Introduzione
Sebbene l'analisi meccanica dinamica (DMA) sia utilizzata principalmente per analizzare i materiali polimerici, la tecnica può essere applicata anche a un'ampia gamma di altri settori. Tra questi, diverse applicazioni nell'industria alimentare e delle bevande, come ad esempio l'analisi delle formulazioni di orsetti gommosi, come dimostrato da Mucha et al. [1]. A livello industriale, la caratterizzazione meccanica è spesso utilizzata per valutare la qualità e la consistenza dei prodotti nel settore alimentare. Il DMA 303 Eplexor®® è un dispositivo da tavolo versatile in grado di misurare in un intervallo di temperatura compreso tra -170°C e 800°C (-274°F e 1472°F) con una forza totale di 50 N (statica più dinamica), che lo rende perfettamente adatto a tali applicazioni.
Ogni persona che ordina una bistecca vi dirà qual è il modo giusto e quale quello sbagliato per cucinarla. Il problema è che ogni persona a cui si chiede avrà una risposta diversa. Quando si parla di una buona bistecca, le variabili principali sono in genere due: la tenerezza e la succosità. La tenerezza è essenzialmente una proprietà meccanica che descrive la morbidezza e la masticabilità della carne. La succosità della bistecca dipende dal contenuto e dalla distribuzione del grasso, dal processo di invecchiamento e dalla cottura. In termini di cottura, le temperature interne della bistecca sono 125°F (52°C) per la cottura al sangue, 130-135°F (54-57°C) per medium-rare, 135-140°F (57-60°C) per medium, 140-150°F (60-66°C) per la cottura media e 155°F (68°C) o superiore per la cottura ben cotta [2]. Sebbene tutti sappiano che più a lungo viene cotta la bistecca, più sarà dura, come si fa a misurarlo? È possibile valutare quantitativamente quanto è tenera la bistecca durante il processo di cottura?
Oltre al semplice tempo di cottura, ci sono molti altri fattori che influenzano la qualità del piatto finale. I tagli più costosi provengono in genere da aree di muscolo meno sollecitate, il che determina una maggiore tenerezza. Inoltre, il contenuto di grasso della carne gioca un ruolo importante. Una maggiore marezzatura porta a una carne più succosa e tenera, mentre i tagli più magri hanno una maggiore densità di fibre muscolari con più proteine, ma nel complesso sono un prodotto più duro.
Per determinare le proprietà dinamico-meccaniche dei campioni di bistecca, abbiamo scelto di analizzare un taglio relativamente economico chiamato "skirt-steak", noto per il suo elevato contenuto di fibre muscolari.
Gli obiettivi principali erano due:
a) verificare quanto la temperatura interna influisca sulle proprietà meccaniche e
b) come l'allineamento delle fibre influisce sulla percezione della tenerezza. Oltre alla curiosità scientifica, dati come questi sono importanti per il controllo della qualità e per le nuove industrie che progettano alternative/sostituti della carne.
Indagine DMA sul grado di cottura
Per la misurazione sono stati prodotti campioni di bistecca cruda (13 mm di diametro, 6 mm di altezza) (Figura 1a). I campioni sono stati misurati in compressione per simulare al meglio la percezione del campione durante la masticazione. La termocoppia del DMA è stata inserita direttamente nel punto centrale del campione per misurare la temperatura interna (Figura 1b). È stata utilizzata una forza di contatto di 1,0 N per appiattire inizialmente il campione e garantire un'area di contatto uniforme con l'asta di spinta. È stata applicata un'ampiezza dinamica di 20 μm con un fattore proporzionale di 1,1 nell'intervallo di temperatura 30-80°C, utilizzando una velocità di riscaldamento di 1 K/min (tempo di esecuzione totale di 55 minuti). Il campione completamente cotto dopo il test è mostrato nella Figura 1c).
Risultati della misurazione
I risultati delle prove di compressione sono mostrati nella Figura 2) e riassunti per grado di durezza nella Tabella 1). Il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo (E') è correlato alla capacità del materiale di immagazzinare energia in modo elastico. Durante la cottura, E' aumenta tipicamente quando la bistecca diventa più soda e più masticabile. Il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita (E") descrive la dissipazione di energia del materiale, in genere attraverso l'attrito interno e il comportamento viscoso. Un E''' elevato indica che la bistecca dissipa più energia durante la deformazione dovuta alla masticazione. I valori di E' ed E" sono legati ai cambiamenti strutturali che avvengono durante il processo di cottura: le fibre muscolari si contraggono e perdono acqua, determinando una consistenza più solida e un aumento dell'attrito interno.
Tabella 1: Il modulo assoluto e l'aumento delle proprietà meccaniche dei dischi di bistecca in relazione alla temperatura interna e al grado di cottura
| Grado di cottura | Temperatura interna (°C) | |(MPa) | Aumento del modulo rispetto al crudo |
|---|---|---|---|
| Crudo (blue rare) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Raro | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-raro | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-bene | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Ben fatto | 72 | 3.74 | 12.7 |
Pertanto, l'obiettivo del processo di cottura è quello di ottenere valori moderati sia di E' che di E", dove la bistecca è strutturata e piacevolmente masticabile, ma rimane succosa. Se il processo di cottura dovesse continuare oltre il punto in cui la carne è ben cotta (non mostrato qui), il collagene si scioglie in gelatina e le fibre muscolari si rilassano, riducendo l'attrito e facendo diminuire E".
Il fattore di smorzamento (indicato con tan δ) è il rapporto tra E" ed E' e descrive il comportamento elastico o viscoso del materiale. L'entità di E' è molto maggiore di E', il che suggerisce che il materiale si comporta prevalentemente in modo elastico e diventa più rigido all'aumentare della temperatura. È interessante notare che il fattore di smorzamento inizialmente diminuisce e poi aumenta di nuovo, indicando che durante il processo di cottura le diverse temperature determinano lievi cambiamenti nelle proprietà di smorzamento. Poiché durante la cottura si verificano simultaneamente la perdita di umidità e la Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione dei grassi, questo effetto non è inaspettato.
Il valore assoluto del Modulo complessoIl modulo complesso è costituito da due componenti, il modulo di accumulo e il modulo di perdita. Il modulo di accumulo (o modulo di Young) descrive la rigidità e il modulo di perdita descrive il comportamento smorzante (o viscoelastico) del campione corrispondente, utilizzando il metodo dell'analisi meccanica dinamica (DMA). modulo complesso |E| descrive la resistenza totale di un materiale alla deformazione sotto sforzo oscillatorio e combina sia la componente viscosa che quella elastica. La tabella 1 riassume il modo in cui questa proprietà cambia con la temperatura interna. Una bistecca al sangue ha un modulo di compressione 1,5 volte superiore rispetto a una cruda, mentre una ben cotta ha un modulo 12,7 volte superiore. Questo risultato indica una correlazione non lineare tra tenerezza e temperatura interna.
Effetto delle fibre sulla tenerezza
Il grado di cottura da solo non influisce sulla tenerezza della bistecca finale. La bistecca, essendo un taglio di carne relativamente economico ricavato dal piatto e dal diaframma della mucca, è nota per essere magra e con un'alta densità di fibre muscolari. Pertanto, il modo in cui la bistecca viene tagliata e servita gioca un ruolo large sulla sua tenerezza. In questo caso, abbiamo testato pezzi di bistecca cotti in modalità di trazione, tagliati sia lungo la fibra muscolare che contro la fibra, il cui risultato è mostrato nella Figura 3. Dalla Figura 3, si può osservare che il campione tagliato in linea con la fibra muscolare (linea arancione) ha un modulo di trazione assoluto 6,7 volte superiore rispetto a quello tagliato perpendicolarmente all'orientamento della fibra (linea blu). Questo aumento del modulo assoluto di trazione è correlato a una carne meno tenera. Pertanto, la semplice tecnica di tagliare la bistecca cotta in fette sottili in senso contrario alla venatura consente di ottenere una carne significativamente più tenera.
Sintesi
Il DMA 303 Eplexor® offre un'ampia gamma di frequenze, forze e temperature, che lo rendono uno strumento ideale per le misurazioni dinamico-meccaniche in una vasta gamma di aree di applicazione. In questa sede, abbiamo descritto la capacità dello strumento di misurare accuratamente la tenerezza di un pezzo di bistecca sia in compressione, per simulare la masticazione, sia in tensione, per studiare l'influenza della direzionalità delle fibre muscolari.
Il DMA 303 Eplexor® può essere utilizzato non solo per caratterizzare la carne, ma anche molti altri tipi di campioni nell'industria alimentare e delle bevande. Risultati come questi possono essere utilizzati nella progettazione di sostituti della carne a base vegetale per imitare al meglio il prodotto convenzionale.