Indledning
Termisk analyse er af afgørende betydning for fødevare- og drikkevareindustrien i forbindelse med produktformulering, optimering af fremstillingsprocesser, kvalitetskontrol, undersøgelse af opbevaringsforhold og fastlæggelse af produktets holdbarhed. Den grundlæggende industrielle ostefremstillingsproces indebærer tilsætning af enzymet osteløbe til pasteuriseret mælk for at fremkalde koagulering. Ostemassen adskilles derefter fra valle, formales og forarbejdes til en bestemt form, inden den modnes (hvis modning er påkrævet). Ost har en helt unik struktur, hvor fedtkuglerne holdes i suspension af miceller dannet af proteinet kasein (det vigtigste protein i mælk). Set ud fra et formuleringsmæssigt synspunkt medfører tilsætning af forskellige polymerer forskellige sensoriske oplevelser og egenskaber; et eksempel herpå er tilsætning af hyaluronsyre til pizzaost [1].
I denne undersøgelse søgte vi at undersøge, hvordan en simpel opbevaringsfaktor, såsom frysning, påvirker egenskaberne hos forskellige ostetyper. Køleopbevaring og frysning er begge afgørende processer i ostefremstilling og -distribution samt i forbindelse med opbevaring af ost i hjemmet. Derudover ønskede vi at undersøge, om vi kunne måle smeltet osts strækegenskaber for at vurdere dens egnethed i retter som pizza og grillet ost.
Dynamisk mekanisk analyse (DMA) anvendes primært til at analysere de viskoelastiske egenskaber hos polymere materialer, men bruges også til at måle metaller og keramiske materialer eller til at simulere specifikke mekaniske forhold. NETZSCH s DMA 303 Eplexor® er et alsidigt bordapparat, der kan måle i et temperaturområde fra -170 °C til 800 °C (-274 °F til 1472 °F) og påføre en kraft fra 1 mN til 50 N, og med frekvenser fra 0,001 til 150 Hz. I dette eksempel blev den anvendt til at måle de mekaniske egenskaber ved hvid cheddar og parmesan før og efter en fryse-tø-cyklus.
At måle, hvordan opbevaringsforhold og temperatur påvirker de mekaniske egenskaber hos den faste ost, er dog kun halvdelen af historien om, hvordan vi nyder produktet. De strækbare egenskaber hos smeltet hvid cheddar blev også målt for at bestemme dens egnethed i madlavningsscenarier såsom grillet ost eller fondue.
NETZSCH indtager en unik position inden for reologi ved at tilbyde både konventionelle rotations-/oscillationsreometre og kapillærreometre med høj kraft: Tilsammen dækker disse instrumenter et område på mere end seks størrelsesordener i forskydningshastigheder. Ved at anvende en konfiguration med dobbeltcylinder og en dyse med nul længde kan forskydnings- og deformationsviskositeterne bestemmes samtidigt som en funktion af forskydningshastigheden. I dette tilfælde blev de korrigerede deformationsegenskaber for smeltet hvid cheddar målt som en funktion af forskydningshastigheden.
DMA-test til bestemmelse af frysningens indvirkning på ostens egenskaber
Søjler af hvid cheddar og parmesan blev testet i kompressionsmodus, som vist i figur 1, for at bestemme deres mekaniske egenskaber som en funktion af temperaturen. DMA blev anvendt til at bestemme opbevaringsmodulet (E’) for osteprøverne, som beskriver et materiales evne til at lagre energi, tabmodulet (E”), som beskriver et materiales evne til at aflede energi (typisk gennem varme genereret af indre friktion), samt dæmpningsfaktoren (tan δ), som er forholdet mellem tabmodulet og lagringsmodulet og beskriver et materiales evne til at deformeres elastisk eller viskøst under påvirkning af en påført kraft. Endelig er det komplekse modul (betegnet |E|, matematisk set kvadratroden af summen af E’ og E²) en enkel måde at sammenligne den samlede stivhed mellem prøverne som en funktion af temperaturen.
I denne undersøgelse blev en prøve af enten hvid Cheddar eller Parmesan opvarmet fra 20 til enten 55 eller 65 °C (afhængigt af smeltepunktet), efter at den udelukkende havde været opbevaret i køleskab ved 4 °C. For at forstå effekten af en fryse-tø-cyklus blev prøver af hvid Cheddar og Parmesan opbevaret ved -20 °C natten over, før de blev optøet og analyseret med det samme temperaturprogram. Resultatet af en fryse-tø-cyklus på egenskaberne ved hvid Cheddar vises i figur 2, og for parmesan i figur 3.
Af figur 2 og 3 fremgår der en tydelig forskel mellem ostene (efter kun at have været opbevaret i køleskab), Parmesan har betydeligt højere modulværdier sammenlignet med den hvide cheddar (E’ på 3,02 mod 0,39 MPa ved 25 °C), hvilket er forventeligt, da parmesan klassificeres som en hård ost. Begge oste havde også højere modulværdier og dæmpningsfaktorer efter en fryse-tø-cyklus (Parmesanens E’ steg fra 3,02 til 3,87, og den hvide cheddars fra 0,39 til 0,60 MPa ved 25 °C), hvilket tyder på, at opbevaringsforholdene påvirker materialet og gør det betydeligt stivere.
Tabel 1 opsummerer resultaterne for hver prøve ved en valgt temperatur på 25 °C. Det er vigtigt at forstå samspillet mellem E’ og E” for at kunne forstå, hvordan osten vil opleves under tygningen, og om den vil modstå eller let give efter for den kraft, som tænderne udøver [2].
Tabel 1: Oversigt over E', E'' og tan δ for hvid Cheddar og Parmesan ved 25 °C
| Variabel | Ufrosset | Frosset og optøet | Stigning efter frysning |
|---|---|---|---|
Hvid cheddar | |||
| E' (MPa) | 0,39 | 0,60 | 1,54 |
| E'' (MPa) | 0,13 | 0,22 | 1,69 |
| tan δ | 0,36 | 0,37 | 1,12 |
Parmesan | |||
| E' (MPa) | 3,03 | 3,87 | 1,28 |
| E'' (MPa) | 1,10 | 1,50 | 1,36 |
| tan δ | 0,36 | 0,39 | 1,08 |
Det er interessant at bemærke, at effekten af den øgede stivhed efter frysning er mere markant ved stuetemperatur, men aftager betydeligt, når prøverne opvarmes (figur 2c og 3c).
Endelig er det vigtigt at bemærke, at DMA 303- Eplexor® et er i stand til at nå kryogene temperaturer, og derfor kunne fryse-tø-cyklussen gennemføres i selve instrumentet. Det viste sig imidlertid, at ostesøjlerne blev så stive, at der var behov for en større kraft til dynamisk deformation, end instrumentet kunne levere. For at undersøge disse materialer under frysning kræves der et instrument med større kraft, såsom DMA 503 Eplexor®.
Kapillær reometri, ekstrudering og aftrækningsprøvning
Kapillærreometre i serierne NETZSCH, Rosand RH2000 og RH7/10 anvendes typisk til at bestemme viskositeten af polymerer i smeltet tilstand. Her har vi forsøgt at måle viskositeten af en smeltende ost, såsom hvid cheddar (parmesan smelter ikke særlig godt), som en funktion af forskydningshastigheden. Prøven blev målt ved 65 °C, da dette er en almindelig temperatur, der anvendes til fondue – en situation, hvor ostens strækbarhed virkelig spiller en afgørende rolle.
Ud over grundlæggende viskositetsmålinger kan Rosand-instrumenterne også udnytte forskellige tilbehørsdele og matematiske modeller til at bestemme yderligere egenskaber, såsom aftrækningskraft, dyseudvidelse og strækviskositet. Med Rosands design med to huller kan der anvendes en lang dyse og en åbningsdyse til samtidig at måle en prøve og beregne forskydnings- og strækviskositet ved hjælp af Cogswell-modellen. Fra et praktisk synspunkt viser dette, hvor meget smelten kan strækkes ved en given forskydningshastighed, hvilket vil sige, hvor meget den smeltede ost strækker sig, når et stykke pizza trækkes væk med en given hastighed. Skær- og strækeegenskaberne for den hvide cheddar er vist i figur 4. Den hvide cheddar udviste en egenskab, der er typisk for polymerer, idet den var skærfortyndende; prøvens viskositet faldt med stigende skærehastighed.
For newtonske materialer er det velkendt, at materialets strækningsviskositet er tre gange højere end dets forskydningsviskositet. For polymersmelt er forholdet mellem strækningsviskositet og forskydningsviskositet langt højere og kan nå op på flere størrelsesordener. Her blev det fastslået, at den hvide Cheddar havde en meget høj strækviskositet, der var flere tusinde gange højere end forskydningsviskositeten. Set ud fra et praktisk synspunkt tyder dette på, at den hvide Cheddar forbliver meget viskøs (tænk på honning kontra vand), mens den udsættes for forskydning, og derfor er der mindre risiko for, at den brister. Jo hurtigere Cheddar-osten udsættes for forskydning, desto lavere bliver strækviskositeten. Når man derfor optimerer en ostetrækning, vil man ved at opretholde en tilstrækkelig høj temperatur og trække langsomt maksimere den afstand, som Cheddar-osten kan strækkes.
Resumé
Termisk analyse spiller en afgørende rolle i føde- og drikkevareindustrien, hvor den bidrager til alt fra produktudvikling til fastlæggelse af holdbarhed. Her har vi vist, hvordan forskellige instrumenter fra NETZSCH kan anvendes til ikke blot at forstå, hvordan opbevaringstemperaturen påvirker egenskaberne hos hvid cheddar og parmesan, men også til at måle egenskaber i smeltet tilstand, såsom forlængelsen af hvid cheddar. Ved hjælp af DMA 303 Eplexor®®blev de mekaniske egenskaber ved hvid Cheddar og Parmesan sammenlignet over et bredt temperaturområde. Derudover blev det påvist, at en fryse-tø-cyklus for begge oste øgede deres modul betydeligt, hvilket er en vigtig faktor i forbindelse med transport og håndtering af produktet. Rosand RH2000 en blev anvendt til at modellere smelteegenskaberne for hvid Cheddar, specifikt strækningsegenskaberne. Set fra brugerens synspunkt er dette i det væsentlige en model for tilberedning og den efterfølgende »trækbarhed« af osten, en afgørende variabel for markedsføring og ydeevne.