Úvod
Dynamická mechanická analýza (DMA) se primárně používá k analýze polymerních materiálů, ale tuto techniku lze použít i v celé řadě dalších oblastí. Patří mezi ně rozmanité aplikace v potravinářském a nápojovém průmyslu - například analýza složení gumových medvídků, jak ukázali Mucha et al [1]. V průmyslu se mechanická charakterizace často používá k hodnocení kvality a konzistence výrobků v potravinářském průmyslu. DMA 303 Eplexor®® je univerzální stolní přístroj schopný měřit v teplotním rozsahu od -170 °C do 800 °C (-274°F až 1472°F) s celkovou silou 50 N (statická plus dynamická), takže se pro takové aplikace dokonale hodí.
Každému člověku, který si objedná steak, řekne, jakým způsobem by měl být správně a špatně připraven. Potíž je v tom, že každá osoba, které se zeptáte, bude mít jinou odpověď. Pokud jde o dobrý steak, existují obvykle dvě hlavní proměnné: křehkost a šťavnatost. Křehkost je v podstatě mechanická vlastnost, která popisuje, jak je maso měkké a žvýkavé. Šťavnatost steaku závisí na obsahu a rozložení tuku, procesu zrání a způsobu přípravy. Pokud jde o propečenost, vnitřní teplota steaku je 125 °F (52 °C) pro rare, 130-135 °F (54-57 °C) pro medium-rare, 135-140 °F (57-60 °C) pro medium, 140-150 °F (60-66 °C) pro mediumwell a 155 °F (68 °C) nebo vyšší pro well-done [2]. Každý sice ví, že čím déle se steak připravuje, tím je tužší, ale jak to vlastně měříme? Je možné kvantitativně posoudit, jak moc je steak v průběhu pečení měkký?
Kromě prosté doby přípravy existuje několik dalších faktorů, které ovlivňují kvalitu výsledného pokrmu. Dražší kusy obvykle pocházejí z oblastí s méně namáhanou svalovinou, což vede k lepší křehkosti. Kromě toho hraje významnou roli obsah tuku v mase. Větší mramorování vede ke šťavnatějšímu a křehčímu masu, zatímco libovější kusy mají větší hustotu svalových vláken s větším množstvím bílkovin, ale celkově jsou tužší.
Pro stanovení dynamicko-mechanických vlastností vzorků steaků jsme se rozhodli zkoumat relativně levný kus masa zvaný "skirt-steak", který je dobře známý svým vysokým obsahem svalových vláken.
Měli jsme dva hlavní cíle:
a) zjistit, jak velký vliv má vnitřní teplota na mechanické vlastnosti, a
b) jak uspořádání vláken ovlivňuje vnímání křehkosti. Kromě vědecké zvědavosti jsou podobné údaje důležité pro kontrolu kvality a pro nová průmyslová odvětví, která navrhují alternativy/náhradní produkty z masa.
Zkoumání propečení DMA
K měření byly připraveny vzorky syrového steaku z kýty (průměr 13 mm, výška 6 mm), obrázek 1a). Vzorky byly měřeny v kompresi, aby se co nejlépe simulovalo, jak by byl vzorek vnímán při žvýkání. Termočlánek DMA byl vložen přímo do středového bodu vzorku pro měření vnitřní teploty, obrázek 1b). Pro počáteční zploštění vzorku a zajištění rovnoměrné kontaktní plochy s tlakovou tyčí byla použita kontaktní síla 1,0 N. Byla použita dynamická amplituda 20 μm s proporcionálním faktorem 1,1 v celém teplotním rozsahu 30-80 °C při rychlosti ohřevu 1 K/min (celková doba trvání 55 minut). Plně uvařený vzorek po zkoušce je zobrazen na obrázku 1c).
Výsledky měření
Výsledky zkoušek v tlaku jsou uvedeny na obrázku 2) a shrnuty podle stupňů zralosti v tabulce 1). Akumulační modul (E') koreluje se schopností materiálu pružně akumulovat energii. Během pečení se E' obvykle zvyšuje, protože steak je pevnější a žvýkavější. Ztrátový modul (E") popisuje rozptyl energie materiálu, obvykle prostřednictvím vnitřního tření a viskózního chování. Vysoký E'' znamená, že steak při deformaci žvýkáním rozptyluje více energie. Hodnoty E' a E" souvisejí se strukturálními změnami, k nimž dochází v průběhu tepelné úpravy: svalová vlákna se smršťují a ztrácejí vodu, což má za následek jak pevnější strukturu, tak zvýšení vnitřního tření.
Tabulka 1: Absolutní modul přetvárnosti a nárůst mechanických vlastností kotoučů z roštěnce v závislosti na vnitřní teplotě a propečenosti
| Propečenost | Vnitřní teplota (°C) | |E| (MPa) | Zvýšení modulu ve srovnání se syrovým |
|---|---|---|---|
| Syrový (blue rare) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Rare | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-vzácné | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-studna | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Dobře zpracované | 72 | 3.74 | 12.7 |
Cílem procesu pečení je proto dosáhnout mírných hodnot E' i E", kdy je steak strukturovaný a příjemně žvýkavý, ale zůstává šťavnatý. Pokud by proces pečení pokračoval déle než do bodu, kdy je maso dobře propečené (zde není uvedeno), kolagen se rozpustí na želatinu a svalová vlákna se uvolní, čímž se sníží tření a E" klesne.
Tlumicí faktor (označený tan δ) je poměr E" k E' a popisuje, jak pružně nebo viskózně se materiál chová. Velikost E' je mnohem větší než E", což naznačuje, že materiál se chová převážně pružně a s rostoucí teplotou se stává tužším. Zajímavé je, že faktor tlumení zpočátku klesá a poté opět roste, což naznačuje, že během procesu vaření dochází při různých teplotách k mírným změnám tlumicích vlastností. Vzhledem k tomu, že během vaření dochází současně ke ztrátě vlhkosti a ztrátě tuku, není tento efekt neočekávaný.
Absolutní hodnota komplexního modulu |E| popisuje celkovou odolnost materiálu proti deformaci při kmitavém namáhání a kombinuje jeho viskózní i elastickou složku. Tabulka 1 shrnuje, jak se tato vlastnost mění s vnitřní teplotou. Propečený steak má 1,5x vyšší Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti v tlaku ve srovnání se syrovým, zatímco dobře propečený má 12,7x vyšší modul. Tento výsledek naznačuje nelineární korelaci křehkosti a s ohledem na vnitřní teplotu.
Vliv vlákniny na křehkost
Samotná propečenost nemá vliv na to, jak křehký bude výsledný steak. Skirt steak je relativně levný kus masa z plátu a bránice krávy, který je známý tím, že je libový a má vysokou hustotu svalových vláken. Proto způsob, jakým je steak nakrájen a servírován, hraje large roli v tom, jak je křehký. Zde jsme testovali vařené kousky steaku ze sukně v tahu, řezané buď podél svalových vláken, nebo proti vláknům, jejichž výsledek je uveden na obrázku 3. Z obrázku 3 je patrné, že vzorek naříznutý v linii svalového vlákna (oranžová čára) má 6,7x vyšší absolutní Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti v tahu než vzorky naříznuté kolmo k orientaci vlákna (modrá čára). Toto zvýšení absolutního modulu pružnosti v tahu koreluje s tím, že maso je méně křehké. Proto jednoduchá technika krájení vařeného steaku na tenké plátky proti směru vláken vede k výrazně křehčímu masu.
Souhrn
DMA 303 Eplexor® nabízí široký frekvenční, silový a teplotní rozsah, což z něj činí ideální přístroj pro dynamicko-mechanická měření v širokém spektru aplikací. Zde jsme popsali schopnost přístroje přesně měřit křehkost kusu steaku jak v tlaku pro simulaci žvýkání, tak v tahu pro zkoumání vlivu směrovosti svalových vláken.
Přístroj DMA 303 Eplexor® lze použít nejen k charakterizaci masa, ale i mnoha dalších typů vzorků v potravinářském a nápojovém průmyslu. Výsledky, jako jsou tyto, lze využít při navrhování rostlinných náhražek masa s cílem co nejlépe napodobit konvenční výrobek.