Gummy Bears - Beruang Berwarna-warni, Temperamental, dan Menuntut Sifat Dinamis-Mekanisnya

Pendahuluan

Permen karet buah sangat lezat dan rasanya enak sepanjang tahun, baik di musim panas maupun musim dingin, di padang pasir dengan suhu 50°C atau di Kutub Utara dengan suhu -40°C. Akan sangat tidak menyenangkan jika "kudapan manis" ini saling menempel pada suhu tinggi dan membentuk semacam massa yang kohesif dan KetidakrapianKelengketan menggambarkan interaksi antara 2 lapisan bahan yang identik (autohesi) atau berbeda (kohesi) dalam hal kelengketan permukaan.lengket - atau jika gigi jatuh di pinggir jalan saat menggigitnya dalam cuaca dingin. Contoh-contoh ini memperjelas hal tersebut: Permen karet buah tampaknya menunjukkan spektrum sifat elastis yang luas, bervariasi antara lunak dan keras dan juga sangat dipengaruhi oleh suhu. Analisis mekanis dinamis digunakan untuk karakterisasi sifat visko-elastis. Ketika digabungkan ke ruang kelembaban, pengaruh pengeringan dan pelembapan pada perilaku mekanisnya juga dapat dicatat.

Perilaku Mekanis Apa yang Dilakukan Permen Karet Buah dari Berbagai Zona Iklim Menunjukkan

Permen karet buah dari negara-negara berikut ini tersedia untuk diselidiki:

• Jerman
• Belanda
• Australia
• Selandia Baru
• Rusia

Bersamaan dengan classic, permen karet buah berbasis gelatin, juga jenis vegan disertakan dalam penelitian ini. Perilaku dinamis-mekanis dari semua jenis akan direkam dan dibandingkan pada suhu yang berbeda. Pengukuran DMA akan dilakukan dengan menggunakan NETZSCH DMA Eplexor^® yang terhubung ke Hygromator (generator kelembapan opsional).

Gelatin, Asal Usul, Sifat Fungsional, dan Alternatif

Secara tradisional, gelatin [1, 2] adalah komponen utama permen karet buah. Gelatin pada dasarnya mengentalkan bahan cair penyedap rasa dan, jika digunakan dengan benar, memberikan lelehan yang tepat dan kekenyalan gigitan serta Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik). suhu leleh yang sesuai untuk dikonsumsi. Secara umum, "hewan bergetah" dituangkan dan - sebelum transisi ke fase visko-elastis - ada dalam bentuk cair pada akhir proses pencetakan.

Gelatin tidak hanya ditemukan pada permen karet buah, tetapi juga pada banyak produk makanan lainnya, misalnya makanan rendah kalori, yogurt, mayones, aspic, pasta daging, dan banyak makanan manis. Secara historis, gelatin juga telah digunakan sebagai lem selama ribuan tahun.

Gelatin adalah makanan alami yang sebagian besar terdiri dari protein kolagen. Protein memiliki tiga fungsi yang sangat berbeda dalam organisme hidup, a) sebagai protein struktural (= skleroprotein), b) sebagai protein membran, dan c) sebagai protein globular (= sferoprotein). Versi kolagen adalah anggota dari skleroprotein dan terdiri dari 3 rantai polipeptida yang saling bertautan (triple helix). Ketika rantai-rantai ini bergerombol, fibril kolagen terbentuk; ini sebenarnya menjadi jaringan 3 dimensi karena hubungan silang yang muncul di antara heliks rangkap tiga dan dengan demikian secara mekanis menstabilkan diri mereka sendiri.

Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. Penguraian kolagen menjadi rantai polipeptida individu diperlukan untuk produksi gelatin. Karena ikatan silang tidak dapat larut dalam air, ini adalah proses kompleks yang membutuhkan penggunaan bahan kimia. +

Produksi gelatin dimulai dengan kolagen yang berasal dari hewan. Protein hewani berasal dari tulang atau diambil dari lapisan kulit yang lebih rendah. Dilihat pada tingkat mikroskopis, kolagen memiliki struktur seperti heliks yang kemudian dilunakkan dalam proses kimiawi-panas sehingga dapat dipisahkan (dikenal sebagai maserasi). Hasilnya adalah potongan "demineralisasi", yang disebut ossein, yang merupakan bahan baku pembuatan gelatin.

Produksi gelatin memungkinkan kekuatan pembentuk gel yang berbeda untuk direalisasikan untuk berbagai aplikasi. Kekuatan pembentuk gel digambarkan dengan "angka Bloom". Karena kekuatan pembentuk gel, dan dengan demikian angka Bloom, bergantung pada suhu, gelatin yang paling cocok dapat dipilih untuk produk tertentu. Untuk permen karet buah yang lebih keras, gelatin dengan nilai Bloom yang lebih tinggi digunakan daripada jenis yang lebih lembut, yang mengandung gelatin dengan Bloom rendah.

Gelatin adalah hidrokoloid dan dapat mengikat air dan membengkak dalam air. Gelatin mengental, membentuk gel, stabil, sangat elastis, dan menunjukkan perilaku yang dapat berubah secara termoreversibel; yaitu gel gelatin ketika didinginkan dan meleleh ketika dipanaskan. Sifat ini juga digunakan dalam produksi "gummy bear" dan telah diselidiki serta dievaluasi dalam pengukuran yang dilakukan di sini. Titik leleh juga sangat penting bagi konsumen. Bagaimanapun, "hewan karet" harus meleleh di mulut sambil tetap memiliki kekencangan tertentu.

Pencarian alternatif - pengikat yang berasal dari tumbuhan murni yang memiliki sifat yang serupa dengan yang ditemukan pada gelatin - telah dimulai, tetapi pengganti penuh belum ditemukan. Ada kebutuhan untuk metode pengujian rutin untuk lebih menggambarkan pengikat alternatif dan pengaruhnya terhadap bahan [1], [2].

Bahan-bahan berikut ini, antara lain, saat ini digunakan sebagai pengikat yang berasal dari tumbuhan murni, dengan tujuan untuk menggantikan gelatin [3]:

• Agar-Agar: Pengganti gelatin
• Aquafaba: Air rebusan kental dari buncis, kacang-kacangan, dan polong-polongan lainnya; pengganti telur
• Pektin: Serat larut dan zat pembentuk gel nabati Pati kentang: pengikat
• Pati jagung: Pengganti pati, umumnya bebas gluten dan laktosa
• Sekam psyllium: Agen pembengkakan nabati
• Sagu: Pati butiran dari ubi kayu dan kentang; bahan pengental yang tidak berasa
• Kacang belalang (gum): Bahan pengental alami
• Permen karet: Bahan pengental dan pengikat (E 412)
• Karagenan: Bahan pembentuk gel dan pengental nabati (E407), diperoleh dari ganggang merah
• Alginat: Bahan pengental, pembentuk gel dan pelapis (E 400 hingga E 405), diperoleh dari ganggang
• Gom xanthan: Polisakarida alami, bahan tambahan yang dihasilkan dari bakteri (E 4015) untuk digunakan sebagai bahan pembentuk gel dan pengental
• Pati garut: Bahan pengikat bebas gluten; pengganti telur

Alternatif ini juga merupakan hidrokoloid seperti gelatin. Mereka digunakan dalam industri makanan karena sifat fungsionalnya; namun, sifat-sifat ini tidak begitu komprehensif sehingga memungkinkan substitusi gelatin secara umum dengan mereka [2].

Karena permen karet buah vegan juga menggunakan bahan pengikat yang sejauh ini belum umum, dan efeknya belum dipahami dengan baik, ada kebutuhan di bidang ini untuk memasukkan produk dengan bahan pengikat vegan dalam penyelidikan.

Hasil Uji Dinamis-Mekanis Menggunakan NETZSCH GABO Eplexor^® 500 N

Sejauh tersedia dalam bentuk yang dapat dengan mudah diselidiki dalam uji tarik, permen karet buah dipilih sesuai dengan itu. Sebagian lainnya dilubangi ke dalam bentuk yang sesuai untuk pengujian ketika dalam keadaan dingin.

Perubahan penampang selama pengujian dan area penampang yang tidak dapat direkam secara akurat untuk spesimen yang bentuknya tidak beraturan tidak mempengaruhi redaman dan karenanya suhu pelunakan.

Parameter Pengukuran

Pada bagian pertama pengujian, sapuan suhu dalam kisaran sekitar -60°C hingga +40°C dilakukan pada semua sampel permen karet buah menggunakan DMA Eplexor^® agar dapat membandingkan stabilitas yang bergantung pada suhu (Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas kompleks atau hanya modulus E) dan elastisitas visko-elastisitas terkait dari permen karet buah yang berbeda. Untuk tujuan ini, sampel awalnya didinginkan hingga sekitar -60°C dalam instrumen uji. Untuk mengatur suhu konstan dalam sampel, fase IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal 15 menit diatur dalam setiap kasus sebelum pengukuran, diikuti dengan pengukuran pada laju pemanasan 0,5 K / menit. Pengukuran suhu dilakukan dekat dengan sampel dengan termometer ruang, yang terletak di ruang sampel dengan sirkulasi udara yang intensif.

Pada bagian kedua dari percobaan, perilaku mekanis dinamis dari sampel vegan dari Jerman dan sampel berbasis gelatin dari Belanda diselidiki selama pengeringan dan di bawah Proses PenyerapanPenyerapan adalah proses fisika dan kimia di mana suatu zat (biasanya gas atau cairan) terakumulasi di dalam fase lain atau pada batas fase dua fase. Tergantung pada tempat akumulasi, ada perbedaan antara absorpsi (akumulasi dalam fase) dan adsorpsi (akumulasi pada batas fase).penyerapan air di Eplexor^®, yang dilengkapi dengan Hygromator (ruang kelembaban).

Perilaku Permen Karet Buah yang Bergantung pada Suhu

Gummy bear Jerman tersedia dalam bentuk vegan (hijau, disebut "strip") dan berbahan dasar gelatin (merah, disebut "kentang goreng") untuk pengukuran DMA.

Terlihat jelas (gambar 1) bahwa permen karet buah vegan menunjukkan modulus Young yang lebih tinggi pada semua suhu, yaitu lebih kaku daripada permen karet berbahan dasar gelatin. Pelunakan pada potongan buah vegan (kurva hijau, _Tg = 11,6°C) juga terjadi pada suhu yang lebih tinggi daripada kentang goreng berbahan dasar gelatin (kurva merah, _Tg= -0,4°C).

Temuan obyektif ini juga sesuai dengan hasil sensorik dari menggigit dan mencicipi: Sampel vegan lebih keras saat digigit, sementara sampel berbahan dasar gelatin terasa lebih kuat saat dilelehkan.

Beruang Gummy Belanda

Dari Belanda, versi berbasis gelatin tersedia untuk pengujian. Geometri yang sebagian tidak beraturan dari gummy bear dibentuk menjadi bentuk sampel dengan cara dilubangi ketika dalam keadaan dingin. Dalam penanganannya, produk-produk ini menonjol sebagai permen karet buah yang relatif kaku. Titik pelunakan yang diukur berada pada kisaran -6°C hingga 0°C.

Gambar 2 menunjukkan kurva pengukuran yang berbeda dari modulus dan redaman |E*|. Gummy lunak (kurva biru) menunjukkan perbedaan suhu pelunakan (-2,4°C) dibandingkan dengan dua jenis gummy buah lainnya, Liane- Cassis (-5,1°C, kurva merah) dan Stroberi (-4,9°C, kurva hijau). Itulah sebabnya sampel bergetah lunak memiliki kurva redaman terluas dan penurunan modulus Young paling awal terkait suhu. Dengan demikian, sampel soft gummy memiliki redaman terendah dalam kisaran suhu ruangan dari semua sampel yang dibandingkan, dan bahannya tampak lebih lembut bagi konsumen daripada Strawberry dan Liane-Cassis.

Meskipun redamannya sangat mirip untuk tipe Liane-Cassis dan Strawberry, namun modulus E Strawberry selalu lebih tinggi daripada Liane-Cassis, yang juga tercermin dalam kekencangan saat digigit.

Redaman yang lebih rendah (tan δ) dari sampel Liane-Cassis (kurva merah) dapat dilihat pada praktiknya berdasarkan proses peleburan dan deformasi yang lebih lama daripada Strawberry (kurva hijau). Selain itu, Liane-Cassis menunjukkan efek perekat yang lebih intensif pada gigi.

Sampel Vegan Australia dan Selandia Baru

Kedua sampel ditawarkan di pasar dengan suhu luar ruangan rata-rata yang tinggi, menempatkan tuntutan khusus pada stabilitas dimensi dan kelengketan permen karet buah. Kedua sampel tersedia dalam bentuk kubus atau foil yang sudah sesuai untuk uji tarik, dan hanya perlu dipotong atau dilipat untuk menyesuaikan ketebalan sampel untuk melakukan pengujian. Meskipun satu sampel (kurva hijau) secara khusus ditetapkan sebagai vegan, namun sampel kedua (kurva biru) tidak secara eksplisit menyatakan klaim ini.

Jelas terlihat (gambar 3) bahwa produk dari wilayah Oseania memiliki suhu pelunakan tertinggi (19,6°C dan 24,3°C) dari semua permen karet buah yang diteliti. Secara khusus, sampel berbentuk kubus relatif kaku hingga titik beku dan memiliki modulus E tertinggi.

Permen Karet Buah Berbasis Gelatin Rusia untuk Wilayah Beriklim Dingin

Dua permen karet buah berbahan dasar gelatin Rusia yang diteliti di sini berbentuk beruang (kurva biru) dan cacing (kurva merah). Bentuk beruang membutuhkan pelubangan, sedangkan cacing dapat langsung dimasukkan ke dalam DMA. Meskipun pelunakan cacing dimulai pada suhu yang sedikit lebih tinggi (_Tg = -0,9°C, kurva merah) daripada beruang (_Tg = -4,4°C, kurva biru), keduanya menunjukkan kekakuan yang sama pada saat pelunakan.

Modulus E beruang pada suhu saji lebih rendah daripada cacing (kurva biru, gambar 4) karena materialnya. Cacing melunak pada suhu yang sedikit lebih tinggi (3,5°C, kurva merah) daripada beruang. Oleh karena itu, sifat gustatory dari kedua jenis buah bergetah ini juga sangat mirip.

Perilaku Permen Karet yang Bergantung pada Kelembaban

Ketergantungan kelembaban sampel diselidiki, seperti untuk sapuan suhu, dalam mode tarik pada suhu 35°C. Suhu dijaga konstan selama seluruh percobaan.

Pada langkah pertama percobaan, sampel berbahan dasar gelatin Jerman dan Belanda yang vegan dipaparkan pada kelembapan ruang sebesar 20% RH, yang dihasilkan dan dijaga agar tetap konstan oleh NETZSCH GABO Hygromator (penghasil kelembapan).

Langkah ini sesuai dengan proses pengeringan untuk mendapatkan dari kelembaban sekitar, yang di negara-negara ini sekitar 50% hingga 60% RH tergantung pada musim, ke kondisi kering "semu" pada 20% RH. Untuk seri pengujian ini, permen karet buah yang akan diuji harus tersedia dalam kondisi kering dengan kelembapan yang sama untuk tujuan perbandingan. Untuk tujuan ini, kedua sampel dikeringkan selama kurang lebih 1 jam dan perjalanan temporal modulus Young mereka dicatat. Sampel yang dikeringkan dengan cara ini kemudian juga mengalami kelembaban ruang 50% selama sekitar satu jam dan kemudian kelembaban ruang 90% selama satu jam lagi. Perubahan yang bergantung pada waktu yang dihasilkan dalam modulus Young dan kelembapan ruang yang berlaku pada setiap titik waktu ditunjukkan pada gambar 5 untuk sampel vegan (kurva merah) dan sampel yang mengandung gelatin (kurva biru).

Pada gambar 5 ditunjukkan perilaku temporal yang serupa untuk permen karet buah vegan dan gelatin, dengan jenis vegan selalu menunjukkan modulus E yang lebih tinggi dan sensitivitas kelembapan yang lebih rendah dalam penyelidikan ini. Hal yang umum terjadi pada keduanya adalah peningkatan modulus E pada saat pengeringan (di sini pada 20% RH) dan penurunan pada saat terpapar kelembapan (di sini pada 50% RH dan 90% RH). Untuk spesimen yang dikeringkan pada 20% RH, pelembapan sudah terlihat setelah dikeluarkan dari penyimpanan pada 50% RH, seperti yang ditunjukkan oleh arah modulus E.

Ringkasan

NETZSCH DMA Eplexor^® menawarkan prosedur rutin untuk evaluasi sifat produk yang relevan bagi konsumen seperti permen karet buah, sehingga dapat digunakan untuk peningkatan produk dan pengembangan baru.

Ketergantungan suhu dari modulus E (kekakuan) dan redaman berkaitan erat dengan perilaku gigitan dan pelelehan permen karet buah. Pengetahuan tentang ketergantungan kelembaban, di sisi lain, memiliki nilai yang lebih besar untuk mengevaluasi kondisi penyimpanan.

Untuk pengembangan jenis gummy buah lebih lanjut, terutama dengan pengikat baru untuk pelanggan vegan, analisis dinamis-mekanis menawarkan kemampuan untuk mencatat sifat termal dan mekanis di laboratorium terlebih dahulu, dan dengan demikian meluncurkan produk di pasar dengan cara yang lebih tepat sasaran dan lebih cepat. Kondisi penyimpanan dan pemrosesan serta parameter kelembapan dan suhu selanjutnya dapat disimulasikan melalui pengukuran DMA.