Εισαγωγή
Η θερμική ανάλυση είναι ζωτικής σημασίας για τη βιομηχανία τροφίμων και ποτών όσον αφορά τη σύνθεση, τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών παραγωγής, τον ποιοτικό έλεγχο, τη μελέτη των συνθηκών αποθήκευσης και τον προσδιορισμό της διάρκειας ζωής των προϊόντων. Η βασική βιομηχανική διαδικασία παραγωγής τυριού περιλαμβάνει την προσθήκη του ενζύμου πυτιά στο παστεριωμένο γάλα για την πρόκληση πήξης. Στη συνέχεια, το τυρόπηγμα διαχωρίζεται από τον ορό, αλέθεται και επεξεργάζεται ώστε να αποκτήσει τη επιθυμητή μορφή, πριν υποβληθεί σε ωρίμανση (εάν απαιτείται). Το τυρί έχει μια πολύ μοναδική δομή, στην οποία τα σφαιρίδια λίπους αιωρούνται μέσα σε μικκύλια που σχηματίζονται από την πρωτεΐνη καζεΐνη (η κύρια πρωτεΐνη του γάλακτος). Από τη σκοπιά της σύνθεσης, η προσθήκη διαφόρων πολυμερών οδηγεί σε διαφορετικές οργανοληπτικές αντιλήψεις και ιδιότητες, ένα παράδειγμα των οποίων είναι η προσθήκη υαλουρονικού οξέος στο τυρί για πίτσα [1].
Στην παρούσα μελέτη, επιδιώξαμε να διερευνήσουμε πώς μια απλή πρακτική αποθήκευσης, όπως η κατάψυξη, επηρεάζει τις ιδιότητες διαφόρων τύπων τυριών. Η ψυκτική αποθήκευση και η κατάψυξη αποτελούν κρίσιμες διαδικασίες τόσο για την παραγωγή και τη διανομή του τυριού, όσο και για τον τρόπο αποθήκευσής του στο σπίτι. Επιπλέον, θέλαμε να διερευνήσουμε εάν θα μπορούσαμε να μετρήσουμε τις ιδιότητες ελαστικότητας του λιωμένου τυριού, προκειμένου να αξιολογήσουμε την απόδοσή του σε πιάτα όπως η πίτσα και το ψητό τυρί.
Η Δυναμική Μηχανική Ανάλυση (DMA) χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάλυση των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων πολυμερών υλικών, αλλά χρησιμοποιείται επίσης για τη μέτρηση μετάλλων, κεραμικών ή για την προσομοίωση συγκεκριμένων μηχανικών συνθηκών. Το DMA 303 της NETZSCH Eplexor® είναι μια ευέλικτη επιτραπέζια συσκευή ικανή να μετρά σε εύρος θερμοκρασιών από -170 °C έως 800 °C (-274 °F έως 1472 °F), εφαρμόζοντας δύναμη που κυμαίνεται από 1 mN έως 50 N, και λειτουργεί σε συχνότητες από 0,001 έως 150 Hz. Σε αυτό το παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση των μηχανικών ιδιοτήτων του λευκού τσένταρ και της παρμεζάνας πριν και μετά από έναν κύκλο ψύξης-απόψυξης.
Ωστόσο, η μέτρηση του τρόπου με τον οποίο οι συνθήκες αποθήκευσης και η θερμοκρασία επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες του στερεού τυριού αποτελεί μόνο το μισό της εικόνας όσον αφορά τον τρόπο με τον οποίο απολαμβάνουμε το προϊόν. Μετρήθηκαν επίσης οι ιδιότητες ελαστικότητας του λιωμένου λευκού τσένταρ, προκειμένου να προσδιοριστεί η απόδοσή του σε σενάρια μαγειρικής, όπως το ψητό τυρί ή το φοντύ.
NETZSCH Η εταιρεία κατέχει μοναδική θέση στον τομέα της ρεολογίας, προσφέροντας τόσο συμβατικά περιστροφικά/ταλαντωτικά ρεόμετρα όσο και τριχοειδή ρεόμετρα υψηλής δύναμης: Μαζί, αυτά τα όργανα καλύπτουν ένα εύρος ρυθμών διάτμησης που υπερβαίνει τις έξι τάξεις μεγέθους. Χρησιμοποιώντας μια διάταξη με διπλό κύλινδρο και ακροφύσιο μηδενικού μήκους, τα ιξώδη διάτμησης και παραμόρφωσης μπορούν να προσδιοριστούν ταυτόχρονα ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης. Στην περίπτωση αυτή, μετρήθηκαν οι διορθωμένες ιδιότητες παραμόρφωσης του λιωμένου λευκού τσένταρ ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης.
Δοκιμές DMA για τον προσδιορισμό της επίδρασης της κατάψυξης στις ιδιότητες του τυριού
Στήλες από λευκό τσένταρ και παρμεζάνα υποβλήθηκαν σε δοκιμές συμπίεσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, προκειμένου να προσδιοριστούν οι μηχανικές τους ιδιότητες ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος DMA για τον προσδιορισμό του συντελεστή αποθήκευσης (E’) των δειγμάτων τυριού, ο οποίος περιγράφει την ικανότητα ενός υλικού να αποθηκεύει ενέργεια, του συντελεστή απώλειας (E”), ο οποίος περιγράφει την ικανότητα ενός υλικού να διαχέει ενέργεια (συνήθως μέσω θερμότητας που παράγεται από εσωτερική τριβή), καθώς και τον συντελεστή απόσβεσης (tan δ), ο οποίος είναι ο λόγος του συντελεστή απώλειας προς τον συντελεστή αποθήκευσης και περιγράφει την ικανότητα ενός υλικού να παραμορφώνεται ελαστικά ή ιξωδώς υπό την επίδραση μιας εφαρμοζόμενης δύναμης. Τέλος, ο σύνθετος συντελεστής (που συμβολίζεται ως |E|, μαθηματικά ως η ρίζα του αθροίσματος των τετραγώνων των E’ και E”) αποτελεί έναν απλό τρόπο σύγκρισης της συνολικής ακαμψίας μεταξύ των δειγμάτων ως συνάρτηση της θερμοκρασίας.
Στη μελέτη αυτή, ένα δείγμα είτε λευκού τσένταρ είτε παρμεζάνας υποβλήθηκε σε θερμοκρασίες από 20 έως 55 ή 65 °C (ανάλογα με το σημείο τήξης), αφού είχε προηγουμένως διατηρηθεί μόνο σε θερμοκρασία 4 °C. Για να κατανοηθεί η επίδραση ενός κύκλου ψύξης-απόψυξης, δείγματα λευκού τσένταρ και παρμεζάνας αποθηκεύτηκαν στους -20 °C κατά τη διάρκεια της νύχτας πριν αποψυχθούν και αναλυθούν με το ίδιο πρόγραμμα θερμοκρασίας. Το αποτέλεσμα ενός κύκλου ψύξης-απόψυξης στις ιδιότητες του λευκού τσένταρ παρουσιάζεται στο Σχήμα 2, ενώ για την παρμεζάνα στο Σχήμα 3.
Από τα Σχήματα 2 και 3, παρατηρείται σαφής διαφορά στα τυριά (αφού είχαν αποθηκευτεί μόνο στο ψυγείο), η παρμεζάνα παρουσιάζει σημαντικά υψηλότερες τιμές συντελεστή ελαστικότητας σε σύγκριση με το λευκό τσένταρ (E’ 3,02 έναντι 0,39 MPa στους 25 °C), όπως θα ήταν αναμενόμενο δεδομένου ότι η παρμεζάνα κατατάσσεται ως σκληρό τυρί. Και τα δύο τυριά παρουσίασαν επίσης υψηλότερες τιμές συντελεστή ελαστικότητας και συντελεστών απόσβεσης μετά από έναν κύκλο ψύξης-απόψυξης (το E’ της παρμεζάνας αυξήθηκε από 3,02 σε 3,87 και του λευκού τσένταρ από 0,39 σε 0,60 MPa στους 25 °C), γεγονός που υποδηλώνει ότι οι συνθήκες αποθήκευσης επηρεάζουν το υλικό και το καθιστούν σημαντικά πιο άκαμπτο.
Ο Πίνακας 1 συνοψίζει τα αποτελέσματα κάθε δείγματος σε επιλεγμένη θερμοκρασία 25 °C. Η κατανόηση της αλληλεπίδρασης των παραμέτρων E’ και E” είναι σημαντική για να κατανοήσουμε πώς θα γίνεται αντιληπτό το τυρί κατά τη μάσηση, δηλαδή αν θα αντιστέκεται ή αν θα υποχωρεί εύκολα στη δύναμη που ασκούν τα δόντια [2].
Πίνακας 1: Σύνοψη των τιμών E', E'' και tan δ για το λευκό τσένταρ και την παρμεζάνα στους 25 °C
| Μεταβλητή | Μη κατεψυγμένο | Κατεψυγμένο και αποψυγμένο | Αύξηση μετά την κατάψυξη |
|---|---|---|---|
Λευκό τσένταρ | |||
| E' (MPa) | 0,39 | 0,60 | 1,54 |
| E'' (MPa) | 0,13 | 0,22 | 1,69 |
| tan δ | 0,36 | 0,37 | 1,12 |
Παρμεζάνα | |||
| E' (MPa) | 3,03 | 3,87 | 1,28 |
| E'' (MPa) | 1,10 | 1,50 | 1,36 |
| tan δ | 0,36 | 0,39 | 1,08 |
Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι το φαινόμενο της αυξημένης ακαμψίας μετά την κατάψυξη είναι πιο έντονο σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά μειώνεται σημαντικά καθώς τα δείγματα θερμαίνονται (Σχήματα 2c και 3c).
Τέλος, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το DMA 303 Eplexor® είναι ικανό να φτάσει σε κρυογονικές θερμοκρασίες και, ως εκ τούτου, ο κύκλος ψύξης-απόψυξης θα μπορούσε να ολοκληρωθεί μέσα στο ίδιο το όργανο. Ωστόσο, διαπιστώθηκε ότι οι στήλες τυριού έγιναν τόσο άκαμπτες, ώστε απαιτήθηκε μεγαλύτερη δύναμη για τη δυναμική παραμόρφωση από ό,τι μπορούσε να παράσχει το όργανο. Για τη μελέτη αυτών των υλικών κατά τη διάρκεια της κατάψυξης, απαιτείται όργανο με μεγαλύτερη δύναμη, όπως το DMA 503 Eplexor®.
Ρεομετρία τριχοειδών, δοκιμή εξώθησης και δοκιμή έλξης
Οι σειρές τριχοειδών ρεομέτρων « NETZSCH » Rosand RH2000 και RH7/10 χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μελέτη του ιξώδους των πολυμερών σε κατάσταση τήξης. Στην περίπτωση αυτή, επιδιώξαμε να μετρήσουμε το ιξώδες ενός τυριού που λιώνει, όπως το λευκό τσένταρ (το παρμεζάνα δεν λιώνει καλά), ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης. Το δείγμα μετρήθηκε στους 65°C, καθώς αυτή είναι μια συνήθης θερμοκρασία που χρησιμοποιείται για το φοντύ, μια περίπτωση στην οποία η ελαστικότητα του τυριού παίζει πραγματικά σημαντικό ρόλο.
Εκτός από τις βασικές μετρήσεις ιξώδους, τα όργανα της Rosand μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν διάφορα εξαρτήματα και μαθηματικά μοντέλα για τον προσδιορισμό πρόσθετων ιδιοτήτων, όπως η δύναμη έλξης, η διόγκωση στη μήτρα και το ιξώδες ελαστικής παραμόρφωσης. Χάρη στον σχεδιασμό διπλής οπής της Rosand, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια μακριά μήτρα και μια μήτρα με στόμιο για την ταυτόχρονη μέτρηση ενός δείγματος και τον υπολογισμό του ιξώδους διάτμησης και της ελαστικής παραμόρφωσης χρησιμοποιώντας το μοντέλο Cogswell. Από πρακτική άποψη, αυτό δείχνει πόσο μπορεί να επιμηκυνθεί το λιωμένο τυρί σε έναν δεδομένο ρυθμό διάτμησης, δηλαδή πόσο θα τεντωθεί το λιωμένο τυρί όταν τραβιέται μια φέτα πίτσας με έναν δεδομένο ρυθμό. Οι ιδιότητες διάτμησης και ελαστικής παραμόρφωσης του λευκού τσένταρ παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Το λευκό τσένταρ παρουσίασε μια κοινή ιδιότητα των πολυμερών, δηλαδή την αραίωση υπό διάτμηση· το ιξώδες του δείγματος μειώθηκε με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης.
Για τα νευτώνεια υλικά, είναι ευρέως αποδεκτό ότι το ιξώδες διαστολής του υλικού είναι τριπλάσιο από το ιξώδες διάτμησης. Για τα λιωμένα πολυμερή, η αναλογία του ιξώδους διαστολής προς το ιξώδες διάτμησης είναι πολύ υψηλότερη, φτάνοντας έως και αρκετές τάξεις μεγέθους. Στην περίπτωση αυτή, διαπιστώθηκε ότι το λευκό τσένταρ είχε πολύ υψηλό ιξώδες επιμήκυνσης, το οποίο ήταν αρκετές χιλιάδες φορές υψηλότερο από το ιξώδες διάτμησης. Από πρακτική άποψη, αυτό υποδηλώνει ότι το λευκό τσένταρ παραμένει εξαιρετικά ιξώδες (σκεφτείτε το μέλι σε σύγκριση με το νερό) κατά τη διάρκεια της διάτμησης και, ως εκ τούτου, είναι λιγότερο πιθανό να σπάσει. Καθώς το τσένταρ υποβάλλεται σε διάτμηση με ταχύτερο ρυθμό, το ιξώδες ελαστικής παραμόρφωσης μειώνεται. Επομένως, κατά τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας «τράβηγματος» του τυριού, η διατήρηση αρκετά υψηλής θερμοκρασίας και το αργό τράβηγμα θα μεγιστοποιήσουν την απόσταση κατά την οποία μπορεί να τεντωθεί το τσένταρ.
Περίληψη
Οι δοκιμές θερμικής ανάλυσης διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη βιομηχανία τροφίμων και ποτών, καθώς συμβάλλουν σε κάθε στάδιο, από τη σύνθεση έως τον προσδιορισμό της διάρκειας ζωής. Στο παρόν άρθρο, καταδείξαμε πώς μπορούν να αξιοποιηθούν διάφορα όργανα της σειράς NETZSCH, όχι μόνο για να κατανοήσουμε πώς η θερμοκρασία αποθήκευσης επηρεάζει τις ιδιότητες του λευκού τσένταρ και της παρμεζάνας, αλλά και για να μετρήσουμε ιδιότητες κατά τη διάρκεια της τήξης, όπως η επιμήκυνση του λευκού τσένταρ. Χρησιμοποιώντας το DMA 303 Eplexor®®, συγκρίθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες του λευκού τσένταρ και της παρμεζάνας σε ένα εύρος θερμοκρασιών. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η επίδραση ενός κύκλου ψύξης-απόψυξης και στα δύο τυριά αυξάνει σημαντικά το μέτρο ελαστικότητάς τους, ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη μεταφορά και το χειρισμό του προϊόντος. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο « Rosand RH2000 » για την προσομοίωση των ιδιοτήτων του λευκού τσένταρ κατά την τήξη, και συγκεκριμένα των ιδιοτήτων ελαστικής επιμήκυνσης. Από τη σκοπιά του χρήστη, πρόκειται ουσιαστικά για ένα μοντέλο που προσομοιώνει το μαγείρεμα και την επακόλουθη «ελαστική επιμήκυνση» του τυριού, μια κρίσιμη μεταβλητή για το μάρκετινγκ και την απόδοση του προϊόντος.