Coupled map lattice for phase inversion from cream to butter: towards understanding food texture formation based on polymer and nonlinear physics

用于从奶油到黄油的相转化的耦合图晶格：基于聚合物和非线性物理学理解食物质地的形成

基本信息

批准号：
20J12074
负责人：
野澤恵理花
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Ochanomizu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

分野横断的な非線形科学の手法である結合写像格子（Coupled Map Lattice、CML）を用いて、これまで生物学・化学分野の研究対象であった食品を物理学の立場から研究している。本研究課題では、特に、多様な食感を示す食品エマルションである生クリームを研究対象に選び、撹拌によってホイップクリームを経てバターへと至る、その転相現象について調べた。今年度は、まず、前年度に開発したシミュレータを用いて、食品のCMLのシミュレーションを実施した。CMLの高速計算により、撹拌温度と撹拌速度に対する詳細なパラメータ探索を行った。その結果、撹拌温度が高い場合と低い場合に対応する2つの異なる転相過程が存在し、それらは、粘性-気泡性平面上で特徴付けられると共に、異なるレオロジー特性（気泡性、粘性の空間パターンや時間変化ステージ）を有することが分かった。次に、転相過程におけるこれらのレオロジー特性を指標として、油中水滴型エマルション（バター）を分類し、横軸に撹拌温度、縦軸に撹拌速度を取った、相図の作成を行った。その結果、撹拌温度が高く、撹拌速度が遅いパラメータ領域では、低粘性・低気泡性（柔らかくてとろとろな食感）のバターが、撹拌温度が低く、撹拌速度が速いパラメータ領域では、高粘性・高気泡性（固くてふわふわな食感）のバターが、それぞれ得られることが分かった。併せて、得られた相図について実験による検証を行った。パラレルプレートを用いて、CMLシミュレーションを模した実験系を構成し、転相過程における粘度変化をレオメーターにより測定したところ、相図と定性的によく一致する結果を得ることができた。これにより、転相過程におけるレオロジー特性を指標とする相図は、食感の理論的（少なくとも定性的）記述に向けた、優れた指針となりうることが分かった。今後、食感の理論設計を目指す上で、重要な成果であると考えている。

我们利用耦合图晶格（CML）这种跨学科的非线性科学方法，从物理学的角度研究食品，而食品传统上一直是生物学和化学研究的主题。在本研究项目中，我们特别选择了鲜奶油这种具有多种质地的食品乳液作为研究对象，研究了鲜奶油通过搅拌转变成黄油的相转化现象。今年，我们首先使用前一年开发的模拟器进行了食品CML模拟。使用高速 CML 计算对搅拌温度和搅拌速度进行详细参数搜索。因此，存在与高搅拌温度和低搅拌温度相对应的两种不同的相转化过程，其在粘性泡沫平面上具有不同的流变特性（泡沫性、粘度的空间模式）和时变阶段。接下来，以这些转相过程中的流变特性为指标对油包水型乳液（黄油）进行分类，并制作以横轴为搅拌温度、纵轴为搅拌速度的相图。因此，在搅拌温度高、搅拌速度慢的参数范围内，粘度低、气泡少（质地松软、融化）的黄油成为黄油，而在搅拌温度低、搅拌速度慢的参数范围内，则成为黄油。搅拌速度高，黄油具有高粘度和低起泡性（柔软且融化的质地），发现每种方法都可以获得高起泡性（坚硬且蓬松的质地）的黄油。同时，我们通过实验验证了得到的相图。使用平行板，我们配置了模拟 CML 模拟的实验系统，并使用流变仪测量了相转化过程中的粘度变化。我们能够获得与相图定性地吻合的结果。结果发现，以相转化过程中的流变特性为指标的相图可以作为理论上（至少定性）描述质地的极好指南。我们相信这对于未来纹理理论设计来说是一个重要的成果。