Avance en la resistencia al derretimiento del helado-: control del sistema y estabilidad de la espuma mediante mezcla ternaria PGMS, PGE y DMG

El rápido derretimiento del helado tras la interrupción de la cadena de frío es un desafío técnico de larga data que enfrenta la industria, particularmente grave en regiones cálidas y escenarios de logística de comercio electrónico-. Este estudio investiga sistemáticamente los mecanismos reguladores sinérgicos de una mezcla de emulsionantes ternarios que comprende monoestearato de propilenglicol (PGMS), ésteres de poliglicerol (PGE) y monoglicéridos destilados (DMG) sobre la resistencia al derretimiento-del helado y la estabilidad de la espuma. Los resultados demuestran que con una relación de masa de PGMS:PGE:DMG de 5:3:2 y un nivel de adición total de 0,35 %, el sistema exhibe un rendimiento óptimo: el tiempo de fusión del 50 % se extiende de 38 min (control) a 67 min, el exceso alcanza el 92 % ± 3 % y las puntuaciones de evaluación sensorial son las más altas entre todos los grupos. Este trabajo aclara los mecanismos de regulación microestructural desde tres perspectivas: -la resistencia de la película interfacial, la tasa de coalescencia parcial de la grasa y la inhibición de la recristalización del hielo-, proporcionando fundamentos teóricos y pautas prácticas para el diseño de formulación de helado industrial-resistente al derretimiento.

Palabras clave:Resistencia al derretimiento del helado-; PGM; Ésteres de poliglicerol; Monoglicéridos destilados; Mezcla ternaria; Estabilidad de la espuma

El helado es un sistema complejo de múltiples-fases compuesto por glóbulos de grasa, cristales de hielo, burbujas de aire y una matriz de solución de azúcar. Su estabilidad estructural es muy susceptible a las fluctuaciones de temperatura. Una vez que se interrumpe la cadena de frío, el crecimiento de los cristales de hielo se acelera, las burbujas de aire se fusionan y los glóbulos de grasa se agregan, lo que en última instancia conduce al colapso del producto y al deterioro sensorial. La industria mundial del helado sufre cientos de millones de dólares en pérdidas económicas anuales debido a problemas de calidad relacionados con el derretimiento. Por lo tanto, el desarrollo de formulaciones de helado con una resistencia superior a la fusión-se ha convertido en una preocupación compartida tanto para el mundo académico como para la industria.

Los emulsionantes desempeñan múltiples funciones críticas en los sistemas de helados: reducir la tensión interfacial del agua-aceite para facilitar la emulsificación de la grasa, inducir la coalescencia parcial de la grasa durante la etapa de envejecimiento para construir una red tridimensional-que soporte las burbujas de aire y estabilizar la interfaz del gas-líquido durante la congelación y el batido. Sin embargo, los emulsionantes individuales a menudo tienen dificultades para satisfacer simultáneamente los requisitos triples de -resistencia al derretimiento, exceso y sensación en la boca.-DMG ofrece un buen espesamiento pero una estabilidad de la espuma insuficiente; PGMS proporciona excelentes propiedades aireantes pero mejora limitada la resistencia al derretimiento-; PGE imparte flexibilidad a la película interfacial pero es difícil controlar con precisión la coalescencia parcial cuando se usa solo.

Con base en estas consideraciones, este estudio propone una estrategia de mezcla ternaria que involucra PGMS/PGE/DMG, con el objetivo de aprovechar los efectos sinérgicos de emulsionantes con diferentes estructuras moleculares y valores de HLB para construir una película interfacial que posea rigidez y flexibilidad, mejorando así simultáneamente la estabilidad de la espuma y la resistencia al derretimiento-del helado.

1 Materiales

PGMS (monoestearato de propilenglicol, HLB≈3,5, pureza superior o igual al 95%), PGE (ésteres de ácidos grasos de poliglicerol, HLB≈6,0, grado de polimerización 3-5) y DMG (monoglicéridos destilados, HLB≈3,8, contenido de monoéster superior o igual al 90%) eran todos de calidad alimentaria-, comercialmente. de origen. La leche desnatada en polvo (contenido de proteína 34%), la grasa láctea anhidra (contenido de grasa láctea 99,9%), la sacarosa, los sólidos del jarabe de maíz (DE 42), la goma guar, el carragenano y la celulosa microcristalina eran todos ingredientes de calidad alimentaria.

2 Formulación y Procesamiento

La formulación de helado base comprendía: grasa láctea 8,0 %, sólidos lácteos sin grasa 10,5 %, sacarosa 12,0 %, sólidos de jarabe de maíz 4,0 % y sólidos totales 36,5 %. El nivel total de adición de emulsionante se fijó en 0,35 % (p/p de la mezcla total), con relaciones de mezcla ternarias diseñadas como se muestra en la Tabla 1. Una mezcla de estabilizador (goma guar 0,12 %, carragenano 0,02 %, celulosa microcristalina 0,15 %) se mantuvo constante en todos los grupos.

Pasos de procesamiento: mezcla de ingredientes → agitación a 60 grados durante 30 minutos → homogeneización (65 grados, primera etapa 15 MPa / segunda etapa 3 MPa) → pasteurización (80 grados, 30 s) → enfriamiento rápido a 4 grados → envejecimiento (4 grados, 4 h, agitación a baja velocidad) → congelación y batido en congelador continuo (temperatura de salida -5,5 grados )→relleno→endurecimiento en túnel de voladura (-40 grados, 30 min)→almacenamiento a -18 grados.

Tabla 1 Diseño experimental para mezclas de emulsionantes ternarios

3 métodos analíticos

Prueba de resistencia-a la fusión:Se colocaron muestras de helado endurecido (-18 grados, 100 ml de forma cilíndrica) sobre una rejilla metálica (malla de 2 mm) dentro de una cámara de temperatura constante-a 25 grados ±0,5 grados. Se registraron el tiempo del primer goteo y el tiempo de fusión en masa del 50%. La relación de resistencia a la fusión se definió como el 50% del tiempo de fusión dividido por el del control.

Medición de exceso:Se pesó la masa de un volumen fijo de helado antes y después de la congelación. Exceso (%)=(masa antes de congelar - masa después de congelar) / masa después de congelar × 100%.

Tasa de coalescencia parcial de grasa:Determinado mediante extracción con disolventes-espectrofotometría UV. Tasa de coalescencia parcial=contenido de grasa libre/contenido de grasa total × 100%.

Estabilidad de la espuma:La mezcla de helado derretido se volvió a batir-y el tiempo necesario para una reducción del 50 % en el volumen de espuma se registró como la vida media-de la espuma.

Evaluación sensorial:Un panel de 12 evaluadores capacitados evaluó la sensación de fusión-en boca, la suavidad, la cremosidad, la sensación de frescor y la aceptabilidad general utilizando una escala hedónica de 9 puntos.

1 Efecto de la proporción de mezcla sobre la resistencia-a la fusión

La Figura 1 muestra el comportamiento de fusión del helado bajo diferentes proporciones de emulsionante. El control T0 (PGMS solo) exhibió un tiempo de fusión del 50 % de 38 min y un primer tiempo de goteo de 22 min. Entre los grupos de mezcla ternaria, T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) demostró el mejor rendimiento, con el tiempo de fusión del 50 % ampliado a 67 min-una mejora del 76,3 % con respecto al control-y el primer tiempo de goteo retrasado a 41 min.

Tabla 2 Resistencia a la fusión-y parámetros estructurales de muestras de helado

Cuando el contenido de DMG era demasiado bajo (T1), la película interfacial carecía de rigidez suficiente, la tasa de coalescencia parcial era subóptima (55%), la estructura de la red de espuma permanecía suelta y la fusión se producía relativamente rápido. Por el contrario, cuando el contenido de DMG era excesivamente alto (T5), los glóbulos de grasa se agregaban en grandes grupos de grasa que alteraban la uniformidad de la espuma, provocando que el exceso cayera al 72 % y la resistencia-a la fusión se deteriorara drásticamente. Esto indica la existencia de una ventana DMG óptima dentro del sistema de mezcla ternaria.-Se necesita suficiente grasa cristalina para construir el esqueleto de la red, pero se debe evitar la agregación excesiva para preservar la integridad de la burbuja.

2 Mecanismos de Regulación Interfacial de la Mezcla Ternaria

La resistencia mejorada a la fusión-conferida por la mezcla ternaria PGMS/PGE/DMG surge de mecanismos sinérgicos que operan en tres niveles:

Nivel de película interfacial:DMG proporciona una capa interfacial de grasa cristalina rígida que sirve como nodos y estructura de la red de espuma; PGE, con su valor HLB relativamente alto y su excelente flexibilidad interfacial, forma una película elástica en la interfaz gas-líquido, lo que mejora la resistencia de la burbuja a la deformación; PGMS ocupa un papel intermedio, capaz de co-cristalizar con DMG para reforzar la fuerza de la red y al mismo tiempo reducir conjuntamente la tensión interfacial con PGE para facilitar la generación de finas burbujas de aire.

Regulación de coalescencia parcial:La coalescencia parcial de la grasa es crucial para la formación de la estructura de la espuma del helado. Cuando la tasa de coalescencia parcial es demasiado baja (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%), los grupos de grasa inducen la coalescencia de las burbujas y el colapso estructural. La tasa de coalescencia parcial del 68 % del grupo T3 cae precisamente dentro de la ventana óptima informada en la literatura (60-75 %), lo que garantiza la continuidad de la red y al mismo tiempo evita el riesgo de colapso asociado con una agregación excesiva.

Inhibición de cristales de hielo:La película interfacial y la red de grasa formada por la mezcla de emulsionantes ternarios actúan como barreras físicas, retardando la maduración de los cristales de hielo según Ostwald. Después de 30 días de almacenamiento a -18 grados, el diámetro medio de los cristales de hielo en el grupo T3 fue de 32 μm, significativamente menor que los 48 μm observados en el control-, lo que explica aún más la base microestructural de su excelente resistencia al derretimiento.

Tres vías para mejorar la estabilidad de la espuma

La estabilidad de la espuma determina la capacidad de retención de forma del helado durante el proceso de fusión. El grupo T3 exhibió una vida media-de la espuma de 34 minutos, aproximadamente 1,9 veces mayor que la del control. La adsorción elástica de PGE en la interfaz gas-líquido constituye el principal contribuyente a una mayor estabilidad de la espuma.-Sus múltiples grupos de cabeza hidroxilo hidrófilos forman redes de enlaces de hidrógeno con moléculas de agua, lo que aumenta el espesor de la capa de hidratación de la película interfacial. Al mismo tiempo, la red de grasa construida por DMG y PGMS proporciona soporte físico a las burbujas de aire, lo que dificulta el drenaje de la película líquida entre las burbujas e inhibe la coalescencia de las burbujas.

4 Validación de la evaluación sensorial

Tabla 3 Puntuaciones sensoriales de muestras de helado (escala de 9 puntos)

El grupo T3 obtuvo puntuaciones significativamente más altas que los grupos control y T5 en sensación de fusión en boca y suavidad, lo que valida la influencia decisiva de una tasa de coalescencia parcial adecuada en la finura de la textura.

Según los hallazgos de este estudio, se recomienda a los fabricantes de helados que adopten el sistema de mezcla ternaria PGMS/PGE/DMG operar dentro de la siguiente ventana de formulación: nivel total de adición de emulsionante de 0,30-0,40%, con un rango de relación de masa de PGMS:PGE:DMG de 4,5-5,5:2,5-3,5:1,8-2,2. El ajuste fino dentro de este rango se puede realizar según el contenido de grasa, el contenido de sólidos lácteos descremados y el tipo de producto.

Las direcciones de investigación futuras pueden incluir investigar el rendimiento de este sistema de mezcla ternario en aplicaciones de helados a base de plantas-, así como la influencia de diferentes composiciones de ácidos grasos (proporciones saturadas/insaturadas) en las propiedades de la película interfacial mezclada.