Introduzione
Le caramelle alla frutta sono deliziose e hanno un buon sapore durante tutto l'anno, sia in estate che in inverno, nel deserto a 50° C o al Polo Nord a -40° C. Sarebbe spiacevole se questi "dolcetti" si attaccassero alle alte temperature e formassero una sorta di massa coesa e appiccicosa, o se un dente si staccasse quando li si morde al freddo. Questi esempi chiariscono che: Le caramelle alla frutta sembrano presentare un ampio spettro di proprietà elastiche, che variano tra il morbido e il duro e sono fortemente influenzate dalla temperatura. L'analisi meccanica dinamica viene impiegata per la caratterizzazione delle proprietà visco-elastiche. Se accoppiata a una camera di umidità, è possibile registrare anche l'influenza dell'essiccazione e dell'umidificazione sul loro comportamento meccanico.
Quali comportamenti meccanici presentano le caramelle alla frutta di diverse zone climatiche?
Per l'indagine erano disponibili gomme da masticare alla frutta provenienti dai seguenti paesi:
- Germania
- Paesi Bassi
- Australia
- Nuova Zelanda
- Russia
Oltre alle gommose alla frutta a base di gelatina classic, sono stati inclusi negli studi anche i tipi vegani. Il comportamento dinamico-meccanico di tutti i tipi sarà registrato e confrontato a diverse temperature. Le misurazioni DMA saranno effettuate utilizzando un DMA NETZSCH Eplexor® collegato a un Hygromator (generatore di umidità opzionale).
Gelatina, origine, proprietà funzionali e alternative
Tradizionalmente, la gelatina [1, 2] è il componente principale delle caramelle alla frutta. Essa essenzialmente addensa gli ingredienti liquidi aromatizzanti e, se usata correttamente, fornisce la giustaTemperature 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 e fermezza del morso, nonché laTemperature 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). temperatura di fusione adatta al consumo. In genere, gli "animali gommosi" vengono versati e - prima del passaggio alla fase visco-elastica - esistono in forma fusa alla fine del processo di stampaggio.
La gelatina si trova non solo nelle caramelle gommose alla frutta, ma anche in molti altri prodotti alimentari, ad esempio alimenti ipocalorici, yogurt, maionesi, aspic, paste di carne e molti dolci. Storicamente, la gelatina è stata usata anche come colla per migliaia di anni.
La gelatina è un alimento naturale costituito principalmente da proteine del collagene. Le proteine svolgono tre funzioni molto diverse negli organismi viventi: a) come proteine strutturali (= scleroproteine), b) come proteine di membrana e c) come proteine globulari (= sferoproteine). La versione collagenica fa parte delle scleroproteine ed è costituita da 3 catene polipeptidiche intrecciate (tripla elica). Quando queste catene si raggruppano, si formano le fibrille di collagene, che diventano reti tridimensionali grazie ai legami incrociati che emergono tra le triple eliche e si stabilizzano meccanicamente.
La scomposizione del collagene in singole catene polipeptidiche è necessaria per la produzione di gelatina. A causa dell'insolubilità della reticolazione in acqua, si tratta di un processo complesso che richiede l'uso di sostanze chimiche. +
La produzione di gelatina inizia con il collagene di origine animale. Le proteine animali provengono dalle ossa o dagli strati inferiori della pelle. Osservato a livello microscopico, il collagene è caratterizzato da strutture elicoidali che vengono poi ammorbidite in un processo chimico-termico in modo da poter essere separate (noto come macerazione). Il risultato è un rottame "demineralizzato", chiamato osseina, che è la materia prima da cui si ricava la gelatina.
La produzione di gelatina consente di ottenere diversi gradi di gelificazione per varie applicazioni. La forza gelificante è descritta dal "numero di Bloom". selectPoiché la forza gelificante, e quindi il numero Bloom, dipendono dalla temperatura, è possibile individuare la gelatina più adatta per un determinato prodotto. Per le gommose alla frutta più solide si utilizza una gelatina con un valore Bloom più alto rispetto a quelle più morbide, che contengono gelatina a basso Bloom.
La gelatina è un idrocolloide e può sia legare l'acqua che gonfiarsi in acqua. Addensa, gelifica, stabilizza, è estremamente elastica e presenta un comportamento termoreversibile; cioè, la gelatina gelifica quando viene raffreddata e si scioglie quando viene riscaldata. Questa proprietà è utilizzata anche nella produzione di "orsetti gommosi" ed è stata studiata e valutata nelle misurazioni effettuate in questa sede. Il 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 è particolarmente importante anche per il consumatore. Dopo tutto, l'"animale di gomma" deve sciogliersi in bocca pur mantenendo una certa consistenza.
arcLa ricerca di alternative - leganti di pura origine vegetale con proprietà simili a quelle della gelatina - è iniziata, ma non si è ancora riusciti a trovare un sostituto completo. Sono necessari metodi di prova di routine per descrivere meglio i leganti alternativi e il loro effetto sul materiale [1], [2].
I seguenti materiali, tra gli altri, sono attualmente utilizzati come leganti di pura origine vegetale, con l'obiettivo di sostituire la gelatina [3]:
- Agar-Agar: Sostituto della gelatina
- Aquafaba: acqua di cottura densa di ceci, fagioli e altri legumi a base vegetale; sostituto dell'uovo
- Pectina: fibra solubile e agente gelificante di origine vegetale Patata starch: legante
- Mais starch: Sostituto di starch, generalmente privo di glutine e lattosio
- Bucce di psillio: Agente gonfiante di origine vegetale
- Sago: Granulato starch da manioca e patate; addensante insapore
- Carrube (gomma): Addensante naturale
- Gomma per ingranaggi: Addensante e legante (E 412)
- Carragenina: Agente gelificante e addensante a base vegetale (E407), ottenuto da alghe rosse
- Alginato: Agente addensante, gelificante e di rivestimento (da E 400 a E 405), ottenuto da alghe
- Gomma xantana: Polisaccaride di origine naturale, additivo prodotto da batteri (E 4015) da utilizzare come agente gelificante e addensante
- Radice di freccia starch: Agente legante senza glutine; sostituto dell'uovo
Anche queste alternative sono idrocolloidi come la gelatina. Sono utilizzate nell'industria alimentare per le loro proprietà funzionali; queste proprietà, tuttavia, non sono così complete da consentire una sostituzione generale della gelatina con esse [2].
Poiché anche le gomme alla frutta vegane utilizzano leganti finora poco diffusi e il loro effetto non è ancora ben compreso, in questo campo è necessario includere nelle indagini prodotti con leganti vegani.
Risultati del test dinamico-meccanico con l'utilizzo di NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
Nella misura in cui erano disponibili in forme che potevano essere facilmente analizzate nella prova di trazione, le gomme da masticare alla frutta sono state select. Altre sono state punzonate in una forma adatta alla prova quando erano raffreddate.
Le variazioni della sezione trasversale durante la prova e le aree trasversali che non possono essere registrate con precisione per i campioni di forma irregolare non influiscono sullo smorzamento e quindi sulla temperatura di rammollimento.
Parametri di misura
Nella prima parte del test, sono stati eseguiti sweep di temperatura nell'intervallo da circa -60°C a +40°C su tutti i campioni di gommose alla frutta utilizzando il DMA Eplexor®, al fine di poter confrontare la stabilità in funzione della temperatura (modulo di elasticità complesso o semplicemente modulo E) e la viscoelasticità associata delle diverse gommose alla frutta. A tal fine, i campioni sono stati inizialmente raffreddati a circa -60°C nello strumento di prova. Per impostare una temperatura costante nel campione, prima della misurazione è stata impostata una fase isoterma di 15 minuti in ciascun caso, seguita da una misurazione con una velocità di riscaldamento di 0,5 K/min. Le misure di temperatura vengono effettuate vicino al campione con il termometro da camera, che si trova in una camera di campionamento con un'intensa circolazione d'aria.
Nella seconda parte dell'esperimento, il comportamento dinamico-meccanico di un campione vegano proveniente dalla Germania e di un campione a base di gelatina proveniente dai Paesi Bassi viene studiato durante l'essiccazione e l'assorbimento di umidità nel sito Eplexor®, dotato di una Hygromator (camera di umidità).
Comportamento delle caramelle alla frutta in funzione della temperatura
Gli orsetti gommosi tedeschi sono disponibili come vegani (verdi, chiamati "strisce") e a base di gelatina (rossi, chiamati "patatine fritte") per le misurazioni DMA.
Si nota (figura 1) che le gommose vegane alla frutta presentano un modulo di Young più elevato a tutte le temperature, cioè sono più rigide di quelle a base di gelatina. L'ammorbidimento delle strisce vegane (curva verde,Tg = 11,6°C) avviene inoltre a temperature più elevate rispetto alle patatine fritte a base di gelatina (curva rossa,Tg =-0,4°C).
Questo dato oggettivo corrisponde anche ai risultati sensoriali ottenuti mordendo e assaggiando: I campioni vegani sono più solidi al morso, mentre quelli a base di gelatina hanno un sapore più intenso quando si sciolgono.
Orsetti gommosi olandesi
Dai Paesi Bassi sono disponibili versioni a base di gelatina da testare. Le geometrie parzialmente irregolari degli orsetti gommosi vengono modellate in forma di campione mediante punzonatura quando sono raffreddati. Alla manipolazione, questi prodotti si distinguono come gommosi alla frutta relativamente rigidi. I punti di rammollimento misurati sono compresi tra -6°C e 0°C.
La Figura 2 mostra le diverse curve di misurazione del modulo |E*| e dello smorzamento. La gomma morbida (curva blu) presenta differenze nella temperatura di rammollimento (-2,4°C) rispetto agli altri due tipi di gomma alla frutta, Liane-Cassis (-5,1°C, curva rossa) e Fragola (-4,9°C, curva verde). Per questo motivo, il campione di gommose morbide presenta di gran lunga la curva di smorzamento più ampia e il calo più precoce del modulo di Young in relazione alla temperatura. Pertanto, il campione di gomma morbida presenta lo smorzamento più basso nell'intervallo di temperatura ambiente di tutti i campioni confrontati e il materiale appare più morbido al consumatore rispetto a Strawberry e Liane-Cassis.
Mentre lo smorzamento è molto simile per i tipi Liane-Cassis e Fragola, il modulo E della Fragola è sempre più alto di quello del Liane-Cassis, il che si riflette anche sulla consistenza al morso.
Lo smorzamento più basso (tan δ) del campione Liane-Cassis (curva rossa) è dovuto a un processo diTemperature 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 e deformazione più lungo rispetto a quello della Fragola (curva verde). Inoltre, il Liane-Cassis mostra un effetto adesivo più intenso ai denti.
Campioni vegani australiani e neozelandesi
Entrambi i campioni sono offerti in un mercato con temperature medie esterne elevate, che impongono requisiti particolari alla stabilità dimensionale e all'adesività delle caramelle alla frutta. Entrambi i campioni sono disponibili in forma cuboide o di foglio già adatti alla prova di trazione e devono solo essere tagliati o ulteriormente piegati per regolare lo spessore del campione per l'esecuzione della prova. Mentre un campione (curve verdi) è specificamente indicato come vegano, il secondo campione (curve blu) non afferma esplicitamente questa affermazione.
È evidente (figura 3) che i prodotti della regione oceanica presentano le temperature di ammorbidimento più elevate (19,6°C e 24,3°C) di tutte le gomme alla frutta analizzate. In particolare, i campioni cuboidali sono relativamente rigidi fino al punto di congelamento e presentano i moduli E più elevati.
Gomme russe alla frutta a base di gelatina per le regioni a clima freddo
Le due gommose russe a base di gelatina qui studiate hanno la forma di orso (curve blu) e di verme (curve rosse). La forma di orso richiedeva la punzonatura, mentre i vermi potevano essere inseriti direttamente nel DMA. Sebbene il rammollimento dei vermi inizi a temperature leggermente superiori (Tg = -0,9°C, curva rossa) rispetto a quello degli orsi (Tg = -4,4°C, curva blu), i due mostrano una rigidità simile al momento del rammollimento.
Il modulo E degli orsi alle temperature di servizio è inferiore a quello dei vermi (curve blu, figura 4) a causa del materiale. I vermi si ammorbidiscono a temperature leggermente superiori (3,5°C, curve rosse) rispetto agli orsi. Di conseguenza, anche le proprietà gustative dei due tipi di frutta gommosa sono molto simili.
Comportamento delle caramelle alla frutta in funzione dell'umidità
La dipendenza dall'umidità dei campioni viene studiata, come per gli sweep di temperatura, in modalità di trazione a 35°C. La temperatura viene mantenuta costante durante l'intero esperimento.
Nella prima fase dell'esperimento, i campioni vegani tedeschi e olandesi a base di gelatina sono esposti a un'umidità di camera del 20% RH, generata e mantenuta costante dal NETZSCH GABO Hygromator (generatore di umidità).
Questa fase corrisponde a un processo di essiccazione per passare dall'umidità ambientale, che in questi Paesi si aggira tra il 50% e il 60% di UR a seconda della stagione, a una condizione di "quasi" essiccazione al 20% di UR. Per questa serie di test, le caramelle alla frutta da testare dovevano essere disponibili in uno stato di essiccazione e umidità identico a scopo di confronto. A tal fine, i due campioni sono stati essiccati per circa 1 ora e si è registrato l'andamento temporale del loro modulo di Young. I campioni così essiccati sono stati poi sottoposti a un'umidità di camera del 50% per circa un'ora e poi a un'umidità di camera del 90% per un'altra ora. Le variazioni del modulo di Young in funzione del tempo e l'umidità della camera prevalente in ogni momento sono mostrate nella figura 5 per un campione vegano (curve rosse) e un campione contenente gelatina (curve blu).
La figura 5 mostra un comportamento temporale simile per le gomme alla frutta vegane e a base di gelatina, con i tipi vegani che hanno sempre mostrato moduli E più alti e una minore sensibilità all'umidità nelle presenti indagini. Entrambi i tipi sono accomunati da un aumento del modulo E al momento dell'essiccazione (qui al 20% di UR) e da una diminuzione al momento dell'esposizione all'umidità (qui al 50% di UR e al 90% di UR). Per i campioni essiccati al 20% di UR, l'umidificazione si manifesta già al momento della rimozione dallo stoccaggio al 50% di UR, come dimostra l'andamento del modulo E.
Sintesi
Il DMA NETZSCH Eplexor® offre una procedura di routine per la valutazione delle proprietà dei prodotti rilevanti per il consumatore, come le caramelle alla frutta, e serve quindi per il miglioramento e lo sviluppo di nuovi prodotti.
Le dipendenze dalla temperatura del modulo E (rigidità) e dello smorzamento sono strettamente correlate al comportamento di compattezza e diTemperature 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 delle caramelle alla frutta. La conoscenza delle dipendenze dall'umidità, invece, è di maggior valore per valutare le condizioni di conservazione.
Per lo sviluppo di ulteriori tipi di gommose alla frutta, soprattutto con nuovi leganti per clienti vegani, l'analisi dinamico-meccanica offre la possibilità di registrare in anticipo sia le proprietà termiche che quelle meccaniche in laboratorio, e quindi di lanciare i prodotti sul mercato in modo più mirato e più rapido. Le condizioni di stoccaggio e di lavorazione, insieme ai parametri di umidità e temperatura, possono inoltre essere simulate attraverso le misurazioni DMA.