Abstrak
Pencairan es krim yang cepat akibat gangguan rantai dingin merupakan tantangan teknis yang sudah lama dihadapi industri ini, terutama di wilayah panas dan skenario logistik e-commerce. Studi ini secara sistematis menyelidiki mekanisme pengaturan sinergis dari campuran pengemulsi terner yang terdiri dari propilen glikol monostearat (PGMS), ester poligliserol (PGE), dan monogliserida sulingan (DMG) pada ketahanan lelehan es krim dan stabilitas busa. Hasilnya menunjukkan bahwa pada rasio massa PGMS:PGE:DMG 5:3:2 dan tingkat penambahan total 0,35%, sistem menunjukkan kinerja optimal: waktu kehancuran 50% berkisar dari 38 menit (kontrol) hingga 67 menit, overrun mencapai 92%±3%, dan skor evaluasi sensorik adalah yang tertinggi di antara semua kelompok. Karya ini menjelaskan mekanisme regulasi mikrostruktur dari tiga perspektif-kekuatan film antarmuka, laju penggabungan parsial lemak, dan penghambatan rekristalisasi es-yang memberikan landasan teoritis dan pedoman praktis untuk desain formulasi es krim tahan leleh industri.
Kata kunci:ketahanan leleh es krim-; PGMS; Ester poligliserol; Monogliserida sulingan; Pencampuran terner; Stabilitas busa
Perkenalan
Es krim adalah sistem multi-fase kompleks yang terdiri dari butiran lemak, kristal es, gelembung udara, dan matriks larutan gula. Stabilitas strukturalnya sangat rentan terhadap fluktuasi suhu. Ketika rantai dingin terputus, pertumbuhan kristal es semakin cepat, gelembung udara menyatu, dan gumpalan lemak berkumpul, yang pada akhirnya menyebabkan keruntuhan produk dan kerusakan sensorik. Industri es krim global menderita kerugian ekonomi tahunan sebesar ratusan juta dolar karena masalah kualitas-yang terkait dengan pencairan. Mengembangkan formulasi es krim dengan ketahanan leleh yang unggul-telah menjadi perhatian bersama baik bagi akademisi maupun industri.
Pengemulsi memainkan beberapa peran penting dalam sistem es krim: mengurangi ketegangan antarmuka minyak-air untuk memfasilitasi emulsifikasi lemak, menginduksi penggabungan sebagian lemak selama tahap penuaan untuk membangun jaringan tiga-dimensi yang mendukung gelembung udara, dan menstabilkan antarmuka gas-cair selama pembekuan dan pencambukan. Namun, pengemulsi tunggal sering kali kesulitan memenuhi tiga persyaratan sekaligus, yaitu-ketahanan leleh, overrun, dan rasa di mulut-DMG menawarkan pengentalan yang baik namun stabilitas busa tidak memadai; PGMS memberikan sifat aerasi yang sangat baik namun peningkatan ketahanan-lelehan yang terbatas; PGE memberikan fleksibilitas film antar muka namun sulit untuk mengontrol penggabungan parsial secara tepat bila digunakan sendiri.
Berdasarkan pertimbangan ini, penelitian ini mengusulkan strategi pencampuran terner yang melibatkan PGMS/PGE/DMG, yang bertujuan untuk memanfaatkan efek sinergis pengemulsi dengan struktur molekul dan nilai HLB yang berbeda untuk membuat film antarmuka yang memiliki kekakuan dan fleksibilitas, sehingga secara bersamaan meningkatkan stabilitas busa dan ketahanan leleh-es krim.
Bahan dan Metode
1 Bahan
PGMS (propilen glikol monostearat, HLB≈3.5, kemurnian Lebih besar dari atau sama dengan 95%), PGE (ester asam lemak poligliserol, HLB≈6.0, derajat polimerisasi 3-5), dan DMG (monogliserida sulingan, HLB≈3.8, kandungan monoester Lebih besar dari atau sama dengan 90%) semuanya merupakan kelas makanan, secara komersial bersumber. Susu bubuk skim (kandungan protein 34%), lemak susu anhidrat (kandungan lemak susu 99,9%), sukrosa, padatan sirup jagung (DE 42), guar gum, karagenan, dan selulosa mikrokristalin semuanya merupakan bahan food grade.
2 Formulasi dan Pengolahan
Formulasi dasar es krim terdiri dari: lemak susu 8,0%, padatan susu non-lemak 10,5%, sukrosa 12,0%, padatan sirup jagung 4,0%, dan padatan total 36,5%. Tingkat penambahan pengemulsi total ditetapkan pada 0,35% (berat/berat campuran total), dengan rasio pencampuran terner yang dirancang seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Campuran penstabil (guar gum 0,12%, karagenan 0,02%, selulosa mikrokristalin 0,15%) dijaga konstan di semua kelompok.
Langkah-langkah pemrosesan: pencampuran bahan→pengadukan pada suhu 60 derajat selama 30 menit→homogenisasi (65 derajat, tahap pertama 15 MPa / tahap kedua 3 MPa)→pasteurisasi (80 derajat, 30 detik)→pendinginan cepat hingga 4 derajat →penuaan (4 derajat, 4 jam, pengadukan kecepatan rendah)→pembekuan dan pencambukan dalam freezer terus menerus (suhu saluran keluar -5,5 derajat )→pengisian→pengerasan di terowongan ledakan (-40 derajat, 30 menit)→penyimpanan pada -18 derajat.
Tabel 1 Desain Eksperimental untuk Campuran Pengemulsi Ternary
| Kelompok | PGMS (%) | PGE (%) | kerusakan (%) | Jumlah (%) |
|---|---|---|---|---|
| T0 (Kontrol) | 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 Metode Analisis
Uji ketahanan-lelehan:Sampel es krim yang mengeras (-bentuk silinder 18 derajat, 100 mL) ditempatkan pada kotak logam (jaring 2 mm) di dalam ruang bersuhu konstan-pada 25 derajat ±0,5 derajat . Waktu tetesan pertama dan waktu pelelehan massa 50% dicatat. Rasio ketahanan leleh didefinisikan sebagai waktu kehancuran 50% dibagi dengan waktu kontrol.
Pengukuran yang berlebihan:Massa es krim dengan volume tetap ditimbang sebelum dan sesudah pembekuan. Overrun (%)=(massa sebelum pembekuan - massa setelah pembekuan) / massa setelah pembekuan × 100%.
Tingkat penggabungan parsial lemak:Ditentukan dengan ekstraksi pelarut-Spektrofotometri UV. Laju penggabungan parsial=kandungan lemak bebas / kandungan lemak total × 100%.
Stabilitas busa:Campuran es krim yang meleleh dikocok kembali, dan waktu yang diperlukan untuk pengurangan volume busa sebesar 50% dicatat sebagai waktu paruh busa.
Evaluasi sensorik:Panel yang terdiri dari 12 penilai terlatih mengevaluasi-rasa lumer di mulut, kehalusan, kelembutan, sensasi sejuk, dan penerimaan secara keseluruhan menggunakan skala hedonis 9 poin.
Hasil dan Pembahasan
1 Pengaruh Rasio Pencampuran terhadap Resistensi Meleleh-
Gambar 1 menggambarkan perilaku peleburan es krim pada rasio pengemulsi yang berbeda. Kontrol T0 (PGMS saja) menunjukkan waktu leleh 50% dalam 38 menit dan waktu tetesan pertama dalam 22 menit. Di antara grup campuran terner, T3 (PGMS:PGE:DMG=5:3:2) menunjukkan performa terbaik, dengan waktu leleh 50% diperpanjang hingga 67 menit-peningkatan 76,3% dibandingkan kontrol-dan waktu tetesan pertama tertunda hingga 41 menit.
Tabel 2 Parameter Resistensi Meleleh-dan Struktur Sampel Es Krim
| Kelompok | 50% Kehancuran (menit) | Tetesan Pertama (menit) | Dibanjiri (%) | Penggabungan Sebagian (%) | Busa Setengah-Masa Pakai (mnt) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Ketika kandungan DMG terlalu rendah (T1), film antarmuka tidak memiliki kekakuan yang cukup, laju penggabungan parsial kurang optimal (55%), struktur jaringan busa tetap longgar, dan pencairan berlangsung relatif cepat. Sebaliknya, ketika kandungan DMG (T5) terlalu tinggi, butiran lemak berkumpul menjadi kelompok lemak besar yang mengganggu keseragaman busa, menyebabkan overrun turun hingga 72% dan ketahanan leleh-menurun tajam. Hal ini menunjukkan adanya jendela DMG yang optimal dalam sistem campuran terner-lemak kristal yang cukup diperlukan untuk membangun kerangka jaringan, namun agregasi berlebihan harus dihindari untuk menjaga integritas gelembung.
2 Mekanisme Regulasi Antarmuka Campuran Ternary
Peningkatan ketahanan terhadap lelehan-yang dihasilkan oleh campuran terner PGMS/PGE/DMG muncul dari mekanisme sinergis yang beroperasi pada tiga tingkat:
Tingkat film antarmuka:DMG menyediakan lapisan antarmuka lemak kristal kaku yang berfungsi sebagai simpul dan kerangka jaringan busa; PGE, dengan nilai HLB yang relatif tinggi dan fleksibilitas antarmuka yang sangat baik, membentuk lapisan elastis pada antarmuka gas-cair, sehingga meningkatkan ketahanan gelembung terhadap deformasi; PGMS menempati peran perantara, mampu melakukan ko-kristalisasi dengan DMG untuk memperkuat kekuatan jaringan sekaligus mengurangi tegangan antarmuka dengan PGE untuk memfasilitasi pembentukan gelembung udara halus.
Peraturan penggabungan sebagian:Penggabungan sebagian lemak sangat penting untuk pembentukan struktur busa es krim. Ketika tingkat koalesensi parsial terlalu rendah (<50%), the fat network cannot effectively support the air bubbles; when it is excessively high (>80%), kelompok lemak menyebabkan penggabungan gelembung dan keruntuhan struktural. Tingkat penggabungan parsial kelompok T3 sebesar 68% berada tepat di dalam jendela optimal yang dilaporkan dalam literatur (60-75%), memastikan kontinuitas jaringan sekaligus menghindari risiko keruntuhan yang terkait dengan agregasi berlebihan.
Penghambatan kristal es:Film antarmuka dan jaringan lemak yang dibentuk oleh campuran pengemulsi terner bertindak sebagai penghalang fisik, memperlambat pematangan kristal es Ostwald. Setelah 30 hari penyimpanan pada suhu -18 derajat, diameter rata-rata kristal es pada kelompok T3 adalah 32 μm, jauh lebih rendah daripada 48 μm yang diamati pada kontrol-yang selanjutnya menjelaskan dasar mikrostruktur untuk ketahanan terhadap lelehan yang sangat baik.
3 Jalur untuk Peningkatan Stabilitas Busa
Stabilitas busa menentukan kapasitas retensi bentuk es krim selama proses peleburan. Kelompok T3 menunjukkan waktu paruh-busa selama 34 menit, kira-kira 1,9 kali lipat dari kelompok kontrol. Adsorpsi elastis PGE pada antarmuka gas-cair merupakan kontributor utama terhadap peningkatan stabilitas busa-beberapa gugus kepala hidroksil hidrofiliknya membentuk jaringan ikatan hidrogen dengan molekul air, sehingga meningkatkan ketebalan lapisan hidrasi film antarmuka. Secara bersamaan, jaringan lemak yang dibangun oleh DMG dan PGMS memberikan dukungan fisik untuk gelembung udara, menghalangi drainase lapisan cair di antara gelembung dan menghambat penggabungan gelembung.
4 Validasi Evaluasi Sensorik
Tabel 3 Skor Sensorik Sampel Es Krim (skala 9 poin)
| Kelompok | Melelehkan-Rasa Mulut | Kelancaran | tekstur kental | Kesejukan | Penerimaan Secara Keseluruhan |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Kelompok T3 mendapat skor yang jauh lebih tinggi dibandingkan kelompok kontrol dan kelompok T5 dalam hal rasa meleleh dan kehalusan di mulut, memvalidasi pengaruh yang menentukan dari tingkat penggabungan parsial yang sesuai pada kemahiran tekstur.
Rekomendasi Aplikasi Industri
Berdasarkan temuan penelitian ini, produsen es krim yang mengadopsi sistem campuran terner PGMS/PGE/DMG disarankan untuk beroperasi dalam jendela formulasi berikut: tingkat penambahan pengemulsi total 0,30-0,40%, dengan kisaran rasio massa PGMS:PGE:DMG 4,5-5,5:2.5-3.5:1.8-2.2. Penyesuaian dalam kisaran ini dapat dilakukan berdasarkan kandungan lemak, kandungan padatan susu tanpa lemak, dan jenis produk.
Arah penelitian di masa depan mungkin mencakup penyelidikan kinerja sistem campuran terner ini dalam aplikasi es krim nabati, serta pengaruh komposisi asam lemak yang berbeda (rasio jenuh/tak jenuh) pada sifat film antarmuka campuran.
