WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE PIAN PRZEZNACZONYCH DO SUSZENIA Agata Marzec, Ewa Jakubczyk

Transkrypt

1 Acta Agrophysica, 9, (), 8-9 WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE PIAN PRZEZNACZONYCH DO SUSZENIA Agata Marzec, Ewa Jakubczyk Katedra InŜynierii śywności i Organizacji Produkcji, Wydział Nauk o śywności, SGGW, ul. Nowoursynowska 9C, -776 Warszawa agata_marzec@sggw.pl S t r e s z c z e n i e. Celem pracy była ocena wpływu stęŝenia środków spieniających i czasu ubijania pian przygotowanych na bazie przecieru jabłkowego na ich właściwości reologiczne. Piany sporządzono z dodatkiem albuminy i/lub metylocelulozy, zastosowano czas ubijania od min do 8 min. Właściwości reologiczne pian badano w teście ściskania próbki między dwiema równoległymi płytami teflonowymi. Stwierdzono, Ŝe zwiększenie stęŝenia albuminy z,% do 7% w pianach wywołało umiarkowane zmniejszenie wartości współczynnika płynięcia. Piana z % dodatkiem albuminy charakteryzowała się największą stabilnością. Czas ubijania wpływał na wartość współczynnika płynięcia, a największą odpornością na płynięcie charakteryzował się materiał po minucie ubijania. WydłuŜenie czasu ubijania spowodowało obniŝenie wartości napręŝenia pozornego po 6 i s relaksacji. Wszystkie badane piany wykazały przepływ pseudoplastyczny pod wpływem ściskania. S ł o wa kluczowe: piany, albumina, właściwości reologiczne, gęstość WSTĘP Piany są podstawą przygotowania róŝnego rodzaju produktów spoŝywczych szczególnie bitej śmietany, lodów, biszkoptów, bezów i innych ciastek. Zdolność tworzenia pian ma istotne znaczenie w powstawaniu poŝądanych właściwości sensorycznych Ŝywności. Spienione produkty wytwarza się przez ubijanie wodnych roztworów środków pieniących. Głównym środkiem spieniającym w technologii Ŝywności jest białko jaja albumina. Właściwości pian albuminy były badane poprzez oznaczenie i analizę ich objętości i stabilności (Baniel i in. 997). Podczas ubijania za pomocą elementów mechanicznych np. łopatek miksera wprowadza się gaz obojętny Praca naukowa finansowana ze środków na naukę przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyŜszego w latach 7-9 jako grant nr N 78.

2 86 A. MARZEC, E. JAKUBCZYK (powietrze, dwutlenek węgla, azotu) do produktu, a następnie pęcherzyki wydłuŝają się i dzielą się na mniejsze tworząc porowatą strukturę (Stauffer ). W pianach występujących w Ŝywności pęcherzyki gazu są oddzielone od siebie błonami białkowymi zaadsorbowanymi na granicy faz, rozgraniczonymi cienką warstewką cieczy. Objętość pęcherzyków powietrza moŝe stanowić nawet 99% ogólnej objętości piany. Wymiary pęcherzyków zaleŝą od lepkości środowiska oraz warunków powstawania i dyspergowania fazy gazowej (Sikorski 7). Cechy reologiczne pian pozwalają wnioskować o deformacji pęcherzyków oraz o mechanicznych właściwościach płynnej fazy ciągłej, która utrzymuje pianę (Corradini i in. ). Piany często są niestabilne termodynamicznie, co moŝe prowadzić do załamania i zapadania się ich struktury (Baniel i in. 997). W literaturze moŝna znaleźć opracowania dotyczące badania właściwości strukturalnych pian oznaczanych za pomocą metod mikroskopowych i analizy obrazu (Johnson i Zabik 98, Sarker i in. 998, Chang i Hartel ). Znacznie mniej uwagi poświecono jednak badaniom właściwości reologicznych, które głównie oznaczano w tradycyjnych reometrach ścinających. Piana poddawana jest działaniu sił ścinających, które oddziaływują na jej strukturę. Zarówno zasięg uszkodzenia, jak i zdolność odtworzenia się struktury nie są znane. Co więcej ogólne cechy reologiczne próbki mogą ulec jakościowym zmianom podczas ścinania. Wykonywanie pomiarów reologicznych w tradycyjnych reometrach wiąŝe się z problemami takimi jak: trudność nałoŝenia piany, występowanie zakłóceń pomiarowych wywołanych zjawiskami przyściennymi. Ponadto pozostawienie piany w naczyniu pomiarowym moŝe powodować jej osuszenie, co w konsekwencji równieŝ prowadzi do załamania i zapadania się jej struktury (Corradini in. ). Problemy te moŝna wyeliminować, jeśli właściwości mechaniczne badane są podczas testu ściskania próbki piany między dwiema równoległymi płytami. Metoda ta pozwala na obserwację wielkości napręŝenia działającego w czasie deformacji piany oraz wyznaczenie współczynnika płynięcia (Hoffner i in. 998, Corradini i in., Kampf i in. ). Stabilność układów pianowych jest kluczowa w procesie suszenia, poniewaŝ piana powinna zachować strukturę otwartą podczas całego procesu, aby zwiększyć całkowitą powierzchnię i efekt kapilarny (Hart i in. 96). Wiele ciekłych produktów spoŝywczych przekształconych w formę stabilnych pian moŝna poddać suszeniu uzyskując proszek w formie instant o dobrej jakości (Ratti i Kudra 6). Właściwości reologiczne pian przeznaczonych do suszenia są szczególnie istotne, w ocenie ich stabilności mechanicznej i podatności na opadanie, oraz podczas dozowania na taśmę suszarki. Celem pracy była ocena wpływu stęŝenia środków spieniających i czasu ubijania pian przygotowanych na bazie przecieru jabłkowego na ich właściwości reologiczne.

3 WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE PIAN PRZEZNACZONYCH DO SUSZENIA 87 MATERIAŁY I METODY Materiałem badawczym były piany przygotowane z przecieru jabłkowego (6, Brix) (Barbara ZPOW) spienianego minut oraz z przecieru z dodatkiem (,,, 7, i % masowych w stosunku do przecieru) albuminy z białka jaja kurzego (Fluka). Przygotowano równieŝ piany z przecieru z % dodatkiem albuminy i,% metylocelulozy (Methocel 6, HG Fluka), których czas spieniania wynosił od do 8 minut. Wszystkie piany ubijano za pomocą miksera laboratoryjnego o stałej prędkości obrotowej. Skład chemiczny i czasy ubijania pian podano w tabeli. Tabela. Charakterystyka pian Table. Characteristics of foam Oznaczenie Symbol Skład piany Composition of foam Czas ubijania Whipping time (min) Gęstość Density (g cm - ) P Przecier/Pulp, ±, A. A. A A7 przecier +,% albuminy pulp +.% albumin przecier +,% albuminy pulp +.% albumin przecier + % albuminy pulp + % albumin przecier + 7% albuminy pulp + 7% albumin,89 ±,,7 ±,, ±,,7 ±, Al M,6 ±, przecier + % albuminy +,% metylocelulozy Al M, ±, Al M pulp + % albumin +.% methycellulose, ±, Al 8M 8, ±, Gęstość pian obliczono na podstawie masy i objętości próbki. Do naczynia o znanej objętości nakładano pianę szpatułką tak, aby nie niszczyć struktury, a następnie ją waŝono. Właściwości reologiczne oznaczono za pomocą testu ściskania próbki piany między dwiema płytami teflonowymi o średnicy 6 mm (rys.) w teksturometrze Texture Analyser (Stable Micro Systems). Wysokość próbki (H ) wynosiła 8 mm i ściskano ją do wysokości (H t ), mm przy prędkości przesuwu głowicy, mm s -, po czym rejestrowano siłę podczas relaksacji przez 8 s.

4 88 A. MARZEC, E. JAKUBCZYK Próbka Sample F H o H t Rys.. Schemat ściskania próbki piany Fig.. Diagram of compression of foam sample Zarejestrowane wartości siły, wysokości i czasu odkształcania próbki posłuŝyły do wyznaczenia parametrów reologicznych. Współczynnik płynięcia wyznaczono jako: wartość bezwzględną nachylenia prostoliniowego odcinka krzywej przedstawiającej zaleŝność siły i wysokości w układzie logarytmicznym (Hoffner i in. 998; Corradini i in. ). Odcinek prostoliniowy zaleŝności log(f) = f(logh), wyznaczono za pomocą programu komputerowego Table Curve. Po zróŝniczkowaniu krzywych ich przebieg liniowy występował przedziale,7-,6. Dla wyznaczonego zakresu krzywej określono jej nachylenie za pomocą analizy regresji (tab. i ). Określono napręŝenie pozorne dla maksymalnej siły ściskania (dla H t =, mm) oraz po czasie relaksacji τ = 6 s i s wg zaleŝności: = F t A -, gdzie: F t siła ściskania lub relaksacji, A pole poprzecznego przekroju płyty (Terpstra i in. 7). Analizę statystyczną wyników przeprowadzono w programie Statistica 8 Pl. Wykonano analizę wariancji i porównanie średnich testem t-studenta przy poziomie istotności α =,. Tabela. Średnie wartości parametrów reologicznych pian o róŝnym stęŝeniu albuminy Table. Average values of rheological parameters of foams at different concentration of albumin Oznaczenie Symbol StęŜenie albuminy Albumin concentration (%) Współczynnik płynięcia Flow index R regresji liniowej R for linear regression H t =,mm NapręŜenie pozorne Apparent stress (Pa) τ = 6 s τ = s P,9 ±,7, ± 9 ± ± 9 A.,,778 ±,,999 6 ± ± 6 9± A.,,7 ±,6, ± 8 7± 8 7± 6 A,,66 ±,,998 7 ± 88 ± ± 6 A7 7,,69 ±,,999 7 ± 7± 9 ±

5 WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE PIAN PRZEZNACZONYCH DO SUSZENIA 89 Tabela. Średnie wartości parametrów reologicznych pian dla róŝnych czasów ubijania Table. Average values of rheological parameters of foam at different whipping time Oznaczenie Symbol Czas ubijania Whipping time (min) Współczynnik płynięcia Flow index R regresji liniowej R for linear regression H t =,mm NapręŜenie pozorne Apparent stress (Pa) τ = 6 s τ = s Al M,9 ±,,999 ± 79 ± 6 ± 9 Al M,68 ±,8,99 98 ± 7± 9 ± 6 Al M,7 ±,,99 97 ± ± 9 ± Al 8M 8,6 ±,,997 ± ± 7 89 ± WYNIKI I DYSKUSJA Wpływ stęŝenia albuminy na właściwości reologiczne pian Typowe wykresy ściskania i relaksacji pian przedstawiono na rysunku. Wszystkie krzywe mają podobny przebieg, ale róŝnią się maksymalną siłą ściskania i relaksacji. Największe wartości siły ściskania uzyskano dla przecieru jabłkowego (P) i piany z % dodatkiem albuminy (A). Siła - Force (N) 6 P Czas -Time (s) Siła - Force (N) 6 A. Czas -Time (s) Siła - Force (N) 6 A. Czas -Time (s) Siła - Force (N) 6 A Czas -Time (s) Siła - Force (N) 6 A7 Czas -Time (s) Rys.. Krzywe ściskania i relaksacji pian o róŝnym stęŝenia albuminy Fig.. Compression and relaxation curves of foams at different concentration of albumin

6 9 A. MARZEC, E. JAKUBCZYK Gęstość pian z,% dodatkiem albuminy (A.) była tylko o % mniejsza od wartości uzyskanej dla przecieru (P) (tab. ), ale wartość maksymalnej siły przy ściskaniu piany malała, aŝ o %. Dalszy wzrost stęŝenia albuminy do,% (A.) wpływał na nieznaczne zmniejszenie wytrzymałości materiału przy obniŝeniu gęstości pian do, g cm -. Istotne zmiany we właściwościach mechanicznych i gęstości obserwowano przy stęŝeniu albuminy % (A), gęstość pian malała do, g cm - przy jednoczesnym zwiększeniu napręŝenia pozornego dla H t =, mm (maksymalne odkształcenie przy ściskaniu) (tab. ). Jakubczyk i Gondek (8) badając drenaŝ spienionego przecieru jabłkowego stwierdziły, Ŝe stabilność pian z,% udziałem albuminy była o % mniejsza od wartości uzyskanych dla pian z % dodatkiem środka spieniającego, jednoczenie niskie stęŝenie albuminy wpływało na uzyskiwanie materiału o niejednorodnej strukturze (szeroki rozkład wielkości pęcherzyków powietrza). Piana z % dodatkiem albuminy (A) charakteryzowała się niską gęstością, jaka jest wymagana przy suszeniu pianowym i jednocześnie wysoką odpornością mechaniczną. Właściwości reologiczne badanych pian zaleŝą od stęŝenia albuminy, o czym świadczą wyznaczone wartości napręŝenia pozornego oraz współczynnika płynięcia zamieszczone w tabeli. Największe wartości współczynnika płynięcia i napręŝenia pozornego przy odkształceniu, mm uzyskano dla przecieru jabłkowego (P), dla której krzywa zaleŝności logh-logf jest połoŝona najwyŝej spośród badanych materiałów (rys. ). Współczynnik płynięcia większości pian z dodatkiem albuminy kształtował się w zakresie od,6 do,9 (tab. ). Zwiększenie stęŝenia albuminy powodowało zmniejszenie wartości współczynnika płynięcia, wyjątkiem była piana z 7% dodatkiem albuminy (A7), której współczynnik miał wartość wyŝszą w porównaniu z wartością uzyskaną dla piany z % albuminy (A). Wszystkie badane materiały osiągały bezwzględną wartość współczynnika mniejszą od. Świadczy to, Ŝe badane piany pod względem reologicznym były pseudoplastyczne. Kampf i in. () badali piany uzyskane z czystej albuminy oraz z dodatkiem alginianu propyleowo-glikolowego (PAG) i gumy ksantanowej dowiedli, Ŝe badane piany wykazały przepływ pseudoplastyczny. Dodatek środka spieniającego wpływa na strukturę piany, ale równieŝ odgrywa istotną rolę w jej stabilizacji. NapręŜenie po czasie relaksacji jest miarą stopnia stabilności (trwałości) piany. W całkowicie płynnej próbce napręŝenie zanika po zatrzymaniu głowicy ściskającej próbkę i Ŝaden nacisk nie jest zauwaŝalny (Chanasattru i in. ). Zatem napręŝenia szczątkowe po relaksacji są miarą stopnia spoistości, ale równieŝ i konsystencji materiału. Dodatek albuminy wpływał na uzyskanie wzrostu napręŝeń pozornych po obu czasach relaksacji (6 i s) z wyjątkiem stęŝenia,% (A.), jednak największą wartość napręŝenia zaobserwowano dla piany z % dodatkiem albuminy (A) zarówno po 6 s jak i po s czasu relaksacji, co wskazuje, Ŝe uzyskana piana była najbardziej stabilna. Dla

7 WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE PIAN PRZEZNACZONYCH DO SUSZENIA 9 wszystkich badanych pian napręŝenie po s było nieznacznie niŝsze, niŝ po czasie 6 s (tab. ). log(f(n)),8, P A7 A A. A. -,,,,6,8 log(h(mm)) Rys.. Przebieg zaleŝności logf od logh przy ściskaniu pian o róŝnym stęŝeniu albuminy Fig.. Relationship between logf and logh during compression of foams at different concentration of albumin Wpływ czasu ubijania na właściwości reologiczne pian Test ściskania z powodzeniem moŝe być stosowany do oceny właściwości reologicznych pian (Corradini i in., Chanasattru i in. ). ZaleŜności siła - czas obrazują właściwości reologiczne pian po róŝnym czasie ubijania. WydłuŜenie czasu ubijania do minut nadaje lekkości strukturze piany, co objawia się zredukowaną gęstością i mniejszą siłą ściskania i relaksacji (tab. i rys. ). Na rysunku przedstawiono zlogarytmowane wartości sił i wysokości przy roŝnych czasach ubijania pian z % stęŝeniem albuminy, dodatkowo do materiału wprowadzono,% metylocelulozy jako substancję stabilizującą. Wyraźny odcinek liniowy krzywej (zaznaczony na rysunku linią przerywaną) wskazuje na brak tarcia przy ściskaniu próbki. Zwiększenie czasu ubijania spowodowało zmniejszenie wartości współczynnika płynięcia (modułu nachylenia krzywej logf-logh) w granicach od,98 do,. Największe róŝnice wystąpiły między współczynnikiem po czasie ubijania i min. Natomiast dalsze wydłuŝenie czasu ubijania nie powodowało jego istotnych statystycznie zmian. Wszystkie piany wykazywały przepływ pseudoplastyczny (tab. ).

8 9 A. MARZEC, E. JAKUBCZYK Siła Force (N) ALM Czas Time (s) Siła Force (N) ALM Czas Time (s) Siła Force (N) AlM Czas Time (s) Siła Force (N) Al8 Czas Time (s) Rys.. Krzywe ściskania i relaksacji pian otrzymanych po róŝnym czasie ubijania Fig.. Compression and relaxation curves of foams obtained after different whipping time log(f(n)),8, ALM AL8M ALM ALM -,,,,6,8 log(h(mm)) Rys.. Przebieg zaleŝności logf od logh przy ściskaniu pian otrzymanych po róŝnym czasie ubijania Fig.. Relationship between logf and logh during compression of foams obtained after different whipping time

9 WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE PIAN PRZEZNACZONYCH DO SUSZENIA 9 WydłuŜenie czasu ubijania z do minut powodowało obniŝenie o % wartości napręŝenia pozornego (tab. ). Dalsze wydłuŝenie czas mieszania do 8 minut nie wpłynęło statystycznie istotnie na wartość napręŝeń pozornych przy maksymalnym odkształceniu (H t =, mm) materiału. Wg Kampf'a i in. () wydłuŝenie czasu ubijania czystej albuminy oraz z dodatkiem alginianu lub gumy ksantynowej powodowało zwiększenie napręŝenia pozornego zarówno po wyciskaniu jak i po relaksacji. Takie zachowanie się pian tłumaczono zmniejszeniem ilości duŝych pęcherzyków powietrza i powstawaniem wielu małych. Wykazano, Ŝe dodatek hydrokoloidów miał wpływ na trwałość piany wtedy, gdy ubijanie trwało dłuŝej niŝ min. Prawdopodobnie uzyskanie innych zaleŝności wywołane jest właściwościami albuminy, jako środka spieniającego, które zaleŝą od wielu czynników takich jak: ph środowiska, obecności i stęŝenia wolnych jonów czy teŝ stęŝenie innych protein (Sikorski, 7). Piany otrzymane z przecieru z albuminą i metylocelulozą po minutach ubijania miały gęstość, g cm -, a ich stabilność mechaniczna była zbliŝona do pian przygotowanych w dłuŝszym czasie. Piany przygotowywane do suszenia nie powinny mieć zbyt małych gęstości, gdyŝ w trakcie suszenia są niestabilne termicznie (Ratti i Kudra 6). Krótki czas przygotowania pian moŝe wpływać na ich strukturę. Badania Kamf a i in. () oraz Jakubczyk i Gondek (8) wskazują, Ŝe w krótkim czasie ubijania formują się duŝe pęcherzyki o szerokim rozkładzie wielkości, co moŝe mieć negatywny wpływ na większy drenaŝ pian w czasie ich przechowywania i obróbki, a w konsekwencji na małą ich trwałość. WNIOSKI. Zwiększenie stęŝenia albuminy z,% do 7% w pianach tworzonych na bazie przecieru jabłkowego powodowało umiarkowany spadek wartości współczynnika płynięcia.. Piana z % dodatkiem albuminy charakteryzowała się największą stabilnością spośród materiałów o stęŝeniu środka spieniającego w zakresie od,% do 7%.. Czas ubijania wpływał na wartość współczynnika płynięcia. Największe róŝnice tej wielkości wystąpiły po czasie ubijania i min.. WydłuŜenie czasu ubijania powodowało obniŝenie wartości napręŝenia pozornego po 6 i s relaksacji, zaś największą odpornością na płynięcie charakteryzował się materiał po minucie ubijania. Uwzględniając wyniki badań mechanicznych oraz gęstości, czas ubijania pian nie powinien przekraczać minut.. Badane piany wykazały przepływ pseudoplastyczny pod wpływem ściskania. PIŚMIENNICTWO Baniel A., Fains A., Popineau Y., 997. Foaming properties of egg albumen with a bubbling apparatus compared with whipping. J Food Sci., 6, 77-8.

10 9 A. MARZEC, E. JAKUBCZYK Chanasattru W., Corradini M.G., Peleg M.,. Determination of practically significant differences in the sensorily perceived consistency of semiliquid foods. J. Texture Stud.,, -6. Chang Y., Hartel R.W.,. Measurement of air cell distributions in diary foams. Int. Dairy J.,, 6-7. Corradini, M.G., Engel, R., Peleg, M.,. Assessment of the extent of consistency loss in semi-liquid foods by compression and shear. J. Texture Stud.,, Corradini, M.G., Engel, R., Peleg, M.,. Sensory thresholds of consistency of semi-liquid foods: Evaluation by squeezing flow viscometry. J. Texture Stud.,, -. Corradini, M.G., Engel, R., Peleg, M.. Consistency of dispersed food systems and its evaluation by squeezing flow viscometry. J. Texture Stud., 6, Hart M.R., Graham R.P., Ginnette L.F., Morgan A.I., 96. Foams for foam-mat drying. Food Technol., 7, -. Hoffner B., Gerhards Ch, Peleg M., 998. Method to assess the ability of rough surfaces to eliminate slip in food viscometry. J. Texture Stud., 9, 7-6. Jakubczyk E., Gondek E., 8. Wpływ składu pian z przecierem jabłkowym na ich stabilność, Mateiały XIII Konferencji Naukowo-Technicznej BEMS, Olsztyn 8, płyta CD, -. Johnson T.M., Zabik M.E., 98. Ultrastructural examination of egg albumen protein foams. J. Food Sci. 6, 7-. Kampf N., Martinem C.G., Corradini M. G.,. Effect of two gums on the development, rheological properties and stability of egg albumen foams. Rheol. Acta,, Ratti C., Kudra T., 6. Drying of foamed biological materials: opportunities and challenges, Drying Technol.,, -8. Sarker D. K., Bertrand D., Chtioui Y., Popineau Y., 998. Characterisation of foam properties using image analysis. J. Texture Stud., 9, -. Sikorski Z. E., 7. Białka budowa i właściwości. W: Chemia Ŝywności. Sacharydy, lipidy i białka. Tom. (red. Z. E. Sikorski), WNT, Warszawa, 8-8. Stauffer C. E.,. Emulgatory. WNT. Warszawa. Terpstra M.E.J., Janssen A.M., Van der Linden E., 7. Exploring imperfect squeezing flow measurements in a teflon geometry for semisolid foods. J. Food Sci., 7, 9-. RHEOLOGICAL PROPERTIES OF FOAMS PREPARED FOR DRYING Agata Marzec, Ewa Jakubczyk Department of Food Engineering and Process Management, Faculty of Food Sciences, SGGW, ul. Nowoursynowska 9C, -776 Warszawa agata_marzec@sggw.pl Ab s t r a c t. The objectives of this work were to assess the effect of concentration of foaming agents and whipping time of apple pulp foam on their rheological properties. Foams were prepared by adding albumin and/or methylcellulose and whipping at different times (-8 min). The rheological properties were investigated by squeezing flow test based on compression of a specimen between two parallel Teflon plates. It was found that the concentration of albumin from. to 7% resulted in moderate decrease of flow index. The albumin foam (% w/w) was the most stable from among all investigated materials. An effect of whipping time on flow index was observed; the material after minute of whipping showed the highest resistance to flow. The apparent stress obtained after 6 and s of relaxation decreased with increased whipping times. The investigated foams demonstrated pseudoplastic flow during compression. K e y wo r d s : foams, albumin, rheological properties, density