Właciwoci mechaniczne i akustyczne Suchych produktów zboowych. Streszczenie

Transkrypt

1 Agata Marzec, Piotr P. Lewicki, Zbigniew Ranachowski* Katedra Inynierii ywnoci i Organizacji Produkcji, SGGW, Warszawa Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa* Właciwoci mechaniczne i akustyczne Suchych produktów zboowych Streszczenie Celem pracy była analiza właciwoci mechanicznych i akustycznych suchych produktów zboowych, handlowych. Zakres pracy obejmował analiz krzywych łamania, pracy i napre łamania oraz energii i widm akustycznych. Stwierdzono, e skład chemiczny i metoda wytwarzania produktu wpływa na jego właciwoci mechaniczne i jako emitowanego dwiku. Kady produkt posiada swój własny profil czstotliwoci. Na podstawie charakterystyk widmowych mona rozrónia produkty. Słowa kluczowe: tekstura, pieczywo chrupkie, ciastka, mechanika, akustyka Oznaczenia F - siła zginajca rosnca w czasie [N]; v - szybko odkształcenia [m/s]; L - odległo midzy podporami [m]; e - szeroko pieczywa [m]; h - grubo pieczywa [m]; Fmax - siła maksymalna, [N] Wprowadzenie Atrakcyjno kruchych przeksek zboowych polega na specyficznych, przyjemnych odczuciach towarzyszcych ich rozdrabnianiu podczas jedzenia. To co postrzegane jest jako krucho lub chrupko jest reakcj zmysłów na połczenie mechanicznego niszczenia i towarzyszcych mu dwików. Cechy mechaniczne i akustyczne tego typu produktów s bardzo istotne, z punktu widzenia oceny jakoci. Utrata tych cech oznacza brak sensorycznej akceptacji konsumenta. Ocena tekstury produktów kruchych jest szczególnie kłopotliwa ze wzgldu na fakt, e uzyskiwane na podstawie testów mechanicznych krzywe łamania i ciskania maj specyficzn, trudn do interpretacji posta [Wollny i Peleg, 1994; Van Heck i wsp., 1995, Roudaut i wsp., 1998]. Nieregularno (postrzpienie) uzyskiwanych charakterystyk mechanicznych powoduje, e czasem bardzo trudno a nawet niemoliwe jest uzyskanie zalenoci naprenia w funkcji odkształcenie. W wikszoci przypadków obliczone parametry mog by uyte jedynie do porównania próbek tego samego materiału [Peleg, 1997]. W literaturze opisano wiele parametrów mechanicznych. Najczciej okrelana jest maksymalna warto siły, ale nie do koca jest jasne czy 27

2 reprezentuje ona wytrzymało w powszechnym rozumieniu tego terminu, jako e mogło w jednym momencie doj do kilku czstkowych zdarze zniszczenia elementów strukturalnych [Peleg, 1998]. Pozorny moduł Younga wyznaczany na podstawie nachylenia pocztkowego odcinka krzywej siłaodkształcenie jest interpretowany jako miara kruchoci i twardoci [Fontanet, 1997; Marzec 22]. Inni te same cechy okrelaj jako pole pod krzyw siłaodkształcenie. Naley pamita, e parametry te mog słuy do porównania próbek tego samego rodzaju, rozmiaru i kształtu. Emisja akustyczna generowana podczas niszczenia suchych produktów zboowych jest wanym składnikiem cech okrelanych jako chrupko czy krucho. Badania wykazały, e połczenie analizy akustycznej z testami mechanicznymi i ocen struktury daje moliwo precyzyjnego zdefiniowania i oceny tekstury produktów spoywczych [Duizer, 21]. Badanie dwiku podczas niszczenia struktury produktów chrupkich ma swoje zalety. Wytworzony dwik jest stosunkowo niezaleny od geometrii produktu. Analiza widm akustycznych produktów pozwala na klasyfikacj materiałów na kruche i chrupkie. Celem pracy była analiza właciwoci mechanicznych i akustycznych suchych produktów zboowych, handlowych. Zakres pracy obejmował analiz krzywych łamania w układzie siła łamania-czas łamania, pracy i napre łamania oraz energii i widm akustycznych. Metodyka bada Materiał badawczy stanowiło pieczywo chrupkie ekstrudowane Chaber pszenne,, kukurydziano-gryczane i kukurydziano-ryowe o wymiarach 12x54x7mm, pieczywo chrupkie Wasa o wymiarach 12x54x4mm, krakersy o wymiarach 48x4x5mm, herbatniki dietetyczne i z tłuszczem o wymiarach 6x5x5mm. We wszystkich badanych próbkach oznaczono aktywno wody (aw) za pomoc higrometru Hygroskop DT2 firmy Rotronic o dokładnoci ±,1, w temperaturze 25 C. Próbki badanych produktów były poddane procesowi łamania za pomoc maszyny wytrzymałociowej Zwick Odległo midzy podporami wynosiła,52 m dla pieczywa chrupkiego i,4 m dla krakersów i herbatników. Pieczywo chrupkie łamano z prdkoci 2 mm/min, za ciastka z prdkoci 6 mm/min. Pomiary emisji akustycznej wzbudzonej wskutek działania mechanicznych napre powstałych podczas łamania próbek produktów wykonano za pomoc aparatury pomiarowej w skład, której wchodził akcelerometr piezoelektryczny typu 437V firmy Brüel&Kjær. Sensor pomiarowy był umieszczony na kocowym odcinku głowicy maszyny wytrzymałociowej Zwick Sygnał z akcelerometru był wzmacniany 2 db i podawany na wejcie mikrofonowe karty dwikowej pracujcej z czstotliwoci próbkowania 44,1 khz. Po zarejestrowaniu sygnał był poddawany dyskretnemu przekształceniu Fouriera w pamie,1 15 khz z rozdzielczoci 28

3 11 Hz. Tor pomiarowy był testowany na powtarzalno zapisu za pomoc testu kruszenia grafitu,5mm HB. Wyznaczono prac w [J] i naprenia łamice w [Pa] z zalenoci: t W = v F (t)dt (1) 3L r = Fmax (2) 2 2eh Wyniki Biorc pod uwag odczucia kruchoci podczas spoywania, testy łamania wydaj si najbardziej odpowiednimi stosowanymi w badaniach tekstury [Roudaut i wsp., 22]. Do scharakteryzowania mechanicznych właciwoci badanych materiałów wyznaczono twardo wyraon przez prac łamania oraz wytrzymało jako naprenie w próbie zginania. Badane produkty zboowe nieznacznie róniły si aktywnoci wody (tab. 1.). Tab. 1. Aktywno wody badanych produktów Tab. 1. Water activity of cereal products Rodzaj pieczywa chrupkiego Aktywno wody Pszenne,278 ±,2 ekstrudowane Kukurydziano -ryowe,257 ±,3,281±,3 Kukurydziano -gryczane,34 ±,2,274 ±,2 Herbatniki Herbatniki Rodzaj ciastek Krakersy dietetyczne z tłuszczem Aktywno wody,413 ±,1,18 ±,2,191 ±,1 Rysunki 1, 2, 3 i 4 przedstawiaj prac i naprenia łamice pieczywa i ciastek. Uzyskano wyniki o duym rozrzucie, co wiadczy o heterogenicznoci badanych materiałów. Analizujc prac i naprenia łamice pieczywa chrupkiego stwierdzono, e skład chemiczny istotnie wpływa na otrzymane wartoci (Rys.1, 2). Rodzaj surowca uytego do produkcji pieczywa chrupkiego ekstrudowanego Chaber istotnie wpływa na jego twardo okrelon na podstawie pracy łamania oraz wytrzymało definiowan jako naprenie łamice. Najwiksz twardoci i wytrzymałoci charakteryzowało si pieczywo ekstrudowane i pszenne. Istotnie nisze wartoci uzyskano dla pieczywa kukurydziano-gryczanego i kukurydziano-ryowego (Rys. 1, 2). 29

4 Praca łamania [mj] Pszenne ekstrudowane Kukurydziano-gryczane Kukurydziano-ryowe Rys. 1. Wpływ rodzaju pieczywa na prac łamania Fig. 1. Relationship between the kind of flat bread and breaking work Naprenie [kpa] Pszenne Rys. 2. Wpływ rodzaju pieczywa na naprenie łamice Fig.2. Relationship between the kind of flat bread and breaking stress ekstrudowane Równie metoda wytwarzania produktu wpływa na badane parametry mechaniczne. Porównujc pieczywo Wasa wytwarzane tradycyjn metod z pieczywem ytnim Chaber otrzymanym w wyniku ekstruzji stwierdzono istotne rónice w ich twardoci. Natomiast naprenie łamice tych produktów nie róni si statystycznie istotnie. Podobne tendencje obserwowano w badanych ciastkach. Róni si one twardoci i wytrzymałoci (Rys. 3 i 4). Przyczyn tego jest prawdopodobnie ich róny skład chemiczny. Krakersy zawieraj duo tłuszczu (ok. 43g/1g produktu) oraz ich aktywno wody jest istotnie wysza ni a w herbatników. Wczeniejsze badania Jakubczyk i wsp. [24] wykazały, e ze wzrostem a w twardo krakersów ronie i najwysz jej warto zanotowano przy a w powyej,4. Badane herbatniki nie róniły si twardoci, ale ich wytrzymało była róna (Rys. 3 i 4). Kukurydziano-gryczane Kukurydziano-ryowe 21

5 Praca łamania [mj] Krakersy Herbatniki z tłuszczem Herbatniki dietetyczne Rys. 3. Wpływ rodzaju ciastek na prac łamania Fig.3. Relationship between the kind of product and breaking work Naprenie [kpa] Krakersy Herbatniki z tłuszczem Herbatniki dietetyczne Rys.4. Wpływ rodzaju ciastek na naprenie Fig.4. Relationship between the kind of product and breaking stress Chaber Wasa Kukurydziano-gryczane Kukurydziano-ryowe Rys. 5. Widma akustyczne pieczywa chrupkiego Fig. 5. Acoustic spectra of flat breads Charakterystyki widmowe emisji akustycznej badanych produktów uwidaczniaj istotny wpływ składu chemicznego na jako emitowanego dwiku (Rys. 5 i 6). Zaobserwowano, e niezalenie od składu chemicznego badane pieczywo emituje dwiki w zakresie niskich i wysokich czstotliwoci, jednak ich zakresy róni si istotnie. Kady badany produktów posiada swój własny charakterystyczny profil czstotliwoci (Rys. 5). Dolne pasmo przypadało na przedział czstotliwoci 1-3 khz dla pieczywa chrupkiego ekstrudowanego pszennego i go, górne odpowiednio na

6 15 khz i khz. Pieczywo chrupkie kukurydziano-ryowe emitowało dwiki o czstotliwoci 2-6 khz w dolnym pamie i khz w górnym, za pieczywo chrupkie kukurydziano-gryczane 1-5 khz i khz. Pieczywo Wasa emitowało dwik o czstotliwoci 2-8 khz i khz (Rys. 5). Pieczywa te równie istotnie róniły si energi sygnału. Krakersy Herbatniki dietetyczne Herbatniki z tłuszczem Rys. 6. Widma akustyczne ciastek Fig. 6. Acoustic spectra of crackers and biscuits Dla krakersów dolne pasmo przypadało na 2-3 khz, a górne przypadało na 14 khz. W herbatnikach niskokalorycznych dolne pasmo przypadało na czstotliwo 2-6 khz, a w herbatnikach wysokokalorycznych na 2-4 khz, natomiast emisja akustyczna w górnym pamie nie róniła si i przypadała na khz (Rys. 6). Wnioski Skład chemiczny i metoda wytwarzania produktu wpływa na jego właciwoci mechaniczne i jako emitowanego dwiku. Kady produkt posiada swój własny profil czstotliwoci. Na podstawie charakterystyk widmowych mona okreli rodzaj produktu. Bibliografia Duizer L., 21. A review of acoustic research for studying the sensory perception of crisp, crunchy and crackly textures. Trends in Food Sci. & Technology, 12, Fontanet I., Davidou S., Decremont C., Le Meste M., Effect of water on the mechanical behavior of extruded flat bread. J. Cereal Sci., 25, Lewicki P.P., Jakubczyk E., Marzec A., Do Carmo Cabral M., Pedro Miguel Pereira P.M. 24. Effect of water activity on mechanical properties of dry cereal products. Acta Agrophysica (przyjte do druku) 212

7 Marzec A. 2. Wpływ aktywnoci wody na właciwoci mechaniczne i akustyczne pieczywa chrupkiego. Praca doktorska. SGGW, Warszawa Peleg M., A mathematical model of crunchiness crispness loss in breakfast cereals. J. Texture Studies, 25, Roudaut G., Dacremont C., Valles Pamies B., Colas., Le Meste M., 22. Crispness: a critical review on sensory ond material science approaches, Trends I Food Science & Technology, 13, Wollny M., Peleg M., A model of moisture-induced plasticization of crunchy snack based on Fermi s distribution function. J. Sci. Food and Agric., 64, Van Hecke E., Allaf K., Bouvier J. M., Texture and structure of crispy puffed food products. I. Mechanical properties in bending. J. Texture Studies 26(1), Praca naukowa finansowana ze rodków KBN w latach (3 P6T 4 25) Mechanical and acoustic properties of Dry cereal products Summary Mechanical and acoustic properties of cereal based products were investigated. Wheat, rye, corn-rice and corn-buckwheat extruded flat breads as well as flat rye bread produced by traditional method were investigated. Moreover, crackers and biscuits with different content of fat were analyzed. It was shown that the kind of material as well as manufacturing process affect mechanical and acoustic properties of the final product. The breaking work was largest for extruded flat wheat bread and the smallest for the rye bread produced by traditional method. On the other hand crackers were much more resistant to failure than the biscuits. Each product emits sound during breaking and the acoustic spectrum and the acoustic energy are characteristic for the given product. Key words: crisp bread, crackers, texture, acoustic emission 213