Jak funguje sýr! Od optimálních podmínek skladování až po dokonalé roztavení.

Úvod

Tepelná analýza má v potravinářském a nápojovém průmyslu zásadní význam pro vývoj receptur, optimalizaci výrobních procesů, kontrolu kvality, zkoumání skladovacích podmínek a stanovení trvanlivosti výrobků. Základní průmyslový proces výroby sýra spočívá v naočkování pasterizovaného mléka enzymem syřidlem za účelem sražení mléka. Sýřenina se poté oddělí od syrovátky, rozemele a zpracuje do požadovaného tvaru, než se nechá zrát (je-li zrání požadováno). Sýr má velmi jedinečnou strukturu, v níž jsou tukové kuličky suspendovány v micelách tvořených bílkovinou kaseinem (hlavní bílkovinou v mléce). Z hlediska složení vede přidání různých polymerů k odlišným senzorickým vjemům a vlastnostem; příkladem je přidání kyseliny hyaluronové do sýra na pizzu [1].

V této studii jsme se snažili prozkoumat, jak jednoduchý způsob skladování, jako je zmrazení, ovlivňuje vlastnosti různých druhů sýrů. Chlazení i zmrazení jsou klíčové procesy při výrobě a distribuci sýrů, stejně jako při jejich skladování v domácnosti. Dále jsme chtěli zjistit, zda lze měřit vlastnosti roztaveného sýra při roztahování, abychom mohli posoudit jeho chování v pokrmech, jako je pizza a grilovaný sýr.

Dynamická mechanická analýza (DMA) se primárně používá k analýze viskoelastických vlastností polymerních materiálů, ale využívá se také k měření kovů, keramiky nebo k simulaci specifických mechanických podmínek. NETZSCH DMA 303 Eplexor^® je univerzální stolní přístroj schopný měřit v teplotním rozsahu od -170 °C do 800 °C (-274 °F až 1472 °F) při působení síly v rozmezí od 1 mN do 50 N, a pracovat při frekvencích od 0,001 do 150 Hz. V tomto příkladu bylo zařízení použito k měření mechanických vlastností bílého čedaru a parmazánu před a po cyklu zmrazení a rozmrazení.

Měření vlivu skladovacích podmínek a teploty na mechanické vlastnosti pevného sýra však představuje pouze polovinu příběhu o tom, jak tento produkt konzumujeme. Byly také změřeny vlastnosti roztaveného bílého čedaru při protažení, aby se určilo jeho chování při vaření, například při přípravě grilovaného sýra nebo fondue.

NETZSCH zaujímá jedinečné postavení v oboru reologie tím, že nabízí jak konvenční rotační/oscilační reometry, tak kapilární reometry s vysokou silou: Společně tyto přístroje pokrývají rozsah více než šesti řádů v rychlostech smyku. Pomocí konfigurace s dvojitým válcem a tryskou nulové délky lze současně stanovit smykovou a deformační viskozitu jako funkci smykové rychlosti. V tomto případě byly měřeny korigované deformační vlastnosti roztaveného bílého čedaru jako funkce smykové rychlosti.

Testování metodou DMA za účelem stanovení vlivu zmrazení na vlastnosti sýra

Sloupky bílého čedaru a parmazánu byly testovány v režimu stlačení, jak je znázorněno na obrázku 1, za účelem stanovení jejich mechanických vlastností v závislosti na teplotě. K určení modulu akumulace (E’) vzorků sýrů, který popisuje schopnost materiálu akumulovat energii, modulu ztráty (E”), který popisuje schopnost materiálu rozptylovat energii (obvykle prostřednictvím tepla vznikajícího vnitřním třením), a tlumicího faktoru (tan δ), který představuje poměr modulu ztráty k modulu akumulace a popisuje schopnost materiálu elasticky nebo viskózně se deformovat v reakci na působící sílu. Konečně Komplexní modulKomplexní modul se skládá ze dvou složek, a to z modulu skladovatelnosti a modulu ztrát. Skladovací modul (neboli Youngův modul) popisuje tuhost a ztrátový modul popisuje tlumicí (neboli viskoelastické) chování příslušného vzorku pomocí metody dynamické mechanické analýzy (DMA). komplexní modul (označovaný |E|, matematicky jako odmocnina součinu čtverců E’ a E”) představuje jednoduchý způsob, jak porovnat celkovou tuhost mezi vzorky v závislosti na teplotě.

V této studii byl vzorek bílého čedaru nebo parmazánu měřen při teplotách od 20 do 55 nebo 65 °C (v závislosti na bodu tání) poté, co byl pouze uchováván v chladničce při teplotě 4 °C. Abychom pochopili vliv cyklu zmrazení a rozmrazení, byly vzorky bílého čedaru a parmazánu přes noc skladovány při teplotě -20 °C, poté byly rozmraženy a analyzovány podle stejného teplotního programu. Výsledek cyklu zmrazení a rozmrazení na vlastnosti bílého čedaru je znázorněn na obrázku 2 a na parmazánu na obrázku 3.

Z obrázků 2 a 3 je patrný jasný rozdíl mezi sýry (po pouhém skladování v chladničce), parmazán má výrazně vyšší hodnoty modulu pružnosti ve srovnání s bílým čedarem (E’ 3,02 oproti 0,39 MPa při 25 °C), což je v souladu s očekáváním, jelikož parmazán je klasifikován jako tvrdý sýr. Oba sýry také vykazovaly vyšší hodnoty modulu pružnosti a tlumicích faktorů po cyklu zmrazení a rozmrazení (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 parmazánu se zvýšil z 3,02 na 3,87 a bílého čedaru z 0,39 na 0,60 MPa při 25 °C), což naznačuje, že skladovací podmínky ovlivňují materiál a činí jej výrazně tužším.

Tabulka 1 shrnuje výsledky jednotlivých vzorků při zvolené teplotě 25 °C. Pochopení vzájemného působení parametrů E’ a E” je důležité pro pochopení toho, jak bude sýr vnímán při žvýkání, zda bude klást odpor, nebo se snadno poddá síle vyvíjené zuby [2].

Tabulka 1: Přehled hodnot E', E'' a tan δ pro bílý čedar a parmazán při teplotě 25 °C

Je zajímavé, že efekt zvýšené tuhosti po zmrazení je výraznější při pokojové teplotě, ale při zahřívání vzorků se výrazně snižuje (obrázky 2c a 3c).

Na závěr je důležité poznamenat, že přístroj DMA 303 Eplexor^® je schopen dosáhnout kryogenních teplot, a proto by bylo možné cyklus zmrazení a rozmrazení provést přímo v tomto přístroji. Ukázalo se však, že sloupce sýra ztvrdly natolik, že k jejich dynamické deformaci byla zapotřebí větší síla, než jakou byl přístroj schopen poskytnout. Ke studiu těchto materiálů během zmrazování je zapotřebí přístroj s vyšší silou, jako je například DMA 503 Eplexor^®.

Kapilární reometrie, extruze a zkoušky odtahu

K apikární reometry řady NETZSCH Rosand RH2000 a RH7/10 se obvykle používají k určení viskozity polymerů v roztaveném stavu. V tomto případě jsme se pokusili změřit viskozitu roztaveného sýra, například bílého čedaru (parmazán se neroztaví tak dobře), v závislosti na smykové rychlosti. Měření vzorku proběhlo při teplotě 65 °C, jelikož se jedná o běžnou teplotu používanou při přípravě fondue, což je případ, kdy na tažnosti sýra opravdu záleží.

Kromě základních měření viskozity jsou přístroje Rosand také schopny s využitím různých příslušenství a matematických modelů určit další vlastnosti, jako je odtahová síla, bobtnání v trysce a viskozita při protažení. Díky konstrukci s dvojitým otvorem přístrojů Rosand lze použít dlouhou trysku a trysku s otvorem k současnému měření vzorku a výpočtu smykové a roztažné viskozity pomocí Cogswellova modelu. Z praktického hlediska to ukazuje, do jaké míry lze roztavenou hmotu protahovat při dané smykové rychlosti, tedy jak moc se roztavený sýr protáhne, když se plátek pizzy odtrhává danou rychlostí. Smykové a roztažné vlastnosti bílého čedaru jsou znázorněny na obrázku 4. Bílý čedar vykazoval vlastnost typickou pro polymery, a to smykové zředění; viskozita vzorku klesala s rostoucí smykovou rychlostí.

U newtonovských materiálů je dobře známo, že roztažná viskozita materiálu je třikrát vyšší než jeho smyková viskozita. U polymerních tavenin je poměr roztažné viskozity ke smykové viskozitě mnohem vyšší a pohybuje se až v řádu několika řádů. V tomto případě bylo zjištěno, že bílý čedar má velmi vysokou viskozitu při tažení, která je několik tisíc krát vyšší než viskozita při smyku. Z praktického hlediska to znamená, že bílý čedar zůstává při smyku vysoce viskózní (přirovnejte si to k medu a vodě) a proto se méně snadno přetrhne. Čím rychleji je čedar podroben smykovému namáhání, tím více se tažná viskozita snižuje. Při optimalizaci tažení sýra tedy udržení dostatečně vysoké teploty a pomalé tažení maximalizuje vzdálenost, na kterou lze čedar natáhnout.

Shrnutí

Tepelné analýzy hrají v potravinářském a nápojovém průmyslu klíčovou roli, neboť pomáhají ve všech fázích od vývoje receptury až po stanovení doby trvanlivosti. V tomto článku jsme demonstrovali, jak lze různé přístroje společnosti NETZSCH využít nejen k pochopení vlivu skladovací teploty na vlastnosti bílého čedaru a parmazánu, ale také k měření vlastností taveniny, jako je například prodloužení bílého čedaru. Pomocí DMA 303 Eplexor^®®byly porovnány mechanické vlastnosti bílého čedaru a parmazánu v různých teplotních rozmezích. Dále bylo prokázáno, že cyklus zmrazení a rozmrazení u obou sýrů významně zvyšuje jejich 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, což je důležitý faktor při přepravě a manipulaci s produktem. K modelování vlastností roztaveného bílého čedaru, konkrétně jeho tažnosti, byl použit model „ Rosand RH2000 “. Z pohledu uživatele se v podstatě jedná o model vaření a následného „tažení“ sýra, což je klíčová proměnná pro marketing a výkonnost.