Въведение
Термичният анализ е от решаващо значение за хранително-вкусовата промишленост при разработването на рецептури, оптимизирането на производствените процеси, контрола на качеството, проучването на условията за съхранение и определянето на срока на годност на продуктите. Основният промишлен процес за производство на сирене включва добавянето на ензима сирище към пастьоризираното мляко с цел предизвикване на коагулация. След това сиренината се отделя от суроватката, смила се и се обработва до получаване на желаната форма, преди да бъде подложена на зреене (ако се изисква зреене). Сиренето има много уникална структура, при която мастните глобули са суспендирани в мицели, образувани от протеина казеин (основният протеин в млякото). От гледна точка на рецептурата добавянето на различни полимери води до различни сензорни възприятия и свойства, като пример за това е добавянето на хиалуронова киселина към сиренето за пица [1].
В настоящото проучване се опитахме да изследваме как един прост фактор при съхранението, като замразяването, влияе върху свойствата на различни видове сирена. Съхранението на студено и замразяването са критични процеси както за производството и дистрибуцията на сирене, така и за начина, по който сиренето се съхранява в домашни условия. Освен това искахме да проучим дали можем да измерим свойствата на разтягане на разтопеното сирене, за да оценим неговото поведение в ястия като пица и препечено сирене.
Динамичният механичен анализ (DMA) се използва предимно за анализ на вискоеластичните свойства на полимерните материали, но се прилага и за измерване на метали, керамика или за симулиране на специфични механични условия. NETZSCH DMA 303 Eplexor® е универсално настолно устройство, способно да измерва в температурен диапазон от -170 °C до 800 °C (-274 °F до 1472 °F), като прилага сила в диапазона от 1 mN до 50 N, и работи при честоти от 0,001 до 150 Hz. В този пример то беше използвано за измерване на механичните свойства на бял чедър и пармезан преди и след цикъл на замразяване и размразяване.
Въпреки това, измерването на това как условията на съхранение и температурата влияят върху механичните свойства на твърдото сирене е само половината от историята за това как се наслаждаваме на продукта. Бяха измерени и свойствата на разтягане на разтопения бял чедър, за да се определи неговото поведение при готвене, например при приготвяне на сандвич с гриловано сирене или фондю.
NETZSCH заема уникална позиция в областта на реологията, като предлага както конвенционални ротационни/осцилаторни реометри, така и капилярни реометри с висока сила: Заедно тези инструменти обхващат диапазон от повече от шест порядъка по отношение на скоростите на срязване. Чрез използването на конфигурация с двоен цилиндър и дюза с нулева дължина вискозитетите при срязване и деформация могат да бъдат определени едновременно като функция на скоростта на срязване. В този случай коригираните свойства на разтегляне на разтопения бял чедър бяха измерени като функция на скоростта на срязване.
DMA тестове за определяне на влиянието на замразяването върху свойствата на сиренето
Колони от бял чедър и пармезан бяха тествани в режим на натиск, както е показано на фигура 1, с цел определяне на техните механични свойства в зависимост от температурата. Използвана е DMA за определяне на модула на съхранение (E’) на пробите от сирене, който описва способността на материала да съхранява енергия, модула на загуба (E”), който описва способността на материала да разсейва енергия (обикновено чрез топлина, генерирана от вътрешно триене), както и фактора на затихване (tan δ), който представлява съотношението между модула на загуба и модула на съхранение и описва способността на материала да се деформира еластично или вискозно под въздействието на приложена сила. Накрая, комплексният модул (обозначен като |E|, математически изразен като корен от сумата на квадратите на E’ и E”) е прост начин за сравняване на общата твърдост между пробите в зависимост от температурата.
В настоящото проучване проба от бял чедър или пармезан беше подложена на измерване при температура от 20 до 55 или 65 °C (в зависимост от точката на топене), след като беше съхранявана единствено в хладилник при 4 °C. За да се разбере ефектът от цикъла на замразяване и размразяване, проби от бял чедър и пармезан бяха съхранявани при -20 °C през нощта, преди да бъдат размразени и анализирани съгласно същата температурна програма. Резултатът от цикъла на замразяване и размразяване върху свойствата на бялото чедър е показан на фигура 2, а върху тези на пармезана – на фигура 3.
От фигури 2 и 3 се вижда ясна разлика между сирената (след съхранение само в хладилник), пармезанът има значително по-високи стойности на модула в сравнение с белия чедър (E’ от 3,02 срещу 0,39 MPa при 25 °C), както може да се очаква, тъй като пармезанът се класифицира като твърдо сирене. И двете сирена също така имаха по-високи стойности на модула и факторите на затихване след цикъл на замразяване и размразяване (E’ на пармезана се е увеличил от 3,02 на 3,87, а на белия чедър – от 0,39 на 0,60 MPa при 25 °C), което подсказва, че условията на съхранение оказват влияние върху материала и го правят значително по-твърд.
В таблица 1 са обобщени резултатите за всяка проба при избрана температура от 25 °C. Разбирането на взаимодействието между E’ и E” е важно за осмислянето на това как сиренето ще се възприема по време на дъвчене – дали ще окаже съпротива или лесно ще се поддаде на силата, упражнявана от зъбите [2].
Таблица 1: Обобщение на стойностите на E', E'' и tan δ за бял чедър и пармезан при 25 °C
| Променлива | Незамразени | Замразени и размразени | Увеличение след замразяване |
|---|---|---|---|
Бял чедър | |||
| E' (MPa) | 0,39 | 0,60 | 1,54 |
| E'' (MPa) | 0,13 | 0,22 | 1,69 |
| tan δ | 0,36 | 0,37 | 1,12 |
Пармезан | |||
| E' (MPa) | 3,03 | 3,87 | 1,28 |
| E'' (MPa) | 1,10 | 1,50 | 1,36 |
| tan δ | 0,36 | 0,39 | 1,08 |
Интересно е да се отбележи, че ефектът от повишената твърдост след замразяване е по-изразен при стайна температура, но значително намалява при нагряване на пробите (фигури 2в и 3в).
Накрая е важно да се отбележи, че DMA 303 Eplexor® е способен да достига криогенни температури и следователно цикълът на замразяване-размразяване може да бъде извършен в самия уред. Беше установено обаче, че колоните от сирене стават толкова твърди, че за динамичната деформация се изисква по-голяма сила, отколкото уредът може да осигури. За изследване на тези материали по време на замразяване е необходим уред с по-голяма сила, като например „ DMA 503 Eplexor® “.
Капилярна реометрия, екструзия и изпитване при изтегляне
Капилярните реометри от сериите „ NETZSCH “ Rosand RH2000 и „RH7/10“ обикновено се използват за изследване на вискозитета на полимерите в разтопено състояние. В настоящия случай се опитахме да измерим вискозитета на разтапящо се сирене, като например бял чедър (пармезанът не се разтапя добре), в зависимост от скоростта на срязване. Пробата беше измерена при 65 °C, тъй като това е обичайната температура, използвана за фондю – случай, при който разтегливостта на сиренето е от голямо значение.
Освен основните измервания на вискозитета, уредите на Rosand могат да използват и различни аксесоари и математически модели за определяне на допълнителни свойства, като сила на изтегляне, набъбване на матрицата и вискозитет при разтягане. Благодарение на конструкцията с двойна тръба на Rosand могат да се използват дълъг матричен отвор и матрица с отвор за едновременно измерване на пробата и изчисляване на срязващата и разтеглителната вискозитет по модела на Когсуел. От практическа гледна точка това показва колко може да се разтегне разтопената маса при дадена скорост на срязване, т.е. колко ще се разтегне разтопеното сирене, когато парче пица се издърпва с определена скорост. Свойствата при срязване и разтягане на бялото чедър са показани на фигура 4. Бялото чедър прояви типично за полимерите свойство – срязващо разреждане; вискозитетът на пробата намаляваше с увеличаване на скоростта на срязване.
За нютоновите материали е добре известно, че вискозитетът при разтягане на материала е три пъти по-висок от вискозитета при срязване. При полимерните разтопи съотношението между вискозитета при разтягане и вискозитета при срязване е много по-високо, като достига до няколко порядъка величина. В настоящото изследване беше установено, че белият чедър има много висока вискозитет при разтягане, която е няколко хиляди пъти по-висока от вискозитета при срязване. От практическа гледна точка това означава, че белият чедър остава силно вискозен (помислете за сравнението между мед и вода) при срязване и следователно е по-малко вероятно да се скъса. Когато чедърът се подлага на срязване с по-висока скорост, вискозитетът при разтягане намалява. Следователно, при оптимизиране на разтягането на сиренето, поддържането на достатъчно висока температура и бавното разтягане ще максимизират разстоянието, на което чедърът може да бъде разтегнат.
Обобщение
Термичният анализ е от ключово значение в хранително-вкусовата промишленост, като подпомага всички етапи – от разработването на рецептурите до определянето на срока на годност. В настоящата статия демонстрирахме как различните уреди на „ NETZSCH “ могат да се използват не само за да се разбере как температурата на съхранение влияе върху свойствата на белия чедър и пармезана, но и за измерване на свойствата в разтопено състояние, като например удължението на белия чедър. С помощта на DMA 303 Eplexor®®, механичните свойства на бялото чедър и пармезан бяха сравнени в диапазон от температури. Освен това беше показано, че ефектът от цикъл на замразяване и размразяване върху двата вида сирена значително увеличава техния модул на еластичност, което е важен фактор при транспортирането и обработката на продукта. Rosand RH2000 беше използван за моделиране на свойствата на разтопения бял чедър, по-специално свойствата му при разтягане. От гледна точка на потребителя това по същество е модел за готвене и последващото „разтягане“ на сиренето – критична променлива за маркетинга и характеристиките на продукта.