プレミアム全粉乳の表面改質：ACETEMの低粘度および粉粒子表面のPGEの高い親水性を活用

全粉乳は、その高い脂肪含有量と顕著な表面疎水性により、特に冷水中での即時溶解において長い間技術的なボトルネックとなってきました。従来のレシチン噴霧プロセスは数十年にわたって工業化されてきましたが、湿潤速度、保存安定性、風味保持の点で依然として不十分です。この論文では、ACETEM (脂肪酸のアセチル化モノ-およびジグリセリド、E472a) と PGE (脂肪酸のポリグリセロールエステル、E475) の相乗効果に基づいた新しい表面改質戦略を提案しています。 ACETEM の低い HLB 値 (2～3) と液体のような低粘度特性により、ACETEM は粉乳粒子表面の遊離脂肪層に効率的に浸透して湿潤し、一次疎水性親和性界面を構築できます。一方、PGE の広範囲の HLB 値 (3 ～ 13) と高い親水性により、粒子表面に必要な親水性チャネルが与えられ、水が凝集体の多孔質構造に迅速に浸透できるようになります。従来のレシチン スプレー プロセスと比較して、ACETEM/PGE 勾配コーティング システムは、冷水 (8 ～ 10 度) での湿潤時間、分散性、保存期間の酸化防止において大きな利点を示し、欧州連合および国際食品添加物基準に完全に準拠しています。-この論文は、界面化学メカニズムとプロセス実装の観点の両方から系統的に実証し、プレミアム全粉乳のインスタント化改善のための新しい技術的経路を提供します。

全粉乳は、新鮮な牛乳から標準化、低温殺菌、濃縮、噴霧乾燥などのプロセスを経て製造される粉末乳製品です。脱脂粉乳とは対照的に、全粉乳は乳脂肪と脂溶性栄養素の自然な風味を保持しているため、高級乳児用粉ミルク、成人用栄養粉末、コーヒー クリーマー、ベーカリーのプレミックスとして広く需要されています。{1}

ただし、全粉乳の脂肪含有量は通常 26% ～ 28% を超え、噴霧乾燥およびその後の取り扱い中に、約 0.5% ～ 3% の遊離脂肪が粒子表面に移動し、粉乳顆粒を覆うコーティングが形成されます。この遊離脂肪層は強い疎水性を示すため、水分子が表面を突破して粒子内部に浸透することが困難となり、粉末の湿潤性と分散性が著しく損なわれます。全粉乳の水の接触角は一般に約 50 度ですが、場合によっては 90 度を超え、この時点で水の浸透は事実上完全に阻止されます。この表面の疎水性特性は、全粉乳を冷水で戻すことが難しい根本的な理由を表しています。

この問題に対処するために、業界では 1960 年代以来、凝集レシチン噴霧プロセスが広く採用されてきました。このプロセスでは、植物油中のレシチン溶液が、噴霧乾燥後の流動床で凝集した粉乳粒子に噴霧されます。研究では、レシチンのスプレーにより、脱脂粉乳の湿潤時間を 300 秒以上から約 8.9 秒に短縮できることが実証されており、これは顕著な改善です。それにもかかわらず、レシチン自体には、多価不飽和脂肪酸の含有量が高い（市販の大豆レシチンのリノール酸は約 50%～60%）、異臭の原因となる酸化の影響を受けやすいこと、プレミアム製品の長期保存期間要件の下でますます明らかになりつつある熱安定性の限界-などの欠点など、いくつかの固有の制限があります。-

近年、合成非イオン性乳化剤の急速な開発により、乳製品粉末の表面改質に新しいツールの選択肢が提供されています。{0}中でも、ACETEM (脂肪酸のアセチル化モノ-およびジグリセリド) と PGE (脂肪酸のポリグリセロールエステル) は、相補的な分子構造、差別化されたHLB 値、および調整可能な表面活性を備えており、従来のレシチンの部分的または完全な代替品として大きな可能性を示しています。この論文は、これら 2 つの乳化剤の界面挙動を体系的に分析し、全粉乳粒子表面に対するそれらの相乗作用の根底にある物理化学的メカニズムを調査し、工業用配合物の最適化のための参考ガイドラインを提供することを目的としています。

1 粒子表面組成と濡れ機構

粉ミルク粒子の湿潤挙動は、表面組成と微細構造という 2 つの要素によって決まります。表面組成の観点から見ると、噴霧乾燥プロセス中に、液滴内の溶質の拡散移動と表面活性の違いにより、粒子表面に顕著な組成勾配が形成されます。-疎水性の乳脂肪と遊離脂肪酸は粒子の最外層に蓄積する傾向があり、一方、親水性の乳糖とタンパク質は内部にカプセル化されます。この「外側が疎水性、内側が親水性」の組成分布により、全粉乳粒子の水接触角が脱脂粉乳よりも大幅に大きくなり（約20度）、水の浸透が直接妨げられます。微細構造の観点から見ると、従来の噴霧乾燥粉乳粒子は細かく (D90 は通常数十マイクロメートル)、隙間が狭いです。たとえ水が表面を突破できたとしても、小さな粒子間の毛細管効果によってすぐに妨げられ、その結果、「外側が濡れていて内側が乾燥している」という特徴を持つ塊が形成されます。

したがって、全粉乳を瞬時に溶解するには、2 つの側面を同時に解決する必要があります。1 つは粒子表面の化学組成を変更して疎水性を低下させること、もう 1 つは粒子表面の化学組成を変更して水の浸透のためのチャネルを提供する多孔質構造を構築しながら粒子サイズを大きくすることです。

2 従来のレシチン噴霧プロセスの利点と限界

レシチンスプレーは、現在の工業的実践において最も成熟した表面改質技術を代表します。その作用機序は次のように説明できます。レシチン分子の親水基（ホスファチジルコリンの第四級アンモニウム頭部基）は粒子表面の外側に固定され、一方、疎水性尾鎖は遊離脂肪層に埋め込まれ、それによって接触角を 50 度以上からゼロ近くまで減少させる親水性界面膜を形成します。

ただし、レシチンのスプレー プロセスには、克服が困難な固有の制限がいくつかあります。--まず、市販の大豆レシチンに含まれる脂肪酸の約 50% ～ 60% はリノール酸 (C18:2) であり、保存中に容易に自動酸化を受けて「豆っぽい」または「ペインティング」な風味が発生し、全粉乳の 12 ～ 24 か月の保存期間にわたって風味のリスクが大きくなる-風味-の高度な多価不飽和脂肪酸です。第二に、レシチンは熱に敏感であり、流動層噴霧の高温条件下では部分的に分解する可能性があります。第三に、レシチンの噴霧後に形成される親水層は単分子膜または低分子膜であるため、輸送時の振動や長期保管時の摩耗により剥離しやすく、濡れ性能の低下につながります。これらの制限は、新規合成乳化剤の導入に明確な技術的窓を提供します。

1 ACTEM: 低粘度疎水性界面調整剤-

ACETEM（​​脂肪酸のアセチル化モノ-およびジグリセリド、E472a）は、脂肪酸のモノ-およびジグリセリドを無水酢酸でアセチル化することによって生成される非イオン性乳化剤です。-。これは乳白色の粉末またはフレーク状の固体であり、融点はアセチル化度に応じて 25～40 度、HLB 値は 2～3、油中水型（W/O）乳化剤として分類されます。--。冷水、熱水、冷たい油には溶けませんが、熱い油には溶けます。

ACTEM の最も顕著な物理的特徴は、脂肪ベースのシステムの粘度を大幅に低下させる能力です。{0}}アセチル基の導入により、グリセリド分子の結晶化挙動が変化します-非アセチル化モノグリセリドは周囲温度で固体でワックス状ですが、ACETEM はアセチル化度が増加すると融点が低下し、室温では液体または半固体として存在できます-。 ACETEM の粘度低下機能-は、キャラメルやチョコレートのコーティングなどの用途で「粘度を低下させ、脂肪の均一な分布を保証する」ことが工業的に検証されています。コーヒークリーマーや非乳製品クリーマーにおいて、ACETEM は「脂肪の均一な分散を促進し、エマルジョンの安定性を高め、白く滑らかな口当たりに貢献します」。

粉ミルクの表面改質の場合、ACETEM の液体のような低粘度の特徴により、粒子表面の遊離脂肪層全体に効率的に拡散できます。{0}{1}固体のワックス状の従来のモノグリセリドとは異なり、噴霧温度で液体のACETEMは優れた流動性を備えており、粒子表面の不規則な亀裂や細孔に急速に浸透し、均一な疎水性界面膜を形成します。この界面フィルム自体は疎水性ですが、その重要な機能は次のとおりです。遊離脂肪の露出部位を密閉するこれにより、後続の親水性コーティング（PGE）が下にある疎水性脂肪層によって「飲み込まれて」効果がなくなるのを防ぎます。これは、親水性層をしっかりと固定するための安定した表面状態を作り出す「界面プライマー」として概念化できます。-

2 PGE: 調整可能なHLB値を備えた親水性表面改質剤

PGE (脂肪酸のポリグリセロール エステル、E475) は、さまざまな重合度のポリグリセロールと天然脂肪酸のエステル化によって生成される非イオン性界面活性剤です。-淡黄色の粉末または顆粒状の固体で、油脂やエタノールなどの有機溶媒に溶けやすく、熱水に分散します。 PGE は、優れた高温耐性と酸安定性を特徴としています。-

PGE の核となる利点は、調整可能な親水性. 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) 強力な乳化能力と優れた界面活性を有する「親水性モノグリセリド」のカテゴリーに属します。 「乳製品に [PGE] を添加すると、その即時溶解性が向上する」ことが文献に詳しく記載されています。

PGE の親水性は、ポリグリセロール頭部基内の複数のエーテル結合 (C-O-C) と末端ヒドロキシル基 (-OH) に由来しており、これらは水分子と広範な水素結合ネットワークを形成することができ、それによって粒子表面に強力に水和された界面層を構築します。 PGE 分子が疎水性の尾鎖を介して ACETEM- の前処理された脂肪層に固定され、ポリグリセロールの頭部基が外側に伸びると、「親水性の外側の衣服」が粉乳粒子の上に広がります。この構造設計により、水分子は粒子と接触すると、PGE 親水層に急速に浸透し、ACETEM-下塗りされた滑らかな界面を介して粒子内部に急速に拡散することができます。

3 デュアルコンポーネントシステムの相乗的な表面改質メカニズム-

ACETEM と PGE の間の界面化学的相補性は、物理的特性の顕著な違いから生じます。

両者の相乗メカニズムは次のように説明できます。グラデーションコーティングプロセス。まず、液体のACETEMは、粘度が低く、油脂に対する親和性が高いため、粒子表面全体に均一に広がり、遊離脂肪の疎水性部位を濡らし、部分的に封止し、一次「レベリング界面層」を形成します。この層の機能は、脂肪表面の微細な凹凸を除去し、その後の親水性コーティングの均一な被覆に好ましい条件を作り出すことです。その後、PGE 分子はその尾鎖と ACETEM 層の間の疎水性相互作用を介して固定され、親水性ポリグリセロール頭部基が外側に配向して二次「親水性外層」を形成します。この「内部が疎水性、外部が親水性」の勾配構造は、粉乳粒子に固有の脂質含有量を固定マトリックスとして最大限に活用し、親水性乳化剤を脂肪除去表面に直接スプレーしたときに発生する可能性のある不均一な被覆の問題を回避します。-

分散性と即時溶解性の点で、ACETEM の低粘度特性は凝集プロセス中の適度な粒子間接着を促進し、より安定した多孔質凝集構造の形成に貢献します。-多孔質凝集体内の豊富な毛細管チャネルは、迅速な再構成を達成するために不可欠であり、ACETEM によってもたらされる「適度な粘着性」により、過度の凝集を引き起こすことなく凝集体の機械的強度が正確に強化されます。 PGE の強い親水性により、水は粒子表面に接触すると、親水層に沿って凝集体の内部細孔に急速に滑り込み、数秒以内に湿潤と沈下が完了します。

1 スプレープロセスの設計

ACETEM/PGE の二成分表面改質スプレー プロセスは、大規模な装置の改造を必要とせずに、全粉乳生産ラインの既存の流動床システムに実装できます。-推奨されるプロセス フローは次のとおりです。噴霧乾燥粉乳ベースは、凝集と造粒のために第 1 段階の流動床に入ります。-次に、第 2 段階のコーティング流動床に進みます。そこで、ACETEM と PGE の混合乳化剤溶液 (MCT や高オレイン酸ヒマワリ油などの食品グレードの植物油に総濃度 10%～20% で溶解) が二流体ノズルを介して粒子表面に均一にスプレーされます。-スプレー温度は 50 ～ 65 度の範囲内に制御され、ACETEM の低粘度、液体のような流動性が維持され、PGE の適切な溶解と分散が保証されます。-

2 参考処方と予想用量

ACETEM と PGE の界面相乗メカニズム、および一般的な食品添加物の使用基準に基づいて、推奨される参照用量は次のとおりです (粉ミルクの総乾物質量に対するパーセンテージとして)。

この投与量範囲は、従来のレシチン噴霧プロセス (0.2% ～ 0.3%) の投与量範囲にほぼ匹敵し、管理可能なコスト枠内で機能のアップグレードを実現します。中国の GB 2760 基準では、調整粉乳および調整クリームパウダーにおける PGE の最大使用許可レベルは 10.0 g/kg です。 ACETEM は適正製造基準 (GMP) に従って使用できるため、規制要件を完全に満たしています。 ACETEM/PGE の組み合わせで使用される脂肪酸は、主に飽和脂肪酸（ステアリン酸）または低不飽和脂肪酸であり、高度に多価不飽和脂肪酸-が豊富な大豆レシチンと比較して優れた酸化安定性をもたらし、それにより 12 ～ 24 か月の保存期間にわたって全粉乳中の脂肪酸化のリスクが大幅に軽減されます。

3 期待されるパフォーマンス指標

急速な湿潤と分散を達成することは注目に値します。8～10 度の氷-水混合物これは、冷水インスタント プロテイン シェイクやアウトドア スポーツ栄養パウダーなどの高級インスタント飲料製品の重要な技術要件となります。{0}レシチン-スプレー製品は、低温では表面活性が著しく低下しますが、ACETEM/PGE の組み合わせは、PGE の低温弾性-と ACETEM の低-融点-レベリング能力を活用し、低温条件下でも優れた湿潤性能を維持すると期待されます。-。

この論文は、全粉乳のインスタント化改善における ACETEM と PGE の相乗作用メカニズムと応用可能性を体系的に分析しました。この研究は、この 2 つの勾配コーティング戦略が、従来の単一乳化剤スプレー プロセスの機能的限界を効果的に克服できることを示しています。ACETEM は、その低粘度と優れた展延性を利用して均一な一次界面層を構築し、遊離脂肪の疎水性部位を密閉します。 PGE は、調整可能な高い親水性を利用して外側の水和チャネルを構築し、粒子表面に優れた冷水湿潤能力を与えます。この組み合わせにより、界面設計が「単分子親水層」から「勾配機能性界面」にアップグレードされ、低温瞬間溶解性能、保存安定性、酸化保護において相乗的な改善が期待されます。-

将来の研究の方向性は次のことに焦点を当てる可能性があります。(1) 異なる ACETEM アセチル化度および PGE 重合度が湿潤速度論に与える正確な影響、定量的な「構造-特性」関係モデルを確立する。 (2) 植物ベースの粉乳代替品（オートミールパウダー、ココナッツミルクパウダーなど）のインスタント化におけるこの複合システムの適用性評価。 (3) ACTEM/PGE 表面改質技術と脂溶性微量栄養素 (ビタミン A、D、E) のカプセル化と放出を統合し、「即時溶解 + 栄養素の送達」が可能な二重機能の全粉乳製品を開発する。-世界の高級粉乳市場では、冷水での即時溶解性とクリーンなラベルの認証がますます求められており、精密な界面設計に基づいた合成乳化剤ブレンド戦略は幅広い用途の可能性を示しています。{10}