Pendahuluan
Analisis termal sangat penting bagi industri makanan dan minuman dalam hal formulasi, pengoptimalan proses produksi, pengendalian mutu, studi kondisi penyimpanan, serta penentuan masa simpan produk. Proses produksi keju industri pada dasarnya melibatkan penambahan enzim rennet ke dalam susu yang telah dipasteurisasi untuk memicu proses koagulasi. Gumpalan keju kemudian dipisahkan dari whey, digiling, dan diproses menjadi bentuk tertentu sebelum dimatangkan (jika diperlukan proses penuaan). Keju memiliki struktur yang sangat unik di mana globul lemak tersuspensi oleh misel yang terbentuk dari protein kasein (protein utama dalam susu). Dari sudut pandang formulasi, penambahan berbagai polimer menghasilkan persepsi sensorik dan sifat yang berbeda-beda, salah satu contohnya adalah penambahan asam hialuronat ke dalam keju pizza [1].
Dalam penelitian ini, kami berupaya menyelidiki bagaimana pertimbangan penyimpanan sederhana, seperti pembekuan, memengaruhi sifat berbagai jenis keju. Penyimpanan dingin dan pembekuan merupakan proses kritis dalam produksi dan distribusi keju, serta cara penyimpanan keju di rumah. Selain itu, kami ingin menyelidiki apakah kami dapat mengukur sifat peregangan keju yang meleleh untuk mengevaluasi kinerjanya dalam hidangan seperti pizza dan sandwich keju panggang.
Analisis Mekanik Dinamis (DMA) terutama digunakan untuk menganalisis sifat viskoelastis bahan polimer, tetapi juga digunakan untuk mengukur logam, keramik, atau mensimulasikan kondisi mekanis tertentu. NETZSCH DMA 303 Eplexor® adalah perangkat desktop serbaguna yang mampu mengukur dalam rentang suhu dari -170°C hingga 800°C (-274°F hingga 1472°F), menerapkan gaya mulai dari 1 mN hingga 50 N, dan beroperasi pada frekuensi 0,001 hingga 150 Hz. Dalam contoh ini, alat tersebut digunakan untuk mengukur sifat mekanis keju cheddar putih dan parmesan sebelum dan sesudah siklus pembekuan-pencairan.
Namun, mengukur bagaimana kondisi penyimpanan dan suhu memengaruhi sifat mekanis keju padat hanyalah setengah dari cerita mengenai cara kita menikmati produk tersebut. Sifat ekstensi keju cheddar putih yang dilelehkan juga diukur untuk menentukan kinerjanya dalam skenario memasak seperti sandwich keju panggang atau fondue.
NETZSCH memiliki posisi unik di bidang reologi dengan menawarkan baik reometer rotasi/osilasi konvensional maupun reometer kapiler berdaya tinggi: Bersama-sama, instrumen-instrumen ini mencakup rentang laju geser lebih dari enam orde besar. Dengan menggunakan konfigurasi silinder ganda dan nosel panjang nol, viskositas geser dan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan dapat ditentukan secara bersamaan sebagai fungsi laju geser. Dalam kasus ini, sifat SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan yang telah dikoreksi dari keju cheddar putih yang dilelehkan diukur sebagai fungsi laju geser.
Pengujian DMA untuk Menentukan Pengaruh Pembekuan terhadap Sifat-sifat Keju
Kolom keju Cheddar putih dan Parmesan diuji dalam mode kompresi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, untuk menentukan sifat-sifat mekanisnya sebagai fungsi suhu. DMA digunakan untuk menentukan modulus penyimpanan (E’) dari sampel keju yang menggambarkan kemampuan suatu bahan untuk menyimpan energi, Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan (E”) yang menggambarkan kemampuan suatu bahan untuk melepaskan energi (biasanya melalui panas yang dihasilkan oleh gesekan internal), serta faktor redaman (tan δ) yang merupakan rasio modulus rugi terhadap modulus penyimpanan dan menggambarkan kemampuan suatu bahan untuk mengalami deformasi elastis atau viskos terhadap gaya yang diterapkan. Terakhir, Modulus KompleksModulus kompleks terdiri dari dua komponen, yaitu modulus penyimpanan dan modulus kehilangan. Modulus penyimpanan (atau modulus Young) menggambarkan kekakuan dan modulus kehilangan menggambarkan perilaku redaman (atau viskoelastik) dari sampel yang sesuai dengan menggunakan metode Analisis Mekanik Dinamis (Dynamic Mechanical Analysis/DMA). modulus kompleks (dilambangkan dengan |E|, secara matematis merupakan akar kuadrat dari jumlah kuadrat E’ dan E”) merupakan cara sederhana untuk membandingkan kekakuan keseluruhan antar sampel sebagai fungsi suhu.
Dalam penelitian ini, sampel keju Cheddar putih atau Parmesan diukur pada suhu mulai dari 20 hingga 55 atau 65°C (tergantung pada titik lelehnya) setelah sebelumnya hanya disimpan dalam lemari es pada suhu 4°C. Untuk memahami pengaruh siklus pembekuan-pencairan, sampel keju Cheddar putih dan Parmesan disimpan pada suhu -20°C semalaman sebelum dicairkan dan dianalisis dengan program suhu yang sama. Hasil siklus pembekuan-pencairan terhadap sifat-sifat keju Cheddar putih ditunjukkan pada Gambar 2, dan terhadap keju Parmesan pada Gambar 3.
Dari Gambar 2 dan 3, terlihat perbedaan yang jelas pada kedua keju tersebut (setelah hanya disimpan dalam lemari es), Parmesan memiliki nilai modulus yang jauh lebih tinggi dibandingkan keju Cheddar putih (E’ sebesar 3,02 vs 0,39 MPa pada 25°C), sebagaimana diharapkan karena Parmesan diklasifikasikan sebagai keju keras. Kedua keju tersebut juga menunjukkan nilai modulus dan faktor redaman yang lebih tinggi setelah siklus pembekuan-pencairan (nilai E’ keju Parmesan meningkat dari 3,02 menjadi 3,87, dan keju cheddar putih dari 0,39 menjadi 0,60 MPa pada 25°C), yang menunjukkan bahwa kondisi penyimpanan memengaruhi bahan dan membuatnya menjadi jauh lebih kaku.
Tabel 1 merangkum hasil pengujian setiap sampel pada suhu 25°C yang telah dipilih. Memahami interaksi antara E’ dan E” sangat penting untuk memahami bagaimana keju tersebut akan dirasakan saat dikunyah, apakah keju tersebut akan menahan atau dengan mudah menyerah terhadap tekanan yang diberikan oleh gigi [2].
Tabel 1: Ringkasan nilai E', E'', dan tan δ untuk keju Cheddar putih dan Parmesan pada suhu 25°C
| Variabel | Tidak Beku | Dibekukan dan Dicairkan | Peningkatan setelah Pembekuan |
|---|---|---|---|
Cheddar Putih | |||
| E' (MPa) | 0,39 | 0,60 | 1,54 |
| E'' (MPa) | 0,13 | 0,22 | 1,69 |
| tan δ | 0,36 | 0,37 | 1,12 |
Parmesan | |||
| E' (MPa) | 3,03 | 3,87 | 1,28 |
| E'' (MPa) | 1,10 | 1,50 | 1,36 |
| tan δ | 0,36 | 0,39 | 1,08 |
Menarik untuk dicatat bahwa efek peningkatan kekakuan setelah pembekuan lebih menonjol pada suhu kamar, namun berkurang secara signifikan saat sampel dipanaskan (Gambar 2c dan 3c).
Terakhir, penting untuk dicatat bahwa DMA 303 Eplexor® mampu mencapai suhu kriogenik, sehingga siklus pembekuan-pencairan dapat diselesaikan di dalam instrumen itu sendiri. Namun, ditemukan bahwa kolom keju menjadi sangat kaku sehingga diperlukan gaya yang lebih besar untuk deformasi dinamis daripada yang dapat disediakan oleh instrumen. Untuk mempelajari bahan-bahan ini selama proses pembekuan, diperlukan instrumen dengan gaya yang lebih besar, seperti DMA 503 Eplexor®.
Rheometri Kapiler, Ekstrusi, dan Uji Tarikan
Rheometer kapiler seri NETZSCH Rosand RH2000 dan RH7/10 umumnya digunakan untuk memahami viskositas polimer dalam keadaan cair. Dalam penelitian ini, kami berupaya mengukur viskositas keju yang sedang meleleh, seperti keju cheddar putih (keju Parmesan tidak meleleh dengan baik), sebagai fungsi laju geser. Sampel diukur pada suhu 65°C karena ini merupakan suhu yang umum digunakan untuk fondue, suatu aplikasi di mana kemampuan peregangan keju sangat penting.
Selain pengukuran viskositas dasar, instrumen Rosand juga mampu memanfaatkan berbagai aksesori dan model matematis untuk menentukan sifat-sifat tambahan seperti gaya tarik, pembengkakan cetakan, dan viskositas ekstensi. Dengan desain lubang ganda Rosand, cetakan panjang dan cetakan lubang dapat digunakan untuk secara bersamaan mengukur sampel dan menghitung viskositas geser serta viskositas ekstensi menggunakan model Cogswell. Dari sudut pandang praktis, hal ini menunjukkan seberapa jauh lelehan dapat diregangkan pada laju geser tertentu, yang berarti, seberapa jauh keju yang meleleh akan meregang ketika sepotong pizza ditarik dengan kecepatan tertentu. Sifat geser dan ekstensi keju cheddar putih ditunjukkan pada Gambar 4. Keju cheddar putih menunjukkan sifat umum polimer yaitu mengalami pengenceran geser; viskositas sampel menurun seiring dengan meningkatnya laju geser.
Untuk bahan Newtonian, telah diketahui secara luas bahwa viskositas ekstensi bahan tersebut tiga kali lebih tinggi daripada viskositas geser. Untuk lelehan polimer, rasio viskositas ekstensi terhadap viskositas geser jauh lebih tinggi, bahkan mencapai beberapa orde besar. Dalam penelitian ini, ditemukan bahwa keju Cheddar putih memiliki viskositas ekstensi yang sangat tinggi, yaitu beberapa ribu kali lebih tinggi daripada viskositas geser. Dari sudut pandang praktis, hal ini menunjukkan bahwa keju Cheddar putih tetap memiliki viskositas yang sangat tinggi (bayangkan madu vs air) saat mengalami geseran dan oleh karena itu cenderung tidak mudah putus. Semakin cepat keju Cheddar mengalami geseran, semakin rendah viskositas ekstensi-nya. Oleh karena itu, saat mengoptimalkan proses “cheese pull”, mempertahankan suhu yang cukup tinggi dan menariknya secara perlahan akan memaksimalkan jarak yang dapat dicapai oleh keju Cheddar saat ditarik.
Ringkasan
Pengujian analisis termal memegang peranan penting dalam industri makanan dan minuman untuk mendukung berbagai proses, mulai dari formulasi hingga penentuan masa simpan. Dalam artikel ini, kami menunjukkan bagaimana berbagai instrumen NETZSCH dapat dimanfaatkan tidak hanya untuk memahami bagaimana suhu penyimpanan memengaruhi sifat-sifat keju Cheddar putih dan Parmesan, tetapi juga untuk mengukur sifat-sifat saat meleleh, seperti perpanjangan keju Cheddar putih. Dengan menggunakan DMA 303 Eplexor®®, sifat-sifat mekanis keju Cheddar putih dan Parmesan dibandingkan pada rentang suhu tertentu. Selain itu, pengaruh siklus pembekuan-pencairan terhadap kedua jenis keju tersebut terbukti secara signifikan meningkatkan modulusnya, yang merupakan pertimbangan penting dalam pengiriman dan penanganan produk. Model " Rosand RH2000 " digunakan untuk memodelkan sifat-sifat keju Cheddar putih saat meleleh, khususnya sifat-sifat ekstensi. Dari sudut pandang pengguna, ini pada dasarnya merupakan model untuk proses pemanasan dan "tarikan" keju setelahnya, yang merupakan variabel kritis bagi pemasaran dan kinerja produk.