Введение
Хотя динамический механический анализ (ДМА) в основном используется для анализа полимерных материалов, этот метод также может применяться в широком спектре других областей. К ним относятся различные применения в пищевой промышленности и производстве напитков - например, анализ рецептур жевательных мишек, как продемонстрировали Муча и другие [1]. В промышленности механические характеристики часто используются для оценки качества и консистенции продуктов в пищевой промышленности. DMA 303 Eplexor®® - это универсальный настольный прибор, способный проводить измерения в диапазоне температур от -170°C до 800°C (от -274°F до 1472°F) с общим усилием 50 Н (статическое и динамическое), что делает его идеально подходящим для таких задач.
Каждый, кто заказывает стейк, расскажет вам о правильном и неправильном способе его приготовления. Проблема в том, что каждый человек, которого вы спросите, ответит по-своему. Когда речь заходит о хорошем стейке, обычно выделяют две основные переменные: нежность и сочность. Нежность - это, по сути, механическое свойство, описывающее, насколько мягким и жевательным является мясо. Сочность стейка зависит от содержания и распределения жира, процесса выдержки и способа приготовления. Что касается степени прожарки, то внутренняя температура стейка составляет 125°F (52°C) для редкого, 130-135°F (54-57°C) для medium-rare, 135-140°F (57-60°C) для medium, 140-150°F (60-66°C) для mediumwell и 155°F (68°C) или выше для well-done [2]. Все знают, что чем дольше готовится стейк, тем он жестче, но как это измерить? Можно ли количественно оценить, насколько нежным стал стейк в процессе приготовления?
Помимо простого времени приготовления, есть еще несколько факторов, которые влияют на качество конечного блюда. Более дорогие куски, как правило, готовятся из менее натруженных мышц, что приводит к улучшению их нежности. Кроме того, важную роль играет содержание жира в мясе. Повышенная мраморность приводит к более сочному и нежному мясу, в то время как более постные отрубы имеют большую плотность мышечных волокон, содержат больше белка, но в целом являются более жестким продуктом.
Для определения динамико-механических свойств образцов стейков мы выбрали относительно недорогой отруб под названием "юбка-стейк", известный высоким содержанием мышечных волокон.
У нас было две основные цели:
а) выяснить, насколько сильно внутренняя температура влияет на механические свойства, и
б) как выравнивание волокон влияет на восприятие нежности. Помимо научного любопытства, подобные данные важны для контроля качества, а также для новых отраслей промышленности, разрабатывающих альтернативы/заменители мяса.
DMA Исследование степени готовности
Для измерения были изготовлены образцы сырого стейка из юбки (диаметр 13 мм, высота 6 мм) (рис. 1a). Образцы измерялись в сжатом состоянии, чтобы наилучшим образом имитировать восприятие образца при жевании. Термопара DMA была вставлена непосредственно в центральную точку образца для измерения внутренней температуры (рис. 1b). Контактное усилие в 1,0 Н использовалось для первоначального сплющивания образца и обеспечения равномерной площади контакта с толкателем. Динамическая амплитуда 20 мкм была приложена с коэффициентом пропорциональности 1,1 в диапазоне температур 30-80°C при скорости нагрева 1 К/мин (общее время работы 55 минут). Полностью приготовленный образец после испытания показан на рис. 1c).
Результаты измерений
Результаты испытаний на сжатие показаны на рисунке 2) и обобщены по степени готовности в таблице 1). Модуль упругости (E') коррелирует со способностью материала упруго сохранять энергию. Во время приготовления E' обычно увеличивается, так как стейк становится более упругим и жевательным. Модуль потерь (E") описывает рассеивание энергии материалом, как правило, за счет внутреннего трения и вязкого поведения. Высокое значение E'' указывает на то, что стейк рассеивает больше энергии во время деформации при жевании. Значения E' и E" связаны со структурными изменениями, которые происходят в процессе приготовления: мышечные волокна сокращаются и теряют воду, что приводит к более твердой текстуре и увеличению внутреннего трения.
Таблица 1: Абсолютный модуль упругости и прирост механических свойств дисков для стейков из юбки в зависимости от внутренней температуры и степени готовности
| Доношенность | Внутренняя температура (°C) | |E| (МПа) | Увеличение модуля упругости по сравнению с сырым |
|---|---|---|---|
| Сырой (голубой редкий) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Редкий | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-редкий | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-скважина | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Хорошо сделано | 72 | 3.74 | 12.7 |
Поэтому цель процесса приготовления - добиться умеренных значений E' и E", при которых стейк будет структурированным и приятно жевательным, но при этом останется сочным. Если процесс приготовления будет продолжаться до тех пор, пока мясо не станет хорошо прожаренным (здесь не показано), коллаген расплавится в желатин, а мышечные волокна расслабятся, уменьшая трение и вызывая снижение E".
Коэффициент демпфирования (обозначается tan δ) представляет собой отношение E" к E' и описывает, насколько упруго или вязко ведет себя материал. Величина E' намного больше, чем E", что говорит о том, что материал ведет себя преимущественно упруго и становится более жестким с повышением температуры. Интересно, что коэффициент демпфирования сначала уменьшается, а затем снова увеличивается, что указывает на то, что в процессе приготовления различные температуры приводят к незначительным изменениям демпфирующих свойств. Поскольку потеря влаги и выделение жира происходят одновременно в процессе приготовления, этот эффект не является неожиданным.
Абсолютное значение комплексного модуля упругости |E| описывает общее сопротивление материала деформации под действием колебательных напряжений и объединяет в себе как вязкую, так и упругую составляющие. В таблице 1 показано, как это свойство изменяется при изменении внутренней температуры. У редкого стейка модуль сжатия в 1,5 раза выше, чем у сырого, а у хорошо прожаренного - в 12,7 раза. Этот результат указывает на нелинейную зависимость нежности от внутренней температуры.
Влияние клетчатки на нежность
Одна лишь сухость не влияет на то, насколько нежным получится стейк. Стейк из юбки - относительно недорогой отруб мяса из пластины и диафрагмы коровы - известен тем, что является постным и имеет высокую плотность мышечных волокон. Поэтому способ разделки и подачи стейка играет large роль в том, насколько нежным он будет. В данном случае мы испытали приготовленные куски юбочного стейка на растяжение, разрезав их либо вдоль мышечного волокна, либо против него, результаты чего представлены на рисунке 3. Из рисунка 3 видно, что образец, разрезанный вдоль мышечного волокна (оранжевая линия), имеет в 6,7 раза более высокий абсолютный модуль упругости при растяжении, чем образец, разрезанный перпендикулярно ориентации волокна (синяя линия). Это увеличение абсолютного модуля упругости при растяжении коррелирует с тем, что мясо менее нежное. Таким образом, простая техника нарезки готового стейка на тонкие ломтики против волокон позволяет получить значительно более нежное мясо.
Резюме
DMA 303 Eplexor® обладает широким диапазоном частот, силы и температуры, что делает его идеальным прибором для динамико-механических измерений в самых разных областях применения. Здесь мы описали способность прибора точно измерять нежность куска бифштекса как при сжатии для имитации жевания, так и при растяжении для исследования влияния направленности мышечных волокон.
DMA 303 Eplexor® может использоваться не только для определения характеристик мяса, но и для многих других типов образцов в пищевой промышленности и производстве напитков. Подобные результаты могут быть использованы при разработке растительных заменителей мяса, чтобы наилучшим образом имитировать обычный продукт.