Вимірювання тертя розплавленим шоколадом

Виправлення до цієї статті доступне

Ця стаття оновлена

Анотація

Повідомляється про новий тест, який дозволяє вимірювати тертя розплавленого шоколаду в модельному контакті стирання язик-небо. Тертя вимірювали протягом періоду втирання 150 с для ряду комерційних зразків з різним вмістом какао (85–5% мас.). Більшість кривих тертя мали характерний малюнок: спочатку відбувається швидке збільшення, оскільки розплав шоколаду з високою в'язкістю зрізається в контактній області з подальшим падінням тертя, коли плівка руйнується. Виняток становили дуже високі (85%) та дуже низькі (

5%) зразків вмісту какао, які давали досить постійні сліди тертя протягом часу випробування. Відмінності спостерігались у початковому максимальному та кінцевому коефіцієнтах тертя залежно від складу шоколаду. Як правило, початкове максимальне тертя збільшувалось із збільшенням вмісту какао. В кінці тесту натерті плівки на нижньому предметному склі досліджували за допомогою оптичної мікроскопії та інфрачервоної мікровідбивної спектроскопії. У натираній доріжці структура шоколаду була сильно погіршена і переважно складена з крапель ліпідів, що підтвердили ІЧ-спектри. Новий тест пропонує метод розрізнення поведінки тертя різних шоколадних композицій у натирається контакті низького тиску. Це також дозволяє нам виявити зміни в деградованій шоколадній плівці, які можуть бути пов'язані з профілем тертя. Подальший розвиток методу випробування необхідний для поліпшення моделювання контакту язик-небо, включаючи вплив слини, і це буде наступним етапом дослідження.

Вступ

Сприйняття кремоподібності та гладкості в першу чергу пов’язане із тертям, яке виникає при контакті язика та піднебіння під час жування [1]. Однією з популярних закусок, де вершковість і гладкість є цінними якостями, є шоколад, а розробка аналогів з низьким вмістом жиру/цукру повинна задовольнити сподівання споживачів у цьому плані. Однією з проблем при формулюванні таких продуктів є кількісна оцінка сенсорних властивостей вершковості/гладкості в лабораторії таким чином, щоб це стосувалося споживчого досвіду. Метою даної роботи було розробити простий лабораторний тест, який вимірює фрикційні властивості шоколаду при модельному оральному контакті (язик/небо) та розрізняє різні продукти. Сподіваємось визначити тест, який полегшить розробку нових продуктів, а також дасть уявлення про основні механізми оральної обробки.

Шоколад - це тверда суміш часток (тверді речовини какао, кристали цукру, тверді речовини молока), дисперговані у безперервній фазі (переважно какао-масло) [2]. До додаткових компонентів належать емульгатори (зазвичай соєвий лецитин) та рослинні олії (наприклад, ши, пальма). Вміст какао (жиру та твердих речовин), цукру та молока змінюється, щоб отримати цілий ряд продуктів (наприклад, темний, молочний, білий). Склад і визначення різних типів шоколаду та смакових уподобань різняться по всьому світу і є предметом напружених онлайн-дискусій. В ЄС різні типи шоколаду та їх дозволений склад визначені в Директиві ЄС 2000/36/ЄС [3]. Вони зведені в таблиці 1.

Шоколад готують комбінованим перемішуванням (зсувом) та нагріванням, який зазвичай називають «коншируванням» з подальшим відпуском, щоб отримати кінцевий продукт [2]. Отримані властивості об’ємного потоку шоколаду були широко вивчені реологією [4,5,6]; розплавлений шоколад класифікується як неньютонівська рідина, яка має межі текучості та пластичну в'язкість [4,5,6]. Хоча реологія є важливою для визначення властивостей потоку для виробничих процесів, вона не обов'язково корисна для прогнозування або пояснення різних атрибутів текстури, що виникають під час їжі [1]. Широко поширена думка, що в міру зсуву і витончення плівки на межі розділу язик - небо домінує саме трибологічний, а не реологічний механізм [1, 7,8,9].

Шоколад як трибологічний матеріал та вплив оральної обробки на тертя виявились важкими для вивчення, і опубліковано дуже мало робіт [7,8,9]. Як правило, розплавлений шоколад вводиться в ковзний контакт і коефіцієнт тертя, виміряний в межах діапазону або значень швидкості або навантаження. Зразки для контактування різняться: використовувались полімер (PDMS)/полімер (PDMS) [8] або полімер/кераміка [7, 9]. У цих роботах [7,8,9] вивчався вплив складу та способу приготування шоколаду на тертя. Хоча різниця у величинах тертя та реакції на зміна швидкості зважаючи на різний склад шоколаду, було незрозуміло, як співвідносити ці тенденції з атрибутами текстури відчуття рота.

Вживання шоколаду в їжу широко сприймається (або продається!) Як досвід самозадоволення, на який впливають смак та в’язкість, але домінує усне сприйняття вершковості та гладкості [10]. Таким чином, сподівання споживачів великі, особливо для більш дорогих марок. При споживанні шоколаду існує ряд різних процесів: початкове прикушування та клацання (зуб – шоколад), подрібнення та змішування зі слиною (зуб – зуб) та остаточна обробка (язик – піднебіння) перед ковтанням [10]. Хоскін [2] перераховує ряд сенсорних властивостей, пов’язаних з оцінкою шоколаду, і до них належать: колір, зовнішній вигляд поверхні, ламаність, текстура, аромат та смак (солодкість/гіркота). Розробка нових рецептів, наприклад, зі зниженим вмістом жиру або цукру, повинна відповідати сподіванню споживача щодо відчуття ротової порожнини та насичення, однак продукт їдять. У поточній роботі основна увага приділяється процесу язика та піднебіння, а не початковому закріпленню.

Склад безперервної ліпідної фази відіграє важливу роль у сприйнятті текстури [10], оскільки продукт повинен бути твердим при кімнатній температурі, а потім швидко плавитися після введення в рот. Какао-масло [11] складається з тригліцеридів, які містять три «хвостики» жирних кислот, прикріплені до скелета гліцерину. Найпоширенішими жирними кислотами (понад 95%) є олеїнова кислота (35% ненасичених С18), стеаринова кислота (34% насичена С18) та пальмітинова кислота (26% насичена С16). Найбільш поширена структура гліцеридів (

У попередній роботі [12] ми описали розробку тесту для вимірювання тертя в модельному контакті язик/небо для йогурту. Одним з важливих аспектів була здатність вимірювати зміну тертя з часом, оскільки їжа розщеплюється в контакті, що тереться, імітуючи таким чином досвід прийому їжі. Тест був успішно використаний для розрізнення молочних продуктів з різним вмістом жиру та вивчення впливу змочування поверхні (гідрофобного/гідрофільного) на зміни тертя під час натирання [12]. Дизайн поточного тесту дещо відрізняється, оскільки шоколад попередньо розплавляється на предметному склі. Верхній, поршневий зразок являє собою плоский полімерний диск. Плоско-плоских конфігурацій зразків, як правило, уникають при трибологічних випробуваннях через проблеми невідповідності; однак у цьому випадку більш м'яка поверхня PDMS деформується під навантаженням для отримання рівномірного контакту.

У цій роботі тест застосовується до комерційного шоколаду. В якості комерційних прикладів було обрано цілий ряд твердих речовин какао та типів шоколаду (“сімейний” та “розкішний”). Зміна тертя спостерігалася від початку втирання в модельний контакт язик - небо. В кінці випробування матеріал, що залишився в потертому контакті, досліджували за допомогою оптичної мікроскопії та інфрачервоної спектроскопії. Цей підхід дозволяє нам виявити втрату або зміну компонента і, таким чином, сприяти остаточному тертю, яке зазнає.

Експериментальна програма

Випробування на тертя

Новий метод випробування HFRR використовує плоский диск PDMS (полідиметилсилоксан, модель з язичком) (товщина 5 мм, діаметр 6 мм), завантажений і натираючи об нерухому нижню поверхню скла (модель піднебіння). Ця комбінація м’яких/твердих поверхонь була використана в ряді робіт для імітації контакту язик/небо [13, 14]. Принципова схема показана на рис. 1а. Нижній зразок - скляний скляний мікроскоп, зафіксований на нагрівальному блоці з регульованою температурою. Термопара в нагрівальному блоці контролювала температуру. Зразок PDMS був приклеєний до верхнього тримача зразка HFRR, який встановлений на валу, приведеному в зворотно-поступальний рух. Нижній зразок скла попередньо нагрівали до 35 ° C, який протягом 10 хв підтримували постійним до початку випробування. Невелика кількість (рис. 1

Принципова схема конфігурації тесту HFRR та зображення зразка шоколаду. a Конфігурація тесту HFRR, b Фотографія двох зразків шоколаду на предметному склі мікроскопа після тестування (фон - фактурний папір під предметним склом)

Потім було розпочато зворотно-поступальний рух і зразок PDMS навантажили на скло (через 10 с після початку зворотно-поступального руху). Тертя (понад 150 с загального часу випробування) реєстрували від прикладання навантаження. Умови випробувань узагальнені в таблиці 2. Використовували довжину ходу 1,5 мм, що дає швидкість ковзання 30 мм с -1 протягом більшої частини циклу в межах типового діапазону для швидкості язика, наведеного Hiiemae та Palmer [15].

Для кожного тесту використовували нове предметне скло (очищене ізопропанолом). Верхній зразок пробивали з листа PDMS (товщиною 5 мм) за допомогою пуансона для біопсійної тканини діаметром 6 мм. Після кожного тесту це протирали, а потім очищали ізопропанолом, періодично диск замінювали. Після випробування поверхню PDMS досліджували, але не було ознак пошкодження внаслідок натирання. Використовували навантаження в 1 Н, що дало приблизний контактний тиск 30 кПа, що порівнянно із зареєстрованим тиском у контакті язик/небо [16].

Конструкція випробування була якомога простішою, щоб встановити основну передумову зміни тертя з часом натирання. Вплив шару слини на тертя та деградацію шоколадної плівки не досліджувався, але буде розглянутий у майбутньому.

Зразки шоколаду

Експертиза натертих шоколадних плівок

В кінці тесту досліджувану поверхню на предметному склі мікроскопа досліджували для визначення складу та морфології залишкової шоколадної плівки. Приклади зразка втертого шоколаду наведені на рис. 1b. У центральній зоні натирання плівка набагато тонша, оскільки шоколад розбився, а деякі компоненти вигнали. Для вивчення розподілу компонентів натираних плівок використовували мікроскоп з диференціальним інтерференційним контрастом (DIC), який порівнювали із зображеннями шоколаду до натирання, відібраного у вигляді тонких, розплавлених плівок. DIC-мікроскопія забезпечує поліпшену диференціацію низькоконтрастних компонентів порівняно із звичайними методами яскравого поля.

У деяких випробуваннях натрійні плівки готували на предметних предметних стеклах мікроскопа, що дозволяло проводити аналіз за допомогою мікро-інфрачервоної спектроскопії поглинання відбиття (Micro-IRRAS). Ця методика була використана для аналізу органічного складу невеликих ділянок натираних плівок на металевих поверхнях [18]. Спектрометр Perkin Elmer Frontier FTIR, обладнаний ІЧ-мікроскопським мікроскопом, використовувався для отримання спектрів відбиття (100 сканувань, 4 см -1) на невеликих ділянках (діаметром 100 мкм) натираних шоколадних плівок. Усі спектри були виправлені, згладжені (12 балів) і нормалізовані до загальної пікової поглинання 0,1 при

1730 см -1. Детальніше про метод наведено в посиланні 18. Спектри протертої плівки порівнювали зі зразками свіжого (непротертого) шоколаду для отримання ознак втрат компонентів під час тестування на тертя.

Натерті плівки на предметних предметах із золота мали дуже схожі риси з тими, що утворились на склі, а криві тертя також мали ті самі характерні форми.

Результати і обговорення

Результати тертя

Результати тертя, нанесені на графік щодо часу натирання, показані на рис. 2, 3, 4 і 5. В цілому тести на тертя були дуже повторюваними, і це показано на рис. 2, де для White_A побудовано три різні тести. Для всіх інших цифр побудовано усереднені криві принаймні трьох тестів. Більшість зразків показали однаковий загальний вигляд кривої часу тертя: початкове збільшення до максимального коефіцієнта тертя після

10 с натирання під навантаженням з подальшим зменшенням до остаточного стабільного значення тертя. Спостерігались відмінності у максимально досягнутому терті та кінцевому значенні рівноваги. У всіх випадках це значення було досягнуто менш ніж за 120 с.

Вимірювання тертя: тест повторюється за допомогою White_A