Reologia w kontroli jakości produktów spożywczych

Wstęp

Reologia jest podstawową, interdyscyplinarną dziedziną wiedzy zajmującą się badaniem odpowiedzi substancji rzeczywistych na naprężenia. W sensie dosłownym oznacza  naukę o płynięciu. Obecnie nauka ta zajmuje się prawie wszystkimi aspektami odkształceń i deformacji ciał rzeczywistych pod wpływem naprężeń zewnętrznych. W odniesieniu do nauki o żywności umożliwia ona badanie odkształceń i deformacji żywności oraz wykonanie charakterystyk płynięcia surowców, półproduktów i produktów gotowych. Kontrola jakości polega na testowaniu jednostek i określaniu, czy są one zgodne ze specyfikacjami produktu końcowego. Zadaniem testów jakościowych jest określenie wszelkich potrzeb w zakresie działań naprawczych w procesie produkcyjnym. Kontrola jakości stosowana w firmie w dużym stopniu zależy od produktu lub branży. Jakość to działanie produktu zgodnie ze zobowiązaniem podjętym przez producenta wobec konsumenta. Reologia w kontroli jakości produktów spożywczych jest niezwykle istotna, ponieważ pozwala na monitorowanie i optymalizację procesów produkcyjnych Znajomość właściwości reologicznych produktów spożywczych jest bardzo ważna z punktu widzenia projektowania linii technologicznych, powstawania gotowego produktu oraz kontroli jego jakości. Właściwości te odgrywają duże znaczenie w przetwórstwie żywności, gdyż rządzą zachowaniem się materiałów w czasie transportu cieczy w rurociągach, innych procesach dynamicznych jak np. mieszanie. Równie ważny jest związek cech reologicznych z teksturą produktu co wiąże się z subiektywnym odbiorem jego konsystencji przez konsumenta.

Celem pracy jest przedstawienie wpływu reologii na kontrolę jakości produktów spożywczych.

Znaczenie reologii w przemyśle spożywczym

W przemyśle spożywczym reologia jest stosowana do oceny i kontrolowania właściwości  produktów spożywczych, takich jak ich lepkość, sprężystość, plastyczność i elastyczność. Te właściwości wpływają na szereg aspektów produktu, od jego smaku i wyglądu po łatwość w obróbce i pakowaniu. Właściwości reologiczne produktów spożywczych mogą się różnić w zależności od ich składu, struktury i procesów produkcyjnych. Wartości te mogą obejmować:

• - Lepkość jest to jedna z kluczowych właściwości reologicznych, szczególnie ważna
  w produktach spożywczych, takich jak sosy, napoje, kremy, miód czy dżemy, ponieważ wpływa ona na teksturę produktu oraz na łatwość jego aplikacji i transportu
• - Plastyczność to zdolność materiału do odkształcania się pod wpływem siły bez pęknięcia. Produkty spożywcze, takie jak ciasta, tłuszcze, czy produkty mięsne, muszą charakteryzować się odpowiednią plastycznością, aby zapewnić właściwą strukturę, teksturę i konsystencję gotowych wyrobów.
• - Sprężystość to zdolność materiału do powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu siły deformującej. Produkty spożywcze, takie jak ciasta, gumy do żucia czy galaretki, muszą posiadać odpowiednią sprężystość, aby zachować odpowiednią jakość wytworzonego produktu.
• - Płynność materiału odnosi się do łatwości, z jaką może on przepływać lub być formowany. Cechy płynności mają kluczowe znaczenie w produkcji napojów, soków, czy dresingów. wewnątrz opakowania produktu mleczarskiego, tym samym przedłużając jego trwałość, zaś opakowania inteligentne mogą monitorować oraz dostarczać informacji np.: o jakości, bezpieczeństwie i warunkach przechowywania zapakowanego produktu.

Właściwości reologiczne, takie jak lepkość, plastyczność czy sprężystość, mają bezpośredni wpływ na konsystencję, teksturę, a także stabilność produktów spożywczych, co z kolei decyduje o ich akceptacji przez konsumentów. Zrozumienie i kontrolowanie tych właściwości jest kluczowe dla zapewnienia wysokiej jakości i powtarzalności produktów, a także ich bezpieczeństwa i trwałości. Produkty spożywcze wykazują różne właściwości reologiczne w zależności od ich składu, struktury i sposobu przetwarzania. Dla przemysłu spożywczego reologia staje się nieocenionym narzędziem w monitorowaniu procesu produkcyjnego i zapewnianiu, że produkt finalny będzie odpowiadał oczekiwaniom jakościowym i estetycznym konsumentów. Lepkość, plastyczność i sprężystość są podstawowymi cechami reologicznymi, które wpływają na to, jak produkt zachowuje się w trakcie produkcji, pakowania, przechowywania, a także w czasie konsumpcji. Właściwa kontrola tych cech pozwala na optymalizację procesów technologicznych, zapobiega powstawaniu wad, a także gwarantuje, że produkt będzie miał odpowiednią jakość przez cały okres swojej trwałości.

Pomiar i kontrola reologii w procesie produkcyjnym

Aby skutecznie kontrolować jakość produktów spożywczych, niezbędne jest stosowanie odpowiednich metod pomiarowych. Wśród nich wyróżnia się reometrię, wiskozymetrię oraz testy teksturalne. Reometria pozwala na precyzyjne badanie lepkości i sprężystości, co umożliwia analizowanie zachowania materiałów pod różnymi obciążeniami. Przykładem może być pomiar lepkości sosu, co pozwala zapewnić, że jego konsystencja będzie odpowiadała wymaganiom jakościowym. Wiskozymetria jest techniką pozwalającą na dokładny pomiar lepkości płynów, co jest kluczowe w produkcji napojów, soków czy miodu, gdzie odpowiednia konsystencja decyduje o odbiorze sensorycznym produktu. Z kolei testy teksturalne stosowane są w przypadku produktów stałych lub półstałych, takich jak ciasta, sery czy mięso, pozwalając na kontrolę ich plastyczności i sprężystości, co ma bezpośredni wpływ na ich jakość. W przemyśle spożywczym często stosuje się również analizę strumienia ciepła, zwłaszcza w przypadku produktów, które wymagają szczególnego podejścia do zmian temperatury, takich jak lody, kremy czy czekolada. Właściwości reologiczne ciał stałych, półstałych i płynnych wyznaczane są za pomocą urządzeń zwanych reometrami. W zależności od warunków kinematycznych metody reometryczne dzielimy na następujące grupy: realizowane w warunkach ścinania, rozciągania oraz oscylacyji Testy reologiczne stosowane do charakterystyki produktów spożywczych (rys.1.), dzielimy  na dwie grupy: testy stacjonarne  do których zaliczamy testy rotacyjne  oraz  testy pełzania i powrotu. Za pomocą testów rotacyjnych możemy wyznaczyć lepkość , granicę płynięcia , określić właściwości tiksotropowe, a także normalną siłę . Aplikacja procesowa testów rotacyjnych to takie procesy jak: mieszanie, pompowanie itp. Druga grupa to testy dynamiczne do których należą testy oscylacyjne, dzięki  tym testom możemy określić właściwości lepkosprężyste badanych produktów poprzez wyznaczenie modułów sprężystości G’ oraz  modułów stratności. G”. Testy oscylacyjne służą do określenia stabilności, elastyczności produktu oraz monitorowania przebiegu procesu (np. powstawanie żeli spożywczych).

Rys. 1. Testy reologiczne stosowane do charakterystyki  żywności

Rola reologii w kontroli jakości produktów spożywczych

Analiza reologiczna żywności pozwala na wyznaczenie  jakości gotowego produktu. Pomaga w  określeniu  odpowiedniej konsystencji oraz stabilności tak aby spełnić oczekiwania konsumentów. Najważniejszym czynnikiem w reologii żywności jest odbiór produktu przez konsumenta . Na percepcję wpływa wygląd potrawy, jak również odczucie w ustach.
Na odczucie w ustach wpływa sposób, w jaki pokarm porusza się lub płynie, gdy znajduje się w ustach, i określa, jak pożądane jest jedzenie. Dotyczy to również wrażeń smakowych znanych jako psychoreologia czyli sensoryczna ocena właściwości reologicznych. Produkty spożywcze ze względu na swój złożony skład, a także różne metody wytwarzania posiadają złożone właściwości reologiczne . Wśród nich można znaleźć zarówno typowe płyny jak i ciała stałe .

Tekstura konkretnych produktów spożywczych może być kształtowana według upodobań konsumenta. Może być wyróżnikiem jakości danego produktu. Producent wyrobów spożywczych świadomie może kształtować teksturę swojego produktu, poprzez różnego rodzaju zabiegi technologiczne, a także przez dodatek dopuszczonych do przemysłu spożywczego substancji strukturotwórczych. Pomiary reologiczne mogą pomóc w doborze substancji strukturotwórczych tj.np. emulgatory, szczególnie ich rodzaju i ilości. Miejscem gdzie szerokie zastosowanie znalazły pomiary reologiczne jest projektowanie instalacji i dobór urządzeń procesowych. Szczególnie ma to znaczenie przy obliczeniach związanych z przepływem cieczy i wymianą ciepła. Właściwy dobór pomp lub projektowanie wymienników ciepła ułatwia podanie lepkości konkretnego produktu produkowanego przez dany zakład.

Badanie właściwości reologicznych produktów spożywczych stanowi jedną z metod oceny jakości. Do podstawowych czynników jakości produktów spożywczych zaliczymy: wygląd, smak, zapach, teksturę, wartość odżywczą. W przemyśle spożywczym reologia jest jednym z fundamentów, na którym opiera się proces zapewnienia wysokiej jakości produktów.

 Przykłady praktycznych zastosowań reologii w ocenie jakości gotowego produktu:

• - Jednym z przykładów jest wykorzystanie pomiarów rotacyjnych do określenia topienia i płynięcia czekolady. Właściwości reologiczne czekolady wpływają na jej czucie w ustach jak również charakterystykę procesu. W przypadku stopionej czekolady zgodnie z wytycznymi Międzynarodowego Biura Kakao, Czekolady i Cukierni parametry modelu Cassona zostały oficjalnie uznane za jeden z wyróżników jakości tego produktu . Czynniki jakościowe znajdują odzwierciedlenie w zmiennych reologicznych, do których należą wartości granicy płynięcia Cassona i lepkości Cassona.
• - Następny przykład dotyczy pomiaru właściwości płynących i odbudowy struktury ketchupu również wykorzystując w tym celu reometr rotacyjny . Pomiary reologiczne(testy tiksotropowe), dzięki którym można tworzyć pożądaną konsystencję ketchupu, ułatwiają dobór odpowiedniego surowca oraz właściwej substancji zagęszczającej.
• - Kolejny przykład dotyczy testów reologicznych napojów mlecznych. Dwie próbki
  A i B zbadano pod kątem oscylacji z odchyleniem amplitudy. Przemiatanie amplitudy prowadzono ze stałą częstotliwością przy rosnącym odkształceniu od 0,1 do 100%. Częstotliwość (częstotliwość kątowa) została wstępnie ustawiona na 10 rad / s. Zakres, w którym składowy moduł G' i moduł stratności G'' nie zmieniają się przy zastosowanym odkształceniu, nazywany jest liniowym zakresem lepkosprężystym (zakres LVE). W tym zakresie struktura próbki jest stabilna. Przemiatanie amplitudy może dostarczyć początkowych informacji o strukturze próbki. Jeśli zachowawczy moduł sprężystości G' jest wyższy niż moduł stratności G'', mówi się, że próbka ma charakter żelowy. Próbka B i próbka A zawierają wystarczającą ilość środka zagęszczającego, aby w stanie spoczynku utworzyć żelopodobną strukturę. Przy małych odkształceniach G' > G'', oznacza to, że próbka tworzy żel, który nie ulega zniszczeniu, dopóki nie zostanie osiągnięte większe odkształcenie.
• - Dzięki kulowemu systemowi pomiarowemu (BMS) służącemu do pomiaru właściwości reologicznych produktów zawierających cząstki stałe możemy określić właściwości reologiczne produktów, do których należą np. jogurty z kawałkami owoców, sosy warzywne, marmolady. Pomiar polega na wyznaczeniu określonej ilości punktów pomiarowych na torze obrotu kulki w zakresie szybkości ścinania od 1 s^-1do 50 s-¹.

Podsumowanie

Wiedza o właściwościach reologicznych produktów spożywczych jest niezwykle ważna. Ma ona bardzo duży udział w określaniu cech reologicznych produktów oraz stanowi jedną z metod oceny jakości, przez co ich poznanie wydaje się niezwykle istotne oraz niezbędne w projektowaniu różnych produktów i modyfikowaniu już istniejących. Każdy z wyżej omówionych przykładów charakteryzuje płyn w nieco inny sposób. Wybór odpowiedniego testu powinien polegać na zrealizowaniu takiego rodzaju badania, którego wyniki mogą posłużyć do opisu zachowania badanej substancji w warunkach procesu realizowanego
w procesie technologicznym.

Elżbieta Haponiuk, Katedra Inżynierii, Aparatury Procesowej i Biotechnologii Żywności

Uniwersytet Warmińsko – Mazurski w Olsztynie

Literatura:

1. 1.Tomasz Kiljański, Inż. Ap. Chem.2014,53,5,344-346;
2. 2.Tabilo-Munizaga , G.V. Barbosa -Canovas, Journal of Food Engineering,2005, 67 147- 156;
3. 3.Kiljański T., Dziubiński M., Sęk J., Antosik K., 2009. Wykorzystanie pomiarów właściwości reologicznych płynów w praktyce inżynierskiej. EKMA, Warszawa;
4. 4.Ferguson J., Kembłowski Z., 1995. Reologia stosowana płynów. MARCUS, Łódź;
5. 5.Kembłowski Z., 1973. Reometria płynów nienewtonowskich. WNT, Warszawa.