The effect of composition on emulsion stability
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2022-06-13
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
72 + 15
Series
Abstract
Milk based infant formulas are milk protein stabilized emulsions that are used as a substitute to human milk to provide nutrition for small children. Properties of the final product are greatly influenced by the stability of the emulsion. There are several factors affecting the stability of infant formula emulsions including composition (i.e., emulsifier and protein content), processing conditions (i.e., pH and homogenization pressures) and storage conditions (i.e., temperature and humidity). The aim of the study was to gain knowledge on how composition affects the stability of infant formula emulsions before and after 42 days of storage at 5 °C. An existing method for analysing fat separation was improved and the surface activity of whey proteins was measured to understand how whey proteins work as emulsifiers and if there were differences in their adsorption into the emulsion interface. The effect of the whey protein source (demineralized liquid whey or whey protein concentrate), vegetable fat content (0.50 or 0.98) of total fat, fat protein ratio (2 or 3) and the amount of lecithin (0.3 g/100g of powder or 0.85 g/100g of powder) on the stability of model infant formula emulsions when processing conditions were kept constant was studied. The stability of the model emulsions was mainly characterized by particle size, instability index and fat separation. Results showed that composition affected the stability of the model infant formula emulsions. Method for fat separation analysis was improved by colouring the solution with carmine and observing the surface under flashlight. Results showed that fat separation correlated with emulsion stability. Emulsions where demineralized liquid whey was used as a protein source showed improved stability compared to emulsions where WPC was used in terms of smaller particle size and less separated fat at the surface. There were no large differences found in the raw material analysis between the protein sources and therefore it was assumed that solubility of WPC plays a role in the differences observed in the emulsions. The used vegetable oil blend greatly influenced the properties of the produced emulsion. Two different vegetable fat blends were studied where one showed better results in terms of emulsion stability when used together with milk fat (vegetable fat content 0.50) and the other was better when no milk fat was added (vegetable fat content 0.98). Fat protein ratio did not have a strong effect on the stability of emulsions since differences between recipes were small to meet the legislation guidelines. Lower lecithin content led to smaller size particles within the emulsions which corresponds to improved stability. According to the results of this study, stability of model infant formula emulsion was improved when demineralized whey was used as a protein source and when fat protein ratiowas 3 and lecithin content was 0.3 g/100g. However, the observed differences were small and the use of any of the raw materials cannot be completely ruled out just based on this study. For future studies, it is recommended that the understanding of the role of vegetable fat blends is improved, process conditions and lecithin content are optimized and more information about interaction of protein and lecithin at the interface is gained.Maitopohjaiset äidinmaidonkorvikkeet ovat maitoproteiineilla stabiloituja emulsioita, joita käytetään pienten lasten ravintona. Emulsion stabiilisuus vaikuttaa suuresti valmiin tuotteen ominaisuuksiin. Äidinmaidonkorvikkeen stabiilisuuteen vaikuttavat monet eri tekijät kuten koostumus (emulgaattori ja proteiinipitoisuus), prosessointiolosuhteet (esim. pH ja homogenointipaineet) ja säilytysolosuhteet (esim. lämpötila ja ilmankosteus). Tutkimuksen tavoitteena oli saada tietoa siitä, kuinka koostumus vaikuttaa stabiilisuuteen äidinmaidonkorvikkeiden emulsioissa ennen ja jälkeen 42 päivän säilytystä 5 asteessa. Olemassa olevaa menetelmää rasvan erottumisen arvioimiseen kehitettiin ja heraproteiinien pinta-aktiivisuutta mitattiin, jotta ymmärretään paremmin, kuinka heraproteiinit toimivat emulgaattoreina ja mikäli proteiinien adsorptiossa emulsion rajapinnalle oli eroja. Heraproteiinilähteen (demineralisoitu hera tai heraproteiinikonsentraatti), kasvirasvapitoisuuden (0.50 tai 0.98) määrä kokonaisrasvasta, rasva-proteiinisuhteen (2 tai 3) ja lesitiinin määrän (0.3 g/100g jauhetta tai 0.85 g/100g jauhetta) vaikutusta malli äidinmaidonkovikkeiden emulsion stabiilisuuteen tutkittiin kun prosessointiolosuhteet pidettiin muuttumattomana. Emulsioiden stabiilisuutta karakterisoitiin pääosin partikkelikoolla, epästabiilisuusindeksillä ja rasvan erottumista analysoimalla. Tulokset osoittivat, että koostumus vaikutti malli äidinmaidonkorvikkeiden emulsioiden stabiilisuuteen. Menetelmää rasvan erottumisen arvioimiseen parannettiin värjäämällä liuos karmiinilla ja käyttämällä pinnan tarkkailussa taskulamppua. Tulokset osoittivat, että rasvan erottuminen korreloi emulsion stabiilisuuden kanssa. Emulsiot, joissa käytettiin proteiinin lähteenä demineralisoitua heraa olivat stabiilimpia kuin emulsiot, joissa käytettiin heraproteiini konsentraattia, sillä emulsioiden partikkelikoko oli pienempi ja vähemmän rasvaa erottui emulsion pintaan. Proteiini raaka-aineita tutkittaessa niiden väliltä ei löytynyt suuria eroja, joten voitiin olettaa, että heraproteiini konsentraatin liukoisuus vaikutti saatuihin tuloksiin. Käytetty kasvirasvaseos vaikutti suuresti valmistettujen emulsioiden stabiilisuuteen. Kahta eri kasvirasvaseosta tutkittiin, joista toinen johti stabiilimpiin emulsioihin käytettäessä yhdessä maitorasvan kanssa (kasvirasvapitoisuus 0.50) ja toinen oli parempi silloin kun maitorasvaa ei lisätty (kasvirasvapitoisuus 0.98). Rasva-proteiinisuhteella ei ollut suurta vaikutusta emulsioiden stabiilisuuteen, sillä erot reseptien välillä olivat pieniä koska haluttiin pysyä lainsäädännöllisissä rajoissa. Matalampi lesitiinin määrä johti emulsioiden pienempään partikkelikokoon mikä vastaa parantunutta stabiilisuutta. Tämän tutkimuksen tulosten mukaan malli äidinmaidonkorvikkeiden emulsioiden stabiilisuus parani, kun käytettiin demineralisoitua heraa proteiinin lähteenä ja kun rasva-proteiinisuhde oli 3 ja lesitiinin määrä oli 0.3 g/100g. Havaitut erot olivat kuitenkin pieniä minkä takia minkään raaka-aineen käyttöä ei voida sulkea pois vain näiden tulosten varjolla. Tulevaisuuden tutkimuksissa olisi suositeltavaa tutkia syvemmin kasvirasvan vaikutusta, optimoida prosessointiolosuhteet ja lesitiinipitoisuus sekä tutkita proteiinin ja lesitiinin käyttäytymistä rajapinnalla.Description
Supervisor
Frey, AlexanderThesis advisor
Toikkanen, OutiLeskelä, Mariia
Keywords
infant formula, emulsion stability, lecithin, composition, particle size, fat separation