WŁACIWOCI REOLOGICZNE JOGURTÓW W ZALENOCI OD CZASU ICH DOJRZEWANIA

Transkrypt

1 YWNO. Nauka. Technologia. Jako, 2004, 4 (41) S, DOROTA PLASKOTA WŁACIWOCI REOLOGICZNE JOGURTÓW W ZALENOCI OD CZASU ICH DOJRZEWANIA S t r e s z c z e n i e Badaniom poddano dziewi rodzajów jogurtów naturalnych o rónej zawartoci tłuszczu (1,0 4,3%). W celu okrelenia lepkoci oraz naprenia stycznego, próbki piciu rodzajów jogurtów, o rónych terminach przydatnoci do spoycia, poddawano cinaniu przez 240 s przy kolejnych stałych szybkociach cinania 5, 10, 15, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200, 300, 500 s -1. Dalsze cztery rodzaje jogurtów zbadano w podobny sposób, przy czym kad z próbek poddawano cinaniu przez 723 s przy kolejnych stałych szybkociach cinania 30, 50, 70, 100, 150 s -1. Dokonano pomiaru niektórych parametrów reologicznych i podjto prób opisania ich za pomoc modeli reologicznych. Porównano równie wyniki bada ze struktur emulsji badanego medium. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów stwierdzono, e istnieje zaleno pomidzy wartociami parametrów reologicznych a czasem dojrzewania jogurtu, jak równie zaleno pomidzy parametrami reologicznymi a struktur emulsji badanego medium. Lepsze dopasowanie danych dowiadczalnych uzyskano za pomoc modelu Herschela-Bulkley a ni modelu Ostwalda-de Waele a. Słowa kluczowe: jogurt, reologia, struktura, czas dojrzewania. Wprowadzenie Emulsje spoywcze s substancjami złoonymi zarówno pod wzgldem składu, jak i struktury. Mog cechowa si rónymi właciwociami reologicznymi, poczwszy od emulsji o niskiej lepkoci, np. mleko czy napoje mleczne, a koczc na emulsjach bdcych ciałami stałymi, np. margaryna czy masło [9]. Jogurt jest emulsj typu o/w [8], w której faz olejow stanowi kropelki tłuszczu, natomiast faz wodn roztwór białek, cukrów i soli mineralnych [7]. Jogurt, podobnie jak inne produkty mleczne zawierajce kultury bakterii, ma struktur elu, która rozwija si podczas procesu fermentacji [3]. Dziki takiej strukturze el wykazuje zaleno lepkoci od czasu i szybkoci cinania [1, 2, 6, 10, Mgr in. D. Plaskota, Katedra Inynierii Chemicznej, Wydział Inynierii Procesowej i Ochrony rodowiska Politechniki Łódzkiej, ul. Wólczaska 213, Łód

2 WŁACIWOCI REOLOGICZNE JOGURTÓW W ZALENOCI OD CZASU ICH DOJRZEWANIA 89 12, 13]. Ramaswamy i Basak [11] przedstawili model reologiczny, bdcy rozwiniciem modelu Weltmanna [15], opisujcy zaleno lepkoci od czasu cinania przy stałych szybkociach cinania. Tiu i Boger [14] zastosowali model strukturalny zaproponowany przez Chenga i Evansa [5], uwzgldniajcy parametr strukturalny. Głównym załoeniem tego modelu jest przyjcie w stanie równowagi stałej wartoci parametru równowagowego e, niezalenie od wartoci szybkoci cinania. W literaturze przedmiotu przedstawiane s równie inne modele opisujce krzywe płynicia, które mog znale zastosowanie do analizy cech reologicznych wielu produktów spoywczych, w tym take jogurtu [2]. Nale do nich midzy innymi: 1. Model potgowy Ostwalda de Waele a. Jest to najprostszy, dwuparametrowy model reologiczny, opisujcy krzywe płynicia badanego medium. τ = k γ n (1) gdzie: τ naprenie styczne [Pa], k współczynnik konsystencji [Pa s n ], γ szybko cinania [s -1 ], n wskanik płynicia [-]. 2. Model Herschela-Bulkley a. Jest to najprostszy model krzywych płynicia nieliniowych płynów plastycznolepkich. Parametrami tego modelu s: o, k, n. τ = τ o + k γ n (2) gdzie: τ o granica płynicia [Pa]. 3. Model Butlera [4]. Jest to model umoliwiajcy okrelenie lepkoci równowagowej, czyli lepkoci przy czasie cinania dcym do nieskoczonoci. = e + Ae -Bt (3) gdzie: lepko [Pa s], e lepko równowagowa [Pa s], A stała [Pa s], B stała czasowa [s -1 ], t czas [s]. Przedstawione powyej modele pozwalaj na wyznaczenie wartoci parametrów reologicznych badanego medium oraz okrelenie ich zmiennoci w czasie. Celem niniejszej pracy było zastosowanie modeli reologicznych do uzyskania krzywych płynicia jogurtów o rónym czasie dojrzewania, okrelenia zmiennoci ich parametrów reologicznych w czasie, a nastpnie powizanie ich ze struktur emulsji badanego medium.

3 90 Dorota Plaskota Materiał i metody bada Badaniom poddano dziewi rodzajów handlowych jogurtów naturalnych o rónej zawartoci tłuszczu (1 4,3%). W przypadku pierwszych piciu rodzajów jogurtów (firmy Danone i Bakoma) eksperymenty wykonywane były trzykrotnie. Pierwszy pomiar wykonano dwa dni przed upływem terminu przydatnoci do spoycia, drugi cztery dni po terminie, a ostatni sze dni po upływie daty wanoci. Badania wykonywano za pomoc reometru rotacyjnego Rheotoc RC 20 firmy Haake. Przyrzd ten umoliwia wyznaczenie wartoci naprenia stycznego oraz lepkoci przy zadanych szybkociach cinania, niezbdnych do wyznaczenia krzywych płynicia badanego medium. Jednoczenie kad z badanych próbek obserwowano pod mikroskopem elektronowym Alphafat 2 firmy Nikon (Japonia). Kad z próbek jogurtu przechowywano w chłodziarce w temp. 4 C. Przed kadym pomiarem sprawdzano ph próbki, którego warto oscylowała w granicach 4,55 4,93. Wszystkie eksperymenty przeprowadzano w temp. 5 C, na wieej próbce jogurtu (120 ml). W celu zminimalizowania zniszczenia struktury jogurtu, kad z próbek przelewano ostronie do cylindra pomiarowego, pozostawiano tam przez 15 min, a nastpnie poddawano cinaniu za pomoc cylindra wewntrznego CC45. W celu okrelenia lepkoci oraz naprenia stycznego poddawano próbk cinaniu przez 240 s, przy stałej szybkoci cinania 5, 10, 15, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200, 300, 500 s -1. Kolejne cztery rodzaje jogurtów (firmy Jogo) poddawano podobnym pomiarom. Pierwszy pomiar wykonywano dwa dni przed upływem terminu przydatnoci do spoycia, drugi w terminie, trzeci cztery dni po terminie, a ostatni sze dni po upływie daty wanoci. Kad z próbek poddawano stałemu cinaniu przez 723 s, przy kolejnych stałych szybkociach cinania: 30, 50, 70, 100, 150 s -1. Wyniki i dyskusja Na rys. 1. przedstawiono przykładowe krzywe płynicia jogurtu o rónym czasie dojrzewania. Z wykresu tego wynika, e wraz ze wzrostem czasu dojrzewania nastpuje wzrost lepkoci badanego medium. Potwierdzeniem tych bada s zdjcia próbek obserwowanych pod mikroskopem elektronowym. Na fot. 1. i 2. przedstawiono dwie próbki tego samego jogurtu wykonane dwa dni przed i sze dni po upływie terminu przydatnoci do spoycia. Porównujc te dwie fotografie mona wskaza na wystpujc zaleno midzy struktur a właciwociami reologicznymi badanego medium. Na fot. 2. zauwaa si znaczne zagszczenie struktury, co wie si równie ze zwikszeniem lepkoci jogurtu. W przyszłoci naleałoby podj prób uzalenienia zwizku pomidzy parametrami reologicznymi jogurtu a właciwociami mikrobiologicznymi, stanowicymi o jego jakoci. Szybkie i proste metody reometryczne mogłyby si sta prost metod oceny jakoci jogurtów.

4 WŁACIWOCI REOLOGICZNE JOGURTÓW W ZALENOCI OD CZASU ICH DOJRZEWANIA Benefit Benefit Benefit Lepko pozorna, [Pa s]. Apparent viscosity, [Pa s]. 1 0, Szybko cinania, [s -1 ]. Shear rate, [s -1 ]. Rys. 1. Fig. 1. Przykładowe krzywe płynicia jogurtu Benefit o rónym czasie dojrzewania. Model Flow Curves of a Benefit yogurt showing different ageing times. Fot. 1. Struktura jogurtu Actimel 2 dni przed upływem terminu przydatnoci do spoycia. Phot. 1. The structure of Actimel yogurt 2 days before the end of its expire date.

5 92 Dorota Plaskota Fot. 2. Struktura jogurtu Actimel 6 dni po upływie terminu przydatnoci do spoycia. Phot. 2. The structure of Actimel yogurt 6 days after its expire date has ended. 100 jogurt Bakoma Model Ostwalda de Waele'a Model Herschela-Bulkley'a Naprenie styczne [Pa s] Shear stress [Pa s] Rys. 2. Fig. 2. Szybko cinania [s -1 ] Shear rate [s -1 ] Zaleno naprenia stycznego od szybkoci cinania jogurtu Bakoma. A dependence between the shear stress and shear rate of the Bakoma yogurt. Na rys. 2. przedstawiono opis krzywej płynicia wybranego jogurtu za pomoc dwóch modeli reologicznych. Pierwszym z nich był model potgowy Ostwalda de Waele a, zalecany w literaturze przedmiotu jako najprostszy model opisujcy płyny rozrzedzane cinaniem [10]. Drugim z nich był model Herschela-Bulkley a, który

6 WŁACIWOCI REOLOGICZNE JOGURTÓW W ZALENOCI OD CZASU ICH DOJRZEWANIA 93 zastosowano w celach porównawczych. Model ten w sposób zadowalajcy opisuje przebieg danych dowiadczalnych jogurtów o rónym czasie dojrzewania, co pokazano na fot. 2. oraz w tab. 1. T a b e l a 1 Zestawienie wartoci parametrów reologicznych jogurtów, obliczonych za pomoc modelu. Herschela-Bulkley a oraz modelu potgowego Ostwalda-de Waele. Listing of the yoghurt s rheological parameters as calculated using the Herschel-Bulkley and Ostwald de Waele models. Nazwa jogurtu Yogurt s name Danone Actimel Danone Activia Danone naturalny Danone natural yoghurt Danone bez cukru Danone yoghurt without sugar Bakoma Benefit Data przydatnoci do spoycia Expire date Data eksperymentu Date of Model Herschela-Bulkley a Herschel-Bulkley model = o + k n Model potgowy Power-law model = k n experiment o K n R k n R ,56 0,023 0,857 0,99 0,013 0,922 0, ,27 0,026 0,837 0,99 0,021 0,867 0, ,05 0,029 0,823 0,99 0,027 0,828 0, ,97 6,961 0,452 0,99 8,947 0,417 0, ,54 7,240 0,448 0,99 9,282 0,415 0, ,28 7,807 0,432 0,99 10,201 0,396 0, ,09 5,070 0,450 0,99 7,919 0,385 0, ,60 5,930 0,440 0,99 16,263 0,305 0, ,79 9,950 0,380 0,99 16,985 0,304 0, ,59 7,210 0,432 0,99 8,414 0,409 0, ,10 10,167 0,392 0,99 12,796 0,364 0, ,28 10,175 0,380 0,99 12,537 0,354 0, ,34 2,092 0,57 0,99 14,537 0,296 0, ,73 8,766 0,37 0,99 12,689 0,329 0, ,69 10,949 0,35 0,99 16,429 0,290 0,98 Na rys. 3. przedstawiono zaleno lepkoci od czasu przy rónych stałych szybkociach cinania. Na wszystkich poziomach cinania mona zauway znaczne zmniejszenie lepkoci w czasie, zwłaszcza w pocztkowym okresie cinania. Wraz ze wzrostem czasu cinania lepko badanego medium dy do uzyskania lepkoci równowagowej e. Analizujc własne wyniki bada z danymi eksperymentalnymi F. Butlera, P. McNulty [4] oraz H. J. O Donnell ego i F. Butlera [10] naley stwierdzi, e krzywe przedstawiajce zaleno lepkoci od czasu przy stałych szybkociach cinania maj podobny charakter, tzn. w warunkach stałej szybkoci cinania lepkoci jogurtów malej w czasie, podobnie jak wartoci lepkoci równowagowych. Materiał biologiczny uyty w badaniach własnych był inny ni medium uyte w przytoczonych

7 94 Dorota Plaskota publikacjach, std mona przypuszcza, e wartoci uzyskanych wyników mog róni si od siebie w znaczny sposób. Lepko [Pa s] Viscosity [Pa s] 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0, Czas [s] Time [s] 30 [1/s] 50 [1/s] 70 [1/s] 100 [1/s] 150 [1/s] Rys. 3. Fig. 3. Lepko jogurtu Bakoma w funkcji czasu mierzona w temp. 5 C przy stałych szybkociach cinania. The viscosity of Bakoma yogurt as a function of time measured at 5 C for the constant shearing rates. W celu okrelenia lepkoci równowagowej e uzyskano najlepsze dopasowanie krzywej, zaproponowanej przez Butlera [4] w postaci : = e + Ae -Bt Na podstawie danych przedstawionych w tab. 2., 3. i 4. mona stwierdzi, e przy zachowaniu wzgldnie stałej wartoci parametru B, wraz z upływem terminu przydatnoci do spoycia, nastpuje wzrost parametru A (odpowiadajcego za lepko badanego medium), oraz warto lepkoci równowagowej. Przy czym zmiana e nastpuje w sposób paraboliczny, osigajc swoje minimum w dniu terminu przydatnoci, a nastpnie wzrasta osigajc warto najwysz sporód wszystkich serii pomiarowych. T a b e l a 2

8 WŁACIWOCI REOLOGICZNE JOGURTÓW W ZALENOCI OD CZASU ICH DOJRZEWANIA 95 Wartoci parametrów reologicznych jogurtu naturalnego (o zaw. 3% tłuszczu) w zalenoci od czasu dojrzewania. Rheological parameters of a natural yogurt (3 % of fat) depending on its ageing time. Jogurt Jogo (3 % tłuszczu) - badania 2 dni przed upływem terminu wanoci Yogurt Jogo (3 % of fat) tests performed 2 days before the expire date 30 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99 Jogurt Jogo (3 % tłuszczu) - badania w dniu terminu wanoci Yogurt Jogo (3 % of fat) - tests performed on the expire day 30 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99 Jogurt Jogo (3 % tłuszczu) badania 4 dni po upływie terminu wanoci Yogurt Jogo (3 % of fat) - tests performed 4 days after the expire date has ended 30 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99 Jogurt Jogo (3 % tłuszczu) badania 7 dni po upływie terminu wanoci Yogurt Jogo (3 % of fat) - tests performed 7 days after the expire date has ended 30 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,95 T a b e l a 3

9 96 Dorota Plaskota Wartoci parametrów reologicznych jogurtu naturalnego (o zaw. 2,2 % tłuszczu) w zalenoci od czasu dojrzewania. Rheological parameters for a natural yogurt (2,2 % of fat) depending on its ageing time. Jogurt Jogo (2,2 % tłuszczu) - badania 2 dni przed upływem terminu wanoci Yogurt Jogo (2,2 % of fat) - tests performed 2 days before the expire date 30 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,98 Jogurt Jogo (2,2 % tłuszczu) - badania w dniu terminu wanoci Yogurt Jogo (2,2 % of fat) - tests performed on the expire day 30 0, , , ,0035 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,96 Jogurt Jogo (2,2 % tłuszczu) - badania 4 dni po upływie terminu wanoci Yogurt Jogo (2,2 % of fat) - tests performed 4 days after the expire date has ended 30 0, , , , , , , , , , ,1481 0, , , , , , , , , , , , , ,98 Jogurt Jogo (2,2 % tłuszczu) - badania 7 dni po upływie terminu wanoci Yogurt Jogo (2,2 % of fat) - tests performed 7 days after the expire date has ended 30 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,98 T a b e l a 4

10 WŁACIWOCI REOLOGICZNE JOGURTÓW W ZALENOCI OD CZASU ICH DOJRZEWANIA 97 Wartoci parametrów reologicznych jogurtu naturalnego (o zaw. 3,2 % tłuszczu) w zalenoci od czasu dojrzewania. Rheological parameters for a natural yogurt (3,2 % of fat) depending on its ageing time. Jogurt Jogo (3,2 % tłuszczu) - badania 2 dni przed upływem terminu wanoci Yogurt Jogo (3,2 % of fat) - tests performed 2 days before the expire date [s -1 ] o [Pa s] e [Pa s] A B R 30 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99 Jogurt Jogo (3,2 % tłuszczu) - badania w dniu terminu wanoci Yogurt Jogo (3,2 % of fat) - tests performed on the expire day [s -1 ] o [Pa s] e [Pa s] A B R 30 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99 Jogurt Jogo (3,2 % tłuszczu) - badania 4 dni po upływie terminu wanoci Yogurt Jogo (3,2 % of fat) - tests performed 4 days after the expire date has ended [s -1 ] o [Pa s] e [Pa s] A B R 30 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99 Jogurt Jogo (3,2 % tłuszczu) - badania 7 dni po upływie terminu wanoci Yogurt Jogo (3,2 % of fat) - tests performed 7 days after the expire date has ended [s -1 ] o [Pa s] e [Pa s] A B R 30 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99

11 98 Dorota Plaskota Wnioski 1. Istnieje zaleno pomidzy wartociami parametrów reologicznych a czasem dojrzewania jogurtu przy zachowaniu wzgldnie stałej wartoci parametru n nastpuje wzrost parametru k. Podobnie jest w przypadku drugiej serii bada. Przy zachowaniu wzgldnie stałej wartoci parametru B, nastpuje wzrost parametru A (odpowiadajcego za lepko badanego medium) oraz warto lepkoci równowagowej e. Zmiana e nastpuje w sposób paraboliczny, osigajc swoje minimum w dniu terminu przydatnoci, a nastpnie wzrasta osigajc warto najwysz sporód wszystkich serii pomiarowych. 2. Lepszy opis danych dowiadczalnych uzyskuje si za pomoc modelu Herschela- Bulkley a ni modelu Ostwalda de Waele a. 3. Istnieje zaleno pomidzy parametrami reologicznymi a struktur emulsji badanego medium. Literatura [1] Basak R., Ramaswamy H. S.: Simultaneous evaluation of shear rate and time dependency of stirred yogurt rheology as influenced by added pectin and strawberry concentrate. J. Food Eng., 1994, 21, [2] Benezech T., Maingonnat J. F.: Flow properties of stirred yogurt: Modelling and influence of cooling conditions. In Theoretical and Applied Rheology. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam 1992, pp [3] Benezech T., Maingonnat, J.F.: Characterisation of the rheological properties of yogurt- A review. J. Food Eng.,1994, 2(4), [4] Butler F., McNulty.: Time dependent rheological characterisation of buttermilk at 5 C Department of Agricultural and Food Engineering, University College Dublin, Earlsfort Terrace, Dublin, [5] Cheng D. C., Evans F.: Phenomenological characterization of the rheological behaviour of inelastic reversible thixotropic and antithixotropic fluids. Br. J. Appl. Physics, 1965, 16, [6] De Kee D., Code R. K., Turcotte, G.: Flow properties of time-dependent foodstuffs. J. Rheol., 1983, 27(6), [7] Ferguson J., Kembłowski Z.: Reologia stosowana płynów, Wyd. PŁ, Łód [8] Gilewicz J.: Emulsje. PWN. Warszawa [9] McClements D.J.: Food emulsions: principles, practices and techniques. Boca Raton: CRC Press, [10] O Donnell H. J., Butler F.: Time-dependent viscosity of stirred yogurt. Part I: couette flow. J. Food Eng., 2002, 51, [11] Ramaswamy H. S., Basak S.: Rheology of stirred yogurts. J. Text. Stud., 1991, 22, [12] Steventon A.J., Parkinson C.J., Freyer P. J., Bottomley R. C.:. The rheology of yogurt. In Rheology of Food, Pharmaceutical and Biological Materials with General Rheology, Elsevier Applied Science. London 1990, pp [13] Tan C.T.: Beverage emulsions. In K. Larsson, & S.E. Friberg (Eds.), Food emulsions, Marcel Dekker., New York. 1990, pp

12 WŁACIWOCI REOLOGICZNE JOGURTÓW W ZALENOCI OD CZASU ICH DOJRZEWANIA 99 [14] Tiu C., Boger, D. V.: Complete rheological characterisation of time dependent food products. J. Text. Stud., 1974, 5, [15] Weltmann, R. N.: Breakdown of thixotropic structure as function of time. J. Appl. Physics, 1943, 14, RHEOLOGICAL PROPERTIES OF YOGURTS DEPENDING ON THEIR AGEING TIME S u m m a r y Nine samples of natural yogurts, their fat content varying (from 1, 0 to 4, 3 %), were tested. For the purpose of determining a viscosity and shear stress, samples of five types of yogurts having different expire dates were investigated during a 240 s long shearing testing procedures, at the constant shearing rates of: 5, 10,15, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200, 300, and 500 s -1. Another four types of yogurts were investigated in a similar way; each sample was tested during a period of 723 s at the constant shearing rates of 30, 50, 70, 100, and 150 s -1. Some rheological parameters were measured; then, a trial was made to describe those parameters using rheological models. The investigation results were compared with the emulsion structure of the medium investigated. On the basis of experiments performed it was stated that there was a relationship between the values of rheological parameters and the ageing time of yoghurt, as well as a relationship between the rheological parameters and the emulsion structure of the medium tested. The experimental data were better adjusted using a Herschel-Bulkley model than an Ostwald-de Waele model. Keywords: yogurt, rheology, texture, time of ageing