Inledning
Dynamisk mekanisk analys (DMA) används främst för att analysera polymera material, men tekniken kan också tillämpas inom en rad andra områden. Bland dessa finns olika tillämpningar inom livsmedels- och dryckesindustrin - till exempel analys av gummibjörnsformuleringar, vilket demonstrerats av Mucha et al [1]. Inom industrin används ofta mekanisk karakterisering för att bedöma produktkvalitet och konsistens inom livsmedelsområdet. DMA 303 Eplexor®® är en mångsidig stationär enhet som kan mäta i ett temperaturområde från -170°C till 800°C (-274°F till 1472°F) med en total kraft på 50 N (statiskt plus dynamiskt), vilket gör den perfekt lämpad för sådana tillämpningar.
Varje person som beställer en biff kan berätta för dig hur den ska tillagas på rätt och fel sätt. Problemet är att varje person du frågar kommer att ha ett annat svar. När det gäller en god biff finns det vanligtvis två huvudvariabler: mörhet och saftighet. Mörhet är i huvudsak en mekanisk egenskap som beskriver hur mjukt och segt köttet är. Hur saftig biffen är beror på fettinnehållet och fettfördelningen, mognadsprocessen och hur den tillagats. När det gäller stekyta är innertemperaturen för biffar 125°F (52°C) för rare, 130-135°F (54-57°C) för medium-rare, 135-140°F (57-60°C) för medium, 140-150°F (60-66°C) för mediumwell och 155°F (68°C) eller högre för well-done [2]. Alla vet att biffen blir hårdare ju längre den tillagas, men hur mäter vi egentligen detta? Är det möjligt att kvantitativt bedöma hur mör biffen är under tillagningsprocessen?
Förutom den enkla tillagningstiden finns det flera andra faktorer som påverkar kvaliteten på den slutliga rätten. Dyrare styckningsdelar kommer vanligtvis från områden med mindre ansträngda muskler, vilket leder till förbättrad mörhet. Dessutom spelar köttets fetthalt en viktig roll. Ökad marmorering leder till saftigare och mörare kött, medan magrare styckningsdelar har en större muskelfibertäthet med mer protein men är totalt sett en hårdare produkt.
För att bestämma de dynamiskt-mekaniska egenskaperna hos biffprover valde vi att undersöka en relativt billig styckningsdetalj som kallas "skirt-steak" och som är välkänd för sitt höga innehåll av muskelfibrer.
Vi hade två primära mål:
a) att se hur mycket den inre temperaturen påverkar de mekaniska egenskaperna, och
b) hur fiberriktningen påverkar känslan av mörhet. Utöver den vetenskapliga nyfikenheten är data som denna viktiga för kvalitetskontrollen och för nya industrier som utformar köttalternativ/ersättningsmedel.
DMA-undersökning av färskhet
Prover på råa biffar (13 mm i diameter och 6 mm i höjd) togs fram för mätning (figur 1a). Proverna mättes i kompression för att på bästa sätt simulera hur provet skulle uppfattas när det tuggas. DMA:ns termoelement sattes in direkt i provkroppens mittpunkt för att mäta den inre temperaturen, figur 1b). En kontaktkraft på 1,0 N användes för att initialt platta till provet och säkerställa en jämn kontaktyta med tryckstången. En dynamisk amplitud på 20 μm applicerades med en proportionell faktor på 1,1 över temperaturintervallet 30-80°C med en värmehastighet på 1 K/min (55 minuters total körtid). Det färdigkokta provet efter testning visas i figur 1c).
Resultat av mätning
Resultaten av tryckprovningen visas i figur 2) och sammanfattas i tabell 1). Lagringsmodulen (E') korrelerar med materialets förmåga att elastiskt lagra energi. Under tillagningen ökar E' vanligtvis i takt med att biffen blir fastare och tuggigare. Förlustmodulen (E") beskriver materialets förmåga att avleda energi, vanligtvis genom inre friktion och visköst beteende. En hög E'' indikerar att biffen avger mer energi under deformation genom tuggning. Värdena för E' och E" är kopplade till strukturella förändringar som sker under tillagningsprocessen: muskelfibrerna drar ihop sig och förlorar vatten, vilket resulterar i både en fastare konsistens och en ökning av den inre friktionen.
Tabell 1: Absolut modul och ökning av de mekaniska egenskaperna hos skivorna av entrecôte i förhållande till innertemperatur och stekhetta
| Stekbarhet | Inre temperatur (°C) | |E| (MPa) | Modulökning jämfört med rå |
|---|---|---|---|
| Rå (blå sällsynt) | 45 | 0.27 | 1.0 |
| Sällsynt | 52 | 0.41 | 1.5 |
| Medium-sällsynta | 56 | 0.72 | 2.6 |
| Medium | 58 | 0.86 | 3.2 |
| Medium-brunn | 62 | 1.20 | 4.4 |
| Väl utförd | 72 | 3.74 | 12.7 |
Därför är målet med tillagningsprocessen att ge måttliga värden på både E' och E" där biffen är strukturerad och behagligt seg, men fortfarande saftig. Om tillagningsprocessen skulle fortsätta längre än till den punkt då köttet är genomstekt (visas inte här), smälter kollagen till gelatin och muskelfibrerna slappnar av, vilket minskar friktionen och får E" att sjunka.
Dämpningsfaktorn (betecknad tan δ) är förhållandet mellan E" och E' och beskriver hur elastiskt eller visköst materialet beter sig. Storleken på E' är mycket större än E", vilket tyder på att materialet huvudsakligen beter sig elastiskt och blir styvare med ökande temperatur. Intressant nog minskar dämpningsfaktorn först för att sedan öka igen, vilket tyder på att olika temperaturer under tillagningsprocessen leder till små förändringar i dämpningsegenskaperna. Eftersom fuktförlust och fettavsmältning sker samtidigt under tillagningen är denna effekt inte oväntad.
Det absoluta värdet av den komplexa modulen |E| beskriver ett materials totala motståndskraft mot deformation under oscillerande spänning och kombinerar både dess viskösa och elastiska komponenter. I tabell 1 sammanfattas hur denna egenskap förändras med den inre temperaturen. En sällsynt biff har en 1,5x högre tryckmodul jämfört med rå, medan välstekt har en 12,7x högre modul. Detta resultat tyder på en icke-linjär korrelation mellan mörhet och innertemperatur.
Fibereffekt på ömhet
Doneness ensam påverkar inte hur öm den slutliga biffen är. Skirt steak är en relativt billig styckningsdetalj från kons buk och mellangärde och är känd för att vara mager och ha en hög TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet av muskelfibrer. Därför spelar det sätt på vilket biffen skärs och serveras en large roll för hur mör den blir. Här testade vi tillagade bitar av skirt steak i dragläge, skurna antingen längs muskelfibern eller mot fibern, vars resultat visas i figur 3. I figur 3 kan man se att provet som skurits i linje med muskelfibern (orange linje) har en 6,7 gånger högre absolut dragmodul än de som skurits vinkelrätt mot fiberriktningen (blå linje). Denna ökning av den absoluta dragmodulen korrelerar med att köttet blir mindre mört. Den enkla tekniken att skära den tillagade biffen i tunna skivor mot fiberriktningen resulterar därför i betydligt mörare kött.
Sammanfattning
DMA 303 Eplexor® erbjuder ett brett frekvens-, kraft- och temperaturområde, vilket gör den till ett idealiskt instrument för dynamiskt-mekaniska mätningar inom en mängd olika tillämpningsområden. Här beskriver vi instrumentets förmåga att noggrant mäta mörheten hos en biffbit både i kompression för att simulera tuggning och i spänning för att undersöka muskelfiberriktningens inverkan.
DMA 303 Eplexor® kan inte bara användas för att karakterisera kött, utan även många andra provtyper inom livsmedels- och dryckesindustrin. Resultat som dessa kan användas när man utformar växtbaserade köttsubstitut för att på bästa sätt efterlikna den konventionella produkten.