Віскозиметр (реометр) HAAKE Viscotester iQ Liquid Package 2 (TM-PE-C) Thermo Scientific

Межа текучості джему, шоколадної пасти та арахісової пасти, визначена за допомогою реометра HAAKE Viscotester iQ та роторів-крильчаток

Автори: Франческа Де Віто, Фабіан Майєр і Фріц Зергель Thermo Fisher Scientific, Карлсруе, Німеччина

Ключові слова: Джем, шоколадна паста, арахісова паста, межа текучості, лопастний ротор (ротор-крильчатка), автоматизована оцінка якості та документація

Стандартним завданням контролю якості (КЯ) типових харчових паст, таких як джем, шоколадна паста або арахісова паста, є визначення межі текучості в контейнері. Для цього лопатевий ротор потрібно перемістити в непошкоджену структуру продукту вертикальним рухом. Для ефективних і високопродуктивних вимірювань КЯ потрібен реометр із простою в експлуатації функцією підйому та універсальним тримачем контейнера, що швидко адаптується для різних конструкцій контейнерів, а також програмне забезпечення для автоматизованих вимірювань, оцінки та документування КЯ. Додатково доступний датчик температури, встановлений паралельно ротору, дозволяє реєструвати температуру зразка.

Межа текучості харчового продукту є мірою важливих характеристик матеріалу, таких як стабільність, смакові відчуття, розтікання, намазуваність, оброблюваність і залежить від харчових інгредієнтів і їх складу.

Малюнок 1. Реометр HAAKE Viscotester iQ із встановленим універсальним тримачем для контейнера та лопастним ротором FL26-2 (зліва); універсальний тримач для контейнера з 3- лопастними роторами: 4-лопастними роторами FL16 і FL22, а також лопастним ротором FL26-2 (праворуч).

Вступ

Щоб дослідити вплив частинок і різних складів на межу текучості, а також вивчити відтворюваність методу, було протестовано три типові харчові пасти.

Перевагою лопастних роторів є те, що їх можна використовувати для випробування матеріалів з більшими розмірами присутніх в продукті часток. Розмір лопастей має бути в кілька разів більшим за максимальний розмір частинок (наприклад, насіння в малиновому варенні). З реологічної точки зору, тверді частинки діють як пасивний наповнювач (як скляні кульки) і тому не сприяють еластичному зв’язуванню, що спричинений слабкою взаємодією молекул або більших агрегатів. Нижче межі текучості зразок демонструє лінійну реакцію на прикладену напругу зсуву або деформацію.

Близько до межі текучості, прикладені напруги зсуву стають достатньо великими, щоб змінити мікроструктуру матеріалу та викликати нелінійну в’язкопружну реакцію. Вище межі текучості матеріал поводиться як рідина. Результати, отримані при визначенні межі текучості, сильно залежать від реологічного методу та використовуваних експериментальних налаштувань.

Шоколадні пасти відрізняються вмістом цукру, жиру, какао та білка, а також типом емульгатора. Це може значно впливати на межу текучості. Для цього дослідження було обрано дві різні комерційно доступні шоколадні пасти.

Межа текучості арахісової пасти навіть вище, ніж у шоколадної пасти. Тому вершкова арахісова паста була обрана для перевірки відтворюваності кривих вимірювання лопастного ротора та оцінки межі текучості.

Межа текучості за визначенням є мінімальною напругою зсуву, яку необхідно прикласти для того щоб продукт почав текти. Межа текучості є текучості, розтікання, намазуваності та здатності діставати ложкою з контейнера, а також використовується для прогнозування стабільності продукту. Розраховані значення межі текучості τ₀ залежать, з одного боку, від інгредієнтів пасти, а з іншого боку, від реологічного методу та експериментальних параметрів, які використовуються для визначення межі текучості. Крім того, підготовка зразка до вимірювання відіграє важливу роль і визначає, чи буде виміряна непорушена чи порушена структура.

Що стосується реологічних методів вимірювання, найбільш точним і рекомендованим методом визначення абсолютних значень межі текучості є контрольована напруга (CS) з вимірювальною геометрією паралельні плити. Це вимагає ретельної підготовки зразка, обробки та завантаження, щоб зберегти непорушену структуру матеріалу. Перемішування або стиснення призведе від статичної межі текучості непошкодженої структури до (нижчої) динамічної межі текучості порушеної структури. Правильне завантаження зразка для вимірювальних геометрій паралельних плит, плита-конус (або коаксіальні циліндри) з подальшим урівноваженням і вимірюванням межі текучості в режимі CS займає приблизно 10 - 20 хвилин.

Для КЯ це може бути надто трудомістким, тому часто віддають перевагу відносним вимірюванням за допомогою лопастних роторів з непошкодженою структурою зразка в оригінальному контейнері, оскільки вони можуть бути проведені набагато швидше та пов’язані зі статичною межею текучості. Правильний вибір експериментальних параметрів для вимірювань за допомогою лопастного ротора є фундаментальним – це більш детально обговорюється нижче. Загалом рекомендується режим контрольованої швидкості (CR) зі швидкістю обертання менше 1 об/хв.

Матеріали та методи

Реометр Thermo Scientific HAAKE Viscotester iQ r, оснащений 4-лопатевим лопастним ротором FL16 (діаметр лопасті 16 мм, висота 8,8 мм) або FL22 (діаметр лопасті 22 мм, висота 16 мм) і універсальний тримач для контейнера (мал. 1) використовувався для визначення межі текучості в режимі CR. У цьому дослідженні швидкість обертання була встановлена на 0,05 об/хв для всіх вимірювань.

П'ять комерційно доступних харчових паст були досліджені за допомогою того самого методу з використанням роторів-крильчаток різних розмірів (див. нижче). Запечатану банку відкривали і фіксували в універсальному тримачі для контейнера. Використовуючи функцію ручного підйому HAAKE Viscotester iQ і функції програмного забезпечення Thermo Scientific HAAKE RheoWin (мал. 2), ротор не обертався (елемент 1: режим CR = γ= 0 с-1), був опущений вертикально в контейнер у відтворюване положення на відповідну глибину проникнення (відповідно до розмірів і форми типу контейнера; елемент 2).

Практичний досвід показує, що більш тверді продукти, які заповнюються в контейнер на технологічній лінії з більшою швидкістю, можуть демонструвати різні властивості матеріалу в різних областях контейнера. У такому випадку обов’язково проводити вимірювання завжди в одному положенні в кожній конкретній конструкції контейнера, щоб отримати порівнювані та відтворювані результати.

Після короткого часу врівноваження та відновлення (елемент 3) загальний час t було встановлено на нуль (елемент 4) безпосередньо перед початком вимірювання. Було застосовано низьку швидкість обертання (тут: 0,05 об/хв), і задану кількість точок даних було записано протягом встановленого часу (елемент 5). За допомогою автоматизованої оцінки та елементу контролю якості (елемент 6: обговорення кривої), максимум на графіку залежності напруги зсуву τ від часу t було визначено автоматично. Програмне забезпечення HAAKE RheoWin надає можливість перевірити, чи знаходиться τ0 в межах (пройшов) або поза (не пройшов) заданого діапазону. Був створений звіт (елемент 7). Його можна зберегти в різних форматах (наприклад, у форматі pdf, jpeg, tiff або emf) або безпосередньо надіслати на принтер.

Для кожного класу зразків необхідно визначити найбільш відповідний тип ротора та швидкість обертання, як у попередньому випробуванні. Менші лопастні ротори використовуються для зразків із міцнішою текстурою та вищою межею текучості, як-от арахісова паста, тоді як більші лопастні ротори 

більше підходять для зразків із нижчою в’язкістю та нижчою межею текучості, як-от шоколадна паста, джем або майонез.

Малюнок 2: Програмне забезпечення HAAKE RheoWin для вимірювання, автоматизованого оцінювання та документування.

Щоб визначити одну швидкість обертання, яка підходить для всіх зразків класу, необхідно перевірити різні швидкості обертання. Занадто висока швидкість обертання призводить до різкого піку, який неможливо оцінити (червоні трикутники на малюнку 3). Занадто низька швидкість обертання забезпечує асимптотичну криву без максимуму (зелені кружечки).

Малюнок 3: Схематичне порівняння вимірювань межі текучості з високою (червоні трикутники), середньою (сині прямокутники) і нижчою швидкістю обертання (зелені кружечки).

Мета полягає в тому, щоб обрати швидкість обертання, яка генерує криву з обчислюваним максимумом (сині прямокутники). Швидкість, що відповідає найвищому оцінюваному максимуму, є найкращим вибором для цього конкретного зразка. Для цього дослідження швидкість обертання 0,05 об/хв виявилася відповідним заданим значенням.

Результати та обговорення

Вплив складу на межу текучості був предметом кількох досліджень у минулому. Спостерігалася різна поведінка залежно від природи та кількості інгредієнтів, що використовувався для досліджень.

Реологічні характеристики джемів сильно залежать від сорту фруктів і рецептури джему. На малюнку 4 показано криві вимірювання межі текучості для двох малинових джемів – один із кісточками, інший – без. Як і очікувалося, межа текучості джему без кісточок набагато вища, ніж межа текучості джему з кісточками, оскільки кісточки поводяться як тверді сфери і не сприяють утворенню еластичної структури, що сприймає напругу. З іншого боку, значення часу для обох джемів подібні (табл. 1).

Як приклад, відтворюваність результатів вимірювань перевіряли за допомогою джему без кісточок – див. останній рядок у таблиці 1. Порівняно із середнім значенням значення, межі текучості відрізняються лише на ± 0,5%, а значення часу є ідентичним.

Після того, як 4-лопастний ротор повернувся на 85°–90°, він більше не зможе виявити непошкоджений зразок. Таким чином, вимірювальні криві показали невелике зниження приблизно на 300 с.

Таблиця 1: Порівняння вимірювань межі текучості з використанням ротора FL 22 при 0,05 об/хв для малинового джему без кісточок та джему з кісточками.

Малюнок 4: Порівняння вимірювань межі текучості при 0,05 об/хв для малинового джему без кісточок (синя крива) і малинового варення з кісточками з використанням ротора FL 22 (помаранчева крива, вставлене зображення).

На рисунку 5 і в таблиці 2 показано результати вимірювань межі текучості для протестованих продуктів шоколадної пасти A і B. Продукт A містить більше какао, більше білка (7%) і більше цукру (56%), ніж продукт B (6% білка; 50% цукру). З іншого боку, жирність продукту А (32%) нижча, ніж продукту Б (35%). Крім того, використовували різні емульгатори – із сої (А) або соняшнику (Б). Значення межі текучості продукту B більш ніж вдвічі, ніж продукту A.

Малюнок 5: Вимірювання межі текучості при 0,05 об/хв для шоколадно-горіхових продуктів A і B з використанням ротора CFL 22.

Таблиця 2: Порівняння вимірювань межі текучості при 0,05 об/хв для шоколадно-горіхових паст з використанням ротора FL 22.

Відтворюваність значення межі текучості в режимі CR була перевірена з вершковою арахісовою пастою. Три незалежно проведені вимірювання з ротором FL16 у режимі CR при 0,05 об/хв показують чудову кореляцію – див. Малюнок 6 і Таблицю 3. Порівняно із середнім значенням, значення межі текучості відрізняються менш ніж на ± 1,5 %, а значення часу майже ідентичні.

Рисунок 6: Три незалежно проведені вимірювання межі текучості у режимі CR зі швидкістю 0,05 об/хв для вершкової арахісової пасти з використанням ротора (FL16).

Таблиця 3: Три незалежно проведені вимірювання межі текучості у режимі CR зі швидкістю 0,05 об/хв для вершкової арахісової пасти з використанням ротора (FL16).

Висновки:

Реометр HAAKE Viscotester iQ, оснащений універсальним тримачем для контейнера та лопастним ротором, дозволяє виконувати ефективні, високопродуктивні процедури вимірювання для тестування КЯ, використовуючи зразки в оригінальних контейнерах.

Функція розумного підйому інструменту забезпечує зручне та швидке використання. У поєднанні з універсальним тримачем для контейнера, який легко регулюється забезпечує контрольоване та ідеально вертикальне розміщення ротора у відтворюваному положенні в конкретному типі контейнера – це ключ до відтворюваних результатів.

Реометром HAAKE Viscotester iQ можна керувати як автономним пристроєм із попередньо визначеними або налаштованими процедурами вимірювання та оцінки, або, що ще більш зручно за допомогою програмного забезпечення для вимірювання та оцінки даних  HAAKE RheoWin. Його елементи пропонують (як стандартну функцію) повністю автоматизовані процедури контролю якості, включаючи оцінку «пройшов/не пройшов» та документування. З усіма трьома типами паст, максимум на кривій залежності напруги зсуву від часу можна оцінити автоматично.