежиреного молока (приблизно 20 градусів), що безпосередньо перешкоджає проникненню води. З точки зору мікроструктури, звичайні частки-сухого розпилювального сухого молока дрібні (D90, як правило, у десятки мікрометрів), з вузькими проміжками; навіть якщо воді вдається пробитися крізь поверхню, вона легко блокується капілярними ефектами між дрібними частинками, що призводить до утворення грудок, що характеризується «мокрим зовнішнім виглядом, сухим внутрішнім».

Таким чином, досягнення миттєвого розчинення сухого незбираного молока вимагає одночасного вирішення двох аспектів: зміни хімічного складу поверхні частинок для зменшення її гідрофобності та збільшення розміру частинок під час створення пористої структури для забезпечення каналів для проникнення води.

2 Переваги та обмеження звичайного процесу розпилення лецитину

Розпилення лецитину являє собою найбільш зрілу технологію модифікації поверхні в сучасній промисловій практиці. Механізм його дії можна описати таким чином: гідрофільні групи молекул лецитину (четвертинна амонієва головна група фосфатидилхоліну) закріплюються на зовнішній стороні поверхні частинок, тоді як гідрофобні хвостові ланцюги вбудовуються у вільний жировий шар, утворюючи таким чином гідрофільну міжфазну плівку, яка зменшує кут контакту від понад 50 градусів до майже нуля.

Однак процес розпилення лецитину має кілька властивих обмежень, які важко{0}}подолати-. По-перше, приблизно 50–60% жирних кислот у комерційному соєвому лецитині становить лінолева кислота (C18:2), високополіненасичена жирна кислота, яка легко піддається автоокисленню під час зберігання, утворюючи «бібоподібний» або «фарбовий»-присмак-. Ризик присмаку стає значним протягом 12–24-місячного терміну зберігання сухого цільного молока. По-друге, лецитин є термічно чутливим і може зазнати часткової деградації в умовах підвищеної температури розпилення в киплячому шарі. По-третє, гідрофільний шар, утворений після розпилення лецитину, є моно- або олігомолекулярною плівкою, яка чутлива до від’єднання через стирання під час транспортування вібрації та тривалого -зберігання, що призводить до ослаблення змочуваності. Ці обмеження забезпечують чітке технологічне вікно для впровадження нових синтетичних емульгаторів.

1 ACETEM: Гідрофобний модифікатор поверхні з низькою-в’язкістю

ACETEM (ацетильовані моно- та дигліцериди жирних кислот, E472a) — не-іонний емульгатор, отриманий шляхом ацетилювання моно- та дигліцеридів жирних кислот оцтовим ангідридом. Він виглядає як молочно-білий порошок або тверда речовина з пластівцями з температурою плавлення від 25 до 40 градусів залежно від ступеня ацетилювання, значенням ГЛБ 2–3 і класифікацією як емульгатор вода-в-олії (W/O). Він нерозчинний у холодній воді, гарячій воді та холодних оліях, але розчинний у гарячих оліях.

Найвидатнішою фізичною характеристикою ACETEM є його здатність значно зменшувати в’язкість жиро{0}}систем. Введення ацетильних груп змінює поведінку кристалізації молекули гліцериду-не-ацетильовані моногліцериди є твердими та воскоподібними за температури навколишнього середовища, тоді як ACETEM зі збільшенням ступеня ацетилювання демонструє знижену температуру плавлення та може існувати у рідкому або напів-твердому стані за кімнатної температури. Функція-зменшення в’язкості ACETEM була перевірена промисловістю в таких сферах застосування, як карамель і шоколад, де він «зменшує в’язкість і забезпечує рівномірний розподіл жиру». У кавових і не-молочних вершках ACETEM «сприяє рівномірному розподілу жиру, підвищує стабільність емульсії та сприяє білому, гладкому відчуттю в роті».

У контексті модифікації поверхні сухого молока низька-в’язкість ACETEM, подібна до рідини, забезпечує ефективне розподілення по шару вільного жиру на поверхні частинок. На відміну від твердих воскоподібних звичайних моногліцеридів, рідкий ACETEM при температурах розпилення має чудову текучість, що дозволяє йому швидко проникати в нерівні тріщини та пори на поверхні частинок, утворюючи рівномірну гідрофобну міжфазну плівку. Хоча ця міжфазна плівка сама є гідрофобною, її критична функція полягає в тому, щобзапечатайте відкриті ділянки вільного жиру, запобігаючи «проковтування» наступного гідрофільного покриття (PGE) і його неефективність підлягаючим гідрофобним жировим шаром. Це можна концептуалізувати як «міжфазну ґрунтовку»-, що створює стабільний стан поверхні для міцного закріплення гідрофільного шару.

2 PGE: Гідрофільний модифікатор поверхні з регульованим значенням HLB

PGE (естери полігліцерину жирних кислот, E475) — це не-іоногенна поверхнево-активна речовина, отримана етерифікацією полігліцерину з різним ступенем полімеризації та природних жирних кислот. Він виглядає як блідо-жовтий порошок або гранульована тверда речовина, добре розчиняється в оліях, жирах і органічних розчинниках, таких як етанол, і може диспергуватися в гарячій воді. PGE характеризується чудовою стійкістю до високих-температур і кислотостійкістю.

Основна перевага PGE полягає в йогорегульована гідрофільність. By varying the℃of polymerization of the polyglycerol moiety (from diglycerol to decaglycerol) and the type and℃of substitution of fatty acids, the HLB value of PGE can be precisely adjusted across a broad range of 3 to 13, with hydrophilicity and lipophilicity changing markedly depending on these structural parameters. Among them, PGE products with higher HLB values (>10) підпадають під категорію «гідрофільних моногліцеридів», що володіють сильною емульгуючою здатністю та чудовою міжфазною активністю. У літературі було добре задокументовано, що «при додаванні до молочних продуктів [PGE] може підвищити їх миттєву розчинність».

Гідрофільність PGE походить від його множинних ефірних зв’язків (C-O-C) і кінцевих гідроксильних груп (-OH) у головній групі полігліцерину, які здатні утворювати розгалужену мережу водневих зв’язків із молекулами води, таким чином створюючи сильно гідратований міжфазний шар на поверхні частинки. Коли молекули PGE через свої гідрофобні хвостові ланцюги закріплюються на попередньо обробленому жировому шарі ACETEM-, а головні групи полігліцерину розширюються назовні, на частинки сухого молока накидається «гідрофільний верхній одяг». Така структурна конструкція дозволяє молекулам води під час контакту з частинкою швидко проникати в гідрофільний шар PGE і швидко дифундувати всередину частинки через гладкий інтерфейс із ґрунтовкою ACETEM-.

3 Синергічний механізм модифікації поверхні дво-компонентної системи

Міжфазна хімічна комплементарність між ACETEM і PGE виникає через їх виразні відмінності у фізичних властивостях:

Синергічний механізм обох можна описати як aградієнтне покриттяпроцес. По-перше, рідкий ACETEM завдяки своїй низькій в’язкості та сильній спорідненості з жирами та оліями рівномірно розподіляється по поверхні частинок, змочуючи та частково запечатуючи гідрофобні ділянки вільного жиру, утворюючи первинний «вирівнюючий міжфазний шар». Функція цього шару полягає в усуненні мікроскопічних нерівностей на поверхні жиру, створюючи сприятливі умови для рівномірного покриття наступним гідрофільним покриттям. Згодом молекули PGE закріплюються через гідрофобну взаємодію між їхніми хвостовими ланцюгами та шаром ACETEM, при цьому гідрофільні головні групи полігліцерину орієнтуються назовні, утворюючи вторинний «гідрофільний зовнішній шар». Ця градієнтна структура «гідрофобна внутрішня частина, гідрофільна зовнішність» повністю використовує вміст ліпідів, властивих частинкам сухого молока, як фіксуючу матрицю, водночас уникаючи проблеми нерівномірного покриття, яке може виникнути, коли гідрофільні емульгатори розпилюються безпосередньо на поверхню, що відторгає жир.

З точки зору здатності до диспергування та миттєвої розчинності, характеристика низької-в’язкості ACETEM може сприяти помірному зчепленню між-частинками під час процесу агломерації, сприяючи формуванню більш стабільної пористої структури агломерату. Численні капілярні канали всередині пористих агломератів є важливими для досягнення швидкого відновлення, а «помірна липкість», яку забезпечує ACETEM, точно підвищує механічну міцність агломератів, не викликаючи надмірного злипання. Сильна гідрофільність PGE, у свою чергу, гарантує, що коли вода вступає в контакт з поверхнею частинок, вона швидко ковзає вздовж гідрофільного шару у внутрішні пори агломерату, завершуючи зволоження та занурюючись за лічені секунди.

1 Проектування процесу розпилення

ACETEM/PGE двокомпонентний-процес розпилення модифікації поверхні може бути реалізований на існуючих системах киплячого шару ліній виробництва незбираного сухого молока без потреби у-масштабних модифікаціях обладнання. Рекомендований технологічний процес виглядає наступним чином: висушене розпиленням сухе молоко надходить у киплячий шар першого{4}}ступеню для агломерації та гранулювання; потім він переходить до псевдозрідженого шару другого{5}}покриття, де змішаний розчин емульгатора ACETEM і PGE (розчинений у харчовій-рослинній олії, такій як MCT або високо-олеїнова соняшникова олія, у загальній концентрації 10%–20%) рівномірно розпилюється на поверхню частинок через подвійну-форсунку для рідини. Температура розпилення контролюється в діапазоні 50–65 градусів, що зберігає низьку-в’язкість, рідку-текучість ACETEM, одночасно забезпечуючи адекватне розчинення та дисперсію PGE.

2 Еталонний склад і очікуване дозування

Базуючись на міжфазних синергічних механізмах ACETEM і PGE і переважаючих стандартах використання харчових добавок, рекомендована еталонна доза така (у відсотках від загальної маси сухої речовини сухого молока):

Цей діапазон дозування загалом порівнянний із стандартним процесом розпилення лецитину (0,2%–0,3%), завдяки чому досягається функціональне покращення в межах керованих витрат. Відповідно до китайського стандарту GB 2760, максимально дозволений рівень використання PGE у модифікованому сухому молоці та модифікованих сухих вершках становить 10,0 г/кг; ACETEM можна використовувати відповідно до належної виробничої практики (GMP), таким чином повністю задовольняючи нормативні вимоги. Жирні кислоти, які використовуються в комбінації ACETEM/PGE, є переважно насиченими (стеаринова кислота) або мають низьку ненасиченість, що забезпечує чудову стійкість до окиснення порівняно з високополіненасиченими жирними кислотами-соєвим лецитином, таким чином значно знижуючи ризик окислення жиру в незбираному сухому молоці протягом 12–24 місяців зберігання.

3 Очікувані показники ефективності

Варто відзначити, що досягнення швидкого змочування і диспергування всуміші з льодом-водою при 8–10 градстановить ключову технічну вимогу для продуктів швидкого приготування розчинних напоїв преміум-класу, таких як розчинні білкові коктейлі з холодною-водою та поживні порошки для спортивних занять на відкритому повітрі. Продукти з розпиленням-лецитину виявляють помітно знижену поверхневу активність за низьких температур, тоді як очікується, що комбінація ACETEM/PGE, використовуючи стійкість PGE до низьких{3}}температур і здатність ACETEM до -вирівнювання-температури-низького-плавлення, зберігатиме чудові показники змочування за{-температурних умов.

У цьому документі систематично проаналізовано синергетичні механізми та потенціал застосування ACETEM і PGE для покращення інстантізації сухого цільного молока. Дослідження демонструє, що стратегія градієнтного покриття може ефективно подолати функціональні обмеження традиційних процесів розпилення-емульгатора: ACETEM використовує свою низьку в’язкість і чудову здатність до розтікання для створення однорідного первинного міжфазного шару, ущільнюючи гідрофобні ділянки вільного жиру; PGE, покладаючись на свою регульовану високу гідрофільність, створює зовнішній канал гідратації, надаючи поверхні частинок чудову здатність змочувати холодною водою. Ця комбінація оновлює межфазний дизайн з «мономолекулярного гідрофільного шару» на «градієнтний функціональний інтерфейс» і, як очікується, досягне синергетичних покращень у низькі-температурі миттєвого розчинення, стабільності при зберіганні та захисту від окислення.

Майбутні напрямки досліджень можуть бути зосереджені на: (1) точному впливі різних ступенів ацетилювання ACETEM і ступенів полімеризації PGE на кінетику змочування, встановлення кількісної моделі взаємозв’язку «структура–властивість»; (2) оцінка застосовності цієї комбінованої системи в інстантізації рослинних-альтернатив сухого молока (наприклад, сухого вівсяного молока, сухого кокосового молока); (3) інтеграція технології модифікації поверхні ACETEM/PGE з інкапсуляцією та вивільненням жиророзчинних мікроелементів (вітамінів A, D, E) для розробки продуктів з незбираним сухим молоком із подвійною-функцією, здатних до «миттєвого розчинення + доставки поживних речовин». Оскільки світовий ринок сухого молока преміум-класу все більше потребує миттєвої розчинності в холодній-воді та чистих-маркувань, стратегії сумішей синтетичних емульгаторів, засновані на точному дизайні межі фаз, матимуть широкі перспективи застосування.