Inleiding
Thermische analyse is van cruciaal belang voor de voedingsmiddelen- en drankenindustrie bij het ontwikkelen van recepturen, het optimaliseren van productieprocessen, kwaliteitscontrole, het onderzoeken van opslagomstandigheden en het bepalen van de houdbaarheid van producten. Het basisproces bij de industriële kaasproductie bestaat uit het toevoegen van het enzym stremsel aan gepasteuriseerde melk om stremming te bewerkstelligen. De wrongel wordt vervolgens gescheiden van de wei, gemalen en verwerkt tot een bepaalde vorm, waarna deze wordt gerijpt (indien rijping vereist is). Kaas heeft een zeer unieke structuur waarin vetbolletjes worden gesuspendeerd door micellen die worden gevormd door het eiwit caseïne (het belangrijkste eiwit in melk). Vanuit het oogpunt van de samenstelling leidt het toevoegen van verschillende polymeren tot verschillende sensorische waarnemingen en eigenschappen; een voorbeeld hiervan is het toevoegen van hyaluronzuur aan pizzakaas [1].
In dit onderzoek wilden we nagaan hoe een eenvoudige opslagmaatregel, zoals invriezen, de eigenschappen van verschillende kaassoorten beïnvloedt. Koelopslag en invriezen zijn beide cruciale processen voor de productie en distributie van kaas, evenals voor de manier waarop kaas thuis wordt bewaard. Daarnaast wilden we onderzoeken of we de rekbaarheid van gesmolten kaas konden meten om de prestaties ervan in gerechten zoals pizza en gegrilde kaas te beoordelen.
Dynamische mechanische analyse (DMA) wordt voornamelijk gebruikt om de visco-elastische eigenschappen van polymere materialen te analyseren, maar wordt ook gebruikt om metalen en keramiek te meten of om specifieke mechanische omstandigheden te simuleren. De NETZSCH DMA 303 Eplexor® is een veelzijdig tafelmodel dat kan meten binnen een temperatuurbereik van -170 °C tot 800 °C (-274 °F tot 1472 °F), waarbij een kracht wordt uitgeoefend van 1 mN tot 50 N, en bij frequenties van 0,001 tot 150 Hz. In dit voorbeeld werd het gebruikt om de mechanische eigenschappen van witte cheddar en parmezaan te meten voor en na een vries-dooicyclus.
Het meten van de invloed van bewaarcondities en temperatuur op de mechanische eigenschappen van de vaste kaas is echter slechts de helft van het verhaal over hoe we van het product genieten. Ook de rekken eigenschappen van gesmolten witte cheddar werden gemeten om de prestaties ervan in kooktoepassingen, zoals bij gegrilde kaas of fondue, te bepalen.
NETZSCH heeft een unieke positie op het gebied van reologie door zowel conventionele rotatie-/oscillatiereometers als capillaire reometers met hoge kracht aan te bieden: samen bestrijken deze instrumenten een bereik van meer dan zes ordes van grootte in afschuifsnelheden. Door gebruik te maken van een configuratie met een dubbele cilinder en een spuitmond met nul-lengte kunnen de afschuif- en rekviscositeiten gelijktijdig worden bepaald als functie van de afschuifsnelheid. In dit geval werden de gecorrigeerde rekeigenschappen van gesmolten witte cheddar gemeten als functie van de afschuifsnelheid.
DMA-tests om het effect van invriezen op de eigenschappen van kaas te bepalen
Kolommen van witte Cheddar en Parmezaan werden getest in de compressiemodus, zoals weergegeven in figuur 1, om hun mechanische eigenschappen als functie van de temperatuur te bepalen. DMA werd gebruikt om de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus (E’) van de kaasmonstern te bepalen, die het vermogen van een materiaal om energie op te slaan beschrijft, 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”), die het vermogen van een materiaal om energie af te voeren beschrijft (meestal via warmte die wordt gegenereerd door interne wrijving), en de dempingsfactor (tan δ), die de verhouding is tussen 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 en de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus en het vermogen van een materiaal beschrijft om onder invloed van een uitgeoefende kracht elastisch of viskeus te vervormen. Ten slotte is 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 (aangeduid met |E|, wiskundig gezien de vierkantswortel van de som van de kwadraten van E’ en E”) een eenvoudige manier om de algehele stijfheid tussen monsters als functie van de temperatuur te vergelijken.
In dit onderzoek werd een monster van witte Cheddar of Parmezaan gemeten bij temperaturen van 20 tot 55 of 65 °C (afhankelijk van 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), nadat het uitsluitend bij 4 °C in de koelkast was bewaard. Om het effect van een vries-dooicyclus te begrijpen, werden monsters van witte Cheddar en Parmezaanse kaas een nacht bij -20 °C bewaard, waarna ze werden ontdooid en met hetzelfde temperatuurprogramma geanalyseerd. Het resultaat van een vries-dooicyclus op de eigenschappen van witte Cheddar wordt weergegeven in figuur 2, en op die van Parmezaanse kaas in figuur 3.
Uit figuren 2 en 3 blijkt een duidelijk verschil tussen de kazen (na uitsluitend in de koelkast te zijn bewaard): Parmigiano-Reggiano heeft aanzienlijk hogere moduluswaarden in vergelijking met de witte Cheddar (E’ van 3,02 versus 0,39 MPa bij 25 °C), zoals te verwachten valt aangezien Parmigiano-Reggiano als harde kaas wordt geclassificeerd. Beide kazen vertoonden ook hogere moduluswaarden en dempingsfactoren na een vries-dooicyclus (de E’ van de Parmezaan steeg van 3,02 naar 3,87 en die van de witte cheddar van 0,39 naar 0,60 MPa bij 25 °C), wat erop wijst dat de opslagomstandigheden het materiaal beïnvloeden en het aanzienlijk stijver maken.
Tabel 1 geeft een overzicht van de resultaten van elk monster bij een gekozen temperatuur van 25 °C. Inzicht in de wisselwerking tussen E’ en E” is belangrijk om te begrijpen hoe de kaas tijdens het kauwen wordt ervaren, en of deze weerstand biedt of juist gemakkelijk meegeeft aan de kracht die door de tanden wordt uitgeoefend [2].
Tabel 1: Overzicht van E', E'' en tan δ voor witte Cheddar en Parmezaan bij 25 °C
| Variabele | Niet-ingevroren | Ingevroren en ontdooid | Toename na invriezen |
|---|---|---|---|
Witte cheddar | |||
| E' (MPa) | 0,39 | 0,60 | 1,54 |
| E'' (MPa) | 0,13 | 0,22 | 1,69 |
| tan δ | 0,36 | 0,37 | 1,12 |
Parmezaan | |||
| E' (MPa) | 3,03 | 3,87 | 1,28 |
| E'' (MPa) | 1,10 | 1,50 | 1,36 |
| tan δ | 0,36 | 0,39 | 1,08 |
Het is interessant om op te merken dat het effect van de toegenomen stijfheid na bevriezing bij kamertemperatuur het meest uitgesproken is, maar sterk afneemt naarmate de monsters worden verwarmd (figuren 2c en 3c).
Ten slotte is het belangrijk op te merken dat de DMA 303- Eplexor®, cryogene temperaturen kan bereiken, waardoor de vries-dooicyclus in het instrument zelf kon worden voltooid. Er bleek echter dat de kaaskolommen zo stijf werden dat er voor dynamische vervorming meer kracht nodig was dan het instrument kon leveren. Om deze materialen tijdens het bevriezen te bestuderen, is een instrument met een hogere kracht nodig, zoals de DMA 503 Eplexor®.
Capillaire reometrie, extrusie en afvoertests
De capillaire reometers uit de NETZSCH Rosand RH2000 en RH7/10-serie worden doorgaans gebruikt om inzicht te krijgen in de viscositeit van polymeren in de smelt. In dit onderzoek wilden we de viscositeit van smeltende kaas, zoals witte cheddar (Parmezaan smelt niet goed), meten als functie van de afschuifsnelheid. Het monster werd gemeten bij 65 °C, aangezien dit een gangbare temperatuur is voor fondue, een toepassing waarbij de rekbaarheid van kaas van groot belang is.
Naast basisviscositeitsmetingen kunnen de Rosand-instrumenten ook gebruikmaken van diverse accessoires en wiskundige modellen om aanvullende eigenschappen te bepalen, zoals de aftrekkracht, de zwelling in de matrijs en de rekviscositeit. Dankzij het ontwerp met dubbele boring van Rosand kunnen een lange matrijs en een openingmatrijs worden gebruikt om tegelijkertijd een monster te meten en de afschuif- en rekviscositeit te berekenen met behulp van het Cogswell-model. Vanuit praktisch oogpunt laat dit zien in hoeverre de smelt bij een bepaalde afschuifsnelheid kan worden uitgerekt, dat wil zeggen: hoe ver de gesmolten kaas zal uitrekken wanneer een stuk pizza met een bepaalde snelheid wordt weggetrokken. De afschuif- en rekken-eigenschappen van de witte cheddar worden weergegeven in figuur 4. De witte cheddar vertoonde een eigenschap die kenmerkend is voor polymeren, namelijk dat deze afschuifverdunnend was; de viscositeit van het monster nam af naarmate de afschuifsnelheid toenam.
Voor Newtoniaanse materialen staat vast dat de extensieviscositeit van het materiaal drie keer zo hoog is als de afschuifviscositeit. Bij polymeersmeltingen is de verhouding tussen extensieviscositeit en afschuifviscositeit veel groter en kan deze oplopen tot meerdere ordes van grootte. Hier werd vastgesteld dat de witte Cheddar een zeer hoge extensieviscositeit had, die enkele duizenden malen hoger was dan de afschuifviscositeit. Vanuit praktisch oogpunt suggereert dit dat de witte Cheddar tijdens het afschuiven zeer viskeus blijft (denk aan honing versus water) en daardoor minder snel zal breken. Naarmate de Cheddar sneller wordt afgeschoven, neemt de rekviscositeit af. Daarom zal bij het optimaliseren van het ‘cheese pull’-effect het handhaven van een voldoende hoge temperatuur en het langzaam trekken de afstand maximaliseren waarover de Cheddar kan worden uitgerekt.
Samenvatting
Thermische analyse is van cruciaal belang in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, als hulpmiddel bij allerlei processen, van receptuurontwikkeling tot het bepalen van de houdbaarheid. In dit artikel hebben we aangetoond hoe verschillende instrumenten van NETZSCH kunnen worden ingezet om niet alleen inzicht te krijgen in de invloed van de opslagtemperatuur op de eigenschappen van witte Cheddar en Parmezaan, maar ook om eigenschappen in gesmolten toestand te meten, zoals de rekbaarheid van witte Cheddar. Met behulp van de DMA 303 Eplexor®®werden de mechanische eigenschappen van witte Cheddar en Parmezaan over een reeks temperaturen vergeleken. Daarnaast bleek dat een vries-dooicyclus bij beide kazen de modulus aanzienlijk verhoogde, een belangrijk aandachtspunt voor het transport en de verwerking van het product. De Rosand RH2000 werd gebruikt om de smelteigenschappen van witte Cheddar te modelleren, met name de rekken. Vanuit het oogpunt van de gebruiker is dit in wezen een model voor 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). smelten en de daaropvolgende ‘rekbaarheid’ van de kaas, een cruciale variabele voor marketing en prestaties.