Inleiding
Fruitgummies zijn heerlijk en smaken het hele jaar door, of het nu zomer of winter is, in de woestijn bij 50°C of op de Noordpool bij -40°C. Het zou onaangenaam zijn als deze "zoete lekkernijen" bij hoge temperaturen aan elkaar zouden kleven en een soort samenhangende, kleverige massa zouden vormen - of als er een tand uitvalt als je er in de kou op bijt. Deze voorbeelden maken dat duidelijk: Fruitgummies lijken een breed spectrum van elastische eigenschappen te vertonen, variërend tussen zacht en hard en ook sterk beïnvloed door temperatuur. Dynamische mechanische analyse wordt gebruikt voor de karakterisering van visco-elastische eigenschappen. Indien gekoppeld aan een vochtkamer, kunnen de invloeden van drogen en bevochtigen op hun mechanisch gedrag ook geregistreerd worden.
Welk mechanisch gedrag vertonen fruitgummies van verschillende klimaatzones?
Fruitgummies uit de volgende landen waren beschikbaar voor onderzoek:
- Duitsland
- Nederland
- Australië
- Nieuw-Zeeland
- Rusland
Naast de classic, op gelatine gebaseerde fruitgummies, worden ook veganistische soorten meegenomen in de studies. Het dynamisch-mechanische gedrag van alle soorten zal worden geregistreerd en vergeleken bij verschillende temperaturen. De DMA-metingen worden uitgevoerd met een NETZSCH DMA Eplexor® aangesloten op een HYGROMATOR® (optionele vochtgenerator).
Gelatine, haar oorsprong, functionele eigenschappen en alternatieven
Gelatine [1, 2] is traditioneel het belangrijkste bestanddeel van fruitgummies. Het verdikt in essentie de vloeibare smaakstoffen en zorgt, als het op de juiste manier wordt gebruikt, voor de juiste smelt- en beetvastheid en Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur die geschikt is voor consumptie. Over het algemeen worden de "gummiedieren" gegoten en bestaan ze - vóór de overgang naar de visco-elastische fase - in gesmolten vorm aan het einde van het vormproces.
Gelatine zit niet alleen in fruitgummies, maar ook in veel andere voedingsmiddelen, zoals caloriearme voeding, yoghurt, mayonaise, aspics, vleespasta's en veel snoepjes. Historisch gezien wordt gelatine ook al duizenden jaren gebruikt als lijm.
Gelatine is een natuurlijk voedingsmiddel dat voornamelijk bestaat uit collageeneiwit. Eiwitten vervullen drie zeer verschillende functies in levende organismen, a) als structurele eiwitten (= scleroproteïnen), b) als membraaneiwitten en c) als bolvormige eiwitten (= sferoproteïnen). De collageenachtige versie behoort tot de scleroproteïnen en bestaat uit 3 in elkaar gevlochten polypeptideketens (triple helix). Wanneer deze ketens zich bundelen, worden collageenfibrillen gevormd; deze worden in feite 3-dimensionale netwerken door dwarsverbindingen die ontstaan tussen de drievoudige helixen en zichzelf zo mechanisch stabiliseren.
De afbraak van collageen in afzonderlijke polypeptideketens is noodzakelijk voor de productie van gelatine. Vanwege de onoplosbaarheid van de crosslinking in water is dit een complex proces waarvoor chemicaliën nodig zijn. +
De productie van gelatine begint met collageen van dierlijke oorsprong. De dierlijke eiwitten zijn afkomstig van botten of van de onderste huidlagen. Op microscopisch niveau wordt collageen gekenmerkt door helix-achtige structuren die vervolgens zacht worden gemaakt in een chemisch-thermisch proces zodat ze kunnen worden gescheiden (bekend als maceratie). Het resultaat is "gedemineraliseerd" schroot, osseïne genaamd, wat de eigenlijke grondstof is waarvan gelatine wordt gemaakt.
Bij de productie van gelatine kunnen verschillende geleersterktes worden gerealiseerd voor verschillende toepassingen. De geleersterkte wordt beschreven door het "Bloom-getal". Aangezien de geleersterkte, en dus het Bloom-getal, afhankelijk is van de temperatuur, kan de meest geschikte gelatine voor een bepaald product worden geselecteerd. Voor stevigere fruitgummies wordt gelatine met een hogere Bloom-waarde gebruikt dan voor zachtere soorten, die gelatine met een lage Bloom-waarde bevatten.
Gelatine is een hydrocolloïde en kan zowel water binden als opzwellen in water. Het verdikt, geleert, stabiliseert, is extreem elastisch en vertoont thermoreversibel gedrag; d.w.z. gelatine geleert wanneer het wordt afgekoeld en smelt wanneer het wordt verwarmd. Deze eigenschap wordt ook gebruikt bij de productie van "gummibeertjes" en is onderzocht en geëvalueerd bij de metingen die hier zijn uitgevoerd. Het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt is ook van bijzonder belang voor de consument. Het "rubberen dier" moet immers Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten in de mond en toch een zekere stevigheid hebben.
De zoektocht naar alternatieven - bindmiddelen van zuiver plantaardige oorsprong met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van gelatine - is begonnen, maar een volledige vervanging is nog niet gevonden. Er is behoefte aan routinematige testmethoden om de alternatieve bindmiddelen en hun effect op het materiaal beter te beschrijven [1], [2].
Momenteel worden onder andere de volgende materialen gebruikt als bindmiddelen van zuiver plantaardige oorsprong, met als doel gelatine te vervangen [3]:
- Agar-Agar: Gelatinevervanger
- Aquafaba: Dik kookwater van kikkererwten, bonen en andere peulvruchten op plantaardige basis; eivervanger
- Pectine: oplosbare vezels en het plantaardige geleermiddel aardappelzetmeel: bindmiddelen
- Maïszetmeel: Vervanging voor zetmeel, over het algemeen gluten- en lactosevrij
- Psylliumschillen: Plantaardig zwelmiddel
- Sago: Korrelig zetmeel van maniok en aardappelen; smaakloos verdikkingsmiddel
- Johannesbroodpitmeel (gom): Natuurlijk verdikkingsmiddel
- Tandvleesgom: Verdikkings- en bindmiddel (E 412)
- Carrageen: Plantaardig geleer- en verdikkingsmiddel (E407), verkregen uit rode algen
- Alginaat: Verdikkings-, geleer- en coatingmiddel (E 400 tot E 405), verkregen uit algen
- Xanthaangom: Natuurlijk polysacharide, additief geproduceerd uit bacteriën (E 4015) voor gebruik als geleer- en verdikkingsmiddel
- Pijlwortelzetmeel: Glutenvrij bindmiddel; eivervanger
Deze alternatieven zijn ook hydrocolloïden zoals gelatine. Ze worden in de voedingsindustrie gebruikt vanwege hun functionele eigenschappen; deze eigenschappen zijn echter niet zo uitgebreid dat ze een algemene vervanging van gelatine door gelatine mogelijk maken [2].
Aangezien veganistische fruitgummies ook bindmiddelen gebruiken die tot nu toe ongebruikelijk waren, en hun effect nog niet goed wordt begrepen, is er op dit gebied behoefte om producten met veganistische bindmiddelen op te nemen in de onderzoeken.
Resultaten van de dynamisch-mechanische test met de NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
Voor zover ze beschikbaar waren in vormen die gemakkelijk in de trekproef konden worden onderzocht, werden fruitgummies dienovereenkomstig geselecteerd. Andere werden in een vorm gestanst die geschikt was voor het testen in afgekoelde toestand.
Veranderingen in de dwarsdoorsnede tijdens het testen en dwarsdoorsnedeoppervlakten die niet nauwkeurig kunnen worden geregistreerd voor onregelmatig gevormde proefstukken hebben geen invloed op de demping en dus ook niet op de verwekingstemperatuur.
Meetparameters
In het eerste deel van de test werden temperatuurbereiken in het bereik van ongeveer -60 °C tot +40 °C uitgevoerd op alle fruitgummimonsters met de DMA Eplexor® om de temperatuurafhankelijke stabiliteit (complexe elasticiteitsmodulus of gewoon E-modulus) en de bijbehorende visco-elasticiteit van de verschillende fruitgummies te kunnen vergelijken. Hiertoe werden de monsters aanvankelijk gekoeld tot ongeveer -60°C in het testapparaat. Om een constante temperatuur in het monster in te stellen, wordt voorafgaand aan de meting telkens een isotherme fase van 15 min ingesteld, gevolgd door een meting met een verwarmingssnelheid van 0,5 K/min. De temperatuurmetingen worden dicht bij het monster uitgevoerd met de kamerthermometer, die zich in een monsterkamer met intensieve luchtcirculatie bevindt.
In het tweede deel van het experiment wordt het dynamisch-mechanische gedrag van een veganistisch monster uit Duitsland en een monster op gelatinebasis uit Nederland onderzocht tijdens het drogen en onder vochtopname in de Eplexor®, uitgerust met een HYGROMATOR® (vochtkamer).
Temperatuursafhankelijk gedrag van fruitgummies
De Duitse gummibeertjes zijn verkrijgbaar als veganistisch (groen, "reepjes" genoemd) en op gelatinebasis (rood, "frietjes" genoemd) voor de DMA-metingen.
Het valt op (figuur 1) dat de veganistische fruitgummies bij alle temperaturen een hogere Young's modulus vertonen, dat wil zeggen dat ze stijver zijn dan de gummies op gelatinebasis. De veganistische repen (groene curve, Tg = 11,6°C) worden bovendien zachter bij hogere temperaturen dan de gelatinegebaseerde frietjes (rode curve, Tg=-0,4°C).
Deze objectieve bevinding komt ook overeen met de sensorische resultaten van bijten en proeven: De veganistische monsters zijn steviger bij het bijten, terwijl de gelatinegebaseerde monsters intenser smaken wanneer ze gesmolten zijn.
Nederlandse gummibeertjes
Vanuit Nederland zijn versies op gelatinebasis beschikbaar om te testen. De deels onregelmatige geometrieën van de gummibeertjes worden in gekoelde toestand door stansen in monstervorm gebracht. Bij het hanteren vallen deze producten op als relatief stijve fruitgummies. De gemeten verwekingspunten liggen tussen -6°C en 0°C.
Figuur 2 toont de verschillende meetcurves van E*| modulus en demping. De zachte gummy (blauwe curve) vertoont verschillen in de verwekingstemperatuur (-2,4°C) in vergelijking met de andere twee soorten fruitgummies, Liane-Cassis (-5,1°C, rode curve) en Aardbei (-4,9°C, groene curve). Daarom vertoont het zachte gummimonster verreweg de breedste dempingscurve en de vroegste daling van de elasticiteitsmodulus in relatie tot de temperatuur. Het zachte gummimonster heeft dus de laagste demping in het kamertemperatuurbereik van alle monsters die worden vergeleken, en het materiaal lijkt zachter voor de consument dan zowel Aardbei als Liane-Cassis.
Terwijl de demping erg gelijkaardig is voor de Liane-Cassis en Aardbei-types, is de E-modulus van de Aardbei altijd hoger dan die van de Liane-Cassis, wat ook weerspiegeld wordt in de stevigheid bij het bijten.
De lagere demping (tan δ) van het Liane-Cassis monster (rode curve) is in de praktijk te zien door een langer smelt- en vervormingsproces dan dat van de Aardbei (groene curve). Bovendien vertoont Liane-Cassis een intensiever adhesie-effect aan de tanden.
Australische en Nieuw-Zeelandse veganistische monsters
Beide monsters worden aangeboden op een markt met hoge gemiddelde buitentemperaturen, wat speciale eisen stelt aan de maatvastheid en KleverigheidKleverigheid beschrijft de interactie tussen 2 lagen identieke (autohesie) of verschillende (cohesie) materialen in termen van kleverigheid van het oppervlak.kleverigheid van de fruitgummies. Beide monsters zijn beschikbaar in de vorm van een kubus of folie die al geschikt is voor de trektest, en hoeven alleen maar te worden gesneden of extra gevouwen om de dikte van het monster aan te passen voor het uitvoeren van de test. Terwijl één monster (groene curves) specifiek wordt aangeduid als veganistisch, wordt dit bij het tweede monster (blauwe curves) niet expliciet beweerd.
Het is duidelijk (figuur 3) dat de producten uit de Oceanische regio de hoogste verzachtingstemperaturen (19,6°C en 24,3°C) hebben van alle onderzochte fruitgummies. Met name de kubusvormige monsters zijn relatief stijf tot het vriespunt en hebben de hoogste E-moduli.
Russische fruitgummies op gelatinebasis voor koude klimatologische regio's
De twee onderzochte Russische fruitgummies op gelatinebasis hebben de vorm van beren (blauwe curven) en wormen (rode curven). De berenvorm vereiste stansen, terwijl de wormen direct in de DMA konden worden gestoken. Hoewel de verweking van de wormen begint bij iets hogere temperaturen (Tg = -0,9°C, rode curve) dan die van de beren (Tg = -4,4°C, blauwe curve), vertonen de twee een vergelijkbare stijfheid op het moment van verweking.
De E-modulus van de beren bij serveertemperaturen is lager dan die van de wormen (blauwe curven, figuur 4) als gevolg van het materiaal. De wormen worden zacht bij iets hogere temperaturen (3,5°C, rode curven) dan de beren. Dienovereenkomstig zijn de smakelijke eigenschappen van de twee soorten fruitgummie ook erg vergelijkbaar.
Vochtafhankelijk gedrag van fruitgummies
De vochtafhankelijkheid van de proefstukken wordt, net als bij de temperatuurseries, onderzocht in trekmodus bij 35°C. De temperatuur wordt gedurende het hele experiment constant gehouden.
In de eerste stap van het experiment worden de veganistische Duitse en Nederlandse gelatinemonsters blootgesteld aan een kamervochtigheid van 20% RV, die wordt gegenereerd en constant gehouden door de NETZSCH GABO HYGROMATOR® (vochtgenerator).
Deze stap komt overeen met een droogproces om van omgevingsvochtigheid, die in deze landen ongeveer 50% tot 60% RV is afhankelijk van het seizoen, naar een "quasi" gedroogde toestand te gaan bij 20% RV. Voor deze testserie moesten de te testen fruitgummies beschikbaar zijn in een gedroogde, identieke vochttoestand voor vergelijkingsdoeleinden. Hiertoe werden de twee monsters ongeveer 1 uur gedroogd en werd het verloop in de tijd van hun elasticiteitsmodulus geregistreerd. De op deze manier gedroogde monsters werden vervolgens gedurende ongeveer een uur onderworpen aan een kamervochtigheid van 50% en daarna nog een uur aan een kamervochtigheid van 90%. De resulterende tijdsafhankelijke veranderingen in de elasticiteitsmodulus en de luchtvochtigheid in de kamer op elk moment in de tijd worden getoond in figuur 5 voor een veganistisch (rode curven) en een gelatinehoudend monster (blauwe curven).
In figuur 5 is een vergelijkbaar tijdelijk gedrag te zien voor de veganistische en gelatine-gebaseerde fruitgummies, waarbij de veganistische soorten altijd een hogere E-modulus en een lagere vochtgevoeligheid vertoonden in de huidige onderzoeken. Voor beide geldt dat de E-modulus toeneemt bij drogen (hier bij 20% RH) en afneemt bij blootstelling aan vocht (hier bij 50% RH en 90% RH). Voor de proefstukken gedroogd bij 20% RH is er al sprake van bevochtiging bij verwijdering uit de opslag bij 50% RH, zoals blijkt uit het verloop van de E-modulus.
Samenvatting
De NETZSCH DMA Eplexor® biedt een routineprocedure voor de evaluatie van consumentrelevante producteigenschappen van voedingsmiddelen zoals fruitgummies, en dient zo voor productverbetering en nieuwe ontwikkeling.
De temperatuurafhankelijkheid van de Elastische modulusDe complexe modulus (elastische component), opslagmodulus of G', is het "echte" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze elastische component geeft de respons van het te meten monster op een vaste stof of in fase aan. elasticiteitsmodulus (stijfheid) en demping zijn nauw gerelateerd aan de stevigheid en het smeltgedrag van fruitgummies. Kennis van de vochtafhankelijkheid is daarentegen van grotere waarde voor het evalueren van de bewaarcondities.
Voor de ontwikkeling van nog meer soorten fruitgummies, vooral met nieuwe bindmiddelen voor veganistische klanten, biedt dynamisch-mechanische analyse de mogelijkheid om zowel thermische als mechanische eigenschappen vooraf in het laboratorium vast te leggen en zo de producten gerichter en sneller op de markt te brengen. Opslag- en verwerkingsomstandigheden samen met de parameters vocht en temperatuur kunnen bovendien worden gesimuleerd door middel van DMA-metingen.