Introducere
Gumelele de fructe sunt delicioase și au un gust bun pe tot parcursul anului, fie că este vară sau iarnă, în deșert la 50°C sau la Polul Nord la -40°C. Ar fi neplăcut ca aceste "dulciuri" să se lipească între ele la temperaturi ridicate și să formeze un fel de masă coerentă și lipicioasă sau ca un dinte să cadă la marginea drumului atunci când mușcă din ele în frig. Aceste exemple arată clar că: Gumele de fructe par să prezinte un spectru larg de proprietăți elastice, variind între moale și dur și fiind, de asemenea, puternic influențate de temperatură. Analiza mecanică dinamică este utilizată pentru caracterizarea proprietăților vâsco-elastice. Atunci când sunt cuplate la o cameră de umiditate, pot fi înregistrate și influențele uscării și umidificării asupra comportamentului lor mecanic.
Ce comportamente mecanice prezintă gumele de fructe din zone climatice diferite
Au fost disponibile pentru investigație gumele de fructe din următoarele țări:
- Germania
- Țările de Jos
- Australia
- Noua Zeelandă
- Rusia
Pe lângă classic, gumele pe bază de gelatină din fructe, în studii sunt incluse și tipuri vegane. Comportamentul dinamico-mecanic al tuturor tipurilor va fi înregistrat și comparat la diferite temperaturi. Măsurătorile DMA vor fi efectuate cu ajutorul unui NETZSCH DMA Eplexor® conectat la un Hygromator (generator de umiditate opțional).
Gelatina, originea sa, proprietăți funcționale și Alternative
În mod tradițional, gelatina [1, 2] este principala componentă a gumei de fructe. Aceasta îngroașă, în esență, ingredientele lichide aromatizante și, atunci când este utilizată corect, asigură topirea și fermitatea la mușcătură, precum și temperatura de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire potrivită pentru consum. În general, "animalele gumate" sunt turnate și - înainte de trecerea în faza viscoelastică - există în formă topită la sfârșitul procesului de turnare.
Gelatina se găsește nu numai în gumele de fructe, ci și în multe alte produse alimentare, de exemplu, alimente hipocalorice, iaurt, maioneze, aspics, paste de carne și multe dulciuri. Din punct de vedere istoric, gelatina a fost utilizată și ca lipici timp de mii de ani.
Gelatina este un aliment natural care constă în principal din proteine de colagen. Proteinele îndeplinesc trei funcții foarte diferite în organismele vii: a) ca proteine structurale (= scleroproteine), b) ca proteine membranare și c) ca proteine globulare (= sferoproteine). Varianta colagenică face parte din scleroproteine și este formată din 3 lanțuri polipeptidice împletite (triplu helix). Atunci când aceste lanțuri se grupează, se formează fibrile de colagen; acestea devin de fapt rețele tridimensionale datorită legăturilor încrucișate care apar între elicele triple și se stabilizează astfel mecanic.
Descompunerea colagenului în lanțuri polipeptidice individuale este necesară pentru producerea gelatinei. Din cauza insolubilității reticulării în apă, acesta este un proces complex care necesită utilizarea de substanțe chimice. +
Producția de gelatină începe cu colagenul de origine animală. Proteinele animale provin din oase sau sunt prelevate din straturile inferioare ale pielii. Privit la nivel microscopic, colagenul prezintă structuri de tip helix care sunt apoi înmuiate printr-un proces chimico-termic pentru a putea fi separate (cunoscut sub numele de macerare). Rezultatul este un rest "demineralizat", numit oseină, care este materia primă reală din care se fabrică gelatina.
Producția de gelatină permite realizarea unor tări de gelificare diferite pentru diverse aplicații. Puterea de gelificare este descrisă de "numărul Bloom". Deoarece puterea de gelificare și, prin urmare, numărul Bloom, depind de temperatură, se poate selecta gelatina cea mai potrivită pentru un anumit produs. Pentru gumele de fructe mai tari, se utilizează gelatină cu o valoare Bloom mai mare decât pentru tipurile mai moi, care conțin gelatină cu valoare Bloom scăzută.
Gelatina este un hidrocoloid și se poate lega de apă și se poate umfla în apă. Aceasta îngroașă, gelifică, stabilizează, este extrem de elastică și prezintă un comportament termoreversibil; de exemplu, gelatina gelifică atunci când este răcită și se topește atunci când este încălzită. Această proprietate este, de asemenea, utilizată în producția de "ursuleți gumate" și a fost investigată și evaluată în cadrul măsurătorilor efectuate aici. Punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire este, de asemenea, deosebit de important pentru consumator. La urma urmei, "animalul de cauciuc" trebuie să se topească în gură, având în același timp o anumită fermitate.
Căutarea de alternative - lianți de origine pur vegetală cu proprietăți la fel de favorabile ca cele ale gelatinei - a început, dar nu s-a găsit încă un înlocuitor complet. Sunt necesare metode de testare de rutină pentru a descrie mai bine lianții alternativi și efectul lor asupra materialului [1], [2]
Următoarele materiale, printre altele, sunt utilizate în prezent ca lianți de origine pur vegetală, cu scopul de a înlocui gelatina [3]:
- Agar-Agar: Înlocuitor al gelatinei
- Aquafaba: apă groasă de gătit din năut, fasole și alte leguminoase de origine vegetală; înlocuitor de ou
- Pectină: fibre solubile și gelifiant pe bază de plante amidon de cartofi: lianți
- Amidon de porumb: Înlocuitor pentru amidon, în general fără gluten și lactoză
- Coji de psyllium: Agent de umflare pe bază de plante
- Sago: Amidon granulat din manioc și cartofi; agent de îngroșare fără gust
- Gumă de cătină (Locust bean): Agent natural de îngroșare
- Gumă de angrenaj: Agent de îngroșare și liant (E 412)
- Caragen: Agent gelifiant și de îngroșare pe bază de plante (E407), obținut din alge roșii
- Alginat: Agent de îngroșare, gelificare și acoperire (E 400 - E 405), obținut din alge
- Gumă xanthan: Polizaharidă naturală, aditiv produs din bacterii (E 4015) pentru utilizare ca agent gelifiant și de îngroșare
- Amidon de rădăcină de săgeată: Agent liant fără gluten; înlocuitor de ou
Aceste alternative sunt, de asemenea, hidrocoloizi precum gelatina. Acestea sunt utilizate în industria alimentară datorită proprietăților lor funcționale; cu toate acestea, aceste proprietăți nu sunt atât de complete încât să permită o înlocuire generală a gelatinei cu acestea [2].
Deoarece gumele de fructe vegane utilizează, de asemenea, lianți care au fost neobișnuiți până în prezent, iar efectul lor nu este încă bine înțeles, există o nevoie în acest domeniu de a include produse cu lianți vegani în investigații.
Rezultatele testului dinamico-mecanic cu ajutorul NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
În măsura în care au fost disponibile în forme care puteau fi investigate cu ușurință în testul de tracțiune, gumele de fructe au fost selectate în consecință. Altele au fost perforate într-o formă adecvată pentru testare atunci când erau în stare răcită.
Modificările secțiunii transversale în timpul încercării și suprafețele secțiunii transversale care nu pot fi înregistrate cu exactitate în cazul probelor de formă neregulată nu afectează amortizarea și, prin urmare, temperatura de înmuiere.
Parametrii de măsurare
În prima parte a testului, au fost efectuate variații de temperatură în intervalul de la aprox. -60°C la +40°C pe toate probele de gumă de fructe cu ajutorul DMA Eplexor® pentru a putea compara stabilitatea în funcție de temperatură (modulul complex de elasticitate sau doar modulul E) și viscoelasticitatea asociată diferitelor gume de fructe. În acest scop, probele au fost răcite inițial la aproximativ -60°C în instrumentul de testare. Pentru a stabili o temperatură constantă în probă, se stabilește o fază izotermă de 15 min în fiecare caz înainte de măsurare, urmată de o măsurare la o rată de încălzire de 0,5 K/min. Măsurătorile de temperatură sunt efectuate în apropierea probei cu termometrul de cameră, care este amplasat într-o cameră de probă cu circulație intensă a aerului.
În a doua parte a experimentului, comportamentul dinamico-mecanic al unei probe vegane din Germania și al unei probe pe bază de gelatină din Țările de Jos este investigat în timpul uscării și absorbției de umiditate în Eplexor®, echipat cu un Hygromator (cameră de umiditate).
Comportamentul gumelor de fructe în funcție de temperatură
Ursuleții gumați germani sunt disponibili ca vegani (verzi, denumiți "benzi") și pe bază de gelatină (roșii, denumiți "cartofi prăjiți") pentru măsurătorile DMA.
Se observă (figura 1) că gumele de fructe vegane prezintă un modul Young mai mare la toate temperaturile, adică sunt mai rigide decât gumele pe bază de gelatină. În plus, înmuierea fâșiilor vegane (curba verde, Tg = 11,6°C) are loc la temperaturi mai ridicate decât a cartofilor prăjiți pe bază de gelatină (curba roșie, Tg =-0,4°C).
Această constatare obiectivă corespunde, de asemenea, rezultatelor senzoriale de la mușcătură și degustare: Probele vegane sunt mai ferme la mușcătură, în timp ce probele pe bază de gelatină au un gust mai intens atunci când sunt topite.
Ursuleți de gumă olandezi
Din Țările de Jos, sunt disponibile pentru testare versiuni pe bază de gelatină. Geometria parțial neregulată a ursuleților gumați este modelată în formă de probă prin perforare atunci când se află în stare răcită. La manipulare, aceste produse ies în evidență ca gume de fructe relativ rigide. Punctele de înmuiere măsurate sunt cuprinse între -6°C și 0°C.
Figura 2 prezintă diferitele curbe de măsurare ale modulului |E*| și ale amortizării. Guma moale (curba albastră) prezintă diferențe la temperatura de înmuiere (-2,4°C) în comparație cu celelalte două tipuri de gumă de fructe, Liane- Cassis (-5,1°C, curba roșie) și Căpșuni (-4,9°C, curba verde). Acesta este motivul pentru care eșantionul de gumă moale prezintă de departe cea mai largă curbă de amortizare și cea mai rapidă scădere a modulului Young în funcție de temperatură. Astfel, proba de gumă moale are cea mai mică amortizare în intervalul de temperatură ambiantă dintre toate probele comparate, iar materialul pare mai moale pentru consumator decât Strawberry și Liane-Cassis.
Deși amortizarea este foarte similară pentru tipurile Liane-Cassis și Căpșuni, modulul E al Căpșunilor este întotdeauna mai mare decât cel al Liane-Cassis, ceea ce se reflectă și în fermitatea la mușcătură.
Amortizarea mai scăzută (tan δ) a probei Liane-Cassis (curbele roșii) poate fi observată în practică în virtutea unui proces de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire și deformare mai lung decât cel al Strawberry (curba verde). În plus, Liane-Cassis prezintă un efect adeziv mai intens la dinți.
Australian și Noua Zeelandă Vegan Samples
Ambele probe sunt oferite pe o piață cu temperaturi exterioare medii ridicate, care impun cerințe speciale privind stabilitatea dimensională și aderența gumelor de fructe. Ambele eșantioane sunt disponibile sub formă de cubulețe sau folii deja adaptate pentru testul de tracțiune și trebuie doar să fie tăiate sau pliate suplimentar pentru a ajusta grosimea eșantionului în vederea efectuării testului. În timp ce o probă (curbele verzi) este desemnată în mod specific ca fiind vegană, cea de-a doua probă (curbele albastre) nu afirmă în mod explicit această afirmație.
Este evident (figura 3) că produsele din regiunea Oceanic prezintă cele mai ridicate temperaturi de înmuiere (19,6°C și 24,3°C) dintre toate gumelele de fructe investigate. În special, probele cuboidale sunt relativ rigide până la punctul de congelare și au cele mai mari module E.
Gume de fructe rusești pe bază de gelatină pentru regiunile cu climă rece
Cele două gume de fructe rusești pe bază de gelatină studiate aici au formă de urs (curbe albastre) și de viermi (curbe roșii). Forma de urs necesită perforare, în timp ce viermii pot fi introduși direct în DMA. Deși înmuierea viermilor începe la temperaturi ușor mai ridicate (Tg = -0,9°C, curba roșie) decât cea a urșilor (Tg = -4,4°C, curba albastră), cei doi prezintă o rigiditate similară în momentul înmuierii.
Modulul E al urșilor la temperaturile de servire este mai mic decât cel al viermilor (curbe albastre, figura 4) din cauza materialului. Viermii se înmoaie la temperaturi puțin mai ridicate (3,5°C, curbe roșii) decât urșii. În consecință, proprietățile gustative ale celor două tipuri de gumă de fructe sunt, de asemenea, foarte asemănătoare.
Comportamentul gumelor de fructe în funcție de umiditate
Dependența de umiditate a probelor este investigată, ca și în cazul baleierilor de temperatură, în modul tracțiune la 35°C. Temperatura este menținută constantă pe parcursul întregului experiment.
În prima etapă a experimentului, probele pe bază de gelatină vegană germană și olandeză sunt expuse la o umiditate a camerei de 20% RH, care este generată și menținută constantă de NETZSCH GABO Hygromator (generator de umiditate).
Această etapă corespunde unui proces de uscare pentru a ajunge de la umiditatea ambientală, care în aceste țări este de aproximativ 50% până la 60% RH în funcție de sezon, la o stare "cvasi" uscată la 20% RH. Pentru această serie de teste, gumele de fructe care urmează să fie testate ar trebui să fie disponibile într-o stare uscată, cu umiditate identică, în scopuri comparative. În acest scop, cele două probe au fost uscate timp de aproximativ 1 h și s-a înregistrat evoluția temporală a modulului Young al acestora. Eșantioanele uscate în acest mod au fost apoi supuse, de asemenea, unei umidități de cameră de 50% timp de aproximativ o oră și apoi unei umidități de cameră de 90% timp de încă o oră. Modificările rezultante în funcție de timp ale modulului Young și umiditatea camerei care predomină în fiecare moment sunt prezentate în figura 5 pentru o probă vegană (curbe roșii) și o probă care conține gelatină (curbe albastre).
În figura 5 este prezentat un comportament temporal similar pentru gumele de fructe vegane și pe bază de gelatină, tipurile vegane prezentând întotdeauna module E mai mari și o sensibilitate mai scăzută la umiditate în cadrul investigațiilor actuale. Ambele au în comun o creștere a modulului E la uscare (aici la 20% RH) și o scădere la expunerea la umiditate (aici la 50% RH și 90% RH). Pentru epruvetele uscate la 20% RH, umidificarea este deja prezentă la scoaterea din depozitare la 50% RH, după cum arată evoluția modulului E.
Rezumat
NETZSCH DMA Eplexor® oferă o procedură de rutină pentru evaluarea proprietăților produselor alimentare relevante pentru consumatori, cum ar fi gumele de fructe, servind astfel la îmbunătățirea și dezvoltarea de noi produse.
Dependențele de temperatură ale modulului E (rigiditate) și ale amortizării sunt strâns legate de fermitatea la mușcătură și de comportamentul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire al gumei de fructe. Cunoașterea dependențelor de umiditate, pe de altă parte, este mai valoroasă pentru evaluarea condițiilor de depozitare.
Pentru dezvoltarea de noi tipuri de gume de fructe, în special cu noi lianți pentru clienții vegani, analiza dinamico-mecanică oferă posibilitatea de a înregistra în prealabil în laborator atât proprietățile termice, cât și cele mecanice și, astfel, de a lansa produsele pe piață într-un mod mai bine direcționat și mai rapid. Condițiile de depozitare și prelucrare, împreună cu parametrii de umiditate și temperatură, pot fi, de asemenea, simulate prin intermediul măsurătorilor DMA.