Johdanto
Dynaamista mekaanista analyysia (DMA) käytetään ensisijaisesti polymeerimateriaalien analysointiin, mutta tekniikkaa voidaan soveltaa myös monilla muilla aloilla. Tällaisia ovat muun muassa elintarvike- ja juomateollisuuden erilaiset sovellukset - esimerkiksi Mucha et al. [1] esittämä purkkakarkkivalmisteiden analyysi. Teollisuudessa mekaanista karakterisointia käytetään usein tuotteiden laadun ja yhdenmukaisuuden arviointiin elintarvikealalla. DMA 303 Eplexor®® on monipuolinen pöytälaite, joka pystyy mittaamaan -170 °C:n ja 800 °C:n (-274 °F-1472 °F) lämpötila-alueella 50 N:n kokonaisvoimalla (staattinen ja dynaaminen), joten se soveltuu erinomaisesti tällaisiin sovelluksiin.
Jokainen pihvin tilannut henkilö kertoo sinulle, millä tavalla pihvi pitäisi kypsentää oikein ja millä väärin. Ongelmana on, että jokainen henkilö, jolta kysyt, vastaa eri tavalla. Kun on kyse hyvästä pihvistä, on yleensä kaksi päämuuttujaa: mureus ja mehevyys. Mureus on lähinnä mekaaninen ominaisuus, joka kuvaa sitä, kuinka pehmeää ja pureskeltavaa liha on. Se, kuinka mehukas pihvi on, riippuu rasvapitoisuudesta ja -jakaumasta, kypsytysprosessista ja siitä, miten pihvi on kypsennetty. Pihvin sisäiset lämpötilat ovat 52 °C (125 °F), kun kyseessä on raakaliha, 54-57 °C (130-135 °F), kun kyseessä on medium-raakaliha, 57-60 °C (135-140 °F), kun kyseessä on medium, 60-66 °C (140-150 °F), kun kyseessä on mediumwell ja 68 °C (155 °F) tai korkeampi, kun kyseessä on well-done (hyvin kypsäksi paistettu) [2]. Vaikka kaikki tietävät, että mitä pidempään pihvi on kypsennetty, sitä sitkeämpi siitä tulee, miten tämä oikeastaan mitataan? Onko mahdollista arvioida kvantitatiivisesti, kuinka murea pihvi on kypsennyksen aikana?
Pelkän kypsennysajan lisäksi on useita muita tekijöitä, jotka vaikuttavat lopullisen ruoan laatuun. Kalliimmat palat ovat yleensä peräisin vähemmän rasitetuista lihaksista, mikä parantaa niiden mureutta. Lisäksi lihan rasvapitoisuudella on merkittävä rooli. Suurempi marmoroituminen johtaa mehukkaampaan ja mureampaan lihaan, kun taas vähärasvaisemmissa paloissa on suurempi lihassyytiheys ja enemmän proteiinia, mutta ne ovat kaiken kaikkiaan sitkeämpiä tuotteita.
Pihvinäytteiden dynaamis-mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi päätimme tutkia suhteellisen edullista leikettä nimeltä "skirt-steak", joka tunnetaan korkeasta lihaskuitupitoisuudestaan.
Meillä oli kaksi ensisijaista tavoitetta:
a) selvittää, kuinka paljon sisälämpötila vaikuttaa mekaanisiin ominaisuuksiin, ja
b) miten kuitujen suuntautuminen vaikuttaa mureuden havaitsemiseen. Tieteellisen uteliaisuuden lisäksi tällaiset tiedot ovat tärkeitä laadunvalvonnalle ja uusille teollisuudenaloille, jotka suunnittelevat lihavaihtoehtoja tai -korvikkeita.
DMA-tutkimus kypsyydestä
Mittauksia varten valmistettiin näytteitä raa'asta härkäpihvistä (halkaisija 13 mm, korkeus 6 mm), kuva 1a). Näytteet mitattiin puristettuna, jotta parhaiten simuloitaisiin sitä, miten näyte koetaan pureskeltaessa. DMA:n termopari työnnettiin suoraan näytteen keskikohtaan sisälämpötilan mittaamiseksi, kuva 1b). Näytettä litistettiin aluksi 1,0 N:n kosketusvoimalla ja varmistettiin, että se koskettaa tasaisesti työntötankoa. Dynaamista amplitudia käytettiin 20 μm ja suhteutuskerrointa 1,1 koko lämpötila-alueella 30-80 °C käyttäen lämpönopeutta 1 K/min (55 minuutin kokonaisajoaika). Täysin kypsennetty näyte testauksen jälkeen on esitetty kuvassa 1c).
Mittaustulokset
Puristuskokeiden tulokset esitetään kuvassa 2) ja yhteenveto kypsyyden osalta taulukossa 1). Varastointimoduuli (E') korreloi materiaalin kyvyn kanssa varastoida energiaa elastisesti. Kypsennyksen aikana E' kasvaa tyypillisesti, kun pihvistä tulee kiinteämpi ja pureskeltavampi. Häviömoduuli (E") kuvaa materiaalin energian häviämistä tyypillisesti sisäisen kitkan ja viskoosin käyttäytymisen kautta. Korkea E'' osoittaa, että pihvi haihduttaa enemmän energiaa pureskelun aiheuttaman muodonmuutoksen aikana. E':n ja E":n arvot liittyvät kypsennysprosessin aikana tapahtuviin rakenteellisiin muutoksiin: lihassyyt supistuvat ja menettävät vettä, mikä johtaa sekä kiinteämpään rakenteeseen että sisäisen kitkan lisääntymiseen.
Taulukko 1: Skirt steak -levyjen absoluuttinen moduuli ja mekaanisten ominaisuuksien kasvu suhteessa sisälämpötilaan ja kypsyyteen
| Kypsyysaste | Sisälämpötila (°C) | |E| (MPa) | Moduulin kasvu verrattuna raakapihviin |
|---|---|---|---|
| Raaka (sinihomeinen) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Harvinainen | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-harvinainen | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-kaivo | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Hyvin tehty | 72 | 3.74 | 12.7 |
Kypsennysprosessin tavoitteena on siis saada aikaan kohtuulliset arvot sekä E' että E", jolloin pihvi on rakenteeltaan miellyttävän pureskeleva, mutta silti mehukas. Jos kypsennysprosessi jatkuisi pidemmälle kuin liha on kypsää (ei kuvassa), kollageeni sulaisi gelatiiniksi ja lihassyyt rentoutuisivat, jolloin kitka vähenisi ja E" laskisi.
Vaimennuskerroin (merkintä tan δ) on E":n ja E':n suhde ja kuvaa, miten elastisesti tai viskoosisti materiaali käyttäytyy. E':n suuruus on paljon suurempi kuin E", mikä viittaa siihen, että materiaali käyttäytyy pääasiassa elastisesti ja jäykistyy lämpötilan kasvaessa. Mielenkiintoista on, että vaimennuskerroin aluksi pienenee ja sitten taas kasvaa, mikä osoittaa, että kypsennysprosessin aikana eri lämpötilat aiheuttavat pieniä muutoksia vaimennusominaisuuksissa. Koska kosteuden häviäminen ja rasvan Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulaminen tapahtuvat samanaikaisesti kypsennyksen aikana, tämä vaikutus ei ole odottamaton.
Kompleksimoduulin absoluuttinen arvo |E| kuvaa materiaalin kokonaisvastusta muodonmuutokselle värähtelevän rasituksen alaisena, ja siinä yhdistyvät sekä viskoosinen että elastinen komponentti. Taulukossa 1 esitetään yhteenveto siitä, miten tämä ominaisuus muuttuu sisälämpötilan mukaan. Raakapihvin puristusmoduuli on 1,5 kertaa suurempi kuin raakapihvin, kun taas hyvin kypsennetyn pihvin moduuli on 12,7 kertaa suurempi. Tämä tulos osoittaa, että mureus ja sisälämpötila korreloivat epälineaarisesti.
Kuitujen vaikutus mureuteen
Pelkkä kypsyys ei vaikuta siihen, kuinka murea pihvi lopulta on. Lohipihvi, joka on suhteellisen edullinen lehmän lautasesta ja palleasta peräisin oleva lihapala, on tunnettu siitä, että se on vähärasvainen ja siinä on paljon lihassyitä. Siksi tapa, jolla pihvi leikataan ja tarjoillaan, vaikuttaa large merkittävästi siihen, kuinka murea se on. Tässä testasimme kypsennettyjä skirt-pihvin paloja vetotilassa, jotka oli leikattu joko lihassyiden suuntaisesti tai kuituja vasten, ja tulokset on esitetty kuvassa 3. Kuvasta 3 voidaan havaita, että lihassyiden suuntaisesti leikatun näytteen (oranssi viiva) absoluuttinen vetomoduuli on 6,7 kertaa korkeampi kuin kohtisuoraan kuituun nähden leikatun näytteen (sininen viiva). Tämä absoluuttisen vetomoduulin nousu korreloi sen kanssa, että liha on vähemmän mureaa. Näin ollen yksinkertaisella tekniikalla, jossa kypsennetty pihvi leikataan ohuiksi viipaleiksi kuitua vasten, saadaan huomattavasti mureampaa lihaa.
Yhteenveto
DMA 303 Eplexor® tarjoaa laajan taajuus-, voima- ja lämpötila-alueen, mikä tekee siitä ihanteellisen laitteen dynaamis-mekaanisiin mittauksiin useilla eri sovellusalueilla. Tässä kuvaamme laitteen kykyä mitata tarkasti pihvipalan mureutta sekä puristuksessa pureskelua simuloidaksemme että jännityksessä lihassyiden suuntautumisen vaikutuksen tutkimiseksi.
DMA 303 Eplexor® -laitetta voidaan käyttää lihan lisäksi monien muidenkin näytetyyppien karakterisointiin elintarvike- ja juomateollisuudessa. Tällaisia tuloksia voidaan käyttää suunniteltaessa kasvipohjaisia lihankorvikkeita, jotta ne jäljittelisivät parhaiten perinteistä tuotetta.