الدببة الصمغية - ملونة ومزاجية ومتطلبة في خصائصها الديناميكية الميكانيكية

مقدمة

تعتبر حلوى الفاكهة لذيذة ولذيذة المذاق على مدار العام، سواء في الصيف أو الشتاء، في الصحراء عند درجة حرارة 50 درجة مئوية أو في القطب الشمالي عند درجة حرارة -40 درجة مئوية. سيكون من المزعج أن تلتصق هذه "الحلوى" ببعضها البعض في درجات الحرارة المرتفعة وتشكل نوعًا من الكتلة اللزجة المتماسكة - أو إذا سقطت إحدى أسنانك عند قضمها في البرد. توضح هذه الأمثلة ذلك: يبدو أن علكة الفاكهة تُظهر طيفًا واسعًا من الخواص المرنة، تتفاوت بين اللين والصلب وتتأثر بشدة بدرجة الحرارة. يتم استخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي لتوصيف الخواص اللزجة المرنة. عند اقترانها بغرفة الرطوبة، يمكن أيضًا تسجيل تأثيرات التجفيف والترطيب على سلوكها الميكانيكي.

ما هي السلوكيات الميكانيكية التي تظهرها علكات الفاكهة من المناطق المناخية المختلفة

كانت علكة الفاكهة من البلدان التالية متاحة للفحص:

• ألمانيا
• هولندا
• استراليا
• نيوزيلندا
• روسيا

إلى جانب علكات الفاكهة الكلاسيكية التي تعتمد على الجيلاتين، يتم تضمين أنواع نباتية أيضًا في الدراسات. سيتم تسجيل ومقارنة السلوك الديناميكي الميكانيكي لجميع الأنواع في درجات حرارة مختلفة. ستُجرى قياسات DMA باستخدام جهاز NETZSCH DMA Eplexor^® المتصل بجهاز Hygromator (مولد رطوبة اختياري).

الجيلاتين وأصله وخصائصه الوظيفية وبدائله

تقليديًا، يُعد الجيلاتين [1، 2] المكون الرئيسي لعلكة الفاكهة. فهو يثخن المكونات السائلة المنكهة بشكل أساسي، وعند استخدامه بشكل صحيح، فإنه يوفر درجة الذوبان والصلابة المناسبة للقضمة، بالإضافة إلى درجة حرارة الذوبان المناسبة للاستهلاك. وبصفة عامة، يتم سكب "الحيوانات الصمغية" - قبل الانتقال إلى مرحلة اللزوجة المرنة - وتوجد في شكل منصهر في نهاية عملية التشكيل.

لا يوجد الجيلاتين في علكة الفاكهة فحسب، بل يوجد أيضًا في العديد من المنتجات الغذائية الأخرى، مثل الأطعمة منخفضة السعرات الحرارية والزبادي والمايونيز والمايونيز والأسبكسبيك ومعاجين اللحوم والعديد من الحلويات. تاريخيًا، استُخدم الجيلاتين أيضًا كغراء لآلاف السنين.

الجيلاتين هو غذاء طبيعي يتكون بشكل أساسي من بروتين الكولاجين. وتؤدي البروتينات ثلاث وظائف مختلفة للغاية في الكائنات الحية، أ) كبروتينات هيكلية (= بروتينات صلبة)، ب) كبروتينات غشائية، ج) كبروتينات كروية (= بروتينات سفليّة). النسخة الكولاجينية هي عضو في البروتينات المصلبة وتتكون من 3 سلاسل متعددة الببتيد المتداخلة (الحلزون الثلاثي). عندما تتجمع هذه السلاسل، تتشكل ألياف الكولاجين؛ وتصبح هذه السلاسل في الواقع شبكات ثلاثية الأبعاد بسبب الروابط المتقاطعة التي تظهر بين الحلزونات الثلاثية وبالتالي تثبت نفسها ميكانيكياً.

يعد تحلل الكولاجين إلى سلاسل فردية من متعدد الببتيد ضروريًا لإنتاج الجيلاتين. ونظرًا لعدم قابلية التشابك للذوبان في الماء، فإن هذه العملية معقدة وتتطلب استخدام مواد كيميائية. +

يبدأ إنتاج الجيلاتين بالكولاجين من أصل حيواني. وتنشأ البروتينات الحيوانية من العظام أو تؤخذ من طبقات الجلد السفلية. وبالنظر إلى الكولاجين على المستوى المجهري، يتميز الكولاجين بهياكل تشبه الحلزون ثم يتم تليينها في عملية كيميائية حرارية بحيث يمكن فصلها (المعروفة باسم النقع). والنتيجة هي الخردة "المنزوعة المعادن"، والتي تُسمى "أوسين"، وهي المادة الخام الفعلية التي يُصنع منها الجيلاتين.

يسمح إنتاج الجيلاتين بتحقيق قوة تبلور مختلفة لمختلف الاستخدامات. يتم وصف قوة التبلور من خلال "رقم بلوم". نظرًا لأن قوة التبلور، وبالتالي رقم بلوم، تعتمد على درجة الحرارة، يمكن اختيار الجيلاتين الأنسب لمنتج معين. بالنسبة لصمغ الفاكهة الأكثر صلابة يُستخدم الجيلاتين ذو القيمة الأعلى من رقم التبلور مقارنةً بالأنواع الأكثر ليونة التي تحتوي على جيلاتين منخفض التبلور.

الجيلاتين عبارة عن مادة غروانية مائية ويمكنه ربط الماء والانتفاخ في الماء. كما أنه يثخن ويتماسك ويثبت، وهو مرن للغاية ويظهر سلوكًا قابلًا للانعكاس حراريًا؛ أي أن الجيلاتين يتماسك عند تبريده ويذوب عند تسخينه. تُستخدم هذه الخاصية أيضًا في إنتاج "الدببة الصمغية" وقد تم فحصها وتقييمها في القياسات التي أجريت هنا. كما أن نقطة الذوبان لها أهمية خاصة بالنسبة للمستهلك. ففي نهاية المطاف، يجب أن يذوب "الحيوان المطاطي" في الفم مع الاحتفاظ بصلابة معينة.

لقد بدأ البحث عن بدائل - مواد رابطة من أصل نباتي نقي تتميز بخصائص مماثلة لتلك الموجودة في الجيلاتين - ولكن لم يتم العثور على بديل كامل حتى الآن. هناك حاجة إلى طرق اختبار روتينية لوصف المجلدات البديلة وتأثيرها على المادة بشكل أفضل [1]، [2]

يتم حاليًا استخدام المواد التالية، من بين مواد أخرى، كمواد رابطة من أصل نباتي نقي، بهدف استبدال الجيلاتين [3]:

• أجار-آجار: بديل الجيلاتين
• الأكوافابا: ماء الطهي السميك من الحمص النباتي والفاصوليا والبقوليات الأخرى؛ بديل البيض
• البكتين: الألياف القابلة للذوبان وعامل التبلور النباتي نشا البطاطس: مواد رابطة
• نشا الذرة: بديل للنشا، خالي من الغلوتين واللاكتوز بشكل عام
• قشور السيلليوم: عامل التورم النباتي
• الساغو: النشا المحبب المستخرج من المنيهوت والبطاطس؛ عامل تكثيف لا طعم له
• حبوب الجراد (صمغ): عامل تكثيف طبيعي
• صمغ الجير: عامل سماكة وربط (E 412)
• كاراجين: عامل التبلور والتكثيف النباتي (E407)، يتم الحصول عليه من الطحالب الحمراء
• الألجينات: عامل تكثيف وتبلور وطلاء (E 400 إلى E 405)، يتم الحصول عليه من الطحالب
• صمغ الزانثان: متعدد السكاريد الطبيعي، مادة مضافة يتم إنتاجها من البكتيريا (E 4015) لاستخدامها كعامل تبلور وتكثيف
• نشا الأروروت: عامل ربط خالٍ من الغلوتين؛ بديل البيض

هذه البدائل هي أيضاً مواد هيدروكولويدية مثل الجيلاتين. وهي تُستخدم في صناعة الأغذية بسبب خصائصها الوظيفية؛ ومع ذلك، فإن هذه الخصائص ليست شاملة بحيث تتيح استبدال الجيلاتين بها بشكل عام [2].

ونظرًا لأن علكة الفاكهة النباتية تستخدم أيضًا مواد رابطة غير شائعة حتى الآن، وتأثيرها غير مفهوم جيدًا حتى الآن، فهناك حاجة في هذا المجال إلى إدراج المنتجات ذات المواد الرابطة النباتية في الأبحاث.

نتائج الاختبار الديناميكي الميكانيكي باستخدام NETZSCH GABO Eplexor^® 500 N

وبقدر ما كانت متوفرة في أشكال يمكن فحصها بسهولة في اختبار الشد، تم اختيار صمغ الفاكهة وفقًا لذلك. وتم ثقب بعضها الآخر في شكل مناسب للاختبار عندما تكون في حالة التبريد.

لا تؤثر التغييرات في المقطع العرضي أثناء الاختبار ومساحات المقاطع العرضية التي لا يمكن تسجيلها بدقة للعينات غير منتظمة الشكل على التخميد وبالتالي على درجة حرارة التليين.

معلمات القياس

في الجزء الأول من الاختبار، تم إجراء عمليات مسح لدرجة الحرارة في النطاق من -60 درجة مئوية تقريبًا إلى +40 درجة مئوية على جميع عينات علكة الفاكهة باستخدام جهاز DMA Eplexor^® من أجل التمكن من مقارنة الثبات المعتمد على درجة الحرارة (معامل المرونة المعقد أو معامل E فقط) والمرونة اللزجة المرتبطة بها لعلكات الفاكهة المختلفة. وتحقيقًا لهذه الغاية، تم تبريد العينات في البداية إلى -60 درجة مئوية تقريبًا في جهاز الاختبار. ولضبط درجة حرارة ثابتة في العينة، يتم ضبط مرحلة متساوية الحرارة لمدة 15 دقيقة في كل حالة قبل القياس، يليها قياس بمعدل تسخين 0.5 كلفن/دقيقة. تُجرى قياسات درجة الحرارة بالقرب من العينة باستخدام ترمومتر الحجرة الموجود في حجرة العينة مع دوران مكثف للهواء.

في الجزء الثاني من التجربة، يتم فحص السلوك الديناميكي الميكانيكي لعينة نباتية من ألمانيا وعينة من الجيلاتين من هولندا أثناء التجفيف وتحت امتصاص الرطوبة في Eplexor^®، المجهز بجهاز Hygromator (غرفة الرطوبة).

السلوك المعتمد على درجة الحرارة لعلكة الفاكهة

وتتوفر علكة الدببة الصمغية الألمانية على شكل علكة نباتية (خضراء اللون تسمى "شرائط") وعلكة جيلاتينية (حمراء تسمى "بطاطس مقلية") لقياسات DMA.

من الملاحظ (الشكل 1) أن علكة الفاكهة النباتية تُظهر معامل يونج أعلى في جميع درجات الحرارة، أي أنها أكثر صلابة من العلكة الجيلاتينية. وعلاوة على ذلك، يحدث تليين الشرائح النباتية (المنحنى الأخضر، _Tg = 11.6 درجة مئوية) عند درجات حرارة أعلى من البطاطس المقلية المعتمدة على الجيلاتين (المنحنى الأحمر، Tg ₌-0.4 درجة مئوية).

تتوافق هذه النتيجة الموضوعية أيضًا مع النتائج الحسية من القضم والتذوق: تكون العينات النباتية أكثر ثباتًا عند القضم بينما تكون العينات المعتمدة على الجيلاتين أكثر كثافة عند الذوبان.

الدببة الصمغية الهولندية

من هولندا، تتوفر إصدارات من الجيلاتين للاختبار. يتم تشكيل الأشكال الهندسية غير المنتظمة جزئيًا للدببة الصمغية في شكل عينة عن طريق التثقيب عندما تكون في حالة التبريد. وعند التعامل معها، تبرز هذه المنتجات كعلكة فواكه قاسية نسبيًا. تقع نقاط التليين المقاسة في نطاق -6 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية.

ويوضح الشكل 2 منحنيات القياس المختلفة للمعامل |E*| والتخميد. تُظهر الصمغ اللين (المنحنى الأزرق) اختلافات في درجة حرارة التليين (-2.4 درجة مئوية) مقارنةً بنوعي صمغ الفاكهة اللينة الآخرين، وهما صمغ الليان- كاسيس (-5.1 درجة مئوية، المنحنى الأحمر) والفراولة (-4.9 درجة مئوية، المنحنى الأخضر). وهذا هو السبب في أن العينة الصمغية اللينة تتميز إلى حد بعيد بمنحنى التخميد الأوسع نطاقًا وأقدم انخفاض في معامل يونج فيما يتعلق بدرجة الحرارة. وبالتالي، فإن العينة الصمغية اللينة لديها أقل تخميد في نطاق درجة حرارة الغرفة من بين جميع العينات التي تتم مقارنتها، وتبدو المادة أكثر ليونة للمستهلك من كل من الفراولة والليان-كاسيس.

في حين أن التخميد متشابه جدًا في نوعي ليان-كاسيس والفراولة، فإن معامل E في الفراولة أعلى دائمًا من معامل E في ليان-كاسيس، وهو ما ينعكس أيضًا في الصلابة عند العض.

يمكن رؤية التخميد المنخفض (tan δ) لعينة ليان-كاسيس (المنحنيات الحمراء) عمليًا بفضل عملية ذوبان وتشوه أطول من عينة الفراولة (المنحنى الأخضر). بالإضافة إلى ذلك، تُظهر عينة Liane-Cassis تأثيرًا أكثر كثافة في الالتصاق بالأسنان.

عينات نباتية أسترالية ونيوزيلندية

يتم تقديم كلتا العينتين في سوق ذات متوسط درجات حرارة عالية في الهواء الطلق، مما يضع متطلبات خاصة على ثبات الأبعاد والالتصاق لعلكات الفاكهة. تتوفر كلتا العينتين في شكل مكعبات أو رقائق معدنية مناسبة بالفعل لاختبار الشد، ولا تحتاج إلا إلى قطعها أو طيها بشكل إضافي لضبط سمك العينة لإجراء الاختبار. في حين أن إحدى العيّنات (المنحنيات الخضراء) مصنفة على وجه التحديد على أنها نباتية، فإن العينة الثانية (المنحنيات الزرقاء) لا تؤكد هذا الادعاء صراحةً.

من الواضح (الشكل 3) أن منتجات منطقة المحيطات تتميز بأعلى درجات حرارة تليين (19.6 درجة مئوية و24.3 درجة مئوية) من بين جميع علكات الفاكهة التي تم فحصها. وعلى وجه الخصوص، تتسم العينات المكعبة بقساوة نسبية حتى نقطة التجمد، وتتميز بأعلى معاملات E.

علكة الفاكهة الروسية المصنوعة من الجيلاتين للمناطق المناخية الباردة

صمغتي الفاكهة الجيلاتينية الروسية التي تم فحصها هنا على شكل دببة (المنحنيات الزرقاء) وديدان (المنحنيات الحمراء). تطلّب شكل الدب التثقيب، في حين يمكن إدخال الديدان مباشرةً في DMA. على الرغم من أن تليين الديدان يبدأ عند درجات حرارة أعلى قليلاً (_Tg = -0.9 درجة مئوية، المنحنى الأحمر) من درجة حرارة الدببة (_Tg = -4.4 درجة مئوية، المنحنى الأزرق)، إلا أن الاثنين يظهران صلابة متشابهة في وقت التليين.

يكون معامل E للدببة عند درجات حرارة التليين أقل من معامل E للدببة عند درجات حرارة التليين (المنحنيات الزرقاء، الشكل 4) بسبب المادة. تلين الديدان عند درجات حرارة أعلى قليلًا (3.5 درجة مئوية، المنحنيات الحمراء) من الدببة. وبناءً على ذلك، فإن الخصائص الذوقية لنوعي صمغ الفاكهة متشابهة جدًا أيضًا.

السلوك المعتمد على الرطوبة في علكات الفاكهة

يتم فحص اعتماد العينات على رطوبة العينات، كما هو الحال بالنسبة لعمليات المسح في درجة الحرارة، في وضع الشد عند درجة حرارة 35 درجة مئوية. تظل درجة الحرارة ثابتة خلال التجربة بأكملها.

في الخطوة الأولى من التجربة، يتم تعريض العينات النباتية الألمانية والهولندية القائمة على الجيلاتين النباتي إلى رطوبة الغرفة بنسبة 20% رطوبة نسبية، والتي يتم توليدها والحفاظ عليها ثابتة بواسطة مولد الرطوبة NETZSCH GABO Hygromator (مولد الرطوبة).

تتوافق هذه الخطوة مع عملية التجفيف للانتقال من الرطوبة المحيطة، والتي تتراوح في هذه البلدان من 50% إلى 60% رطوبة نسبية حسب الموسم، إلى حالة "شبه" جافة عند رطوبة نسبية 20% رطوبة نسبية. بالنسبة لسلسلة الاختبار هذه، يجب أن تكون علكات الفاكهة المراد اختبارها متوفرة في حالة رطوبة جافة ومتطابقة لأغراض المقارنة. ولتحقيق هذه الغاية، تم تجفيف العينتين لمدة ساعة واحدة تقريبًا وتم تسجيل المسار الزمني لمعامل يونغ الخاص بهما. ثم تم تعريض العينات المجففة بهذه الطريقة أيضًا إلى رطوبة الغرفة بنسبة 50% لمدة ساعة تقريبًا ثم إلى رطوبة الغرفة بنسبة 90% لمدة ساعة أخرى. وتظهر التغيرات الناتجة المعتمدة على الوقت في معامل يونج ورطوبة الغرفة السائدة في كل نقطة زمنية في الشكل 5 لعينة نباتية (منحنيات حمراء) وعينة تحتوي على الجيلاتين (منحنيات زرقاء).

يظهر في الشكل 5 سلوكًا زمنيًا متشابهًا لعلكات الفاكهة النباتية والجيلاتينية التي تحتوي على الجيلاتين، حيث تظهر الأنواع النباتية دائمًا معامل E أعلى وحساسية أقل للرطوبة في التحقيقات الحالية. ومن الشائع في كلا النوعين زيادة في معامل E عند التجفيف (هنا عند 20% رطوبة نسبية) وانخفاض عند التعرض للرطوبة (هنا عند 50% رطوبة نسبية و90% رطوبة نسبية). بالنسبة للعينات المجففة عند رطوبة نسبية 20% رطوبة نسبية، تظهر الرطوبة بالفعل عند الإزالة من التخزين عند رطوبة نسبية 50% رطوبة نسبية، كما هو موضح في مسار معامل E.

الملخص

يوفر جهاز NETZSCH DMA Eplexor^® إجراءً روتينيًا لتقييم خصائص المنتجات ذات الصلة بالمستهلك للأطعمة مثل علكة الفاكهة، وبالتالي يعمل على تحسين المنتج وتطويره الجديد.

ترتبط تبعيات درجة الحرارة لمعامل E (الصلابة) والتخميد ارتباطًا وثيقًا بسلوك التماسك والقضم والذوبان لعلكة الفاكهة. ومن ناحية أخرى، تعتبر معرفة تبعيات الرطوبة ذات قيمة أكبر لتقييم ظروف التخزين.

ومن أجل تطوير المزيد من أنواع علكة الفاكهة الصمغية، خاصةً مع المواد الرابطة الجديدة للعملاء النباتيين، يوفر التحليل الديناميكي الميكانيكي القدرة على تسجيل الخصائص الحرارية والميكانيكية في المختبر مسبقًا، وبالتالي طرح المنتجات في السوق بطريقة أكثر استهدافًا وأسرع. وعلاوة على ذلك، يمكن محاكاة ظروف التخزين والمعالجة إلى جانب معلمات الرطوبة ودرجة الحرارة عن طريق قياسات DMA.