Johdanto
Hedelmäpurukumit ovat herkullisia ja maistuvat hyvältä ympäri vuoden, olipa kyse sitten kesästä tai talvesta, 50 °C:n aavikolla tai -40 °C:n pohjoisnavalla. Olisi epämiellyttävää, jos nämä "makeat herkut" tarttuisivat yhteen korkeissa lämpötiloissa ja muodostaisivat jonkinlaisen yhtenäisen, tahmean massan - tai jos hammas putoaisi pois tieltä, kun niitä pureskellaan kylmässä. Nämä esimerkit tekevät selväksi, että: Hedelmäkumilla näyttää olevan laaja kirjo elastisia ominaisuuksia, jotka vaihtelevat pehmeän ja kovan välillä ja joihin myös lämpötila vaikuttaa voimakkaasti. Viskoelastisten ominaisuuksien karakterisointiin käytetään dynaamista mekaanista analyysiä. Kun se liitetään kosteuskammioon, voidaan myös rekisteröidä kuivumisen ja kostutuksen vaikutukset niiden mekaaniseen käyttäytymiseen.
Mitä mekaanisia käyttäytymismalleja hedelmäkuminaatit eri ilmastovyöhykkeiltä osoittavat?
Tutkimusta varten oli saatavilla hedelmäkarkkeja seuraavista maista:
- Saksa
- Alankomaat
- Australia
- Uusi-Seelanti
- Venäjä
classic, gelatiinipohjaisten hedelmäpurukumien ohella tutkimuksissa on mukana myös vegaanisia tyyppejä. Kaikkien tyyppien dynaamis-mekaaninen käyttäytyminen kirjataan ja niitä verrataan eri lämpötiloissa. DMA-mittaukset tehdään NETZSCH DMA Eplexor® -laitteella, joka on liitetty HYGROMATOR® -laitteeseen (valinnainen kosteusgeneraattori).
Gelatiini, sen alkuperä, toiminnalliset ominaisuudet ja Vaihtoehdot
Perinteisesti hedelmäkumien pääkomponentti on liivate [1, 2]. Se lähinnä sakeuttaa makunesteen ainesosia, ja oikein käytettynä se antaa oikean sulan ja purennan kiinteyden sekä kulutukseen sopivan sulamislämpötilan. Yleisesti ottaen "kumieläimet" kaadetaan, ja ennen viskoelastiseen vaiheeseen siirtymistä ne ovat sulassa muodossa muotinvalmistusprosessin lopussa.
Gelatiinia on hedelmäpurukumissa, mutta myös monissa muissa elintarvikkeissa, kuten vähäkalorisissa elintarvikkeissa, jogurtissa, majoneeseissa, aspikseissa, lihapastoissa ja monissa makeisissa. Historiallisesti gelatiinia on käytetty myös liimana tuhansien vuosien ajan.
Gelatiini on luonnollinen elintarvike, joka koostuu pääasiassa kollageeniproteiinista. Proteiineilla on elävissä organismeissa kolme hyvin erilaista tehtävää: a) rakenteellisina proteiineina (= skleroproteiineina), b) kalvoproteiineina ja c) pallomaisina proteiineina (= sferoproteiineina). Kollageeniversio kuuluu skleroproteiineihin, ja se koostuu kolmesta toisiinsa lomittuneesta polypeptidiketjusta (kolmoiskierre). Kun nämä ketjut ryhmittyvät, muodostuu kollageenifibrillejä; niistä tulee itse asiassa kolmiulotteisia verkkoja kolmoiskierteiden väliin syntyvien ristisidosten ansiosta, ja ne vakauttavat siten itseään mekaanisesti.
Kollageenin HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen yksittäisiksi polypeptidiketjuiksi on välttämätöntä gelatiinin tuottamiseksi. Koska ristikytkentä ei liukene veteen, tämä on monimutkainen prosessi, joka edellyttää kemikaalien käyttöä. +
Gelatiinin valmistus alkaa eläinperäisestä kollageenista. Eläinproteiinit ovat peräisin luista tai ne otetaan ihon alemmista kerroksista. Mikroskooppisella tasolla tarkasteltuna kollageenissa on spiraalimaisia rakenteita, jotka sitten pehmennetään kemiallis-lämpöprosessissa, jotta ne voidaan erottaa toisistaan (ns. maserointi). Tuloksena on "demineralisoitua" romua, jota kutsutaan osseiniksi ja joka on varsinainen raaka-aine, josta gelatiini valmistetaan.
Gelatiinin valmistuksen avulla voidaan toteuttaa erilaisia hyytelöitymisvahvuuksia eri sovelluksia varten. Hyytelöitymislujuutta kuvataan "Bloom-luvulla". Koska hyytelöitymislujuus ja näin ollen Bloom-luku riippuvat lämpötilasta, voidaan tiettyyn tuotteeseen valita sopivin gelatiini. Kiinteämpiin hedelmäkarkkeihin käytetään korkeamman Bloom-arvon omaavaa liivatetta kuin pehmeämpiin, joissa käytetään matalan Bloom-arvon omaavaa liivatetta.
Gelatiini on hydrokolloidi, joka voi sekä sitoa vettä että turvota vedessä. Se sakeuttaa, hyytelöi, stabiloi, on erittäin elastista ja käyttäytyy lämpöherkästi, eli hyytelöityy jäähdytettäessä ja sulaa kuumennettaessa. Tätä ominaisuutta käytetään myös "namikarkkien" valmistuksessa, ja sitä tutkittiin ja arvioitiin tässä tehdyissä mittauksissa. Sulamispiste on myös erityisen tärkeä kuluttajan kannalta. Kumieläimen on nimittäin sulava suussa, mutta sen on silti oltava tietyssä määrin kiinteä.
Vaihtoehtoja - puhtaasti kasviperäisiä sideaineita, joilla on samanlaiset ominaisuudet kuin gelatiinilla - on alettu etsiä, mutta täydellistä korvaajaa ei ole vielä löydetty. Tarvitaan rutiininomaisia testausmenetelmiä, joilla voidaan paremmin kuvata vaihtoehtoisia sideaineita ja niiden vaikutusta materiaaliin [1], [2].
Muun muassa seuraavia materiaaleja käytetään tällä hetkellä puhtaasti kasviperäisinä sideaineina, joiden tarkoituksena on korvata gelatiini [3]:
- Agar-Agar: Gelatiinin korvike
- Aquafaba: Paksu keitinvesi kasvipohjaisista kikherneistä, pavuista ja muista palkokasveista; kananmunan korvike
- Pektiini: Liukoinen kuitu ja kasvipohjainen hyytelöimisaine perunatärkkelys: sideaineet
- Maissitärkkelys: Tärkkelyksen korvike, yleensä gluteeniton ja laktoositon
- Psylliumin kuoret: Kasvipohjainen paisunta-aine
- Sago: Rakeistettu tärkkelys maniokkista ja perunasta; mauton sakeuttamisaine
- Johanneksenleipäpuu (kumi): Luonnollinen sakeuttamisaine
- Gear-kumi: Sakeuttamis- ja sideaine (E 412)
- Karrageeni: Kasvipohjainen hyytelöimisaine ja sakeuttamisaine (E407), jota saadaan punalevästä
- Alginaatti: Levästä saatu sakeuttamis-, hyytelöinti- ja päällysteaine (E 400-E 405)
- Ksantaanikumi: Luonnossa esiintyvä polysakkaridi, bakteereista tuotettu lisäaine (E 4015), jota käytetään hyytelöinti- ja sakeuttamisaineena
- Nuolijuuritärkkelys: Gluteeniton sideaine; kananmunan korvike
Nämä vaihtoehdot ovat myös hydrokolloideja kuten gelatiini. Niitä käytetään elintarviketeollisuudessa niiden toiminnallisten ominaisuuksien vuoksi; nämä ominaisuudet eivät kuitenkaan ole niin kattavat, että niillä voitaisiin yleisesti korvata gelatiini [2].
Koska myös vegaanisissa hedelmäkumissa käytetään sideaineita, jotka ovat toistaiseksi olleet harvinaisia, eikä niiden vaikutusta tunneta vielä hyvin, tällä alalla on tarvetta ottaa tutkimuksiin mukaan tuotteita, joissa on vegaanisia sideaineita.
Dynaamis-mekaanisen testin tulokset käyttäen NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
Hedelmäpurukumit valittiin siinä määrin kuin niitä oli saatavilla sellaisessa muodossa, että niitä voitiin helposti tutkia vetokokeessa. Muut stanssattiin muotoon, joka soveltui testattavaksi jäähdytetyssä tilassa.
Poikkileikkauksen muutokset testauksen aikana ja poikkileikkauspinta-alat, joita ei voida kirjata tarkasti epäsäännöllisen muotoisten näytteiden osalta, eivät vaikuta vaimennukseen ja siten pehmenemislämpötilaan.
Mittausparametrit
Testin ensimmäisessä osassa kaikille hedelmäpurukuminäytteille suoritettiin lämpötilapyyhkäisyjä noin -60 °C:n ja +40 °C:n välillä DMA:n avulla Eplexor®, jotta voitiin vertailla eri hedelmäpurukumien lämpötilasta riippuvaa stabiilisuutta (kompleksinen KimmomoduuliKompleksinen moduuli (kimmokomponentti), varastointimoduuli tai G', on näytteiden "todellinen" osa kokonaiskompleksisesta moduulista. Tämä kimmokomponentti ilmaisee mitattavan näytteen kiinteän kaltaisen tai faasivasteen. kimmomoduuli tai vain E-moduuli) ja siihen liittyvää viskoelastisuutta. Tätä varten näytteet jäähdytettiin aluksi testauslaitteessa noin -60 °C:seen. Näytteen vakiolämpötilan asettamiseksi näytteeseen asetettiin ennen mittausta 15 minuutin IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.isoterminen vaihe, jonka jälkeen mitattiin lämmitysnopeudella 0,5 K/min. Lämpötilamittaukset tehdään lähellä näytettä kammiolämpömittarilla, joka sijaitsee näytekammiossa, jossa on voimakas ilmankierto.
Kokeen toisessa osassa tutkitaan Saksasta peräisin olevan vegaaninäytteen ja Alankomaista peräisin olevan gelatiinipohjaisen näytteen dynaamis-mekaanista käyttäytymistä kuivauksen aikana ja kosteuden imeytyessä Eplexor®, joka on varustettu HYGROMATOR® (kosteuskammiolla).
Lämpötilasta riippuvainen käyttäytyminen hedelmäkuminaatit
Saksalaisia nallekarhuja on saatavana vegaanisina (vihreinä, nimeltään "strips") ja gelatiinipohjaisina (punaisina, nimeltään "ranskanperunat") DMA-mittauksia varten.
On huomattavissa (kuva 1), että vegaanisilla hedelmäkarkkeilla on korkeampi Youngin moduuli kaikissa lämpötiloissa, eli ne ovat jäykempiä kuin gelatiinipohjaiset karkit. Vegaanisten suikaleiden (vihreä käyrä, Tg = 11,6 °C) pehmeneminen tapahtuu lisäksi korkeammissa lämpötiloissa kuin gelatiinipohjaisten ranskanperunoiden (punainen käyrä, Tg= -0,4 °C).
Tämä objektiivinen havainto vastaa myös pureskelun ja maistamisen aistinvaraisia tuloksia: Vegaaninäytteet ovat kiinteämpiä purtaessa, kun taas gelatiinipohjaiset näytteet maistuvat voimakkaammilta sulatettaessa.
Hollantilaiset kumikarhut
Alankomaissa on saatavilla gelatiinipohjaisia versioita testattavaksi. Nallekarkkien osittain epäsäännöllinen geometria muotoillaan jäähdytetyssä tilassa näytteen muotoon lävistämällä. Käsittelyssä nämä tuotteet erottuvat suhteellisen jäykkinä hedelmäkumina. Mitatut pehmenemispisteet ovat välillä -6 °C-0 °C.
Kuvassa 2 esitetään eri mittauskäyrät |E*|-moduulin ja vaimennuksen osalta. Pehmeässä kumissa (sininen käyrä) on eroja pehmenemislämpötilassa (-2,4 °C) verrattuna kahteen muuhun hedelmäkumityyppiin, Liane-Cassis (-5,1 °C, punainen käyrä) ja Strawberry (-4,9 °C, vihreä käyrä). Tämän vuoksi pehmeässä kuminauhanäytteessä on ylivoimaisesti levein vaimennuskäyrä ja Youngin moduulin aleneminen aikaisintaan lämpötilan mukaan. Näin ollen pehmeän purukuminäytteen vaimennus huoneenlämpötila-alueella on alhaisin kaikista vertailtavista näytteistä, ja materiaali vaikuttaa kuluttajan silmissä pehmeämmältä kuin Mansikka ja Liane-Cassis.
Vaikka vaimennus on hyvin samanlainen Liane-Cassis- ja Mansikka-tyypeillä, Mansikan E-moduuli on aina korkeampi kuin Liane-Cassiksen, mikä näkyy myös purennan kiinteydessä.
Liane-Cassis-näytteen (punaiset käyrät) alhaisempi vaimennus (tan δ) johtuu käytännössä pidemmästä sulamis- ja muodonmuutosprosessista kuin Strawberry-näytteen (vihreä käyrä). Lisäksi Liane-Cassis-näytteellä on voimakkaampi tarttumisvaikutus hampaisiin.
Australian ja Uuden-Seelannin vegaaninäytteet
Molempia näytteitä tarjotaan markkinoilla, joilla keskimääräinen ulkolämpötila on korkea, mikä asettaa erityisvaatimuksia hedelmäpurukumien mittapysyvyydelle ja tahmeudelle. Molemmat näytteet ovat saatavana kuutioina tai folioina, jotka soveltuvat jo valmiiksi vetokokeeseen, ja niitä tarvitsee vain joko leikata tai taittaa, jotta näytteen paksuus saadaan säädettyä kokeen suorittamista varten. Toinen näyte (vihreät käyrät) on nimenomaisesti merkitty vegaaniseksi, kun taas toisessa näytteessä (siniset käyrät) tätä väitettä ei nimenomaisesti mainita.
On selvää (kuva 3), että Oceanic-alueen tuotteilla on kaikista tutkituista hedelmäkumista korkeimmat pehmenemislämpötilat (19,6 °C ja 24,3 °C). Erityisesti kuutiomaiset näytteet ovat suhteellisen jäykkiä jäätymispisteeseen asti, ja niillä on korkeimmat E-moduulit.
Venäläiset gelatiinipohjaiset hedelmäkumit kylmiin ilmastollisiin alueisiin
Tässä tutkitut kaksi venäläistä gelatiinipohjaista hedelmäkumia ovat karhun (siniset käyrät) ja matojen (punaiset käyrät) muotoisia. Karhun muoto vaati lävistämistä, kun taas madot voitiin asettaa suoraan DMA:han. Vaikka matojen pehmeneminen alkaa hieman korkeammissa lämpötiloissa (Tg = -0,9 °C, punainen käyrä) kuin karhujen (Tg = -4,4 °C, sininen käyrä), molemmilla on samanlainen jäykkyys pehmenemisajankohtana.
Karhujen E-moduuli tarjoilulämpötiloissa on materiaalista johtuen matojen E-moduulia pienempi (siniset käyrät, kuva 4). Madot pehmenevät hieman korkeammissa lämpötiloissa (3,5 °C, punaiset käyrät) kuin karhut. Näin ollen myös näiden kahden hedelmäkumityypin mauttomuusominaisuudet ovat hyvin samankaltaiset.
Kosteudesta riippuvainen käyttäytyminen hedelmäkuminaatit
Näytteiden kosteusriippuvuutta tutkitaan lämpötilahyppyjen tapaan vetomoodissa 35 °C:n lämpötilassa. Lämpötila pidetään vakiona koko kokeen ajan.
Kokeen ensimmäisessä vaiheessa vegaaniset saksalaiset ja hollantilaiset gelatiinipohjaiset näytteet altistetaan kammion kosteudelle, jonka RH on 20 % ja joka tuotetaan ja pidetään vakiona NETZSCH GABO HYGROMATOR® (kosteusgeneraattori) avulla.
Tämä vaihe vastaa kuivausprosessia, jolla päästään ympäristön kosteudesta, joka näissä maissa on noin 50-60 % RH vuodenajasta riippuen, "lähes" kuivattuun tilaan 20 % RH:n kosteudessa. Tätä testisarjaa varten testattavien hedelmäkumien olisi oltava saatavilla kuivattuina, identtisessä kosteustilassa vertailua varten. Tätä varten kahta näytettä kuivattiin noin 1 tunnin ajan ja niiden Youngin moduulin ajallinen kulku kirjattiin ylös. Näin kuivatut näytteet altistettiin myös 50 prosentin kammiokosteudelle noin tunnin ajan ja sen jälkeen 90 prosentin kammiokosteudelle vielä tunnin ajan. Tuloksena saadut Youngin moduulin ja kammion kosteuden ajasta riippuvat muutokset kullakin hetkellä esitetään kuvassa 5 vegaaninäytteen (punaiset käyrät) ja gelatiinia sisältävän näytteen (siniset käyrät) osalta.
Kuvassa 5 näkyy samanlainen ajallinen käyttäytyminen vegaanisten ja gelatiinipohjaisten hedelmäkumien osalta, ja vegaanisilla tyypeillä oli näissä tutkimuksissa aina korkeampi E-moduuli ja pienempi kosteusherkkyys. Yhteistä molemmille on E-moduulin kasvu kuivauksen yhteydessä (tässä 20 % RH) ja lasku kosteudelle altistumisen yhteydessä (tässä 50 % RH ja 90 % RH). Näytteissä, jotka on kuivattu 20 %:n RH:ssa, kosteutuminen näkyy jo silloin, kun ne poistetaan 50 %:n RH:ssa tapahtuvasta varastoinnista, kuten E-moduulin kulku osoittaa.
Yhteenveto
NETZSCH DMA Eplexor® tarjoaa rutiinimenettelyn elintarvikkeiden, kuten hedelmäpurukumien, kuluttajille tärkeiden tuoteominaisuuksien arviointiin, mikä auttaa parantamaan tuotteita ja kehittämään uusia tuotteita.
E-moduulin (jäykkyys) ja vaimennuksen lämpötilariippuvuudet liittyvät läheisesti hedelmäpurukumien kiinteys- ja pureskelukykyyn sekä sulamiskäyttäytymiseen. Kosteusriippuvuuksien tunteminen on sitä vastoin tärkeämpää varastointiolosuhteiden arvioinnissa.
Dynaamis-mekaanisen analyysin avulla voidaan kehittää uusia hedelmämakeislajeja, erityisesti uusia sideaineita vegaanisille asiakkaille, ja näin ollen dynaamis-mekaaninen analyysi tarjoaa mahdollisuuden kirjata sekä lämpö- että mekaaniset ominaisuudet laboratoriossa etukäteen, jolloin tuotteet voidaan tuoda markkinoille entistä kohdennetummin ja nopeammin. DMA-mittausten avulla voidaan lisäksi simuloida varastointi- ja käsittelyolosuhteita sekä kosteus- ja lämpötilaparametreja.