Wprowadzenie
Owocowe żelki są pyszne i smakują dobrze przez cały rok, zarówno latem, jak i zimą, na pustyni w temperaturze 50°C lub na biegunie północnym w temperaturze -40°C. Byłoby nieprzyjemne, gdyby te "słodkie przysmaki" sklejały się ze sobą w wysokich temperaturach i tworzyły rodzaj spójnej, lepkiej masy - lub gdyby ząb wypadł z drogi podczas gryzienia ich na mrozie. Te przykłady jasno to pokazują: Gumy owocowe wydają się wykazywać szerokie spektrum właściwości elastycznych, wahające się między miękkimi i twardymi, a także silnie uzależnione od temperatury. Dynamiczna analiza mechaniczna jest stosowana do charakteryzowania właściwości lepkosprężystych. W połączeniu z komorą wilgotności można również rejestrować wpływ suszenia i nawilżania na ich zachowanie mechaniczne.
Jakie zachowania mechaniczne wykazują żelki owocowe z różnych stref klimatycznych?
Do badania dostępne były gumy owocowe z następujących krajów:
- Niemcy
- Holandia
- Australia
- Nowa Zelandia
- Rosja
Oprócz classic, żelków owocowych na bazie żelatyny, w badaniach uwzględniono również rodzaje wegańskie. Dynamiczno-mechaniczne zachowanie wszystkich rodzajów zostanie zarejestrowane i porównane w różnych temperaturach. Pomiary DMA zostaną przeprowadzone przy użyciu urządzenia NETZSCH DMA Eplexor® podłączonego do Hygromator (opcjonalny generator wilgotności).
Żelatyna, jej pochodzenie, właściwości funkcjonalne i alternatywy
Tradycyjnie żelatyna [1, 2] jest głównym składnikiem żelków owocowych. Zasadniczo zagęszcza ona płynne składniki smakowe, a przy prawidłowym stosowaniu zapewnia odpowiednie stopienie i twardość zgryzu, a także temperaturę topnienia odpowiednią do spożycia. Ogólnie rzecz biorąc, "gumowate zwierzęta" są wylewane i - przed przejściem do fazy lepkosprężystej - istnieją w postaci stopionej pod koniec procesu formowania.
Żelatyna znajduje się nie tylko w żelkach owocowych, ale także w wielu innych produktach spożywczych, np. niskokalorycznej żywności, jogurtach, majonezach, galaretkach, pastach mięsnych i wielu słodyczach. Historycznie, żelatyna była również używana jako klej od tysięcy lat.
Żelatyna to naturalna żywność, która składa się głównie z białka kolagenowego. Białka pełnią trzy bardzo różne funkcje w żywych organizmach: a) jako białka strukturalne (= skleroproteiny), b) jako białka błonowe i c) jako białka kuliste (= sferoproteiny). Wersja kolagenowa należy do skleroprotein i składa się z 3 przeplatających się łańcuchów polipeptydowych (potrójna helisa). Kiedy łańcuchy te łączą się, tworzą się włókna kolagenowe; w rzeczywistości stają się one trójwymiarowymi sieciami z powodu wiązań krzyżowych, które powstają między potrójnymi helisami, a tym samym stabilizują się mechanicznie.
Rozkład kolagenu na pojedyncze łańcuchy polipeptydowe jest niezbędny do produkcji żelatyny. Ze względu na nierozpuszczalność sieciowania w wodzie, jest to złożony proces, który wymaga użycia chemikaliów. +
Produkcja żelatyny rozpoczyna się od kolagenu pochodzenia zwierzęcego. Białka zwierzęce pochodzą z kości lub są pobierane z dolnych warstw skóry. Na poziomie mikroskopowym kolagen posiada struktury przypominające helisę, które są następnie zmiękczane w procesie chemiczno-termicznym, aby można je było oddzielić (znanym jako maceracja). Rezultatem jest "zdemineralizowany" złom, zwany osseiną, który jest faktycznym surowcem, z którego wytwarza się żelatynę.
Produkcja żelatyny pozwala na uzyskanie różnych mocy żelowania dla różnych zastosowań. Siła żelowania jest opisana przez "liczbę Blooma". Ponieważ siła żelowania, a tym samym liczba Blooma, zależy od temperatury, najbardziej odpowiednią żelatynę można selected dla danego produktu. W przypadku twardszych żelków owocowych stosuje się żelatynę o wyższej wartości Bloom niż w przypadku bardziej miękkich rodzajów, które zawierają żelatynę o niskiej wartości Bloom.
Żelatyna jest hydrokoloidem i może zarówno wiązać wodę, jak i pęcznieć w wodzie. Zagęszcza, żeluje, stabilizuje, jest niezwykle elastyczna i wykazuje termoodwracalne zachowanie, tj. żelatyna żeluje po schłodzeniu i topi się po podgrzaniu. Ta właściwość jest również wykorzystywana w produkcji "gumowatych misiów" i została zbadana i oceniona w przeprowadzonych tutaj pomiarach. Temperatura topnienia ma również szczególne znaczenie dla konsumenta. W końcu "gumowe zwierzątko" musi rozpływać się w ustach, zachowując jednocześnie pewną twardość.
arcPoszukiwania alternatyw - spoiw pochodzenia roślinnego o właściwościach podobnych do żelatyny - już się rozpoczęły, ale nie znaleziono jeszcze pełnego zamiennika. Istnieje potrzeba rutynowych metod testowania, aby lepiej opisać alternatywne spoiwa i ich wpływ na materiał [1], [2]
Następujące materiały, między innymi, są obecnie stosowane jako spoiwa czystego pochodzenia roślinnego, w celu zastąpienia żelatyny [3]:
- Agar-Agar: Substytut żelatyny
- Aquafaba: Gęsta woda do gotowania na bazie roślinnej ciecierzycy, fasoli i innych roślin strączkowych; substytut jajka
- Pektyna: rozpuszczalny błonnik i roślinny środek żelujący Ziemniak starch: spoiwa
- Kukurydza starch: Substytut starch, generalnie bezglutenowy i bezlaktozowy
- Łuski psyllium: Roślinny środek pęczniejący
- Sago: Granulowany starch z manioku i ziemniaków; bezsmakowy środek zagęszczający
- Chleb świętojański (guma): Naturalny środek zagęszczający
- Guma przekładniowa: Środek zagęszczający i wiążący (E 412)
- Karagen: Roślinny środek żelujący i zagęszczający (E407), otrzymywany z czerwonych alg
- Alginian: Środek zagęszczający, żelujący i powlekający (E 400 do E 405), otrzymywany z alg
- Guma ksantanowa: Naturalnie występujący polisacharyd, dodatek wytwarzany z bakterii (E 4015) do stosowania jako środek żelujący i zagęszczający
- Arrowroot starch: Bezglutenowy środek wiążący; substytut jajek
Te alternatywy są również hydrokoloidami, takimi jak żelatyna. Są one stosowane w przemyśle spożywczym ze względu na ich właściwości funkcjonalne; właściwości te nie są jednak tak wszechstronne, aby umożliwić ogólne zastąpienie nimi żelatyny [2].
Ponieważ wegańskie żelki owocowe również wykorzystują spoiwa, które do tej pory były rzadkością, a ich działanie nie jest jeszcze dobrze poznane, istnieje potrzeba włączenia do badań produktów z wegańskimi spoiwami.
Wyniki testu dynamiczno-mechanicznego przy użyciu NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
O ile były one dostępne w kształtach, które można było łatwo zbadać w teście rozciągania, gumy owocowe zostały odpowiednio selected. Inne zostały wykrojone do kształtu odpowiedniego do testowania w stanie schłodzonym.
Zmiany w przekroju poprzecznym podczas badania i obszary przekroju poprzecznego, których nie można dokładnie zarejestrować w przypadku próbek o nieregularnych kształtach, nie mają wpływu na tłumienie, a tym samym na temperaturę mięknienia.
Parametry pomiaru
W pierwszej części testu przeprowadzono pomiary temperatury w zakresie od około -60°C do +40°C na wszystkich próbkach gumy owocowej przy użyciu DMA Eplexor®, aby móc porównać stabilność zależną od temperatury (złożony 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 lub po prostu moduł E) i związaną z tym lepkosprężystość różnych gum owocowych. W tym celu próbki zostały początkowo schłodzone do około -60°C w urządzeniu testowym. Aby ustawić stałą temperaturę w próbce, w każdym przypadku przed pomiarem ustawiono fazę izotermiczną trwającą 15 minut, a następnie pomiar z szybkością ogrzewania 0,5 K/min. Pomiary temperatury są przeprowadzane w pobliżu próbki za pomocą termometru komorowego, który znajduje się w komorze próbki z intensywną cyrkulacją powietrza.
W drugiej części eksperymentu badane jest dynamiczno-mechaniczne zachowanie próbki wegańskiej z Niemiec i próbki na bazie żelatyny z Holandii podczas suszenia i absorpcji wilgoci w komorze Eplexor®, wyposażonej w komorę Hygromator (komora wilgotności).
Zależne od temperatury zachowanie żelków owocowych
Niemieckie żelki są dostępne jako wegańskie (zielone, zwane "paskami") i na bazie żelatyny (czerwone, zwane "frytkami") do pomiarów DMA.
Można zauważyć (rysunek 1), że wegańskie żelki owocowe wykazują wyższy moduł Younga we wszystkich temperaturach, tj. są sztywniejsze niż żelki na bazie żelatyny. Zmiękczenie wegańskich pasków (zielona krzywa, Tg = 11,6°C) występuje ponadto w wyższych temperaturach niż w przypadku frytek na bazie żelatyny (czerwona krzywa, Tg= -0,4°C).
To obiektywne odkrycie odpowiada również wynikom sensorycznym z gryzienia i degustacji: Próbki wegańskie są twardsze podczas gryzienia, podczas gdy próbki na bazie żelatyny smakują bardziej intensywnie po stopieniu.
Holenderskie żelki
Z Holandii do testów dostępne są wersje na bazie żelatyny. Częściowo nieregularna geometria żelków jest kształtowana do postaci próbki poprzez wykrawanie w stanie schłodzonym. W obsłudze produkty te wyróżniają się jako stosunkowo sztywne gumy owocowe. Zmierzone punkty mięknienia mieszczą się w zakresie od -6°C do 0°C.
Rysunek 2 przedstawia różne krzywe pomiarowe modułu |E*| i tłumienia. Miękka guma (niebieska krzywa) wykazuje różnice w temperaturze mięknienia (-2,4°C) w porównaniu z pozostałymi dwoma rodzajami gum owocowych, Liane- Cassis (-5,1°C, czerwona krzywa) i Strawberry (-4,9°C, zielona krzywa). Dlatego też próbka miękkiej gumy charakteryzuje się zdecydowanie najszerszą krzywą tłumienia i najwcześniejszym spadkiem modułu Younga w zależności od temperatury. Tak więc próbka miękkiej gumy ma najniższe tłumienie w zakresie temperatur pokojowych spośród wszystkich porównywanych próbek, a materiał wydaje się konsumentowi bardziej miękki niż zarówno Strawberry, jak i Liane-Cassis.
Podczas gdy tłumienie jest bardzo podobne dla typów Liane-Cassis i Strawberry, moduł E Strawberry jest zawsze wyższy niż Liane-Cassis, co znajduje również odzwierciedlenie w twardości po ugryzieniu.
Niższe tłumienie (tan δ) próbki Liane-Cassis (czerwone krzywe) można zaobserwować w praktyce dzięki dłuższemu procesowi topienia i deformacji niż w przypadku Strawberry (zielona krzywa). Ponadto Liane-Cassis wykazuje bardziej intensywny efekt adhezji do zębów.
Wegańskie próbki z Australii i Nowej Zelandii
Obie próbki są oferowane na rynku o wysokich średnich temperaturach zewnętrznych, co stawia szczególne wymagania w zakresie stabilności wymiarowej i lepkości gum owocowych. Obie próbki są dostępne w formie prostopadłościanu lub folii już dostosowanej do testu rozciągania i wymagają jedynie pocięcia lub dodatkowego złożenia w celu dostosowania grubości próbki do przeprowadzenia testu. Podczas gdy jedna próbka (zielone krzywe) jest wyraźnie oznaczona jako wegańska, druga próbka (niebieskie krzywe) nie potwierdza tego wyraźnie.
Oczywiste jest (rysunek 3), że produkty z regionu Oceanic charakteryzują się najwyższymi temperaturami mięknienia (19,6°C i 24,3°C) spośród wszystkich badanych gum owocowych. W szczególności próbki prostopadłościenne są stosunkowo sztywne aż do punktu zamarzania i mają najwyższe moduły E.
Rosyjskie żelki owocowe na bazie żelatyny dla regionów o zimnym klimacie
Dwie rosyjskie gumy owocowe na bazie żelatyny badane tutaj mają kształt niedźwiedzi (niebieskie krzywe) i robaków (czerwone krzywe). Kształt niedźwiedzia wymagał wykrawania, podczas gdy robaki można było bezpośrednio włożyć do DMA. Chociaż zmiękczanie robaków rozpoczyna się w nieco wyższych temperaturach (Tg = -0,9°C, czerwona krzywa) niż niedźwiedzi (Tg = -4,4°C, niebieska krzywa), oba wykazują podobną sztywność w czasie mięknienia.
Moduł E niedźwiedzi w temperaturach serwowania jest niższy niż w przypadku robaków (niebieskie krzywe, rysunek 4) ze względu na materiał. Robaki miękną w nieco wyższych temperaturach (3,5°C, czerwone krzywe) niż niedźwiedzie. W związku z tym właściwości smakowe dwóch rodzajów gum owocowych są również bardzo podobne.
Zależne od wilgotności zachowanie żelków owocowych
Zależność próbek od wilgotności jest badana, podobnie jak w przypadku zmian temperatury, w trybie rozciągania w temperaturze 35°C. Temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie przez cały czas trwania eksperymentu.
W pierwszym etapie eksperymentu wegańskie niemieckie i holenderskie próbki na bazie żelatyny są wystawiane na działanie wilgotności w komorze wynoszącej 20% RH, która jest generowana i utrzymywana na stałym poziomie przez NETZSCH GABO Hygromator (generator wilgotności).
Krok ten odpowiada procesowi suszenia w celu przejścia od wilgotności otoczenia, która w tych krajach wynosi około 50% do 60% wilgotności względnej w zależności od pory roku, do stanu "quasi" suszenia przy 20% wilgotności względnej. W przypadku tej serii testów, gumy owocowe, które mają być testowane, powinny być dostępne w wysuszonym, identycznym stanie wilgotności do celów porównawczych. W tym celu dwie próbki suszono przez około 1 godzinę i rejestrowano czasowy przebieg ich modułu Younga. Wysuszone w ten sposób próbki poddano następnie działaniu wilgotności w komorze wynoszącej 50% przez około godzinę, a następnie wilgotności w komorze wynoszącej 90% przez kolejną godzinę. Uzyskane zależne od czasu zmiany modułu Younga i wilgotności w komorze panującej w każdym punkcie w czasie pokazano na rysunku 5 dla próbki wegańskiej (czerwone krzywe) i próbki zawierającej żelatynę (niebieskie krzywe).
Na rysunku 5 pokazano podobne zachowanie czasowe dla wegańskich i żelatynowych gum owocowych, przy czym wegańskie typy zawsze wykazywały wyższe moduły E i niższą wrażliwość na wilgoć w niniejszych badaniach. Wspólną cechą obu jest wzrost modułu E podczas suszenia (tutaj przy 20% wilgotności względnej) i spadek po wystawieniu na działanie wilgoci (tutaj przy 50% wilgotności względnej i 90% wilgotności względnej). W przypadku próbek suszonych przy 20% wilgotności względnej, nawilżanie jest już widoczne po wyjęciu z przechowywania przy 50% wilgotności względnej, o czym świadczy przebieg modułu E.
Podsumowanie
Badanie NETZSCH DMA Eplexor® oferuje rutynową procedurę oceny istotnych dla konsumenta właściwości produktów spożywczych, takich jak gumy owocowe, służąc w ten sposób do ulepszania i opracowywania nowych produktów.
Zależności modułu E (sztywności) i tłumienia od temperatury są ściśle związane z jędrnością i topnieniem żelków owocowych. Z drugiej strony, znajomość zależności od wilgotności ma większą wartość dla oceny warunków przechowywania.
W celu opracowania kolejnych rodzajów żelków owocowych, zwłaszcza z nowymi spoiwami dla klientów wegańskich, analiza dynamiczno-mechaniczna oferuje możliwość wcześniejszego rejestrowania zarówno właściwości termicznych, jak i mechanicznych w laboratorium, a tym samym szybszego wprowadzania produktów na rynek w bardziej ukierunkowany sposób. Warunki przechowywania i przetwarzania wraz z parametrami wilgotności i temperatury mogą być ponadto symulowane za pomocą pomiarów DMA.