Capire il comportamento del formaggio! Dalle condizioni ottimali di conservazione alla fusione perfetta.

Introduzione

L’analisi termica è fondamentale per l’industria alimentare e delle bevande ai fini della formulazione, dell’ottimizzazione dei processi produttivi, del controllo qualità, dello studio delle condizioni di conservazione e della determinazione della durata di conservazione dei prodotti. Il processo industriale di base per la produzione del formaggio prevede l’inoculazione del latte pastorizzato con l’enzima caglio per indurre la coagulazione. La cagliata viene quindi separata dal siero, macinata e lavorata fino a ottenere una determinata forma prima di essere sottoposta a stagionatura (se richiesta). Il formaggio presenta una struttura davvero unica, in cui i globuli di grasso sono sospesi da micelle formate dalla proteina caseina (la principale proteina del latte). Dal punto di vista della formulazione, l’aggiunta di vari polimeri determina percezioni sensoriali e proprietà diverse; un esempio è l’aggiunta di acido ialuronico al formaggio per pizza [1].

In questo studio, abbiamo cercato di indagare in che modo una semplice considerazione relativa alla conservazione, come il congelamento, influisca sulle proprietà di vari tipi di formaggio. La conservazione a freddo e il congelamento sono entrambi processi fondamentali per la produzione e la distribuzione del formaggio, nonché per la sua conservazione in ambito domestico. Inoltre, volevamo verificare se fosse possibile misurare le proprietà di elasticità del formaggio fuso per valutarne le prestazioni in piatti quali la pizza e il toast al formaggio.

L’Analisi Meccanica Dinamica (DMA) viene utilizzata principalmente per analizzare le proprietà viscoelastiche dei materiali polimerici, ma trova impiego anche nella misurazione di metalli e ceramiche o nella simulazione di specifiche condizioni meccaniche. Il DMA 303 di NETZSCH Eplexor^® è un versatile dispositivo da tavolo in grado di effettuare misurazioni in un intervallo di temperatura compreso tra -170 °C e 800 °C (da -274 °F a 1472 °F), applicando una forza compresa tra 1 mN e 50 N, e operante a frequenze comprese tra 0,001 e 150 Hz. In questo esempio, è stato utilizzato per misurare le proprietà meccaniche del cheddar bianco e del parmigiano prima e dopo un ciclo di congelamento-scongelamento.

Tuttavia, misurare in che modo le condizioni di conservazione e la temperatura influenzano le proprietà meccaniche del formaggio solido rappresenta solo metà del quadro per quanto riguarda il modo in cui gustiamo il prodotto. Sono state misurate anche le proprietà di estensione del cheddar bianco fuso per determinarne le prestazioni in contesti culinari quali il toast al formaggio o la fonduta.

NETZSCH occupa una posizione unica nel campo della reologia, offrendo sia reometri rotazionali/oscillatori convenzionali sia reometri capillari ad alta forza: insieme, questi strumenti coprono un intervallo di oltre sei ordini di grandezza nelle velocità di taglio. Utilizzando una configurazione a doppio cilindro e un ugello a lunghezza zero, è possibile determinare simultaneamente le viscosità di taglio e di deformazione in funzione della velocità di taglio. In questo caso, sono state misurate le proprietà di deformazione corrette del cheddar bianco fuso in funzione della velocità di taglio.

Test DMA per determinare l'effetto del congelamento sulle proprietà del formaggio

Le colonne di Cheddar bianco e Parmigiano sono state sottoposte a prove in modalità di compressione, come illustrato nella Figura 1, per determinarne le proprietà meccaniche in funzione della temperatura. È stata utilizzata la DMA per determinare il modulo di immagazzinamento (E’) dei campioni di formaggio, che descrive la capacità di un materiale di immagazzinare energia, 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”), che descrive la capacità di un materiale di dissipare energia (tipicamente attraverso il calore generato dall’attrito interno), e il fattore di smorzamento (tan δ), che è il rapporto tra 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 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 descrive la capacità di un materiale di deformarsi elasticamente o viscosamente in risposta a una forza applicata. Infine, il 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 (indicato con |E|, matematicamente la radice della somma dei quadrati di E’ ed E”) rappresenta un modo semplice per confrontare la rigidità complessiva tra i campioni in funzione della temperatura.

In questo studio, un campione di Cheddar bianco o di Parmigiano è stato sottoposto a misurazione da 20 a 55 o 65 °C (a seconda del 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).punto di fusione) dopo essere stato conservato esclusivamente in frigorifero a 4 °C. Per comprendere l’effetto di un ciclo di congelamento-scongelamento, campioni di Cheddar bianco e di Parmigiano sono stati conservati a -20 °C per una notte prima di essere scongelati e analizzati con lo stesso programma di temperatura. Il risultato di un ciclo di congelamento-scongelamento sulle proprietà del Cheddar bianco è mostrato nella Figura 2, mentre quello relativo al Parmigiano è illustrato nella Figura 3.

Dalle Figure 2 e 3 emerge una chiara differenza tra i formaggi (dopo essere stati semplicemente refrigerati): il Parmigiano presenta valori di modulo significativamente più elevati rispetto al Cheddar bianco (E’ pari a 3,02 contro 0,39 MPa a 25 °C), come ci si aspetterebbe dato che il Parmigiano è classificato come formaggio a pasta dura. Entrambi i formaggi presentavano inoltre valori di modulo e fattori di smorzamento più elevati dopo un ciclo di congelamento-scongelamento (l’E’ del parmigiano è aumentato da 3,02 a 3,87 e quello del cheddar bianco da 0,39 a 0,60 MPa a 25 °C), il che suggerisce che le condizioni di conservazione influenzano il materiale rendendolo significativamente più rigido.

La tabella 1 riassume i risultati relativi a ciascun campione a una temperatura selezionata di 25 °C. Comprendere l’interazione tra E’ ed E” è importante per capire come il formaggio verrà percepito durante la masticazione, ovvero se opporrà resistenza o cederà facilmente alla forza esercitata dai denti [2].

Tabella 1: Riepilogo dei valori di E', E'' e tan δ per il Cheddar bianco e il Parmigiano a 25 °C

È interessante notare che l’effetto dell’aumento della rigidità dopo il congelamento è più evidente a temperatura ambiente, ma si riduce notevolmente man mano che i campioni vengono riscaldati (Figure 2c e 3c).

Infine, è importante sottolineare che il DMA 303 Eplexor^® è in grado di raggiungere temperature criogeniche e, pertanto, il ciclo di congelamento-scongelamento potrebbe essere completato all’interno dello strumento stesso. Tuttavia, si è riscontrato che le colonne di formaggio diventavano così rigide da richiedere, per la deformazione dinamica, una forza superiore a quella che lo strumento era in grado di fornire. Per studiare questi materiali durante il congelamento, è necessario uno strumento in grado di esercitare una forza maggiore, come l’ DMA 503 Eplexor^®.

Reometria capillare, estrusione e prove di trazione

I reometri capillari delle serie NETZSCH, Rosand RH2000 e RH7/10 vengono solitamente utilizzati per studiare la viscosità dei polimeri allo stato fuso. In questo caso, abbiamo cercato di misurare la viscosità di un formaggio in fase di 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, come il cheddar bianco (il parmigiano non si scioglie bene), in funzione della velocità di taglio. Il campione è stato misurato a 65 °C, poiché questa è una temperatura comunemente utilizzata per la fonduta, un’applicazione in cui l’estensibilità del formaggio è davvero importante.

Oltre alle misurazioni di base della viscosità, gli strumenti Rosand sono in grado di utilizzare vari accessori e modelli matematici per determinare proprietà aggiuntive quali la forza di trazione, il rigonfiamento dello stampo e la viscosità estensionale. Grazie al design a doppio foro di Rosand, è possibile utilizzare una fusa lunga e una fusa a orifizio per misurare contemporaneamente un campione e calcolare la viscosità di taglio e quella estensionale utilizzando il modello di Cogswell. Da un punto di vista pratico, ciò mostra di quanto il materiale fuso possa essere esteso a una data velocità di taglio, ovvero di quanto il formaggio fuso si allungherà quando una fetta di pizza viene tirata via a una data velocità. Le proprietà di taglio e di estensione del cheddar bianco sono illustrate nella Figura 4. Il cheddar bianco ha mostrato una proprietà comune ai polimeri, ovvero quella di assottigliarsi al taglio; la viscosità del campione è diminuita all’aumentare della velocità di taglio.

Per i materiali newtoniani, è ormai assodato che la viscosità estensionale del materiale sia tre volte superiore a quella di taglio. Per i polimeri fusi, il rapporto tra viscosità estensionale e viscosità di taglio è molto più elevato, arrivando fino a diversi ordini di grandezza. In questo caso, è stato determinato che il Cheddar bianco presentava una viscosità estensionale molto elevata, pari a diverse migliaia di volte quella di taglio. Da un punto di vista pratico, ciò suggerisce che il Cheddar bianco rimanga altamente viscoso (si pensi al confronto tra miele e acqua) mentre viene sottoposto a taglio e, di conseguenza, sia meno soggetto a rompersi. Man mano che il Cheddar viene sottoposto a taglio a una velocità maggiore, la viscosità estensionale diminuisce. Pertanto, quando si ottimizza l’allungamento del formaggio, mantenere una temperatura sufficientemente alta e tirare lentamente massimizzerà la distanza a cui il Cheddar può essere allungato.

Sintesi

Le analisi termiche rivestono un ruolo fondamentale nell’industria alimentare e delle bevande, poiché forniscono un supporto in ogni fase, dalla formulazione alla determinazione della durata di conservazione. Nel presente documento abbiamo illustrato come i vari strumenti NETZSCH possano essere utilizzati non solo per comprendere in che modo la temperatura di conservazione influisca sulle proprietà del Cheddar bianco e del Parmigiano, ma anche per misurare le proprietà allo stato fuso, come l’estensione del Cheddar bianco. Utilizzando il DMA 303 Eplexor^®®, sono state confrontate le proprietà meccaniche del Cheddar bianco e del Parmigiano in un intervallo di temperature. Inoltre, è stato dimostrato che l’effetto di un ciclo di congelamento-scongelamento su entrambi i formaggi ne aumenta significativamente il modulo di elasticità, un aspetto importante da considerare per la spedizione e la movimentazione del prodotto. È stato utilizzato il modello « Rosand RH2000 » per simulare le proprietà dello stato fuso del Cheddar bianco, in particolare le proprietà di estensione. Dal punto di vista dell’utente, si tratta essenzialmente di un modello che riproduce la cottura e la successiva «elasticità» del formaggio, una variabile fondamentale per il marketing e le prestazioni del prodotto.