Introduktion
Dynamisk mekanisk analyse (DMA) bruges primært til at analysere polymere materialer, men teknikken kan også anvendes inden for en lang række andre områder. Disse omfatter forskellige anvendelser i fødevare- og drikkevareindustrien - for eksempel analyse af vingummibamseformuleringer, som demonstreret af Mucha et al [1]. I industrien bruges mekanisk karakterisering ofte til at vurdere produktkvalitet og -konsistens inden for fødevareområdet. DMA 303 Eplexor®® er en alsidig desktop-enhed, der kan måle i et temperaturområde fra -170 °C til 800 °C (-274 °F til 1472 °F) med en samlet kraft på 50 N (statisk plus dynamisk), hvilket gør den perfekt egnet til sådanne anvendelser.
Alle, der bestiller en bøf, vil fortælle dig den rigtige og den forkerte måde at tilberede den på. Problemet er, at hver person, du spørger, vil have et forskelligt svar. Når det drejer sig om en god bøf, er der typisk to hovedvariabler: mørhed og saftighed. Mørhed er i bund og grund en mekanisk egenskab, der beskriver, hvor blødt og sejt kødet er. Hvor saftig bøffen er, afhænger af fedtindholdet og -fordelingen, modningsprocessen, og hvordan den er blevet tilberedt. Med hensyn til tilberedning er de indvendige temperaturer for bøffer 125°F (52°C) for rare, 130-135°F (54-57°C) for medium-rare, 135-140°F (57-60°C) for medium, 140-150°F (60-66°C) for mediumwell, og 155°F (68°C) eller højere for well-done [2]. Alle ved, at jo længere tid bøffen er tilberedt, jo hårdere bliver den, men hvordan måler vi egentlig det? Er det muligt kvantitativt at vurdere, hvor mør bøffen er i løbet af tilberedningsprocessen?
Ud over tilberedningstiden er der flere andre faktorer, som har indflydelse på kvaliteten af den endelige ret. Dyrere udskæringer kommer typisk fra områder med mindre trænet muskelmasse, hvilket giver en bedre mørhed. Derudover spiller fedtindholdet i kødet en væsentlig rolle. Øget marmorering fører til saftigere og mere mørt kød, mens magre udskæringer har en større muskelfibertæthed med mere protein, men generelt er et hårdere produkt.
Til bestemmelse af de dynamisk-mekaniske egenskaber ved bøfprøver valgte vi at undersøge en relativt billig udskæring kaldet 'skirt-steak', der er kendt for sit høje indhold af muskelfibre.
Vi havde to primære mål:
a) at se, hvor meget den indre temperatur påvirker de mekaniske egenskaber, og
b) hvordan fibertilpasning påvirker opfattelsen af mørhed. Ud over den videnskabelige nysgerrighed er data som disse vigtige for kvalitetskontrollen og for nye industrier, der designer kødalternativer/erstatninger.
DMA-undersøgelse af mørhed
Prøver af rå skirt steak (13 mm i diameter, 6 mm i højden) blev fremstillet til måling, figur 1a). Prøverne blev målt i kompression for bedst muligt at simulere, hvordan prøven ville blive opfattet, mens den blev tygget. DMA'ens termoelement blev sat direkte ind i midten af prøven for at måle den indvendige temperatur, figur 1b). En kontaktkraft på 1,0 N blev brugt til at flade prøven ud og sikre et jævnt kontaktområde med trykstangen. En dynamisk amplitude på 20 μm blev anvendt med en proportional faktor på 1,1 over temperaturområdet 30-80 °C med en varmehastighed på 1 K/min (55 minutters samlet køretid). Den fuldt kogte prøve efter testning er vist i figur 1c).
Resultater af målinger
Resultaterne af trykprøvningen er vist i figur 2) og opsummeret i tabel 1). Lagringsmodulet (E') korrelerer med materialets evne til elastisk at lagre energi. Under tilberedningen stiger E' typisk i takt med, at bøffen bliver fastere og mere sej. Tabsmodulet (E") beskriver materialets spredning af energi, typisk gennem intern friktion og viskøs opførsel. En høj E'' indikerer, at bøffen afgiver mere energi under deformation ved tygning. Værdierne for E' og E" er forbundet med strukturelle ændringer, der sker under tilberedningsprocessen: Muskelfibrene trækker sig sammen og mister vand, hvilket resulterer i både en fastere tekstur og en stigning i den indre friktion.
Tabel 1: Det absolutte modul og stigningen i de mekaniske egenskaber for nakkestegskiverne i forhold til indre temperatur og gennemstegning
| Stegetid | Indvendig temperatur (°C) | |E| (MPa) | Modulstigning sammenlignet med rå |
|---|---|---|---|
| Rå (blue rare) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Sjælden | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-sjældne | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-godt | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Godt klaret | 72 | 3.74 | 12.7 |
Derfor er målet med tilberedningsprocessen at opnå moderate værdier af både E' og E", hvor bøffen er struktureret og behageligt sej, men stadig saftig. Hvis tilberedningsprocessen fortsætter ud over det punkt, hvor kødet er gennemstegt (ikke vist her), smelter kollagen til gelatine, og muskelfibrene slapper af, hvilket reducerer friktionen og får E" til at falde.
Dæmpningsfaktoren (betegnet tan δ) er forholdet mellem E" og E' og beskriver, hvor elastisk eller tyktflydende materialet opfører sig. Størrelsen af E' er meget større end E", hvilket tyder på, at materialet opfører sig overvejende elastisk og bliver stivere med stigende temperatur. Det er interessant, at dæmpningsfaktoren først falder og derefter stiger igen, hvilket indikerer, at forskellige temperaturer under tilberedningsprocessen resulterer i små ændringer i dæmpningsegenskaberne. Da fugttab og fedtudsmeltning sker samtidig under tilberedningen, er denne effekt ikke uventet.
Den absolutte værdi af det komplekse modul |E| beskriver et materiales samlede modstand mod deformation under oscillerende StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress og kombinerer både dets viskøse og elastiske komponenter. Tabel 1 opsummerer, hvordan denne egenskab ændrer sig med den indre temperatur. En gennemstegt bøf har et 1,5 gange højere trykmodul sammenlignet med en rå bøf, mens en gennemstegt har et 12,7 gange højere modul. Dette resultat indikerer en ikke-lineær sammenhæng mellem mørhed og indvendig temperatur.
Fibrenes effekt på mørhed
Stegetiden alene har ingen indflydelse på, hvor mør den endelige bøf er. Skirt steak er en relativt billig udskæring af kød fra koens mellemgulv, og den er kendt for at være mager og have en høj TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed af muskelfibre. Derfor spiller den måde, bøffen skæres og serveres på, en large rolle for, hvor mør den er. Her testede vi kogte stykker af skirt steak i træktilstand, skåret enten langs muskelfiberen eller mod fiberen, og resultatet er vist i figur 3. Fra figur 3 kan man se, at prøven, der er skåret på linje med muskelfiberen (orange linje), har et 6,7 gange højere absolut trækmodul end dem, der er skåret vinkelret på fiberretningen (blå linje). Denne stigning i det absolutte trækmodul korrelerer med, at kødet er mindre mørt. Derfor resulterer den enkle teknik med at skære den kogte bøf i tynde skiver mod fiberretningen i betydeligt mere mørt kød.
Sammenfatning
DMA 303 Eplexor® tilbyder en bred vifte af frekvens, kraft og temperatur, hvilket gør det til et ideelt instrument til dynamisk-mekaniske målinger på tværs af en lang række anvendelsesområder. Heri beskriver vi instrumentets evne til nøjagtigt at måle ømheden af et stykke bøf både i kompression for at simulere tygning og i spænding for at undersøge indflydelsen af muskelfiberretning.
DMA 303 Eplexor® kan ikke kun bruges til at karakterisere kød, men også mange andre prøvetyper i fødevare- og drikkevareindustrien. Resultater som disse kan bruges til at designe plantebaserede køderstatninger, så de bedst muligt efterligner det konventionelle produkt.