Въведение
Плодовите гумени бонбони са вкусни и се ползват с добър вкус през цялата година, независимо дали е лято или зима, в пустинята при 50°C или на Северния полюс при -40°C. Би било неприятно, ако тези "сладки изкушения" се слепват при високи температури и образуват нещо като лепкава маса - или ако някой зъб падне при отхапването им в студа. Тези примери ясно показват, че: Изглежда, че плодовите дъвки притежават широк спектър от еластични свойства, които варират между меки и твърди и също така силно се влияят от температурата. Динамичният механичен анализ се използва за характеризиране на вискоеластичните свойства. При свързване с камера за влажност може да се регистрира и влиянието на сушенето и овлажняването върху механичното им поведение.
Какви механични характеристики имат плодовите дъвки от различни климатични зони
За целите на изследването бяха предоставени плодови дъвки от следните държави:
- Германия
- Нидерландия
- Австралия
- Нова Зеландия
- Русия
Наред с classic, плодовите дъвки на основата на желатин, в проучванията са включени и вегански видове. Динамично-механичното поведение на всички видове ще бъде записано и сравнено при различни температури. Измерванията на DMA ще се извършват с помощта на NETZSCH DMA Eplexor®, свързан към Hygromator (допълнителен генератор на влажност).
Желатин, негов произход, функционални свойства и алтернативи
Традиционно желатинът [1, 2] е основният компонент на плодовите гумени бонбони. Той основно сгъстява течните ароматизиращи съставки и, когато се използва правилно, осигурява подходящо за консумация разтапяне и твърдост на захапката, както и температура на топене. По принцип "гумените животинки" се изливат и - преди преминаването във вискоеластична фаза - съществуват в разтопена форма в края на процеса на формоване.
Желатинът се среща не само в плодовите гумени бонбони, но и в много други хранителни продукти, например нискокалорични храни, кисело мляко, майонези, аспики, месни пасти и много сладкиши. В исторически план желатинът се е използвал и като лепило в продължение на хиляди години.
Желатинът е естествена храна, която се състои основно от колагенов протеин. Белтъците изпълняват три много различни функции в живите организми: а) като структурни белтъци (= склеропротеини), б) като мембранни белтъци и в) като кълбовидни белтъци (= сферопротеини). Колагенната версия е член на склеропротеините и се състои от 3 преплетени полипептидни вериги (тройна спирала). Когато тези вериги се групират, се образуват колагенови фибрили; те всъщност се превръщат в триизмерни мрежи благодарение на напречните връзки, които възникват между тройните спирали и по този начин се стабилизират механично.
Разграждането на колагена на отделни полипептидни вериги е необходимо за производството на желатин. Поради неразтворимостта на омрежването във вода това е сложен процес, който изисква използването на химикали. +
Производството на желатин започва с колаген от животински произход. Животинските протеини произхождат от костите или се вземат от долните слоеве на кожата. Погледнат на микроскопично ниво, колагенът се отличава със спираловидни структури, които след това се омекотяват в химико-термичен процес, за да могат да бъдат отделени (известен като мацерация). Резултатът е "деминерализиран" скрап, наречен осеин, който е същинската суровина, от която се произвежда желатинът.
Производството на желатин позволява да се постигне различна сила на желиране за различни приложения. Силата на желиране се описва с "числото на Блум". Тъй като силата на желиране, а оттам и числото на Блум, зависят от температурата, може да се избере най-подходящият желатин за даден продукт. За по-твърди плодови дъвки се използва желатин с по-високо число на Блум, отколкото за по-меки видове, които съдържат желатин с ниско число на Блум.
Желатинът е хидроколоид и може както да свързва вода, така и да набъбва във вода. Той сгъстява, желира, стабилизира, изключително еластичен е и има термообратимо поведение, т.е. желатинът желира при охлаждане и се топи при нагряване. Това свойство се използва и при производството на "гумени мечета" и беше изследвано и оценено при проведените тук измервания. Температурата на топене също е от особено значение за потребителя. В края на краищата "гуменото животно" трябва да се разтопи в устата и същевременно да има определена твърдост.
Започнало е търсенето на алтернативи - свързващи вещества от чист растителен произход, които имат свойства, подобни на тези на желатина, но все още не е намерен пълноценен заместител. Съществува необходимост от рутинни методи за изпитване, за да се опишат по-добре алтернативните свързващи вещества и тяхното въздействие върху материала [1], [2].
В момента като свързващи вещества от чист растителен произход се използват, наред с други, следните материали с цел да заменят желатина [3]:
- Агар-Агар: Заместител на желатина
- Aquafaba: гъста вода за варене на нахут, боб и други бобови растения на растителна основа; заместител на яйцата
- Пектин: разтворими фибри и желиращ агент на растителна основа - картофено нишесте: свързващи вещества
- Царевично нишесте: Заместител на нишестето, обикновено не съдържа глутен и лактоза
- Псилиеви люспи: На растителна основа: набухвател
- Саго: Гранулирано нишесте от маниока и картофи; безвкусен сгъстител
- Боб от скакалци (гума): Естествен сгъстител
- Гума за зъби: Сгъстяващ и свързващ агент (E 412)
- Караген: Растителен желиращ и сгъстяващ агент (Е407), получен от червени водорасли
- Алгинат: Сгъстяващ, желиращ и покривен агент (E 400 до E 405), получен от водорасли
- Ксантанова гума: Естествен полизахарид, добавка, произведена от бактерии (E 4015), за използване като желиращ и сгъстяващ агент
- Нишесте от стрелички: Безглутенов свързващ агент; заместител на яйцата
Тези алтернативи също са хидроколоиди като желатина. Те се използват в хранително-вкусовата промишленост поради функционалните си свойства; тези свойства обаче не са толкова всеобхватни, че да позволяват общо заместване на желатина с тях [2].
Тъй като при веганските плодови дъвки също се използват свързващи вещества, които досега са били рядко срещани, а ефектът им все още не е добре проучен, в тази област съществува необходимост от включване на продукти с вегански свързващи вещества в изследванията.
Резултати от динамично-механичното изпитване с помощта на NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
Плодовите дъвки бяха подбрани, доколкото бяха налични във форми, които могат лесно да се изследват при изпитването на опън. Другите бяха издълбани във форма, подходяща за изпитване в охладено състояние.
Промените в напречното сечение по време на изпитването и площите на напречното сечение, които не могат да бъдат точно регистрирани за образци с неправилна форма, не влияят на затихването и следователно на температурата на омекване.
Параметри на измерването
В първата част на теста бяха извършени температурни промени в диапазона от приблизително -60°C до +40°C на всички проби от плодови дъвки с помощта на DMA Eplexor®, за да може да се сравнят температурно зависимата стабилност (комплексен модул на еластичност или просто модул Е) и свързаната с нея вискоеластичност на различните плодови дъвки. За тази цел пробите първоначално се охлаждат до около -60 °C в инструмента за изпитване. За да се установи постоянна температура в пробата, във всеки случай преди измерването се задава изотермична фаза от 15 min, последвана от измерване със скорост на нагряване 0,5 K/min. Измерванията на температурата се извършват в близост до образеца с камерния термометър, който е разположен в камера за проби с интензивна циркулация на въздуха.
Във втората част на експеримента се изследва динамично-механичното поведение на проба от веган от Германия и проба на желатинова основа от Нидерландия по време на сушене и при абсорбиране на влага в Eplexor®, оборудвана с Hygromator (камера за влажност).
Поведение на плодови дъвки в зависимост от температурата
Немските гумени мечета се предлагат като веган (зелени, наречени "лентички") и на желатинова основа (червени, наречени "пържени картофки") за измерванията на DMA.
Забелязва се (фигура 1), че веганските плодови гумени мечета показват по-висок модул на Юнг при всички температури, т.е. те са по-твърди от гумените мечета на желатинова основа. Освен това омекването на веганските лентички (зелена крива, Tg = 11,6°C) се случва при по-високи температури, отколкото при пържените картофки на желатинова основа (червена крива, Tg= -0,4°C).
Тази обективна констатация съответства и на сетивните резултати от отхапването и дегустацията: Веган пробите са по-твърди на захапка, докато пробите на желатинова основа имат по-интензивен вкус при разтопяване.
Холандски гумени мечета
В Нидерландия са налични версии на желатинова основа за тестване. Частично неправилната геометрия на гумените мечета се оформя във вид на проба чрез пробиване, когато са в охладено състояние. При обработката тези продукти се отличават като сравнително твърди плодови гумени мечета. Измерените точки на омекване са в диапазона от -6°C до 0°C.
На фигура 2 са показани различните криви на измерване на модула |E*| и демпфирането. Меката гума (синята крива) показва разлики в температурата на омекване (-2,4°C) в сравнение с другите два вида плодови гуми - Liane- Cassis (-5,1°C, червена крива) и Strawberry (-4,9°C, зелена крива). Ето защо пробата от мека дъвка се отличава с най-широката крива на овлажняване и най-ранния спад на модула на Юнг в зависимост от температурата. По този начин пробата от мека дъвка има най-ниско овлажняване в диапазона на стайната температура от всички сравнявани проби и материалът изглежда по-мек за потребителя от ягодата и лианата-касис.
Въпреки че овлажняването е много сходно за типовете Liane-Cassis и Strawberry, модулът Е на Strawberry е винаги по-висок от този на Liane-Cassis, което се отразява и на твърдостта при отхапване.
По-ниската демпфираща способност (tan δ) на образеца Liane-Cassis (червените криви) може да се види на практика поради по-дългия процес на топене и деформация, отколкото този на ягодата (зелената крива). Освен това Liane-Cassis проявява по-интензивен адхезивен ефект към зъбите.
Австралийски и новозеландски вегански проби
И двата образеца се предлагат на пазар с високи средни външни температури, което поставя специални изисквания към стабилността на размерите и лепкавостта на плодовите дъвки. И двата образеца се предлагат под формата на кубове или фолио, които вече са пригодени за изпитването на опън, и трябва само да бъдат нарязани или допълнително сгънати, за да се регулира дебелината на образеца за извършване на изпитването. Докато единият образец (зелените криви) е изрично обозначен като веган, вторият образец (сините криви) не заявява изрично тази претенция.
Очевидно е (фигура 3), че продуктите от Океанския регион се отличават с най-високи температури на омекване (19,6°C и 24,3°C) от всички изследвани плодови дъвки. По-специално, кубовидните проби са относително твърди до точката на замръзване и имат най-висок модул Е.
Руски плодови дъвки на основата на желатин за студени климатични райони
Двата изследвани тук руски плодови гумени бонбона на основата на желатин са с формата на мечки (сини криви) и червеи (червени криви). Формата на мечето изискваше пробиване, докато червеите можеха да се поставят директно в DMA. Въпреки че омекването на червеите започва при малко по-високи температури (Tg = -0,9 °C, червена крива) от това на мечетата (Tg = -4,4 °C, синя крива), двете проявяват сходна твърдост по време на омекването.
Модулът Е на мечките при температурите на сервиране е по-нисък от този на червеите (сини криви, фигура 4) поради материала. Червеите омекват при малко по-високи температури (3,5 °C, червени криви) от мечките. Съответно вкусовите свойства на двата вида плодови дъвки също са много сходни.
Поведение на плодовите дъвки, зависещо от влажността
Зависимостта на пробите от влагата се изследва, както и при температурните промени, в режим на опън при 35°C. Температурата се поддържа постоянна по време на целия експеримент.
На първия етап от експеримента вегетарианските немски и холандски проби на основата на желатин са изложени на влажност в камерата от 20 % RH, която се генерира и поддържа постоянна от NETZSCH GABO Hygromator (генератор на влажност).
Тази стъпка съответства на процеса на сушене, за да се достигне от влажността на околната среда, която в тези страни е около 50-60 % RH в зависимост от сезона, до "почти" изсушено състояние при 20 % RH. За тази серия от изпитвания плодовите дъвки, които ще се изпитват, трябва да са налични в изсушено състояние с идентична влажност за целите на сравнението. За тази цел двата образеца бяха изсушени за около 1 час и беше отчетен времевият ход на техния модул на Юнг. Изсушените по този начин проби се подлагат също така на влажност в камерата от 50 % за около един час и след това на влажност в камерата от 90 % за още един час. Получените в резултат на това времеви промени в модула на Юнг и влажността в камерата, преобладаваща във всеки един момент от време, са показани на фигура 5 за веган (червени криви) и проба, съдържаща желатин (сини криви).
На фигура 5 е показано сходно времево поведение за плодовите гумени бонбони на веганска и желатинова основа, като при настоящите изследвания веганските видове винаги показват по-висок модул на Е и по-ниска чувствителност към влага. Общото и за двете е увеличаването на модула Е при сушене (тук при 20 % RH) и намаляването му при излагане на влага (тук при 50 % RH и 90 % RH). За образците, изсушени при 20 % RH, овлажняването се проявява още при изваждането им от склада при 50 % RH, както се вижда от хода на модула E.
Резюме
NETZSCH DMA Eplexor® предлага рутинна процедура за оценка на потребителски значими свойства на продукти като плодови дъвки, като по този начин служи за подобряване на продуктите и разработване на нови.
Температурните зависимости на модула Е (твърдост) и демпфирането са тясно свързани с поведението на плодовите гумени бонбони при твърдост и захапване и при топене. От друга страна, познаването на зависимостите от влажността е по-ценно за оценка на условията на съхранение.
За разработването на по-нататъшни видове плодови дъвки, особено с нови свързващи вещества за клиенти вегани, динамично-механичният анализ предлага възможност за предварително записване на термичните и механичните свойства в лабораторията и по този начин за по-целенасочено и по-бързо пускане на продуктите на пазара. Условията на съхранение и обработка, заедно с параметрите на влагата и температурата, могат освен това да бъдат симулирани чрез измервания на DMA.