Введение
Фруктовые жевательные конфеты вкусны и хороши в любое время года, будь то летом или зимой, в пустыне при температуре 50°C или на Северном полюсе при -40°C. Было бы неприятно, если бы эти "сладости" слипались при высоких температурах и образовывали некую клейкую массу - или если бы зуб отваливался при надкусывании на морозе. Эти примеры наглядно показывают, что: Фруктовые жевательные конфеты, по-видимому, обладают широким спектром упругих свойств, варьирующихся между мягкими и твердыми, а также сильно зависящих от температуры. Для определения вязко-упругих свойств используется динамический механический анализ. В сочетании с камерой влажности можно также регистрировать влияние сушки и увлажнения на их механическое поведение.
Какие механические свойства демонстрируют фруктовые жевательные конфеты из разных климатических зон
Для исследования были предоставлены фруктовые жевательные конфеты из следующих стран:
- Германия
- Нидерланды
- Австралия
- Новая Зеландия
- Россия
Наряду с фруктовыми жевательными конфетами на основе желатина classic в исследованиях участвуют и веганские виды. Динамико-механическое поведение всех видов будет регистрироваться и сравниваться при различных температурах. Измерения ДМА будут проводиться с помощью NETZSCH DMA Eplexor®, подключенного к Hygromator (дополнительный генератор влажности).
Желатин, его происхождение, функциональные свойства и альтернативы
Традиционно желатин [1, 2] является основным компонентом фруктовых жевательных конфет. Он, по сути, загущает вкусовые жидкие ингредиенты и, при правильном использовании, обеспечивает нужную температуру плавления и упругости при укусе, а также температуру плавления, подходящую для употребления. Как правило, "жевательные зверушки" заливаются и - до перехода в вязко-эластичную фазу - существуют в расплавленном виде в конце процесса формовки.
Желатин содержится не только во фруктовых жевательных конфетах, но и во многих других пищевых продуктах, например, в низкокалорийных продуктах, йогуртах, майонезах, аспиках, мясных пастах и многих сладостях. Исторически желатин также использовался в качестве клея на протяжении тысячелетий.
Желатин - это натуральный продукт, состоящий в основном из белка коллагена. В живых организмах белки выполняют три совершенно разные функции: а) как структурные белки (= склеропротеины), б) как мембранные белки и в) как глобулярные белки (= сферопротеины). Коллаген относится к склеропротеинам и состоит из 3 переплетенных полипептидных цепей (тройная спираль). Когда эти цепи объединяются, образуются коллагеновые фибриллы, которые на самом деле становятся трехмерными сетями благодаря поперечным связям, возникающим между тройными спиралями и таким образом механически стабилизирующим себя.
Для производства желатина необходимо разложить коллаген на отдельные полипептидные цепочки. Из-за нерастворимости сшивки в воде это сложный процесс, требующий использования химических веществ. +
Производство желатина начинается с коллагена животного происхождения. Животные белки получают из костей или из нижних слоев кожи. На микроскопическом уровне в коллагене видны спиралевидные структуры, которые затем размягчаются в химико-термическом процессе, чтобы их можно было разделить (так называемая мацерация). В результате получается "деминерализованный" лом, называемый оссеином, который и является тем самым сырьем, из которого изготавливают желатин.
Производство желатина позволяет добиться различной желирующей способности для различных применений. Прочность желирования описывается "числом Блума". Поскольку прочность желирования и, следовательно, число Блума зависят от температуры, для конкретного продукта можно выбрать наиболее подходящий желатин selected. Для более твердых фруктовых жевательных конфет используется желатин с более высоким значением числа Блума, чем для более мягких видов, которые содержат желатин с низким числом Блума.
Желатин является гидроколлоидом и может как связывать воду, так и набухать в воде. Он загущает, гелеобразует, стабилизирует, чрезвычайно эластичен и обладает термообратимым поведением, то есть желатин загустевает при охлаждении и плавится при нагревании. Это свойство также используется при производстве "мишек гамми" и было исследовано и оценено в ходе проведенных здесь измерений. Температура плавления также имеет особое значение для потребителя. Ведь "резиновое животное" должно таять во рту, сохраняя при этом определенную упругость.
arcПоиск альтернатив - связующих веществ чисто растительного происхождения, обладающих свойствами, аналогичными свойствам желатина, - уже начался, но полноценная замена пока не найдена. Необходимы рутинные методы тестирования, чтобы лучше описать альтернативные связующие и их влияние на материал [1], [2].
В настоящее время в качестве связующих материалов чисто растительного происхождения с целью замены желатина используются, в частности, следующие материалы [3]:
- Агар-Агар: Заменитель желатина
- Аквафаба: густая вода для варки нута, фасоли и других бобовых на растительной основе; заменитель яиц
- Пектин: растворимая клетчатка и желирующий агент на растительной основе картофель starch: связующие вещества
- Кукуруза starch: Заменитель starch, обычно не содержит глютена и лактозы
- Шелуха псиллиума: Набухающее вещество растительного происхождения
- Саго: Гранулированный Starch из маниока и картофеля; безвкусный загуститель
- Бобы саранчи (камедь): Натуральный загуститель
- Камедь редуктора: Загуститель и связующее вещество (E 412)
- Каррагин: Желирующий и загущающий агент на растительной основе (E407), полученный из красных водорослей
- Альгинат: Загущающий, желирующий и покрывающий агент (E 400 - E 405), полученный из водорослей
- Ксантановая камедь: Полисахарид природного происхождения, добавка, полученная из бактерий (E 4015), для использования в качестве желирующего и загущающего агента
- Arrowroot starch: Безглютеновый связующий агент; заменитель яиц
Эти альтернативы также являются гидроколлоидами, как и желатин. Они используются в пищевой промышленности благодаря своим функциональным свойствам; эти свойства, однако, не настолько полны, чтобы можно было заменить ими желатин [2].
Поскольку в веганских фруктовых жевательных конфетах также используются связующие вещества, которые до сих пор были редкостью, и их действие еще не очень хорошо изучено, в этой области существует необходимость включения в исследования продуктов с веганскими связующими веществами.
Результаты динамико-механических испытаний с использованием NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
Фруктовые жевательные конфеты, насколько они были доступны в форме, которую можно было легко исследовать в испытании на растяжение, были selectсоответствующим образом. Другие были вырезаны в форме, пригодной для испытания в охлажденном состоянии.
Изменения поперечного сечения во время испытания и площади поперечного сечения, которые невозможно точно зарегистрировать для образцов неправильной формы, не влияют на демпфирование и, следовательно, на температуру размягчения.
Параметры измерения
В первой части испытания все образцы фруктовых жевательных конфет были подвергнуты температурной обработке в диапазоне от -60°C до +40°C на приборе DMA Eplexor®, чтобы сравнить зависящую от температуры стабильность (комплексный модуль упругости или просто модуль E) и связанную с ним вязкоупругую способность различных фруктовых жевательных конфет. Для этого образцы сначала охлаждали в испытательном приборе примерно до -60°C. Чтобы установить постоянную температуру в образце, перед измерением в каждом случае устанавливается изотермическая фаза продолжительностью 15 минут, после чего измерения проводятся со скоростью нагрева 0,5 К/мин. Измерения температуры проводятся в непосредственной близости от образца с помощью камерного термометра, который находится в камере для образцов с интенсивной циркуляцией воздуха.
Во второй части эксперимента динамико-механическое поведение образца вегана из Германии и образца на основе желатина из Нидерландов исследуется во время сушки и при поглощении влаги на сайте Eplexor®, оборудованном Hygromator (камера влажности).
Поведение фруктовых жевательных конфет в зависимости от температуры
Немецкие жевательные мишки доступны в веганском (зеленом, называемом "полоски") и желатиновом (красном, называемом "картофель фри") вариантах для измерений DMA.
Заметно (рисунок 1), что веганские фруктовые жевательные конфеты имеют более высокий модуль Юнга при всех температурах, то есть они более жесткие, чем жевательные конфеты на основе желатина. Размягчение веганских полосок (зеленая кривая, Tg = 11,6°C) происходит при более высоких температурах, чем у картофеля фри на основе желатина (красная кривая, Tg= -0,4°C).
Этот объективный результат также соответствует результатам сенсорных исследований, полученных при откусывании и дегустации: Веганские образцы более твердые на ощупь, в то время как образцы на основе желатина имеют более насыщенный вкус при плавлении.
Голландские мишки Гамми
Из Нидерландов для тестирования предлагаются варианты на основе желатина. Частично неправильная геометрия мишек-гамми формируется в виде образцов путем штамповки в охлажденном состоянии. При обработке эти продукты выглядят как относительно жесткие фруктовые жевательные конфеты. Измеренные точки размягчения находятся в диапазоне от -6°C до 0°C.
На рисунке 2 показаны различные кривые измерения модуля упругости и демпфирования. Мягкий гумми (синяя кривая) демонстрирует различия в температуре размягчения (-2,4°C) по сравнению с двумя другими видами фруктовых гумми, Лиано-Кассис (-5,1°C, красная кривая) и Клубника (-4,9°C, зеленая кривая). Именно поэтому образец мягкого гумми имеет самую широкую кривую демпфирования и самое раннее снижение модуля Юнга в зависимости от температуры. Таким образом, образец мягкого гумми имеет самое низкое демпфирование в диапазоне комнатных температур среди всех сравниваемых образцов, и этот материал кажется потребителю более мягким, чем клубника и лиана-кассис.
Несмотря на то, что демпфирование очень похоже у образцов Liane-Cassis и Strawberry, модуль упругости E у Strawberry всегда выше, чем у Liane-Cassis, что также отражается на упругости при раскусывании.
Более низкое демпфирование (tan δ) образца Liane-Cassis (красные кривые) можно наблюдать на практике благодаря более длительному процессу плавления и деформации, чем у Strawberry (зеленая кривая). Кроме того, Liane-Cassis демонстрирует более интенсивное сцепление с зубами.
Веганские образцы из Австралии и Новой Зеландии
Оба образца предлагаются на рынке с высокими средними температурами наружного воздуха, что предъявляет особые требования к стабильности размеров и липкости фруктовых жевательных конфет. Оба образца поставляются в форме кубоида или фольги, уже подходящей для испытания на растяжение, и их нужно только разрезать или дополнительно сложить, чтобы отрегулировать толщину образца для проведения испытания. В то время как один образец (зеленые кривые) специально обозначен как веганский, второй образец (синие кривые) не заявляет об этом в явном виде.
Очевидно (рисунок 3), что продукты из региона Океании имеют самую высокую температуру размягчения (19,6°C и 24,3°C) из всех исследованных фруктовых жевательных конфет. В частности, кубовидные образцы относительно жесткие вплоть до точки замерзания и имеют самые высокие модули E.
Российские фруктовые жевательные конфеты на основе желатина для регионов с холодным климатом
Два российских фруктовых жевательных конфеты на основе желатина, которые мы исследовали, имеют форму медведей (синие кривые) и червей (красные кривые). Форма медведя требует штамповки, в то время как червяки могут быть непосредственно помещены в DMA. Хотя размягчение червей начинается при несколько более высоких температурах (Tg = -0,9°C, красная кривая), чем медведей (Tg = -4,4°C, синяя кривая), они обладают одинаковой жесткостью в момент размягчения.
Модуль упругости E медведей при температуре обслуживания ниже, чем у червей (синие кривые, рис. 4), что обусловлено особенностями материала. Черви размягчаются при несколько более высоких температурах (3,5°C, красные кривые), чем медведи. Соответственно, вкусовые свойства двух видов фруктовых жевательных конфет также очень похожи.
Поведение фруктовых жевательных конфет в зависимости от влажности
Зависимость образцов от влажности исследуется, как и в случае с температурными развертками, в режиме растяжения при 35°C. Температура поддерживается постоянной в течение всего эксперимента.
На первом этапе эксперимента веганские немецкие и голландские образцы на основе желатина подвергаются воздействию влажности в камере 20% RH, которая создается и поддерживается на постоянном уровне с помощью NETZSCH GABO Hygromator (генератор влажности).
Этот шаг соответствует процессу сушки, чтобы перейти от влажности окружающей среды, которая в этих странах составляет от 50 до 60 % RH в зависимости от сезона, к "квази" высушенному состоянию при 20 % RH. Для этой серии испытаний фруктовые жевательные конфеты должны быть доступны в высушенном состоянии с одинаковой влажностью для сравнения. Для этого два образца высушивались в течение примерно 1 ч и регистрировался временной ход их модуля Юнга. Затем высушенные таким образом образцы подвергались воздействию влажности в камере 50 % в течение часа, а затем влажности в камере 90 % в течение еще одного часа. Полученные в результате изменения модуля Юнга в зависимости от времени и влажности в камере, преобладающей в каждый момент времени, показаны на рисунке 5 для веганского (красные кривые) и желатиносодержащего образца (синие кривые).
На рисунке 5 показано сходное временное поведение для веганских и желатиновых фруктовых жевательных конфет, причем веганские типы всегда демонстрировали более высокий модуль E и более низкую чувствительность к влажности в настоящих исследованиях. Общим для обоих видов является увеличение модуля упругости при высушивании (здесь при 20% относительной влажности) и уменьшение при воздействии влаги (здесь при 50% относительной влажности и 90% относительной влажности). Для образцов, высушенных при 20 % относительной влажности, увлажнение проявляется уже после извлечения из хранилища при 50 % относительной влажности, что видно по изменению модуля упругости.
Резюме
На сайте NETZSCH DMA Eplexor® представлена рутинная процедура оценки потребительских свойств продуктов, таких как фруктовые жевательные конфеты, что позволяет улучшить качество продукции и разработать новые продукты.
Температурные зависимости модуля упругости (жесткости) и демпфирования тесно связаны с упругостью и плавлением фруктовых жевательных конфет. Знание зависимостей от влажности, с другой стороны, имеет большее значение для оценки условий хранения.
Для разработки новых видов фруктовых жевательных конфет, особенно с новыми связующими для вегетарианцев, динамико-механический анализ дает возможность заранее регистрировать термические и механические свойства в лаборатории и, таким образом, более целенаправленно и быстро выводить продукцию на рынок. Условия хранения и обработки, а также параметры влажности и температуры также могут быть смоделированы с помощью измерений DMA.