Microfluidization of dairy model emulsions. I. Preparation of emulsions and influence of processing and formulation on the size distribution of milk fat globules

Abstract

5ummary-The influence of certain process variables (pressure and temperature) as weil as composition variables (fat, protein and low molecular weight emulsifier concentrations) on the size distribution of milk fat globules was studied in a dairy model emulsicn (oil-in-water) produced by microfluidization, a mechanical emulsification technique. The use of a central composite experimental design allowed us to obtain 2 nonlinear multiple regression equations relating the volume-weighted average diameter of the fat globules (d-:) as weil as the relative size distribution width (cv) to the emulsification pressure (7.8-76.3 MPa) and temperature (35-100 oC), and to sodium caseinate (0.5-3.9 wt%), butter oil (5.2-14.7 wt%) and monoglyceride (0.08-0.88 wt%) concentrations. These 2 functions account respectively for 93.7 and 81.7% of the variation in the average diameterand in the size distribution width of the microfluidized fat globules and were used to explain certain interactions between the different variables affecting the size of the microfluidized fat globules. They were also used to demonstrate the existence of the optimal conditions that correspond to the extremes of the average particle diameter and of the distribution width of the fat globules. Finally, these 2 functions allowed us to predict fat globule size parameters as a function of process and formulation conditions. emulsification 1microfluidization 1oil-in-water emulsion 1fat globule Résumé-Microfluidisation d'émulsions laitières modèles. 1. Préparation des émulsions et influence des facteurs de procédé et de formulation sur la distribution de la taille des glo-bules de gras. L'influence de certaines variables opératoires (pression et température) et des variables de composition (teneurs en huile de beurre, en protéine et en émulsifiant de faible poids mo-Symbols used and SI units: [BD] = butter oil concentration (wt%); cv= coefficient of variation or relative standard deviation of the volume-weighted size distribution (%); if" = volume-weighted average fat globule diameter (m); D = diffusion coefficient (m 2 .s-1); F = number of factorial points of the design and Fisher ratio; k = number of independent variables or conductivity of a solution (S.m-1 = m-3.kg-1. s3.A2); [MGS] = monoglyceride concentration (wt%); [Pro~ = protein concentration (wt%); P = emulsification pressure (Pa = m-1 .kg.s-2); Q = flow rate (m 3 .s-1); S = interfacial area (m 2); T = emulsification temperature (K); a = distance separating a star point from a factorial point in terms of coded variables (dimensionless); e = power density (W.m-3 = m-1 .kg.s-3); tP = volume fraction of the. disperse phase (dimensionless); y= interfacial tension (N.m-1 = kg.s-2); p = mass density (kg.m-3). 512 o Robinetai léculaire) sur la distribution de la taille des globules de gras d'une émulsion laitière modèle (huile dans l'eau) a été étudiée pour une technologie d'émulsification mécanique donnée: la microfluidisa-tion. L'utilisation d'un dispositif expérimental central composite a permis l'obtention de 2 équations de régression multiple non linéaires reliant le diamètre moyen des globules de gras (d,,) ainsi que l'éten-due relative de la dispersion des tailles (cv)à la pression (7,8-76,3MPa) et à la température d'émut-sification (35-100 OC), aux teneurs en caséinate de sodium (0,5-3,9% de la masse totale), en huile de beurre (5,2-14,7%) et en monoglycéride (0,08-0,88%). Ces 2 fonctions expliquent respectivement 93,7% et 81,7%des variations du diamètre moyen des globules de gras microfluidisés et de l'étendue relative de la distribution des tailles dans les valeurs considérées des paramètres. Ces fonctions ont en outre permis d'expliquer certaines interactions entre les différentes variables précitées sur la distribution de la taille des globules de gras microfluidisés. Elles ont également permis de mettre en évi-dence l'existence de conditions optimales correspondant à des extremums du diamètre particulaire moyen et de l'étendue de la distribution de la taille des globules de gras. Finalement, ces 2 fonctions nous ont permis de prédire la distribution de la taille des globules de gras en fonction des conditions de procédés et de formulation.