Introduktion
Frugtgummier er lækre og smager godt hele året rundt, uanset om det er sommer eller vinter, i ørkenen ved 50 °C eller på Nordpolen ved -40 °C. Det ville være ubehageligt, hvis disse "søde sager" klistrede sammen ved høje temperaturer og dannede en slags sammenhængende, klæbrig masse - eller hvis en tand faldt af, når man bed i dem i kulden. Disse eksempler gør det klart, at: Frugtgummier ser ud til at have et bredt spektrum af elastiske egenskaber, der varierer mellem bløde og hårde og også er stærkt påvirket af temperaturen. Dynamisk mekanisk analyse anvendes til karakterisering af viskoelastiske egenskaber. Når de kobles til et fugtighedskammer, kan påvirkningen af tørring og befugtning på deres mekaniske opførsel også registreres.
Hvilken mekanisk adfærd udviser frugtgummier fra forskellige klimatiske zoner?
Der var frugtgummier fra følgende lande til rådighed for undersøgelsen:
- Tyskland
- Holland
- Australien
- New Zealand
- Rusland
Sammen med classic, gelatinebaserede frugtgummier, er også veganske typer inkluderet i undersøgelserne. Den dynamisk-mekaniske opførsel af alle typer vil blive registreret og sammenlignet ved forskellige temperaturer. DMA-målingerne vil blive udført ved hjælp af en NETZSCH DMA Eplexor®, der er forbundet med en Hygromator (valgfri fugtighedsgenerator).
Gelatine, dens oprindelse, funktionelle egenskaber og Alternativer
Traditionelt er gelatine [1, 2] hovedbestanddelen i frugtgummier. Den fortykker hovedsageligt de flydende smagsgivende ingredienser og giver, når den bruges korrekt, den rette smelte- og bidefasthed samt Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur, der er egnet til indtagelse. Generelt hældes "vingummidyrene" og findes - før overgangen til den viskoelastiske fase - i smeltet form ved slutningen af støbeprocessen.
Gelatine findes ikke kun i frugtgummier, men også i mange andre fødevarer, f.eks. kalorielette fødevarer, yoghurt, mayonnaiser, aspik, kødpastaer og mange søde sager. Historisk set har gelatine også været brugt som lim i tusindvis af år.
Gelatine er en naturlig fødevare, som hovedsageligt består af kollagenprotein. Proteiner har tre meget forskellige funktioner i levende organismer, a) som strukturelle proteiner (= skleroproteiner), b) som membranproteiner og c) som kugleformede proteiner (= sfæroproteiner). Den kollagene version er medlem af skleroproteinerne og består af 3 sammenflettede polypeptidkæder (triple helix). Når disse kæder samles, dannes der kollagenfibriller; disse bliver faktisk til 3-dimensionelle netværk på grund af tværbindinger, der opstår mellem de tredobbelte helixer og dermed stabiliserer sig selv mekanisk.
Nedbrydningen af kollagen til individuelle polypeptidkæder er nødvendig for at fremstille gelatine. På grund af tværbindingens uopløselighed i vand er dette en kompleks proces, der kræver brug af kemikalier. +
Gelatineproduktionen starter med kollagen af animalsk oprindelse. De animalske proteiner stammer fra knogler eller tages fra de nederste hudlag. Set på mikroskopisk niveau har kollagen de helixlignende strukturer, som derefter blødgøres i en kemisk-termisk proces, så de kan adskilles (kendt som maceration). Resultatet er "demineraliseret" skrot, kaldet ossein, som er det egentlige råmateriale, der bruges til at fremstille gelatine.
Gelatineproduktion gør det muligt at opnå forskellige geleringsstyrker til forskellige anvendelser. Geleringsstyrken beskrives ved hjælp af "Bloom-tallet". Da geleringsstyrken og dermed Bloom-tallet afhænger af temperaturen, kan man vælge den bedst egnede gelatine til et givet produkt. Til fastere frugtgummier bruges gelatine med en højere Bloom-værdi end til blødere typer, som indeholder gelatine med lavt Bloom-tal.
Gelatine er et hydrokolloid og kan både binde vand og svulme op i vand. Det fortykker, gelerer, stabiliserer, er ekstremt elastisk og udviser termoreversibel adfærd; dvs. gelatine gelerer, når det afkøles, og smelter, når det opvarmes. Denne egenskab bruges også i produktionen af "vingummibamser" og blev undersøgt og evalueret i de målinger, der blev udført her. Smeltepunktet er også af særlig betydning for forbrugeren. Når alt kommer til alt, skal "gummidyret" smelte i munden, mens det stadig har en vis fasthed.
Man er begyndt at lede efter alternativer - bindemidler af ren planteoprindelse, som har egenskaber, der er lige så gunstige som dem, der findes i gelatine - men man har endnu ikke fundet en fuldgod erstatning. Der er behov for rutinemæssige testmetoder for bedre at kunne beskrive de alternative bindemidler og deres effekt på materialet [1], [2].
I øjeblikket anvendes bl.a. følgende materialer som bindemidler af ren planteoprindelse med henblik på at erstatte gelatine [3]:
- Agar-Agar: Erstatning for gelatine
- Aquafaba: Tykt kogevand af plantebaserede kikærter, bønner og andre bælgfrugter; æggeerstatning
- Pektin: Opløselige fibre og det plantebaserede geleringsmiddel kartoffelstivelse: bindemidler
- Majsstivelse: Erstatning for stivelse, generelt gluten- og laktosefri
- Psylliumskaller: Plantebaseret hævemiddel
- Sago: Granuleret stivelse fra maniok og kartofler; smagløst fortykningsmiddel
- Johannesbrødkernemel (tyggegummi): Naturligt fortykningsmiddel
- Tyggegummi: Fortykkelses- og bindemiddel (E 412)
- Karragen: Plantebaseret gelerings- og fortykningsmiddel (E407), udvundet af rødalger
- Alginat: Fortykkelses-, gelerings- og overfladebehandlingsmiddel (E 400 til E 405), udvundet af alger
- Xanthangummi: Naturligt forekommende polysakkarid, tilsætningsstof fremstillet af bakterier (E 4015) til brug som gelerings- og fortykkelsesmiddel
- Arrowroot-stivelse: Glutenfrit bindemiddel; æggeerstatning
Disse alternativer er også hydrokolloider som gelatine. De bruges i fødevareindustrien på grund af deres funktionelle egenskaber; disse egenskaber er dog ikke så omfattende, at man generelt kan erstatte gelatine med dem [2].
Da veganske frugtgummier også bruger bindemidler, som hidtil har været ualmindelige, og deres virkning endnu ikke er godt forstået, er der et behov på dette område for at inkludere produkter med veganske bindemidler i undersøgelserne.
Resultater af dynamisk-mekanisk test med NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
I det omfang de var tilgængelige i former, der let kunne undersøges i træktesten, blev frugtgummier udvalgt i overensstemmelse hermed. Andre blev udstanset i en form, der var egnet til testning i afkølet tilstand.
Ændringer i tværsnit under testning og tværsnitsarealer, der ikke kan registreres nøjagtigt for uregelmæssigt formede prøver, påvirker ikke dæmpningen og dermed blødgøringstemperaturen.
Måleparametre
I den første del af testen blev der udført temperatursweeps i området fra ca. -60 °C til +40 °C på alle frugtgummiprøver ved hjælp af DMA Eplexor® for at kunne sammenligne den temperaturafhængige stabilitet (komplekst elasticitetsmodul eller bare E-modul) og den tilhørende viskoelasticitet for de forskellige frugtgummier. Til dette formål blev prøverne først afkølet til ca. -60 °C i testinstrumentet. For at indstille en konstant temperatur i prøven indstilles en isoterm fase på 15 minutter i hvert tilfælde før målingen, efterfulgt af en måling med en opvarmningshastighed på 0,5 K/min. Temperaturmålingerne udføres tæt på prøven med kammertermometeret, som er placeret i et prøvekammer med intensiv luftcirkulation.
I anden del af forsøget undersøges den dynamisk-mekaniske opførsel af en vegansk prøve fra Tyskland og en gelatinebaseret prøve fra Holland under tørring og under fugtabsorption i Eplexor®, der er udstyret med en Hygromator (fugtighedskammer).
Temperaturafhængig opførsel af frugtgummier
De tyske vingummibamser fås som veganske (grønne, kaldet "strips") og gelatinebaserede (røde, kaldet "pommes frites") til DMA-målingerne.
Det er bemærkelsesværdigt (figur 1), at de veganske frugtgummier udviser et højere Young-modul ved alle temperaturer, dvs. at de er stivere end de gelatinebaserede gummier. De veganske strimler (grøn kurve, Tg = 11,6 °C) bliver desuden blødere ved højere temperaturer end de gelatinebaserede pommes frites (rød kurve, Tg= -0,4 °C).
Dette objektive resultat svarer også til de sensoriske resultater fra bidning og smagning: De veganske prøver er fastere at bide i, mens de gelatinebaserede prøver smager mere intenst, når de smelter.
Hollandske vingummibamser
Fra Holland er der gelatinebaserede versioner til rådighed til testning. Vingummibamsernes delvist uregelmæssige geometri formes til prøveform ved udstansning i afkølet tilstand. Ved håndtering skiller disse produkter sig ud som relativt stive frugtgummier. De målte blødgøringspunkter ligger i området fra -6 °C til 0 °C.
Figur 2 viser de forskellige målekurver for |E*|-modul og dæmpning. Den bløde vingummi (blå kurve) udviser forskelle i blødgøringstemperaturen (-2,4 °C) sammenlignet med de to andre typer frugtgummi, Liane-Cassis (-5,1 °C, rød kurve) og Jordbær (-4,9 °C, grøn kurve). Det er grunden til, at den bløde vingummiprøve har langt den bredeste dæmpningskurve og det tidligste fald i Young's modul i forhold til temperaturen. Soft Gummy-prøven har således den laveste dæmpning ved stuetemperatur af alle de sammenlignede prøver, og materialet virker blødere på forbrugeren end både Strawberry og Liane-Cassis.
Mens dæmpningen er meget ens for Liane-Cassis og Strawberry, er E-modulet for Strawberry altid højere end for Liane-Cassis, hvilket også afspejles i fastheden, når man bider i den.
Den lavere dæmpning (tan δ) for Liane-Cassis-prøven (røde kurver) kan ses i praksis i kraft af en længere smelte- og deformationsproces end for Strawberry (grøn kurve). Desuden udviser Liane-Cassis en mere intensiv klæbeeffekt til tænderne.
Veganske prøver fra Australien og New Zealand
Begge prøver tilbydes på et marked med høje gennemsnitlige udendørstemperaturer, hvilket stiller særlige krav til frugtgummiernes dimensionsstabilitet og KlæbrighedKlæbrighed beskriver samspillet mellem to lag af identiske (autohæsion) eller forskellige (kohæsion) materialer i form af overfladeklæbrighed.klæbrighed. Begge prøver fås i terning- eller folieform, der allerede er egnet til træktesten, og skal kun enten skæres eller foldes yderligere for at justere prøvens tykkelse til udførelse af testen. Mens den ene prøve (grønne kurver) specifikt betegnes som vegansk, hævder den anden prøve (blå kurver) ikke eksplicit dette krav.
Det er tydeligt (figur 3), at produkterne fra den oceaniske region har de højeste blødgøringstemperaturer (19,6 °C og 24,3 °C) af alle de undersøgte frugtgummier. Især er de kubiske prøver relativt stive op til frysepunktet og har de højeste E-moduli.
Russiske gelatinebaserede frugtgummier til kolde klimaer Regioner
De to russiske gelatinebaserede frugtgummier, der er undersøgt her, har form som bjørne (blå kurver) og orme (røde kurver). Bjørneformen krævede udstansning, mens ormene kunne indsættes direkte i DMA'en. Selvom blødgøringen af ormene starter ved lidt højere temperaturer (Tg = -0,9 °C, rød kurve) end for bjørnene (Tg = -4,4 °C, blå kurve), udviser de to samme stivhed på blødgøringstidspunktet.
Bjørnenes E-modul ved serveringstemperaturer er lavere end ormenes (blå kurver, figur 4) på grund af materialet. Ormene blødgøres ved lidt højere temperaturer (3,5 °C, røde kurver) end bjørnene. Derfor er de smagsmæssige egenskaber ved de to typer frugtgummi også meget ens.
Fugtafhængig opførsel af frugtgummier
Prøvernes fugtafhængighed undersøges, ligesom for temperatursweepene, i træktilstand ved 35 °C. Temperaturen holdes konstant under hele forsøget.
I forsøgets første trin udsættes de veganske tyske og hollandske gelatinebaserede prøver for en kammerfugtighed på 20 % RH, som genereres og holdes konstant af NETZSCH GABO Hygromator (fugtighedsgenerator).
Dette trin svarer til en tørringsproces for at komme fra den omgivende luftfugtighed, som i disse lande er ca. 50-60 % RH afhængigt af årstiden, til en "kvasi-tørret" tilstand ved 20 % RH. Til denne testserie skulle de frugtgummier, der skulle testes, være tilgængelige i en tørret, identisk fugtighedstilstand til sammenligningsformål. Til dette formål blev de to prøver tørret i ca. 1 time, og det tidsmæssige forløb af deres Young's modul blev registreret. De således tørrede prøver blev derefter også udsat for en kammerfugtighed på 50 % i ca. en time og derefter for en kammerfugtighed på 90 % i endnu en time. De resulterende tidsafhængige ændringer i Young's modulus og kammerfugtigheden på hvert tidspunkt er vist i figur 5 for en vegansk (røde kurver) og en gelatineholdig prøve (blå kurver).
Figur 5 viser en lignende tidsmæssig adfærd for de veganske og gelatinebaserede frugtgummier, hvor de veganske typer altid udviser højere E-moduli og lavere fugtfølsomhed i de nuværende undersøgelser. Fælles for begge er en stigning i E-modul ved tørring (her ved 20 % RH) og et fald ved eksponering for fugt (her ved 50 % RH og 90 % RH). For prøverne, der er tørret ved 20 % RH, er der allerede sket en befugtning, når de tages ud af opbevaring ved 50 % RH, som det fremgår af forløbet af E-modulet.
Sammenfatning
NETZSCH DMA Eplexor® tilbyder en rutinemæssig procedure til evaluering af forbrugerrelevante produktegenskaber for fødevarer som f.eks. frugtgummier og tjener dermed til produktforbedring og nyudvikling.
Temperaturafhængigheden af E-modul (stivhed) og dæmpning er tæt forbundet med frugtgummiernes fasthed, bideevne og smelteevne. Viden om fugtafhængigheden er på den anden side af større værdi for evalueringen af opbevaringsforholdene.
Til udvikling af yderligere frugtgummityper, især med nye bindemidler til veganske kunder, giver dynamisk-mekanisk analyse mulighed for at registrere både termiske og mekaniske egenskaber i laboratoriet på forhånd og dermed lancere produkterne på markedet på en mere målrettet måde og hurtigere. Opbevarings- og forarbejdningsbetingelser samt fugt- og temperaturparametre kan desuden simuleres ved hjælp af DMA-målinger.