فهم سلوك الجبن! من أفضل ظروف التخزين إلى الذوبان المثالي.

مقدمة

يُعد التحليل الحراري أمرًا بالغ الأهمية في صناعة الأغذية والمشروبات، وذلك في مجالات صياغة التركيبات، وتحسين عمليات التصنيع، ومراقبة الجودة، ودراسة ظروف التخزين، وتحديد مدة صلاحية المنتج. تتضمن العملية الصناعية الأساسية لتصنيع الجبن تلقيح الحليب المبستر بإنزيم «الرينيت» لإحداث التخثر. ثم يتم فصل الخثارة عن مصل اللبن، وطحنها، ومعالجتها إلى شكل معين قبل تعتيقها (إذا كان التعتيق مطلوبًا). يتميز الجبن ببنية فريدة للغاية حيث تعلق كريات الدهون في ميكيلا تتكون من بروتين الكازين (البروتين الرئيسي في الحليب). من وجهة نظر التركيب، تؤدي إضافة البوليمرات المختلفة إلى اختلاف في الإدراك الحسي والخصائص، ومن الأمثلة على ذلك إضافة حمض الهيالورونيك إلى جبن البيتزا [1].

في هذه الدراسة، سعينا إلى التحقيق في كيفية تأثير اعتبار بسيط متعلق بالتخزين، مثل التجميد، على خصائص أنواع مختلفة من الجبن. يُعد كل من التخزين البارد والتجميد عمليتين حاسمتين في إنتاج الجبن وتوزيعه، وكذلك في كيفية تخزين الجبن في المنزل. بالإضافة إلى ذلك، أردنا التحقق مما إذا كان بإمكاننا قياس خصائص التمدد للجبن المذاب لتقييم أدائه في أطباق مثل البيتزا والجبن المشوي.

يُستخدم التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) في المقام الأول لتحليل الخصائص اللزجة المرنة للمواد البوليمرية، ولكنه يُستخدم أيضًا لقياس المعادن أو السيراميك أو محاكاة ظروف ميكانيكية محددة. يُعد جهاز DMA 303 من شركة NETZSCH Eplexor^® جهازًا مكتبيًّا متعدد الاستخدامات قادرًا على القياس في نطاق درجات حرارة يتراوح من -170 درجة مئوية إلى 800 درجة مئوية (من -274 درجة فهرنهايت إلى 1472 درجة فهرنهايت)، مع تطبيق قوة تتراوح من 1 ميلينيوتن إلى 50 نيوتن، ويعمل بترددات تتراوح من 0.001 إلى 150 هرتز. في هذا المثال، تم استخدامه لقياس الخصائص الميكانيكية لجبن الشيدر الأبيض والبارميزان قبل وبعد دورة التجميد والذوبان.

ومع ذلك، فإن قياس تأثير ظروف التخزين ودرجة الحرارة على الخصائص الميكانيكية للجبن الصلب لا يمثل سوى نصف الصورة الكاملة لكيفية استمتاعنا بالمنتج. كما تم قياس خصائص التمدد لجبن الشيدر الأبيض المذاب لتحديد أدائه في سيناريوهات الطهي مثل الجبن المشوي أو الفوندو.

NETZSCH تتمتع الشركة بمكانة فريدة في مجال علم الريولوجيا من خلال تقديمها لكل من أجهزة قياس الريولوجيا الدورانية/التذبذبية التقليدية وأجهزة قياس الريولوجيا الشعرية عالية القوة: تغطي هذه الأجهزة مجتمعة نطاقًا يتجاوز ستة أوامر من حيث معدلات القص. باستخدام تكوين مكون من أسطوانة مزدوجة وفوهة بطول صفر، يمكن تحديد لزوجة القص والانفعال في آن واحد كدالة لمعدل القص. في هذه الحالة، تم قياس خصائص الانفعال المصححة لجبنة الشيدر البيضاء المذابة كدالة لمعدل القص.

اختبار DMA لتحديد تأثير التجميد على خصائص الجبن

تم اختبار أعمدة من جبن الشيدر الأبيض والبارميزان في وضع الضغط، كما هو موضح في الشكل 1، لتحديد خصائصها الميكانيكية كدالة لدرجة الحرارة. وقد استُخدم تحليل DMA لتحديد معامل التخزين (E’) لعينات الجبن، والذي يصف قدرة المادة على تخزين الطاقة، ومعامل الخسارة (E”) الذي يصف قدرة المادة على تبديد الطاقة (عادةً من خلال الحرارة الناتجة عن الاحتكاك الداخلي)، وعامل التخميد (tan δ) الذي يمثل نسبة معامل الخسارة إلى معامل التخزين ويصف قدرة المادة على التشوه المرن أو اللزج استجابةً لقوة مطبقة. وأخيرًا، يُعد المعامل المركب (المشار إليه بـ |E|، وهو رياضيًّا الجذر التربيعي لمجموع مربعي E’ و E”) طريقةً بسيطةً لمقارنة الصلابة الإجمالية بين العينات كدالةٍ لدرجة الحرارة.

في هذه الدراسة، تم قياس عينة من جبن الشيدر الأبيض أو البارميزان أثناء ارتفاع درجة حرارتها من 20 إلى 55 أو 65 درجة مئوية (حسب نقطة الانصهار) بعد تخزينها في الثلاجة عند 4 درجات مئوية فقط. لفهم تأثير دورة التجميد والذوبان، تم تخزين عينات من جبن الشيدر الأبيض وجبن البارميزان عند درجة حرارة -20 درجة مئوية طوال الليل قبل إذابتها وتحليلها باستخدام نفس برنامج درجات الحرارة. تظهر نتيجة دورة التجميد والذوبان على خصائص جبن الشيدر الأبيض في الشكل 2، وعلى جبن البارميزان في الشكل 3.

من الشكلين 2 و3، يظهر اختلاف واضح بين الجبنين (بعد تخزينهما في الثلاجة فقط)، حيث يُظهر البارميزان قيم معامل مرونة أعلى بكثير مقارنةً بالجبن الشيدر الأبيض (E’ يبلغ 3.02 مقابل 0.39 ميجا باسكال عند 25 درجة مئوية)، وهو ما كان متوقعًا نظرًا لأن البارميزان يُصنف كجبن صلب. كما سجل كلا النوعين من الجبن قيم معامل مرونة وعوامل تخميد أعلى بعد دورة التجميد والذوبان (ارتفع معامل المرونة E’ لجبن البارميزان من 3.02 إلى 3.87، ولجبن الشيدر الأبيض من 0.39 إلى 0.60 ميجا باسكال عند 25 درجة مئوية)، مما يشير إلى أن ظروف التخزين تؤثر على المادة وتجعلها أكثر صلابة بشكل ملحوظ.

يلخص الجدول 1 نتائج كل عينة عند درجة حرارة محددة تبلغ 25 درجة مئوية. ويُعد فهم التفاعل بين E’ و E” أمرًا مهمًا لفهم الطريقة التي سيُتصور بها الجبن أثناء المضغ، وما إذا كان سيقاوم القوة التي تمارسها الأسنان أم سيستجيب لها بسهولة [2].

الجدول 1: ملخص قيم E' و E'' و tan δ لجبن الشيدر الأبيض وجبن البارميزان عند 25 درجة مئوية

ومن المثير للاهتمام ملاحظة أن تأثير زيادة الصلابة بعد التجميد يكون أكثر بروزًا في درجة حرارة الغرفة، لكنه يتناقص بشكل كبير مع تسخين العينات (الشكلان 2ج و3ج).

وأخيرًا، من المهم الإشارة إلى أن جهاز DMA 303 Eplexor^® قادر على الوصول إلى درجات حرارة شديدة البرودة، وبالتالي يمكن إكمال دورة التجميد والذوبان داخل الجهاز نفسه. ومع ذلك، تبين أن أعمدة الجبن أصبحت شديدة الصلابة لدرجة أن التشوه الديناميكي تطلب قوة أكبر مما يمكن للجهاز توفيره. لدراسة هذه المواد أثناء التجميد، يلزم استخدام جهاز ذي قوة أعلى مثل جهاز قياس التشوه الديناميكي ( DMA 503 Eplexor^® ).

قياس اللزوجة الشعرية واختبار البثق والسحب

تُستخدم عادةً أجهزة قياس اللزوجة الشعرية من سلسلة NETZSCH و Rosand RH2000 وRH7/10 لفهم لزوجة البوليمرات في حالة الانصهار. وفي هذه الدراسة، سعينا إلى قياس لزوجة الجبن أثناء انصهاره، مثل جبن الشيدر الأبيض (حيث إن جبن البارميزان لا ينصهر جيدًا)، كدالة لمعدل القص. تم قياس العينة عند درجة حرارة 65 درجة مئوية، حيث إن هذه درجة الحرارة شائعة الاستخدام في تحضير الفوندو، وهو مثال يبرز فيه مدى أهمية قابلية الجبن للتمدد.

إلى جانب قياسات اللزوجة الأساسية، يمكن لأجهزة Rosand أيضًا استخدام ملحقات ونماذج رياضية متنوعة لتحديد خصائص إضافية مثل قوة السحب، وتضخم القالب، ولزوجة التمدد. بفضل تصميم Rosand ذي التجويفين، يمكن استخدام قالب طويل وقالب ذي فتحة لقياس العينة وحساب اللزوجة القصية والتمديدية في آن واحد باستخدام نموذج Cogswell. من الناحية العملية، يوضح هذا مدى إمكانية تمدد المادة المنصهرة عند معدل قص معين، أي مدى تمدد الجبن المذاب عند سحب شريحة بيتزا بمعدل معين. تظهر خصائص القص والتمدد لجبنة الشيدر البيضاء في الشكل 4. أظهرت جبنة الشيدر البيضاء خاصية مشتركة للبوليمرات تتمثل في أنها تتسم بخفف القص؛ حيث انخفضت لزوجة العينة مع زيادة معدل القص.

بالنسبة للمواد النيوتونية، من الثابت أن لزوجة التمدد للمادة تبلغ ثلاثة أضعاف لزوجة القص. أما بالنسبة للبوليمرات المنصهرة، فإن نسبة لزوجة التمدد إلى لزوجة القص أعلى بكثير، حيث تتراوح حتى عدة أوامر من حيث الحجم. وهنا، تبيّن أن جبن الشيدر الأبيض يتمتع بلزوجة تمددية عالية جدًّا، حيث تزيد عدة آلاف من المرات عن لزوجة القص. ومن الناحية العملية، يشير هذا إلى أن جبن الشيدر الأبيض يظل عالي اللزوجة (مثل العسل مقارنةً بالماء) أثناء تعرضه للقص، وبالتالي تقل احتمالية انقطاعه. ومع قص الجبن الشيدر بمعدل أسرع، تنخفض اللزوجة التمددية. ولذلك، عند تحسين عملية شد الجبن، فإن الحفاظ على درجة حرارة عالية بما يكفي والشد ببطء سيؤدي إلى تعظيم المسافة التي يمكن أن يمتد فيها الجبن الشيدر.

ملخص

تعد اختبارات التحليل الحراري ذات أهمية محورية في صناعة الأغذية والمشروبات، حيث تساعد في جميع المراحل بدءًا من وضع التركيبات وصولاً إلى تحديد مدة الصلاحية. وفي هذا السياق، أوضحنا كيف يمكن الاستفادة من أجهزة « NETZSCH » المختلفة، ليس فقط لفهم تأثير درجة حرارة التخزين على خصائص جبن الشيدر الأبيض والبارميزان، بل أيضًا لقياس الخصائص أثناء الذوبان، مثل مدى امتداد جبن الشيدر الأبيض. وباستخدام DMA 303 Eplexor^®®، تمت مقارنة الخصائص الميكانيكية لجبن الشيدر الأبيض والبارميزان عبر نطاق من درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تبين أن تأثير دورة التجميد والذوبان على كلا النوعين من الجبن يؤدي إلى زيادة معامل المرونة بشكل ملحوظ، وهو عامل مهم يجب أخذه في الاعتبار عند شحن المنتج والتعامل معه. تم استخدام نموذج « Rosand RH2000 » لنمذجة خصائص الجبن الأبيض «تشيدر» عند الذوبان، وتحديدًا خصائص التمدد. من وجهة نظر المستخدم، يُعد هذا النموذج في الأساس نموذجًا للطهي وما يتبعه من «تمدد» الجبن، وهو متغير حاسم للتسويق والأداء.