מעבר זכוכיתי (Tg) במזון: למה מוצרים יבשים נעשים דביקים, רכים או גושיים
למה אבקות יוצרות גושים, חטיפים מתרככים וסוכריות נדבקות: מה המעבר הזכוכיתי (Tg) מסביר, מה לא, ואיך הופכים אותו למפרט לחות ואריזה.
שלוש תלונות שנשמעות לא קשורות. אבקת פרי שעבדה יפה במייבש ההתזה בחורף נדבקת לדופן התא באוגוסט. קרקר שיצא מהקו פריך נעשה גמיש ולעיס עד שהוא מגיע למדף. צנצנת קפה נמס הופכת לקרום חום וקשה אחרי כמה שבועות במטבח לח.
לשלושתן אותה סיבה. כל אחד מהמוצרים האלה הוא זכוכית, וכל אחד מהם חצה את טמפרטורת המעבר הזכוכיתי שלו, Tg. מי שיודע איפה עובר הקו הזה במוצר שלו יכול לתכנן סביבו את הלחות, את התהליך ואת האריזה, במקום לנחש.
מה זה Tg
ייבוש, הקפאה, אקסטרוזיה ובישול סוכר מוציאים לעתים קרובות מים או חום מהר מדי מכדי שסוכרים, עמילנים וחלבונים יספיקו להסתדר בגבישים. הם ננעלים במקומם כמוצק לא מסודר, אמורפי: זכוכית. מתחת ל-Tg הזכוכית קשיחה ושבירה, והמולקולות בה כמעט לא זזות. מעל ה-Tg היא עוברת למצב גומי: רכה ודביקה יותר, והמולקולות זזות בחופשיות רבה בהרבה.
Tg אינה נקודת התכה. אין בה חום כמוס, השינוי מתרחש על פני טווח של כמה מעלות ולא בטמפרטורה אחת, והערך הנמדד תלוי בקצב החימום. לכן תוצאת Tg רצינית מציינת אם מדובר בתחילת המעבר (onset) או באמצעו (midpoint), ובאיזה קצב חימום היא נמדדה.
מים מזיזים את הקו
מים הם המרכך (plasticizer) החזק ביותר במזון. המעבר הזכוכיתי של המים עצמם נמצא בסביבות 135 מעלות מתחת לאפס, ולכן כל כמות מים שמוצר יבש סופח מורידה את ה-Tg שלו, ובחדות.
דוגמה במספרים: לסוכרוז אמורפי יבש יש Tg של כ-62 מעלות. עם 2% מים, משוואת גורדון-טיילור (Gordon‑Taylor) מעמידה אותה על כ-45 מעלות. עם 4% מים, על כ-30 מעלות. בטווח הזה, כל אחוז לחות עולה לזכוכית הסוכר 7 עד 9 מעלות של מרווח ביטחון. ומהצד השני: ב-25 מעלות הזכוכית הזו מחזיקה כ-4.7% מים; במחסן של 35 מעלות בקיץ הישראלי, רק כ-3.3%.
מה שקובע הוא המרחק בין טמפרטורת האחסון ל-Tg, כלומר T − Tg, וההשפעה שלו לא עולה בהדרגה. לפי קבועי WLF הקלאסיים, כהמחשה: 10 מעלות מעל ה-Tg, הסידור מחדש של המולקולות מהיר פי כמה מאות מאשר ב-Tg עצמה, ו-20 מעלות מעליה פי עשרות אלפים. לכן מוצר יכול לעמוד בלי שינוי חודשים, ואז להיכשל בתוך ימים מגל חום או מאיטום שדלף.
איפה זה מופיע
- אבקות מיובשות בהתזה. לסוכרי פרי (פרוקטוז וגלוקוז) יש Tg נמוכה, ולכן אבקות פרי נדבקות לדופן המייבש והתפוקה קורסת. במחקר שפורסם על מיץ רימונים, העלאת מלטודקסטרין DE 20 מ-5% ל-25% העלתה את ה-Tg של האבקה מ-38 ל-72 מעלות, ואת נקודת הדביקות שלה מ-57 ל-89 מעלות. רק בכ-20% נשא הצליחו לאסוף יותר ממחצית האבקה.
- אבקות באחסון. אבקות חלב, תמ“ל, קפה נמס ותערובות מרק יוצרות גושים כשפני החלקיקים חוצים את ה-Tg ומתאחים זה לזה. במחקר על קפה נמס מ-2025, ב-20 מעלות וללא אריזה, אבקה שהוחזקה בלחות יחסית של 11% נשארה יציבה, ואילו ב-65% היא עברה את הלחות הקריטית בתוך שבוע והתקלקלה לעין.
- מוצרים פריכים. קרקרים, ופלים, חטיפים מנופחים ודגני בוקר מאבדים את הפריכות כשהמים שנספחו מורידים את ה-Tg מתחת לטמפרטורת החדר. תיארנו את המסלול הזה במאמר למה החטיף שלי מתרכך אחרי שבועיים?
- סוכריות קשות. סוכריה קשה היא זכוכית סוכר מלכתחילה. יותר מדי מים שנשארו בה, או יום לח, והיא נעשית דביקה, מאבדת את צורתה או מתגבשת, כשהסוכר יוצא מהזכוכית כגבישים.
- ייבוש בהקפאה. כאן המספר הקובע הוא Tg′, המעבר הזכוכיתי של הפאזה המרוכזת שבין גבישי הקרח. בשלב הייבוש הראשוני המוצר חייב להישאר מתחת לטמפרטורת הקריסה שלו, בדרך כלל כמה מעלות מעל Tg′, אחרת המבנה מתכווץ וקורס. עוד על כך במאמר ייבוש בהקפאה למזון: מתי זה שווה את העלות.
- מזון קפוא וגלידה. בין גבישי הקרח נמצא סירופ מרוכז שנשאר לא קפוא. בסוכרוז, המעבר הזכוכיתי שלו נמצא בסביבות 46 מעלות מתחת לאפס, והקרח מתחיל להימס ממנו מסביבות 34 מעלות מתחת לאפס. מקפיא של 18 מעלות מתחת לאפס נמצא הרבה מעל שניהם, ולכן תנודות טמפרטורה מגדילות את גבישי הקרח והגלידה נעשית קרחית.
מה Tg לא אומרת
- אם המוצר בטוח. צמיחה מיקרוביאלית תלויה בפעילות מים, ב-pH ובתהליך, לא ב-Tg. ה-Tg משלימה את ה-aw, היא לא מחליפה אותו.
- שמתחת לה לא קורה כלום. חמצון, השחמת מייאר ונדידת לחות איטית יכולים להמשיך גם במצב הזכוכיתי. מתחת ל-Tg השינוי הפיזיקלי מאט; הכימיה לא נעצרת.
- את כל הסיפור במוצר מורכב. חטיפי חלבון מתקשים מסיבות ש-Tg אחת של המוצר כולו לא מראה. במחקר אחד ב-32 מעלות, חטיפים עם חלבון מי גבינה מבודד (WPI) שלא עבר הידרוליזה התקשו מכ-3.4 ניוטון לכמעט 100 ניוטון בתוך כחמישה שבועות, ואילו חטיפים עם חלבון מי גבינה שעבר הידרוליזה חלקית הגיעו רק ל-10 עד 15 ניוטון. החוקרים הציעו שההפרדה בין החלבון לסירופ הסוכר היא שמתחילה את ההתקשות.
- משהו על טמפרור שוקולד. טמפרור עוסק בצורות הגביש של חמאת הקקאו, לא במעבר זכוכיתי.
ממספר Tg למפרט
ערך Tg לבדו הוא תוצאת מעבדה. מה שיצרן צריך הוא החלטה: לאיזו לחות לייבש, לאיזו לחות יחסית מותר למוצר להיחשף, ובאיזה פילם לארוז אותו. הדרך לשם עוברת בארבעה שלבים.
- מביאים דוגמאות של המוצר לשיווי משקל בחמש עד שמונה לחויות יחסיות מבוקרות, ומודדים לכל אחת פעילות מים ולחות. כך מתקבלת עקומת הספיחה; מודל GAB מתאים לרוב המזונות.
- מודדים Tg בכמה מרמות הלחות האלה, בדרך כלל ב-DSC (קלורימטריה סורקת דיפרנציאלית), בכלים אטומים, כשהלחות נבדקת ברגע האטימה. אבקה שסופחת אפילו חצי אחוז מים בזמן הטיפול תיתן מספר אחר.
- מתאימים את ה-Tg ללחות (גורדון-טיילור), ומחשבים את הלחות הקריטית ואת ה-aw הקריטי בטמפרטורת האחסון החמה ביותר שסבירה במציאות, לא זו שעל התווית.
- בודקים את התוצאה מול כשל אמיתי: גושים, מרקם, קריסה או התגבשות שנמדדים על המוצר עצמו, כדי שמרווח הביטחון מתחת ל-Tg יהיה ידוע למוצר הזה ולא מנוחש.
התוצאה מתורגמת לנקודת סיום לייבוש, ללחות מרבית בתוך האריזה, ל-WVTR של הפילם (קצב מעבר אדי המים) ולהערכת חיי מדף. כשהמרווח קטן מדי, המנופים ידועים: להעלות את ה-Tg בעזרת נשאים בעלי משקל מולקולרי גבוה (מלטודקסטרין עם DE נמוך, גומי ערבי, חלק מהחלבונים), להפחית סוכרים ופוליאולים בעלי משקל מולקולרי נמוך, לייבש עוד, להוריד את טמפרטורת היציאה מהמייבש, או לשדרג את החסימה. חומרים מונעי התגבשות (anti-caking) עוזרים לאבקה לזרום; הם לא מונעים מהזכוכית להתרכך.
האריזה היא המקום שבו זה כואב עכשיו. מחקר הקפה מצטט עבודה קודמת שבה הסרת שכבת האלומיניום משקית קפה נמס קיצרה את חיי המדף ל-15 יום. מי שמעביר מוצר יבש לפילם בר מחזור או מתכלה, עם חסימת לחות חלשה יותר, צריך לדעת את ה-aw הקריטי של המוצר לפני השינוי, לא אחריו.
איך אנחנו עובדים על זה
במעבדה שלנו ביקום אנחנו מביאים דוגמאות לשיווי משקל בלחויות מבוקרות, ומודדים פעילות מים, לחות ומרקם: פריכות וקשיות במד מרקם של Stable Micro Systems. אנחנו מריצים גם את התהליך עצמו, ייבוש בהתזה, ייבוש בהקפאה ואקסטרוזיה, כדי לראות איפה פורמולציה נדבקת, קורסת או מתרככת. מדידות DSC נעשות במעבדה חיצונית לאנליזה תרמית.
סימולציות חיי המדף שלנו משתמשות במודלים של גורדון-טיילור ו-GAB כדי להפוך את נקודות המדידה האלה ל-aw קריטי ולדרישת אריזה, לפני שמזמינים את הפילם. ניסויי אחסון מאמתים את זה אחר כך על המוצר.
זה חלק מ-The Whole Package, שירות חיי המדף והאריזה שלנו. טעות שמתגלה במעבדה עולה הרבה פחות מטעות שמתגלה על המדף. יש לכם אבקה שיוצרת גושים, חטיף שמתרכך או סוכריה שמזיעה? כתבו לנו ונתאם ניסוי ראשון.
דברו איתנו