소개
과일 구미는 여름이나 겨울, 50°C의 사막이나 영하 40°C의 북극 등 일 년 내내 맛있고 좋은 맛을 자랑합니다. 이 '달콤한 간식'이 고온에서 서로 달라붙어 끈적끈적한 덩어리를 형성하거나 추운 날씨에 깨물다가 이가 떨어지면 불쾌할 수 있습니다. 이러한 예는 이를 명확히 보여줍니다: 과일 젤리는 부드러운 것과 딱딱한 것 사이를 오가는 광범위한 탄성 특성을 보이며 온도에 따라 크게 영향을 받습니다. 점탄성 특성의 특성 분석에는 동적 기계 분석이 사용됩니다. 습도 챔버와 결합하면 건조 및 가습이 기계적 거동에 미치는 영향도 기록할 수 있습니다.
다양한 기후대에서 생산된 과일 구미는 어떤 기계적 행동을 보이는가?
다음 국가의 과일 젤리를 조사 대상으로 삼았습니다:
- 독일
- 네덜란드
- 호주
- 뉴질랜드
- 러시아
classic, 젤라틴 기반 과일 구미와 함께 비건 타입도 연구에 포함됩니다. 모든 유형의 동적-기계적 거동은 다양한 온도에서 기록되고 비교됩니다. DMA 측정은 Hygromator (습도 발생기 옵션)에 연결된 NETZSCH DMA Eplexor® 를 사용하여 수행됩니다.
젤라틴, 그 기원, 기능적 특성 및 대체품
전통적으로 젤라틴[1, 2]은 과일 구미의 주성분입니다. 젤라틴은 기본적으로 향을 내는 액체 성분을 두껍게 하고, 적절하게 사용하면 적절한 녹는 정도와 씹는 단단함, 그리고 섭취에 적합한 녹는 온도를 제공합니다. 일반적으로 "젤리 동물"은 부어지고 점탄성 단계로 전환되기 전에 성형 공정이 끝날 때 용융 된 형태로 존재합니다.
젤라틴은 과일 젤리뿐만 아니라 저칼로리 식품, 요거트, 마요네즈, 아스픽, 미트 페이스트 및 많은 과자와 같은 다른 많은 식품에서도 발견됩니다. 역사적으로 젤라틴은 수천 년 동안 접착제로도 사용되었습니다.
젤라틴은 주로 콜라겐 단백질로 구성된 천연 식품입니다. 단백질은 살아있는 유기체에서 a) 구조 단백질(=경화 단백질), b) 막 단백질, c) 구형 단백질(=구형 단백질)의 세 가지 기능을 수행합니다. 콜라겐 버전은 경화성 단백질의 일종으로 3개의 인터레이스 폴리펩티드 사슬(삼중 나선)로 구성됩니다. 이 사슬이 뭉치면 콜라겐 피브릴이 형성되며, 삼중 나선 사이에 나타나는 가교 결합으로 인해 3차원 네트워크가 되어 기계적으로 안정화됩니다.
콜라겐을 개별 폴리펩타이드 사슬로 분해하는 것은 젤라틴 생산에 필수적입니다. 가교 결합이 물에 녹지 않기 때문에 화학 물질을 사용해야 하는 복잡한 과정입니다. +
젤라틴 생산은 동물성 콜라겐으로 시작됩니다. 동물성 단백질은 뼈에서 유래하거나 하부 피부층에서 채취합니다. 현미경으로 볼 때 콜라겐은 나선형 구조로 이루어져 있으며, 화학적 열처리 과정을 통해 부드러워져 분리(침식이라고 함)됩니다. 그 결과 오세인이라고 하는 "탈염된" 스크랩이 생성되며, 이것이 젤라틴이 만들어지는 실제 원료입니다.
젤라틴을 생산하면 다양한 용도에 따라 다양한 겔화 강도를 구현할 수 있습니다. 겔화 강도는 "블룸 수"로 설명됩니다. 겔화 강도와 블룸 번호는 온도에 따라 달라지므로 주어진 제품에 가장 적합한 젤라틴을 선택할 수 있습니다. 단단한 과일 젤리의 경우 블룸 수치가 높은 젤라틴이 낮은 블룸 젤라틴을 함유한 부드러운 젤리보다 더 많이 사용됩니다.
젤라틴은 하이드로콜로이드이며 물과 결합하고 물에서 부풀어 오를 수 있습니다. 젤라틴은 두꺼워지고, 겔화되고, 안정화되고, 매우 탄력적이며, 열 가역적 거동, 즉 냉각하면 젤이 되고 가열하면 녹는 거동을 나타냅니다. 이 특성은 "젤리 곰"의 생산에도 사용되며 여기에서 수행된 측정에서 조사 및 평가되었습니다. 융점은 소비자에게도 특히 중요합니다. 결국, "고무 동물"은 입안에서 녹으면서도 일정한 견고 함을 유지해야합니다.
젤라틴에서 발견되는 것과 유사한 특성을 가진 순수 식물 기원의 바인더 인 대안에 대한 검색이 시작되었지만 아직 완전한 대체품을 찾지 못했습니다. 대체 바인더와 소재에 미치는 영향을 더 잘 설명하기 위한 일상적인 테스트 방법이 필요합니다[1], [2].
현재 젤라틴을 대체할 목적으로 순수 식물 유래 바인더로 사용되고 있는 물질은 다음과 같습니다[3]:
- 한천 한천: 젤라틴 대체물
- 아쿠아파바: 식물성 병아리콩, 콩 및 기타 콩류의 진한 요리용 물; 계란 대용품
- 펙틴: 수용성 섬유질 및 식물성 겔화제 감자 전분: 바인더
- 옥수수 전분: 전분 대용, 일반적으로 글루텐 및 유당이 없음
- 차전자피: 식물성 팽창제
- 사고: 마니옥과 감자에서 추출한 과립 전분; 무미 증점제
- 메뚜기 콩(검): 천연 증점제
- 기어 껌: 증점제 및 결합제(E 412)
- 카라겐: 홍조류에서 얻은 식물성 겔화 및 증점제(E407)
- 알긴산염: 조류에서 얻은 농축, 겔화 및 코팅제(E 400 ~ E 405)
- 잔탄검: 자연적으로 발생하는 다당류, 겔화 및 농축제로 사용하기 위해 박테리아에서 생산되는 첨가제(E 4015)
- 칡 전분: 글루텐 프리 결합제; 계란 대용품
젤라틴과 같은 하이드로콜로이드도 이러한 대체 식품입니다. 이들은 기능적 특성으로 인해 식품 산업에서 사용되지만, 이러한 특성은 젤라틴을 일반적으로 대체할 수 있을 만큼 포괄적이지는 않습니다[2].
비건 과일 구미도 지금까지는 흔하지 않은 바인더를 사용하고 그 효과도 아직 잘 알려져 있지 않기 때문에 비건 바인더를 사용한 제품을 조사 대상에 포함할 필요가 있습니다.
NETZSCH GABO Eplexor® 500 N을 사용한 동적-기계적 테스트 결과
인장 시험에서 쉽게 조사할 수 있는 모양으로 구할 수 있는 과일 젤리는 그에 따라 선택했습니다. 그 외에는 냉각된 상태에서 테스트에 적합한 모양으로 펀칭했습니다.
시험 중 단면의 변화와 불규칙한 모양의 시편에 대해 정확하게 기록할 수 없는 단면적은 감쇠 및 연화 온도에 영향을 미치지 않습니다.
측정 매개변수
테스트의 첫 번째 부분에서는 다양한 과일 젤리의 온도 의존적 안정성(복합 탄성 계수 또는 단순 E 탄성 계수)과 관련 점탄성을 비교할 수 있도록 모든 과일 젤리 샘플에 대해 약 -60°C에서 +40°C 범위의 온도 스윕을 DMA Eplexor® 를 사용하여 수행했습니다. 이를 위해 먼저 시료를 테스트 기기에서 약 -60°C로 냉각했습니다. 시료의 온도를 일정하게 유지하기 위해 측정 전 15분 동안 등온 단계를 설정한 다음 0.5 K/min의 가열 속도로 측정합니다. 온도 측정은 집중적인 공기 순환이 이루어지는 시료 챔버에 위치한 챔버 온도계를 사용하여 시료 가까이에서 수행됩니다.
실험의 두 번째 부분에서는 독일의 비건 시료와 네덜란드의 젤라틴 기반 시료의 동역학적 거동을 Hygromator (습도 챔버)가 장착된 Eplexor® 에서 건조 중 및 습기 흡수 상태에서 조사합니다.
과일 구미의 온도 의존적 거동
독일 젤리 곰은 비건(녹색, "스트립"이라고 함)과 젤라틴 기반(빨간색, "프렌치 프라이"라고 함)으로 제공되어 DMA 측정에 사용할 수 있습니다.
비건 과일 젤리는 모든 온도에서 더 높은 영 계수를 나타내며, 즉 젤라틴 기반 젤리보다 더 딱딱하다는 것을 알 수 있습니다(그림 1). 또한 비건 스트립(녹색 곡선, Tg = 11.6°C)의 연화는 젤라틴 기반 감자튀김(빨간색 곡선, Tg= -0.4°C)보다 더 높은 온도에서 발생합니다.
이 객관적인 결과는 씹고 시식한 관능 결과와도 일치합니다: 비건 샘플은 씹었을 때 더 단단한 반면 젤라틴 기반 샘플은 녹을 때 더 강렬한 맛을 냈습니다.
더치 구미 베어
네덜란드에서는 젤라틴 기반 버전을 테스트할 수 있습니다. 젤리 곰의 부분적으로 불규칙한 형상은 냉각된 상태에서 펀칭을 통해 샘플 형태로 만들어집니다. 이 제품은 취급 시 비교적 딱딱한 과일 젤리라는 특징이 있습니다. 측정된 연화점은 -6°C ~ 0°C 범위입니다.
그림 2는 |E*| 모듈러스와 댐핑의 다양한 측정 곡선을 보여줍니다. 소프트 젤리(파란색 곡선)는 다른 두 가지 과일 젤리 유형인 리안-카시스(-5.1°C, 빨간색 곡선)와 스트로베리(-4.9°C, 녹색 곡선)에 비해 연화 온도에서 차이(-2.4°C)를 보입니다. 그렇기 때문에 소프트 젤리 샘플의 감쇠 곡선이 가장 넓고 온도와 관련된 영 계수가 가장 빨리 떨어지는 것이 특징입니다. 따라서 소프트 젤리 샘플은 비교 대상인 모든 샘플 중 실온 범위에서 가장 낮은 댐핑을 가지며, 소비자에게는 스트로베리 및 리안 카시스보다 더 부드럽게 보입니다.
리안-카시스와 스트로베리 타입의 댐핑은 매우 유사하지만, 스트로베리의 E 계수가 리안-카시스보다 항상 높으며, 이는 씹었을 때의 단단함에도 반영됩니다.
리안-카시스 샘플(빨간색 곡선)의 낮은 댐핑(탄 δ)은 스트로베리(녹색 곡선)보다 용융 및 변형 과정이 더 길기 때문에 실제로는 더 낮은 것을 볼 수 있습니다. 또한 Liane-Cassis는 치아에 더 집중적인 접착 효과를 나타냅니다.
호주 및 뉴질랜드 비건 샘플
두 샘플 모두 실외 평균 기온이 높은 시장에서 제공되므로 과일 구미의 치수 안정성과 끈적임에 대한 특별한 요구 사항이 있습니다. 두 샘플 모두 인장 시험에 적합한 직육면체 또는 호일 형태로 제공되며, 시험 수행을 위해 샘플 두께를 조정하기 위해 자르거나 추가적으로 접기만 하면 됩니다. 한 샘플(녹색 곡선)은 비건이라고 명시되어 있지만, 두 번째 샘플(파란색 곡선)은 명시적으로 비건이라고 주장하지 않습니다.
조사 대상 과일 젤리 중 오세아니아 지역 제품이 가장 높은 연화 온도(19.6°C 및 24.3°C)를 보인 것은 분명합니다(그림 3). 특히 직육면체 샘플은 어는점까지 상대적으로 단단하고 E 모듈이 가장 높았습니다.
추운 기후를 위한 러시아 젤라틴 기반 과일 구미 지역
여기서 조사한 두 개의 러시아 젤라틴 기반 과일 구미는 곰(파란색 곡선)과 벌레(빨간색 곡선) 모양입니다. 곰 모양은 펀칭이 필요했지만, 벌레 모양은 DMA에 직접 삽입할 수 있었습니다. 웜의 연화는 곰(Tg = -4.4°C, 파란색 곡선)보다 약간 높은 온도(Tg = -0.9°C, 빨간색 곡선)에서 시작되지만 연화 시에는 두 가지가 비슷한 강성을 나타냅니다.
서빙 온도에서 곰의 E 계수는 재료로 인해 웜(파란색 곡선, 그림 4)보다 낮습니다. 웜은 곰보다 약간 높은 온도(3.5°C, 빨간색 곡선)에서 부드러워집니다. 따라서 두 과일 젤리 유형의 미각적 특성도 매우 유사합니다.
과일 구미의 수분 의존적 거동
온도 스윕의 경우 35°C에서 인장 모드에서 샘플의 수분 의존성을 조사합니다. 전체 실험 동안 온도는 일정하게 유지됩니다.
실험의 첫 번째 단계에서는 비건 독일 및 네덜란드 젤라틴 기반 샘플을 20% RH의 챔버 습도에 노출시키고, 이는 NETZSCH GABO Hygromator (습도 발생기)에 의해 생성되고 일정하게 유지됩니다.
이 단계는 계절에 따라 약 50~60% RH인 주변 습도에서 20% RH의 '준' 건조 상태로 만드는 건조 공정에 해당합니다. 이 테스트 시리즈의 경우, 비교를 위해 테스트할 과일 젤리는 건조된 동일한 수분 상태여야 합니다. 이를 위해 두 샘플을 약 1시간 동안 건조시키고 시간 경과에 따른 영스 계수를 기록했습니다. 이렇게 건조된 샘플을 약 1시간 동안 50%의 챔버 습도에 노출시킨 다음, 다시 1시간 동안 90%의 챔버 습도에 노출시켰습니다. 그림 5에는 비건(빨간색 곡선)과 젤라틴 함유 샘플(파란색 곡선)에 대한 시간에 따른 영탄성 계수 및 각 시점의 챔버 습도 변화가 나와 있습니다.
그림 5는 비건과 젤라틴 기반 과일 구미의 유사한 시간적 거동을 보여 주며, 비건 유형은 본 조사에서 항상 더 높은 E 계수와 더 낮은 수분 민감도를 나타냅니다. 두 시료의 공통점은 건조 시(여기서는 20% RH에서) E 계수가 증가하고 습기에 노출되면(여기서는 50% RH 및 90% RH에서) 감소한다는 것입니다. 20% RH에서 건조된 시료의 경우, 50% RH에서 보관했다가 꺼내자마자 이미 습기에 노출된 것으로 나타났는데, 이는 E 계수의 경과에서 알 수 있습니다.
요약
NETZSCH DMA Eplexor® 는 과일 젤리와 같은 식품의 소비자 관련 제품 특성 평가를 위한 일상적인 절차를 제공하여 제품 개선 및 신규 개발에 도움을 줍니다.
E 계수(강성)와 댐핑의 온도 의존성은 과일 구미의 단단함 및 녹는 성질과 밀접한 관련이 있습니다. 반면에 수분 의존성에 대한 지식은 보관 조건을 평가하는 데 더 큰 가치가 있습니다.
특히 비건 고객을 위한 새로운 바인더를 사용하여 과일 젤리 유형을 추가로 개발할 경우 동역학 분석을 통해 실험실에서 열적 및 기계적 특성을 미리 기록할 수 있으므로 보다 목표에 맞는 방식으로 제품을 시장에 더 빠르게 출시할 수 있습니다. 또한 수분 및 온도 매개변수와 함께 보관 및 가공 조건도 DMA 측정을 통해 시뮬레이션할 수 있습니다.