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なぜケチャップボトルの先を叩くのか?降伏応力解析

はじめに

マヨネーズ、ケチャップ、ハンバーガーソースなど、好みが何であれ、おいしいハンバーガーとポテトのプレートには、ソースが欠かせない。ソースの味は消費者にとって重要であるだけでなく、無意識のうちに、人は瓶の中と皿の上の「一貫性」にも多くを期待している。フライドポテトにソースをコントロールしながらかけるには、通常、容器から絞るか、ガラス瓶からかける。ディップして食べるのであれば、ソースは皿の上の他のものの上に流れず、その場にとどまっていなければならない。

瓶に入ったソースの中には、力を加えたり圧力をかけたりする必要のないものもある。サラダドレッシングの場合、ハンバーガーやフライドポテトの付け合わせにかけることが多い!

流動を引き起こすのに必要な圧力を定量化する方法; 降伏応力解析

降伏応力は、材料が流動を開始するのに必要な応力を表します。降伏応力を測定する方法の 1 つは、一定時間かけてせん断応力を徐々に増加させ、試料に「回転スクイズ」を加える方法です。試料が流動する前は、試料の構造が伸びて流動に抵抗しているため、せん断応力が増加するにつれてせん断粘度が上昇します。降伏点では、材料が固体と流体のように振る舞う間の移行点であり、構造が破壊され、ソースが流動し始めます。これは、せん断粘度の大幅な低下につながる。

表1は、マヨネーズ、ケチャップ、ハンバーガーソース、サラダドレッシングについて行った降伏応力分析の条件をまとめたものです。

回転測定

上板は決められた剪断応力σ [Pa]で回転する。この回転に必要なせん断速度γ- [s-1]を求める。結果せん断粘度ŋ [Pa・s](すなわち流れに対する抵抗)が計算される。

粘度方程式は、η = σ / γを示し、せん断応力とせん断速度を関係づける。

表1:測定条件-降伏応力解析

ハンバーガーソース、マヨネーズ、ケチャップサラダドレッシング
形状

プレートプレート、直径:40 mm、鋸歯状

プレートプレート、直径:60 mm、平滑

測定隙間

3 mm

500 μm

測定温度

25°C

25°C

降伏応力

0~最大200 Pa

0~最大200 Pa

図1に降伏応力の測定結果を示します。rSpace ソフトウェアは、測定終了時に降伏結果を自動的に分析します(図1)。

ケチャップは、流動を開始するまでに最も応力を必要とし(21.8 Pa;図1の表参照)、すなわち最もポンプ圧送が困難です(同一ボトルの場合)。流れる前に達成されるせん断粘度は、マヨネーズがわずか400 Pa-sであるのに対し、この試料では800 Pa-s近くと最も高い!これは、他のソースと比較して、流動前の応力が最も大きいことを意味する。加えて、ケチャップの粘度の急減は、加えられる応力が十分に高いときに同時に破壊される均一な微細構造によって説明される。

マヨネーズの曲線のピークはより広く、ピーク後の減少はより緩やかであることから、エマルジョンの構造が不規則であることがわかる。卵、マスタード、水を含む相における油滴の分散が均一でない可能性がある。

他のソースと比較すると、サラダドレッシングは降伏応力が著しく小さいことがわかる(図1下図参照、曲線は対数スケーリングで表示)。わずか1 Pa-sのせん断応力で流動が始まる。しかし、通常、油と酢でできたドレッシングは降伏応力を示さず、ニュートン流体としてレオロジー的に振る舞います:せん断粘度はせん断速度に依存しない。今回測定したドレッシングに弱いながらも降伏応力が存在するのは、追加成分であるキサンタンガムによるものである。この多糖類は増粘剤であり、ドレッシングにsmall 降伏応力を与える。

バーガーソース、マヨネーズ、ケチャップ、サラダドレッシングのせん断応力を変化させたときの粘度を比較したグラフ。
ハンバーガーソース、マヨネーズ、ケチャップ、サラダドレッシングのせん断応力レベルにおける粘度を示す降伏応力解析グラフ。
1) 4種類のソースの降伏応力解析。上:線形スケーリング。下:対数スケーリング

降伏応力と粘度曲線

粘度曲線は降伏応力の存在を示す指標にもなります。低いせん断速度で粘度が無限に増加することは、降伏応力/点を克服するのに十分な応力が加わらない限り、材料が静止状態で流動しないことを示します。

表2と図2に、それぞれ全試料の測定条件と粘度曲線を示す。すべてのソースはせん断減粘性を示す。低せん断速度では、マヨネーズ、ケチャップ、ハンバーガーソースの粘度は同程度である。

しかし、せん断減粘性はわずかに異なる:ケチャップのせん断粘度(緑色の曲線)は、せん断速度が増加するにつれて、他のソースよりも速く減少する。これはおそらく、均一な構造によるものであろう。さらに、サラダドレッシングの粘度は、測定されたせん断速度の全範囲において、他のすべてのソースよりもおよそ10分の1低い。この性質は、ソースの口当たりにも反映される。マヨネーズは、油と酢でできたドレッシングよりもクリーミーな味がし、粘り気がある。より流れやすいドレッシングは、食品やサラダをより均一にコーティングするが、より粘性があり、降伏するソースは、塗ったり、ディッピングに使用することができる。

表2:測定条件-粘度曲線

ハンバーガーソース、マヨネーズ、ケチャップサラダドレッシング
形状

プレートプレート、直径:40 mm、鋸歯状

プレートプレート、直径:60 mm、平滑

測定隙間

1 mm

500 μm

測定温度

25°C

25°C

せん断速度

0.1~100 s-1

0.1~100 s-1

バーガーソース、マヨネーズ、ケチャップ、サラダドレッシングをパスカル単位でせん断速度を変えて比較した粘度曲線。
2) 4種類のソースの粘度曲線

結論

ソースのレオロジー的特性は、その流動挙動だけでなく、口に残る感覚にも密接に関係している。それは、消費者の感情や欲求に対する定量化された答えを提供する:どの程度の強さでボトルを絞ったり叩いたりすれば、フローを誘発できるのか?マヨネーズのクリーミーさは?さらに、ソフトウェアに統合された自動分析により、より簡単な比較と迅速な評価が可能になります。

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