Въведение
Въпреки че динамичният механичен анализ (DMA) се използва предимно за анализ на полимерни материали, техниката може да се прилага и в редица други области. Сред тях са разнообразни приложения в хранително-вкусовата промишленост - например анализът на рецептури на гумени мечета, както е демонстрирано от Mucha et al [1]. В промишлеността механичното охарактеризиране често се използва за оценка на качеството и консистенцията на продуктите в областта на храните. DMA 303 Eplexor®® е универсално настолно устройство, което може да измерва в температурен диапазон от -170°C до 800°C (-274°F до 1472°F) с обща сила от 50 N (статична плюс динамична), което го прави напълно подходящ за такива приложения.
За всеки човек, който си поръчва пържола, ще ви каже правилния и неправилния начин, по който трябва да бъде приготвена. Проблемът е, че всеки човек, когото попитате, ще има различен отговор. Когато става въпрос за добра пържола, обикновено има две основни променливи: крехкост и сочност. Крехкостта по същество е механично свойство, което описва колко меко и дъвчащо е месото. Сочността на пържолата зависи от съдържанието и разпределението на мазнините, процеса на стареене и начина на приготвяне. Що се отнася до степента на готовност, вътрешните температури на пържолата са 125°F (52°C) за rare, 130-135°F (54-57°C) за medium-rare, 135-140°F (57-60°C) за medium, 140-150°F (60-66°C) за mediumwell и 155°F (68°C) или повече за well-done [2]. Въпреки че всеки знае, че колкото по-дълго се пече пържолата, толкова по-твърда е тя, как всъщност измерваме това? Възможно ли е да се оцени количествено колко крехка е пържолата по време на процеса на готвене?
Освен простото време за готвене, има и няколко други фактора, които влияят върху качеството на крайното ястие. По-скъпите разфасовки обикновено идват от области с по-малко натоварени мускули, което води до по-добра крехкост. Освен това съдържанието на мазнини в месото играе важна роля. По-голямото количество мрамор води до по-сочно и по-крехко месо, докато по-постните разфасовки имат по-голяма плътност на мускулните влакна с повече протеини, но като цяло са по-твърд продукт.
За определянето на динамично-механичните свойства на проби от пържоли избрахме да изследваме сравнително евтина разфасовка, наречена "пържола от пола", известна с високото си съдържание на мускулни влакна.
Имахме две основни цели:
а) да видим колко точно вътрешната температура влияе на механичните свойства и
б) как подреждането на влакната влияе върху възприемането на крехкостта. Освен за научното любопитство, подобни данни са важни за контрола на качеството и за новите индустрии, разработващи алтернативи/заместители на месото.
Изследване на готовността на DMA
За измерването бяха изготвени проби от сурова пържола (диаметър 13 mm, височина 6 mm), фигура 1а). Образците бяха измерени в компресия, за да се симулира най-добре начинът, по който пробата би се възприела по време на дъвчене. Термодвойката на DMA беше поставена директно в централната точка на образеца, за да се измери вътрешната температура, фигура 1б). За първоначално сплескване на образеца и осигуряване на равномерна контактна площ с пръчката за натискане беше използвана контактна сила от 1,0 N. Беше приложена динамична амплитуда от 20 μm с пропорционален коефициент 1,1 в температурния диапазон 30-80 °C, като се използваше скорост на загряване от 1 K/min (общо време на работа 55 минути). Напълно готовата проба след изпитването е показана на фигура 1в).
Резултати от измерването
Резултатите от изпитването на натиск са показани на фигура 2) и са обобщени за готовност в таблица 1). Модулът на съхранение (E') корелира със способността на материала еластично да съхранява енергия. По време на готвене E' обикновено се увеличава, тъй като пържолата става по-твърда и по-дъвчаща. Модулът на загубите (E") описва разсейването на енергия от материала, обикновено чрез вътрешно триене и вискозно поведение. Високият E'' показва, че пържолата разсейва повече енергия по време на деформация при дъвчене. Стойностите на E' и E" са свързани със структурните промени, които настъпват по време на процеса на готвене: мускулните влакна се свиват и губят вода, което води до по-твърда текстура и увеличаване на вътрешното триене.
Таблица 1: Абсолютен модул и увеличение на механичните свойства на дисковете от пържоли в зависимост от вътрешната температура и степента на готовност
| Готовност | Вътрешна температура (°C) | |E| (MPa) | Увеличение на модула в сравнение със суровия |
|---|---|---|---|
| Суров (blue rare) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Редки | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-редки | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-кладенец | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Добре направен | 72 | 3.74 | 12.7 |
Следователно целта на процеса на готвене е да се получат умерени стойности на E' и E", при които пържолата е структурирана и приятно дъвчаща, но остава сочна. Ако процесът на готвене продължи отвъд точката, в която месото е добре изпечено (не е показано тук), колагенът се разтопява в желатин и мускулните влакна се отпускат, което намалява триенето и води до намаляване на E".
Коефициентът на затихване (означен като tan δ) е отношението на E" към E' и описва колко еластичен или вискозен е материалът. Големината на E' е много по-голяма от E", което предполага, че материалът се държи предимно еластично и става по-твърд с увеличаване на температурата. Интересно е, че коефициентът на затихване първоначално намалява, а след това отново се увеличава, което показва, че по време на процеса на готвене различните температури водят до леки промени в свойствата на затихване. Тъй като по време на готвенето загубата на влага и разтопяването на мазнини се случват едновременно, този ефект не е неочакван.
Абсолютната стойност на комплексния модул |E| описва общото съпротивление на даден материал на деформация при осцилиращо напрежение и съчетава както вискозния, така и еластичния му компонент. Таблица 1 обобщава как точно се променя това свойство в зависимост от вътрешната температура. В сравнение със суровата пържола, пържолата "rare" има 1,5 пъти по-висок модул на натиск, докато пържолата "well done" има 12,7 пъти по-висок модул. Този резултат показва нелинейна корелация на крехкостта и по отношение на вътрешната температура.
Влияние на фибрите върху крехкостта
Самата степен на готовност не влияе върху това колко крехка е крайната пържола. Стекът "Skirt steak", който е сравнително евтин разрез на месо от плочата и диафрагмата на кравата, е известен с това, че е постен и има висока плътност на мускулните влакна. Ето защо начинът, по който пържолата е нарязана и сервирана, играе large роля за това колко крехка е тя. Тук тествахме приготвени парчета от пържола от пола в режим на опън, разрязани или по протежение на мускулните влакна, или срещу тях, резултатът от което е показан на фигура 3. От фигура 3 се вижда, че пробата, разрязана по посока на мускулните влакна (оранжева линия), има 6,7 пъти по-висок абсолютен модул на опън от пробите, разрязани перпендикулярно на ориентацията на влакната (синя линия). Това увеличение на абсолютния модул на опън корелира с по-малката крехкост на месото. Следователно простата техника на нарязване на готовата пържола на тънки резени срещу влакната води до значително по-крехко месо.
Резюме
DMA 303 Eplexor® предлага широк диапазон на честота, сила и температура, което го прави идеален инструмент за динамично-механични измервания в широк спектър от области на приложение. Тук описахме способността на инструмента да измерва точно крехкостта на парче пържола както при натиск, за да симулира дъвчене, така и при опън, за да изследва влиянието на насочеността на мускулните влакна.
DMA 303 Eplexor® може да се използва не само за определяне на характеристиките на месото, но и на много други видове проби в хранително-вкусовата промишленост. Подобни резултати могат да се използват при проектирането на растителни заместители на месото, за да се имитира по най-добрия начин конвенционалният продукт.