소개
동적 기계 분석(DMA)은 주로 고분자 재료를 분석하는 데 사용되지만, 이 기술은 다른 다양한 분야에도 적용될 수 있습니다. 여기에는 식음료 산업의 다양한 응용 분야가 포함되며, 예를 들어 Mucha 외[1]가 입증한 젤리 곰 제형 분석이 있습니다. 산업적으로 기계적 특성 분석은 식품 분야에서 제품 품질과 일관성을 평가하는 데 자주 사용됩니다. DMA 303 Eplexor®®은 -170°C~800°C(-274°F~1472°F)의 온도 범위에서 총 50N(정적 + 동적)의 힘으로 측정할 수 있는 다목적 데스크탑 장치로 이러한 용도에 완벽하게 적합합니다.
스테이크를 주문하는 모든 사람에게 스테이크의 올바른 조리 방법과 잘못된 조리 방법을 알려줄 것입니다. 문제는 물어보는 사람마다 대답이 다르다는 것입니다. 좋은 스테이크에는 일반적으로 부드러움과 육즙이라는 두 가지 주요 변수가 있습니다. 부드러움은 본질적으로 고기가 얼마나 부드럽고 쫄깃한지를 설명하는 기계적 특성입니다. 스테이크의 육즙은 지방 함량과 분포, 숙성 과정, 조리 방법에 따라 달라집니다. 스테이크의 내부 온도는 레어의 경우 125°F(52°C), 130-135°F(54-57°C), medium-레어, 135-140°F(57-60°C), medium, 140-150°F(60-66°C), 155°F(68°C) 이상이면 웰던입니다[2]. 스테이크가 오래 익을수록 더 질긴다는 것은 누구나 알고 있지만, 실제로 이를 어떻게 측정할 수 있을까요? 조리 과정에서 스테이크가 얼마나 부드러워졌는지 정량적으로 평가할 수 있을까요?
단순한 조리 시간 외에도 최종 요리의 품질에 영향을 미치는 몇 가지 다른 요소가 있습니다. 더 비싼 부위는 일반적으로 운동량이 적은 근육 부위에서 생산되어 부드러움이 향상됩니다. 또한 고기의 지방 함량도 중요한 역할을 합니다. 마블링이 많을수록 육즙이 많고 부드러운 고기가 되며, 살코기 부위는 근육 섬유 밀도가 높고 단백질이 많지만 전반적으로 질긴 제품입니다.
스테이크 샘플의 동역학적 특성을 파악하기 위해 근섬유 함량이 높은 것으로 잘 알려진 '스커트 스테이크'라는 비교적 저렴한 부위를 조사하기로 결정했습니다.
두 가지 주요 목표가 있었습니다:
a) 내부 온도가 기계적 특성에 얼마나 영향을 미치는지 확인하는 것, 그리고
b) 섬유 정렬이 부드러움에 대한 인식에 어떤 영향을 미치는지 알아보는 것입니다. 이와 같은 데이터는 과학적 호기심을 넘어 품질 관리와 육류 대체품/대체 식품을 설계하는 새로운 산업에 중요한 역할을 합니다.
완성도에 대한 DMA 조사
측정을 위해 생 스커트 스테이크(직경 13mm, 높이 6mm) 샘플을 제작했습니다(그림 1a). 샘플은 씹는 동안 샘플이 어떻게 인식되는지 가장 잘 시뮬레이션하기 위해 압축 상태에서 측정했습니다. DMA의 열전대를 시료의 중심점에 직접 삽입하여 내부 온도를 측정했습니다(그림 1b). 시료를 처음에 평평하게 하고 푸시 로드와의 접촉 면적을 균일하게 하기 위해 1.0N의 접촉력을 사용했습니다. 20μm의 동적 진폭은 30-80°C의 온도 범위에 걸쳐 1.1의 비례 계수와 함께 1K/min(총 55분 실행 시간)의 열 속도를 사용하여 적용되었습니다. 테스트 후 완전히 조리된 샘플은 그림 1c)에 나와 있습니다.
측정 결과
압축 테스트 결과는 그림 2)에 표시되어 있으며, 표 1)에 완성도에 대한 요약이 나와 있습니다. 저장탄성계수(E')는 재료의 탄성 에너지 저장 능력과 상관관계가 있습니다. 조리하는 동안 스테이크가 더 단단해지고 쫄깃해지면 일반적으로 E'가 증가합니다. 손실 계수(E")는 일반적으로 내부 마찰과 점성 거동을 통한 재료의 에너지 소산을 설명합니다. E''가 높을수록 스테이크가 씹는 과정에서 변형되는 동안 더 많은 에너지가 소실된다는 것을 의미합니다. E''와 E"'의 값은 조리 과정에서 발생하는 구조적 변화와 관련이 있습니다. 근육 섬유가 수축하고 수분이 손실되어 식감이 더 단단해지고 내부 마찰이 증가합니다.
표 1: 내부 온도 및 익힘 정도에 따른 스커트 스테이크 디스크의 절대 계수 및 기계적 특성 증가율
| 완성도 | 내부 온도(°C) | |E| (MPa) | 원시 대비 모듈러스 증가 |
|---|---|---|---|
| 원시(블루 레어) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| 희귀 | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-희귀 | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-잘 | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Well-done | 72 | 3.74 | 12.7 |
따라서 조리 과정의 목표는 스테이크의 조직이 단단하고 기분 좋게 쫄깃하면서도 육즙이 남아 있는 E'와 E"의 중간 값을 얻는 것입니다. 고기가 잘 익은 시점(여기에 표시되지 않음) 이후에도 조리 과정이 계속되면 콜라겐이 젤라틴으로 녹고 근육 섬유가 이완되어 마찰이 줄어들고 E'가 떨어집니다.
감쇠 계수(탄 δ로 표시)는 E' 대비 E"의 비율로, 재료의 탄성 또는 점성을 설명합니다. E'의 크기가 E"보다 훨씬 크면 재료가 주로 탄성적으로 작동하고 온도가 증가함에 따라 더 딱딱해진다는 것을 의미합니다. 흥미롭게도 댐핑 계수는 처음에는 감소했다가 다시 증가하는데, 이는 조리 과정에서 온도에 따라 댐핑 특성이 약간씩 달라진다는 것을 나타냅니다. 요리하는 동안 수분 손실과 지방 렌더링이 동시에 발생하기 때문에 이 효과는 예상치 못한 것이 아닙니다.
복합 계수 |E|의 절대값은 진동 응력 하에서 변형에 대한 재료의 총 저항을 나타내며 점성과 탄성 성분을 모두 합한 값입니다. 표 1은 이 속성이 내부 온도에 따라 어떻게 변하는지를 요약한 것입니다. 레어 스테이크는 익히지 않은 스테이크에 비해 압축률이 1.5배 높은 반면, 잘 익은 스테이크는 12.7배 더 높습니다. 이 결과는 부드러움과 내부 온도 사이에 비선형적인 상관관계가 있음을 나타냅니다.
섬유질이 부드러움에 미치는 영향
익힘 정도만으로는 최종 스테이크의 부드러움에 영향을 미치지 않습니다. 치마살 스테이크는 소의 설도와 횡격막에서 비교적 저렴한 부위로 살코기가 적고 근육 섬유의 밀도가 높은 것으로 알려져 있습니다. 따라서 스테이크를 자르고 제공하는 방식이 스테이크의 부드러움에 large 중요한 역할을 합니다. 여기에서는 근육 섬유를 따라 또는 섬유에 대고 자른 인장 모드에서 조리된 스커트 스테이크 조각을 테스트했으며, 그 결과는 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3에서 근육 섬유와 일직선으로 절단한 샘플(주황색 선)이 섬유 방향에 수직으로 절단한 샘플(파란색 선)보다 절대 인장 계수가 6.7배 더 높은 것을 볼 수 있습니다. 이러한 절대 인장 계수의 증가는 고기가 덜 부드러워진다는 것과 관련이 있습니다. 따라서 익힌 스테이크를 결에 따라 얇게 자르는 간단한 기술로 훨씬 더 부드러운 고기를 얻을 수 있습니다.
요약
DMA 303 Eplexor® 은 광범위한 주파수, 힘 및 온도를 제공하므로 광범위한 응용 분야에서 동적 기계 측정을 위한 이상적인 기기입니다. 여기에서는 씹는 동작을 시뮬레이션하기 위한 압축 상태와 근육 섬유 방향성의 영향을 조사하기 위한 장력 상태에서 스테이크 조각의 부드러움을 정확하게 측정하는 이 기기의 기능을 설명했습니다.
DMA 303 Eplexor® 은 육류뿐만 아니라 식음료 산업에서 다양한 유형의 시료를 특성화하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 결과는 기존 제품을 가장 잘 모방하기 위해 식물성 육류 대체품을 설계할 때 사용할 수 있습니다.