Введение
Термический анализ играет ключевую роль в пищевой промышленности и производстве напитков при разработке рецептур, оптимизации производственных процессов, контроле качества, изучении условий хранения и определении срока годности продукции. Основной промышленный процесс производства сыра включает в себя добавление в пастеризованное молоко фермента сычужного фермента для вызывания коагуляции. Затем творог отделяют от сыворотки, измельчают и придают ему заданную форму перед созреванием (если требуется выдержка). Сыр обладает уникальной структурой, в которой жировые глобулы находятся во взвешенном состоянии в мицеллах, образованных белком казеином (основным белком молока). С точки зрения рецептуры добавление различных полимеров приводит к изменению органолептических характеристик и свойств; примером этого является добавление гиалуроновой кислоты в сыр для пиццы [1].
В данном исследовании мы поставили перед собой задачу изучить, как простой способ хранения, такой как замораживание, влияет на свойства различных видов сыра. Хранение в холодильнике и замораживание являются критически важными процессами как для производства и дистрибуции сыра, так и для его хранения в домашних условиях. Кроме того, мы хотели выяснить, можно ли измерить растяжимые свойства плавленного сыра, чтобы оценить его поведение в таких блюдах, как пицца и сэндвич с плавленым сыром.
Динамический механический анализ (DMA) в первую очередь используется для анализа вязкоупругих свойств полимерных материалов, но также применяется для измерения металлов, керамики или моделирования определенных механических условий. NETZSCH 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 усилием от 1 мН до 50 Н, и работать на частотах от 0,001 до 150 Гц. В данном примере оно использовалось для измерения механических свойств белого чеддера и пармезана до и после цикла замораживания-размораживания.
Однако измерение влияния условий хранения и температуры на механические свойства твёрдого сыра — это лишь половина истории о том, как мы наслаждаемся этим продуктом. Также были измерены свойства растяжения расплавленного белого чеддера, чтобы определить его поведение в таких кулинарных сценариях, как приготовление гриль-сыра или фондю.
NETZSCH занимает уникальное положение в области реологии, предлагая как традиционные ротационные/колебательные реометры, так и капиллярные реометры с высоким усилием: в совокупности эти приборы охватывают диапазон скоростей сдвига более шести порядков величины. Благодаря использованию конфигурации с двойным цилиндром и соплом нулевой длины можно одновременно определять вязкость сдвига и деформационную вязкость в зависимости от скорости сдвига. В данном случае были измерены скорректированные деформационные свойства расплавленного белого чеддера в зависимости от скорости сдвига.
Испытания методом DMA для определения влияния замораживания на свойства сыра
Образцы белого чеддера и пармезана в виде столбиков были испытаны в режиме сжатия (см. рис. 1) с целью определения их механических свойств в зависимости от температуры. Для определения модуля хранения (E’) образцов сыра, который характеризует способность материала аккумулировать энергию, модуля потерь (E”), который характеризует способность материала рассеивать энергию (как правило, в виде тепла, выделяемого в результате внутреннего трения), а также коэффициент демпфирования (tan δ), представляющий собой отношение модуля потерь к модулю хранения и характеризующий способность материала упруго или вязко деформироваться под действием приложенной силы. Наконец, комплексный модуль (обозначаемый как |E|, математически представляющий собой корень из суммы квадратов E’ и E”) является простым способом сравнения общей жесткости образцов в зависимости от температуры.
В данном исследовании образцы белого чеддера или пармезана нагревали от 20 до 55 или 65 °C (в зависимости от температуры плавления) после хранения исключительно в холодильнике при температуре 4 °C. Чтобы понять влияние цикла замораживания-размораживания, образцы белого чеддера и пармезана хранились при температуре -20 °C в течение ночи, после чего их размораживали и анализировали с использованием той же температурной программы. Результаты влияния цикла замораживания-размораживания на свойства белого чеддера показаны на рисунке 2, а на свойства пармезана — на рисунке 3.
Как видно из рисунков 2 и 3, между сырами наблюдается явное различие (после хранения исключительно в холодильнике): у пармезана значительно более высокие значения модуля упругости по сравнению с белым чеддером (E’ 3,02 против 0,39 МПа при 25 °C), что и следовало ожидать, поскольку пармезан относится к категории твёрдых сыров. Оба сыра также продемонстрировали более высокие значения модуля упругости и коэффициентов демпфирования после цикла замораживания-размораживания (E’ пармезана увеличился с 3,02 до 3,87, а белого чеддера — с 0,39 до 0,60 МПа при 25 °C), что свидетельствует о том, что условия хранения влияют на материал и делают его значительно более жестким.
В таблице 1 приведены результаты для каждой пробы при заданной температуре 25 °C. Понимание взаимосвязи показателей E’ и E” важно для того, чтобы понять, как сыр будет восприниматься во время жевания: будет ли он сопротивляться или легко поддаваться давлению зубов [2].
Таблица 1: Сводные данные по показателям E', E'' и tan δ для белого чеддера и пармезана при температуре 25 °C
| Переменная | Незамороженный | Замороженный и размороженный | Увеличение после замораживания |
|---|---|---|---|
Белый чеддер | |||
| E' (МПа) | 0,39 | 0,60 | 1,54 |
| E'' (МПа) | 0,13 | 0,22 | 1,69 |
| tan δ | 0,36 | 0,37 | 1,12 |
Пармезан | |||
| E' (МПа) | 3,03 | 3,87 | 1,28 |
| E'' (МПа) | 1,10 | 1,50 | 1,36 |
| tan δ | 0,36 | 0,39 | 1,08 |
Интересно отметить, что эффект повышенной жесткости после замораживания более выражен при комнатной температуре, но значительно ослабевает по мере нагрева образцов (рис. 2c и 3c).
Наконец, важно отметить, что прибор DMA 303 Eplexor® способен достигать криогенных температур, и, следовательно, цикл замораживания-размораживания можно было бы провести непосредственно в самом приборе. Однако было обнаружено, что столбики сыра стали настолько жесткими, что для их динамической деформации требовалось усилие, превышающее возможности прибора. Для исследования этих материалов в процессе замораживания требуется прибор с более высоким усилием, такой как DMA 503 Eplexor®.
Капиллярная реометрия, экструзия и испытания на вытяжку
Капиллярные реометры серий « NETZSCH » Rosand RH2000 и RH7/10 обычно используются для изучения вязкости полимеров в расплаве. В данном случае мы поставили перед собой задачу измерить вязкость плавящегося сыра, например белого чеддера (пармезан плохо плавится), в зависимости от скорости сдвига. Измерение образца проводилось при температуре 65 °C, поскольку именно такая температура обычно используется для приготовления фондю — блюда, в котором растяжимость сыра играет действительно важную роль.
Помимо базовых измерений вязкости, приборы Rosand также позволяют с помощью различных аксессуаров и математических моделей определять дополнительные свойства, такие как усилие отрыва, набухание в матрице и вязкость при растяжении. Благодаря конструкции Rosand с двумя каналами можно использовать длинную матрицу и матрицу с отверстием для одновременного измерения образца и расчета вязкости сдвига и растяжения с использованием модели Когсвелла. С практической точки зрения это показывает, насколько растягивается расплав при заданной скорости сдвига, то есть насколько растянется расплавленный сыр, когда кусок пиццы отрывают с заданной скоростью. Свойства белого чеддера при сдвиге и растяжении показаны на рисунке 4. Белый чеддер продемонстрировал типичное для полимеров свойство сдвигового разжижения: вязкость образца уменьшалась с увеличением скорости сдвига.
Для ньютоновских материалов хорошо известно, что вязкость растяжения в три раза превышает вязкость сдвига. Для полимерных расплавов отношение вязкости растяжения к вязкости сдвига значительно выше и может достигать нескольких порядков величины. В данном случае было установлено, что у белого чеддера очень высокая вязкость растяжения — в несколько тысяч раз выше, чем вязкость сдвига. С практической точки зрения это означает, что белый чеддер сохраняет высокую вязкость (сравните, например, мед и воду) при сдвиге и, следовательно, с меньшей вероятностью разрывается. По мере того как чеддер подвергается сдвигу с более высокой скоростью, вязкость растяжения снижается. Следовательно, при оптимизации растягивания сыра поддержание достаточно высокой температуры и медленное растягивание позволят максимально увеличить расстояние, на которое чеддер может растягиваться.
Резюме
Тестирование с помощью термического анализа играет ключевую роль в пищевой промышленности и производстве напитков, помогая решать задачи от разработки рецептуры до определения срока хранения. В данной статье мы продемонстрировали, как различные приборы компании « NETZSCH » можно использовать не только для изучения влияния температуры хранения на свойства белого чеддера и пармезана, но и для измерения свойств в расплавленном состоянии, таких как удлинение белого чеддера. С помощью DMA 303 Eplexor®®механические свойства белого чеддера и пармезана сравнивались в диапазоне температур. Кроме того, было показано, что цикл замораживания-размораживания значительно увеличивает модуль упругости обоих сыров, что является важным фактором при транспортировке и обращении с продуктом. Для моделирования свойств расплава белого чеддера, в частности его растяжимости, использовалась модель « Rosand RH2000 ». С точки зрения пользователя это, по сути, модель процесса приготовления и последующего «растягивания» сыра — критически важной переменной для маркетинга и эксплуатационных характеристик.