Cíl práce Laboratoře oboru (N352014) Seznámení s metodami hodnocení reologických vlastností potravinářských materiálů pomocí rotačních viskozimetrů a s metodami hodnocení mechanických vlastností a textury empirickými a imitativními metodami. Úkol Stanovte závislost viskozity vzorku oleje na teplotě (10, 25, 40 C) Metodou určenou pro hodnocení funkčních vlastností xantanu pomocí rotačního reometru posuďte reologické vlastnosti vzorků kečupu Zhodnoťte funkční vlastnosti vzorku želatiny o Připravte želatinu dle instrukcí pedagogického dozoru o Pomocí dynamické oscilační reometrie stanovte teplotu tvorby gelu a viskoelastické vlastnosti výsledného gelu při teplotě 10 C o Tekutý teplý vzorek nalejte do předepsaných standardních vzorkovnic a nechte minimálně 1 hodinu vytemperovat na teplotu 10 C. Stanovte tuhost (hodnotu Bloom ) a pevnost, deformovatelnost a přilnavost gelu želatiny metodou vtlačování (puncture test). Stanovte texturní profil předložených vzorků metodou stlačování mezi deskami. Stanovte pevnost předložených vzorků metodou tříbodového ohýbání. Obecné pokyny protokolu: Každý student vypracovává protokol individuálně, vyhodnocuje 1 vzorek a výsledky srovná s výsledky ostatních členů prac. skupiny. Uveďte stručně způsob a základní podmínky použitých metod hodnocení. Uvádějte jen požadované grafické znázornění naměřených hodnot a jejich vyhodnocení (průměrné hodnoty, směrodatné odchylky opakovaných měření, vypočtené a požadované hodnoty). U každého výsledku uveďte stručný komentář. V grafech a tabulkách věnujte pozornost také volbě vhodného měřítka a počtu zobrazených desetinných míst číselných údajů, popisu souřadnic a popisu, tzn. celkové srozumitelnosti. Při hodnocení želírování dynamickou oscilační reometrií hodnoty fázového posunu na počátku měření, které jsou zatížené setrvačností (např. hodnoty nad 90 ), nahraďte hodnotou 90 Graf odevzdejte v písemné podobě a elektronicky zašlete tabulky naměřených dat a jejich vyhodnocení v Excelu (včetně grafů a tabulek uvedených v protokolu). 1
Stanovení závislosti viskozity oleje na teplotě Měření provést na rotačním reometru HAAKE viskozimetr IQ (Thermo Fisher Scientific, USA) v uspořádání koaxiálních válců dle následujícího programu: vytemperování na výchozí teplotu 10 C o závislost smykového napětí na smykové rychlosti 10 100 s -1 ( za 3 min) = vzestupná část tokové křivky o závislost smykového napětí na smykové rychlosti 100 10 s -1 ( za 3 min) = sestupná část tokové křivky vytemperování na teploty 10; 25 a 40 C o závislost smykového napětí, resp dynamické viskozity na době působení smykové rychlosti 100 s -1 (100 s) Naměřené tokové křivky znázornětete graficky (Obr.1) - lineární regresí vyjádřete dynamickou viskozitu při teplotě 10 C. Z časové závislosti viskozity při jednotlivých teplotách vypočtěte průměrnou hodnotu a směrodatnou odchylku a graficky vyjádřete závislost na teplotě (Obr.2). Závislost průměrných hodnot viskozity na teplotě vyjádřete podle vztahu: A T k e respektive po linearizaci: ln ln kde T absolutní teplota (K), k, A - konstanty k A T 2
Stanovení viskozity kečupu Laboratoře oboru (N352014) 1. Stanovení tokové křivky Měření provést na rotačním reometru HAAKE viskozimetr IQ (Thermo Fisher Scientific, USA) v uspořádání koaxiálních válců při teplotě 20 C dle následujícího programu: 1. závislost smykové rychlosti, resp. zdánlivé viskozity na smykovém napětí v rozmezí 0,1 100 Pa (za 3 min). Měření ukončit po dosažení smykové rychlosti 100 s -1 = vzestupná část tokové křivky. 2. závislost smykového napětí, resp. zdánlivé viskozity na smykové rychlosti 100 10 s -1 (za 3 min) = sestupná část tokové křivky Naměřené závislosti znázorněte graficky: Obr. 4: závislost zdánlivé viskozity na smykovém napětí z grafu určete mez toku (pokud ji vzorek bude vykazovat = napětí, kdy je dosaženo maximální zdánlivé viskozity) Obr. 5: vzestupnou a sestupnou větev tokové křivky (logaritmické měřítko obou proměnných; smykové rychlosti jen v rozmezí 0,1 100 s -1 ) Obr. 6: vzestupnou a sestupnou větev viskozitní křivky (logaritmické měřítko obou proměnných; smykové rychlosti jen v rozmezí 0,1 100 s -1 ) Závislost smykového napětí na smykové rychlosti sestupné větve tokové křivky (tedy již časově nezávislé časti) vyjádřete modelem podle Ostwalda: n K (Pa) kde... smyková rychlost (s -1 ); smykové napětí (Pa) K koeficient konzistence (Pa.s n ); n index tokového chování (-) 3
Stanovení teploty tvorby gelu a viskoelastických vlastností dynamickou oscilační reometrií Metodou umožňující posoudit elastickou i viskosní složku reologického chování různých materiálů je například dynamická oscilační reometrie, kterou lze provést rotačním reometrem v oscilačním režimu. Vzorek je zde umístěn např. mezi dvě rovné desky, z nichž jedna osciluje a tím vyvolává harmonický průběh smykové deformace vzorku: = 0 cos( t) kde 0 amplituda smykové deformace ( - ) frekvence oscilací (rad/s) t čas ( s ) Odezvou je harmonický průběh smykového napětí, které je však vlivem existence nevratné deformace způsobené viskosní složkou reologického chování posunuto o fázový úhel (viz Obr. 1): = 0 cos( t + ) kde 0 amplituda smykového napětí (Pa) 0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0,0000-0,0002-0,0004-0,0006-0,0008-0,0010 napětí 0 100 200 300 400 smykové napětí [Pa] deformace [ - ] deformace fázový posun Obr. 1 Průběh smykového napětí a deformace vzorku sýra při dynamické oscilační reometrii Celkový odpor vzorku proti deformaci pak vyjadřuje komplexní modul pružnosti ve smyku, který je dán poměrem / : G* = 0 / 0 (cos( ) + i sin( )) = G' + i G" G* = 0 / 0 Kde G' paměťový (elastický) modul (Pa) G" ztrátový (viskózní) modul (Pa) i = (-1) 1/2 Mírou viskoelastičnosti vzorku je velikost úhlu fázového posunu (ideálně elastický materiál má = 0, pro ideálně viskosní látku = 90 ): tan( ) = G" / G' 4
Měření lze provádět v módu: CD (controled deformation) volí se amplituda a frekvence deformace, přístroj měří smykové napětí a fázový posun CS (controled stress) - volí se amplituda a frekvence smykového napětí, přístroj měří smykové napětí a fázový posun Při dynamická oscilační reometrii je možné sledovat: Časovou nebo teplotní závislost při stálé amplitudě a frekvenci deformace. Využívá se pro sledování tvorby gelu. (Měření musí být nedestruktivní = velmi nízká amplituda deformace.) Závislost na frekvenci oscilace, tedy rychlosti deformace, resp. smykové rychlosti. Stanovení tzv. mechanického spektra se obvykle provádí také při velmi nízkých hodnotách amplitudy deformace, tak aby byly dodrženy podmínky lineární viskoelastické oblasti (tzv. metoda SAOS small amplitude oscillation shear ). Zde se sleduje míra závislosti modulů na frekvenci (lze vyjádřit mocninovou funkcí) a změna podílu viskozitní a elastické složky (fázový posun). Pro pevný gel je změna fázového posunu minimální (G i G vykazují stejnou závislost na frekvenci), v opačném případě se jedná o koncentrovanou suspenzi se slabými nevazebnými interakcemi mezi částicemi. Závislost na smykovém napětí, resp. deformaci, kdy je možné určit oblast ve které je reologické chování nezávislé na velikosti deformace (lineární viskoelastická oblast) a oblast ve které již dochází ke změnám struktury vzorku a zvyšuje se podíl viskozity. Charakteristickou hodnotou je smykové napětí, kdy tan( )=1 (G =G ) a tedy převáží viskozitní složka reologického chování vzorku (Obr. 2). Obr. 2 Závislost paměťového a ztrátového modulu a fázového posunu na amplitudě smykového napětí. Hodnocení termixu dynamickou oscilační reometrií při frekvenci 1 Hz. Podmínky stanovení: časová závislost při poklesu teploty z 60 C na 10 C za 25 minut a 5 minut při 10 C (mód CD - amplituda smykové deformace: 0,1 %; frekvence oscilace 1 Hz) mechanické spektrum v rozmezí frekvence 0,1 10 Hz (mód CD - amlituda deformace 0,1 %) Výsledky uveďte graficky (závislost G ; G a na čase, resp. frekvenci oscilace). V časové závislosti uveďte též hodnotu teploty teplotu tvorby gelu určete podle okamžiku, kdy tg( )=1 (tzn. G =G ). 5
Stanovení hodnoty Bloom a mechanických vlastností gelu želatiny Podle Gelatin Manufacturers Institute of America (GMIA) je tuhost gelu želatiny vyjádřena hodnotou bloom, která udává sílu potřebnou na vtlačení válcové sondy o průměru 0,5 (12,7 mm) do gelu do hloubky 4 mm za podmínek metody (zahrnuje způsob přípravy gelu, rozměry vzorkovnice, rychlost pohybu sondy 1 mm/s ). Výsledek se uvádí v jednotkách váhových gramů (1 g = 0,00981 N). Stanovení se provádí např. pomocí zařízení Texture Analyser TA.XT.plus (Stable Microsystem, UK). Vtlačování se ovšem často provádí do větší hloubky (např. 10 mm). Ze získané zátěžové křivky je pak možné vyhodnotit další mechanické parametry (viz. Obr. 3). Obr. 3: Příklad zatěžovací křivky při vtlačování válcové sondy do gelu (0-10 s; nad 10 s návrat sondy). Texturní profilová analýza (TPA) Texturní profilová analýza je imitativní metoda hodnocení textury potravin. Je založena na měření mechanických vlastností při mechanickém namáhání imitujícím žvýkání sousta. Realizuje se měřením normálové síly potřebné na opakované stlačení vzorku na deformaci potřebnou k jeho destrukci (obvykle nad 75 %). Ze získané zatěžovací křivky se pak vyhodnocuje řada deskriptorů textury vnímané v ústech definovaných normou ČSN ISO 5492. Stanovení se provádí pomocí zařízení Texture Analyser TA.XT.plus (Stable Microsystem, UK) v uspořádání jednosměrného stlačování dvěmi rovnými deskami. Vzorek (obvykle velikost sousta) se umístí na spodní desku a je stlačován deskou o průměru 100 mm. Rychlost pohybu desky před testem: 1 mm/s. Pozice horní desky při dotyku vzorku (začátek vzorku) určen při překonání síly 0,05 N Rychlost pohybu desky při testu: 5 mm/s. Maximální relativní deformace: 85 % původní výšky vzorku Návrat desky na původní výšku vzorku a po časové prodlevě 5 s vzorek následuje druhé stlačení za stejných podmínek. Rychlost sběru dat byla 500 bodů za sekundu. Obrázek 6 ukazuje příklad zatěžovací křivky TPA, z které jsou vyhodnoceny následující deskriptory: 6
Laboratoře oboru (N352014) tvrdost síla při maximální deformaci (F2) (N), lomivost síla na mezi pevnosti (F3) (N), přilnavost práce na překonání lepivosti vzorku na sondu (A3) (N.s), A2 soudržnost (-) A1 2 pružnost (-) 1 kde ( 1, 2 ) čas potřebný na první a druhé stlačení od počátku vzorku na 75 % jeho výšky (s), (A1, A2) práce na první a druhé maximální stlačení (N.s), A1 = a + b. Z těchto hodnot byly dále vypočítané veličiny: gumovitost = tvrdost. soudržnost (pro polotuhé potraviny) žvýkatelnost = tvrdost. soudržnost. pružnost (pro tuhé potraviny) Force (N) 1 2 3 4 5 6 Strain (% ) 2 F F2 F3 F 3 F 1 A1 1 A3 Time (sec) Obr. 4: Příklad zatěžovací křivky TPA a způsob vyhodnocení. F2 síla při 75% deformaci, F3 síla na mezi pevnosti, A1, A2 celková práce na první a druhé stlačení, A3 práce na překonání lepivosti vzorku na sondu, 1, 2 potřebný čas na první a druhé stlačení od počátku vzorku na 75 % jeho výšky; 2 a 5 75% deformace vzorku, 3 a 6 konec kontaktu vzorku s horní deskou po stlačení, 4 počátek vzorku při druhém stlačení, deformace. 2 A2 Stanovení pevnosti metodou tříbodového ohýbání. Proveďte podle aplikačních informací výrobce texturometru. Uveďte zatěžovací křivky a stanovené hodnoty tuhosti, meze pevnosti a deformovatelnosti. 7