Динамические реологические и тепловые характеристики карамели

Авторы: H.S. Ramaswamy , P.K. Pandey

Источник: Swiss Society of Food Science and Technology. Published by Elsevier Ltd

         Резюме

         Малоамплитудные динамические вязкоупругие свойства трех различных коммерческих формулировок карамели были изучены в диапазоне температуры и частоты 20–80 °C и 0,1-10 Гц, соответственно, с использованием контролируемых уровней реометра. Динамичные результаты показали вязкое поведение для образцов карамели: величины вязкого модуля (G'') были выше, чем таковые для упругого модуля (G'), и оба увеличились с угловыми частотами (ω). Температура значительно (P<0.05) воздействовала как на G', так и G''; однако изменение было незначительным при высоких температурах и частоте. Динамические-модульно-частотные данные  были  приспособлены соответственно энергетическими соотношениями и параметры регрессии не изменялись в зависимости от температуры. Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) использовалась при исследовании  тепловых переходов карамели. Изменение в температуре перехода (Tg) было замечено во время теплового просмотра (охлаждение и нагревание) образцов карамели. Плавление и температура кристаллизации были различны для карамели разных видов. Температура тестирования и изменение в составах приводили к отличиям в реологических параметрах,  температуры плавления и кристаллизации карамели.

 

1. Введение

Карамель - одна из самых универсальных и широко используемый кондитерских продуктов после шоколада.  Шоколад и шоколадные кондитерские изделия насчитывают около 50% по объему и 60% в стоимостном выражении   кондитерской промышленности по всему миру. Композиционно, карамель и ирис являются идентичными, за исключением разницы в содержании влаги в готовой продукции. Влажность ириса составляет 3-6% , он имеет более темный цвет, в то время карамель содержит 6-12% влаги и  по цвету светлее.  Свойства карамели могут варьироваться в зависимости от конкретных целей и регулируются окончательным составом. Она включена в  широкий ассортимент кондитерских изделий.

Карамель состоит, в основном, из смеси нескольких ингредиентов, и каждый ингредиент играет важную роль в разработке продукта и характеристик. Как правило, изготавливается путем нагрева смеси сиропа глюкозы, молока и растительных жиров при температуре в диапазоне от 118 до 130 °C (Минифи, 1989). Нагревание увеличивает реакцию высушивания карамели и регулирует влажность готовой продукции. Реакция Майяра (неферментативный браунинг) ответственна за большую часть цвета и развития аромата с главным продуктом реакции, сформированным также с помощью многих других составов (deMan, 1990). Количество и тип редуцирующих сахаров управляют реакцией браунинга, в то время как основанные на жире компоненты обеспечивают желаемую структуру, вкусовые ощущения и срок годности. Различные сахара, в том числе сахароза, кукурузный сироп, инвертный сахарный сироп, декстроза, лактоза были использованы в качестве вуглеводного источника, а молоко и / или растительные жиры были добавлены в виде источника жира, чтобы обеспечить структуру карамели. В последнее время различные ингредиенты молока быливключены в состав карамели в качестве источника белка. Тип и количество белка балансируют состав карамели. Концентраты протеина сыворотки обеспечивают рентабельную альтернативу для изготовления карамели с  высокой пищевой ценностью и поддерживают отличное состояние процесса. Оптимальная смесь углеводов, протеинов и жиров в карамельной продукции в значительной степени определяет реологические, тепловые и структурные свойства, и, таким образом, влияет на эксплуатационные и функциональные свойства.

         Взаимодействия трех основных компонентов, а именно, углеводы, белки и жиры наряду с водой и другим незначительными добавками при перемешивания и нагреве дают интересную комбинацию в составе продукта. Белки молока играют главную роль в изменении функциональных свойств карамели, в то время как углеводы способствуют внесению изменений в окончательный состав. Использовались разные подходы, чтобы измерить состав и физико-химические свойства карамели. Среди различных методов, используемых для оценки структурных особенностей, реологические измерения были рассмотрены как ценный инструмент, позволяющий обеспечить понимание основных структурных элементов продовольствия и играющий важную роль в процессе производства пищевых продуктов, таких как карамель, поскольку могут возникнуть проблемы  из-за липкой природы продукта. Тесты малой амплитуды колебательного сдвига (SAOS) позволяют проводить измерения динамических реологических функций, не изменяя внутренней структуры сети тестируемых материалов, и являются гораздо более надежными и  информативными, чем постоянный сдвиг измерений.  Такие подробные исследования реологических свойств карамели помогают лучшим образом  охарактеризовать их структуру и фазовое поведение. Они предлагают значительно лучшие коммерческие условия за счет улучшенного дизайна продукта, выбрав правильные ингредиенты на основе функций  обеспечения наилучшего контроля  качества конечного продукта, повысить срок годности и стабильности, содействовать лучшей совместимости  оборудование для производства. Исследования влияния температуры на реологические свойства карамели ограничены.

         В недавних исследованиях пищевой отрасли ученые сделали значительный акцент на  фазовые диаграммы систем продовольственного снабжения. Материалы с аморфной или частично аморфной структурой подвергаются переходу из твердого состояния в  вязкое в определенном для материала  рабочем диапазоне температур, которая часто рассматривает как температура одной точки и  называется  температурой перехода (Tg). Однако переход происходит в интервале температур, а не в одной точке. При повышении температуры выше Т, некоторые физические свойства материала могут изменяется, среди них наиболее важными  являются увеличение свободного молекулярного объема, увеличение теплоемкости (Ср), увеличение теплового коэффициента расширения и коэффициента диэлектрических изменений  вязко-упругих свойств. Углеводы  играют важную роль при влиянии на температуру перехода систем продовольствия, в то время как эффект белка и жира на  Т считается минимальным. Водаработает как сильный пластификатор в продовольственной системы и значительно уменьшает Tg.  Было сообщено, что Тg имеет серьезные последствия для продовольственной текстуры / реологии и пищевой стабильности, а вода вконцентрированной фазе сыворотки становится кинетически иммобилизованной и, следовательно, не поддерживает и не участвует в какой-либо реакции. Физико-химические свойства пищевых продуктов, регулируемые Tg, многочисленны, включая агломерацию, кристаллизацию, структурный коллапс и т.д.

         Таким образом, знание Tg имеет важное значение в обеспечении качества, стабильности и безопасности различных кондитерских изделий. Кристаллизация (процесс, в котором молекулы  в жидком состоянии могут сформироваться в кристаллическую решетку) - важная фаза структурных элементов в широком диапазоне продуктов питания. Текстура разных типов карамели представляет собой интересный пример эффекта кристаллов сахара на характеристиках продукта. Тем не менее, в  такой сложной системе, как карамель, влияние других компонентов на поведение изменения фазы кристаллизации видов и кинетика кристаллизации должна быть известна, и это может оказаться сложной задачей для оценки. Кинетика кристаллизации зависит от формулировки, многие ингредиенты  оказывают влияние  на процесс зарождения и роста.

         До сих пор доступно ограниченное количество информации о реологических и тепловых характеристиках карамели. Таким образом, целью данной работы является оценка реологических и термические свойств (температура затвердевания, плавления и кристаллизации) отдельных коммерческих препаратов карамели, а также изучение взаимосвязь между ними.

 

2. Материалы и методы

 

2.1. Материалы

Основные ингредиенты, используемые для приготовления карамели - кукурузный сироп, сахароза, сгущенное молоко, одиночный белок сыворотки, фракционируемое ядро пальмы, растительный жир наряду с незначительными компонентами  такими как поваренная соль, лецитин сои и  другие.

 

2.2. Приготовление карамели

 

Карамель была приготовлена в соответствии с методами, описанными  Минифи (1989) и  Чанг (1999). Карамель готовили растворением сахара в воде при комнатной температуре в электрическом чайнике и нагревали на слабом огне,  до тех пор, пока сахар растворится. Вся масса была неоднородной при непрерывном перемешивании в течение нескольких минут, после образцы охлаждали примерно до 50 °С  и хранили в холодильнике до дальнейшего использования.  

2.3. Динамические реологические измерения

 Реологические измерения проводились с помощью контролируемого реометра скорости (AR 2000) с компьютерным управлением.  Была использована  пластина радиусом 60 мм и углом раствора 21. Разрыв между конусом и пластиной геометрии был установлен на уровне 64 мм. Реологические измерения проводились в диапазоне температур от 20 до 80 °С.  Ловушка растворителя  свела к минимуму потерю влаги во время испытаний. AR 2000 система основана на эффективной системе контроля температуры  в ходе экспериментов.

 

Для каждого теста образец примерно 2 г карамели помещался между пластинами. Линейные вязкоупругие ограничения на тесты SAOS определялись напряжение развертки испытаний и были выбраны для всех опытов. Колебательные испытания проводились в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц. Прибор запрограммирован на заданную температуру и уравновешивание в течение 10 мин (шаг релаксации), а затем 2 цикла изменения частоты от 0,1 до 10 Гц и обратно. Температура экспериментов (20 - 80 °C),  они были проведены в пределах 1°C/мин и с постоянной частотой 1 Гц. Каждый раз был использован новый образец для измерения реологических свойств. Все реологические измерения проводились в двух экземплярах и было использовано программное обеспечение реологии Advantage, версия 2.3, для получения данных  (модуля упругости G', в модуля вязкости G'' ) напрямую на  каждой испытательной частоте.

 

2.4. Дифференциальная сканирующая калориметрия

Термальное сканирование образцов карамели проводилось с помощью ТА Q100 дифференциального сканирующего калориметра (DSC), оснащенного системой охлаждения, которая эффективно управляется и контролирует температуру до -90 °С. Прибор калибруется с помощью сапфира и индия. Азот используется в качестве продувочного газа при скорости потока 50 мл / мин. Образцы (12-15 мг) были точно взвешены с полимерным покрытием, кастрюли алюминиевые, герметически закрытые, что позволяет уравновесить при начальной температуре в течение 10 мин. 4 оси роботизированного устройства автоматически загружают образец в кастрюлю DSC. Предварительные работает, были использованы для оптимизации температур теплового сканирования стеклования, кристаллизации и плавления. Предварительные пробеги использовались, чтобы оптимизировать диапазоны температуры теплового сканирования затвердевания, кристаллизации и плавления.

Процесс с двумя циклами использовался для всех испытаний карамели. Для измерения перехода образец был уравновешен до 90° C, поддержан в изотермическом состоянии в течение 10 минут, далее  последовательное сканирование  температуры на  5 °C/мин до  0° C (нагревающий шаг), уравновешивание до 0 °C и держался в течение 15 минут при изотермическом состоянии, а затем возвращался до 90 ° C в  51°C/мин (охлаждающий шаг). Тепловое сканирование был выполнено в диапазоне между 50 и 20 °C для того, чтобы оценить температуру кристаллизации и плавления карамели. Среднее значение трех исследуемых образцов были получены. Результаты (температура затвердевания, плавления и кристаллизации) были проанализированы с помощью анализа Т.  Максимальная температура были принята в эндотермическом максимуме вместо натисков, из-за дублирования пика для плавления (Tm), температура кристаллизации (Тс).

 

2.5. Статистический анализ

Статистический анализ был выполнен с использованием статистического пакета программ Minitab  (Minitab Inc., 2000). Тенденции считались существенными, в то время как средства сравненных наборов отличались в Po0:05.