Introducere
Analiza termică este esențială în industria alimentară și a băuturilor pentru formularea produselor, optimizarea proceselor de fabricație, controlul calității, studierea condițiilor de depozitare și determinarea termenului de valabilitate al produselor. Procesul industrial de bază al fabricării brânzei implică inocularea laptelui pasteurizat cu enzima cheag pentru a produce coagularea. Coagulul este apoi separat de zer, măcinat și prelucrat până la obținerea unei forme specifice, înainte de a fi supus maturării (dacă este necesară). Brânza are o structură cu totul unică, în care globulele de grăsime sunt suspendate de micele formate din proteina cazeină (principala proteină din lapte). Din punct de vedere al formulării, adăugarea diverselor polimeri duce la percepții senzoriale și proprietăți diferite, un exemplu fiind adăugarea de acid hialuronic la brânza pentru pizza [1].
În acest studiu, ne-am propus să investigăm modul în care o simplă măsură de depozitare, precum congelarea, afectează proprietățile diverselor tipuri de brânză. Depozitarea la rece și congelarea sunt ambele procese critice pentru producția și distribuția brânzei, precum și pentru modul în care brânza este păstrată acasă. În plus, am dorit să investigăm dacă putem măsura proprietățile de întindere ale brânzei topite pentru a-i evalua performanța în preparate precum pizza și sandvișurile cu brânză la grătar.
Analiza mecanică dinamică (DMA) este utilizată în principal pentru a analiza proprietățile viscoelastice ale materialelor polimerice, dar este folosită și pentru a măsura metale, ceramică sau pentru a simula condiții mecanice specifice. NETZSCH ul DMA 303 Eplexor® este un dispozitiv de birou versatil, capabil să măsoare într-un interval de temperatură de la -170 °C la 800 °C (de la -274 °F la 1472 °F), aplicând o forță cuprinsă între 1 mN și 50 N, și funcționând la frecvențe de la 0,001 la 150 Hz. În acest exemplu, a fost utilizat pentru a măsura proprietățile mecanice ale brânzei cheddar albă și ale parmezanului înainte și după un ciclu de îngheț-dezgheț.
Cu toate acestea, măsurarea modului în care condițiile de depozitare și temperatura influențează proprietățile mecanice ale brânzei solide reprezintă doar jumătate din povestea modului în care ne bucurăm de acest produs. Au fost măsurate, de asemenea, proprietățile de extensie ale brânzei Cheddar albă topită pentru a determina performanța acesteia în scenarii culinare, cum ar fi brânza la grătar sau fondue.
NETZSCH ocupă o poziție unică în domeniul reologiei, oferind atât reometre convenționale de rotație/oscilație, cât și reometre capilare de mare forță: împreună, aceste instrumente acoperă o gamă de peste șase ordine de mărime în ceea ce privește vitezele de forfecare. Prin utilizarea unei configurații cu cilindru dublu și duză de lungime zero, vâscozitățile de forfecare și de deformare pot fi determinate simultan în funcție de viteza de forfecare. În acest caz, proprietățile de deformare corectate ale brânzei Cheddar albă topită au fost măsurate în funcție de viteza de forfecare.
Testarea DMA pentru determinarea efectului congelării asupra proprietăților brânzei
Colonele de Cheddar alb și parmezan au fost testate în regim de compresiune, așa cum se arată în figura 1, pentru a determina proprietățile lor mecanice în funcție de temperatură. S-a utilizat DMA pentru a determina Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare (E’) al probelor de brânză, care descrie capacitatea unui material de a stoca energie, modulul de pierdere (E”), care descrie capacitatea unui material de a disipa energie (de obicei prin căldura generată de frecarea internă), precum și factorul de amortizare (tan δ), care reprezintă raportul dintre modulul de pierdere și Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare și descrie capacitatea unui material de a se deforma elastic sau vâscos sub acțiunea unei forțe aplicate. În cele din urmă, modulul complex (notat |E|, matematic fiind rădăcina pătratică a sumei pătratelor lui E’ și E”) reprezintă o modalitate simplă de a compara rigiditatea generală între probe în funcție de temperatură.
În cadrul acestui studiu, o probă de Cheddar alb sau de Parmezan a fost supusă unei variații de temperatură de la 20 la 55 sau 65 °C (în funcție de 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), după ce a fost păstrată exclusiv la frigider, la 4 °C. Pentru a înțelege efectul unui ciclu de îngheț-dezgheț, probele de Cheddar alb și de parmezan au fost depozitate la -20 °C peste noapte, înainte de a fi dezghețate și analizate folosind același program de temperatură. Rezultatul unui ciclu de îngheț-dezgheț asupra proprietăților brânzei Cheddar albă este prezentat în Figura 2, iar asupra brânzei Parmesan în Figura 3.
Din figurile 2 și 3 reiese o diferență clară între brânzeturi (după ce au fost doar refrigerate), parmezanul prezintă valori ale modulului semnificativ mai mari comparativ cu Cheddarul alb (E’ de 3,02 față de 0,39 MPa la 25 °C), așa cum era de așteptat, având în vedere că parmezanul este clasificat ca brânză tare. Ambele brânzeturi au prezentat, de asemenea, valori mai mari ale modulului și ale factorilor de amortizare după un ciclu de îngheț-dezgheț (E’ al parmezanului a crescut de la 3,02 la 3,87, iar al cheddarului alb de la 0,39 la 0,60 MPa la 25 °C), ceea ce sugerează că condițiile de depozitare influențează materialul și îl fac semnificativ mai rigid.
Tabelul 1 prezintă rezumatul rezultatelor obținute pentru fiecare probă la o temperatură selectată de 25 °C. Înțelegerea interacțiunii dintre E’ și E” este importantă pentru a înțelege modul în care brânza va fi percepută în timpul mestecării, dacă va opune rezistență sau se va ceda ușor în fața forței exercitate de dinți [2].
Tabelul 1: Rezumatul valorilor E', E'' și tan δ pentru Cheddar alb și Parmezan la 25 °C
| Variabilă | Necongelat | Congelat și decongelat | Creștere după congelare |
|---|---|---|---|
Cheddar alb | |||
| E' (MPa) | 0,39 | 0,60 | 1,54 |
| E'' (MPa) | 0,13 | 0,22 | 1,69 |
| tan δ | 0,36 | 0,37 | 1,12 |
Parmesan | |||
| E' (MPa) | 3,03 | 3,87 | 1,28 |
| E'' (MPa) | 1,10 | 1,50 | 1,36 |
| tan δ | 0,36 | 0,39 | 1,08 |
Este interesant de remarcat că efectul rigidității crescute după congelare este mai pronunțat la temperatura camerei, dar se reduce considerabil pe măsură ce probele sunt încălzite (figurile 2c și 3c).
În cele din urmă, este important de menționat că DMA 303 Eplexor® este capabil să atingă temperaturi criogenice și, prin urmare, ciclul de îngheț-dezgheț ar putea fi realizat chiar în interiorul instrumentului. Cu toate acestea, s-a constatat că coloanele de brânză au devenit atât de rigide încât a fost necesară o forță mai mare pentru deformarea dinamică decât cea pe care instrumentul o putea furniza. Pentru a studia aceste materiale în timpul înghețării, este necesar un instrument cu forță mai mare, cum ar fi DMA 503 Eplexor®.
Reometria capilară, extrudarea și testarea de tragere
Reometrele capilare din seriile NETZSCH, Rosand RH2000 și RH7/10 sunt utilizate în mod obișnuit pentru a determina vâscozitatea polimerilor în stare topită. În acest studiu, ne-am propus să măsurăm vâscozitatea unei brânzeturi în curs 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, cum ar fi cheddarul alb (parmezanul nu se topește bine), în funcție de viteza de forfecare. Proba a fost măsurată la 65 °C, deoarece aceasta este o temperatură obișnuită utilizată pentru fondue, un caz în care extensibilitatea brânzei este cu adevărat importantă.
Pe lângă măsurătorile de bază ale vâscozității, instrumentele Rosand pot utiliza diverse accesorii și modele matematice pentru a determina proprietăți suplimentare, cum ar fi forța de tragere, umflarea matriței și vâscozitatea la extensie. Datorită designului cu două canale al instrumentelor Rosand, se pot utiliza o matriță lungă și o matriță cu orificiu pentru a măsura simultan o probă și a calcula vâscozitatea la forfecare și la extensie folosind modelul Cogswell. Din punct de vedere practic, acest lucru arată cât de mult se poate întinde masa topită la o viteză de forfecare dată, adică cât de mult se va întinde brânza topită atunci când o felie de pizza este trasă la o viteză dată. Proprietățile de forfecare și extensie ale brânzei Cheddar albă sunt prezentate în Figura 4. Brânza Cheddar albă a prezentat o proprietate comună a polimerilor, și anume fluidizarea la forfecare; vâscozitatea probei a scăzut odată cu creșterea vitezei de forfecare.
În cazul materialelor newtoniene, este bine cunoscut faptul că vâscozitatea extensională a materialului este de trei ori mai mare decât vâscozitatea de forfecare. În cazul topiturilor polimerice, raportul dintre vâscozitatea extensională și vâscozitatea de forfecare este mult mai mare, ajungând până la câteva ordine de mărime. În acest caz, s-a constatat că Cheddarul alb prezintă o vâscozitate extensională foarte ridicată, de câteva mii de ori mai mare decât vâscozitatea de forfecare. Din punct de vedere practic, acest lucru sugerează că Cheddarul alb rămâne extrem de vâscos (gândiți-vă la miere în comparație cu apa) în timpul forfecării și, prin urmare, este mai puțin probabil să se rupă. Pe măsură ce Cheddarul este supus unei forțe de forfecare la o viteză mai mare, vâscozitatea extensională scade. Prin urmare, atunci când se optimizează întinderea brânzei, menținerea unei temperaturi suficient de ridicate și întinderea lentă vor maximiza distanța la care Cheddarul poate fi întins.
Rezumat
Testele de analiză termică joacă un rol esențial în industria alimentară și a băuturilor, fiind utile în toate etapele, de la formulare până la stabilirea termenului de valabilitate. În acest articol, am demonstrat cum pot fi utilizate diverse instrumente de analiză termică ( NETZSCH ) nu numai pentru a înțelege modul în care temperatura de depozitare influențează proprietățile brânzei Cheddar albă și ale parmezanului, ci și pentru a măsura proprietățile acestora în stare topită, cum ar fi extensia brânzei Cheddar albă. Folosind DMA 303 Eplexor®®, s-au comparat proprietățile mecanice ale brânzei Cheddar albă și ale parmezanului într-un interval de temperaturi. În plus, s-a demonstrat că efectul unui ciclu de îngheț-dezgheț asupra ambelor brânzeturi crește semnificativ modulul lor de elasticitate, un aspect important pentru transportul și manipularea produsului. Rosand RH2000 -ul a fost utilizat pentru a modela proprietățile brânzei Cheddar albă în stare topită, în special proprietățile de extensie. Din punctul de vedere al utilizatorului, acesta este, în esență, un model pentru gătirea și „întinderea” ulterioară a brânzei, o variabilă critică pentru comercializare și performanță.