Inleiding
Dynamische Mechanische Analyse (DMA) wordt voornamelijk gebruikt om polymere materialen te analyseren, maar de techniek kan ook worden toegepast op een groot aantal andere gebieden. Daartoe behoren diverse toepassingen in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie - bijvoorbeeld de analyse van gummibeerformules, zoals aangetoond door Mucha et al. [1]. In de industrie wordt mechanische karakterisering vaak gebruikt om de productkwaliteit en -consistentie in de voedingsmiddelenindustrie te beoordelen. De DMA 303 Eplexor®® is een veelzijdig desktopapparaat dat kan meten in een temperatuurbereik van -170°C tot 800°C (-274°F tot 1472°F) met een totale kracht van 50 N (statisch plus dynamisch), waardoor het perfect geschikt is voor dergelijke toepassingen.
Iedereen die een biefstuk bestelt, zal je vertellen wat de juiste en verkeerde manier is om hem te bakken. Het probleem is dat elke persoon die je het vraagt een ander antwoord geeft. Als het gaat om een goede biefstuk, zijn er meestal twee belangrijke variabelen: malsheid en sappigheid. Malsheid is in wezen een mechanische eigenschap die beschrijft hoe zacht en kauwbaar het vlees is. Hoe sappig de biefstuk is, hangt af van het vetgehalte en de verdeling ervan, het rijpingsproces en de manier waarop de biefstuk is bereid. In termen van gaarheid zijn de interne temperaturen voor biefstuk 125°F (52°C) voor rare, 130-135°F (54-57°C) voor medium-rare, 135-140°F (57-60°C) voor medium, 140-150°F (60-66°C) voor mediumwell, en 155°F (68°C) of hoger voor well-done [2]. Hoewel iedereen weet dat hoe langer de steak gebakken is, hoe taaier hij zal zijn, hoe meten we dat eigenlijk? Is het mogelijk om kwantitatief te beoordelen hoe mals de steak is tijdens het kookproces?
Naast de kooktijd zijn er nog verschillende andere factoren die de kwaliteit van het uiteindelijke gerecht beïnvloeden. Duurdere stukken vlees zijn meestal afkomstig van gebieden met minder getrainde spieren, wat leidt tot een betere malsheid. Daarnaast speelt het vetgehalte van het vlees een belangrijke rol. Meer marmering leidt tot sappiger en malser vlees, terwijl magerder vlees een grotere spiervezeldichtheid heeft met meer proteïne, maar over het algemeen een taaier product is.
Om de dynamisch-mechanische eigenschappen van biefstukmonsters te bepalen, kozen we ervoor om een relatief goedkoop stuk vlees te onderzoeken dat 'rok-biefstuk' wordt genoemd en bekend staat om zijn hoge spiervezelgehalte.
We hadden twee hoofddoelen:
a) kijken hoeveel invloed de interne temperatuur heeft op de mechanische eigenschappen en
b) hoe de uitlijning van de vezels de perceptie van malsheid beïnvloedt. Naast wetenschappelijke nieuwsgierigheid zijn gegevens als deze belangrijk voor kwaliteitscontrole en voor nieuwe industrieën die vleesalternatieven/vervangers ontwerpen.
DMA-onderzoek naar gaarheid
Voor de meting werden monsters van rauwe rokbiefstuk (13 mm in diameter, 6 mm in hoogte) gemaakt (Afbeelding 1a). De monsters werden samengedrukt gemeten om zo goed mogelijk te simuleren hoe het monster zou worden ervaren tijdens het kauwen. Het thermokoppel van de DMA werd direct in het middelpunt van het monster gestoken om de inwendige temperatuur te meten (afbeelding 1b). Een contactkracht van 1,0 N werd gebruikt om het monster aanvankelijk plat te maken en een gelijkmatig contactoppervlak met de duwstang te garanderen. Een dynamische amplitude van 20 μm werd toegepast met een proportionele factor van 1,1 over het temperatuurbereik van 30-80°C met een warmtesnelheid van 1 K/min (totale looptijd 55 minuten). Het volledig gegaarde monster na het testen wordt getoond in afbeelding 1c).
Meetresultaten
De resultaten van de drukproeven worden getoond in Figuur 2) en samengevat voor gaarheid in Tabel 1). De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus (E') correleert met het vermogen van het materiaal om elastisch energie op te slaan. Tijdens het bakken neemt E' toe naarmate de steak steviger en kauwer wordt. De Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus (E') beschrijft de dissipatie van energie door het materiaal, meestal door interne wrijving en viskeus gedrag. Een hoge E'' geeft aan dat de steak meer energie verliest tijdens de vervorming door het kauwen. De waarden van E' en E" zijn gekoppeld aan structurele veranderingen die optreden tijdens het bereidingsproces: de spiervezels trekken samen en verliezen water, wat resulteert in zowel een stevigere textuur als een toename van de interne wrijving.
Tabel 1: De absolute modulus en toename van de mechanische eigenschappen van de rosbiefschijven in relatie tot de inwendige temperatuur en gaarheid
| Gaarheid | Inwendige temperatuur (°C) | |E (MPa) | Toename modulus vergeleken met rauw |
|---|---|---|---|
| Rauw (blauw rauw) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Zeldzaam | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-zeldzaam | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-put | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Goed gedaan | 72 | 3.74 | 12.7 |
Daarom is het doel van het kookproces om gematigde waarden van zowel E' als E" te bereiken, waarbij de steak gestructureerd en aangenaam chewy is, maar sappig blijft. Als het kookproces verder gaat dan het punt waarop het vlees goed doorbakken is (hier niet getoond), smelt het collageen in gelatine en ontspannen de spiervezels zich, waardoor de wrijving vermindert en E" daalt.
De dempingsfactor (tan δ) is de verhouding tussen E" en E' en beschrijft hoe elastisch of viskeus het materiaal zich gedraagt. De grootte van E' is veel groter dan E", wat suggereert dat het materiaal zich voornamelijk elastisch gedraagt en stijver wordt naarmate de temperatuur toeneemt. Interessant is dat de dempingsfactor eerst afneemt en dan weer toeneemt, wat erop wijst dat tijdens het kookproces verschillende temperaturen resulteren in kleine veranderingen in de dempingseigenschappen. Aangezien vochtverlies en vetafbraak tegelijkertijd optreden tijdens het koken, is dit effect niet onverwacht.
De absolute waarde van de Complexe ModulusDe complexe modulus bestaat uit twee componenten, de opslagmodulus en de verliesmodulus. De opslagmodulus (of Young's modulus) beschrijft de stijfheid en de verliesmodulus beschrijft het dempende (of visco-elastische) gedrag van het overeenkomstige monster volgens de methode van Dynamische Mechanische Analyse (DMA). complexe modulus beschrijft de totale weerstand van een materiaal tegen vervorming onder oscillerende spanning en combineert zowel de viskeuze als de elastische componenten. Tabel 1 geeft een overzicht van hoe deze eigenschap verandert met de inwendige temperatuur. Een rauwe steak heeft een 1,5x hogere drukmodulus vergeleken met rauwe steak, terwijl een doorbakken steak een 12,7x hogere modulus heeft. Dit resultaat wijst op een niet-lineaire correlatie tussen malsheid en de inwendige temperatuur.
Effect van vezels op malsheid
Gaarheid alleen heeft geen invloed op hoe mals de uiteindelijke steak is. Rundersteak is een relatief goedkoop stuk vlees van de plaat en het middenrif van de koe en staat erom bekend mager te zijn en een hoge DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid aan spiervezels te hebben. Daarom speelt de manier waarop de biefstuk wordt gesneden en geserveerd een rol op large in hoe mals hij is. Hier hebben we gekookte stukken rokbiefstuk getest in trekstand, gesneden langs de spiervezel of tegen de vezel in, waarvan het resultaat te zien is in Figuur 3. In Figuur 3 is te zien dat het monster dat in lijn met de spiervezel is gesneden (oranje lijn) een 6,7x hogere absolute trekmodulus heeft dan het monster dat loodrecht op de vezeloriëntatie is gesneden (blauwe lijn). Deze toename in de absolute trekmodulus correleert met het feit dat het vlees minder mals is. Daarom resulteert de eenvoudige techniek om de gekookte biefstuk tegen de nerf in dunne plakjes te snijden in aanzienlijk malser vlees.
Samenvatting
De DMA 303 Eplexor® heeft een groot frequentie-, kracht- en temperatuurbereik, waardoor het een ideaal instrument is voor dynamisch-mechanische metingen in een groot aantal toepassingsgebieden. In dit artikel beschrijven we de mogelijkheid van het instrument om nauwkeurig de malsheid van een stuk biefstuk te meten, zowel in compressie om kauwen te simuleren als in spanning om de invloed van de richting van spiervezels te onderzoeken.
De DMA 303 Eplexor® kan niet alleen gebruikt worden om vlees te karakteriseren, maar ook vele andere soorten monsters in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie. Resultaten zoals deze kunnen gebruikt worden bij het ontwerpen van plantaardige vleesvervangers om het conventionele product zo goed mogelijk na te bootsen.