Johdanto
Lämpöanalyysi on elintarvike- ja juomateollisuudessa ratkaisevan tärkeää tuotteiden koostumuksen määrittämisessä, valmistusprosessien optimoinnissa, laadunvalvonnassa, varastointiolosuhteiden tutkimisessa sekä tuotteiden säilyvyyden määrittämisessä. Teollisen juustonvalmistuksen perusprosessiin kuuluu pastöroidun maidon inokuloiminen juokseteentsyymillä hyytymisen aikaansaamiseksi. Juustomassa erotetaan sitten herasta, jauhetaan ja muokataan haluttuun muotoon ennen kypsyttämistä (jos kypsytys on tarpeen). Juustolla on hyvin ainutlaatuinen rakenne, jossa rasvapisarat ovat suspendoituneet kaseiiniproteiinista (maidon pääproteiini) muodostuneisiin miselleihin. Koostumuksen kannalta erilaisten polymeerien lisääminen tuottaa erilaisia aistinvaraisia vaikutelmia ja ominaisuuksia; esimerkkinä tästä on hyaluronihapon lisääminen pizzajuustoon [1].
Tässä tutkimuksessa pyrimme selvittämään, miten yksinkertainen säilytystekijä, kuten pakastaminen, vaikuttaa eri juustotyyppien ominaisuuksiin. Kylmävarastointi ja pakastaminen ovat molemmat kriittisiä prosesseja juuston tuotannossa ja jakelussa sekä juuston kotivarastoinnissa. Lisäksi halusimme selvittää, voimmeko mitata sulaneen juuston venyvyysominaisuuksia arvioidaksemme sen käyttäytymistä esimerkiksi pizzassa ja grillatussa juustovoileivässä.
Dynaamista mekaanista analyysiä (DMA) käytetään ensisijaisesti polymeerimateriaalien viskoelastisten ominaisuuksien analysointiin, mutta sitä käytetään myös metallien ja keraamisten materiaalien mittaamiseen tai tiettyjen mekaanisten olosuhteiden simuloimiseen. NETZSCH in DMA 303 Eplexor® on monipuolinen pöytämalli, joka pystyy mittaamaan lämpötila-alueella -170 °C – 800 °C (-274 °F – 1472 °F) ja soveltamaan voimaa välillä 1 mN – 50 N, ja toimii taajuusalueella 0,001–150 Hz. Tässä esimerkissä laitetta käytettiin valkoisen cheddar-juuston ja parmesaanin mekaanisten ominaisuuksien mittaamiseen ennen ja jälkeen pakastus-sulatusjakson.
Säilytysolosuhteiden ja lämpötilan vaikutusten mittaaminen kiinteän juuston mekaanisiin ominaisuuksiin on kuitenkin vain puoli totuutta siitä, miten nautimme tuotteesta. Sulatetun valkoisen cheddar-juuston venymisominaisuuksia mitattiin myös sen käyttäytymisen selvittämiseksi ruoanlaittotilanteissa, kuten grillatussa juustossa tai fonduessa.
NETZSCH on ainutlaatuisessa asemassa reologian alalla, sillä se tarjoaa sekä perinteisiä rotaatio-/oskillaatioreometrejä että suurivoimaisia kapillaarireometrejä: Yhdessä nämä laitteet kattavat yli kuuden suuruusluokan alueen leikkausnopeuksissa. Käyttämällä kaksoissylinteriä ja nollapituista suutinkokoonpanoa leikkaus- ja venymäviskositeetit voidaan määrittää samanaikaisesti leikkausnopeuden funktiona. Tässä tapauksessa sulatetun valkoisen cheddar-juuston korjatut venymäominaisuudet mitattiin leikkausnopeuden funktiona.
DMA-testaus juuston ominaisuuksiin kohdistuvien jäädytysvaikutusten selvittämiseksi
Valkoisen Cheddar- ja Parmesan-juuston pylväitä testattiin puristustilassa (ks. kuva 1) niiden mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi lämpötilan funktiona. DMA-menetelmää käytettiin juustonäytteiden varastointimoduulin (E’) määrittämiseen, joka kuvaa materiaalin kykyä varastoida energiaa, sekä häviömoduulin (E”) määrittämiseen, joka kuvaa materiaalin kykyä hajottaa energiaa (tyypillisesti sisäisen kitkan tuottaman lämmön kautta), sekä vaimennuskerroin (tan δ), joka on häviömoduulin ja varastointimoduulin suhde ja kuvaa materiaalin kykyä muodonmuutokseen joustavasti tai viskoosisesti kohdistetun voiman vaikutuksesta. Lopuksi Kompleksinen moduuliKompleksinen moduuli koostuu kahdesta komponentista, varastointimoduulista ja häviömoduulista. Varastointimoduuli (tai Youngin moduuli) kuvaa jäykkyyttä ja häviömoduuli kuvaa vastaavan näytteen vaimennus- (tai viskoelastista) käyttäytymistä dynaamisen mekaanisen analyysin (DMA) menetelmällä. kompleksimoduuli (merkitty |E|, matemaattisesti E’:n ja E”:n neliösumman neliöjuuri) on yksinkertainen tapa verrata näytteiden kokonaisjäykkyyttä lämpötilan funktiona.
Tässä tutkimuksessa valkoisen Cheddar-juuston tai parmesaanin näyte mitattiin 20–55 tai 65 °C:n lämpötiloissa (sulamispisteestä riippuen) sen jälkeen, kun se oli säilytetty ainoastaan 4 °C:n lämpötilassa. Jäädytys-sulatusjakson vaikutuksen selvittämiseksi valkoisen Cheddar-juuston ja parmesaanin näytteitä säilytettiin yön yli -20 °C:ssa, minkä jälkeen ne sulatettiin ja analysoitiin samalla lämpötilaohjelmalla. Jäädytys-sulatusjakson vaikutus valkoisen Cheddar-juuston ominaisuuksiin on esitetty kuvassa 2 ja Parmesaanin ominaisuuksiin kuvassa 3.
Kuvista 2 ja 3 näkyy selvä ero juustojen välillä (vain jääkaappisäilytyksen jälkeen): parmesanilla on huomattavasti korkeammat moduuliarvot kuin valkoisella cheddarilla (E’ 3,02 vs. 0,39 MPa 25 °C:ssa), kuten oli odotettavissa, koska parmesan luokitellaan kovajuustoksi. Molemmilla juustoilla oli myös korkeammat moduuliarvot ja vaimennuskertoimet pakkas-sulatusjakson jälkeen (parmesanin E’-arvo nousi 3,02:sta 3,87:ään ja valkoisen cheddarin 0,39:stä 0,60 MPa:iin 25 °C:ssa), mikä viittaa siihen, että säilytysolosuhteet vaikuttavat materiaaliin ja tekevät siitä huomattavasti jäykemmän.
Taulukossa 1 on esitetty yhteenveto kunkin näytteen tuloksista valitulla 25 °C:n lämpötilalla. E’- ja E”-arvojen välisen vuorovaikutuksen ymmärtäminen on tärkeää, jotta voidaan ymmärtää, millaisena juusto tuntuu pureskelun aikana ja vastustaako se hampaiden aiheuttamaa voimaa vai taipuuko se helposti sen vaikutuksesta [2].
Taulukko 1: Yhteenveto valkoisen Cheddar-juuston ja parmesaanin E', E''- ja tan δ -arvoista 25 °C:ssa
| Muuttuja | Sulamaton | Jäädytetty ja sulatettu | Kasvu pakastuksen jälkeen |
|---|---|---|---|
Valkoinen cheddar | |||
| E' (MPa) | 0,39 | 0,60 | 1,54 |
| E'' (MPa) | 0,13 | 0,22 | 1,69 |
| tan δ | 0,36 | 0,37 | 1,12 |
Parmesaanijuusto | |||
| E' (MPa) | 3,03 | 3,87 | 1,28 |
| E'' (MPa) | 1,10 | 1,50 | 1,36 |
| tan δ | 0,36 | 0,39 | 1,08 |
On mielenkiintoista huomata, että jäädytymisen jälkeisen jäykkyyden kasvu on selvemmin havaittavissa huoneenlämpötilassa, mutta se vähenee huomattavasti näytteiden lämmetessä (kuvat 2c ja 3c).
Lopuksi on tärkeää huomata, että DMA 303 Eplexor® pystyy saavuttamaan kryogeeniset lämpötilat, minkä vuoksi jäädytys-sulatusjakso voitiin suorittaa kokonaan laitteessa. Todettiin kuitenkin, että juustopylväät jäykistyivät niin paljon, että dynaamiseen muodonmuutokseen tarvittiin enemmän voimaa kuin laite pystyi tuottamaan. Näiden materiaalien tutkimiseksi jäätymisvaiheessa tarvitaan suuremman voiman laite, kuten DMA 503 Eplexor®.
Kapillaarireometria, suulakepuristus ja vetokoe
NETZSCH Rosand RH2000 - ja RH7/10-sarjojen kapillaarireometrejä käytetään tyypillisesti sulan polymeerin viskositeetin selvittämiseen. Tässä tutkimuksessa pyrimme mittaamaan sulavan juuston, kuten valkoisen cheddarin (parmesan ei sula hyvin), viskositeettia leikkausnopeuden funktiona. Näyte mitattiin 65 °C:ssa, koska tämä on yleinen lämpötila fondue-ruoan valmistuksessa, jossa juuston venyvyydellä on suuri merkitys.
Perusviskositeettimittausten lisäksi Rosand-laitteilla voidaan käyttää erilaisia lisälaitteita ja matemaattisia malleja määrittämään muita ominaisuuksia, kuten vetovoimaa, suulakkeen turpoamista ja venymisviskositeettia. Rosandin kaksoisreikäisen rakenteen ansiosta voidaan käyttää pitkää suulaketta ja aukkosuulaketta näytteen samanaikaiseen mittaamiseen sekä leikkaus- ja venymisviskositeetin laskemiseen Cogswellin mallin avulla. Käytännön kannalta tämä osoittaa, kuinka paljon sula voidaan venyttää tietyllä leikkausnopeudella, toisin sanoen kuinka paljon sulanut juusto venyy, kun pizzapalaa vedetään pois tietyllä nopeudella. Valkoisen cheddar-juuston leikkaus- ja venymisominaisuudet on esitetty kuvassa 4. Valkoinen cheddar-juusto osoitti polymeereille tyypillistä ominaisuutta, sillä se oli leikkausohentava; näytteen viskositeetti laski leikkausnopeuden kasvaessa.
Newtonilaisten materiaalien osalta on vakiintunut tieto, että materiaalin venymisviskositeetti on kolme kertaa suurempi kuin sen leikkausviskositeetti. Polymeerisulatteiden osalta venymisviskositeetin ja leikkausviskositeetin suhde on huomattavasti suurempi, jopa useita suuruusluokkia. Tässä tutkimuksessa todettiin, että valkoisella Cheddar-juustolla oli erittäin korkea venymisviskositeetti, joka oli useita tuhansia kertoja suurempi kuin leikkausviskositeetti. Käytännön kannalta tämä viittaa siihen, että valkoinen Cheddar pysyy erittäin viskoosina (vertaa hunajaa veteen) leikkaamisen aikana ja siksi se ei todennäköisesti katkea. Kun cheddar-juustoa venytetään nopeammin, venymisviskositeetti laskee. Siksi juuston venyvyyttä optimoitaessa riittävän korkean lämpötilan ylläpitäminen ja hidas venyttäminen maksimoivat etäisyyden, johon cheddar-juustoa voidaan venyttää.
Yhteenveto
Lämpöanalyysitestaus on elintarvike- ja juomateollisuudessa keskeisessä asemassa, sillä se auttaa kaikissa vaiheissa tuotteen koostumuksen määrittämisestä säilyvyyden arviointiin. Tässä artikkelissa osoitimme, kuinka erilaisia NETZSCH -laitteita voidaan hyödyntää paitsi selvittämään, miten varastointilämpötila vaikuttaa valkoisen cheddar-juuston ja parmesaanin ominaisuuksiin, myös mittaamaan sulaneen juuston ominaisuuksia, kuten valkoisen cheddar-juuston venymää. Käyttämällä DMA 303 Eplexor®®vertailtiin valkoisen cheddar- ja parmesanjuuston mekaanisia ominaisuuksia eri lämpötiloissa. Lisäksi osoitettiin, että pakkas-sulatusjakso lisäsi merkittävästi molempien juustojen moduulia, mikä on tärkeä seikka tuotteen kuljetuksen ja käsittelyn kannalta. Rosand RH2000 ia käytettiin valkoisen Cheddar-juuston sulan ominaisuuksien, erityisesti venymäominaisuuksien, mallintamiseen. Käyttäjän näkökulmasta kyseessä on olennaisesti malli juuston kypsyttämiselle ja sitä seuraavalle ”venymiselle”, joka on markkinoinnin ja suorituskyvyn kannalta kriittinen muuttuja.