Εισαγωγή στη Ρεολογία Τροφίμων

Στη βιομηχανία τροφίμων είναι πολύ σημαντικό να κατανοήσετε πώς θα συμπεριφέρονται τα τρόφιμα σας. Θα παραμορφωθεί (πολύ) εύκολα (ένα μάφιν), θα ρέει μέσα από ένα σωλήνα (μια σάλτσα ζυμαρικών), θα μείνει στο προϊόν σας (επικάλυψη καραμέλας του μπισκότου σας), θα πήξει ή όχι (σάλτσα μπεσαμέλ) ? Εάν θέλετε το προϊόν σας να παρασκευάζεται αποτελεσματικά και να παραμένει καλό κατά την αποθήκευση και τη μεταφορά, είναι χρήσιμο να μάθετε περισσότερα για αυτές τις φυσικές ιδιότητες των τροφίμων σας. Ευτυχώς, υπάρχει μια ολόκληρη τροφή στη φυσική των τροφίμων που εξετάζει αυτό:τη ρεολογία.

Αυτή η ανάρτηση θα διερευνήσει τα βασικά της ρεολογίας των τροφίμων, ξεκινώντας με το να καταλάβουμε τι είναι η ρεολογία. Στη συνέχεια, θα κάνουμε μεγέθυνση σε μερικούς πολύ συνηθισμένους όρους στον κόσμο της ρεολογίας των τροφίμων:ιξώδες, ρυθμός διάτμησης και τάση διάτμησης. Τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό, θα κάνουμε μεγέθυνση σε μερικά πιο πρακτικά παραδείγματα συμπεριφοράς ροής ορισμένων τροφίμων. Ως οικιακός μάγειρας ή σεφ μπορεί να μην μπορείτε να μετρήσετε κάτι σαν τιμή ιξώδους. Ωστόσο, αξίζει να κατανοήσουμε τα βασικά αυτών των εννοιών. Θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε τι συμβαίνει στο φαγητό σας κατά το μαγείρεμα, την ψύξη και τη μεταφορά.

Τι είναι η ρεολογία των τροφίμων;

Η ρεολογία περιγράφει τη ροή των υλικών. Η ρεολογία δεν εφαρμόζεται μόνο στα τρόφιμα, αλλά μπορεί να είναι η ροή και η συμπεριφορά οποιουδήποτε (συνήθως υγρού) υλικού. Ας χρησιμοποιήσουμε μερικά παραδείγματα για να ζωντανέψουμε την έννοια:

• Κέτσαπ δεν ρέει από το μπουκάλι μόνο του, αντίθετα, θα ρέει μόνο αφού ανακινήσετε ή πιέσετε το μπουκάλι ή το σωλήνα. Μετρώντας τη ρεολογία των υλικών που δείχνουν αυτή τη συμπεριφορά θα δείτε κάποιες ομοιότητες.
• Νερό ρέει από ένα φλιτζάνι πολύ εύκολα και αρκετά γρήγορα. Μέλι από την άλλη ρέει πολύ διαφορετικά, ρέει πιο αργά και με πιο παχύρρευστη σιροπιαστή σύσταση.
• Προσπάθησα ακόμη και να αναμίξω άμυλο καλαμποκιού με λιγο νερο? Αν ναι, ίσως έχετε παρατηρήσει ότι θα ρέει έξω από το μπολ σας όταν το γέρνετε. Ωστόσο, μόλις αρχίσετε να ανακατεύετε δυνατά με ένα κουτάλι, θα γίνει αρκετά σκληρό! Πυκνώνει, αλλά μόλις σταματήσετε να ανακατεύετε και μετακινήσετε απαλά το κουτάλι, γίνεται πολύ πιο εύκολο και πάλι!

Η ρεολογία εξετάζει όλα αυτά τα φαινόμενα και θα σας βοηθήσει να εξηγήσετε τι συμβαίνει, γιατί συμβαίνει και πώς μπορεί να αλλάξει (ή δεν μπορεί να αλλάξει).

Ρεολογία τροφίμων – Ιξώδες

Για να μελετήσετε τη ρεολογία πρέπει να είστε εξοικειωμένοι με μερικές έννοιες που χρησιμοποιούνται ευρέως στον κόσμο της ρεολογίας των τροφίμων. Θα ξεκινήσουμε με το ιξώδες . Όλα τα υγρά και τα μαλακά στερεά θα έχουν τιμή ιξώδους. Αυτό το ιξώδες περιγράφει την αντίσταση του υλικού όταν εφαρμόζεται μια συγκεκριμένη τάση. Ένας άλλος πιο οπτικός τρόπος για να εξηγήσετε το ιξώδες είναι μέσω του «πάχους». Ένα υλικό με υψηλότερο ιξώδες είναι παχύτερο από ένα με χαμηλότερο ιξώδες. Για παράδειγμα, το μέλι είναι πιο παχύρρευστο από το νερό και έχει υψηλότερη τιμή ιξώδους.

Το ιξώδες ενός υλικού εξαρτάται πάντα από τη θερμοκρασία. Φανταστείτε μια σάλτσα μπεσαμέλ, μπορεί να είναι πολύ ρευστή (χαμηλού ιξώδους) όταν είναι ζεστή. Όταν όμως κρυώσει θα πήξει. Για ορισμένα υλικά το ιξώδες σε μία θερμοκρασία θα είναι σταθερό, ανεξάρτητα από το αν χύνεται, αναμειγνύεται κ.λπ. Αυτά είναι τα λεγόμενα Νευτώνεια ρευστά. Το νερό είναι ένα παράδειγμα Νευτώνειου ρευστού.

Ωστόσο, για πολλά υλικά το ιξώδες τους εξαρτάται στην πραγματικότητα από εξωτερικές δυνάμεις ή τάσεις. Ας επιστρέψουμε σε αυτό το κέτσαπ. Δεν ρέει όταν το μπουκάλι κρατιέται ανάποδα. Αντίθετα, πρέπει να ανακινήσετε το μπουκάλι για να ξεκινήσει η ροή. Είναι σαφές ότι η αντίσταση στη ροή ή το πάχος έχει αλλάξει λόγω αυτής της ανακίνησης. Πολλά τρόφιμα συμπεριφέρονται έτσι, αυτά είναι υγρά που δεν περιέχουν Newton.

Ρεολογία τροφής – Ρυθμός διάτμησης &διατμητική τάση

Δύο άλλοι πολύ συνηθισμένοι όροι στη ρεολογία των τροφίμων είναι ο ρυθμός διάτμησης και η διατμητική τάση. Μέσα σε πολλές τεχνικές ανάλυσης θα εμφανιστούν αυτοί οι δύο όροι.

Ο ευκολότερος τρόπος για να εξηγήσετε αυτές τις έννοιες είναι να φανταστείτε δύο παράλληλες πλάκες η μία πάνω στην άλλη με λίγο χώρο μεταξύ τους. Αυτός ο χώρος μπορεί να γεμίσει με το υλικό που θέλετε να αναλύσετε. Κατά τη διάρκεια μιας ανάλυσης η επάνω πλάκα θα μετακινηθεί πάνω από την κάτω πλάκα. Ο ρυθμός διάτμησης περιγράφει με ποιους ρυθμούς κινούνται αυτές οι πλάκες το ένα δίπλα στο άλλο:

Ρυθμός διάτμησης  =ταχύτητα της άνω πλάκας (μέτρα ανά δευτερόλεπτο, m/s) / απόσταση μεταξύ των δύο πλακών (μέτρα, m)

Ο λόγος που περιλαμβάνεται η απόσταση μεταξύ των πλακών μπορεί να επεξηγηθεί με ένα απλό παράδειγμα. Εάν η απόσταση μεταξύ δύο πλακών είναι πολύ μεγάλη, το υλικό που βρίσκεται ανάμεσα δεν θα παρατηρήσει τόσο πολύ, το υλικό έχει αρκετό χώρο για να κατανείμει αυτή την κίνηση σε όλο το δείγμα. Με άλλα λόγια, ο ρυθμός διάτμησης είναι χαμηλός. Εάν η απόσταση είναι πολύ μικρή και οι πλάκες είναι πολύ κοντά η μία στην άλλη, το υλικό που βρίσκεται ανάμεσα θα παρατηρήσει σίγουρα μια κίνηση.

Με πιο πρακτικούς όρους:ο ρυθμός διάτμησης επηρεάζεται από την ταχύτητα με την οποία ανακατεύετε το φαγητό σας ή την ταχύτητα με την οποία κινείται ο βραχίονας ανάμειξης.

Τώρα που βρήκαμε έναν τρόπο να περιγράψουμε πόσο γρήγορα προσπαθούμε να μετακινήσουμε ένα υλικό, θα πρέπει να καθορίσουμε πόσο κόπο χρειάζεται για να το μετακινήσουμε. Όπως συζητήσαμε, το ιξώδες είναι η αντίσταση στη ροή. Έτσι, αν γνωρίζουμε πόση πίεση χρειάζεται για να εφαρμοστεί ένας ορισμένος ρυθμός διάτμησης, μπορούμε να ορίσουμε το ιξώδες. Εκεί έρχεται η διατμητική τάση.

Η διατμητική τάση περιγράφει πόση δύναμη (ανά επιφάνεια) απαιτείται για να εφαρμοστεί αυτός ο καθορισμένος ρυθμός διάτμησης. Με άλλα λόγια, περιγράφει πόση δύναμη πρέπει να εφαρμόσετε για να μετακινήσετε αυτό το φυστικοβούτυρο.

Ιξώδες =διατμητική τάση / ρυθμός διάτμησης

Για ένα Νευτώνειο ρευστό, η γνώση της διατμητικής τάσης και του ρυθμού διάτμησης που εφαρμόζεται σε ένα τρόφιμο θα σας δώσει μια τιμή για το ιξώδες διαιρώντας τη διατμητική τάση με τον ρυθμό διάτμησης. Για μη νευτώνεια ρευστά, αυτός ο υπολογισμός μπορεί επίσης να γίνει, ωστόσο, η τιμή ιξώδους που θα βρείτε θα ισχύει μόνο για τον συγκεκριμένο ρυθμό διάτμησης. Μόλις αλλάξει ο ρυθμός διάτμησης, το αποτέλεσμα αυτού του τύπου θα είναι διαφορετικό.

Ας αναλογιστούμε αυτό το άμυλο καλαμποκιού στο νερό. Όταν ανακατεύετε αργά (=χαμηλή ταχύτητα διάτμησης) το ιξώδες είναι χαμηλό, είναι εύκολο να αναμειχθεί. Ας πάρουμε μερικούς τυχαίους αριθμούς για να δούμε τι συμβαίνει εδώ. Εάν ο ρυθμός διάτμησης θα ήταν 5 (1/s) και η διατμητική τάση 10 (Pa), το ιξώδες θα ήταν:10/5 =2 Pas.

Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι όταν αρχίζουμε να ανακατεύουμε πιο γρήγορα, γίνεται πολύ πιο δύσκολο να ανακατεύουμε. Ας υποθέσουμε ότι ανεβάσαμε τον ρυθμό διάτμησης στο 50 (1/s) και ότι αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα μια διατμητική τάση 500 (Pa). Αυτό θα έδινε ιξώδες 500/50 =10 Pas! Με άλλα λόγια, το ιξώδες αλλάζει απλά ανακατεύοντας το μείγμα νερού αμύλου καλαμποκιού!

Τύποι μη νευτώνειας συμπεριφοράς

Τα νευτώνεια υγρά (όπως το νερό) είναι το εύκολο μέρος της ρεολογίας. Ωστόσο, στα τρόφιμα, τα περισσότερα υλικά δεν είναι νευτώνεια. Ένα προϊόν όπως το φυστικοβούτυρο, το οποίο είναι ένα λίπος με πολλά μικρά σωματίδια φιστικιού μέσα, ή ένα αφρώδες marshmallow, ή το επεξεργασμένο τυρί είναι πολύπλοκο σύστημα. Μπορεί να υπάρχουν στερεά, υγρά και αέρια σε ένα μόνο προϊόν. Μπορεί να υπάρχουν πολλά διαφορετικά μόρια, μεγάλα και μικρά, σε αυτό το προϊόν επίσης. Όλα αυτά τα συστατικά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτό τους κάνει να συμπεριφέρονται διαφορετικά από το απλό νερό!

Και παρόλο που όλα αυτά τα προϊόντα μπορεί να είναι μη νευτώνεια, μπορεί και πάλι να συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά! Μερικά υλικά πυκνώνουν ανακατεύοντας (άμυλο καλαμποκιού + νερό) άλλα αρχίζουν να ρέουν χάρη στο ανακίνηση (κέτσαπ). Ευτυχώς, υπάρχουν μερικές κύριες τάσεις στον κόσμο της ρεολογίας (τροφής), επομένως θα συζητήσουμε μερικά από αυτά τα κοινά μοτίβα στη ροή.

Θα χρησιμοποιήσουμε την παραπάνω εικόνα για να εξηγήσουμε αυτήν την έννοια. Πρώτα από όλα, θα αναγνωρίσετε κάποιους γνωστούς όρους. Στον άξονα x μπορείτε να βρείτε το ρυθμό διάτμησης και στον άξονα y τη διατμητική τάση που μόλις συζητήσαμε. Οι μαύρες γραμμές αντιπροσωπεύουν πολλές μετρήσεις σε 4 διαφορετικά τρόφιμα.

Νευτώνεια

Ας ξεκινήσουμε με την ευθεία που ξεκινά από κάτω αριστερά. Αυτό περιγράφει ένα Νευτώνειο ρευστό. Εάν διαιρέσετε την τιμή της διατμητικής τάσης με το ρυθμό διάτμησης σε οποιοδήποτε σημείο αυτής της γραμμής, θα λαμβάνετε πάντα την ίδια τιμή.

Αραίωση διάτμησης

Αυτή η γραμμή δεν είναι ευθεία, αντίθετα, είναι πολύ απότομη στην αρχή και κατεβαίνει στη συνέχεια. Αυτό σημαίνει ότι όταν αυξήσετε τον ρυθμό διάτμησης στην αρχή, η διατμητική τάση θα αυξηθεί επίσης γρήγορα. Ωστόσο, δεδομένου ότι η γραμμή είναι καμπύλη, η αύξηση της διατμητικής τάσης θα αλλάξει με μεταβαλλόμενο ρυθμό διάτμησης. Σε αυτή την περίπτωση η γραμμή γίνεται όλο και λιγότερο απότομη. Με άλλα λόγια, γίνεται όλο και πιο εύκολο να κοπεί αυτό το υλικό. Όταν συμβαίνει αυτό ονομάζουμε αραίωση διάτμησης υλικού. Η ανάμειξη του φαγητού θα το κάνει να ρέει πιο εύκολα.

Πύκνωση διάτμησης

Το αντίστροφο είναι επίσης δυνατό. Εδώ η γραμμή γίνεται πιο απότομη όταν αυξάνεται ο ρυθμός διάτμησης. Αυτό σημαίνει ότι γίνεται όλο και πιο δύσκολο να ανακατεύετε το μείγμα όταν πηγαίνετε πιο γρήγορα! Αυτό ονομάζεται πάχυνση διάτμησης.

Τιμή απόδοσης

Αυτά τα τρία βασικά φαινόμενα μπορούν να παρατηρηθούν σε πολλά διαφορετικά τρόφιμα. Μπορούν επίσης να συνδυαστούν με την τέταρτη γραμμή, που ονομάζεται πλαστικό Bingham. Ενώ οι άλλες 3 γραμμές ξεκινούν με 0 διατμητική τάση, αυτό το υλικό απαιτεί πολύ μεγάλη τάση μόνο για να ξεκινήσει ένας ρυθμός διάτμησης. Αυτό ονομάζεται τιμή απόδοσης. Το κέτσαπ είναι ένα παράδειγμα τέτοιου υλικού. Θα χρειαστείτε ένα ελάχιστο άγχος μόνο για να ξεκινήσετε την κίνηση. Τα υλικά με τάση διαρροής μπορεί και πάλι να είναι διατμητική αραίωση, πάχυνση ή νευτώνεια.

Επανακάλυψη

Αυτή ήταν μια αρκετά έντονη ανάρτηση με πολλές επιστημονικές έννοιες. Ακολουθεί μια γρήγορη περίληψη:

• Συζητήσαμε τη σημασία της ροής των τροφίμων (μπορείτε να τα αντλήσετε; να τα βγάλετε από ένα μπουκάλι;)
• Συζητήσαμε τι είναι η ρεολογία:μελετά τις ροές των υλικών.
• Συζητήσαμε επίσης ότι το πεδίο της ρεολογίας χρησιμοποιεί τους δικούς του όρους για να περιγράψει αυτή τη ροή. Τα πιο σημαντικά που συζητήσαμε:ιξώδες, ρυθμός διάτμησης και τάση διάτμησης.
• Στη συνέχεια τελειώσαμε με μια περιγραφή του τρόπου ροής των υλικών. Ακούγεται γενικό, αλλά η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η ροή του φαγητού σας εξαρτάται από τις συνθήκες της διαδικασίας μπορεί να είναι πολύ βολικό!