Bevezetés
A gyümölcsös gumicukor finom és egész évben ízletes, legyen az nyáron vagy télen, a sivatagban 50°C-on vagy az Északi-sarkon -40°C-on. Kellemetlen lenne, ha ezek az "édes nyalánkságok" magas hőmérsékleten összeragadnának, és egyfajta összetartó, ragacsos masszát alkotnának - vagy ha a hidegben rájuk harapva kiesne egy fogunk. Ezek a példák világossá teszik, hogy: Úgy tűnik, hogy a gyümölcsgumik a rugalmas tulajdonságok széles spektrumát mutatják, amelyek a puha és a kemény között változnak, és amelyeket a hőmérséklet is erősen befolyásol. A viszkoelasztikus tulajdonságok jellemzésére dinamikus mechanikai analízist alkalmaznak. Páratartalomkamrával összekapcsolva a szárítás és a párásítás mechanikai viselkedésükre gyakorolt hatásait is rögzíteni lehet.
Milyen mechanikai viselkedést mutatnak a különböző éghajlati zónákból származó gyümölcsgumik?
A vizsgálathoz a következő országokból származó gyümölcsös gumicukrok álltak rendelkezésre:
- Németország
- Hollandia
- Ausztrália
- Új-Zéland
- Oroszország
A classic, zselatin alapú gyümölcsgumik mellett a vegán típusok is szerepelnek a vizsgálatokban. Minden típus dinamikai-mechanikai viselkedését rögzítik és összehasonlítják különböző hőmérsékleteken. A DMA-méréseket a NETZSCH DMA Eplexor® Hygromator (opcionális páragenerátorral) összekapcsolt DMA készülékkel végzik.
Zselatin, eredete, funkcionális tulajdonságai és Alternatívák
Hagyományosan a zselatin [1, 2] a gyümölcsös gumicukrok fő összetevője. Lényegében besűríti az ízesítő folyékony összetevőket, és megfelelő használat esetén biztosítja a megfelelő olvadást és harapásállóságot, valamint a fogyasztásra alkalmas olvadási hőmérsékletet. Általában a "gumicukrokat" öntik, és - a viszkoelasztikus fázisba való átmenet előtt - a formázási folyamat végén olvadt formában léteznek.
A zselatin nemcsak a gyümölcsgumikban, hanem számos más élelmiszertermékben is megtalálható, pl. alacsony kalóriatartalmú élelmiszerekben, joghurtokban, majonézekben, aszpikokban, húspasztákban és számos édességben. Történelmileg a zselatint évezredek óta ragasztóként is használják.
A zselatin egy természetes élelmiszer, amely főként kollagén fehérjéből áll. A fehérjék három nagyon különböző funkciót töltenek be az élő szervezetekben, a) mint szerkezeti fehérjék (= szkleroproteinek), b) mint membránfehérjék és c) mint globuláris fehérjék (= szferoproteinek). A kollagén változat a szkleroproteinek közé tartozik, és 3 egymásba fonódó polipeptidláncból (hármas spirál) áll. Amikor ezek a láncok összecsomósodnak, kollagénfibrillumok jönnek létre; ezek valójában 3 dimenziós hálózatokká válnak a hármas hélixek között létrejövő keresztkötéseknek köszönhetően, és így mechanikusan stabilizálják magukat.
A zselatin előállításához a kollagénnek az egyes polipeptidláncokra való bomlása szükséges. A keresztkötés vízben való oldhatatlansága miatt ez egy összetett folyamat, amely vegyszerek használatát igényli. +
A zselatin előállítása állati eredetű kollagénnel kezdődik. Az állati fehérjék csontokból származnak, vagy a bőr alsó rétegeiből származnak. Mikroszkopikus szinten nézve a kollagénben a spirálszerű struktúrák jellemzőek, amelyeket aztán egy kémiai-hőmérsékleti folyamat során lágyítanak, hogy szétválaszthatók legyenek (úgynevezett macerálás). Az eredmény egy "demineralizált" törmelék, az úgynevezett oszszein, amely a tényleges alapanyag, amelyből a zselatin készül.
A zselatin előállítása lehetővé teszi különböző zselésedési erősségek megvalósítását különböző alkalmazásokhoz. A zselésedési szilárdságot a "Bloom-számmal" írják le. Mivel a zselésedési szilárdság és így a Bloom-szám is függ a hőmérséklettől, az adott termékhez a legmegfelelőbb zselatin választható ki. A szilárdabb gyümölcsgumikhoz magasabb Bloom-számú zselatint használnak, mint a lágyabb típusokhoz, amelyek alacsony Bloom-számú zselatint tartalmaznak.
A zselatin hidrokolloid, és képes vizet megkötni és vízben megduzzadni. Sűríti, zselésíti, stabilizálja, rendkívül rugalmas és hőre visszafordítható viselkedést mutat, azaz a zselatin hűtéskor zselésedik, melegítéskor pedig megolvad. Ezt a tulajdonságát a "gumimacik" előállításánál is használják, és az itt végzett mérések során ezt vizsgálták és értékelték. Az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadáspont a fogyasztó számára is különösen fontos. A "gumiállatnak" ugyanis úgy kell elolvadnia a szájban, hogy közben bizonyos szilárdsággal rendelkezik.
Az alternatívák - olyan tisztán növényi eredetű kötőanyagok, amelyek a zselatinhoz hasonlóan kedvező tulajdonságokkal rendelkeznek - keresése megkezdődött, de a teljes helyettesítést még nem sikerült megtalálni. Szükség van rutinszerű vizsgálati módszerekre az alternatív kötőanyagok és azok anyagra gyakorolt hatásának jobb leírására [1], [2].
Jelenleg többek között az alábbi anyagokat használják tisztán növényi eredetű kötőanyagként, a zselatin kiváltása céljából [3]:
- Agar-Agar: Zselatin helyettesítő
- Aquafaba: növényi alapú csicseriborsó, bab és más hüvelyesek sűrű főzővize; tojáspótló
- Pektin: oldható rost és a növényi eredetű zselésítőanyag burgonyakeményítő: kötőanyagok
- Kukoricakeményítő: A keményítő helyettesítője, általában glutén- és laktózmentes
- Psylliumhéj: Növényi alapú duzzasztószer
- Sago: Maniókából és burgonyából nyert granulált keményítő; íztelen sűrítőanyag
- Szentjánoskenyérbab (gumi): Természetes sűrítőanyag
- Gear gum: Sűrítő és kötőanyag (E 412)
- Karragén: Növényi alapú zselésítő és sűrítő anyag (E407), vörös algából nyerik
- Alginát: Algából nyert sűrítő, zselésítő és bevonóanyag (E 400-E 405)
- Xantángumi: Természetes módon előforduló poliszacharid, baktériumokból előállított adalékanyag (E 4015), zselésítő és sűrítő anyagként való felhasználásra
- Nyílgyökérkeményítő: Gluténmentes kötőanyag; tojáspótló
Ezek az alternatívák szintén hidrokolloidok, mint a zselatin. Az élelmiszeriparban funkcionális tulajdonságaik miatt használják őket; ezek a tulajdonságok azonban nem olyan átfogóak, hogy a zselatin általános helyettesítését lehetővé tennék [2].
Mivel a vegán gyümölcsös gumicukrok is használnak olyan kötőanyagokat, amelyek eddig nem voltak gyakoriak, és hatásuk még nem jól ismert, ezen a területen szükség van arra, hogy a vizsgálatokba vegán kötőanyagokkal készült termékeket is bevegyenek.
A dinamikai-mechanikai vizsgálat eredményei a NETZSCH GABO Eplexor® 500 N segítségével
A gyümölcsös gumicukrokat ennek megfelelően választották ki, amennyiben olyan alakban álltak rendelkezésre, hogy a szakítóvizsgálat során könnyen vizsgálhatók legyenek. Másokat olyan alakúra lyukasztottak, amely lehűtött állapotban alkalmas a vizsgálatra.
A vizsgálat során a keresztmetszetben bekövetkező változások és a szabálytalan alakú próbatesteknél nem pontosan rögzíthető keresztmetszeti területek nem befolyásolják a csillapítást és így a lágyulási hőmérsékletet.
Mérési paraméterek
A vizsgálat első részében a DMA Eplexor® segítségével a DMA segítségével hőmérséklet-áthidalásokat végeztek a -60°C és +40°C közötti tartományban valamennyi gyümölcsgumi-mintán, hogy össze tudják hasonlítani a különböző gyümölcsgumik hőmérsékletfüggő stabilitását (komplex Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus vagy csak E modulus) és a kapcsolódó viszkoelaszticitást. E célból a mintákat kezdetben kb. -60 °C-ra hűtötték a vizsgálóberendezésben. A minta állandó hőmérsékletének beállítása érdekében a mérést megelőzően minden esetben 15 perces IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus fázist állítottunk be, majd 0,5 K/perc fűtési sebességgel végeztük a mérést. A hőmérsékletméréseket a minta közelében végezzük a kamrahőmérővel, amely egy intenzív légkeringetésű mintakamrában található.
A kísérlet második részében egy németországi vegán minta és egy hollandiai zselatin alapú minta dinamikai-mechanikai viselkedését vizsgálják szárítás és nedvességfelvétel alatt a Eplexor®, amely egy Hygromator (párakamra) berendezéssel van felszerelve.
Gyümölcsgumi hőmérsékletfüggő viselkedése
A német gumimacik vegán (zöld, úgynevezett "csíkok") és zselatin alapú (piros, úgynevezett "hasábburgonya") változatban kaphatók a DMA-mérésekhez.
Feltűnő (1. ábra), hogy a vegán gyümölcsös gumicukrok minden hőmérsékleten magasabb Young-modult mutatnak, azaz merevebbek, mint a zselatin alapú gumicukrok. A vegán csíkok (zöld görbe, Tg = 11,6°C) lágyulása továbbá magasabb hőmérsékleten következik be, mint a zselatinalapú hasábburgonyáké (piros görbe, Tg=-0,4°C).
Ez az objektív megállapítás megfelel a harapásból és kóstolásból származó érzékszervi eredményeknek is: A vegán minták harapásra keményebbek, míg a zselatin alapú minták íze intenzívebb, amikor megolvadnak.
Holland gumimacik
Hollandiából zselatin alapú változatok állnak rendelkezésre tesztelésre. A gumimacik részben szabálytalan geometriájú, kihűlt állapotban lyukasztással mintaformára alakíthatók. Kezeléskor ezek a termékek viszonylag merev gyümölcsös gumicukorként tűnnek fel. A mért lágyulási pontok -6°C és 0°C közöttiek.
A 2. ábra az |E*| modulus és a csillapítás különböző mérési görbéit mutatja. A lágy gumicukor (kék görbe) eltérést mutat a lágyulási hőmérsékletben (-2,4°C) a másik két gyümölcsgumi típushoz, a Liane- Cassishoz (-5,1°C, piros görbe) és az Eperhez (-4,9°C, zöld görbe) képest. Ezért a lágy gumicukor mintánál messze a legszélesebb a csillapodási görbe és a Young-modulus legkorábbi csökkenése a hőmérséklet függvényében. Így az összehasonlított minták közül a szobahőmérséklet-tartományban a lágy gumimintának van a legalacsonyabb csillapítása, és az anyag a fogyasztó számára puhábbnak tűnik, mint az Eper és a Liane-Cassis.
Míg a Liane-Cassis és az Eper típusok csillapítása nagyon hasonló, az Eper E-modulusa mindig magasabb, mint a Liane-Cassisé, ami a harapás utáni keménységben is tükröződik.
A Liane-Cassis minta (piros görbék) alacsonyabb csillapítása (tan δ) a gyakorlatban a hosszabb olvadási és deformálódási folyamatnak köszönhető, mint a Strawberry (zöld görbe) esetében. Ezenkívül a Liane-Cassis intenzívebb tapadási hatást mutat a fogakhoz.
Ausztrál és új-zélandi vegán minták
Mindkét mintát olyan piacon kínálják, ahol magas az átlagos külső hőmérséklet, ami különleges követelményeket támaszt a gyümölcsös gumicukrok méretstabilitásával és ragadhatóságával szemben. Mindkét minta kocka vagy fólia formában kapható, amely már alkalmas a szakítóvizsgálat elvégzésére, és a vizsgálat elvégzéséhez a minta vastagságának beállítása érdekében csak vágni kell, vagy további hajtogatást kell végezni. Míg az egyik minta (zöld görbék) kifejezetten vegánnak van jelölve, a második minta (kék görbék) nem állítja kifejezetten ezt az állítást.
Látható (3. ábra), hogy a vizsgált gyümölcsös gumicukrok közül az óceániai régió termékei rendelkeznek a legmagasabb lágyulási hőmérséklettel (19,6 °C és 24,3 °C). Különösen a kocka alakú minták viszonylag merevek a fagyáspontig, és a legmagasabb E modulusokkal rendelkeznek.
Orosz zselatin alapú gyümölcsös gumicukor hideg éghajlati régiók számára
Az itt vizsgált két orosz zselatin alapú gyümölcsgumi medve (kék görbe) és kukac (piros görbe) alakú. A medve alakúaknál lyukasztásra volt szükség, míg a kukacok közvetlenül a DMA-ba helyezhetők voltak. Bár a kukacok lágyulása valamivel magasabb hőmérsékleten kezdődik (Tg = -0,9°C, piros görbe), mint a medvéké (Tg = -4,4°C, kék görbe), a kettő hasonló merevséget mutat a lágyulás idején.
A medvék E-modulja tálalási hőmérsékleten az anyagból adódóan alacsonyabb, mint a férgeké (kék görbe, 4. ábra). A férgek valamivel magasabb hőmérsékleten (3,5°C, piros görbék) lágyulnak, mint a medvék. Ennek megfelelően a két gyümölcsös gumicukor típus ízlelési tulajdonságai is nagyon hasonlóak.
A gyümölcsgumi nedvességfüggő viselkedése
A minták nedvességtől való függését a hőmérsékleti pásztázásokhoz hasonlóan 35 °C-on, szakító üzemmódban vizsgáljuk. A hőmérsékletet a kísérlet teljes időtartama alatt állandó értéken tartjuk.
A kísérlet első lépésében a vegán német és holland zselatin alapú mintákat 20%-os relatív páratartalmú kamrai páratartalomnak tesszük ki, amelyet a NETZSCH GABO Hygromator (páragenerátor) állít elő és tart állandó értéken.
Ez a lépés megfelel egy szárítási folyamatnak, hogy a környezeti páratartalomról, amely ezekben az országokban az évszaktól függően körülbelül 50-60% RH, 20%-os RH mellett "kvázi" szárított állapotba kerüljön. Ehhez a tesztsorozathoz a vizsgálandó gyümölcsgumiknak az összehasonlítás érdekében szárított, azonos nedvességtartalmú állapotban kell rendelkezésre állniuk. Ennek érdekében a két mintát kb. 1 órán keresztül szárítottuk, és rögzítettük a Young-modulusuk időbeli alakulását. Az így szárított mintákat ezután szintén kb. egy órán keresztül 50%-os kamrai páratartalomnak, majd további egy órán keresztül 90%-os kamrai páratartalomnak tették ki. Az így kapott Young-modul és az egyes időpontokban uralkodó kamrai páratartalom időfüggő változásait az 5. ábra mutatja egy vegán (piros görbék) és egy zselatint tartalmazó minta (kék görbék) esetében.
Az 5. ábrán látható a vegán és a zselatin alapú gyümölcsgumik hasonló időbeli viselkedése, a vegán típusok mindig magasabb E-modult és alacsonyabb nedvességérzékenységet mutattak a jelen vizsgálatok során. Mindkettőjükben közös az E modulus növekedése szárításkor (itt 20% RH mellett) és csökkenése nedvességnek való kitettségkor (itt 50% RH és 90% RH mellett). A 20%-os relatív nedvességtartalom mellett szárított minták esetében a nedvességtartalom 50%-os relatív nedvességtartalom mellett történő tárolásból való kivonáskor már nedvesedés tapasztalható, amint azt az E modulus alakulása is mutatja.
Összefoglaló
A NETZSCH DMA Eplexor® rutineljárást kínál az élelmiszerek, például a gyümölcsös gumicukrok fogyasztóbarát terméktulajdonságainak értékelésére, és ezáltal a termékfejlesztést és az új fejlesztéseket szolgálja.
Az E modulus (merevség) és a csillapítás hőmérsékletfüggése szorosan összefügg a gyümölcsgumik szilárdsági-harapási és olvadási viselkedésével. A nedvességfüggőségek ismerete viszont nagyobb értéket képvisel a tárolási körülmények értékelésében.
A további gyümölcsös gumicukor-típusok fejlesztéséhez, különösen a vegán vásárlóknak szánt új kötőanyagokkal, a dinamikai-mechanikai elemzés lehetőséget nyújt mind a termikus, mind a mechanikai tulajdonságok előzetes laboratóriumi rögzítésére, és így a termékek célzottabb és gyorsabb piacra dobására. A tárolási és feldolgozási körülmények, valamint a nedvesség és a hőmérséklet paraméterei továbbá szimulálhatók a DMA-mérésekkel.