Introducción
Las gominolas de fruta son deliciosas y saben bien durante todo el año, ya sea en verano o en invierno, en el desierto a 50 °C o en el Polo Norte a -40 °C. Sería desagradable que estas "golosinas" se pegaran a altas temperaturas y formaran una especie de masa cohesiva y pegajosa, o que se cayera un diente al morderlas en el frío. Estos ejemplos lo dejan claro: Las gominolas de fruta parecen exhibir un amplio espectro de propiedades elásticas, que varían entre blandas y duras y también están muy influidas por la temperatura. El análisis mecánico dinámico se emplea para la caracterización de las propiedades viscoelásticas. Cuando se acoplan a una cámara de humedad, también pueden registrarse las influencias del secado y la humidificación en su comportamiento mecánico.
¿Qué comportamientos mecánicos presentan las gominolas de frutas de zonas climáticas diferentes?
Se dispuso de gominolas de fruta de los siguientes países para la investigación:
- Alemania
- Países Bajos
- Australia
- Nueva Zelanda
- Rusia
Junto con las classic, gominolas de fruta a base de gelatina, también se incluyen en los estudios tipos veganos. Se registrará y comparará el comportamiento dinámico-mecánico de todos los tipos a diferentes temperaturas. Las mediciones de DMA se llevarán a cabo utilizando un NETZSCH DMA Eplexor® conectado a un Hygromator (generador de humedad opcional).
La gelatina, su origen, propiedades funcionales y alternativas
Tradicionalmente, la gelatina [1, 2] es el principal componente de las gominolas de fruta. Esencialmente, espesa los ingredientes líquidos aromatizantes y, cuando se utiliza correctamente, proporciona la fusión y firmeza de mordida adecuadas, así como la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión apropiada para su consumo. En general, las "gominolas" se vierten y -antes de la transición a la fase viscoelástica- existen en forma fundida al final del proceso de moldeo.
La gelatina se encuentra no sólo en las gominolas de fruta, sino también en muchos otros productos alimenticios, por ejemplo, alimentos bajos en calorías, yogures, mayonesas, aspics, pastas de carne y muchos dulces. Históricamente, la gelatina también se ha utilizado como pegamento durante miles de años.
La gelatina es un alimento natural compuesto principalmente por proteína de colágeno. Las proteínas desempeñan tres funciones muy diferentes en los organismos vivos, a) como proteínas estructurales (= escleroproteínas), b) como proteínas de membrana y c) como proteínas globulares (= esferoproteínas). La versión colágena es un miembro de las escleroproteínas y consta de 3 cadenas polipeptídicas entrelazadas (triple hélice). Cuando estas cadenas se agrupan, se forman fibrillas de colágeno; éstas se convierten en realidad en redes tridimensionales debido a los enlaces cruzados que surgen entre las triples hélices y así se estabilizan mecánicamente.
La Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición del colágeno en cadenas polipeptídicas individuales es necesaria para la producción de gelatina. Debido a la insolubilidad de la reticulación en el agua, se trata de un proceso complejo que requiere el uso de productos químicos. +
La producción de gelatina comienza con colágeno de origen animal. Las proteínas animales proceden de los huesos o se extraen de las capas inferiores de la piel. Visto a nivel microscópico, el colágeno presenta unas estructuras en forma de hélice que luego se ablandan en un proceso químico-térmico para que puedan separarse (lo que se conoce como maceración). El resultado es un desecho "desmineralizado", llamado oseína, que es la materia prima con la que se fabrica la gelatina.
La producción de gelatina permite obtener diferentes grados de gelificación para diversas aplicaciones. La fuerza gelificante se describe mediante el "número Bloom". Dado que la fuerza gelificante, y por tanto el número Bloom, dependen de la temperatura, se puede seleccionar la gelatina más adecuada para un producto determinado. Para las gominolas de fruta más firmes, se utiliza gelatina con un valor Bloom más alto que para los tipos más blandos, que contienen gelatina con un valor Bloom bajo.
La gelatina es un hidrocoloide y puede ligar agua e hincharse en ella. Espesa, gelifica, estabiliza, es extremadamente elástica y presenta un comportamiento termorreversible; es decir, la gelatina gelifica cuando se enfría y se funde cuando se calienta. Esta propiedad también se utiliza en la producción de "ositos de goma" y se investigó y evaluó en las mediciones realizadas aquí. El Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión también reviste especial importancia para el consumidor. Al fin y al cabo, el "animal de goma" debe derretirse en la boca sin dejar de tener cierta firmeza.
Se han empezado a buscar alternativas, aglutinantes de origen puramente vegetal con propiedades similares a las de la gelatina, pero aún no se ha encontrado un sustituto completo. Se necesitan métodos de ensayo rutinarios para describir mejor los aglutinantes alternativos y su efecto sobre el material [1], [2].
Actualmente se están utilizando, entre otros, los siguientes materiales como aglutinantes de origen vegetal puro, con el objetivo de sustituir a la gelatina [3]:
- Agar-Agar: Sustituto de la gelatina
- Aquafaba: Agua espesa de cocción de garbanzos, alubias y otras legumbres de origen vegetal; sustituto del huevo
- Pectina: Fibra soluble y gelificante de origen vegetal Fécula de patata: aglutinantes
- Fécula de maíz: Sustituto del almidón, generalmente sin gluten ni lactosa
- Cáscaras de psyllium: Agente gelificante de origen vegetal
- Sagú: Almidón granulado de mandioca y patata; espesante insípido
- Goma garrofín: Agente espesante natural
- Goma de engranaje: Agente espesante y aglutinante (E 412)
- Carragenina: Agente gelificante y espesante de origen vegetal (E407), obtenido de algas rojas
- Alginato: Agente espesante, gelificante y de recubrimiento (E 400 a E 405), obtenido a partir de algas
- Goma xantana: Polisacárido de origen natural, aditivo producido a partir de bacterias (E 4015) para su uso como agente gelificante y espesante
- Almidón de arrurruz: Agente aglutinante sin gluten; sustituto del huevo
Estas alternativas son también hidrocoloides como la gelatina. Se utilizan en la industria alimentaria por sus propiedades funcionales; estas propiedades, sin embargo, no son tan completas como para permitir una sustitución general de la gelatina por ellas [2].
Dado que las gominolas de fruta veganas también utilizan aglutinantes poco comunes hasta ahora, y su efecto aún no se conoce bien, en este campo es necesario incluir en las investigaciones productos con aglutinantes veganos.
Resultados del ensayo dinámico-mecánico con el NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
En la medida en que estaban disponibles en formas que podían investigarse fácilmente en la prueba de tracción, se seleccionaron gominolas de fruta en consecuencia. Otras se troquelaron para darles una forma adecuada para la prueba cuando estaban frías.
Los cambios en la sección transversal durante el ensayo y las áreas transversales que no pueden registrarse con precisión en el caso de las probetas de forma irregular no afectan a la amortiguación y, por tanto, a la temperatura de reblandecimiento.
Parámetros de medición
En la primera parte de la prueba, se realizaron barridos de temperatura en el intervalo de aproximadamente -60 °C a +40 °C en todas las muestras de gominolas de fruta utilizando el DMA Eplexor® para poder comparar la estabilidad dependiente de la temperatura (módulo de elasticidad complejo o simplemente módulo E) y la viscoelasticidad asociada de las diferentes gominolas de fruta. Para ello, las muestras se enfriaron inicialmente a aproximadamente -60 °C en el instrumento de ensayo. Para fijar una temperatura constante en la muestra, se establece en cada caso una fase IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica de 15 min antes de la medición, seguida de una medición a una velocidad de calentamiento de 0,5 K/min. Las mediciones de temperatura se realizan cerca de la muestra con el termómetro de cámara, situado en una cámara de muestras con circulación intensiva de aire.
En la segunda parte del experimento, se investiga el comportamiento dinámico-mecánico de una muestra vegana de Alemania y una muestra a base de gelatina de los Países Bajos durante el secado y bajo absorción de humedad en el Eplexor®, equipado con un Hygromator (cámara de humedad).
Comportamiento de las gominolas de fruta en función de la temperatura
Las gominolas alemanas están disponibles como veganas (verdes, llamadas "tiras") y a base de gelatina (rojas, llamadas "patatas fritas") para las mediciones de DMA.
Se observa (figura 1) que las gominolas de fruta veganas presentan un módulo de Young más elevado a todas las temperaturas, es decir, son más rígidas que las gominolas a base de gelatina. El ablandamiento de las tiras veganas (curva verde, Tg = 11,6°C) se produce además a temperaturas más altas que las patatas fritas a base de gelatina (curva roja, Tg=-0,4°C).
Este hallazgo objetivo también se corresponde con los resultados sensoriales de la mordida y la degustación: Las muestras veganas son más firmes al morder, mientras que las muestras a base de gelatina tienen un sabor más intenso al derretirse.
Gominolas holandesas
En los Países Bajos se dispone de versiones a base de gelatina para realizar pruebas. Las geometrías parcialmente irregulares de las gominolas se moldean en forma de muestra mediante punzonado cuando están en estado frío. Al manipularlos, estos productos destacan como gominolas de fruta relativamente rígidas. Los puntos de reblandecimiento medidos se sitúan entre -6°C y 0°C.
La figura 2 muestra las distintas curvas de medición del módulo |E*| y la amortiguación. La gominola blanda (curva azul) presenta diferencias en la temperatura de reblandecimiento (-2,4°C) en comparación con los otros dos tipos de gominolas de fruta, Liane- Cassis (-5,1°C, curva roja) y Fresa (-4,9°C, curva verde). Por este motivo, la muestra de gominola blanda presenta, con diferencia, la curva de amortiguación más amplia y la caída más rápida del módulo de Young en función de la temperatura. Así, la muestra de gominola blanda tiene la menor amortiguación a temperatura ambiente de todas las muestras comparadas, y el material parece más blando para el consumidor que la fresa y el Liane-Cassis.
Aunque la amortiguación es muy similar para los tipos Liane-Cassis y Fresa, el módulo E de la Fresa es siempre superior al de la Liane-Cassis, lo que también se refleja en la firmeza al morder.
La menor amortiguación (tan δ) de la muestra Liane-Cassis (curvas rojas) se observa en la práctica en virtud de un proceso de fusión y deformación más largo que el de la Fresa (curva verde). Además, Liane-Cassis presenta un efecto adhesivo más intenso sobre los dientes.
Muestras veganas de Australia y Nueva Zelanda
Ambas muestras se ofrecen en un mercado con temperaturas exteriores medias elevadas, lo que plantea exigencias especiales a la estabilidad dimensional y la PegajosidadLa adherencia describe la interacción entre 2 capas de materiales idénticos (autohesión) o diferentes (cohesión) en términos de pegajosidad superficial.pegajosidad de las gominolas de fruta. Ambas muestras están disponibles en forma de cubo o lámina ya adaptada para la prueba de tracción, y sólo es necesario cortarlas o doblarlas adicionalmente para ajustar el grosor de la muestra para realizar la prueba. Mientras que una de las muestras (curvas verdes) se designa específicamente como vegana, la segunda (curvas azules) no afirma explícitamente esta afirmación.
Es obvio (figura 3) que los productos de la región oceánica presentan las temperaturas de ablandamiento más altas (19,6°C y 24,3°C) de todas las gominolas de fruta investigadas. En particular, las muestras cuboidales son relativamente rígidas hasta el punto de congelación y presentan los módulos E más elevados.
Gominolas rusas de frutas a base de gelatina para regiones de clima frío
Las dos gominolas de fruta rusas a base de gelatina investigadas aquí tienen forma de oso (curvas azules) y de gusano (curvas rojas). La forma de oso requería perforación, mientras que los gusanos podían introducirse directamente en el DMA. Aunque el ablandamiento de los gusanos comienza a temperaturas ligeramente superiores (Tg = -0,9°C, curva roja) a las de los osos (Tg = -4,4°C, curva azul), ambos presentan una rigidez similar en el momento del ablandamiento.
El módulo E de los osos a temperaturas de servicio es inferior al de los gusanos (curvas azules, figura 4) debido al material. Los gusanos se ablandan a temperaturas ligeramente superiores (3,5°C, curvas rojas) a las de los osos. En consecuencia, las propiedades gustativas de los dos tipos de gominolas de fruta también son muy similares.
Comportamiento de las gominolas de fruta en función de la humedad
La dependencia de la humedad de las muestras se investiga, al igual que para los barridos de temperatura, en el modo de tracción a 35°C. La temperatura se mantiene constante durante todo el experimento.
En el primer paso del experimento, las muestras veganas a base de gelatina alemana y holandesa se exponen a una humedad de cámara del 20% HR, que se genera y se mantiene constante mediante el NETZSCH GABO Hygromator (generador de humedad).
Este paso corresponde a un proceso de secado para pasar de la humedad ambiente, que en estos países es de aproximadamente 50% a 60% HR dependiendo de la estación, a una condición de "cuasi" secado al 20% HR. Para esta serie de pruebas, las gominolas de fruta que se iban a probar debían estar disponibles en un estado de humedad secado e idéntico a efectos de comparación. Para ello, las dos muestras se secaron durante aproximadamente 1 h y se registró la evolución temporal de su módulo de Young. A continuación, las muestras secadas de este modo se sometieron también a una humedad de cámara del 50% durante aproximadamente una hora y, después, a una humedad de cámara del 90% durante otra hora. En la figura 5 se muestran los cambios resultantes en función del tiempo en el módulo de Young y la humedad de la cámara predominante en cada momento para una muestra vegana (curvas rojas) y una muestra que contiene gelatina (curvas azules).
En la figura 5 se muestra un comportamiento temporal similar para las gominolas de fruta veganas y las que contienen gelatina, mostrando siempre los tipos veganos mayores módulos E y menor sensibilidad a la humedad en las presentes investigaciones. Ambas presentan un aumento del módulo E tras el secado (aquí al 20% de humedad relativa) y una disminución tras la exposición a la humedad (aquí al 50% de humedad relativa y al 90% de humedad relativa). En el caso de las probetas secadas al 20% de HR, la humidificación ya se produce al salir del almacenamiento al 50% de HR, como muestra la evolución del módulo E.
Resumen
El NETZSCH DMA Eplexor® ofrece un procedimiento rutinario para la evaluación de las propiedades de productos relevantes para el consumidor de alimentos como las gominolas de fruta, sirviendo así para la mejora y el nuevo desarrollo de productos.
Las dependencias de la temperatura del módulo E (rigidez) y la amortiguación están estrechamente relacionadas con la firmeza al morder y el comportamiento de fusión de las gominolas de fruta. El conocimiento de las dependencias de la humedad, por otra parte, es de mayor valor para evaluar las condiciones de almacenamiento.
Para el desarrollo de otros tipos de gominolas de fruta, especialmente con nuevos aglutinantes para clientes veganos, el análisis dinámico-mecánico ofrece la posibilidad de registrar por adelantado las propiedades térmicas y mecánicas en el laboratorio y, de este modo, lanzar los productos al mercado de forma más específica y con mayor rapidez. Las condiciones de almacenamiento y procesado, junto con los parámetros de humedad y temperatura, pueden simularse además mediante mediciones de DMA.