Wprowadzenie
Podczas gdy dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) jest wykorzystywana głównie do analizy materiałów polimerowych, technika ta może być również stosowana w wielu innych dziedzinach. Obejmują one różnorodne zastosowania w przemyśle spożywczym i napojów - na przykład analizę receptur gumijagód, jak wykazali Mucha i wsp. [1]. W przemyśle charakterystyka mechaniczna jest często wykorzystywana do oceny jakości i spójności produktu w obszarze żywności. DMA 303 Eplexor®® to wszechstronne urządzenie stacjonarne zdolne do pomiaru w zakresie temperatur od -170°C do 800°C (-274°F do 1472°F) z całkowitą siłą 50 N (statyczną i dynamiczną), dzięki czemu doskonale nadaje się do takich zastosowań.
Każda osoba, która zamawia stek, powie ci, w jaki sposób należy go przyrządzić. Problem w tym, że każda zapytana osoba udzieli innej odpowiedzi. Jeśli chodzi o dobry stek, istnieją zazwyczaj dwie główne zmienne: kruchość i soczystość. Kruchość jest zasadniczo właściwością mechaniczną opisującą, jak miękkie i żujące jest mięso. To, jak soczysty jest stek, zależy od zawartości i rozkładu tłuszczu, procesu dojrzewania i sposobu przyrządzenia. Jeśli chodzi o stopień wysmażenia, wewnętrzne temperatury dla steków to 125°F (52°C) dla steków rare, 130-135°F (54-57°C) dla medium-rare, 135-140°F (57-60°C) dla medium, 140-150°F (60-66°C) dla mediumwell i 155°F (68°C) lub więcej dla well-done [2]. Chociaż wszyscy wiedzą, że im dłużej stek jest pieczony, tym będzie twardszy, jak właściwie to zmierzyć? Czy można ilościowo ocenić, jak delikatny jest stek podczas procesu gotowania?
Oprócz zwykłego czasu gotowania, istnieje kilka innych czynników, które wpływają na jakość końcowego dania. Droższe kawałki zazwyczaj pochodzą z obszarów o mniej eksploatowanych mięśniach, co prowadzi do lepszej kruchości. Dodatkowo, istotną rolę odgrywa zawartość tłuszczu w mięsie. Zwiększona marmurkowatość prowadzi do bardziej soczystego i delikatnego mięsa, podczas gdy chudsze kawałki mają większą gęstość włókien mięśniowych z większą ilością białka, ale ogólnie są twardszym produktem.
W celu określenia właściwości dynamiczno-mechanicznych próbek steków, zdecydowaliśmy się na zbadanie stosunkowo niedrogiego kawałka mięsa o nazwie "skirt-steak", dobrze znanego z wysokiej zawartości włókien mięśniowych.
Mieliśmy dwa główne cele:
a) sprawdzić, w jakim stopniu temperatura wewnętrzna wpływa na właściwości mechaniczne oraz
b) jak ułożenie włókien wpływa na postrzeganie kruchości. Poza naukową ciekawością, dane takie jak te są ważne dla kontroli jakości i dla nowych branż projektujących alternatywy / substytuty mięsa.
Badanie stopnia wysuszenia metodą DMA
Do pomiarów przygotowano próbki surowego steku ze spódnicy (o średnicy 13 mm i wysokości 6 mm) (rysunek 1a). Próbki zostały zmierzone podczas ściskania, aby jak najlepiej zasymulować sposób, w jaki próbka byłaby postrzegana podczas żucia. Termopara DMA została włożona bezpośrednio do środkowego punktu próbki w celu pomiaru temperatury wewnętrznej (rysunek 1b). Siła nacisku 1,0 N została użyta do wstępnego spłaszczenia próbki i zapewnienia równomiernego obszaru kontaktu z popychaczem. Zastosowano amplitudę dynamiczną 20 μm ze współczynnikiem proporcjonalności 1,1 w zakresie temperatur 30-80°C, stosując szybkość nagrzewania 1 K/min (całkowity czas pracy 55 minut). W pełni ugotowaną próbkę po testach pokazano na rysunku 1c).
Wyniki pomiarów
Wyniki testów ściskania przedstawiono na rysunku 2) i podsumowano w tabeli 1). Moduł magazynowania (E') koreluje ze zdolnością materiału do elastycznego magazynowania energii. Podczas gotowania E' zazwyczaj wzrasta, gdy stek staje się twardszy i bardziej żujący. Moduł strat (E") opisuje rozpraszanie energii przez materiał, zazwyczaj poprzez tarcie wewnętrzne i lepkość. Wysoka wartość E'' wskazuje, że stek rozprasza więcej energii podczas odkształcania przez żucie. Wartości E' i E" są powiązane ze zmianami strukturalnymi, które zachodzą podczas procesu gotowania: włókna mięśniowe kurczą się i tracą wodę, co skutkuje zarówno twardszą teksturą, jak i wzrostem tarcia wewnętrznego.
Tabela 1: Moduł bezwzględny i wzrost właściwości mechanicznych krążków stekowych w zależności od temperatury wewnętrznej i stopnia wysmażenia
| Stopień wysmażenia | Temperatura wewnętrzna (°C) | |E| (MPa) | Wzrost modułu w porównaniu do surowego |
|---|---|---|---|
| Surowy (niebieski rzadki) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Rzadki | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-rzadki | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-dobrze | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Dobrze zrobione | 72 | 3.74 | 12.7 |
Dlatego celem procesu gotowania jest uzyskanie umiarkowanych wartości zarówno E', jak i E", przy których stek ma strukturę i jest przyjemny w żuciu, ale pozostaje soczysty. Jeśli proces gotowania miałby być kontynuowany poza punkt, w którym mięso jest dobrze wysmażone (nie pokazano tutaj), kolagen topi się w żelatynę, a włókna mięśniowe rozluźniają się, zmniejszając tarcie i powodując spadek E".
Współczynnik tłumienia (oznaczany jako tan δ) jest stosunkiem E" do E' i opisuje, jak zachowuje się elastyczny lub lepki materiał. Wielkość E' jest znacznie większa niż E", co sugeruje, że materiał zachowuje się głównie elastycznie i staje się sztywniejszy wraz ze wzrostem temperatury. Co ciekawe, współczynnik tłumienia początkowo maleje, a następnie ponownie rośnie, co wskazuje, że podczas procesu gotowania różne temperatury powodują niewielkie zmiany właściwości tłumienia. Ponieważ utrata wilgoci i wytapianie tłuszczu zachodzą jednocześnie podczas gotowania, efekt ten nie jest nieoczekiwany.
Wartość bezwzględna złożonego modułu |E| opisuje całkowitą odporność materiału na odkształcenia pod wpływem naprężeń oscylacyjnych i łączy w sobie zarówno jego lepkie, jak i sprężyste składniki. Tabela 1 podsumowuje, jak ta właściwość zmienia się wraz z temperaturą wewnętrzną. Rzadki stek ma 1,5x wyższy moduł ściskania w porównaniu do surowego, podczas gdy dobrze wysmażony ma 12,7x wyższy moduł. Wynik ten wskazuje na nieliniową korelację kruchości i temperatury wewnętrznej.
Wpływ błonnika na kruchość
Samo wysmażenie nie ma wpływu na to, jak delikatny jest ostateczny stek. Stek ze spódnicy, będący stosunkowo niedrogim kawałkiem mięsa z talerza i przepony krowy, jest znany z tego, że jest chudy i ma dużą gęstość włókien mięśniowych. Dlatego też sposób, w jaki stek jest krojony i podawany, odgrywa large rolę w jego delikatności. W tym przypadku przetestowaliśmy gotowane kawałki steków ze spódnicy w trybie rozciągania, cięte wzdłuż włókien mięśniowych lub w kierunku przeciwnym do włókien, czego wynik pokazano na rysunku 3. Na rysunku 3 można zaobserwować, że próbka cięta wzdłuż włókien mięśniowych (linia pomarańczowa) ma 6,7 razy wyższy bezwzględny Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości niż próbki cięte prostopadle do orientacji włókien (linia niebieska). Ten wzrost bezwzględnego modułu rozciągania koreluje z mniejszą kruchością mięsa. Dlatego też prosta technika krojenia gotowanego steku na cienkie plastry w kierunku przeciwnym do włókien skutkuje znacznie delikatniejszym mięsem.
Podsumowanie
DMA 303 Eplexor® oferuje szeroki zakres częstotliwości, siły i temperatury, co czyni go idealnym urządzeniem do pomiarów dynamiczno-mechanicznych w szerokim zakresie zastosowań. W niniejszym dokumencie opisaliśmy zdolność urządzenia do dokładnego pomiaru kruchości kawałka steku zarówno przy ściskaniu w celu symulacji żucia, jak i przy rozciąganiu w celu zbadania wpływu kierunkowości włókien mięśniowych.
DMA 303 Eplexor® może być używany nie tylko do charakteryzowania mięsa, ale także wielu innych rodzajów próbek w przemyśle spożywczym i napojów. Wyniki takie jak te mogą być wykorzystane przy projektowaniu roślinnych substytutów mięsa w celu jak najlepszego naśladowania konwencjonalnego produktu.