Εισαγωγή
Οι τσίχλες φρούτων είναι νόστιμες και έχουν ωραία γεύση όλο το χρόνο, είτε είναι καλοκαίρι είτε χειμώνας, είτε στην έρημο στους 50°C είτε στο Βόρειο Πόλο στους -40°C. Θα ήταν δυσάρεστο αν αυτές οι "γλυκές λιχουδιές" κολλούσαν μεταξύ τους σε υψηλές θερμοκρασίες και σχημάτιζαν ένα είδος συνεκτικής, κολλώδους μάζας - ή αν ένα δόντι έπεφτε στο δρόμο όταν τις δαγκώνετε στο κρύο. Αυτά τα παραδείγματα καθιστούν σαφές ότι: Οι τσίχλες φρούτων φαίνεται να παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα ελαστικών ιδιοτήτων, που κυμαίνονται μεταξύ μαλακών και σκληρών και επίσης επηρεάζονται έντονα από τη θερμοκρασία. Η δυναμική μηχανική ανάλυση χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων. Όταν συνδυάζεται με θάλαμο υγρασίας, μπορούν επίσης να καταγραφούν οι επιδράσεις της ξήρανσης και της ύγρανσης στη μηχανική τους συμπεριφορά.
Ποιες μηχανικές συμπεριφορές παρουσιάζουν τα Fruit Gummies από διαφορετικές κλιματικές ζώνες
Για τη διερεύνηση ήταν διαθέσιμες τσίχλες φρούτων από τις ακόλουθες χώρες:
- Γερμανία
- Ολλανδία
- Αυστραλία
- Νέα Ζηλανδία
- Ρωσία
Μαζί με τις classic, τις τσίχλες φρούτων με βάση τη ζελατίνη, περιλαμβάνονται στις μελέτες και οι vegan τύποι. Η δυναμική-μηχανική συμπεριφορά όλων των τύπων θα καταγραφεί και θα συγκριθεί σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Οι μετρήσεις DMA θα πραγματοποιηθούν με τη χρήση ενός NETZSCH DMA Eplexor® συνδεδεμένου με ένα Hygromator (προαιρετική γεννήτρια υγρασίας).
Ζελατίνη, προέλευση, λειτουργικές ιδιότητες και εναλλακτικές λύσεις
Παραδοσιακά, η ζελατίνη [1, 2] είναι το κύριο συστατικό των τσιχλών φρούτων. Ουσιαστικά πυκνώνει τα αρωματικά υγρά συστατικά και, όταν χρησιμοποιείται σωστά, παρέχει τη σωστή θερμοκρασία τήξης και σφριγηλότητας της μπουκιάς καθώς και τη θερμοκρασία τήξης κατάλληλη για κατανάλωση. Γενικά, οι "ζαχαρωτές" χύνεται και - πριν από τη μετάβαση στην ιξωδοελαστική φάση - υπάρχει σε λιωμένη μορφή στο τέλος της διαδικασίας χύτευσης.
Η ζελατίνη βρίσκεται όχι μόνο σε καραμέλες φρούτων, αλλά και σε πολλά άλλα τρόφιμα, π.χ. τρόφιμα με χαμηλές θερμίδες, γιαούρτι, μαγιονέζες, ασπίκλες, πάστες κρέατος και πολλά γλυκά. Ιστορικά, η ζελατίνη χρησιμοποιείται επίσης ως κόλλα εδώ και χιλιάδες χρόνια.
Η ζελατίνη είναι ένα φυσικό τρόφιμο που αποτελείται κυρίως από πρωτεΐνη κολλαγόνου. Οι πρωτεΐνες επιτελούν τρεις πολύ διαφορετικές λειτουργίες στους ζωντανούς οργανισμούς, α) ως δομικές πρωτεΐνες (= σκληροπρωτεΐνες), β) ως μεμβρανικές πρωτεΐνες και γ) ως σφαιρικές πρωτεΐνες (= σφαιροπρωτεΐνες). Η κολλαγονική εκδοχή ανήκει στις σκληροπρωτεΐνες και αποτελείται από 3 διαπλεκόμενες πολυπεπτιδικές αλυσίδες (τριπλή έλικα). Όταν οι αλυσίδες αυτές συσσωρεύονται, σχηματίζονται ινίδια κολλαγόνου- αυτά στην πραγματικότητα γίνονται τρισδιάστατα δίκτυα λόγω των σταυροδεσμών που προκύπτουν μεταξύ των τριπλών ελίκων και έτσι σταθεροποιούνται μηχανικά.
Η διάσπαση του κολλαγόνου σε μεμονωμένες πολυπεπτιδικές αλυσίδες είναι απαραίτητη για την παραγωγή ζελατίνης. Λόγω της μη διαλυτότητας της διασύνδεσης στο νερό, πρόκειται για μια πολύπλοκη διαδικασία που απαιτεί τη χρήση χημικών ουσιών. +
Η παραγωγή ζελατίνης ξεκινά με κολλαγόνο ζωικής προέλευσης. Οι ζωικές πρωτεΐνες προέρχονται από τα οστά ή λαμβάνονται από τα κατώτερα στρώματα του δέρματος. Εξετάζοντας σε μικροσκοπικό επίπεδο, το κολλαγόνο διαθέτει τις ελικοειδείς δομές που στη συνέχεια μαλακώνουν σε μια χημική-θερμική διαδικασία ώστε να μπορούν να διαχωριστούν (γνωστή ως εκμαλάκωση). Το αποτέλεσμα είναι το "απομεταλλωμένο" θραύσμα, που ονομάζεται οστεΐνη, η οποία είναι η πραγματική πρώτη ύλη από την οποία παρασκευάζεται η ζελατίνη.
Η παραγωγή ζελατίνης επιτρέπει την πραγματοποίηση διαφορετικών δυνάμεων πηκτωματοποίησης για διάφορες εφαρμογές. Η ισχύς πήξης περιγράφεται από τον "αριθμό Bloom". Δεδομένου ότι η ισχύς πηκτωματοποίησης, και συνεπώς ο αριθμός Bloom, εξαρτάται από τη θερμοκρασία, η καταλληλότερη ζελατίνη μπορεί να είναι selectγια ένα δεδομένο προϊόν. Για πιο σφιχτές γκοφρέτες φρούτων χρησιμοποιείται ζελατίνη με υψηλότερο αριθμό Bloom απ' ό,τι για πιο μαλακούς τύπους, οι οποίοι περιέχουν ζελατίνη με χαμηλό αριθμό Bloom.
Η ζελατίνη είναι ένα υδροκολλοειδές και μπορεί τόσο να δεσμεύει νερό όσο και να διογκώνεται στο νερό. Πυκνώνει, ζελατινοποιείται, σταθεροποιεί, είναι εξαιρετικά ελαστική και παρουσιάζει θερμοαναστρέψιμη συμπεριφορά, δηλαδή η ζελατίνη ζελατινοποιείται όταν ψύχεται και λιώνει όταν θερμαίνεται. Η ιδιότητα αυτή χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή "ζαχαρωτών αρκουδιών" και διερευνήθηκε και αξιολογήθηκε στις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν εδώ. Το σημείο τήξης έχει επίσης ιδιαίτερη σημασία για τον καταναλωτή. Εξάλλου, το "ελαστικό ζώο" πρέπει να λιώνει στο στόμα, ενώ παράλληλα πρέπει να έχει μια ορισμένη σταθερότητα.
Η search για εναλλακτικές λύσεις - συνδετικά υλικά καθαρά φυτικής προέλευσης που διαθέτουν ιδιότητες παρόμοια ευνοϊκές με αυτές που βρίσκονται στη ζελατίνη - έχει αρχίσει, αλλά δεν έχει βρεθεί ακόμη πλήρης αντικατάσταση. Υπάρχει ανάγκη για συνήθεις μεθόδους δοκιμών για την καλύτερη περιγραφή των εναλλακτικών συνδετικών ουσιών και της επίδρασής τους στο υλικό [1], [2].
Τα ακόλουθα υλικά, μεταξύ άλλων, χρησιμοποιούνται επί του παρόντος ως συνδετικά υλικά αμιγούς φυτικής προέλευσης, με στόχο την αντικατάσταση της ζελατίνης [3]:
- Agar-Agar: Υποκατάστατο της ζελατίνης
- Aquafaba: Πυκνό νερό μαγειρέματος ρεβιθιών, φασολιών και άλλων οσπρίων φυτικής βάσης- υποκατάστατο αυγών
- Πηκτίνη: Διαλυτές φυτικές ίνες και πηκτικός παράγοντας φυτικής προέλευσης potato starch: συνδετικά μέσα
- Καλαμπόκι starch: Υποκατάστατο του starch, γενικά χωρίς γλουτένη και λακτόζη
- Φλοιός ψυλλίου: Φυτικός διογκωτικός παράγοντας
- Sago: Κοκκώδης starch από μανιόκα και πατάτες- άγευστο πηκτικό μέσο
- Φασόλια χαρουπιάς (κόμμι): Φυσικός πηκτικός παράγοντας
- Κόμμι γραναζιού: Πυκνωτικό και συνδετικό μέσο (E 412)
- Καραγενίνη: Πηκτικός και πηκτικός παράγοντας φυτικής προέλευσης (E407), που λαμβάνεται από κόκκινα φύκια
- Αλγινικό άλας: Παράγοντας πήξης, πηκτωματοποίησης και επικάλυψης (E 400 έως E 405), που λαμβάνεται από φύκια
- Κόμμι ξανθάνης: Πολυσακχαρίτης φυσικής προέλευσης, πρόσθετο που παράγεται από βακτήρια (E 4015) για χρήση ως πηκτικός και πυκνωτικός παράγοντας
- Arrowroot starch: Δεσμευτικός παράγοντας χωρίς γλουτένη- υποκατάστατο αυγού
Αυτές οι εναλλακτικές λύσεις είναι επίσης υδροκολλοειδή όπως η ζελατίνη. Χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων λόγω των λειτουργικών τους ιδιοτήτων- οι ιδιότητες αυτές, ωστόσο, δεν είναι τόσο περιεκτικές ώστε να επιτρέπουν τη γενική αντικατάσταση της ζελατίνης με αυτές [2].
Δεδομένου ότι τα vegan fruit gummies χρησιμοποιούν επίσης συνδετικά υλικά που δεν είναι ασυνήθιστα μέχρι στιγμής και η επίδρασή τους δεν είναι ακόμη καλά κατανοητή, υπάρχει ανάγκη στον τομέα αυτό να συμπεριληφθούν στις έρευνες προϊόντα με vegan συνδετικά υλικά.
Αποτελέσματα της δυναμικής-μηχανικής δοκιμής με τη χρήση του NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
Στο βαθμό που ήταν διαθέσιμα σε σχήματα που μπορούσαν εύκολα να εξεταστούν στη δοκιμή εφελκυσμού, οι τσίχλες φρούτων ήταν διαθέσιμες select. Άλλες διατρήθηκαν σε σχήμα κατάλληλο για δοκιμή σε ψυχρή κατάσταση.
Οι μεταβολές της διατομής κατά τη διάρκεια της δοκιμής και τα εμβαδά διατομής που δεν μπορούν να καταγραφούν με ακρίβεια για τα ακανόνιστου σχήματος δοκίμια δεν επηρεάζουν την απόσβεση και συνεπώς τη θερμοκρασία μαλάκυνσης.
Παράμετροι μέτρησης
Στο πρώτο μέρος της δοκιμής, πραγματοποιήθηκαν σαρώσεις θερμοκρασίας στο εύρος από περίπου -60°C έως +40°C σε όλα τα δείγματα γλύκας φρούτων με τη χρήση του DMA Eplexor® προκειμένου να είναι δυνατή η σύγκριση της εξαρτώμενης από τη θερμοκρασία σταθερότητας (σύνθετο μέτρο ελαστικότητας ή απλά μέτρο Ε) και της σχετικής ιξωδοελαστικότητας των διαφόρων γλύκας φρούτων. Για το σκοπό αυτό, τα δείγματα ψύχθηκαν αρχικά στους -60°C περίπου στο όργανο δοκιμής. Για τον καθορισμό σταθερής θερμοκρασίας στο δείγμα, πριν από τη μέτρηση ορίζεται σε κάθε περίπτωση ισοθερμοκρασιακή φάση 15 λεπτών, ακολουθούμενη από μέτρηση με ρυθμό θέρμανσης 0,5 K/min. Οι μετρήσεις θερμοκρασίας πραγματοποιούνται κοντά στο δείγμα με το θερμόμετρο θαλάμου, το οποίο βρίσκεται σε θάλαμο δείγματος με εντατική κυκλοφορία αέρα.
Στο δεύτερο μέρος του πειράματος, διερευνάται η δυναμομηχανική συμπεριφορά ενός δείγματος vegan από τη Γερμανία και ενός δείγματος με βάση τη ζελατίνη από τις Κάτω Χώρες κατά την ξήρανση και υπό απορρόφηση υγρασίας στο Eplexor®, το οποίο είναι εξοπλισμένο με ένα Hygromator (θάλαμος υγρασίας).
Θερμοκρασιακά εξαρτώμενη συμπεριφορά των Fruit Gummies
Τα γερμανικά αρκουδάκια διατίθενται ως vegan (πράσινα, αποκαλούμενα "λωρίδες") και με βάση τη ζελατίνη (κόκκινα, αποκαλούμενα "πατάτες τηγανιτές") για τις μετρήσεις DMA.
Είναι αξιοσημείωτο (σχήμα 1) ότι οι vegan τσίχλες φρούτων παρουσιάζουν υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας Young σε όλες τις θερμοκρασίες, δηλαδή είναι πιο σκληρές από τις τσίχλες με βάση τη ζελατίνη. Η μαλάκυνση των vegan λωρίδων (πράσινη καμπύλη, Tg=11,6°C) εμφανίζεται επιπλέον σε υψηλότερες θερμοκρασίες από ό,τι στις τηγανητές πατάτες με βάση τη ζελατίνη (κόκκινη καμπύλη, Tg=-0,4°C).
Αυτό το αντικειμενικό εύρημα αντιστοιχεί επίσης στα αισθητηριακά αποτελέσματα από τη δαγκωματιά και τη δοκιμή: Τα vegan δείγματα είναι πιο σταθερά στο δάγκωμα, ενώ τα δείγματα με βάση τη ζελατίνη έχουν πιο έντονη γεύση όταν λιώνουν.
Ολλανδικά Gummy Bears
Από τις Κάτω Χώρες, διατίθενται προς δοκιμή εκδοχές με βάση τη ζελατίνη. Οι εν μέρει ακανόνιστες γεωμετρίες των ζαχαρωτών αρκουδιών διαμορφώνονται σε μορφή δείγματος με διάτρηση όταν βρίσκονται σε ψυχρή κατάσταση. Κατά το χειρισμό, τα προϊόντα αυτά ξεχωρίζουν ως σχετικά άκαμπτες καραμέλες φρούτων. Τα σημεία μαλάκυνσης που μετρήθηκαν κυμαίνονται μεταξύ -6°C και 0°C.
Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται οι διαφορετικές καμπύλες μέτρησης του μέτρου |E*| και της απόσβεσης. Η μαλακή τσίχλα (μπλε καμπύλη) παρουσιάζει διαφορές στη θερμοκρασία μαλάκυνσης (-2,4°C) σε σύγκριση με τους άλλους δύο τύπους τσίχλας φρούτων, Liane- Cassis (-5,1°C, κόκκινη καμπύλη) και Strawberry (-4,9°C, πράσινη καμπύλη). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το δείγμα μαλακής τσίχλας παρουσιάζει μακράν την ευρύτερη καμπύλη απόσβεσης και την πρωιμότερη πτώση του μέτρου ελαστικότητας Young σε σχέση με τη θερμοκρασία. Έτσι, το δείγμα soft gummy έχει τη χαμηλότερη απόσβεση στο εύρος της θερμοκρασίας δωματίου από όλα τα συγκρινόμενα δείγματα και το υλικό εμφανίζεται πιο μαλακό στον καταναλωτή από το Strawberry και το Liane-Cassis.
Ενώ η απόσβεση είναι πολύ παρόμοια για τους τύπους Liane-Cassis και Strawberry, το μέτρο ελαστικότητας Ε του Strawberry είναι πάντα υψηλότερο από αυτό του Liane-Cassis, το οποίο αντικατοπτρίζεται επίσης στη σκληρότητα κατά τη δαγκωματιά.
Η χαμηλότερη απόσβεση (tan δ) του δείγματος Liane-Cassis (κόκκινες καμπύλες) μπορεί να παρατηρηθεί στην πράξη λόγω της μεγαλύτερης διάρκειας της διαδικασίας τήξης και παραμόρφωσης σε σχέση με εκείνη του δείγματος Strawberry (πράσινη καμπύλη). Επιπλέον, το Liane-Cassis εμφανίζει πιο έντονο αποτέλεσμα πρόσφυσης στα δόντια.
Δείγματα Vegan της Αυστραλίας και της Νέας Ζηλανδίας
Και τα δύο δείγματα προσφέρονται σε μια αγορά με υψηλές μέσες εξωτερικές θερμοκρασίες, θέτοντας ιδιαίτερες απαιτήσεις για τη σταθερότητα των διαστάσεων και την κολλητικότητα των καραμέλες φρούτων. Και τα δύο δείγματα διατίθενται σε μορφή κύβου ή φύλλου, ήδη κατάλληλα για τη δοκιμή εφελκυσμού, και το μόνο που χρειάζεται είναι είτε να κοπούν είτε να διπλωθούν επιπλέον για να ρυθμιστεί το πάχος του δείγματος για την εκτέλεση της δοκιμής. Ενώ το ένα δείγμα (πράσινες καμπύλες) χαρακτηρίζεται ρητά ως vegan, το δεύτερο δείγμα (μπλε καμπύλες) δεν ισχυρίζεται ρητά αυτόν τον ισχυρισμό.
Είναι προφανές (σχήμα 3) ότι τα προϊόντα της περιοχής του Ωκεανού διαθέτουν τις υψηλότερες θερμοκρασίες μαλάκυνσης (19,6°C και 24,3°C) από όλες τις τσίχλες φρούτων που ερευνήθηκαν. Ειδικότερα, τα κυβοειδή δείγματα είναι σχετικά άκαμπτα μέχρι το σημείο πήξης και έχουν τα υψηλότερα moduli E.
Ρωσικά Gummies φρούτων με βάση τη ζελατίνη για ψυχρές κλιματικές περιοχές
Οι δύο ρωσικές τσίχλες φρούτων με βάση τη ζελατίνη που εξετάστηκαν εδώ έχουν σχήμα αρκούδας (μπλε καμπύλες) και σκουληκιού (κόκκινες καμπύλες). Το σχήμα αρκούδας απαιτούσε διάτρηση, ενώ τα σκουλήκια μπορούσαν να εισαχθούν απευθείας στο DMA. Αν και η μαλάκυνση των σκουληκιών ξεκινά σε ελαφρώς υψηλότερες θερμοκρασίες (Tg = -0,9°C, κόκκινη καμπύλη) από ό,τι των αρκούδων (Tg = -4,4°C, μπλε καμπύλη), οι δύο παρουσιάζουν παρόμοια ακαμψία κατά τη στιγμή της μαλάκυνσης.
Το μέτρο Ε των αρκούδων στις θερμοκρασίες σερβιρίσματος είναι χαμηλότερο από αυτό των σκουληκιών (μπλε καμπύλες, σχήμα 4) λόγω του υλικού. Τα σκουλήκια μαλακώνουν σε ελαφρώς υψηλότερες θερμοκρασίες (3,5°C, κόκκινες καμπύλες) από τις αρκούδες. Κατά συνέπεια, οι γευστικές ιδιότητες των δύο τύπων τσιχλών φρούτων είναι επίσης πολύ παρόμοιες.
Συμπεριφορά εξαρτώμενη από την υγρασία των Fruit Gummies
Η εξάρτηση των δοκιμίων από την υγρασία διερευνάται, όπως και για τις θερμοκρασιακές σαρώσεις, σε εφελκυσμό στους 35°C. Η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή καθ' όλη τη διάρκεια του πειράματος.
Στο πρώτο βήμα του πειράματος, τα vegan γερμανικά και ολλανδικά δείγματα με βάση τη ζελατίνη εκτίθενται σε υγρασία θαλάμου 20% RH, η οποία παράγεται και διατηρείται σταθερή από το NETZSCH GABO Hygromator (γεννήτρια υγρασίας).
Το βήμα αυτό αντιστοιχεί σε μια διαδικασία ξήρανσης για να φτάσουμε από την υγρασία περιβάλλοντος, η οποία στις χώρες αυτές είναι περίπου 50% έως 60% RH ανάλογα με την εποχή, σε μια "οιονεί" ξηρή κατάσταση σε 20% RH. Για αυτή τη σειρά δοκιμών, οι προς δοκιμή γλύκες φρούτων θα πρέπει να είναι διαθέσιμες σε αποξηραμένη, πανομοιότυπη κατάσταση υγρασίας για λόγους σύγκρισης. Για το σκοπό αυτό, τα δύο δείγματα αποξηράνθηκαν για περίπου 1 ώρα και καταγράφηκε η χρονική πορεία του μέτρου ελαστικότητας Young τους. Τα δείγματα που αποξηραίνονται με αυτόν τον τρόπο υποβάλλονται στη συνέχεια επίσης σε υγρασία θαλάμου 50% για περίπου μία ώρα και στη συνέχεια σε υγρασία θαλάμου 90% για άλλη μία ώρα. Οι προκύπτουσες χρονοεξαρτώμενες μεταβολές του μέτρου ελαστικότητας Young και της υγρασίας θαλάμου που επικρατεί σε κάθε χρονική στιγμή παρουσιάζονται στο σχήμα 5 για ένα δείγμα που περιέχει vegan (κόκκινες καμπύλες) και ένα δείγμα που περιέχει ζελατίνη (μπλε καμπύλες).
Στο σχήμα 5 παρουσιάζεται παρόμοια χρονική συμπεριφορά για τα vegan και τα fruit gummies που περιέχουν ζελατίνη, με τους vegan τύπους να παρουσιάζουν πάντα υψηλότερα moduli E και χαμηλότερη ευαισθησία στην υγρασία στις παρούσες έρευνες. Κοινό χαρακτηριστικό και των δύο είναι η αύξηση του μέτρου ελαστικότητας Ε κατά την ξήρανση (εδώ σε 20% RH) και η μείωση κατά την έκθεση σε υγρασία (εδώ σε 50% RH και 90% RH). Για τα δοκίμια που ξηραίνονται σε 20% RH, η υγρασία παρουσιάζεται ήδη κατά την απομάκρυνση από την αποθήκευση σε 50% RH, όπως φαίνεται από την πορεία του μέτρου Ε.
Περίληψη
Το NETZSCH DMA Eplexor® προσφέρει μια διαδικασία ρουτίνας για την αξιολόγηση των ιδιοτήτων των προϊόντων που σχετίζονται με τον καταναλωτή, όπως οι τσίχλες φρούτων, εξυπηρετώντας έτσι τη βελτίωση των προϊόντων και τη νέα ανάπτυξη.
Οι θερμοκρασιακές εξαρτήσεις του μέτρου Ε (δυσκαμψία) και της απόσβεσης συνδέονται στενά με τη συμπεριφορά σκλήρυνσης-δάγκωσης και τήξης των τσιχλών φρούτων. Από την άλλη πλευρά, η γνώση των εξαρτήσεων από την υγρασία έχει μεγαλύτερη αξία για την αξιολόγηση των συνθηκών αποθήκευσης.
Για την ανάπτυξη περαιτέρω τύπων τσίχλας φρούτων, ιδίως με νέες συνδετικές ουσίες για vegan πελάτες, η δυναμική-μηχανική ανάλυση προσφέρει τη δυνατότητα να καταγραφούν εκ των προτέρων τόσο οι θερμικές όσο και οι μηχανικές ιδιότητες στο εργαστήριο και έτσι να κυκλοφορήσουν τα προϊόντα στην αγορά πιο στοχευμένα και ταχύτερα. Οι συνθήκες αποθήκευσης και επεξεργασίας μαζί με τις παραμέτρους της υγρασίας και της θερμοκρασίας μπορούν επιπλέον να προσομοιωθούν μέσω των μετρήσεων DMA.