Introduction
Si l'analyse mécanique dynamique (DMA) est principalement utilisée pour analyser les matériaux polymères, cette technique peut également être appliquée à un large éventail d'autres domaines. Il s'agit notamment de diverses applications dans l'industrie alimentaire et des boissons - par exemple, l'analyse des formulations d'oursons gélifiés, comme l'ont démontré Mucha et al [1]. Sur le plan industriel, la caractérisation mécanique est souvent utilisée pour évaluer la qualité et l'homogénéité des produits dans le secteur alimentaire. Le DMA 303 Eplexor®® est un appareil de bureau polyvalent capable de mesurer dans une plage de température allant de -170°C à 800°C (-274°F à 1472°F) avec une force totale de 50 N (statique et dynamique), ce qui le rend parfaitement adapté à ce type d'applications.
Chaque personne qui commande un steak vous dira quelle est la bonne ou la mauvaise façon de le faire cuire. Le problème, c'est que chaque personne interrogée aura une réponse différente. Lorsqu'il s'agit d'un bon steak, il y a généralement deux variables principales : la tendreté et la jutosité. La tendreté est essentiellement une propriété mécanique décrivant le degré de souplesse et de mâche de la viande. La jutosité du steak dépend de la teneur et de la répartition des graisses, du processus de vieillissement et de la façon dont il a été cuit. En termes de cuisson, les températures internes d'un steak sont de 125°F (52°C) pour une viande saignante, 130-135°F (54-57°C) pour medium-rare, 135-140°F (57-60°C) pour medium, 140-150°F (60-66°C) pour une viande à point, et 155°F (68°C) ou plus pour une viande bien cuite [2]. Tout le monde sait que plus le steak est cuit longtemps, plus il est dur, mais comment le mesurer ? Est-il possible d'évaluer quantitativement le degré de tendreté du steak au cours du processus de cuisson ?
Outre le simple temps de cuisson, plusieurs autres facteurs influencent la qualité du plat final. Les morceaux les plus chers proviennent généralement de zones musculaires moins sollicitées, ce qui leur confère une plus grande tendreté. En outre, la teneur en graisse de la viande joue un rôle important. L'augmentation des marbrures permet d'obtenir une viande plus juteuse et plus tendre, tandis que les morceaux plus maigres ont une plus grande densité de fibres musculaires avec plus de protéines, mais sont globalement un produit plus dur.
Pour déterminer les propriétés dynamiques et mécaniques des échantillons de steak, nous avons choisi d'étudier un morceau relativement bon marché appelé "skirt-steak", bien connu pour sa teneur élevée en fibres musculaires.
Nous avions deux objectifs principaux
a) voir dans quelle mesure la température interne affecte les propriétés mécaniques, et
b) comment l'alignement des fibres affecte la perception de la tendreté. Au-delà de la curiosité scientifique, de telles données sont importantes pour le contrôle de la qualité et pour les nouvelles industries qui conçoivent des alternatives/substituts à la viande.
Enquête DMA sur la cuisson
Des échantillons de steak de hampe cru (13 mm de diamètre, 6 mm de hauteur) ont été produits pour être mesurés (figure 1a). Les échantillons ont été mesurés en compression afin de simuler au mieux la perception de l'échantillon lors de la mastication. Le thermocouple du DMA a été inséré directement au centre de l'échantillon pour mesurer la température interne (figure 1b). Une force de contact de 1,0 N a été utilisée pour aplatir initialement l'échantillon et assurer une zone de contact uniforme avec la tige de poussée. Une amplitude dynamique de 20 μm a été appliquée avec un facteur proportionnel de 1,1 sur la plage de température de 30 à 80 °C en utilisant une vitesse de chauffe de 1 K/min (durée totale de 55 minutes). L'échantillon entièrement cuit après le test est illustré à la figure 1c).
Résultats des mesures
Les résultats des essais de compression sont présentés dans la figure 2) et résumés dans le tableau 1). Le module de stockage (E') correspond à la capacité du matériau à stocker l'énergie de manière élastique. Pendant la cuisson, E' augmente généralement au fur et à mesure que le steak devient plus ferme et plus moelleux. Le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte (E") décrit la dissipation de l'énergie par le matériau, généralement par frottement interne et comportement visqueux. Un E'' élevé indique que le steak dissipe davantage d'énergie lors de sa déformation par la mastication. Les valeurs de E' et E" sont liées aux changements structurels qui se produisent au cours du processus de cuisson : les fibres musculaires se contractent et perdent de l'eau, ce qui se traduit par une texture plus ferme et une augmentation de la friction interne.
Tableau 1 : Module absolu et augmentation des propriétés mécaniques des disques de steak de hampe en fonction de la température interne et de la cuisson
| Cuisson | Température interne (°C) | |Module absolu (MPa) | Augmentation du module par rapport au cru |
|---|---|---|---|
| Cru (bleu saignant) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Rares | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-rare | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-bien | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Bien fait | 72 | 3.74 | 12.7 |
Par conséquent, l'objectif du processus de cuisson est d'obtenir des valeurs modérées de E' et de E" pour que le steak soit structuré et agréablement moelleux, tout en restant juteux. Si le processus de cuisson devait se poursuivre au-delà du point où la viande est bien cuite (non illustré ici), le collagène fondrait en gélatine et les fibres musculaires se détendraient, ce qui réduirait la friction et ferait chuter E".
Le facteur d'amortissement (noté tan δ) est le rapport entre E" et E' et décrit le comportement élastique ou visqueux du matériau. L'ampleur de E' est beaucoup plus grande que E", ce qui suggère que le matériau se comporte principalement de manière élastique et devient plus rigide avec l'augmentation de la température. Il est intéressant de noter que le facteur d'amortissement diminue dans un premier temps, puis augmente à nouveau, ce qui indique qu'au cours du processus de cuisson, les différentes températures entraînent de légères modifications des propriétés d'amortissement. Étant donné que la perte d'humidité et la fonte des graisses se produisent simultanément pendant la cuisson, cet effet n'est pas inattendu.
La valeur absolue du Module complexeLe module complexe se compose de deux éléments, le module de stockage et le module de perte. Le module de stockage (ou module de Young) décrit la rigidité et le module de perte décrit le comportement d'amortissement (ou viscoélastique) de l'échantillon correspondant en utilisant la méthode de l'analyse mécanique dynamique (DMA). module complexe |E| décrit la résistance totale d'un matériau à la déformation sous l'effet d'une contrainte oscillatoire et combine ses composantes visqueuse et élastique. Le tableau 1 résume l'évolution de cette propriété en fonction de la température interne. Un steak saignant a un module de compression 1,5 fois plus élevé qu'un steak cru, tandis qu'un steak bien cuit a un module 12,7 fois plus élevé. Ce résultat indique une corrélation non linéaire entre la tendreté et la température interne.
Effet des fibres sur la tendreté
La cuisson seule n'a pas d'incidence sur la tendreté du steak final. La hampe est un morceau de viande relativement bon marché provenant de l'assiette et du diaphragme de la vache. Elle est connue pour être maigre et pour avoir une forte densité de fibres musculaires. Par conséquent, la façon dont le steak est coupé et servi joue un rôle large dans sa tendreté. Ici, nous avons testé des morceaux cuits de steak de hampe en mode traction, coupés soit le long de la fibre musculaire, soit contre la fibre, dont le résultat est illustré à la figure 3. La figure 3 montre que l'échantillon coupé le long de la fibre musculaire (ligne orange) a un module de traction absolu 6,7 fois plus élevé que celui coupé perpendiculairement à l'orientation de la fibre (ligne bleue). Cette augmentation du module de traction absolu est en corrélation avec le fait que la viande est moins tendre. Par conséquent, la simple technique consistant à couper le steak cuit en fines tranches dans le sens inverse des fibres permet d'obtenir une viande nettement plus tendre.
Résumé
Le DMA 303 Eplexor® offre une large gamme de fréquences, de forces et de températures, ce qui en fait un instrument idéal pour les mesures dynamiques et mécaniques dans un grand nombre de domaines d'application. Nous avons décrit ici la capacité de l'instrument à mesurer avec précision la tendreté d'un morceau de steak à la fois en compression pour simuler la mastication et en tension pour étudier l'influence de la directionnalité des fibres musculaires.
Le DMA 303 Eplexor® peut être utilisé non seulement pour caractériser la viande, mais aussi pour de nombreux autres types d'échantillons dans les industries alimentaires et des boissons. Des résultats comme ceux-ci peuvent être utilisés lors de la conception de substituts de viande à base de plantes afin d'imiter au mieux le produit conventionnel.