Fabian Dajnowiec, Forum Mleczarskie Biznes 3/2009 (06)

Reologia w przemyśle mleczarskim

Produkty mleczarskie ze względu na swój złożony skład, a także różne metody wytwarzania mają złożone właściwości reologiczne. Wśród nich można znaleźć zarówno typowe płyny jak i ciała stałe. Podstawowe czynniki jakości produktów spożywczych, do jakich zaliczamy również produkty mleczarskie, to: wygląd (barwa, kształt, wymiar, połysk), smak, zapach, tekstura i wartość odżywcza.

Istnieje kilka definicji tekstury. Jedna z nich mówi, że jest to zespół cech reologicznych i strukturalnych odbieranych przez człowieka na podstawie wrażeń mechanicznych, dotykowych wzrokowych i słuchowych. Producent wyrobów spożywczych świadomie może kształtować teksturę swojego produktu, poprzez różnego rodzaju zabiegi technologiczne, a także przez dodatek dopuszczonych do przemysłu spożywczego substancji strukturotwórczych. Tekstura konkretnych produktów spożywczych może być kształtowana według upodobań konsumenta. Może być wyróżnikiem danego produktu (i producenta) spośród szerokiej gamy takich samych produktów znajdujących się na półce sklepowej. Tworząc nowe produkty pomocne mogą być pomiary reologiczne.

Pomiary reologiczne mogą pomóc w doborze oferowanych przez te firmy dodatków gum spożywczych lub emulgatorów, 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. Należy pamiętać, że np. 12% śmietana z zakładu A będzie miała inną lepkość niż śmietana o tej samej zawartości tłuszczu z zakładu B, ponieważ producenci w jej produkcji mogą stosować inne substancje strukturotwórcze. Na przykład producent A stosował do stabilizacji skrobię modyfikowaną, natomiast producent B gumę guar. Nowoczesny przemysł mleczarski wykorzystuje wiele substancji teksturotwórczych dostarczanych między innymi przez takie firmy jak Danisco, G.C. Hahn Co, Palsgaard Polska czy Hortimex.

Reologia to interdyscyplinarna dziedzina wiedzy zajmująca się badaniem odpowiedzi substancji rzeczywistych na przyłożone naprężenia, opisująca sprężystość i lepkość badanego materiału. Pomiary reologiczne można wykorzystać do normalizacji ilości i rodzaju dodatków strukturotwórczych wykorzystywanych przy produkcji wyrobów mleczarskich, projektowania instalacji i procesów, bieżącej kontroli, jakości a także do analizy upodobań konsumentów.

Jednym z najbardziej znanych i powszechnie konsumowanych na całym świecie produktów jest jogurt. Jest to przykład produktu o bardzo zróżnicowanej konsystencji. Reologiczne właściwości jogurtu, a tym samym jego jakość zależą od metody produkcji. Istnieje kilka kryteriów podziału jogurtu. Jednym z nich jest podział ze względu na właściwości fizyczne – na jogurty płynne, półpłynne i stałe. Każdy z jogurtów tych rodzajów ma specyficzne właściwości. W celu określenia ich lepkości, a także i tekstury można stosować różne techniki pomiarowe. Jednym z urzàdzeƒ stosowanych do określania właściwości jogurtu stałego majàcego charakter żelu jest analizator tekstury. Urządzenia oferowane między innymi przez takie firmy jak Stable Micro Systems czy Brookfield pozwalają określić sprężystość takiego produktu. Innym sposobem używanym w badaniach jogurtów płynnych lub półpłynnych są reotesty rotacyjne.

Urządzenia umożliwiają określenie charakteru płynięcia jogurtu. Do danych pomiarowych uzyskanych na urządzeniach tego typu dopasowuje się modele matematyczne, które pozwalają na obliczenie lepkości wyrażonej w paskalosekundach [Pa. s]. Producenci i dostawcy wymienników ciepła np. GEA, APV czy Tetra Pak do obliczeń ich konfiguracji potrzebują profili temperaturowych zmian lepkości. Wybór urządzenia do pomiarów reologicznych właściwości produktów płynnych jest zależny od środków finansowych jak i preferencji użytkownika. Producentami tego typu urządzeń pomiarowych są takie firmy jak Haake, Brookfiled czy Anton Paar. Wszystkie te firmy produkują różne wersje urządzeń. Od aparatury przeznaczonej dla laboratoriów badawczych do urządzeń przeznaczonych do laboratoriów przemysłowych. Szczególnie urządzenia badawcze dają więcej możliwości pomiarowych. Pozwalają na przeprowadzenie badań dynamicznych, które pokazują charakter sprężystolepki półpłynnych i płynnych jogurtów. Istotną zaletą techniki pomiarów dynamicznych jest nienaruszenie tekstury badanego produktu.

Z reologicznego punktu widzenia jogurt jest płynem o charakterze cieczy rozrzedzanej ścinaniem. To znaczy, że jego lepkość w zależności od wielkości przyłożonego naprężenia ulega zmniejszeniu. Ma właściwości płynu, którego charakter jest zmienny w czasie. Cechują go właściwości płynu tiksotropowego, jak również posiadającego granicę płynięcia. Pomiary dynamiczne pokazują, że w jogurcie właściwości sprężyste przewyższają lepkie.

Produkcja jogurtu (mówiąc bardzo ogólnie) polega na normalizacji surowca, homogenizacji i obróbce termicznej, fermentacji, dodatku pulpy owocowej, pakowaniu i przechowywaniu. Każdy z tych etapów produkcji może wpływać na cechy organoleptyczne i reologiczne produktu końcowego. Istotny wpływ na strukturę otrzymanego produktu ma metoda, za pomocą której uzyskano zakładany poziom suchej masy. Istnieje kilka sposobów zmiany zawartości suchej masy surowca przeznaczonego do produkcji jogurtu. Może to być zagęszczanie w procesie wyparnym, ultrafiltracji, odwróconej osmozy, dodatek odtłuszczonego mleka w proszku lub koncentratu białek mleka otrzymanego różnymi metodami. Na tym etapie produkcji może również nastąpić dodatek substancji stabilizujących. Mogą to być gumy spożywcze, skrobie bądź żelatyna. Dane literaturowe wskazują, że proces ultrafiltracji zdecydowanie podwyższa w większym stopniu lepkość jogurtu w porównaniu z jogurtem, którego suchą masę zwiększono innymi metodami. Obrazy struktury jogurtu wykonane mikroskopem skaningowym dostępne w literaturze naukowej uwidaczniają, że stosując różne substancje stabilizujące można wpływać na właściwości reologiczne jogurtu. Przykładem jak można zmieniać lepkość jogurtu poprzez dodatek różnych substancji niech będzie wykres 1. sporządzony na podstawie badań autora. Na wykresie pierwszym przedstawiono lepkość jogurtu, do którego wytworzenia dodano 5% inuliny. Pomiary lepkości dokonano po 12 godzinach od inkubacji i 14 dniach przechowywania.

Innym przykładem mówiącym, że każdy producent ma taki sam wyrób, ale o innych właściwościach jest wykres 2, sporządzony w oparciu o badania własne autora, handlowego jogurtu naturalnego trzech różnych polskich producentów. Na opakowaniach analizowanych jogurtów deklarowany był inny skład.

Uzyskane dzięki danym pomiarowym współczynniki modelu reologicznego pozwoliły scharakteryzować badane jogurty. Współczynnik konsystencji K wszystkich trzech produktów różnił się, podobnie jak lepkość pozorna. Można przypuszczać, że jogurty miały inną strukturę i konsystencję odczuwalną przez konsumenta. Należy pamiętać, że konsument decyduje o popularności konkretnego jogurtu, mimo podobnego poziomu cenowego takiego produktu pochodzącego od różnych producentów.

Złożone właściwości reologiczne jogurtu muszą być brane pod uwagę przez producentów w celu uzyskania produktu o cechach organoleptycznych akceptowanych przez konsumenta.