Von der Hoch--Scherhomogenisierung zur Kolloidmühle: Emulgieren der scherrheologischen Eigenschaften von PGPR und DMG in Wasser-in-Öl (W/O)-Salatdressingsystemen mit hoher interner Phase

Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O) mit hoher innerer Phase und Volumenanteilen der dispergierten Phase φₒ größer oder gleich 0,74 bilden die strukturelle Grundlage von Salatdressings, Mayonnaise-Alternativen und fettarmen Aufstrichen. Ihre industrielle Herstellung steht jedoch vor einem grundlegenden Verarbeitungsdilemma: Wie die intrinsischen Unterschiede im Energieeintrag zwischen Hoch-Homogenisierung und Kolloidmahlung-den beiden vorherrschenden Emulgierungstechnologien-mit der Adsorptionskinetik an der Grenzfläche und dem Netzwerkaufbauverhalten von Emulgatoren übereinstimmen-bestimmt direkt die Stabilität der Emulsion und die rheologische Qualität. Dieser Artikel analysiert systematisch das differenzierte Grenzflächenverhalten und die Scherreaktionseigenschaften von Polyglycerinpolyricinoleat (PGPR) und destillierten Monoglyceriden (DMG) in solchen Systemen aus einer einheitlichen Perspektive der Emulgierungsscherrheologie. PGPR erreicht mit seinen verzweigten hydrophoben Ricinolsäureschwänzen und flexiblen Polyglycerin-Kopfgruppen schnell das Adsorptionsgleichgewicht an der Öl-{12}}Wasser-Grenzfläche und bildet einen Grenzflächenfilm mit hohem dilatativem Viskoelastizitätsmodul, zeigt jedoch eine schwache Abhängigkeit vom Scherverlauf. Im Gegensatz dazu baut DMG durch In-situ-Keimbildung und räumliche Füllung von Fettkristallen an der Grenzfläche und in der kontinuierlichen Phase ein Fettkristallnetzwerkskelett mit thixotropen Erholungseigenschaften auf, aber seine Grenzflächenkinetik ist langsam und hängt stark von der gekoppelten Scher-Abkühlungsgeschichte ab. Die Synergie dieser beiden Emulgatoren besteht nicht nur in einer komplementären HLB-Wertepaarung, sondern vielmehr in der Bildung einer dualen Stabilisierungsstruktur -"PGPR-Grenzflächenfilm (elastische Hülle) + DMG-Kristallnetzwerk (Kunststoffskelett)"-innerhalb des Scherströmungsfeldes. Ersteres verleiht Tröpfchen eine Anti-{20}}Koaleszenzfähigkeit, während letzteres dem Massensystem eine Anti--Sedimentationskapazität und eine thixotrope Rückgewinnung verleiht. In diesem Artikel wird außerdem ein emulgierendes Scherphasendiagramm unter Verwendung der Energiedichte (Eᵥ) und der spezifischen Scherenergie (SBE) als duale Parameter erstellt, das die anwendbaren Grenzen und komplementären Beziehungen zwischen der Homogenisierung mit hoher Scherung (hohes Eᵥ, kurze Verweilzeit) und dem Kolloidmahlen (mittleres Eᵥ, lange Verweilzeit, Dehn- und Scherverbindungsströmungsfeld) in diesem System aufzeigt und so eine theoretische Grundlage für die Geräteauswahl, das Prozessdesign und die Formulierung bietet Optimierung in der industriellen Produktion von W/O-Salatdressings mit hoher interner Phase.

High Internal Phase Emulsions (HIPEs) beziehen sich typischerweise auf Emulsionssysteme, in denen der Volumenanteil der dispergierten Phase (φ) 0,74-die theoretische Grenze für eine zufällige dichte Packung gleichmäßiger starrer Kugeln überschreitet. Über diesen Volumenanteil hinaus sind die Tröpfchen der dispergierten Phase nicht mehr voneinander getrennte kugelförmige Einheiten, sondern werden komprimiert und zu polyedrischen Morphologien verformt, wobei benachbarte Tröpfchen nur durch einen äußerst dünnen Film der kontinuierlichen Phase getrennt sind. Diese einzigartige Mikrostrukturgeometrie verleiht eine Reihe nicht-Newtonscher rheologischer Eigenschaften-Streckspannung, Scher-Verdünnungsverhalten und viskoelastische, feste-ähnliche Reaktion-und macht HIPEs zu idealen Strukturvorlagen für halb-feste Lebensmittelprodukte wie Mayonnaise, Salatdressings und fettarme Aufstriche.

Innerhalb der breiteren Familie der HIPEs nehmen Wasser-in-Öl (W/O)-Emulsionen mit hoher interner Phase eine besondere Stellung ein. Im Gegensatz zu den häufiger vorkommenden O/W-HIPEs verwenden W/O-Emulsionen Wasser als dispergierte Phase und Öl als kontinuierliche Phase. In der Lebensmittelindustrie passt diese „Wasser{4}}in-Strukturkonfiguration gut zu den sensorischen Anforderungen von Salatdressings und Aufstrichen: Die kontinuierliche Ölphase sorgt für ein reichhaltiges, vollmundiges Mundgefühl und eine anhaltende Geschmacksfreisetzung, während die dispergierten Wassertröpfchen für ein erfrischendes Tastgefühl und ein Volumenfüllvermögen in fettarmen Formulierungen sorgen. Die Herstellung von W/O-Emulsionen mit hoher interner Phase ist jedoch erheblich anspruchsvoller als die Herstellung von O/W-Emulsionen. Diese Schwierigkeit ergibt sich aus zwei Hauptfaktoren: W/O-Emulsionen sind von Natur aus thermodynamisch instabile Systeme, und der hohe Volumenanteil wässriger Tröpfchen komprimiert die Abstände zwischen den Tröpfchen auf Sub-Mikrometer-Niveaus, was die treibende Kraft für die Koaleszenz dramatisch erhöht. Darüber hinaus ist die Vielfalt der W/O-Emulgatoren in Lebensmittelqualität nicht nur begrenzt, sondern es handelt sich überwiegend um kleinmolekulare Tenside mit mäßiger Grenzflächenfilmstärke, was es schwierig macht, eine Langzeitstabilität unter hohen internen Phasenbedingungen zu erreichen.

Vor diesem Hintergrund haben sich zwei nicht{0}}lebensmitteltaugliche Emulgatoren-Polyglycerolpolyricinoleat (PGPR) und destillierte Monoglyceride (DMG)- aufgrund ihres komplementären Grenzflächenverhaltens und ihrer funktionellen Positionierung als ideale Kombination für den Aufbau stabiler W/O-Emulsionen mit hoher interner Phase erwiesen. PGPR ist einer der wichtigsten W/O-Emulgatoren in der Lebensmittelindustrie und wird durch Veresterung von polymerisiertem Glycerin mit kondensierter Ricinolsäure synthetisiert. Es besitzt stark verzweigte hydrophobe Schwänze und eine breite Verteilung hydrophiler Kopfgruppen. Studien haben gezeigt, dass PGPR schnell das Adsorptionsgleichgewicht an der Öl-{7}}Wasser-Grenzfläche erreicht, wobei seine verzweigte --Kettenstruktur dem Grenzflächenfilm einen hohen viskoelastischen Grenzflächen-Dilatationsmodul verleiht, der einer durch Koaleszenz der Emulsion verursachten Grenzflächenfilmverformung wirksam widerstehen kann. Bei einer PGPR-Konzentration von 4 % und Ölvolumenanteilen von 0,7–0,8 zeigen die resultierenden W/O-Emulsionen Scherverdünnung und elastisches-dominantes rheologisches Verhalten mit thixotropen Rückgewinnungsprozentsätzen von 131,26 % bzw. 114,56 %.

DMG stellt einen völlig anderen Stabilisierungsmechanismus dar. Als molekular destilliertes Monoglycerid mit einem Monoestergehalt von mindestens 90 % hat DMG einen HLB-Wert von etwa 3,9–5,3 und besitzt eine mäßige Grenzflächenaktivität an der Öl-{4}}Wasser-Grenzfläche. Seine Kernkapazität zur Stabilisierung von W/O-Emulsionen beruht jedoch auf dem Netzwerkaufbauverhalten von Fettkristallen an der Grenzfläche und in der kontinuierlichen Phase. Während des Abkühlens unterliegen DMG-Moleküle einer In-situ-Keimbildung und Kristallisation an der Öl-{8}}Wasser-Grenzfläche und innerhalb der kontinuierlichen Phase und bilden eine räumliche Struktur, in der Pickering-Stabilisierung und Netzwerkstabilisierung synergistisch koexistieren. Dieses Kristallnetzwerk verhindert nicht nur die Koaleszenz von Tröpfchen durch physikalische Barrieren, sondern verleiht dem System auch eine erhebliche Fließspannung und eine thixotrope Erholung.

Frühere Untersuchungen haben ausdrücklich gezeigt, dass die PGPR + DMG-Mischung maximale Emulsionsstabilität in gemischten Systemen mit Kokosöl-Sonnenblumenöl ergibt, wobei stabile W/O-Emulsionen bei einer Gesamtemulgatorkonzentration von 3 % gebildet werden. In gemischten DAG-PGPR-Emulgatorsystemen führt das synergistische Zusammenspiel zwischen Grenzflächenkristallisation und der hohen Oberflächenaktivität von PGPR zu Emulsionen mit gleichmäßiger Tröpfchenverteilung und ausgezeichneter Gefrier-{5}}Taustabilität. Diese Studien haben sich jedoch weitgehend auf statische Formulierungsparameter konzentriert, und ein systematisches Verständnis dafür, wie sich der Scherverlauf bei der Verarbeitung-d. h. wie sich die von verschiedenen Emulgiergeräten erzeugten Strömungsfeldeigenschaften auf die Adsorptionskinetik, das Kristallisationsverhalten und die synergistischen Effekte der beiden Emulgatoren auswirken-, fehlt noch.

Dieses Papier zielt darauf ab, aus einer einheitlichen Perspektive der Scherrheologie eine vollständige Kausalkette zu konstruieren: Emulgierausrüstung → Scherströmungsfeld → Grenzflächenverhalten → Massenrheologie → Produktstabilität. Die zentrale These ist, dass die Synergie zwischen PGPR und DMG keine statische Formulierungsfunktion ist, sondern vielmehr eine dynamische Scher--Antwortfunktion; Die Wahl zwischen Homogenisierung unter hoher Scherung und Kolloidmahlung hängt im Wesentlichen von der Abstimmung und Kombination der jeweiligen „Scherfenster“ der beiden Emulgatoren ab.

1 Materialien

PGPR (HLB ≈ 0,4–4,0, Guangzhou Zhonghai Chemical); DMG (Monoestergehalt größer oder gleich 90 %, HLB ≈ 3,9–5,3, gleicher Lieferant); Sonnenblumenöl (Lebensmittelqualität); entionisiertes Wasser; Salz, Saccharose, Xanthangummi (Lebensmittelqualität).

2 W/O-Salatdressing-Modellsystem

Ölphase: Sonnenblumenöl mit gemischtem PGPR/DMG-Emulgator (Gesamtkonzentration 1 %–5 %, PGPR:DMG-Verhältnisreihe von 0:10 bis 10:0), gelöst unter Rühren bei 70 Grad. Wässrige Phase: entionisiertes Wasser + Salz 1,5 % + Saccharose 3 % + Xanthangummi 0,1 %, gelöst unter Rühren bei 60 Grad. Massenverhältnisse von Wasser-zu-Öl: 70:30 (φₒ=0.7) und 60:40 (φₒ=0.6) und bilden zwei Reihen.

3 Emulgierausrüstung und -verarbeitung

Bei der Hoch--Scherhomogenisierung (HSH) wurde ein digitaler Hochgeschwindigkeits-Dispergierhomogenisator (FJ200-SH, Shanghai Huxi) mit Verarbeitungsparametern von 8.000–18.000 U/min und einer Dauer von 1–5 Minuten eingesetzt. Beim Kolloidmahlen (CM) wurde eine Umwälzkolloidmühle im Labormaßstab (JMS-50D, Langfang General Machinery) mit einem Stator-Rotor-Spalt von 100–500 μm, einer Rotorgeschwindigkeit von 3.000–6.000 U/min und 1–5 Umwälzdurchgängen eingesetzt. Nach der Emulgierung wurden alle Emulsionen in einem Eiswasserbad schnell auf 25 Grad abgekühlt.

4 Charakterisierungsmethoden

• Tröpfchenmorphologie:Optische Mikroskopie (BX53, Olympus) bei 400-facher Vergrößerung; Tröpfchengrößenverteilung (d₃,₂), bestimmt mit der Bildanalysesoftware ImageJ.
• Rheologische Charakterisierung:Rotationsrheometer (DHR-2, TA Instruments), 40 mm Parallelplattengeometrie (1 mm Spalt), 25 Grad. Steady-Zustandsscherung: 0,01–100 s⁻¹; Amplitudendurchlauf: 0,01 %–100 % Dehnung bei 1 Hz; Frequenzdurchlauf: 0,1–100 rad/s bei 0,1 % Dehnung (innerhalb des LVR); Thixotropie: dreistufiger Schergeschwindigkeitszyklus von 10⁻³→100→10⁻³ s⁻¹.
• Grenzflächendilatationsrheologie:Pendant Drop-basierte Grenzflächendilatationsrheometrie (OCA 25, DataPhysics), Schwingungsfrequenz 5–45 mHz, Amplitude 2 %, Temperatur 25 Grad.
• DSC-Fettkristallisationsanalyse:Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC 214 Polyma, Netzsch), Heiz-/Kühlrate 5 Grad/min.
• Lagerstabilität:Lagerung bei 25 Grad/4 Grad für 30 Tage mit visueller Beobachtung der Phasentrennung und Koaleszenz.

1 Differenziertes Grenzflächenverhalten von PGPR und DMG an der W/O-Grenzfläche

Messungen der Grenzflächendilatationsrheologie zeigten die wesentlichen Unterschiede zwischen PGPR und DMG an der Öl-{0}}Wasser-Grenzfläche. PGPR erreicht selbst bei sehr geringen Konzentrationen (0,1 %) schnell das Adsorptionsgleichgewicht, wobei sein Grenzflächendilatationsmodul E' über den Frequenzbereich von 5–45 MHz eine schwache Frequenzabhängigkeit aufweist, was auf einen festkörperähnlichen elastischen Charakter des Grenzflächenfilms hinweist. Dieser Befund stimmt stark mit der Literatur überein: Die verzweigten hydrophoben Ricinolsäure-Schwänze von PGPR verleihen dem Grenzflächenfilm einen hohen dilatationsviskoelastischen Modul, wodurch er einer Grenzflächenverformung durch Emulsionskoaleszenz wirksam widerstehen kann. Nach 15 Kompressions-{9}}Expansionszyklen zeigte der Modul des PGPR-Grenzflächenfilms nur eine geringfügige Abschwächung, was seine ausgezeichnete langfristige Grenzflächenstabilität bestätigt.

DMG zeigte ein völlig anderes Grenzflächenverhalten. Unter identischen Messbedingungen war der Dilatationsmodul des DMG-Grenzflächenfilms deutlich niedriger als der von PGPR, mit ausgeprägter Frequenzabhängigkeit-der Modul stieg bei hohen Frequenzen schnell an und nahm bei niedrigen Frequenzen ab-was auf einen von der Viskosität dominierten Filmcharakter hindeutet-. Noch kritischer ist, dass der Dilatationsmodul des DMG-Grenzflächenfilms einen stufenartigen Anstieg erfuhr, als die Temperatur von 70 auf 25 Grad gesenkt wurde, was eng mit seinem In-situ-Grenzflächenkristallisationsverhalten zusammenhängt. Die DSC-Analyse bestätigte diese Hypothese: Während des Abkühlens zeigte DMG einen deutlichen exothermen Peak bei etwa 45–50 Grad, was einer heterogenen Keimbildung und Kristallisation von Monoglyceriden an der Öl--Wasser-Grenzfläche entspricht.

Diese beiden unterschiedlichen Grenzflächenverhalten bestimmen ihre jeweiligen Reaktionsmuster innerhalb von Scherfeldern. Die Grenzflächenadsorption von PGPR ist akinetisch kontrollierter Prozess: Moleküle können bei Ankunft an der Grenzfläche schnell Konformationsanpassungen abschließen und eine Gleichgewichtsabdeckung erreichen; Folglich ist seine Abhängigkeit von der Scherintensität relativ schwach. Das Grenzflächenverhalten von DMG hingegen ist athermodynamischer-kinetisch gekoppelter Prozess: Moleküle müssen zunächst eine kritische Oberflächenkonzentration an der Grenzfläche erreichen, gefolgt von einer durch Abkühlung-getriebenen In-situ-Kristallisation; Die endgültige Grenzflächenstruktur hängt daher stark vom Verlauf der Scher-Abkühlungsgeschichte ab.

2 Einfluss des Scherströmungsfeldtyps auf die Tropfengrößenverteilung

Hoch-Homogenisierung (HSH) und Kolloidmahlen (CM) stellen zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten von Emulgierungsströmungsfeldern dar.

HSH gehört zur KategorieTrägheitsturbulenzen-dominierte Strömungsfelder. Unter der Hochgeschwindigkeitsrotation des Rotors unterliegt die Flüssigkeit intensiven turbulenten Fluktuationen, wobei der Tröpfchenbruch hauptsächlich durch die turbulente Trägheitsspannung (~ρ(εd)^(2/3)) gesteuert wird. Die Kernmerkmale dieses Strömungsfeldes sind: extrem hohe Energiedichte (10⁶–10⁸ W/m³), sehr kurze Verweilzeit (Millisekunden bis Sekunden) und ein von Scherung und turbulenten Wirbeln dominiertes Strömungsfeld.

Eine Kolloidmühle hingegen gehört zur Kategorie derDehnungs--Schub-Verbundströmungsfelder. Im Stator-Rotorspalt erfährt die Flüssigkeit die kombinierte Wirkung intensiver Dehnungs- und Scherströmungen, und der Mechanismus zum Aufbrechen der Tröpfchen ist erheblich komplexer. Im Vergleich zu HSH weist CM eine moderate Energiedichte (10⁵–10⁷ W/m³), aber eine wesentlich längere Verweilzeit (Sekunden bis Minuten) mit einer erheblichen Dehnungsströmungskomponente auf.

Tabelle 1 Vergleich der Strömungsfeldeigenschaften: Homogenisierung mit hoher-Scherung vs. Kolloidmühle

Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass bei Verwendung von PGPR allein als Emulgator und HSH bei 18.000 U/min über 3 Minuten eine Tröpfchenverteilung mit d₃,₂ ≈ 8–12 μm, mit regelmäßiger Tröpfchenmorphologie und einer engen Größenverteilung resultierte. Bei Anwendung der CM-Behandlung bei vergleichbarem Energieeintrag erhöhte sich die mittlere Tröpfchengröße auf 15–20 μm, die Größenverteilung war jedoch breiter und zeigte einen ausgeprägten bimodalen Charakter -einen Hauptpeak bei 10–15 μm und einen Nebenpeak bei 25–35 μm.

Die Einführung der DMG hat dieses Bild grundlegend verändert. In einem PGPR:DMG=7:3-Mischsystem (Gesamtkonzentration 3 %) verringerte sich der Tropfengrößenunterschied zwischen HSH und CM deutlich: d₃,₂ ≈ 10 μm für HSH und ≈ 12 μm für CM, wodurch sich das Verhältnis von etwa 1,8× (PGPR allein) auf etwa 1,2× reduzierte. Noch wichtiger ist, dass die Lagerstabilität (30 Tage, 25 Grad) der von CM-hergestellten Emulsion deutlich besser war als die des HSH-Produkts-der Destabilisierungsindex des ersteren betrug nur etwa 40 % des letzteren.

3 Scher-Reaktionsmechanismus der dualen Stabilisierungsstruktur „PGPR-Grenzflächenfilm + DMG-Kristallnetzwerk“.

Warum weist CM im PGPR/DMG-Mischsystem einen so ausgeprägten relativen Vorteil auf? Die Antwort liegt in den unterschiedlichen Reaktionen der beiden Emulgatoren auf den Scherverlauf und den einzigartigen Eigenschaften des CM-Strömungsfelds, die genau zu ihren jeweiligen „Scherfenstern“ passen.

Die Grenzflächenadsorption von PGPR ist ein schneller kinetischer Prozess. Ob in der Turbulenz im Millisekunden--Maßstab von HSH oder im zweiten -Skalen-Dehnungs-Scherfluss von CM, PGPR-Moleküle können die Adsorption auf den frisch erzeugten Tröpfchenoberflächen schnell abschließen und einen elastischen Grenzflächenfilm bilden. Jedoch,Die Selbstheilungskapazität des PGPR-Grenzflächenfilms gegen mechanische Beschädigung ist begrenzt. Unter den extremen Turbulenzbedingungen von HSH durchlaufen entstehende Tröpfchen wiederholt Bruch--Koaleszenz--Re-Bruchzyklen, wobei der Grenzflächenfilm kontinuierlich zerrissen und neu aufgebaut wird, was zu einer Verringerung der Grenzeffizienz der Emulgierung führt.

Im Gegensatz dazu erfordert DMG eine grundlegend andere gekoppelte Umgebung mit „Scherkühlung“. Die Voraussetzungen dafür, dass DMG seine stabilisierende Funktion an der Grenzfläche und in der kontinuierlichen Phase ausüben kann, sind: (1) Moleküle müssen ausreichend Zeit haben, um eine kritische Oberflächenkonzentration auf der Tröpfchenoberfläche zu erreichen; (2) Tröpfchen müssen unter geeigneter Scherung ihre morphologische Stabilität beibehalten, um Keimbildungsvorlagen für die Grenzflächenkristallisation bereitzustellen; (3) Die Abkühlgeschwindigkeit muss moderat sein, um ein ausreichendes Kristallwachstum ohne übermäßige Aggregation zu ermöglichen.

Die Strömungsfeldeigenschaften von HSH-hohe Energiedichte, extrem kurze Verweilzeit, starke Turbulenz-widersprechen praktisch allen Anforderungen der DMG.Bei HSH ist die Lebensdauer einzelner Tröpfchen außerordentlich kurz (Millisekunden bis Sekunden), und DMG-Moleküle haben nicht genügend Zeit, sich an der Grenzfläche anzusammeln, geschweige denn die Grenzflächenkeimbildung und das Kristallwachstum abzuschließen. Die erhebliche Reibungswärme, die durch HSH erzeugt wird, erfordert außerdem einen zusätzlichen externen Kühlausgleich, wodurch das Kristallisationsfenster von DMG weiter komprimiert wird.

Die Strömungsfeldeigenschaften von CM-mäßige Energiedichte, längere Verweilzeit, erhebliche Dehnungsströmungskomponente-erfüllen alle Anforderungen der DMG.Im Spaltfluss von CM erfahren Tröpfchen eine allmähliche Dehnungsverformung; Die Oberflächenvergrößerung verläuft synchron mit der Oberflächendiffusion von DMG und bietet ideale kinetische Bedingungen für die Grenzflächenkristallisation. Bei der Dehnströmung brechen Tröpfchen über einen „hantelförmigen“ Dehnungs--Bruchmechanismus auf, wodurch Tochtertröpfchen mit regelmäßiger Morphologie und einheitlicher Größe entstehen, was den anschließenden gleichmäßigen Aufbau des Kristallnetzwerks erleichtert. Noch wichtiger ist, dass die längere Verweilzeit von CM DMG reichlich Gelegenheit gibt, die Kristallkeimbildung und das anfängliche Wachstum in der kontinuierlichen Phase abzuschließen und eine räumliche Struktur zu bilden, in der Pickering-Stabilisierung und Netzwerkstabilisierung synergetisch koexistieren.

Wir fassen diesen Mechanismus als zusammenDuales Stabilisierungsmodell „PGPR-Grenzflächenfilm (elastische Hülle) + DMG-Kristallnetzwerk (Kunststoffskelett)“.. In diesem Modell bietet PGPR die erste Schutzebene-indem jedes Tröpfchen mit einem elastischen Grenzflächenfilm ausgestattet wird, der der Koaleszenz widersteht; DMG bietet die zweite Schutzebene-, indem es ein Kunststoffskelett aus Kristallnetzwerken zwischen Tröpfchen aufbaut und dem System eine Anti-Sedimentationskapazität und eine thixotrope Rückgewinnungsleistung verleiht. Die Existenz dieser Doppelstruktur wurde indirekt durch die Literatur bestätigt: Studien zu DAG-PGPR-Mischemulgatorsystemen haben gezeigt, dass das synergistische Zusammenspiel zwischen Grenzflächenkristallisation und der hohen Oberflächenaktivität von PGPR zu Emulsionen mit sowohl gleichmäßiger Tröpfchenverteilung als auch ausgezeichneter Gefrier-{6}}Taustabilität führt; In PGPR-haltigen W/O-Emulsionen bewirkt das Grenzflächenfett, dass die Tröpfchen als aktive Füllstoffe wirken und die Steifigkeit und Härte des Systems verstärken.

4 Aufbau eines Emulgierscherphasendiagramms und Prozessauswahlkriterien

Basierend auf systematischen experimentellen Ergebnissen haben wir unter Verwendung der Energiedichte (Eᵥ) und der spezifischen Scherenergie (SBE) als duale Parameter ein emulgierendes Scherphasendiagramm erstellt und die anwendbaren Grenzen und komplementären Beziehungen zwischen HSH und CM in diesem System beschrieben.

Tabelle 2 Emulgierscherphasendiagramm für PGPR/DMG-gemischte W/O-Emulsionen mit hoher interner Phase

Fenster Ieignet sich für Salatdressings, die eine hohe Fließfähigkeit und eine hervorragende Extrusionsleistung erfordern. Hier ist PGPR der dominierende Emulgator (größer oder gleich 80 %), wobei eine kleine Menge DMG für eine zusätzliche Stabilisierung sorgt. Die hohe Energiedichte von HSH kann die Tröpfchen ausreichend verfeinern, während der niedrige DMG-Gehalt dafür sorgt, dass die thermischen Effekte von HSH das schwache Kristallnetzwerk nicht zerstören. Die resultierende Emulsion weist eine Fließspannung von ca. 50–150 Pa und eine thixotrope Erholung von ca. 80–100 % auf, was für in Flaschen abfüllbare Produkte geeignet ist.

Fenster IIstellt den optimalen Komplementaritätsbereich zwischen HSH und CM dar. Das Kernkonzept dieser Strategie besteht darin, HSH für einen effizienten primären Tröpfchenbruch einzusetzen, gefolgt von CM, um eine sekundäre Strukturverfeinerung zu erreichen-einschließlich der Homogenisierung der Tröpfchengröße und des gerichteten Aufbaus des DMG-Kristallnetzwerks. Experimente bestätigten, dass ein Tandemprozess aus „HSH-Voremulgierung (18.000 U/min, 1 Minute) + CM-Rezirkulationsraffinierung (3.000 U/min, 3 Durchgänge)“ gleichzeitig sowohl Tröpfchenfeinheit (d₃,₂ ≈ 10–15 μm) als auch langfristige Lagerstabilität (30-Tage-Destabilisierungsindex < 5 %) erreichen kann. Dieses Verfahren eignet sich für Salatdressings und Aufstrichprodukte mit hohen Anforderungen an die Lagerstabilität.

Fenster IIIist der Bereich, in dem der DMG-Kristallnetzwerkeffekt vollständig realisiert ist. Die längere Verweilzeit und die Dehnungsfließeigenschaften von CM bieten DMG reichlich Gelegenheit, ein vollständiges Kristallnetzwerk an der Grenzfläche und in der kontinuierlichen Phase aufzubauen. Die resultierende Emulsion kann eine Fließgrenze von 200–400 Pa, eine thixotrope Erholung von mehr als 120 % und ausgeprägte plastische -Körpereigenschaften- erreichen, die unter statischen Bedingungen ihre Form behalten (deutliche Grate nach dem Schöpfen) und gleichzeitig einen mäßigen viskosen Widerstand beim dynamischen Verteilen zeigen. Dieses Fenster eignet sich besonders für gefrorene/gekühlte Aufstriche und pflanzliche Butteralternativen, die eine hohe Formhaltekapazität erfordern.

Fenster IVweist darauf hin, dass eine einfache Verlängerung der CM-Zeit oder eine Erhöhung der Rotorgeschwindigkeit die strukturellen Mängel, die durch eine unzureichende PGPR-Dosierung oder unzureichende DMG-Kristallisationsbedingungen verursacht werden, nicht ausgleichen können.

5 Quantitative Analyse des thixotropen Erholungsverhaltens und der synergistischen PGPR/DMG-Verstärkung

Das thixotrope Erholungsverhalten ist ein zentraler Indikator für die Bewertung der Gebrauchsqualität von Salatdressings und Aufstrichen. -Das Produkt muss eine gute Fließfähigkeit aufweisen, wenn es aus einer Flasche gepresst oder auf Brot gestrichen wird, muss aber nach dem Extrudieren oder Verteilen schnell seine feste-artige Struktur wiedererlangen, um ein Zusammenfallen und Austreten von Öl zu verhindern.

Emulsionen, die nur PGPR enthielten, zeigten eine thixotrope Erholung von etwa 70–85 % mit einer langsamen Erholungsrate (charakteristische Zeit ~120–200 s). Emulsionen, die nur DMG enthielten, konnten aufgrund grober Tröpfchen und starker Koaleszenz (Erholung) keine vollständige thixotrope Hystereseschleife bilden<50%). When the two were blended at a 7:3 ratio, the thixotropic recovery could reach 130%–140%-exceeding the theoretical upper limit of 100% and indicating that the recovered structure was stronger than the initial structure-with a substantially accelerated recovery rate (characteristic time ~20–40 s). This counterintuitive "super-complete recovery" phenomenon suggests that further structural reinforcement occurs during the recovery process: the DMG crystal network continues to evolve toward a more ordered structure under static conditions, while the PGPR interfacial film preserves droplet integrity throughout this evolution.

Aus der einheitlichen Perspektive der emulgierenden Scherrheologie enthüllt dieses Papier den synergistischen Mechanismus und die Scherreaktionseigenschaften von PGPR und DMG in W/O-Salatdressingsystemen mit hoher interner Phase und bietet die folgenden Leitlinien für die industrielle Zubereitung:

Grundsätze der Geräteauswahl:Produkte mit hoher -Fließfähigkeit werden am besten durch die einstufige HSH-Verarbeitung hergestellt;{1}} Produkte mit mittlerer-bis-hoher Stabilität werden für die HSH + CM-Tandemverarbeitung empfohlen; Hochform-haltende Produkte werden durch die CM-dominante Multi-{7}}Durchlaufverarbeitung optimal aufbereitet.

Prinzipien des Formulierungsdesigns:Formulierungen mit hohem PGPR-Verhältnis sollten auf die hohe Energiedichte von HSH abgestimmt sein; Formulierungen mit mittlerem-bis-niedrigem PGPR-Verhältnis sollten an das Dehn--Scherströmungsfeld von CM angepasst werden; Für jeden Anstieg des DMG-Anteils um 10 % wird empfohlen, die CM-Verweilzeit um etwa 20 % zu verlängern oder die CM-Rezirkulation um einen zusätzlichen Durchgang zu erhöhen.

Zukünftige Forschungsrichtungen könnten umfassen: Ausweitung der in dieser Studie entwickelten Scherphasendiagramm-Methodik auf andere W/O-Lebensmittelemulsionssysteme (z. B. Margarine, milchfreie Schlagsahne); Einsatz von In-situ-Kleinwinkelstreuung und Neutronenreflektometrietechniken zur Aufklärung der Grenzflächenkristallisationskinetik von DMG unter Scherkühlungsbedingungen; und Vergleich des HSH + CM-Tandemprozesses mit neuen Technologien wie der mikrofluidischen Emulgierung, um die ultimative Kontrollpräzision zu untersuchen, die bei der Herstellung von W/O-Emulsionen mit hoher interner Phase erreichbar ist.

Die synergistische Wirkung von PGPR und DMG in W/O-Salatdressingsystemen mit hoher interner Phase stellt einen dynamischen, von der Scherung-Geschichte- abhängigen, komplementären Stabilisierungsmechanismus dar, der auf grundlegend unterschiedlichen physikalischen Mechanismen basiert-Grenzflächenviskoelastizität versus Kristallnetzwerkaufbau. Die Wahl zwischen Hoch--Scherhomogenisierung und Kolloidmahlung beruht im Wesentlichen auf der Abstimmung der jeweiligen „Scherfenster“ der beiden Emulgatoren: HSH entspricht der schnellen Grenzflächenadsorption von PGPR, während CM der Grenzflächenkeimbildungskristallisation und dem Netzwerkaufbau von DMG entspricht. Der Tandemeinsatz der beiden Gerätetypen stellt eine technische Lösung dar, die Effizienz und Qualität in Einklang bringt. Das in dieser Studie erstellte „Emulgierscherphasendiagramm“ bietet eine systematische theoretische Grundlage und praktische Anleitung für die Geräteauswahl, das Prozessdesign und die Formulierungsoptimierung von W/O-Emulsionen mit hoher interner Phase in der Lebensmittelindustrie.