Úvod
Ovocné gumové bonbony jsou lahodné a chutnají dobře po celý rok, ať už v létě nebo v zimě, na poušti při 50 °C nebo na severním pólu při -40 °C. Bylo by nepříjemné, kdyby se tyto "sladké pochoutky" při vysokých teplotách slepily a vytvořily jakousi soudržnou, lepkavou hmotu - nebo kdyby při jejich kousání v mrazu vypadl zub. Z těchto příkladů je zřejmé, že: Zdá se, že ovocné gumové bonbóny vykazují široké spektrum elastických vlastností, které se pohybují mezi měkkými a tvrdými a jsou také silně ovlivněny teplotou. Pro charakterizaci viskoelastických vlastností se používá dynamická mechanická analýza. Ve spojení s vlhkostní komorou lze rovněž zaznamenat vlivy sušení a zvlhčování na jejich mechanické chování.
Jaké mechanické chování vykazují ovocné žvýkačky z různých klimatických zón?
Ke zkoumání byly k dispozici ovocné gumové bonbony z následujících zemí:
- Německo
- Nizozemsko
- Austrálie
- Nový Zéland
- Rusko
Vedle classic, želatinových ovocných gumových bonbonů jsou ve studiích zahrnuty také veganské druhy. Dynamicko-mechanické chování všech typů bude zaznamenáno a porovnáno při různých teplotách. Měření DMA budou prováděna pomocí přístroje NETZSCH DMA Eplexor® připojeného k HYGROMATOR® (volitelný generátor vlhkosti).
Želatina, její původ, funkční vlastnosti a Alternativy
Hlavní složkou ovocných gumových bonbonů je tradičně želatina [1, 2]. V podstatě zahušťuje ochucující tekuté složky a při správném použití zajišťuje správnou rozplývavost a pevnost na skusu i teplotu tání vhodnou pro konzumaci. Obecně se "gumídci" nalévají a - před přechodem do viskoelastické fáze - existují v roztavené formě na konci procesu formování.
Želatina se vyskytuje nejen v ovocných gumových medvídcích, ale také v mnoha dalších potravinářských výrobcích, např. v nízkokalorických potravinách, jogurtech, majonézách, aspicích, masových pastách a mnoha sladkostech. Historicky se želatina po tisíce let používala také jako lepidlo.
Želatina je přírodní potravina, která se skládá převážně z bílkoviny kolagenu. Bílkoviny plní v živých organismech tři velmi odlišné funkce: a) jako strukturní bílkoviny (= skleroproteiny), b) jako membránové bílkoviny a c) jako globulární bílkoviny (= sféroproteiny). Kolagenní verze patří mezi skleroproteiny a skládá se ze 3 propletených polypeptidových řetězců (trojitá šroubovice). Při shlukování těchto řetězců vznikají kolagenní fibrily; ty se ve skutečnosti stávají trojrozměrnými sítěmi díky příčným vazbám, které vznikají mezi trojitými šroubovicemi, a tím se mechanicky stabilizují.
Rozklad kolagenu na jednotlivé polypeptidové řetězce je nezbytný pro výrobu želatiny. Vzhledem k nerozpustnosti síťování ve vodě se jedná o složitý proces, který vyžaduje použití chemických látek. +
Výroba želatiny začíná kolagenem živočišného původu. Živočišné bílkoviny pocházejí z kostí nebo se odebírají ze spodních vrstev kůže. Při mikroskopickém pohledu se kolagen vyznačuje šroubovicovitými strukturami, které jsou následně změkčeny chemicko-tepelným procesem, aby mohly být odděleny (tzv. macerace). Výsledkem je "demineralizovaný" šrot, nazývaný ossein, který je skutečnou surovinou, z níž se vyrábí želatina.
Výroba želatiny umožňuje realizovat různé síly želírování pro různá použití. Síla želírování se popisuje pomocí "Bloomova čísla". Protože pevnost želírování, a tedy i Bloomovo číslo, závisí na teplotě, lze pro daný výrobek vybrat nejvhodnější želatinu. Pro tužší ovocné gumové bonbony se používá želatina s vyšším Bloomovým číslem než pro měkčí typy, které obsahují želatinu s nízkým Bloomovým číslem.
Želatina je hydrokoloid a může vázat vodu i ve vodě bobtnat. Zahušťuje, želíruje, stabilizuje, je extrémně elastická a vykazuje termoreverzibilní chování; tj. želatina při ochlazení želíruje a při zahřátí taje. Tato vlastnost se používá také při výrobě "gumových medvídků" a byla zkoumána a hodnocena při zde provedených měřeních. Teplota tání má rovněž zvláštní význam pro spotřebitele. Gumové zvířátko se přece musí v ústech rozpouštět a zároveň si zachovat určitou pevnost.
Začaly se hledat alternativy - pojiva čistě rostlinného původu, která mají podobně příznivé vlastnosti jako želatina, ale plnohodnotná náhrada se zatím nenašla. Je třeba zavést rutinní testovací metody, které by lépe popsaly alternativní pojiva a jejich vliv na materiál [1], [2].
V současné době se jako pojiva čistě rostlinného původu s cílem nahradit želatinu používají mimo jiné následující materiály [3]:
- Agar-Agar: Náhrada želatiny
- Aquafaba: hustá voda z cizrny, fazolí a jiných luštěnin na rostlinné bázi; náhrada vajec
- Pektin: rozpustná vláknina a želírující látka na rostlinné bázi bramborový škrob: pojiva
- Kukuřičný škrob: Nahrazuje škrob, zpravidla neobsahuje lepek ani laktózu
- Lupiny psyllia: Složení: rostlinné bobtnavé činidlo
- Ságo: Ságo: granulovaný škrob z manioku a brambor; zahušťovadlo bez chuti
- Svatojánský chléb (guma): Přírodní zahušťovadlo
- Guma z převodovek: Zahušťovadlo a pojivo (E 412)
- Karagen: Rostlinné želírující a zahušťující činidlo (E407), získávané z červených řas
- Alginát: Zahušťovadlo, želírující a potahovací látka (E 400 až E 405), získaná z řas
- Xantanová guma: Přírodní polysacharid, přídatná látka vyráběná z bakterií (E 4015) pro použití jako želírující a zahušťující látka
- Škrob ze šípků: Bezlepkové pojivo; náhrada vajec
Tyto alternativy jsou také hydrokoloidy jako želatina. Používají se v potravinářském průmyslu díky svým funkčním vlastnostem; tyto vlastnosti však nejsou tak komplexní, aby jimi bylo možné želatinu obecně nahradit [2].
Vzhledem k tomu, že veganské ovocné gumové bonbony také používají pojiva, která jsou zatím neobvyklá, a jejich účinek není dosud dobře znám, je v této oblasti potřeba zahrnout do zkoumání i výrobky s veganskými pojivy.
Výsledky dynamicko-mechanické zkoušky pomocí NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
Pokud byly k dispozici ve tvarech, které lze snadno zkoušet při tahové zkoušce, byly podle toho vybrány ovocné gumové bonbony. Ostatní byly vyraženy do tvaru vhodného pro zkoušku ve zchlazeném stavu.
Změny průřezu během zkoušky a plochy průřezu, které nelze u vzorků nepravidelného tvaru přesně zaznamenat, nemají vliv na tlumení, a tedy ani na teplotu měknutí.
Parametry měření
V první části testu byly u všech vzorků ovocných gum provedeny teplotní rozsahy v rozmezí přibližně od -60 °C do +40 °C pomocí DMA Eplexor®, aby bylo možné porovnat teplotně závislou stabilitu (komplexní 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 nebo jen modul E) a související viskoelasticitu různých ovocných gum. Za tímto účelem byly vzorky ve zkušebním přístroji nejprve zchlazeny na teplotu přibližně -60 °C. Pro nastavení konstantní teploty ve vzorku se před měřením vždy nastavila izotermická fáze v délce 15 min, po níž následovalo měření s rychlostí ohřevu 0,5 K/min. Měření teploty se provádí v blízkosti vzorku pomocí komorového teploměru, který je umístěn v komoře se vzorkem s intenzivní cirkulací vzduchu.
Ve druhé části experimentu se zkoumá dynamicko-mechanické chování veganského vzorku z Německa a vzorku na bázi želatiny z Nizozemska během sušení a při absorpci vlhkosti na Eplexor®, který je vybaven HYGROMATOR® (vlhkostní komora).
Chování ovocných gumových bonbonů v závislosti na teplotě
Němečtí gumoví medvídci jsou pro měření DMA k dispozici jako veganští (zelení, tzv. "proužky") a želatinoví (červení, tzv. "hranolky").
Je patrné (obr. 1), že veganské ovocné gumové medvídky vykazují při všech teplotách vyšší Youngův modul, tj. jsou tužší než gumové medvídky na bázi želatiny. Ke změknutí veganských proužků (zelená křivka, Tg = 11,6 °C) navíc dochází při vyšších teplotách než u hranolků na bázi želatiny (červená křivka, Tg= -0,4 °C).
Toto objektivní zjištění odpovídá také senzorickým výsledkům z kousání a ochutnávání: Veganské vzorky jsou na skus pevnější, zatímco vzorky na bázi želatiny mají při rozpuštění intenzivnější chuť.
Holandští gumoví medvídci
V Nizozemsku jsou k dispozici verze na bázi želatiny, které lze testovat. Částečně nepravidelná geometrie gumových medvídků se v ochlazeném stavu vytvaruje do podoby vzorku děrováním. Při manipulaci tyto výrobky vystupují jako poměrně tuhé ovocné gumové medvídky. Naměřené body měknutí se pohybují v rozmezí od -6 °C do 0 °C.
Obrázek 2 ukazuje různé křivky měření modulu |E*| a tlumení. Měkká gumová hmota (modrá křivka) vykazuje rozdíly v teplotě měknutí (-2,4 °C) ve srovnání s dalšími dvěma druhy ovocných gumových hmot, Liane- Cassis (-5,1 °C, červená křivka) a Jahoda (-4,9 °C, zelená křivka). Proto má vzorek měkké gumy zdaleka nejširší křivku tlumení a nejrychlejší pokles Youngova modulu v závislosti na teplotě. Vzorek soft gummy má tedy nejnižší tlumení v rozsahu pokojových teplot ze všech porovnávaných vzorků a spotřebitelům se materiál jeví měkčí než Jahoda i Liane-Cassis.
Zatímco tlumení je u typů Liane-Cassis a Strawberry velmi podobné, modul E u Strawberry je vždy vyšší než u Liane-Cassis, což se odráží i v pevnosti při kousání.
Nižší tlumení (tan δ) vzorku Liane-Cassis (červené křivky) lze v praxi pozorovat díky delšímu procesu tání a deformace než u vzorku Strawberry (zelená křivka). Kromě toho se vzorek Liane-Cassis vyznačuje intenzivnějším adhezním účinkem na zuby.
Australské a novozélandské veganské vzorky
Oba vzorky jsou nabízeny na trhu s vysokými průměrnými venkovními teplotami, což klade zvláštní požadavky na rozměrovou stálost a TackinessLepivost popisuje interakci mezi dvěma vrstvami stejných (autokoheze) nebo různých (koheze) materiálů z hlediska povrchové lepivosti.lepivost ovocných gumových bonbonů. Oba vzorky jsou k dispozici ve formě kostky nebo fólie, která je již vhodná pro zkoušku tahem, a pro provedení zkoušky je třeba je buď rozříznout, nebo dodatečně složit, aby se upravila tloušťka vzorku. Zatímco jeden vzorek (zelené křivky) je výslovně označen jako veganský, druhý vzorek (modré křivky) toto tvrzení výslovně neuvádí.
Je zřejmé (obrázek 3), že výrobky z oceánské oblasti se vyznačují nejvyššími teplotami měknutí (19,6 °C a 24,3 °C) ze všech zkoumaných ovocných gumových bonbonů. Zejména vzorky ve tvaru kostky jsou relativně tuhé až do bodu tuhnutí a mají nejvyšší moduly E.
Ruské ovocné gumové bonbóny na bázi želatiny pro chladné klimatické oblasti
Dvě zkoumané ruské ovocné gumy na bázi želatiny mají tvar medvěda (modré křivky) a červa (červené křivky). Tvar medvěda vyžadoval děrování, zatímco červy bylo možné vložit přímo do DMA. Ačkoli měknutí červů začíná při mírně vyšších teplotách (Tg = -0,9 °C, červená křivka) než u medvídků (Tg = -4,4 °C, modrá křivka), vykazují oba druhy v době měknutí podobnou tuhost.
Modul E medvídků při podávacích teplotách je nižší než u červů (modré křivky, obr. 4), což je dáno materiálem. Červi měknou při mírně vyšších teplotách (3,5 °C, červené křivky) než medvědi. V souladu s tím jsou také chuťové vlastnosti obou typů ovocných gumových medvídků velmi podobné.
Chování ovocných gumových bonbonů v závislosti na vlhkosti
Závislost vzorků na vlhkosti se zkoumá stejně jako u teplotních rozptylů v tahovém režimu při 35 °C. Teplota je po celou dobu experimentu konstantní.
V prvním kroku experimentu jsou veganské vzorky na bázi německé a holandské želatiny vystaveny komorové vlhkosti 20 % RH, která je generována a udržována konstantní pomocí NETZSCH GABO HYGROMATOR® (generátor vlhkosti).
Tento krok odpovídá procesu sušení, aby se z okolní vlhkosti, která je v těchto zemích přibližně 50 % až 60 % RH v závislosti na ročním období, dostala do "kvazi" sušeného stavu při 20 % RH. Pro tuto sérii testů by měly být testované ovocné gumové bonbony k dispozici v sušeném stavu se stejnou vlhkostí pro účely porovnání. Za tímto účelem byly oba vzorky sušeny po dobu přibližně 1 h a byl zaznamenán časový průběh jejich Youngova modulu. Takto vysušené vzorky byly poté také vystaveny vlhkosti v komoře 50 % po dobu přibližně jedné hodiny a poté vlhkosti v komoře 90 % po další hodinu. Výsledné časově závislé změny Youngova modulu a vlhkosti v komoře převládající v každém časovém okamžiku jsou znázorněny na obrázku 5 pro veganský vzorek (červené křivky) a vzorek obsahující želatinu (modré křivky).
Na obrázku 5 je znázorněno podobné časové chování pro veganské a želatinové ovocné gumové bonbony, přičemž veganské typy vykazovaly v rámci těchto šetření vždy vyšší moduly E a nižší citlivost na vlhkost. Společným znakem obou je nárůst modulu E při sušení (zde při 20% relativní vlhkosti) a pokles při vystavení vlhkosti (zde při 50% relativní vlhkosti a 90% relativní vlhkosti). U vzorků vysušených při 20 % relativní vlhkosti se zvlhčení projevuje již po vyjmutí ze skladu při 50 % relativní vlhkosti, jak ukazuje průběh modulu E.
Souhrn
NETZSCH DMA Eplexor® nabízí rutinní postup pro hodnocení spotřebitelsky významných vlastností potravin, jako jsou ovocné gumové bonbony, a slouží tak ke zlepšování výrobků a jejich novému vývoji.
Teplotní závislosti modulu E (tuhosti) a tlumení úzce souvisejí s chováním ovocných gumových bonbonů při tuhnutí a kousání a při tání. Znalost závislostí na vlhkosti má naopak větší hodnotu pro hodnocení podmínek skladování.
Pro vývoj dalších typů ovocných gumových bonbonů, zejména s novými pojivy pro veganské zákazníky, nabízí dynamicko-mechanická analýza možnost zaznamenat tepelné i mechanické vlastnosti v laboratoři s předstihem, a tak uvést výrobky na trh cíleněji a rychleji. Pomocí měření DMA lze dále simulovat podmínky skladování a zpracování spolu s parametry vlhkosti a teploty.