Inledning
Fruktgummier är utsökta och smakar gott året runt, oavsett om det är sommar eller vinter, i öknen vid 50 °C eller på Nordpolen vid -40 °C. Det skulle vara obehagligt om dessa "sötsaker" skulle klibba ihop vid höga temperaturer och bilda en slags sammanhängande, klibbig massa - eller om en tand skulle falla av när man biter på dem i kylan. Dessa exempel gör det klart att: Fruktgummier verkar uppvisa ett brett spektrum av elastiska egenskaper, som varierar mellan mjuka och hårda och som också påverkas starkt av temperaturen. Dynamisk mekanisk analys används för att karakterisera viskoelastiska egenskaper. I kombination med en fuktkammare kan man även registrera hur torkning och befuktning påverkar det mekaniska beteendet.
Vilka mekaniska beteenden uppvisar fruktgummier från olika klimatzoner
Fruktgummier från följande länder fanns tillgängliga för undersökning:
- Tyskland
- Nederländerna
- Australien
- Nya Zeeland
- Ryssland
Förutom classic, gelatinbaserade fruktgummier, ingår även veganska typer i studierna. Det dynamiskt-mekaniska beteendet hos alla typer kommer att registreras och jämföras vid olika temperaturer. DMA-mätningarna kommer att utföras med hjälp av en NETZSCH DMA Eplexor® som är ansluten till en HYGROMATOR® (valfri fuktgenerator).
Gelatin, dess ursprung, funktionella egenskaper och Alternativ
Traditionellt sett är gelatin [1, 2] huvudkomponenten i fruktgummier. Det förtjockar i huvudsak de smaksättande flytande ingredienserna och ger, när det används korrekt, rätt Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning och fasthet i bettet samt Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur som är lämplig för konsumtion. I allmänhet hälls "gummidjuren" och - före övergången till den viskoelastiska fasen - finns i smält form i slutet av gjutningsprocessen.
Gelatin finns inte bara i fruktgummier utan också i många andra livsmedelsprodukter, t.ex. lågkalorimat, yoghurt, majonnäs, aspik, köttpastor och många sötsaker. Historiskt sett har gelatin också använts som lim i tusentals år.
Gelatin är ett naturligt livsmedel som huvudsakligen består av kollagenprotein. Proteiner har tre mycket olika funktioner i levande organismer, a) som strukturproteiner (= skleroproteiner), b) som membranproteiner och c) som klotformiga proteiner (= sfäroproteiner). Den kollagena varianten hör till skleroproteinerna och består av 3 sammanflätade polypeptidkedjor (trippelhelix). När dessa kedjor grupperar sig bildas kollagenfibriller; dessa blir faktiskt 3-dimensionella nätverk på grund av tvärbindningar som uppstår mellan trippelhelixarna och därmed stabiliserar sig själva mekaniskt.
Nedbrytningen av kollagen till enskilda polypeptidkedjor är nödvändig för produktionen av gelatin. På grund av tvärbindningens olöslighet i vatten är detta en komplex process som kräver användning av kemikalier. +
Gelatinproduktionen börjar med kollagen av animaliskt ursprung. De animaliska proteinerna härstammar från ben eller tas från nedre hudlager. Sett på mikroskopisk nivå har kollagenet helixliknande strukturer som sedan mjukas upp i en kemisk-termisk process så att de kan separeras (så kallad maceration). Resultatet är "demineraliserat" skrot, kallat ossein, som är det faktiska råmaterialet som gelatin tillverkas av.
Gelatinproduktion gör det möjligt att uppnå olika gelningsstyrkor för olika applikationer. Geleringsstyrkan beskrivs med "Bloom-talet". Eftersom geleringsstyrkan, och därmed Bloom-numret, beror på temperaturen kan det lämpligaste gelatinet väljas för en viss produkt. För fastare fruktgummier används gelatin med ett högre Bloom-värde än för mjukare typer, som innehåller gelatin med låg Bloom.
Gelatin är en hydrokolloid och kan både binda vatten och svälla i vatten. Det tjocknar, gelar, stabiliserar, är extremt elastiskt och uppvisar ett termoreversibelt beteende, dvs gelatin gelar när det kyls och smälter när det värms upp. Denna egenskap används också vid tillverkningen av "gummibjörnar" och undersöktes och utvärderades i de mätningar som utfördes här. Smältpunkten är också av särskild betydelse för konsumenten. "Gummidjuret" måste trots allt smälta i munnen och samtidigt ha en viss fasthet.
Sökandet efter alternativ - bindemedel av rent vegetabiliskt ursprung som har egenskaper som är lika gynnsamma som de som finns i gelatin - har påbörjats, men en fullständig ersättning har ännu inte hittats. Det finns ett behov av rutinmässiga testmetoder för att bättre beskriva de alternativa bindemedlen och deras effekt på materialet [1], [2].
För närvarande används bl.a. följande material som bindemedel av rent vegetabiliskt ursprung i syfte att ersätta gelatin [3]:
- Agar-Agar: Gelatinersättning
- Aquafaba: Tjockt kokvatten av växtbaserade kikärter, bönor och andra baljväxter; äggsubstitut
- Pektin: Löslig fiber och det växtbaserade geleringsmedlet potatisstärkelse: bindemedel
- Majsstärkelse: Ersättare för stärkelse, i allmänhet gluten- och laktosfri
- Psylliumskal: Växtbaserat svällmedel
- Sago: Granulerad stärkelse från maniok och potatis; smaklöst förtjockningsmedel
- Johannesbröd (tuggummi): Naturligt förtjockningsmedel
- Växttrådgummi: Förtjocknings- och bindemedel (E 412)
- Karragen: Växtbaserat gelerings- och förtjockningsmedel (E407), utvunnet ur rödalger
- Alginat: Förtjocknings-, gelerings- och ytbehandlingsmedel (E 400 till E 405), framställt av alger
- Xantangummi: Naturligt förekommande polysackarid, tillsats framställd av bakterier (E 4015) för användning som gelerings- och förtjockningsmedel
- Arrowrootstärkelse: Glutenfritt bindemedel; äggsubstitut
Dessa alternativ är också hydrokolloider som gelatin. De används inom livsmedelsindustrin på grund av sina funktionella egenskaper; dessa egenskaper är dock inte så omfattande att de möjliggör en allmän ersättning av gelatin med dem [2].
Eftersom veganska fruktgummier också använder bindemedel som hittills har varit ovanliga, och deras effekt ännu inte är väl förstådd, finns det ett behov inom detta område att inkludera produkter med veganska bindemedel i undersökningarna.
Resultat av dynamiskt-mekaniskt test med NETZSCH GABO Eplexor® 500 N
I den mån de fanns tillgängliga i former som lätt kunde undersökas i dragprovet, valdes fruktgummier ut i enlighet därmed. Andra stansades ut till en form som var lämplig för provning i kylt tillstånd.
Förändringar i tvärsnitt under provningen och tvärsnittsytor som inte kan registreras exakt för oregelbundet formade provkroppar påverkar inte dämpningen och därmed inte heller mjukningstemperaturen.
Mätning av parametrar
I den första delen av testet utfördes temperatursvep i intervallet från ca -60°C till +40°C på alla fruktgummiprover med hjälp av DMA Eplexor® för att kunna jämföra den temperaturberoende stabiliteten (komplex Elastisk modulDen komplexa modulen (den elastiska komponenten), lagringsmodulen eller G', är den "verkliga" delen av provets totala komplexa modul. Den elastiska komponenten indikerar den fasta responsen, eller responsen i fas, hos det prov som mäts. elasticitetsmodul eller bara E-modul) och den tillhörande viskoelasticiteten hos de olika fruktgummierna. För detta ändamål kyldes proverna inledningsvis till ca -60°C i testinstrumentet. För att få en konstant temperatur i provet ställs en IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermisk fas på 15 min in i varje fall före mätningen, följt av en mätning med en uppvärmningshastighet på 0,5 K/min. Temperaturmätningarna utförs nära provet med kammartermometern, som är placerad i en provkammare med intensiv luftcirkulation.
I den andra delen av försöket undersöks det dynamiskt-mekaniska beteendet hos ett veganprov från Tyskland och ett gelatinbaserat prov från Nederländerna under torkning och under fuktabsorption i Eplexor®, som är utrustad med en HYGROMATOR® (fuktkammare).
Temperaturberoende beteende hos fruktgummier
De tyska gummibjörnarna finns tillgängliga som veganska (gröna, kallade "strips") och gelatinbaserade (röda, kallade "pommes frites") för DMA-mätningarna.
Det märks (figur 1) att de veganska fruktgummierna uppvisar en högre Young-modul vid alla temperaturer, dvs. de är styvare än de gelatinbaserade gummierna. De veganska remsorna (grön kurva, Tg = 11,6°C) mjuknar dessutom vid högre temperaturer än de gelatinbaserade pommes fritesen (röd kurva, Tg= -0,4°C).
Detta objektiva resultat överensstämmer också med de sensoriska resultaten från bitning och provsmakning: De veganska proverna är fastare att bita i medan de gelatinbaserade proverna smakar mer intensivt när de smälts.
Holländska gummibjörnar
Från Nederländerna finns gelatinbaserade versioner tillgängliga för testning. De delvis oregelbundna geometrierna hos gummibjörnarna formas till provform genom stansning i kylt tillstånd. Vid hantering framstår dessa produkter som relativt styva fruktgummier. De uppmätta mjukningspunkterna ligger i intervallet -6°C till 0°C.
Figur 2 visar de olika mätkurvorna för |E*|-modul och dämpning. Den mjuka gummin (blå kurva) uppvisar skillnader i mjukningstemperatur (-2,4°C) jämfört med de andra två fruktgummityperna, Liane-Cassis (-5,1°C, röd kurva) och Strawberry (-4,9°C, grön kurva). Det är därför som det mjuka gummiprovet har den överlägset bredaste dämpningskurvan och den tidigaste minskningen av Youngs modul i förhållande till temperaturen. Det mjuka gummiprovet har således den lägsta dämpningen i rumstemperaturområdet av alla prover som jämförs, och materialet verkar mjukare för konsumenten än både Strawberry och Liane-Cassis.
Även om dämpningen är mycket likartad för Liane-Cassis och Strawberry, är E-modulen för Strawberry alltid högre än för Liane-Cassis, vilket också återspeglas i fastheten vid bitning.
Den lägre dämpningen (tan δ) hos Liane-Cassis-provet (röda kurvor) kan ses i praktiken på grund av en längre smält- och deformationsprocess än hos Strawberry (grön kurva). Dessutom uppvisar Liane-Cassis en mer intensiv vidhäftningseffekt till tänderna.
Veganprover från Australien och Nya Zeeland
Båda proverna erbjuds på en marknad med höga genomsnittliga utomhustemperaturer, vilket ställer särskilda krav på dimensionell stabilitet och KlibbighetKlibbighet beskriver interaktionen mellan 2 lager av identiska (autohesion) eller olika (kohesion) material i termer av ytans klibbighet.klibbighet hos fruktgummierna. Båda proverna finns i form av en kub eller folie som redan är anpassade för dragprovet, och behöver bara skäras eller vikas ytterligare för att justera provets tjocklek för att utföra testet. Medan det ena provet (gröna kurvor) specifikt betecknas som veganskt, gör det andra provet (blå kurvor) inte uttryckligen detta anspråk.
Det är uppenbart (figur 3) att produkterna från Oceanic-regionen har de högsta mjukningstemperaturerna (19,6°C och 24,3°C) av alla undersökta fruktgummier. I synnerhet är de kubformade proverna relativt styva upp till fryspunkten och har de högsta E-modulerna.
Ryska gelatinbaserade fruktgummier för kallt klimat Regioner
De två ryska gelatinbaserade fruktgummier som undersökts här är i form av björnar (blå kurvor) och maskar (röda kurvor). Björnformen krävde stansning, medan maskarna kunde sättas in direkt i DMA. Även om maskarnas mjukning börjar vid något högre temperaturer (Tg = -0,9°C, röd kurva) än björnarnas (Tg = -4,4°C, blå kurva), uppvisar de två liknande styvhet vid mjukningstillfället.
Björnarnas E-modul vid serveringstemperaturer är lägre än maskarnas (blå kurvor, figur 4) på grund av materialet. Maskarna mjuknar vid något högre temperaturer (3,5°C, röda kurvor) än björnarna. Följaktligen är de gustatoriska egenskaperna hos de två fruktgummityperna också mycket lika.
Fuktberoende beteende hos fruktgummier
Provernas fuktberoende undersöks, precis som för temperatursvepen, i dragläge vid 35°C. Temperaturen hålls konstant under hela försöket.
I experimentets första steg utsätts de tyska och holländska gelatinbaserade veganproverna för en luftfuktighet i kammaren på 20% RH, som genereras och hålls konstant av NETZSCH GABO HYGROMATOR® (luftfuktighetsgenerator).
Detta steg motsvarar en torkningsprocess för att komma från omgivande luftfuktighet, som i dessa länder är cirka 50-60% RH beroende på säsong, till ett "kvasi-torkat" tillstånd vid 20% RH. För denna testserie bör de fruktgummier som ska testas vara tillgängliga i ett torkat, identiskt fukttillstånd för jämförelsesyften. För detta ändamål torkades de två proverna i ca 1 timme och det tidsmässiga förloppet för deras Young's modul registrerades. De på detta sätt torkade proverna utsattes sedan för en luftfuktighet på 50% i kammaren under ca en timme och därefter för en luftfuktighet på 90% i kammaren under ytterligare en timme. De resulterande tidsberoende förändringarna i Youngs modul och den rådande luftfuktigheten i kammaren vid varje tidpunkt visas i figur 5 för ett veganskt prov (röda kurvor) och ett gelatininnehållande prov (blå kurvor).
I figur 5 visas ett liknande tidsbeteende för de veganska och gelatinbaserade fruktgummierna, där de veganska typerna alltid uppvisar högre E-modul och lägre fuktkänslighet i de aktuella undersökningarna. Gemensamt för båda är en ökning av E-modulen vid torkning (här vid 20 % RH) och en minskning vid exponering för fukt (här vid 50 % RH och 90 % RH). För provkropparna som torkats vid 20 % RH sker en befuktning redan när de tas ut från förvaring vid 50 % RH, vilket framgår av E-modulens utveckling.
Sammanfattning
NETZSCH DMA Eplexor® erbjuder ett rutinförfarande för utvärdering av konsumentrelevanta produktegenskaper hos livsmedel som t.ex. fruktgummier, vilket kan användas för produktförbättring och nyutveckling.
Temperaturberoendet hos E-modulen (styvhet) och dämpningen är nära relaterat till fruktgummins fasthet, bittfasthet och smältbeteende. Kunskap om fuktberoendena är å andra sidan av större värde för att utvärdera lagringsförhållandena.
För utveckling av ytterligare typer av fruktgummier, särskilt med nya bindemedel för veganska kunder, erbjuder dynamisk-mekanisk analys möjligheten att registrera både termiska och mekaniska egenskaper i laboratoriet i förväg och därmed lansera produkterna på marknaden på ett mer målinriktat sätt och snabbare. Lagrings- och bearbetningsförhållanden tillsammans med parametrarna fukt och temperatur kan dessutom simuleras med hjälp av DMA-mätningar.